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1、应用光学,第9章 典型光学系统,9.1 眼睛 9.2 放大镜 9.3 显微镜 9.4 望远镜 9.5 摄影系统 9.6 投影系统 9.7 计算机辅助光学设计,9.1 眼睛,9.1.1 眼睛的构造 9.1.2 眼睛的调节与适应 9.1.3 眼睛的缺陷及校正 9.1.4 眼睛的分辨率,9.1.1 眼睛的构造,(1)角膜 角膜位于眼球的最前端，是由角质构成的透明球面薄膜，很薄。 (2)前室 角膜后面的一部分空间称为前室，它位于角膜和水晶体之间，充满了透明的水状液，其折射率与角膜相近，对成像无重要作用。 (3)虹膜 位于前室的后面，在水晶体前，中间有一圆孔，称为瞳孔，它能限制进入眼睛的光束口径，并随着
2、物体亮暗程度，相应地改变瞳孔的直径，起着孔径光阑的作用。,9.1.1 眼睛的构造,(4)水晶体(即眼球) 它是由多层薄膜组成的具有调节能力的双凸透镜，通过水晶体周围肌肉的收缩放松，可以改变前表面的曲率半径，从而改变水晶体的焦距，以使不同距离的物体都能成像在视网膜上。 (5)后室 水晶体后面的空间称为后室，它被水晶体和视网膜所包围，里面充满了蛋白状的液体，称为玻璃液。 (6)视网膜 后室的内壁，为一层由视神经细胞和神经纤维构成的膜，称为视网膜，它是眼睛的感光部分。 (7)脉络膜 视网膜的外面包围着一层黑色膜，它能吸收透过视网膜的杂散光线，使后室成为一个暗室。,9.1.1 眼睛的构造,(8)巩膜
3、是包住整个眼球的一层不透明的白膜，它将整个眼珠包围起来，起保护作用。 (9)黄斑 位于视网膜中部的椭圆形区域，由于这个区域呈黄色，故称“黄斑”。 (10)盲点 它是神经纤维的出口，由于没有感光细胞，所以不能产生视觉，其形状也为椭圆形。 (11)视轴和眼轴 黄斑的中心凹和水晶体的像方节点的连线称为视轴，当用眼睛观察一物体时，它能将物体自动地瞄准在视轴上，眼睛的视场很大，可达150，但只在视轴周围68的范围内才能清晰地识别，其他部分就比较模糊了。,9.1.1 眼睛的构造,图9-1 眼睛的内部构造,9.1.2 眼睛的调节与适应,1.眼睛的调节 2.眼睛的适应,1.眼睛的调节,由前面的眼睛的构造得知，
4、眼睛的水晶体借助于肌肉的作用使它的曲率(或焦距)发生变化，以使远近不同的物体都能成像在视网膜上，眼睛的这种本能地改变光焦度(或焦距)以看清不同远近物体的功能称为调节。,2.眼睛的适应,人眼除了能随物体距离的不同而调节水晶体的曲率以外，还能改变瞳孔的大小以使眼睛能在不同明暗条件下工作。眼睛所能感受的光亮度变化范围很大，其比值可达10121，这是因为人眼对不同的亮度条件有适应的能力，这种能力称为眼睛的适应。因此，适应也是人眼的一种生理变态过程。 适应可分为明适应和暗适应两种，前者发生在自黑暗处到光亮处时，后者发生在自亮处到黑暗处时，适应并不是立即完成的，而是要有个过程。适应是通过人眼的瞳孔的自动增
5、大或缩小来完成的，当由暗处进入亮处时，瞳孔自动缩小，反之瞳孔自动增大。,9.1.3 眼睛的缺陷及校正,(1)近视眼 远点在眼睛前方有限距离处，像方焦点F位于视网膜之前，因此只有在眼前有限距离的物体才能成像在视网膜上，如图9-2b所示。 (2)远视眼 远点在眼睛之后，它的像方焦点F位于视网膜的后面，无限远点成像在视网膜的后面，故远视眼的主要矛盾是它的近点远于明视距离，因此看不清近处的物体，如图9-2c所示。 (3)散光眼 当眼睛的折光系统各个部位的折光能力不一致时，使得从被观察物体不同方向射来的光线不能同时清晰成像在视网膜上，这种缺陷称为散光眼。,9.1.3 眼睛的缺陷及校正,(4)近视散光、远
6、视散光 有时，眼睛可能同时存在几种缺陷，如散光还伴有近视或远视，分别称为近视散光和远视散光。,9.1.3 眼睛的缺陷及校正,图9-2 正常眼和非正常眼 a)正常眼 b)近视眼 c)远视眼,图9-3 眼睛的校正,9.1.3 眼睛的缺陷及校正,物空间两点与眼的物方节点所连的两条直线间的夹角称为视角。当物空间两点对人眼的张角小到一定程度时，人眼就无法区分，因此定义人眼刚能分辨开物空间两点对眼睛物方节点张角的最小值为最小分辨角，以表示。眼睛能分辨开两个很靠近的点的能力，称为眼睛的分辨率。,9.1.4 眼睛的分辨率,9.1.4 眼睛的分辨率,图9-4 神经细胞排列示意图,9.2 放大镜,9.2.1 放大
7、镜的工作原理 9.2.2 放大镜的视觉放大率 9.2.3 放大镜的光束限制,9.2.1 放大镜的工作原理,图9-5 放大镜的成像原理,9.2.2 放大镜的视觉放大率,图9-6 放大镜的光束限制和视场,放大镜的视觉放大率(简称放大率)应是:通过放大镜看物体时,其像对眼睛的张角的正切与直接看物体时物体对眼睛张角的正切之比。,9.2.3 放大镜的光束限制,图9-7 放大镜的线视场,9.3 显微镜,9.3.1 显微镜的工作原理 9.3.2 显微镜的视觉放大率 9.3.3 显微镜的光束限制 9.3.4 显微镜的分辨率和有效放大率 9.3.5 显微镜的物镜 9.3.6 显微镜的目镜 9.3.7 显微镜的照
8、明系统,9.3.1 显微镜的工作原理,图9-8 显微镜的成像原理,9.3.2 显微镜的视觉放大率,9.3.3 显微镜的光束限制,1.显微镜的孔径光阑 2.显微镜的视场光阑,1.显微镜的孔径光阑,图9-9 显微镜像方空间的成像光束,显微镜的孔径光阑的设置是随物镜的情况不同而不同,对于单透镜组的低倍显微物镜，物镜框就是孔径光阑和入瞳,它被目镜所成的像即是整个显微镜的出瞳。对于由多透镜组成的高倍显微物镜,常用最后一组透镜的镜框为孔径光阑；对于应用于精密测量的显微物镜，通常在物镜的像方焦面上或其附近设置专门的光阑为孔径光阑。,1.显微镜的孔径光阑,2.显微镜的视场光阑,9.3.4 显微镜的分辨率和有效
9、放大率,1.显微镜的分辨率 2.显微镜的有效放大率,1.显微镜的分辨率,2.显微镜的有效放大率,9.3.5 显微镜的物镜,1.消色差物镜 2.复消色差物镜 3.平场物镜,1.消色差物镜,1)低倍物镜(放大率为36，数值孔径为0.10.15)，如图9-10a所示，它是一个简单的双胶合透镜，也是最简单的结构。 2)中倍物镜(放大率为610，数值孔径为0.20.3)，如图b所示，它由两组双胶合透镜组成，每个双胶合组分别消色差，两个透镜组之间通常有较大的空气间隔，这种物镜也即通常所称的“里斯特(Lister)”显微物镜。 3)高倍物镜(放大率为4060，数值孔径为0.60.8)，如图c所示，这种物镜可
10、认为是在里斯特物镜之前加了一个会聚透镜，从而使系统的数值孔径和倍率得到提高，这种物镜也称为“阿米西(Amici)”显微物镜。,1.消色差物镜,4)浸液物镜(放大率为90100，数值孔径为1.251.4)，如图9-10d所示，前面几种物镜和物体位于空气中，因此数值孔径不可能很大，为了提高物镜的数值孔径，把成像物体浸在液体中，这种物镜称浸液物镜，也称“阿贝(Abbe)”浸液物镜。,图9-10 消色差物镜,1.消色差物镜,2.复消色差物镜,图9-11 复消色差物镜,3.平场物镜,图9-12 平场物镜,9.3.6 显微镜的目镜,1.焦距f e 2.视场角2 3.相对镜目距P/f e 4.工作距lF,1
11、.焦距f e,为获得较大的放大率，目镜的焦距应尽可能短，一般目镜的焦距在1530mm，焦距短是目镜的一个特点。,2.视场角2,目镜的视场大小取决于系统的视觉放大率和视场角2，即 tan=tan 无论是增大视放大率还是增大视场，都要求增大目镜的视场，因此一般目镜的视场都比较大。 通常，目镜的视场角为4050，广角目镜的视场角为6080,特广角目镜的视场角在90以上，视场角大是目镜的另一个特点。,3.相对镜目距P/f e,由目镜最后一面到目镜出瞳的距离称为镜目距，镜目距与目镜焦距之比称为相对镜目距，以P/f e表示，各种型式的目镜，相对镜目距近似为一常数，一般目镜的相对镜目距P/f e为0.50.
12、8，有些目镜的相对镜目距可达到1以上。,4.工作距lF,(1)惠更斯目镜 惠更斯目镜适用于消色差物镜，它是由两块平面朝向眼睛的平凸透镜组成，如图9-13所示。 (2)冉斯登目镜 冉斯登目镜由两块凸面相对的平凸透镜组成，如图9-14所示。 (3)补偿目镜 这种目镜用于和具有残余倍率色差的复消色差物镜匹配使用，如图所示。 (4)平场目镜 平场目镜如图9-16所示，此目镜与平场物镜一起使用。,图9-13 惠更斯目镜,(1)惠更斯目镜,(2)冉斯登目镜,图9-14 冉斯登目镜,(3)补偿目镜,图9-15 补偿目镜,9.3.7 显微镜的照明系统,1.照明系统的设计原则 2.亮视场照明 3.暗视场照明,1
13、.照明系统的设计原则,(1)照明系统设计原则之一 即光孔转接原则。 (2)照明系统设计原则之二 照明系统的拉赫不变量应大于或等于物镜的拉赫不变量，即J照J物，n0u0y0nuy,如图9-18所示。,1.照明系统的设计原则,图9-17 光孔转接原则示意图,(2)照明系统设计原则之二,图9-18 照明系统的设计原则之二示意图 1光源 2聚光镜 3物镜 4目镜,2.亮视场照明,(1)直接照明 普通显微镜通常在显微镜的下部设置平面镜或凹面反射镜，利用自然光或灯泡对物面进行直接照明。 (2)临界照明 光源发光面通过聚光镜成像在物面上的照明方法称为临界照明，如图9-20所示。 (3)柯勒照明 为了消除临界
14、照明物面亮度不均匀的缺点，人们提出了柯勒照明，如图9-21所示。,(1)直接照明,图9-19 直接照明 a)安放平面镜的直接照明 b)安放凹面反射镜的直接照明,(2)临界照明,图9-20 临界照明,(3)柯勒照明,图9-21 柯勒照明,3.暗视场照明,(1)透射式暗视场照明 比较简单而直接的方法是中心挡光法，即利用遮光屏，挡住聚光镜照明光束的中央部分，使之不能照射到标本上，而透过标本的照明光束都不能进入显微物镜孔径，从而形成暗场，如图9-22所示。 (2)反射式暗视场照明 对于不透明标本，可以用反射式暗视场照明，如图9-23所示。,(1)透射式暗视场照明,图9-22 中心挡光法暗视场照明 注：
15、图中黑色应为透过的照明光束 (亮)，其余皆为暗场。,9.4 望远镜,9.4.1 望远镜的工作原理 9.4.2 望远镜的视觉放大率 9.4.3 望远镜的光束限制 9.4.4 望远镜的分辨率和工作放大率 9.4.5 望远镜的物镜 9.4.6 望远镜的目镜 9.4.7 望远镜中的转像系统和场镜,9.4.1 望远镜的工作原理,图9-24 开普勒望远镜的成像原理,9.4.1 望远镜的工作原理,图9-25 伽利略望远镜的工作原理,9.4.2 望远镜的视觉放大率,图9-26 望远镜的视觉放大率,9.4.3 望远镜的光束限制,图9-27 伽利略望远镜的光束限制,9.4.4 望远镜的分辨率和工作放大率,9.4.
16、5 望远镜的物镜,1.望远物镜的光学特性 2.望远物镜的类型,1.望远物镜的光学特性,1)物镜的焦距由系统的视觉放大率决定，由前面的讨论可知，f o=-f e，当目镜的焦距确定以后可求出物镜的焦距。 2)相对孔径的大小表明了物镜所能承担偏角的大小，物镜的孔径D通常也就是系统的入瞳直径，它的确定，可根据使用要求首先确定出瞳的直径D，然后根据公式D=D再确定物镜的孔径。 3)根据确定的视放大率和选定目镜的视场角2，由式tan=tan/可确定视场角2的大小。,2.望远物镜的类型,(1)双胶合物镜 这是一种最简单也是最常用的望远物镜，它是由一块正透镜和一块负透镜胶合在一起而成的，如图9-28a所示。 (2)双分离物镜 这种物镜是由正、负透镜分离而组成的，两透镜之间有一很小的空气间隔，如图9-28b所示，与双胶合物镜相比，双分离物镜对玻璃组合的要求不那么严格。 (3)三分离物镜 将双分离物镜中的正透镜分成两片时，就得到三分离物镜，如图所示，这种
