工程光學典型光學系統(tǒng)

1、第七章 典型光學系統(tǒng),第二節(jié)放大鏡,第三節(jié) 顯微鏡系統(tǒng),第四節(jié) 望遠鏡系統(tǒng),第一節(jié)眼睛及其光學系統(tǒng),,第五節(jié) 目鏡,調節(jié)肌,第一節(jié) 眼睛及其光學系統(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)的結構,3、

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

3、出口，無感光細胞。視網膜的像被 傳輸至大腦形成視覺。,輻射接收器 桿狀細胞：對光刺激極敏感， 感光（明暗視覺） 錐狀細胞：感色（色視覺）,9、視網膜(Retina)：后室內壁、連接脈絡膜的一薄膜，由神經 細胞和神經纖維構成。 ——感光和成像的位置。,調節(jié)肌,黃斑(Macula)：視網膜中部、黃

4、色橢圓形區(qū)域。 中心凹：黃斑點中心D ≈0.25mm區(qū)域，密集感光細胞， 視覺最靈敏。,二、眼睛——共軸光學系統(tǒng),,2、視軸：黃斑中心與眼睛光學系統(tǒng)像方節(jié)點的連線。 ——眼球轉動，使視軸對準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：外界光線經角膜折射 ——孔徑光闌：瞳孔自動調節(jié)直徑控制入射光能 ——變焦系統(tǒng)：

5、水晶體自動調節(jié)，保證成像于視網膜上 ——成像面： 視網膜,,3、簡化眼模型,眼睛像方焦點與視網膜重合,4、物體經眼睛成像于視網膜,★ 視角ω ：,★ 人眼對物體大小的感覺，取決于像在視網膜上的大?。?或，視網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之外。,視角大小超過人眼極限分辨角的物體細節(jié)，才可被分辨。,★ 眼睛的光心O0：眼睛節(jié)點、主點近似看做重合的位置。

6、 （進一步簡化）,三、眼睛的調節(jié)及校正,1、調節(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到自動調焦的過程。,★ 能清晰調焦的極限距離：遠點(far point)距離 lr 近點(near point)距離 lp,★ 遠點發(fā)散度（會聚度）：,★ 近點發(fā)散度（會聚度）：,★ 眼睛的調節(jié)能力：,★ 眼睛的視度(diopter)

7、： 通常所說的眼鏡度數為對應視度數值×100。,,2、非正常眼睛及其矯正,1）近視眼：無窮遠物點成像于視網膜之前，遠點為有限遠。,加正透鏡(焦距與近點重合)將近點校正到明視距離,2）遠視眼：無窮遠物點成像于視網膜之后； 近點變遠，非明視距離。,加負透鏡(焦距與遠點重合)將遠點校正到無窮遠,50歲之后， 老花眼！,,Myopia/Nearsightedness,H

8、yperopia/Farsightedness,所配眼鏡的焦距與遠點距離 相等,遠點為-2m的近視眼，所需眼鏡的光焦度為-0.5D，即50度。,光焦度,近點在眼前1.25m處，應配多少度的眼鏡？,（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，眼軸上的物點對應有兩條像線，眼睛在兩個 對稱主截面上的焦

9、距不同，即遠點距離不同。像散 導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 矯正應配戴光楔,四、眼睛的適應能力,,,,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的距離.,★ 眼睛的極限分辨角 ：剛能分辨開的兩點對人眼的張角，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膜上兩像點距離及視覺細胞的直徑大小有關,眼睛分辨率,2、人眼的分辨能力,,★ 通常認為，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、眼睛的對準精度,★ 對準誤差（人眼的瞄準精度） 偏離置中或偏離重合的線距離或角距離。,★ 對準：垂直于視軸方向上的重合或置中過程。,,,,七、眼睛的景深,2、遠景、近景平面上的物點——視網

11、膜上的像為彌散斑,1、調焦（對準）平面上的物點——視網膜上的點像,若彌散斑可看作一像點，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：人眼能辨別遠近的最大距離,說明：并不是在體視半徑內所有的情況下人眼都能 產生立體的感覺,4, 立體視覺閾,人眼能夠分辨兩個點間的最短深度距

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，怎樣實現(xiàn)？,可以借助光學儀器增大基線長，減小體視銳度值。如利用雙簡棱鏡望遠鏡,對焦你的雙眼到圖片后面，把頂部的二點成像成4個點，然后再慢慢改變對焦距離來把中間的兩點重合，也就是眼中出現(xiàn)三個點的時候，觀察出圖片中包含的立體圖像,小 結,1、眼睛的結構：角膜、瞳孔、水晶體、視網膜2、簡化眼模型3、眼睛的調節(jié)——水晶體 遠、近點

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

14、),補充 1：系統(tǒng)的分辨率,★系統(tǒng)的分辨率：光學系統(tǒng)能分開兩個像點的最小距離。,：等亮度的兩個物點，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，認為剛好能分辨這兩個物點。,二、瑞利判據,——能分辨的兩個等亮度點間的距離對應于艾里斑半徑。,,,補充 2：目視光學儀器,眼睛的光心O0：眼睛節(jié)點,主點近似看做重合的位置,一、裸眼直接成像：,二、眼睛+目視光學儀器：,★ 視角ω ：,★ 視角 ：,,★ 目視光學系統(tǒng)

15、的視覺放大率：,2、眼睛+目視光學儀器：視角可被目視光學儀器放大。,1、裸眼直接成像：視角取決于物的大小和物距(近點之外)， 視角大小超過人眼極限分辨角的物體細節(jié)才可被分辨。,★ 不同的目視光學儀器，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）望遠鏡：觀察物位于遠處或無窮遠。,觀察物體所需分辨率×目視光學儀器的放大率=眼睛分辨率,焦距以內成放大虛像,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焦在明視距離，即 虛像位于眼前250mm處，,焦距以內成放大虛像,,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用，倍率較大的放大鏡

17、由組合透鏡組成。,物像調焦在明視距離且眼睛位于像方焦點處：,實際使用中的放大鏡：,,,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,,★當物面放在放大鏡前焦平面上時，像平面在無限遠 線視場為：,放大鏡的倍率越大，線視場越小。,一、復習：p33,★物直接對眼的張角：,目鏡：放大物體經物鏡所成的像,第三節(jié) 顯微鏡系統(tǒng)（Microscope

18、）,物鏡：放大—實物,★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,,★ 其他：共軛距（物-像面距離）、機械筒長,★ 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，設直徑為D，,,1、線視場：,2、線視場的計算：,★ 視場光闌的大小應與目鏡的視場角一致：,★ 物與視場光闌是關于物鏡的

19、物像共軛關系：,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（物方遠心光路）。,2、物鏡的數值孔徑,教材推導過程概念有誤，可參閱 韓軍等《工程光學》,與放大率成反比,表2：顯微鏡的視覺放大率、出瞳直徑，和物鏡數值孔徑 的參數對比。,五、顯微鏡的分辨率,艾里斑角半徑

20、：,無像差光學系統(tǒng)，物點經該系統(tǒng)在像面上得到的不是一個點，而是一個衍射像斑，其光強分布即為孔徑光闌的夫瑯和費衍射圖樣。,1、成像系統(tǒng)的分辨本領,★ 艾里斑半徑：,★ 瑞利判據:,2、顯微鏡的分辨率(瑞利判據)——極限線距離,（1）剛能被分辨像點間距：,★ 顯微鏡物鏡成像（小視場近軸物）：,（2）剛能被分辨的物點間距：,★ 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、瑞利判據得分辨率：,3、道威判據：兩衍射斑的中心間距為0.85a時， 剛好能被光學系統(tǒng)分辨。,——光學系統(tǒng)的理想分辨率,顯微鏡的分辨率主要取決于物鏡的數值孔徑，與目鏡無關！,★ 明視距離觀測：顯微鏡像空間的線距離,★設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：能夠被物鏡分辨的細節(jié)，要同時被眼睛分辨，要求顯微鏡有恰當的放大率；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，增強物鏡的聚光本領,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、齊明點在高倍顯微物鏡中的應用,★ 齊明點：,(C2),使用較大的數值孔徑時，光線的孔徑角隨多次折射而被逐漸減小，并不產生球差或彗差，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、結構2、視覺放大率3、線視場4、出瞳直徑 物鏡的數值孔徑：5、 物鏡 分辨率6、顯微鏡的分辨率與有效放大率,九、小結,波長 555nm,第四節(jié) 望遠鏡系統(tǒng)(Telescope),重合，

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

25、 ， ， 得：,（2）根據道威判斷：,（1）根據瑞利判斷：,,,,物鏡或入瞳直徑越大，則望遠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的望遠鏡, 對可見光平均波長555nm的最小分辨角。,解：,當D=50cm 時，,若: 一個望遠鏡的最小分辨角 , 要充分利用眼睛的分辨本領 ，望遠鏡放大倍數 取何值？,當D

26、=5.0cm時,2、視覺放大率和分辨率的關系,,,,★望遠鏡的工作放大率：,——望遠鏡的極限分辨角經視覺放大后，要滿足人眼的極限分辨角的要求。,,——望遠鏡的有效放大率（最?。?——高倍率的望遠鏡必須增大物鏡的直徑。,1、結構特點：開普勒望遠鏡、伽利略望遠鏡2、視覺放大率：3、分辨率：4、分辨率與視覺放大率： 光學系統(tǒng)的分辨率與放大率的乘積等于眼睛的分辨率。,四、小結,焦距以內成放大虛像,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,望遠系統(tǒng),★ 開普勒望遠鏡成像原理圖,光學參數：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′是像空間頂點到出瞳的距離,4、工作距l(xiāng)2：目鏡第一面頂點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、光闌在外面的光學系統(tǒng)，軸上點像差不大。,3、相對鏡目距：,1、視場：,光學參數：視場角2ω′、焦距 f′、相對鏡目距p′/f′和工作距l(xiāng)2,光

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

29、出瞳的距離,1、視場：,光學參數：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′是像空間頂點到出瞳的距離,1、視場：,光學參數：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′是像空間頂點到出瞳的距離,1、視場：,光學參數：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、光闌在外面的光學系統(tǒng)，軸上點像差不大。,4、工作距l(xiāng)2：目鏡第一面頂點到物方焦平面的軸向距離,3、相對鏡目距：,2、鏡目距p′是像空間頂點到出瞳的距離,1、視場：,光學參數：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、光闌在外面的光學系統(tǒng)，軸上點像差不大。,光學參數：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、光闌在外面的光學系統(tǒng)，軸上點像差不大。,光學參數：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、光闌在外面的光學系統(tǒng)，軸上點像差不大。,光學參數：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、光闌在外面的光學系統(tǒng)，軸上點像差不大。,光學參數：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、光闌在外面的光學系統(tǒng)，軸上點像差不大。,光學參數：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、光闌在外面的光學系統(tǒng)，軸上點像差不大。,光學參數：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、光闌在外面的光學系統(tǒng)，軸上點像差不大。,光學參數：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、光闌在外面的光學系統(tǒng)，軸上點像差不大。,光學參數：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、光闌在外面的光學系統(tǒng)，軸上點像差不大。,光學參數：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、光闌在外面的光學系統(tǒng)，軸上點像差不大。,光學參數：視場角2ω′、焦距 f′、相對鏡目距p′/f′和工作距l(xiāng)2,目鏡,光學參數：視場角2ω′、焦距 f′、相對鏡目距p′/f′和工作距l(xiāng)2,1、視場：,,光學參數：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：,光學參數：視場角2ω′、焦距 f′、相對鏡目距p′/f′和工作距l(xiāng)2,1、視場：,光學參數：視場角2ω′、焦距 f′、相對鏡目距p′/f′和工作距l(xiāng)2,1、視場：,光學參數：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：,光學參數：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。,場鏡所產生的軸外差很大，很難予以補償。所以該目鏡結構不宜在視場光闌平面上設置分劃板，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,對稱式目鏡是應用非常廣泛的中等視場目鏡。,它由兩個雙膠合鏡組構成。,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，無畸變目鏡的設計焦距可以選得小一些，使結構更加緊湊一些。,這種特點非常適用于大地測量儀器和軍用儀器。,5、廣角目鏡,廣角目鏡是為適應大視場系統(tǒng)而設計的。,由于視場角增大，場曲也隨之增大。,為了保證像差的要求，目鏡的結構必須復雜化，,或在系統(tǒng)中加入負光焦度的透鏡；,或增加正透鏡組的數目，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系： 在拍攝遠處物體時，像的大小為 在拍攝近處物體時，像的大小為 (3) 當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。相應地稱作為廣角物鏡和遠攝物鏡。,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.（3）公式（經驗公式）,3、像面照度 討論（1）當物體在無限遠時， （2）對大視場物鏡有：,三、攝影物鏡的景深,結論：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 光學系統(tǒng)設計概述,一、對光學系統(tǒng)設計的要求1、 光學系統(tǒng)的基本特性 光學系統(tǒng)的基本特性有：數值孔徑或相對孔徑；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的一些特性參數，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。在設計多光組的復雜光學系統(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、質量 成像質量的要求和光學系統(tǒng)的用途有關。不同的光學系統(tǒng)按其用途可提出不同的成像質量要求。對于望遠系統(tǒng)和一般的顯微鏡只要求中心視場有較好的成像質量；對于照相物鏡要求整個視場都要有較好的成像質量。4、 儀器的使用條件 在對光學系統(tǒng)提出使用要求時，一定要考慮在技術上和物理上實現(xiàn)的可能性。如生物顯微鏡的放大率Г要滿足500NA≤Г≤1000NA 條件，望遠鏡的視覺放大率一定要把望遠系統(tǒng)的極限分辨率和眼睛的極限分辨率一起來考慮。,二、光

44、學系統(tǒng)設計的經濟性,光學系統(tǒng)設計評價依據： 性能和成像質量 系統(tǒng)的復雜程度。價值工程原理：V（價值）＝F（功能）/C（成本）器件優(yōu)化，結構設計優(yōu)化，光學零件冷加工優(yōu)化,三、光學系統(tǒng)設計過程,所謂光學系統(tǒng)設計就是根據使用條件，來決定滿足使用要求的各種數據，即決定光學系統(tǒng)的性能參數、外形尺寸和各光組的結構等。因此我們可以把光學設計過程分為4 個階段：外 形 尺寸計算初 始 結構計算像差校正和平衡 像

45、 質 評 價,1、外形尺寸計算 在這個階段里要設計擬定出光學系統(tǒng)原理圖，確定基本光學特性，使?jié)M足給定的技術要求，即確定放大倍率或焦距、線視場或角視視場、數值孔徑或相對孔徑、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。一般都按理想光學系統(tǒng)的理論和計算公式進行外形尺寸計算。在計算時一定要考慮機械結構和電氣系統(tǒng)，以防止在機構結構上無法實現(xiàn)。每項性能的確定一定要合理，過高要求會使設計結果復雜造成浪費

46、，過低要求會使設計不符合要求，因此這一步驟慎重行事。,2、初始結構的計算和選擇1）根據初級像差理論求解初始結構 這種求解初始結構的方法就是根據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量要求的初始結構。2）從已有的資料中選擇初始結構這是一種比較實用又容易獲得成功的方法。因此它被很多光學設計者廣泛采用。但其要求設計者對光學理論有深刻了解，并有豐富的設計經驗，只有這樣才能從類型繁多的結構中挑選出簡單而又合乎

47、要求的初始結構。初始結構的選擇是透鏡設計的基礎，選型是否合適關系到以后的設計是否成功。一個不好的初始結構，再好的自動設計程序和有經驗的設計者也無法使設計獲得成功。,3、像差校正和平衡初始結構選好后，要在計算機上用光學計算程序進行光路計算，算出全部像差及各種像差曲線。從像差數據分析就可以找出主要是哪些像差影響光學系統(tǒng)的成像質量，從而找出改進的辦法，開始進行像差校正。像差分析及平衡是一個反復進行的過程，直到滿足成像質量要求為止。,4、像

48、質評價 光學系統(tǒng)的成像質量與像差的大小有關，光學設計的目的就是要對光學系統(tǒng)的像差給予校正。但是任何光學系統(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，成像質量也就不同。因此光學設計者必須對各種光學系統(tǒng)的剩余像差的允許值和像差公差有所了解，以便根據剩余像差的大小判斷光學系統(tǒng)的成像質量。評價光學系統(tǒng)的成像質量的方法很多 。如：瑞利判斷 、分辨率、點列圖、光學傳遞函數等。,四、對稱轉像系統(tǒng)望遠鏡外形尺寸設

49、計,一、眼 睛,1、結構：角膜、瞳孔、水晶體、視網膜、眼軸。,2、成像過程：物點發(fā)出的光線經角膜（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）的焦距自動調節(jié)，使不同距離的物體都可以成像于視網膜（像平面）之上; ——視神經受刺激產生視覺。,第七章小結,4、眼睛的功能1）調節(jié)——水晶體： 遠、近點，調節(jié)能力，視度；

50、明視距離； 近視、遠視、散光眼的特征及校正。2）適應——瞳孔：明適應、暗適應3）分辨——瞳孔： 視角、人眼的極限分辨角4）景深,二、目視光學儀器,人眼對物體的大小的感覺，取決于像在視網膜上的大??；或，視網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節(jié)，才可被人眼分辨。,焦距以內成放大虛像,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

51、上， ，當眼睛調焦在無限遠：,2）眼睛調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、光路結構、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：物方遠心光路） 1）出瞳直徑： 2）物鏡的數值孔徑： 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）,波長 555.0nm，,1、光路結構： 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鏡的比較。4、分辨率—— 極限分辨角：