光学仪器的基本原理学时

光学仪器的基本原理学时第1页，共82页，2023年，2月20日，星期一绝大多数光学系统可归属于显微系统、望远系统和照相系统三类中的一种。3.1眼睛3.1.1眼睛的结构人眼相当于摄影光学系统。角膜、水晶体相当于成像光学元件。视网膜相当于光屏。视神经产生视觉。第2页，共82页，2023年，2月20日，星期一3.1眼睛标准眼；简约眼第3页，共82页，2023年，2月20日，星期一3.1眼睛眼睛的物方和像方焦距不相等。f=-17mm,f’=23mm，光焦度59.88D。水晶体可调节，在调焦范围内，-f=14~17mm，f’=18~23mm。不同距离的物体自动成像在视网膜上。第4页，共82页，2023年，2月20日，星期一虹膜起着孔径光阑的作用，自动调节进入人眼的光能。瞳孔直径可自动变化(2~8mm)。若外界光很强，瞳孔缩小到2mm时仍然使人无法适应，就容易使视网膜造成伤害。直视太阳或正视激光束能在视网膜上烧成一盲斑，使人在观看任何景象时，总有一块或数块区域是黑斑。3.1眼睛第5页，共82页，2023年，2月20日，星期一3.1眼睛

物体在视网膜上形成一个倒立的实像。但这一倒像经神经系统的作用，给人以正像的视觉。

第6页，共82页，2023年，2月20日，星期一3.1眼睛3.1.2眼睛的调节

视度调节：眼睛通过改变水晶体的曲率，可使不同远近的物体都能成像在视网膜上，这种自动改变光焦度（焦距）的过程即视度调节。人眼在完全自然放松的状态下能看清楚的最远点称为远点，正常远点在无穷远；当人眼在最紧张时能看清楚的最近点称为近点。与视网膜共轭的物面到眼睛物方主点的距离的倒数称为视度，单位为折光度D。眼睛的调节范围或调节能力：第7页，共82页，2023年，2月20日，星期一3.1眼睛

明视距离（一般为250mm）；随着年龄的增长，眼睛肌肉调节能力衰退，远点逐渐变远，调节范围变小。

适应调节：眼睛所能感受的光亮度的变化范围是非常大的，对不同的亮度条件有适应的能力，称为眼睛的适应调节。能被眼睛感受的最低光照值约为10-6lx（勒克斯）。3.1.3眼睛的缺陷和矫正第8页，共82页，2023年，2月20日，星期一3.1眼睛

近视眼：远点变近，像方焦点在视网膜之前，有限距离的物体才能成像在视网膜上，无限远的物体无法看清；

远视眼：远点在眼睛后面，像方焦点在视网膜之后；近视眼会聚能力太强，应佩戴一块负透镜；远视眼会聚能力不够，应佩戴一块正透镜。医学上通常把1视度称为100度。第9页，共82页，2023年，2月20日，星期一3.1眼睛3.1.4眼睛的分辨率眼睛能分辨两个靠近点的能力称为眼睛的分辨率。刚刚能分辨开的两点对眼睛物方节点所张的角度称为极限分辨角。D为瞳孔的直径由于分辨率的限制，当看很小或很远的物体时，必须借助显微镜、望远镜等光学仪器。这些目视光学仪器的设计必须考虑眼睛的分辨率，且应具有一定的放大率，以使原本只能被仪器分辨的物体像放大到能被眼睛分辨的程度。第10页，共82页，2023年，2月20日，星期一3.2放大镜目视光学仪器都有助视的功能。由于眼睛的分辨率有一定的限制，要很好地辨别出所观察物体的细节，就必须使该细节的视角大于眼睛的极限分辨角。如果小于眼睛极限分辨角，就需要通过一个光学仪器来扩大物体的视角，这样人眼才能看清该目标。用视放大率表示仪器扩大视角的能力。第11页，共82页，2023年，2月20日，星期一3.2放大镜3.2.1放大镜的放大率物体的视角取决于物体到眼睛的距离，距离越近视角越大。但物体不能距眼睛太近。第12页，共82页，2023年，2月20日，星期一3.2放大镜使用放大镜时应使物位于物方焦面上简单放大镜放大率3倍；组合透镜减小像差，放大率可达20倍。第13页，共82页，2023年，2月20日，星期一3.2放大镜3.2.2放大镜的光束限制和视场放大镜与眼睛一起使用，所以整个系统有两个光阑：放大镜镜框和眼瞳。眼瞳是系统的孔径光阑，也是出射光瞳；镜框为渐晕光阑，也是入射窗和出射窗。放大镜镜框越大，眼睛越靠近放大镜，视场越大。第14页，共82页，2023年，2月20日，星期一3.2放大镜满足50%渐晕的视场为：放大率越大，线视场越小，要求放大镜的放大率不能做得太大，不超过15倍。第15页，共82页，2023年，2月20日，星期一为了观察微小物体的具体细节，常用显微镜。显微镜是由两片正透镜组成，即物镜和目镜。物镜将物AB成放大的实像，此实像再经目镜成扩大视角的放大的虚像，供人眼观察。显微镜实质上是一组合放大镜。

3.3显微镜第16页，共82页，2023年，2月20日，星期一3.3显微镜AB的像A‘B’恰好位于或靠近目镜的物方焦点F2上，再经过目镜放大为虚像A“B”。显微镜的视觉放大率是物镜垂轴放大率与目镜视觉放大率的积。第17页，共82页，2023年，2月20日，星期一3.3显微镜由于显微镜中存在中间实像，可在物镜实像平面上放置分化板，从而可以对被观察物体进行测量。同时还可设置视场光阑，消除渐晕现象。∆为物镜和目镜的光学间隔，被称为光学筒长。把显微镜看成一组合系统，其焦距为：

与放大镜相同第18页，共82页，2023年，2月20日，星期一3.3显微镜通用显微镜其共轭距和机械筒长是固定的。物镜和目镜可根据倍率要求而更换。第19页，共82页，2023年，2月20日，星期一3.3显微镜由于显微镜在使用过程中要经常调换物镜和目镜，因此必须满足齐焦条件，即当调换物镜后不需要重新调焦就能看到物体的像。为此，不同倍率的物镜需有不同的光学筒长。物像共轭距195mm；物镜像面到目镜支撑面的距离10mm；目镜物方焦面要与物镜的像面重合。3.3.2显微镜中的光束限制单组低倍显微物镜，镜框就是孔径光阑。复杂显微物镜最后一组透镜框作为孔径光阑。测量用显微镜中在物镜像方焦平面上专门设置孔径光阑。第20页，共82页，2023年，2月20日，星期一3.3显微镜

对于显微镜，其物镜是多片镜组，在其像方焦面上，设置孔径光阑，该光阑经目镜系统所成的像即为显微镜的出瞳。设出瞳直径为D’显微物镜数值孔径：显微镜的放大倍率都比较高，因此出瞳直径一般都很小，小于眼睛的瞳孔直径。在显微镜中间实像平面上有专设的视场光阑，其大小是物面上的可见范围与物镜放大率的乘积。高倍物镜只能看到物面上很小的范围，低倍物镜才有较大的视场。第21页，共82页，2023年，2月20日，星期一3.3.3显微镜的分辨率和有效放大率3.3显微镜显微镜的孔径光阑一般都很小，对可见光都有一定的衍射作用，使得任何一个点光源经系统后，其像点为一个艾里斑，斑的中心即为像点。

道威分辨率(理想分辨率)：

显微镜的分辨率主要取决于显微物镜的数值孔径，与目镜无关。显微镜必须有恰当的放大率，以便把被测物体放大到足以被人眼所分辨的程度。第22页，共82页，2023年，2月20日，星期一但是显微镜一般是与人眼组合使用的，考虑到人眼的角分辨率及物镜的数值孔径，在明视距离上其视觉放大率:满足上式的视觉放大率称为有效放大率。放大率高于1000NA时为无效放大。显微物镜上一般标明放大率和数值孔径，如40/0.65170mm/0.173.3显微镜第23页，共82页，2023年，2月20日，星期一3.3.4显微物镜3.3显微镜显微物镜主要性能参数是数值孔径和倍率。为了分辨物体的细微结构并确保最佳成像质量，除了机械筒长外，还需要尽可能大的数值孔径，且其放大率须与数值孔径相适应。显微物镜数值孔径越大，其放大倍数越高，要求物镜的焦距短且相对孔径大。因光学要求高，显微物镜有复杂的结构型式，以便校正其中的各种色差。显微物镜有折射式、反射式和折反射式三类，但绝大多数实用的物镜是折射式的。折射式又分为消色差物镜（“Ach”字样）、复消色差物镜（标有“APO”字样）和平视场物镜（“PLAN”字样）三大类。第24页，共82页，2023年，2月20日，星期一3.3显微镜下面用NIKON的一款物镜做例子以解释物镜的重要参数：(1)NIKON——制造商名称：尼康公司(2)PLANAPO——物镜的名称：平场复消色差物镜(3)60×放大倍数：60倍(4)0.95数值孔径：0.95(6)DICM功能：可以做DIC(7)∞/0.11～0.23表示无限远筒长/盖玻片厚度(8)WD0.15表示工作距离第25页，共82页，2023年，2月20日，星期一3.3显微镜消色差物镜：最广泛的一类。一般只要对轴上点校正好色差和球差，并达到对近轴点消慧差即可。用于中低档的普及型显微镜中。复消色差物镜：用于研究用显微镜和显微照相中，要严格校正轴上点的像差。平视场物镜：用于显微投影或显微摄影中，减小像面弯曲。第26页，共82页，2023年，2月20日，星期一3.4望远镜望远镜是观察远处物体的目视光学仪器。望远镜可达到扩大视角和无焦系统的要求。第27页，共82页，2023年，2月20日，星期一3.4望远镜第28页，共82页，2023年，2月20日，星期一现代望远系统的发展已经已经到了令人惊讶的程度第29页，共82页，2023年，2月20日，星期一第30页，共82页，2023年，2月20日，星期一3.4望远镜第31页，共82页，2023年，2月20日，星期一第32页，共82页，2023年，2月20日，星期一3.4望远镜第33页，共82页，2023年，2月20日，星期一3.4望远镜3.4.1望远镜的一般特性望远镜也由物镜和目镜组成。由于是无焦系统，物镜的像方焦点和目镜的物方焦点重合，光学间隔为0。第34页，共82页，2023年，2月20日，星期一3.4望远镜

开普勒望远镜可在实像位置安装一分划板，同时边缘镀成不透明的圆形区域，当做视场光阑。常用于瞄准和定位。

伽利略望远镜结构紧凑，筒长较短，较轻便，光能损失少且成正立像。但中间没有实像，不能装分划板，不能用于瞄准和定位。第35页，共82页，2023年，2月20日，星期一3.4望远镜f1’-f2’无论物体位于何处，都是常数。第36页，共82页，2023年，2月20日，星期一3.4望远镜望远系统的放大率也用视角放大率表示：f1’-f2’第37页，共82页，2023年，2月20日，星期一3.4望远镜由于物体到眼睛的距离相对于望远镜的长度来说要大得多，与物体对物镜中心的张角ω可认为相等。f1’-f2’望远镜的视角放大率Γ与角放大率γ相同。负数表示成倒像。一般望远镜都有转像系统，成正像。望远镜倍率表示方法：8×40表示视角放大率8倍，物镜口径40mm第38页，共82页，2023年，2月20日，星期一3.4望远镜视角放大率的另一种表示方法：由于入瞳与出瞳是共轭的，设入瞳直径为D，出瞳直径为D'，则有亦即：因此望远系统的视角放大率等于入瞳直径与出瞳直径之比。即：视角放大率仅仅取决于望远系统的结构参数。其值等于物镜与目镜的焦距之比。第39页，共82页，2023年，2月20日，星期一3.4望远镜3.4.2望远物镜物镜的光学特性主要有三个：焦距、相对孔径和视场。望远物镜可认为是长焦距、小视场中等孔径系统。物镜焦距是目镜焦距的Γ倍，通常先确定目镜的焦距，由视放大率求出物镜焦距。入瞳直径D，出瞳直径D‘第40页，共82页，2023年，2月20日，星期一3.4望远镜物镜相对孔径：相对孔径近似等于光束的最大孔径角2U’max，孔径角越大像差也越大，为了校正像差则物镜的结构复杂化，因此相对孔径代表物镜复杂化的程度。视场：系统所要求的视场就是物镜的视场。一般望远物镜的视场都不大，在10到15度之间。第41页，共82页，2023年，2月20日，星期一3.4望远镜对物镜只须校正球差、正弦差和轴向色差，其结构比较简单，可分为折射式、反射式和折反式望远物镜三种，具体介绍见教材93页。3.4.3望远目镜望远目镜相当于放大镜，它把物镜所成的像放大后成像在人眼的远点，以便进行观察。其光学性质主要有像方视场角、相对出瞳距离和工作距离。第42页，共82页，2023年，2月20日，星期一3.4望远镜望远镜视放大率和视场的提高主要是受到了目镜视场的限制。一般目镜的视场为40-50度，广角目镜的视场为60-80度，90度以上的为特广角目镜。当目镜的视场一定时，增大望远镜的视放大率必然会减小系统的视场。如果要设计大视场和高视放大率的望远镜，必须采用广角和特广角目镜。增大目镜视场的主要矛盾是轴外像差不易校正。虽然广角和特广角目镜结构比较复杂，但像质仍不理想，使用受到限制。第43页，共82页，2023年，2月20日，星期一3.4望远镜目镜的出瞳距离是指目镜最后一面顶点到出瞳的距离。相对出瞳距离：第44页，共82页，2023年，2月20日，星期一3.4望远镜望远镜的总长度L等于目镜和焦距之和目镜的相对出瞳距离直接影响仪器的外形尺寸。为了得到满意的像质即消除像差，目镜的结构必然随着相对出瞳距离的增大而趋于复杂。工作距离s：目镜第一面顶点到物方焦平面的距离。目视光学仪器的视度是可以调整的，当要求负视度时，目镜必须移近物镜的像平面。为了保证调负视度时目镜的第一面不至于与装在物镜像平面上的分划板相碰，要求目镜的工作距离大于目镜调视度所需的最大轴向移动量。第45页，共82页，2023年，2月20日，星期一3.4望远镜视度的调节范围一般为正负5度，一个折光度对应的目镜调节量为x，则目镜的调节深度为正负5x，因此目镜的工作距离至少应大于5x。望远镜目镜和物镜的相对孔径相等，但目镜的焦距一般比物镜焦距小得多，同时所用透镜组也比较大，因此目镜的球差和轴向色差一般都比较小，可以不用校正。但由于目镜视场大，和视场有关的慧差、像散、畸变和垂直色差都相应增大，目镜主要需要校正这五种像差，并且无法完全校正，因此望远镜视场边缘的成像质量一般都比视场中心差。物镜和目镜应尽可能分别校正像差，此外，对目镜的光阑球差也有一定的要求。第46页，共82页，2023年，2月20日，星期一3.4.4望远系统外形尺寸的计算3.4望远镜设计一个光学系统，一般可分为两个阶段：第一阶段为初步设计阶段，通常叫外形尺寸计算；第二阶段为像差设计阶段。光学系统外形尺寸计算的任务是根据对仪器提出的要求，如光学特性、外形、重量以及有关技术条件等，确定系统的组成、各组员的焦距、各组员的相对位置和横向尺寸等。外形尺寸计算的主要依据是高斯光学理论，另外加像差理论。简单望远系统的外形尺寸计算：教材96页。第47页，共82页，2023年，2月20日，星期一3.5摄影系统摄影系统的组成：摄影系统是由摄影物镜和感光元组成。感光元包括：感光胶片、CCD传感器、电子光学变像管、电视摄像管等。常见的摄影系统有：照相机、摄影机、显微照相系统、制版光学系统、航空摄影系统、水下摄影系统、空中侦察系统、测绘光学系统和信息处理系统等。第48页，共82页，2023年，2月20日，星期一摄影系统以摄影物镜（镜头）为主要部件。主要参数包括：焦距f'、相对孔径D/f‘’和视场角2ω。3.5.1摄影物镜的光学特性：3.5摄影系统摄影物镜的感光元件框是视场光阑和出射窗，它决定了像空间的成像范围。第49页，共82页，2023年，2月20日，星期一3.5摄影系统视场的大小由物镜的焦距和接收器的尺寸决定。像与焦距的关系：远景时，像的大小为：近景时，像的大小为：第50页，共82页，2023年，2月20日，星期一3.5摄影系统所以，焦距与像的大小成正比。接收器尺寸与视场的关系：感光元件框是视场光阑，它决定了像空间的成像范围。当感光元件尺寸一定时，物镜的视场角取决于焦距的大小。物在无穷远时，物在有限远时：所以，焦距与视场成反比。第51页，共82页，2023年，2月20日，星期一在摄影系统中，焦距决定了拍摄像的放大率。不同焦距的物镜拍摄同一距离物体时，焦距长则得到像的放大倍率大，因此对于同样的接收器尺寸，放大倍率小的物镜，拍摄范围大。根据焦距不同，普通照相机镜头可以分为标准镜头、广角镜头、超广角镜头、中焦镜头、摄影镜头和超摄远镜头。此外还有变焦镜头。在焦距与底片对角线长度近似相等时，镜头的视场角为30°左右，称为标准镜头。焦距在35~75mm.3.5摄影系统第52页，共82页，2023年，2月20日，星期一3.5摄影系统长焦距镜头的焦距为85~300mm,视场角比较小，最大为十几度。广角镜头视角可达120度，焦距为15~35mm.第53页，共82页，2023年，2月20日，星期一3.5摄影系统相对孔径：入射光瞳口径D与焦距f’的比值。

摄影系统的分辨率取决于物镜的分辨率和接收器的分辨率。分辨率是以像平面上单位长度能分辨的线对数来表示。由瑞利准则，物镜的理论分辨率为：取λ＝0.555μm，所以，相对孔径（光圈）越大，物镜的分辨率越高。第54页，共82页，2023年，2月20日，星期一3.5摄影系统像面照度:摄影系统的像面照度取决于相对孔径。当物体无限远时：对于大视场的边缘照度小于中心照度：所以，可用可变光阑作为孔径光阑控制相对孔径的大小，以改善像面的照度。第55页，共82页，2023年，2月20日，星期一3.5摄影系统相对孔径按1/根号2等比级数变化，光圈数按公比为根号2的等比级数变化。在相机的镜头内，多枚叶片以虹彩形状绕成之调整光线进入的孔称为光圈第56页，共82页，2023年，2月20日，星期一3.5摄影系统通常镜头上会标示该镜头的最大光圈数，如50mm1:1.4，前者表示焦距50mm，后者表示最大光圈数为1.4。第57页，共82页，2023年，2月20日，星期一3.5摄影系统3.5.2摄影物镜的景深：由此可见：焦距越长，景深越小；对准距离越远，景深越大。选用的光圈F越大，景深越大。第58页，共82页，2023年，2月20日，星期一3.5摄影系统摄影物镜属于大视场、大相对孔径的光学系统，它既要校正轴上点像差，又要校正轴外点像差，因此其光学参数和像差校正也不一样。其结构也是多样的。普通摄影物镜大相对孔径摄影物镜第59页，共82页，2023年，2月20日，星期一3.5摄影系统第60页，共82页，2023年，2月20日，星期一3.6现代光学系统随着激光技术、光纤技术和光电技术的不断发展，各种不同用途的新型光学系统相继出现。如激光光学系统、傅里叶光学系统、扫描光学系统、光纤光学系统和光电光学系统等，这些光学系统与经典光学系统相比具有不同的差异。3.6.1激光光学系统激光具有亮度高、单色性好、方向性强等优点，在许多领域得到了广泛运用。第61页，共82页，2023年，2月20日，星期一第62页，共82页，2023年，2月20日，星期一3.6现代光学系统激光光束截面内的光强分布是不均匀的，呈高斯分布，其振幅A与光束截面半径的关系为激光光束又称为高斯光束。激光光束中，由光束截面半径所确定的光束截面边界的连线不是直线，而是双曲线。截面最小的位置称为激光束束腰，对应半径称为束腰半径。第63页，共82页，2023年，2月20日，星期一3.6现代光学系统束腰位置光束波面为平面，其他位置均为曲面。当波面曲率半径最小高斯光束在传播过程中，光束波面的曲率半径由无穷大逐渐变小，然后开始变大到无穷大。第64页，共82页，2023年，2月20日，星期一3.6现代光学系统激光束是一束发散的光束，其远场发散角为高斯光束的透镜变换发散球面波第65页，共82页，2023年，2月20日，星期一3.6现代光学系统高斯光束在近轴区域其波面也可以看作是一个球面波。仍然满足上式。当透镜为薄透镜时，高斯光束在透镜前后的通光孔径相等。同时半径R与束腰半径不相等。忽略透镜的光吸收损失，透镜前后截面上的激光束振幅分布相同，均为高斯分布，即高斯光束通过透镜后仍为高斯光束，透镜改变高斯光束的特征参数和位置。第66页，共82页，2023年，2月20日，星期一3.6现代光学系统在束腰位置远离透镜时，可用近轴光的成像公式来计算高斯光束经透镜变换后的束腰位置。束腰的横向放大率第67页，共82页，2023年，2月20日，星期一3.6现代光学系统高斯光束的聚焦和准直：当入射光束的束腰远离透镜时，出射光束的束腰半径趋于0，此时光束可以获得高质量的聚焦光点，通过计算可得理论上聚焦光点在透镜像方焦点上。实际聚焦光点还与焦距有关，应尽量采用短焦距透镜。高斯光束经单个透镜变换后，不能获得平面波。要获得较小的光束发散角，要减小ω0和加大焦距。激光准直系统多采用二次透镜变换形式。第一次短焦距聚焦透镜变换来压缩束腰半径，第二次用较大焦距的透镜来减小光束的发散角。第68页，共82页，2023年，2月20日，星期一3.6现代光学系统3.6.2傅里叶变换光学系统在光学信息处理系统中，傅里叶变换透镜可简单而迅速地完成二维图像的傅里叶变换运算。第69页，共82页，2023年，2月20日，星期一3.6现代光学系统傅里叶变换物镜应满足以下成像要求，即具有相同