大学工程光学第七章1

第七章典型光学系统眼睛放大镜显微镜望远镜摄像机投影仪第一节眼睛及其光学系统1.眼睛的结构2.标准眼和简约眼3.眼睛的调节4.正常眼和非正常眼5.眼睛的适应

6.眼睛的立体视觉1.眼睛的结构眼睛像个能自动对焦、变焦、自动改变光圈的照相机。人眼照相机水晶体镜头网膜底片瞳孔光阑◆

眼睛的直径约25mm◆物体在视网膜上成倒像◆感光最灵敏处称为黄斑◆在盲斑处无锥状细胞和杆状细胞◆节点与中心凹的连线称视轴。怎样验证盲斑的存在？2.标准眼和简约眼标准眼：满足眼睛光学常数值的眼睛。简约眼：把标准眼简化为一个折射球面的模型。3.眼睛的调节物体远近变化水晶体曲率半径变化观察远物观察近物眼睛放松，半径增大。眼睛紧张，半径减小。远点：眼睛所能看清的最远点；近点：眼睛所能看清的最近点；、前为正号表示该点在眼前，负号表示该点在眼后近点距离：近点到眼睛的距离，用表示；远点距离：远点到眼睛的距离，用表示；明视距离:正常眼观察物体最舒服的距离，为250mm。眼睛的调节范围:单位：屈光度（D）1D=1m-1年龄(岁)

(m)R(D)

(m)P(D)Ā

(D)10-∞0-0.071-141420-∞0

-0.100-101030-∞0-0.143-7740-∞0-0.222-4.54.550-∞

0-0.40-2.52.5602.00.5-2.00-0.51.00800.402.50.402.500.004.正常眼和非正常眼正常眼的远点在无穷远，像方焦点在视网膜上。近视眼的特点:

眼球偏长像方焦点在视网膜前远点在眼前有限远处矫正前矫正后A’AA’近视眼的矫正：镜片的焦距，为负透镜视度:近视眼或远视眼的程度。（D）通常医院和眼镜店把1D称为100度。◆视度为-1D的同学需配戴屈光度为-1D的眼镜,也就是100度的近视眼镜，镜片焦距为-1m。眼镜的屈光度（D）例1：某人的视度为-2D，调节范围是8D,求（1）其远点距离；（2）其近点距离；（3）佩戴100度的近视眼镜，求该镜的焦距；（4）带上该近视眼镜后，求看清的远点距离；A’A’’A（1）（2）（3）远视眼的特点：1.眼球偏短2.像方焦点在视网膜后3.远点在眼后有限远矫正前矫正后A’AA’远视眼的矫正：例2：妈妈不能看清1m以内的物体，如想在明视距离处读书看报，则需配戴多少度的眼镜？其中,所以妈妈需配戴300度的远视眼镜。5.眼睛的适应眼睛的适应：指对各种光亮环境的适应能力。变化范围可达绝对暗阈值：约为勒克斯。它相当于蜡烛在30公里远处所产生的照度。

暗适应：发生在自亮处到暗处时，瞳孔自动缩小，过程较慢，极限为30分钟；亮适应：发生在自暗处到亮处时，瞳孔自动增大，过程较快，只需要几分钟。锥状细胞杆状细胞感色（亮照明时起作用）感光（弱照明时起作用）为什么黄昏时能看清洗衣做饭而不能看清描龙绣凤？人眼对555nm（绿光）的光最敏感。眼睛的分辨本领刚能分辨开的二个点对眼睛物方节点的张角称为眼睛的极限分辨角。人眼的极限分辨角为60”

眼睛能分辨开两个很靠近的点的能力称为眼睛的分辨率，这个距离不小于0.006mm。

6.眼睛的立体视觉：辨别物体距离，区分相对远近。双眼体视：物体成像于双眼中心凹的同侧对应点时产生单像，否则产生双像。注视A时，成像a1和a2,在中心凹

这时B成像为b1和b2，产生双像

C成像为c1和c2，也产生双像

D成像为d1和d2，产生单像

眼睛估计距离是利用眼睛转动时肌肉的紧张程度不同。辨别相对远近是利用两眼视线的夹角，即立体视差角。

b为基线长，成人为65mm。L为观察点到眼睛的距离

立体视差角

立体视差

体视锐度：人眼能觉察的最小立体视差，约10"，经训练可以小到3"

立体视觉半径：人眼存在立体视觉的范围

体视阈值：

能分辨不同远近两点间的最小距离

例如：在100m距离上，人眼的体视阈值为要有更好的立体视觉，即增大体视圈半径，减小体视阈值，怎样实现？双眼观察时有明显的立体视觉，因此为了在使用仪器观察时仍能保持人眼的体视能力，必须采用双眼仪器，如“双目望远镜”，“双目显微镜”。双眼仪器左右两个光学系统必须满足以下条件：1.双眼仪器左右两个光学系统的光轴要平行。2.两个光学系统的视放大率应该一致。3.两个光学系统之间不应该有相对的像倾斜。第二节放大镜放大镜的放大率

W’f’y目视系统的视角放大率：远处物体经系统所成的像对眼睛张角w‘的正切与该物体直接对眼睛张角w的正切之比。第三节显微镜系统物体AB在物镜前焦面稍前处，经物镜成放大、倒立的实像A'B'，它位于目镜前焦面或稍后处，经目镜成放大的虚像，该像位于无穷远或明视距离处。

显微镜的放大率

对正常眼，A’B’位于Fe上，显微镜光学筒长Δ=FO’Fe。例题：用两个焦距都是50mm的正透镜组成一个10倍的显微镜，问物镜的倍率、目镜的倍率以及物镜和目镜之间的间隔各是多少？显微镜的机构物镜通过转换器旋转式接到镜筒的下端面

目镜以插入式接镜筒的上端面

应满足齐焦要求：调换物镜后，不需再调焦就能看到像。物镜调换后，像面不动，物面不动——物镜共轭距不变（195mm)

b.物镜像面即目镜前焦面不动——在上端面以下10mm

处

c.机械筒长——上下端面之间的距离（160mm），有的显微镜机械筒长可调

d.调换物镜（目镜）后微调焦不可避免，故还必须有微动机构

双目镜筒是通过加反射棱镜和平行平板实现的，要使两条光路光程相同

显微镜与放大镜比较的优点：①具有更大的放大率，二次放大

②人眼离物面较远，使用方便

③物镜和目镜可调换，从而得到多种放大率

④具有中间实像面，可放置分划板，用于测量（构成测微目镜）

⑤当中间实像A’位于Fe之前时，A”为实像，可投影到屏上。也可用图像传感器接收实像，构成电子目镜

望远镜系统

望远镜系统是以平行光入射，再以平行光出射的系统系统特点△=0最简单的望远镜至少有两个独立光组，第一光组的像方焦点与第二光组的物方焦点重合开普勒望远镜伽利略望远镜开普勒望远镜（目镜为正透镜）：1.成倒像，观察不方便2.若需成正像，则要加转向系统。3.有实像面，可以加分划板，可用于测量。伽利略望远镜（目镜为负透镜）：1.成正像。2.有虚像面，不可用于测量。3.放大倍数有限，一般做观剧镜。望远镜系统的视角放大率：例：用望远镜观察时要鉴别5公里处200毫米的间距，应选用多大倍率的望远镜。显微镜的光束限制1.孔径光阑低倍物镜的孔径光阑——为单组物镜框本身

高倍物镜的孔径光阑——多组物镜的最后一组镜框，或在Fo’处专设孔阑2.出瞳位置

出瞳在总的像方焦点上，人眼瞳有可能与之重合，接收所有成像光。3.出瞳的大小与数值孔径因为出瞳与整个系统的像方焦面重合，设像方孔径角为，则有因系统满足正弦条件

称数值孔径显微镜的景深

设

为眼睛的极限分辨角

显微镜的数值孔径A越大，要求放大倍率越高，其景深越小。显微镜的景深是很小的，所以需要微调装置。显微镜的分辨率与有效放大率1.显微镜的分辨率

分辨本领随波长的减小而提高，随数值孔径的增大而提高。

数值孔径大要求n大和U大，而U总是小于90度的，还有什么办法可以提高数值孔径？

2.显微镜的有效放大率

想一想：显微镜的放大率是否越大越好？用显微镜可以看清怎样细小的细节？

如果不能被显微镜分辨导致眼睛不能分辨，放得再大也没有用，称无效放大。显微镜能分辨而眼睛不能分辨，称为放大不足。

取当物面被照明时的最小分辨距为

人眼最小分辨角取2分到4分，则眼睛最小分辨距应为

按主色光波长0.00055mm计算，得

这称为显微镜的有效放大率。可见数值孔径与放大率要匹配，如最大的数值孔径取1.5的话，显微镜的最高有效放大率为1500倍。显微镜的物镜光学系统的主要参数是

孔径和视场。即焦距、相对由于显微镜要求分辨率高，则数值孔径A大，放大率M要与之相适应，因而物镜的放大率也要相应匹配，并在规定机械筒长下使用（例如，160mm）。物镜的参数标明在外壳上。随着放大倍数由低到高，其结构也相应复杂。低倍物镜可以用双胶合，中倍物镜用双双胶合，高倍物镜用双胶合＋前片，数值孔径更大的阿贝物镜则需要浸油。显微镜的目镜相当于放大镜，其入瞳就是物镜的出瞳，其出瞳在Fe’稍后处，与F’重合

一般有二片(组)：朝向物方的称向场镜，朝向眼睛的称接目镜。

要有一定的放大倍率应取较小的焦距。

由于物镜的放大倍率作用，目镜的视场较大而相对孔径较小，是短焦距小孔径大视场系统。

目镜还有两个重要参数：

1.镜目距——接目镜最后一面到眼瞳（出瞳）的距离，一般要求不小于6mm

2.工作距离——目镜第一面到目镜前焦面（物镜像面）的距离。显微镜分为光学显微镜和电子显微镜光学显微镜的放大倍数是2000倍，分辨率为0.1um电子显微镜的放大倍数是300万倍，分辨率为0.25nm