工程光學(xué)典型光學(xué)系統(tǒng)

1、第七章 典型光學(xué)系統(tǒng),第二節(jié)放大鏡,第三節(jié) 顯微鏡系統(tǒng),第四節(jié) 望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng),第一節(jié)眼睛及其光學(xué)系統(tǒng),,第五節(jié) 目鏡,調(diào)節(jié)肌,第一節(jié) 眼睛及其光學(xué)系統(tǒng),2、角膜(Cornea)：眼球前突出的透明球面膜， r≈8mm，n ≈1.38； ——主要折射成像界面(角膜—空氣),1、鞏膜：包圍眼球的白色 不透明外層，D≈25mm.,眼球橫切面,一、眼睛(Eyes)的結(jié)構(gòu),3、

2、前室：角膜后水晶體前的空間，充滿透明水狀液n =1.336。,調(diào)節(jié)肌,5、虹膜：脈絡(luò)膜前方的 彩簾（水晶體前），眼 球前的顏色。,8、后室：水晶體后、由視網(wǎng)膜包圍的空間，玻璃液n =1.336。,4、脈絡(luò)膜：鞏膜內(nèi)側(cè)、視網(wǎng)膜外側(cè)包圍的黑色膜層，吸 收從視網(wǎng)膜透過的光線，把后室變?yōu)榘凳摇?6、瞳孔(Pupil)：虹膜中央圓孔，孔徑光闌，限制進(jìn)入人眼光通量，D≈ 2～8mm.,(3) 盲斑（點(diǎn)）：視神經(jīng)的

3、出口，無感光細(xì)胞。視網(wǎng)膜的像被 傳輸至大腦形成視覺。,輻射接收器 桿狀細(xì)胞：對光刺激極敏感， 感光（明暗視覺） 錐狀細(xì)胞：感色（色視覺）,9、視網(wǎng)膜(Retina)：后室內(nèi)壁、連接脈絡(luò)膜的一薄膜，由神經(jīng) 細(xì)胞和神經(jīng)纖維構(gòu)成。 ——感光和成像的位置。,調(diào)節(jié)肌,黃斑(Macula)：視網(wǎng)膜中部、黃

4、色橢圓形區(qū)域。 中心凹：黃斑點(diǎn)中心D ≈0.25mm區(qū)域，密集感光細(xì)胞， 視覺最靈敏。,二、眼睛——共軸光學(xué)系統(tǒng),,2、視軸：黃斑中心與眼睛光學(xué)系統(tǒng)像方節(jié)點(diǎn)的連線。 ——眼球轉(zhuǎn)動，使視軸對準(zhǔn)觀察物體并成像于黃斑上，視覺最清晰。,1、成像過程： ——折射球面：外界光線經(jīng)角膜折射 ——孔徑光闌：瞳孔自動調(diào)節(jié)直徑控制入射光能 ——變焦系統(tǒng)：

5、水晶體自動調(diào)節(jié)，保證成像于視網(wǎng)膜上 ——成像面： 視網(wǎng)膜,,3、簡化眼模型,眼睛像方焦點(diǎn)與視網(wǎng)膜重合,4、物體經(jīng)眼睛成像于視網(wǎng)膜,★ 視角ω ：,★ 人眼對物體大小的感覺，取決于像在視網(wǎng)膜上的大小； 或，視網(wǎng)膜上的像對眼睛光心張角（視角）的大小。,★ 視角取決于物的大小和物距，但是物距必須在近點(diǎn)之外。,視角大小超過人眼極限分辨角的物體細(xì)節(jié)，才可被分辨。,★ 眼睛的光心O0：眼睛節(jié)點(diǎn)、主點(diǎn)近似看做重合的位置。

6、 （進(jìn)一步簡化）,三、眼睛的調(diào)節(jié)及校正,1、調(diào)節(jié)：眼睛成像系統(tǒng)對任意距離物體成像時， 通過改變水晶體曲率達(dá)到自動調(diào)焦的過程。,★ 能清晰調(diào)焦的極限距離：遠(yuǎn)點(diǎn)(far point)距離 lr 近點(diǎn)(near point)距離 lp,★ 遠(yuǎn)點(diǎn)發(fā)散度（會聚度）：,★ 近點(diǎn)發(fā)散度（會聚度）：,★ 眼睛的調(diào)節(jié)能力：,★ 眼睛的視度(diopter)

7、： 通常所說的眼鏡度數(shù)為對應(yīng)視度數(shù)值×100。,,2、非正常眼睛及其矯正,1）近視眼：無窮遠(yuǎn)物點(diǎn)成像于視網(wǎng)膜之前，遠(yuǎn)點(diǎn)為有限遠(yuǎn)。,加正透鏡(焦距與近點(diǎn)重合)將近點(diǎn)校正到明視距離,2）遠(yuǎn)視眼：無窮遠(yuǎn)物點(diǎn)成像于視網(wǎng)膜之后； 近點(diǎn)變遠(yuǎn)，非明視距離。,加負(fù)透鏡(焦距與遠(yuǎn)點(diǎn)重合)將遠(yuǎn)點(diǎn)校正到無窮遠(yuǎn),50歲之后， 老花眼！,,Myopia/Nearsightedness,H

8、yperopia/Farsightedness,所配眼鏡的焦距與遠(yuǎn)點(diǎn)距離 相等,遠(yuǎn)點(diǎn)為-2m的近視眼，所需眼鏡的光焦度為-0.5D，即50度。,光焦度,近點(diǎn)在眼前1.25m處，應(yīng)配多少度的眼鏡？,（3）散光眼(Astigmatism)：,,,,★ 原因：角膜、或水晶體（兩表面）不對稱，是非球面造成. 此時，眼軸上的物點(diǎn)對應(yīng)有兩條像線，眼睛在兩個 對稱主截面上的焦

9、距不同，即遠(yuǎn)點(diǎn)距離不同。像散 導(dǎo)致不同方向的線條不能同時看清。,圓柱面透鏡可校正散光,(5)斜視:水晶體位置不正或折射面曲率異常 矯正應(yīng)配戴光楔,四、眼睛的適應(yīng)能力,,,,五、眼睛的分辨率,★ 眼睛的分辨能力：人眼能分開最靠近兩個相鄰點(diǎn)的距離.,★ 眼睛的極限分辨角 ：剛能分辨開的兩點(diǎn)對人眼的張角，即人眼最小的視角。,★ 視角：物體對人眼的張

10、角。,1、概念,,,,,,,眼睛的分辨率與視網(wǎng)膜上兩像點(diǎn)距離及視覺細(xì)胞的直徑大小有關(guān),眼睛分辨率,2、人眼的分辨能力,,★ 通常認(rèn)為，白天人眼的極限分辨角：,★ 照明條件變差，瞳孔直徑增大，眼睛系統(tǒng)的像差增大， 分辨能力下降。,六、眼睛的對準(zhǔn)精度,★ 對準(zhǔn)誤差（人眼的瞄準(zhǔn)精度） 偏離置中或偏離重合的線距離或角距離。,★ 對準(zhǔn)：垂直于視軸方向上的重合或置中過程。,,,,七、眼睛的景深,2、遠(yuǎn)景、近景平面上的物點(diǎn)——視網(wǎng)

11、膜上的像為彌散斑,1、調(diào)焦（對準(zhǔn)）平面上的物點(diǎn)——視網(wǎng)膜上的點(diǎn)像,若彌散斑可看作一像點(diǎn)，則要求其對人眼張角小于極限分辨角。,八、雙目立體視覺,1,視差角,,視覺基線,2,視差、體視銳度,,視差越大，兩物體的縱向深度越大，反之越小,視差：,體視銳度：,3, 體視半徑,,體視半徑：人眼能辨別遠(yuǎn)近的最大距離,說明：并不是在體視半徑內(nèi)所有的情況下人眼都能 產(chǎn)生立體的感覺,4, 立體視覺閾,人眼能夠分辨兩個點(diǎn)間的最短深度距

12、離,,,怎樣才能有好的立體視覺？,要有更好的立體視覺，即增大體視半徑，減小體視閾值，怎樣實(shí)現(xiàn)？,可以借助光學(xué)儀器增大基線長，減小體視銳度值。如利用雙簡棱鏡望遠(yuǎn)鏡,對焦你的雙眼到圖片后面，把頂部的二點(diǎn)成像成4個點(diǎn)，然后再慢慢改變對焦距離來把中間的兩點(diǎn)重合，也就是眼中出現(xiàn)三個點(diǎn)的時候，觀察出圖片中包含的立體圖像,小 結(jié),1、眼睛的結(jié)構(gòu)：角膜、瞳孔、水晶體、視網(wǎng)膜2、簡化眼模型3、眼睛的調(diào)節(jié)——水晶體 遠(yuǎn)、近點(diǎn)

13、，調(diào)節(jié)能力，視度，近視、遠(yuǎn)視、散光眼及校正4、 眼睛的適應(yīng)——瞳孔：明適應(yīng)、暗適應(yīng)5、眼睛的分辨率——瞳孔 視角、極限分辨角、視網(wǎng)膜上最小的分辨距離6、眼睛的對準(zhǔn)精度、景深7、眼睛的立體視覺,一、理想光學(xué)系統(tǒng)成像,★ 兩物點(diǎn)的間距逐漸變小時，對應(yīng)像點(diǎn)的位置變化： (a) (b) (c

14、),補(bǔ)充 1：系統(tǒng)的分辨率,★系統(tǒng)的分辨率：光學(xué)系統(tǒng)能分開兩個像點(diǎn)的最小距離。,：等亮度的兩個物點(diǎn)，其一衍射圖樣的中央 極大與另一衍射圖樣的第一級極小重合時，認(rèn)為剛好能分辨這兩個物點(diǎn)。,二、瑞利判據(jù),——能分辨的兩個等亮度點(diǎn)間的距離對應(yīng)于艾里斑半徑。,,,補(bǔ)充 2：目視光學(xué)儀器,眼睛的光心O0：眼睛節(jié)點(diǎn),主點(diǎn)近似看做重合的位置,一、裸眼直接成像：,二、眼睛+目視光學(xué)儀器：,★ 視角ω ：,★ 視角 ：,,★ 目視光學(xué)系統(tǒng)

15、的視覺放大率：,2、眼睛+目視光學(xué)儀器：視角可被目視光學(xué)儀器放大。,1、裸眼直接成像：視角取決于物的大小和物距(近點(diǎn)之外)， 視角大小超過人眼極限分辨角的物體細(xì)節(jié)才可被分辨。,★ 不同的目視光學(xué)儀器，通常選擇的物距為：1）放大鏡、顯微鏡：觀察物位于明視距離附近；2）望遠(yuǎn)鏡：觀察物位于遠(yuǎn)處或無窮遠(yuǎn)。,觀察物體所需分辨率×目視光學(xué)儀器的放大率=眼睛分辨率,焦距以內(nèi)成放大虛像,一、放大鏡的成像原理,★ 裸眼直接觀

16、察的視角ω ：,★ 使用放大鏡的視角ω′ :,★ 視覺放大率：,★由垂軸放大倍率公式：,第二節(jié) 放大鏡 （The Magnifying Glass）,二、兩種特殊情況,★正常視力的眼睛一般調(diào)焦在明視距離，即 虛像位于眼前250mm處，,焦距以內(nèi)成放大虛像,,注意： 焦距一般用毫米作單位，式中mm不能漏掉。 原則上，焦距越短放大倍率越高；但因受限于像差并考慮實(shí)用，倍率較大的放大鏡

17、由組合透鏡組成。,物像調(diào)焦在明視距離且眼睛位于像方焦點(diǎn)處：,實(shí)際使用中的放大鏡：,,,1、眼瞳——孔徑光闌；放大鏡——視場光闌、漸暈光闌,三、眼睛與放大鏡聯(lián)用——觀察近距離小物體,2、漸暈與光束限制,3、50%漸暈的線視場,,★當(dāng)物面放在放大鏡前焦平面上時，像平面在無限遠(yuǎn) 線視場為：,放大鏡的倍率越大，線視場越小。,一、復(fù)習(xí)：p33,★物直接對眼的張角：,目鏡：放大物體經(jīng)物鏡所成的像,第三節(jié) 顯微鏡系統(tǒng)（Microscope

18、）,物鏡：放大—實(shí)物,★像對眼的張角：,★物鏡的垂軸放大率：,二、顯微鏡的視覺放大率,,1、定義：,二、顯微鏡的視覺放大率,,1、定義：,,表1：上海光儀廠—XPG偏光顯微鏡的基本參數(shù),,★ 其他：共軛距（物-像面距離）、機(jī)械筒長,★ NA：,三、顯微鏡的線視場,孔徑光闌,視場光闌,—— 視場光闌位于目鏡的物方焦平面，設(shè)直徑為D，,,1、線視場：,2、線視場的計算：,★ 視場光闌的大小應(yīng)與目鏡的視場角一致：,★ 物與視場光闌是關(guān)于物鏡的

19、物像共軛關(guān)系：,目鏡視場角確定時，線視場大小與顯微鏡的視覺放大率成反比,四、顯微鏡的出瞳直徑,★出瞳直徑D′：,1、孔徑光闌的位置：1）普通顯微鏡：孔徑光闌是物鏡框；2）測量顯微鏡：孔徑光闌在物鏡像方焦平面上（物方遠(yuǎn)心光路）。,2、物鏡的數(shù)值孔徑,教材推導(dǎo)過程概念有誤，可參閱 韓軍等《工程光學(xué)》,與放大率成反比,表2：顯微鏡的視覺放大率、出瞳直徑，和物鏡數(shù)值孔徑 的參數(shù)對比。,五、顯微鏡的分辨率,艾里斑角半徑

20、：,無像差光學(xué)系統(tǒng)，物點(diǎn)經(jīng)該系統(tǒng)在像面上得到的不是一個點(diǎn)，而是一個衍射像斑，其光強(qiáng)分布即為孔徑光闌的夫瑯和費(fèi)衍射圖樣。,1、成像系統(tǒng)的分辨本領(lǐng),★ 艾里斑半徑：,★ 瑞利判據(jù):,2、顯微鏡的分辨率(瑞利判據(jù))——極限線距離,（1）剛能被分辨像點(diǎn)間距：,★ 顯微鏡物鏡成像（小視場近軸物）：,（2）剛能被分辨的物點(diǎn)間距：,★ 提高分辨率的方法：,,例：電子束顯微鏡、浸液物鏡,,即：a減小波長、 b 增大物方折射率、 c提高sinU的值,由

21、瑞利判據(jù)得分辨率：,3、道威判據(jù)：兩衍射斑的中心間距為0.85a時， 剛好能被光學(xué)系統(tǒng)分辨。,——光學(xué)系統(tǒng)的理想分辨率,顯微鏡的分辨率主要取決于物鏡的數(shù)值孔徑，與目鏡無關(guān)！,★ 明視距離觀測：顯微鏡像空間的線距離,★設(shè)眼睛容易分辨的角距離：,4、顯微鏡的分辨率與有效放大率,★小結(jié)：能夠被物鏡分辨的細(xì)節(jié)，要同時被眼睛分辨，要求顯微鏡有恰當(dāng)?shù)姆糯舐?；而顯微鏡的有效放大率范圍，又取決于物鏡的

22、分辨率或數(shù)值孔徑。,★ 道威判斷：顯微鏡物空間的線距離,六、顯微鏡的景深,數(shù)值孔徑越大，景深越小放大倍率越大，景深越小,七、顯微鏡的物鏡,1、浸液物鏡——NA增大n倍，增強(qiáng)物鏡的聚光本領(lǐng),干物鏡,油浸物鏡,★ 油浸物鏡：允許更寬入射孔徑角的光線束參與成像。,2、齊明點(diǎn)在高倍顯微物鏡中的應(yīng)用,★ 齊明點(diǎn)：,(C2),使用較大的數(shù)值孔徑時，光線的孔徑角隨多次折射而被逐漸減小，并不產(chǎn)生球差或彗差，但會引起較大色差。,★ 齊明透鏡,a）透射光

23、亮視場照明,,,,d）反射光暗視場照明,b）反射光亮視場照明,c）透射光暗視場照明,八、顯微鏡的照明方法,照明分類,——暗視場照明，進(jìn)入物鏡成像的只是由樣品散射的光線 束，對比度高，可使分辨率提高。,1、結(jié)構(gòu)2、視覺放大率3、線視場4、出瞳直徑 物鏡的數(shù)值孔徑：5、 物鏡 分辨率6、顯微鏡的分辨率與有效放大率,九、小結(jié),波長 555nm,第四節(jié) 望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)(Telescope),重合，

24、 ，光學(xué)間隔Δ=0,★ 垂軸放大率：,★ 角放大率：,一、折射望遠(yuǎn)鏡（復(fù)習(xí)：p32 第二章）,★ 無焦系統(tǒng)：,二、望遠(yuǎn)系統(tǒng)的視覺放大率,,★ 開普勒望遠(yuǎn)鏡成像原理圖,軍用望遠(yuǎn)鏡棱鏡轉(zhuǎn)像系統(tǒng),★ 開普勒望遠(yuǎn)鏡： ，成倒立像 ，可加轉(zhuǎn)像系統(tǒng)。,★ 伽利略望遠(yuǎn)鏡： ，成正立像。,無中間實(shí)像，不能通過加分劃板實(shí)現(xiàn)瞄準(zhǔn)或定位。,,,三、望遠(yuǎn)系統(tǒng)的分辨率及工作放大率,1、望遠(yuǎn)系統(tǒng)的分辨率,取：

25、 ， ， 得：,（2）根據(jù)道威判斷：,（1）根據(jù)瑞利判斷：,,,,物鏡或入瞳直徑越大，則望遠(yuǎn)鏡的極限分辨角越小，即分辨率越高。,例. 計算物鏡直徑分別為：D=5.0 cm、50cm的望遠(yuǎn)鏡, 對可見光平均波長555nm的最小分辨角。,解：,當(dāng)D=50cm 時，,若: 一個望遠(yuǎn)鏡的最小分辨角 , 要充分利用眼睛的分辨本領(lǐng) ，望遠(yuǎn)鏡放大倍數(shù) 取何值？,當(dāng)D

26、=5.0cm時,2、視覺放大率和分辨率的關(guān)系,,,,★望遠(yuǎn)鏡的工作放大率：,——望遠(yuǎn)鏡的極限分辨角經(jīng)視覺放大后，要滿足人眼的極限分辨角的要求。,,——望遠(yuǎn)鏡的有效放大率（最小）,——高倍率的望遠(yuǎn)鏡必須增大物鏡的直徑。,1、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：開普勒望遠(yuǎn)鏡、伽利略望遠(yuǎn)鏡2、視覺放大率：3、分辨率：4、分辨率與視覺放大率： 光學(xué)系統(tǒng)的分辨率與放大率的乘積等于眼睛的分辨率。,四、小結(jié),焦距以內(nèi)成放大虛像,第五節(jié) 目鏡,顯

27、微鏡,孔徑光闌,視場光闌,—— 視場光闌位于目鏡的物方焦平面,望遠(yuǎn)系統(tǒng),★ 開普勒望遠(yuǎn)鏡成像原理圖,光學(xué)參數(shù)：視場角2ω′、焦距 f′、相對鏡目距p′/f′和工作距l(xiāng)2,2、鏡目距p′是像空間頂點(diǎn)到出瞳的距離,4、工作距l(xiāng)2：目鏡第一面頂點(diǎn)到物方焦平面的軸向距離,目鏡是一種小孔徑、大視場、短焦距、光闌在外面的光學(xué)系統(tǒng)，軸上點(diǎn)像差不大。,3、相對鏡目距：,1、視場：,光學(xué)參數(shù)：視場角2ω′、焦距 f′、相對鏡目距p′/f′和工作距l(xiāng)2,光

28、學(xué)參數(shù)：視場角2ω′、焦距 f′、相對鏡目距p′/f′和工作距l(xiāng)2,1、視場：,光學(xué)參數(shù)：視場角2ω′、焦距 f′、相對鏡目距p′/f′和工作距l(xiāng)2,2、鏡目距p′是像空間頂點(diǎn)到出瞳的距離,1、視場：,光學(xué)參數(shù)：視場角2ω′、焦距 f′、相對鏡目距p′/f′和工作距l(xiāng)2,2、鏡目距p′是像空間頂點(diǎn)到出瞳的距離,1、視場：,光學(xué)參數(shù)：視場角2ω′、焦距 f′、相對鏡目距p′/f′和工作距l(xiāng)2,3、相對鏡目距：,2、鏡目距p′是像空間頂點(diǎn)到

29、出瞳的距離,1、視場：,光學(xué)參數(shù)：視場角2ω′、焦距 f′、相對鏡目距p′/f′和工作距l(xiāng)2,3、相對鏡目距：,2、鏡目距p′是像空間頂點(diǎn)到出瞳的距離,1、視場：,光學(xué)參數(shù)：視場角2ω′、焦距 f′、相對鏡目距p′/f′和工作距l(xiāng)2,4、工作距l(xiāng)2：目鏡第一面頂點(diǎn)到物方焦平面的軸向距離,3、相對鏡目距：,2、鏡目距p′是像空間頂點(diǎn)到出瞳的距離,1、視場：,光學(xué)參數(shù)：視場角2ω′、焦距 f′、相對鏡目距p′/f′和工作距l(xiāng)2,目鏡是一種小

30、孔徑、大視場、短焦距、光闌在外面的光學(xué)系統(tǒng)，軸上點(diǎn)像差不大。,4、工作距l(xiāng)2：目鏡第一面頂點(diǎn)到物方焦平面的軸向距離,3、相對鏡目距：,2、鏡目距p′是像空間頂點(diǎn)到出瞳的距離,1、視場：,光學(xué)參數(shù)：視場角2ω′、焦距 f′、相對鏡目距p′/f′和工作距l(xiāng)2,目鏡是一種小孔徑、大視場、短焦距、光闌在外面的光學(xué)系統(tǒng)，軸上點(diǎn)像差不大。,光學(xué)參數(shù)：視場角2ω′、焦距 f′、相對鏡目距p′/f′和工作距l(xiāng)2,1、視場：,目鏡是一種小孔徑、大視場、短

31、焦距、光闌在外面的光學(xué)系統(tǒng)，軸上點(diǎn)像差不大。,光學(xué)參數(shù)：視場角2ω′、焦距 f′、相對鏡目距p′/f′和工作距l(xiāng)2,1、視場：,目鏡是一種小孔徑、大視場、短焦距、光闌在外面的光學(xué)系統(tǒng)，軸上點(diǎn)像差不大。,光學(xué)參數(shù)：視場角2ω′、焦距 f′、相對鏡目距p′/f′和工作距l(xiāng)2,2、鏡目距p′是像空間頂點(diǎn)到出瞳的距離,1、視場：,目鏡是一種小孔徑、大視場、短焦距、光闌在外面的光學(xué)系統(tǒng)，軸上點(diǎn)像差不大。,光學(xué)參數(shù)：視場角2ω′、焦距 f′、相對鏡

32、目距p′/f′和工作距l(xiāng)2,2、鏡目距p′是像空間頂點(diǎn)到出瞳的距離,1、視場：,目鏡是一種小孔徑、大視場、短焦距、光闌在外面的光學(xué)系統(tǒng)，軸上點(diǎn)像差不大。,光學(xué)參數(shù)：視場角2ω′、焦距 f′、相對鏡目距p′/f′和工作距l(xiāng)2,3、相對鏡目距：,2、鏡目距p′是像空間頂點(diǎn)到出瞳的距離,1、視場：,目鏡是一種小孔徑、大視場、短焦距、光闌在外面的光學(xué)系統(tǒng)，軸上點(diǎn)像差不大。,光學(xué)參數(shù)：視場角2ω′、焦距 f′、相對鏡目距p′/f′和工作距l(xiāng)2,3

33、、相對鏡目距：,2、鏡目距p′是像空間頂點(diǎn)到出瞳的距離,1、視場：,目鏡是一種小孔徑、大視場、短焦距、光闌在外面的光學(xué)系統(tǒng)，軸上點(diǎn)像差不大。,光學(xué)參數(shù)：視場角2ω′、焦距 f′、相對鏡目距p′/f′和工作距l(xiāng)2,4、工作距l(xiāng)2：目鏡第一面頂點(diǎn)到物方焦平面的軸向距離,4、工作距l(xiāng)2：目鏡第一面頂點(diǎn)到物方焦平面的軸向距離,4、工作距l(xiāng)2：目鏡第一面頂點(diǎn)到物方焦平面的軸向距離,4、工作距l(xiāng)2：目鏡第一面頂點(diǎn)到物方焦平面的軸向距離,3、相對鏡目

34、距：,2、鏡目距p′是像空間頂點(diǎn)到出瞳的距離,1、視場：,目鏡是一種小孔徑、大視場、短焦距、光闌在外面的光學(xué)系統(tǒng)，軸上點(diǎn)像差不大。,光學(xué)參數(shù)：視場角2ω′、焦距 f′、相對鏡目距p′/f′和工作距l(xiāng)2,4、工作距l(xiāng)2：目鏡第一面頂點(diǎn)到物方焦平面的軸向距離,3、相對鏡目距：,2、鏡目距p′是像空間頂點(diǎn)到出瞳的距離,1、視場：,目鏡是一種小孔徑、大視場、短焦距、光闌在外面的光學(xué)系統(tǒng)，軸上點(diǎn)像差不大。,光學(xué)參數(shù)：視場角2ω′、焦距 f′、相對

35、鏡目距p′/f′和工作距l(xiāng)2,4、工作距l(xiāng)2：目鏡第一面頂點(diǎn)到物方焦平面的軸向距離,3、相對鏡目距：,2、鏡目距p′,1、視場：,目鏡是一種小孔徑、大視場、短焦距、光闌在外面的光學(xué)系統(tǒng)，軸上點(diǎn)像差不大。,光學(xué)參數(shù)：視場角2ω′、焦距 f′、相對鏡目距p′/f′和工作距l(xiāng)2,目鏡,光學(xué)參數(shù)：視場角2ω′、焦距 f′、相對鏡目距p′/f′和工作距l(xiāng)2,1、視場：,,光學(xué)參數(shù)：視場角2ω′、焦距 f′、相對鏡目距p′/f′和工作距l(xiāng)2,1、視

36、場：,光學(xué)參數(shù)：視場角2ω′、焦距 f′、相對鏡目距p′/f′和工作距l(xiāng)2,1、視場：,光學(xué)參數(shù)：視場角2ω′、焦距 f′、相對鏡目距p′/f′和工作距l(xiāng)2,1、視場：,光學(xué)參數(shù)：視場角2ω′、焦距 f′、相對鏡目距p′/f′和工作距l(xiāng)2,3、相對鏡目距：,1、視場：,光學(xué)參數(shù)：視場角2ω′、焦距 f′、相對鏡目距p′/f′和工作距l(xiāng)2,4、工作距l(xiāng)2：,3、相對鏡目距：,1、視場：,4、工作距：,3、相對鏡目距：,2、鏡目距p′：,1

37、、視場：,1、惠更斯目鏡和冉斯登目鏡,惠更斯目鏡由兩塊平凸透鏡組成，其間隔為d。,場鏡所產(chǎn)生的軸外差很大，很難予以補(bǔ)償。所以該目鏡結(jié)構(gòu)不宜在視場光闌平面上設(shè)置分劃板，因此惠更斯目鏡不宜用在測量儀器中。,,,,,,,場鏡,接目鏡,,物鏡像面,,,視場光闌,接目鏡物方焦面,,,出射光瞳（眼瞳）,,,,,d,冉斯登目鏡由兩塊凸面相對的平凸透鏡組成，其間隔d小于惠更斯目鏡兩透鏡的間距。,在成像質(zhì)量上，由于冉斯登目鏡的間隔小，所以冉斯登目鏡的場曲

38、小于惠斯登目鏡的場曲。,,場鏡,視場光闌（物鏡像平面目鏡前焦面）,出瞳（眼瞳）,,,,,,,,,,,,,d,2、凱涅爾目鏡,凱涅爾目鏡可認(rèn)為是冉斯登的接目鏡改成雙膠合鏡組而得到的。,改成雙膠合透鏡就能在校正彗差和像散的同時，校正好倍率色差。,3、對稱式目鏡,對稱式目鏡是應(yīng)用非常廣泛的中等視場目鏡。,它由兩個雙膠合鏡組構(gòu)成。,4、無畸變目鏡,無畸變目鏡是由一個平凸的接目鏡和一組三膠合的透鏡組構(gòu)成的。,,,,,,,,,,,,,,,出瞳,

39、這種目鏡的鏡目距很大，所以在有相同的鏡目距時，無畸變目鏡的設(shè)計焦距可以選得小一些，使結(jié)構(gòu)更加緊湊一些。,這種特點(diǎn)非常適用于大地測量儀器和軍用儀器。,5、廣角目鏡,廣角目鏡是為適應(yīng)大視場系統(tǒng)而設(shè)計的。,由于視場角增大，場曲也隨之增大。,為了保證像差的要求，目鏡的結(jié)構(gòu)必須復(fù)雜化，,或在系統(tǒng)中加入負(fù)光焦度的透鏡；,或增加正透鏡組的數(shù)目，是光焦度分散。,下圖是兩種視場在60°以上的廣角目鏡， 接目鏡用兩塊透鏡代替。,I 型,出瞳

40、,II 型,出瞳,孔徑光闌,視場光闌,鏡頭、 可變光闌、 感光底片/暗盒,第六節(jié)：攝影系統(tǒng),一、攝影物鏡的光學(xué)特性1、視場 （1）影響因素：焦距、接收器尺寸 (2) 像的大小與焦距的關(guān)系： 在拍攝遠(yuǎn)處物體時，像的大小為 在拍攝近處物體時，像的大小為 (3) 當(dāng)接收器的尺寸一定時，物鏡的焦 距越短，則其視場角越大；

41、焦距越長，視場角越小。相應(yīng)地稱作為廣角物鏡和遠(yuǎn)攝物鏡。,2、分辨率 （1）影響因素：物鏡的分辨率和接收器的分辨率.（2）意義：像平面上每毫米能分開線的對數(shù).（3）公式（經(jīng)驗(yàn)公式）,3、像面照度 討論（1）當(dāng)物體在無限遠(yuǎn)時， （2）對大視場物鏡有：,三、攝影物鏡的景深,結(jié)論：1，焦距f’’越長,景深越小 2，入瞳直徑越大，景深越小 3， 拍攝距離p越大，景深

42、越大,§7-9 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計概述,一、對光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計的要求1、 光學(xué)系統(tǒng)的基本特性 光學(xué)系統(tǒng)的基本特性有：數(shù)值孔徑或相對孔徑；線視場或視場角；系統(tǒng)的放大率或焦距。此外還有與這些基本特性有關(guān)的一些特性參數(shù)，如光瞳的大小和位置、后工作距離、共軛距等。 2、 系統(tǒng)的外形尺寸  系統(tǒng)的外形尺寸，即系統(tǒng)的橫向尺寸和縱向尺寸。在設(shè)計多光組的復(fù)雜光學(xué)系統(tǒng)時，外形尺寸計算以及各光組之間光瞳的銜接都是很重要的。,3、 成像

43、質(zhì)量 成像質(zhì)量的要求和光學(xué)系統(tǒng)的用途有關(guān)。不同的光學(xué)系統(tǒng)按其用途可提出不同的成像質(zhì)量要求。對于望遠(yuǎn)系統(tǒng)和一般的顯微鏡只要求中心視場有較好的成像質(zhì)量；對于照相物鏡要求整個視場都要有較好的成像質(zhì)量。4、 儀器的使用條件 在對光學(xué)系統(tǒng)提出使用要求時，一定要考慮在技術(shù)上和物理上實(shí)現(xiàn)的可能性。如生物顯微鏡的放大率Г要滿足500NA≤Г≤1000NA 條件，望遠(yuǎn)鏡的視覺放大率一定要把望遠(yuǎn)系統(tǒng)的極限分辨率和眼睛的極限分辨率一起來考慮。,二、光

44、學(xué)系統(tǒng)設(shè)計的經(jīng)濟(jì)性,光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計評價依據(jù)： 性能和成像質(zhì)量 系統(tǒng)的復(fù)雜程度。價值工程原理：V（價值）＝F（功能）/C（成本）器件優(yōu)化，結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化，光學(xué)零件冷加工優(yōu)化,三、光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計過程,所謂光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計就是根據(jù)使用條件，來決定滿足使用要求的各種數(shù)據(jù)，即決定光學(xué)系統(tǒng)的性能參數(shù)、外形尺寸和各光組的結(jié)構(gòu)等。因此我們可以把光學(xué)設(shè)計過程分為4 個階段：外 形 尺寸計算初 始 結(jié)構(gòu)計算像差校正和平衡 像

45、 質(zhì) 評 價,1、外形尺寸計算 在這個階段里要設(shè)計擬定出光學(xué)系統(tǒng)原理圖，確定基本光學(xué)特性，使?jié)M足給定的技術(shù)要求，即確定放大倍率或焦距、線視場或角視視場、數(shù)值孔徑或相對孔徑、共軛距、后工作距離光闌位置和外形尺寸等。因此，常把這個階段稱為外形尺寸計算。一般都按理想光學(xué)系統(tǒng)的理論和計算公式進(jìn)行外形尺寸計算。在計算時一定要考慮機(jī)械結(jié)構(gòu)和電氣系統(tǒng)，以防止在機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)上無法實(shí)現(xiàn)。每項(xiàng)性能的確定一定要合理，過高要求會使設(shè)計結(jié)果復(fù)雜造成浪費(fèi)

46、，過低要求會使設(shè)計不符合要求，因此這一步驟慎重行事。,2、初始結(jié)構(gòu)的計算和選擇1）根據(jù)初級像差理論求解初始結(jié)構(gòu) 這種求解初始結(jié)構(gòu)的方法就是根據(jù)外形尺寸計算得到的基本特性，利用初級像差理論來求解滿足成像質(zhì)量要求的初始結(jié)構(gòu)。2）從已有的資料中選擇初始結(jié)構(gòu)這是一種比較實(shí)用又容易獲得成功的方法。因此它被很多光學(xué)設(shè)計者廣泛采用。但其要求設(shè)計者對光學(xué)理論有深刻了解，并有豐富的設(shè)計經(jīng)驗(yàn)，只有這樣才能從類型繁多的結(jié)構(gòu)中挑選出簡單而又合乎

47、要求的初始結(jié)構(gòu)。初始結(jié)構(gòu)的選擇是透鏡設(shè)計的基礎(chǔ)，選型是否合適關(guān)系到以后的設(shè)計是否成功。一個不好的初始結(jié)構(gòu)，再好的自動設(shè)計程序和有經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計者也無法使設(shè)計獲得成功。,3、像差校正和平衡初始結(jié)構(gòu)選好后，要在計算機(jī)上用光學(xué)計算程序進(jìn)行光路計算，算出全部像差及各種像差曲線。從像差數(shù)據(jù)分析就可以找出主要是哪些像差影響光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量，從而找出改進(jìn)的辦法，開始進(jìn)行像差校正。像差分析及平衡是一個反復(fù)進(jìn)行的過程，直到滿足成像質(zhì)量要求為止。,4、像

48、質(zhì)評價 光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量與像差的大小有關(guān)，光學(xué)設(shè)計的目的就是要對光學(xué)系統(tǒng)的像差給予校正。但是任何光學(xué)系統(tǒng)都不可能也沒有必要把所有像差都校正到零，必然有剩余像差的存在，剩余像差大小不同，成像質(zhì)量也就不同。因此光學(xué)設(shè)計者必須對各種光學(xué)系統(tǒng)的剩余像差的允許值和像差公差有所了解，以便根據(jù)剩余像差的大小判斷光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量。評價光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量的方法很多 。如：瑞利判斷 、分辨率、點(diǎn)列圖、光學(xué)傳遞函數(shù)等。,四、對稱轉(zhuǎn)像系統(tǒng)望遠(yuǎn)鏡外形尺寸設(shè)

49、計,一、眼 睛,1、結(jié)構(gòu)：角膜、瞳孔、水晶體、視網(wǎng)膜、眼軸。,2、成像過程：物點(diǎn)發(fā)出的光線經(jīng)角膜（主要成像界面）折射; ——瞳孔（孔徑光闌）自動變化控制入射光能; ——水晶體（雙凸透鏡）的焦距自動調(diào)節(jié)，使不同距離的物體都可以成像于視網(wǎng)膜（像平面）之上; ——視神經(jīng)受刺激產(chǎn)生視覺。,第七章小結(jié),4、眼睛的功能1）調(diào)節(jié)——水晶體： 遠(yuǎn)、近點(diǎn)，調(diào)節(jié)能力，視度；

50、明視距離； 近視、遠(yuǎn)視、散光眼的特征及校正。2）適應(yīng)——瞳孔：明適應(yīng)、暗適應(yīng)3）分辨——瞳孔： 視角、人眼的極限分辨角4）景深,二、目視光學(xué)儀器,人眼對物體的大小的感覺，取決于像在視網(wǎng)膜上的大小；或，視網(wǎng)膜上的像對眼睛光心張角（視角）的大小。,視角大小超過人眼極限分辨角的物體細(xì)節(jié)，才可被人眼分辨。,焦距以內(nèi)成放大虛像,1、放大鏡的工作原理,2、視覺放大率：,三、放大鏡,1）物體在前焦點(diǎn)

51、上， ，當(dāng)眼睛調(diào)焦在無限遠(yuǎn)：,2）眼睛調(diào)焦在明視距離觀測虛像：,3、光束限制：眼瞳——孔徑光闌；放大鏡——視場光闌、漸暈光闌,1、光路結(jié)構(gòu)、工作原理：物鏡、目鏡，2、顯微鏡的組合焦距：,四、顯微鏡,,,,3、視場光闌：位于目鏡的物方焦平面的分劃板 線視場：與視覺放大率成反比，4、孔徑光闌：普通顯微鏡（物鏡框） 測量顯微鏡（物鏡像方焦

52、平面：物方遠(yuǎn)心光路） 1）出瞳直徑： 2）物鏡的數(shù)值孔徑： 3）顯微鏡的分辨率： （取決于物鏡）5、 顯微鏡的分辨率與有效放大率：,（瑞利判據(jù)）,波長 555.0nm，,1、光路結(jié)構(gòu)： 工作原理：無焦系統(tǒng)2、光束限制：物鏡框—孔徑光闌；物鏡、目鏡的共焦面—視場光闌。3、視覺放大率： **開普勒與伽利略兩種望遠(yuǎn)鏡的比較。4、分辨率—— 極限分辨角：