目视光学系统培训课程

第六章目视光学系统目视光学系统眼睛的特性放大镜显微镜系统望远镜系统6.1、眼睛的结构及其特性

人眼——相机水晶体——镜头:f=-17mmf′=23mm(在调焦范围内，-f=14.2~17.1mm,f¹=18.9~22.8mm)视网膜——底片瞳孔——光阑：2~8mm

一、人眼的结构相当于自动调焦的透镜系统二、眼睛的调节眼睛的调节：眼睛对不同距离的物体的自动调焦的过程。

视度：与网膜共轭的物面到眼睛的距离的倒数，SD＝1/l

（单位：屈光度，其中l以米为单位）远（近）点：眼睛自动调焦所可能看清最远（近）的点，远（近）点距离：远（近）点到眼物方主点的距离。正常眼：眼睛的远点在无限远，近点很近，水晶体的像方焦点与视网膜重合。明视距离：正常眼最方便和最习惯的工作距离，它等于-250mm。人眼的最大调节范围：近点和远点所对应的视度之差（SD近-SD远）。范围随年龄变化如表6－1：问：老花眼和远视是一回事吗？三、眼睛的分辨率眼睛的分辨率：眼睛刚能分辨的两物点在网膜上成的两像点之间的距离。人眼的生理结构决定这个距离至少要大于两个神经细胞的直径。视神经细胞直径约0.003mm一般取人眼的分辨率0.006mm视角分辨率：眼睛刚能分辨的两物点对眼睛的张角ωmin。在眼睛没有调节的松弛状态下，f≈－16.68mm，可得ωmin≈60″：由可得提高人眼分辨率的方法：

6.2放大镜

一、工作原理物体对人眼的张角称为视角。人眼要看清物体，必须是物体对人眼的视角大于人眼分辨率。二、视（角）放大率Γ

目视光学仪器是帮助人眼扩大视角功能的，它的作用大小用视（角）放大率来描述。

视网膜上像的大小和视角的正切成正比，因此，把同一目标用仪器观察的视角ω仪(ω′)和人眼直接观察的视角

ω眼

(ω)二者正切之比称为目视光学仪器的“视角放大率”。要使光学仪器有扩大视角功能，则Γ大于1一、放大镜的视角放大率注：目视光学仪器目镜的工作原理和视角放大率的计算与放大镜完全相同。二、放大镜的光束限制和视场

注：放大镜的视场与视角放大率、放大镜口径、观察距离有关。眼瞳为孔阑，放大镜为渐晕光阑，渐晕系数为1,0.5,0时，像方视场角分别为：当物面放在放大镜前焦面时，像面无限远，k＝0.5时的线视场6.3显微系统主要内容：1、显微镜的成像原理及视角放大率；2、孔径光阑与出瞳直径；3、分辨率与有效放大率；放大大镜镜不不能能满满足足对对更更细细小小的的物物体体观观察察，，考考虑虑可可以以先先用用一一组组透透镜镜把把物物体体放放大大成成像像到到放放大大镜镜前前焦焦面面上上，，再再通通过过放放大大镜镜观观察察；；这样样经经过过两两级级放放大大形形成成的的光光学学系系统统称称为为显微微镜镜系系统统；靠近物体，把把物体尺寸放放大的透镜叫叫做显微物镜靠近眼睛，用用来扩大视角角的放大镜叫叫做显微目镜。一、显微镜的成像像原理及视角放大率光学筒长△：F′物到F目之间的距离。。人眼直接观察察物视角通过显微镜观观察视角故显微镜可以以看成一个组组合放大镜当ω和ω′符号号相反，观察察到倒立的像像可得习题1：用两两个焦距都是是50mm的的正透镜组成成一个－10倍的显微镜镜，问物镜、、目镜的倍率率及物镜和目目镜之间的间间隔？解：由公式其中代入上式可得得1、衍射分辨辨率P123二、显微镜的的分辨率和有效放大率（像点中央亮亮斑直径）实验证明，两两像点能分辨辨的最短距离离等于中央亮亮斑直径：为光的波长，，为为像方折射射率，为为光束束最大像方孔孔径角由于衍射像有有一定大小，，如果两个像像点距离太小小，就无法分辨，把两个个衍射像间所所能分辨的最最小间隔称为为衍射分辨率。2、显微镜分辨率:用物面上可可分辨最短距距离σ表示1）两个发光光点的分辨率率：其中，称称为数值孔径两像点能分辨辨的最短距离离：2）不发光物物体的分辨率率：垂直照明：倾斜照明：NA，，λ时，σ，，分辨率提高显微镜分分辨率的途径径：1）增大数值值孔径NA，即增大大孔径角或物物方折射率n，（采用浸液物镜镜）2）缩短工作作波长λ；（采用紫光光源源）显微镜分辨率率表征了显微微镜能分辨近近距物体细微微结构能力显微镜分辨率率主要取决于于NA，与目镜无关关，目镜放大大率再大也无无法把物镜不不能分辨的细细节看清。3、有效放大率（要使显微镜分分辨的细节能能被人眼所分分辨）便于眼睛分辨辨的角距离为为该角距离在眼眼睛的明视距距离250mm处所对应应的线距离σ眼，可表示为：：把σ眼看成显微镜分分辨率σ经显微镜所成成的像。则有设所用照明的的平均波长为为0.000555mm，有近似为：，取结论：1.显微镜能能分辨而眼睛睛不能分辨（当使用比500NA更小的放大大率时，不能能看清物镜已已分辨出的某某些细节———受制于人眼眼分辨率）——放大不足足；2.显微镜不能分分辨，导致眼眼睛不能分辨辨（若用比1000NA更更高的放大率率，也不可能能再提高显微微镜的分辨率率，即并不能能使被观察物物体的细节更更清晰——受受制于光学系系统衍射分辨辨率）——无无效放放大。。习题2（T6））：一一个显显微镜镜物镜镜的垂垂轴放放大率率为-3，，数值值孔径径为0.1，共轭距距L（物物镜的的物像像间距距）为180毫毫米，，物镜镜框为为孔阑阑，目目镜焦焦距为为25毫米米，求求：⑴、显显微镜镜的视视角放放大率率；⑵、出瞳距距离（（镜目目距））；⑶、斜入射射光照照明，，波长长为0.55微微米，，求其其分辨辨率；⑷、物物镜通通光孔孔径；；⑸、出出瞳直直径；；⑹、设设物高高2y＝6mm，K=50％％，求求目镜镜的通通光口口径。。6.4望望远远镜系系统主要内内容：：1、工工作原原理；；2、视视放大大率；；3、分分辨率率及工工作放放大率率；4、透透镜转转象系系统；；一、工工作原原理目视光光学仪仪器的的两个个要求求扩大视视角出射平平行光光显微镜镜是将将近物物成像像于无无限远远，望望远镜镜使无无限远远物体体成像像在无无限远远，所所以望望远镜镜是一一个无无焦系系统由于是是无焦焦系统统，物物镜的的像方方焦点点和目目镜的的物方方焦点点重合合，光学筒筒长＝0望远镜有两两种基本型型式：伽利略望远远镜、开普普勒望远镜镜。开普勒望远远系统，物物镜和目镜镜都是正透透镜，中间有实像像面，可在在实像处加加分划板测测量。问：伽利略略望远镜能能否放置分分划板？答：由于伽伽利略望远远镜没有中中间实像，，不能安装装分划板。。也不能用用来瞄准和和定位。伽利略望远远镜的物镜镜是一块正正透镜，目目镜是一块块负透镜。。二、视放大大率由于物体在在无限远，，同一目标标对人眼的的张角和对对仪器的张张角（即望望远镜的物物方视场角角）完全可可以认为是是相等的，，同为，通过望远镜镜之后，物物体的像对对人眼的张张角就是系系统的像方方视场角1、D为望远镜的的入瞳直径径；D‘为望远镜的的出瞳直径径；2、望远镜镜的视觉放放大率取决决于望远系系统的结构构（焦距））。问：望远镜镜的物镜能能否用负透透镜？望远镜系统统的特点：：P1481.Γ可正可负负，Γ>0,ω、ω´同同号，物像像方向相同同（伽利略望远远镜）Γ<0,ωω、ω´异号，物像像方向相反反（开普勒望远远镜）2.目镜焦焦距不能太太小，因此此要提高放放大率，必须加长物物镜焦距；3.出瞳与与人眼眼瞳瞳直径相匹匹配，为了了得到高倍倍率，要加大物镜镜口径。三、分辨率率及工作放放大率1、望远镜镜的分辨率：以刚能分分辨的两发发光点对望望远镜的张张角φ表示。取λ＝0.000555mm,则问题：为什什么天文望望远镜物镜镜口径一般般做得很大大？分辨率只与与入瞳口径径（物镜口口径）有关关，入瞳越越大，φ越小，，分辨率越越高若设人眼的的分辨率为为60″，则3、工作放大率率：是正常放放大率的2~3倍。2、有效放大率率：满足人眼眼分辨率要要求的最小小视角放大大率。四、透镜转转像系统（开普勒望望远镜成倒倒像，要获获得正像，，中间要加加倒像系统统）转像系统的的垂直放大大率一般在在－1/2—-3之间，1）位置：在物镜的的像方焦面面和目镜的的物方焦面面之间加入入一垂轴放放大率为负负的透镜组组。2）加入倒倒像系统后后视角放大率率选用的最多多，实现倒倒像。3）倒像系系统的放置置及垂轴放放大率通常采用两两个完全相相同的透镜镜组成倒像像系统。F1F2′y-y′ω′ω一般由两个个透镜组组组成，并使使第一个透透镜组的物物方焦面和和物镜的像像方焦面重重合；第二二个透镜组组的像方焦焦面与目镜镜的物方焦焦面重合。。4）倒像系系统斜光束束渐晕当斜光束的的对称轴线线——主光光线和光轴轴的交点在在两透镜中中间时，斜斜光束的宽度度最大。F1F2′y-y′ω′ω6.4视视度调节节一、眼睛的的缺陷及校校正正常眼：远点在无限限远，水晶体的的像方焦点点F′在视网膜上上。近视眼：F′在视网膜前前，戴负透镜校正。远视眼：F′在视网膜后后，戴正透镜校正。远点的倒数数表示近视视或远视的的程度，称称视度。1D＝100度。校正镜片片焦距例如：近视视200度度，表示SD=-2，远点距距离镜片焦距：：眼镜片的像像方焦点正正好和非正正常眼的远远点重合。。二、仪器的的视度调节节以开普勒望望远镜为例例：对近视眼：目镜应向物物镜方移动动，物镜的像点点落在目镜镜物方焦点点之内，经目镜后后形成一视视度为负的虚像。若此虚像像位于近视视眼远点，，则通过人人眼，成像像于视网膜