工程光学典型光学系统

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1、第七章 典型光学系统,第二节 放大镜,第三节 显微镜系统,第四节 望远镜系统,第一节 眼睛及其光学系统,第五节 目镜,调节肌,第一节 眼睛及其光学系统,2、角膜(Cornea)：眼球前突出的透明球面膜，r8mm，n 1.38；主要折射成像界面(角膜空气),1、巩膜：包围眼球的白色不透明外层，D25mm.,眼球横切面,一、眼睛(Eyes)的结构,3、前室：角膜后水晶体前的空间，充满透明水状液n =1.336。,调节肌,5、虹膜：脉络膜前方的 彩帘（水晶体前），眼球前的颜色。,8、后室：水晶体后、由视网膜包围的空间，玻璃液n =1.336。,4、脉络膜：巩膜内侧、视网膜外侧包围的黑色膜层，吸收从视

2、网膜透过的光线，把后室变为暗室。,6、瞳孔(Pupil)：虹膜中央圆孔，孔径光阑，限制进入人眼光通量，D 28mm.,(3) 盲斑（点）：视神经的出口，无感光细胞。视网膜的像被传输至大脑形成视觉。,辐射接收器杆状细胞：对光刺激极敏感，感光（明暗视觉）锥状细胞：感色（色视觉）,9、视网膜(Retina)：后室内壁、连接脉络膜的一薄膜，由神经细胞和神经纤维构成。感光和成像的位置。,调节肌,黄斑(Macula)：视网膜中部、黄色椭圆形区域。中心凹：黄斑点中心D 0.25mm区域，密集感光细胞，视觉最灵敏。,二、眼睛共轴光学系统,2、视轴：黄斑中心与眼睛光学系统像方节点的连线。眼球转动，使视轴对准观察

3、物体并成像于黄斑上，视觉最清晰。,1、成像过程：折射球面：外界光线经角膜折射孔径光阑：瞳孔自动调节直径控制入射光能变焦系统：水晶体自动调节，保证成像于视网膜上成像面： 视网膜,3、简化眼模型,眼睛像方焦点与视网膜重合,4、物体经眼睛成像于视网膜, 视角 ：, 人眼对物体大小的感觉，取决于像在视网膜上的大小；或，视网膜上的像对眼睛光心张角（视角）的大小。, 视角取决于物的大小和物距，但是物距必须在近点之外。,视角大小超过人眼极限分辨角的物体细节，才可被分辨。, 眼睛的光心O0：眼睛节点、主点近似看做重合的位置。（进一步简化）,三、眼睛的调节及校正,1、调节：眼睛成像系统对任意距离物体成像时，通过

4、改变水晶体曲率达到自动调焦的过程。, 能清晰调焦的极限距离：远点(far point)距离 lr近点(near point)距离 lp, 远点发散度（会聚度）：, 近点发散度（会聚度）：, 眼睛的调节能力：, 眼睛的视度(diopter)：通常所说的眼镜度数为对应视度数值100。,2、非正常眼睛及其矫正,1）近视眼：无穷远物点成像于视网膜之前，远点为有限远。,加正透镜 (焦距与近点重合) 将近点校正到明视距离,2）远视眼：无穷远物点成像于视网膜之后；近点变远，非明视距离。,加负透镜 (焦距与远点重合) 将远点校正到无穷远,50岁之后，老花眼！,Myopia/ Nearsightedness,H

5、yperopia/ Farsightedness,所配眼镜的焦距与远点距离 相等,远点为-2m的近视眼，所需眼镜的光焦度为-0.5D，即50度。,光焦度,近点在眼前1.25m处，应配多少度的眼镜？,（3）散光眼(Astigmatism)：, 原因：角膜、或水晶体（两表面）不对称，是非球面造成. 此时，眼轴上的物点对应有两条像线，眼睛在两个对称主截面上的焦距不同，即远点距离不同。像散导致不同方向的线条不能同时看清。,圆柱面透镜 可校正散光,(5)斜视:水晶体位置不正或折射面曲率异常矫正应配戴光楔,四、眼睛的适应能力,五、眼睛的分辨率, 眼睛的分辨能力：人眼能分开最靠近两个相邻点的距离., 眼睛的

6、极限分辨角 ： 刚能分辨开的两点对人眼的张角，即人眼最小的视角。, 视角：物体对人眼的张角。,1、概念,眼睛的分辨率与视网膜上两像点距离及视觉细胞的直径大小有关,眼睛分辨率,2、人眼的分辨能力, 通常认为，白天人眼的极限分辨角：, 照明条件变差，瞳孔直径增大，眼睛系统的像差增大，分辨能力下降。,六、眼睛的对准精度, 对准误差（人眼的瞄准精度）偏离置中或偏离重合的线距离或角距离。, 对准：垂直于视轴方向上的重合或置中过程。,七、眼睛的景深,2、远景、近景平面上的物点视网膜上的像为弥散斑,1、调焦（对准）平面上的物点视网膜上的点像,若弥散斑可看作一像点， 则要求其对人眼张角小于极限分辨角。,八、双

7、目立体视觉,1,视差角,视觉基线,2,视差、体视锐度,视差越大，两物体的纵向深度越大，反之越小,视差：,体视锐度：,3, 体视半径,体视半径：人眼能辨别远近的最大距离,说明：并不是在体视半径内所有的情况下人眼都能产生立体的感觉,4, 立体视觉阈,人眼能够分辨两个点间的最短深度距离,怎样才能有好的立体视觉？,要有更好的立体视觉，即增大体视半径，减小体视阈值，怎样实现？,可以借助光学仪器增大基线长， 减小体视锐度值。如利用双简棱镜望远镜,对焦你的双眼到图片后面，把顶部的二点成像成4个点，然后再慢慢改变对焦距离来把中间的两点重合，也就是眼中出现三个点的时候，观察出图片中包含的立体图像,小 结,1、眼

8、睛的结构：角膜、瞳孔、水晶体、视网膜 2、简化眼模型 3、眼睛的调节水晶体远、近点，调节能力，视度，近视、远视、散光眼及校正 4、 眼睛的适应瞳孔：明适应、暗适应 5、眼睛的分辨率瞳孔视角、极限分辨角、视网膜上最小的分辨距离 6、眼睛的对准精度、景深 7、眼睛的立体视觉,一、理想光学系统成像, 两物点的间距逐渐变小时，对应像点的位置变化：(a) (b) (c),补充 1：系统的分辨率,系统的分辨率：光学系统能分开两个像点的最小距离。,：等亮度的两个物点，其一衍射图样的中央 极大与另一衍射图样的第一级极小重合时，认为刚好能分辨这两个物点。,二、瑞利判据,能分辨的两个等亮度点间的距离对应于艾里斑半

9、径。,补充 2：目视光学仪器,眼睛的光心O0：眼睛节点, 主点近似看做重合的位置,一、裸眼直接成像：,二、眼睛+目视光学仪器：, 视角 ：, 视角 ：, 目视光学系统的视觉放大率：,2、眼睛+目视光学仪器：视角可被目视光学仪器放大。,1、裸眼直接成像：视角取决于物的大小和物距(近点之外)， 视角大小超过人眼极限分辨角的物体细节才可被分辨。, 不同的目视光学仪器，通常选择的物距为： 1）放大镜、显微镜：观察物位于明视距离附近； 2）望远镜：观察物位于远处或无穷远。,观察物体所需分辨率目视光学仪器的放大率=眼睛分辨率,焦距以内成放大虚像,一、放大镜的成像原理, 裸眼直接观察的视角 ：, 使用放大镜

10、的视角 :, 视觉放大率：,由垂轴放大倍率公式：,第二节 放大镜 （The Magnifying Glass）,二、两种特殊情况,正常视力的眼睛一般调焦在明视距离，即虚像位于眼前250mm处，,焦距以内成放大虚像,注意：焦距一般用毫米作单位，式中mm不能漏掉。原则上，焦距越短放大倍率越高；但因受限于像差并考虑实用，倍率较大的放大镜由组合透镜组成。,物像调焦在明视距离且眼睛位于像方焦点处：,实际使用中的放大镜：,1、眼瞳孔径光阑；放大镜视场光阑、渐晕光阑,三、眼睛与放大镜联用观察近距离小物体,2、渐晕与光束限制,3、50%渐晕的线视场,当物面放在放大镜前焦平面上时，像平面在无限远线视场为：,放大

11、镜的倍率越大，线视场越小。,一、复习：p33,物直接对眼的张角：,目镜：放大 物体经物镜所成的像,第三节 显微镜系统（Microscope）,物镜：放大实物,像对眼的张角：,物镜的垂轴放大率：,二、显微镜的视觉放大率,1、定义：,二、显微镜的视觉放大率,1、定义：,表1：上海光仪厂XPG偏光显微镜的基本参数, 其他：共轭距（物-像面距离）、机械筒长, NA：,三、显微镜的线视场,孔径光阑,视场光阑, 视场光阑位于目镜的物方焦平面，设直径为D，,1、线视场：,2、线视场的计算：, 视场光阑的大小应与目镜的视场角一致：, 物与视场光阑是关于物镜的物像共轭关系：,目镜视场角确定时，线视场大小与显微镜

12、的视觉放大率成反比,四、显微镜的出瞳直径,出瞳直径D：,1、孔径光阑的位置： 1）普通显微镜：孔径光阑是物镜框； 2）测量显微镜：孔径光阑在物镜像方焦平面上（物方远心光路）。,2、物镜的数值孔径,教材推导过程概念有误，可参阅 韩军等工程光学,与放大率成反比,表2：显微镜的视觉放大率、出瞳直径，和物镜数值孔径 的参数对比。,五、显微镜的分辨率,艾里斑角半径：,无像差光学系统，物点经该系统在像面上得到的不是一个点，而是一个衍射像斑，其光强分布即为孔径光阑的夫琅和费衍射图样。,1、成像系统的分辨本领, 艾里斑半径：, 瑞利判据:,2、显微镜的分辨率(瑞利判据)极限线距离,（1）刚能被分辨像点间距：,

13、 显微镜物镜成像（小视场近轴物）：,（2）刚能被分辨的物点间距：, 提高分辨率的方法：,例：电子束显微镜、浸液物镜,即：a减小波长、 b 增大物方折射率、 c提高sinU的值,由瑞利判据得分辨率：,3、道威判据：两衍射斑的中心间距为0.85a时，刚好能被光学系统分辨。,光学系统的理想分辨率,显微镜的分辨率主要取决于物镜的数值孔径，与目镜无关！, 明视距离观测：显微镜像空间的线距离,设眼睛容易分辨的角距离：,4、显微镜的分辨率与有效放大率,小结：能够被物镜分辨的细节，要同时被眼睛分辨，要求显微镜有恰当的放大率；而显微镜的有效放大率范围，又取决于物镜的分辨率或数值孔径。, 道威判断：显微镜物空间的

14、线距离,六、显微镜的景深,数值孔径越大，景深越小 放大倍率越大，景深越小,七、显微镜的物镜,1、浸液物镜NA增大n倍，增强物镜的聚光本领,干物镜,油浸物镜, 油浸物镜：允许更宽入射孔径角的光线束参与成像。,2、齐明点在高倍显微物镜中的应用, 齐明点：,(C2),使用较大的数值孔径时，光线的孔径角随多次折射而被逐渐减小，并不产生球差或彗差，但会引起较大色差。, 齐明透镜,a）透射光亮视场照明,d）反射光暗视场照明,b）反射光亮视场照明,c）透射光暗视场照明,八、显微镜的照明方法,照明分类,暗视场照明，进入物镜成像的只是由样品散射的光线束，对比度高，可使分辨率提高。,1、结构 2、视觉放大率 3、

15、线视场 4、出瞳直径物镜的数值孔径： 5、 物镜分辨率 6、显微镜的分辨率与有效放大率,九、小结,波长 555nm,第四节 望远镜系统(Telescope),重合， ，光学间隔=0, 垂轴放大率：, 角放大率：,一、折射望远镜（复习：p32 第二章）, 无焦系统：,二、望远系统的视觉放大率, 开普勒望远镜成像原理图,军用望远镜 棱镜转像系统, 开普勒望远镜： ，成倒立像 ，可加转像系统。, 伽利略望远镜： ，成正立像。,无中间实像， 不能通过加分 划板实现瞄准 或定位。,三、望远系统的分辨率及工作放大率,1、望远系统的分辨率,取： ， ， 得：,（2）根据道威判断：,（1）根据瑞利判断：,物镜或入瞳直径越大，则望远镜的极限分辨角越小，即分辨率越高。,例. 计算物镜直径分别为：D=5.0 cm、50cm的望远镜, 对可见光平均波长555nm的最小分辨角。,解：,当D=50cm 时，,若: 一个望远镜的最小分辨角 , 要充分利用眼睛的分辨本领 ，望远镜放大倍数 取何值？,当D=5.0cm时,2、视觉放大率和分辨率的关系,望远镜的工作放大率：,