第八章典型光学系统

第八章典型光学系统•眼睛及其光学系统•放大镜•显微系统•望远系统•投影系统和照相系统•照明系统8.1人眼光学系统眼睛是一个完整的成像光学系统，同时又是目视光学系统的接收器，可以看成是整个光学系统的一个组成部分。1、眼睛结构2、人眼的调节和适应3、人眼的屈光度误差及其校正4、人眼的分辨率和瞄准精度5、双眼的立体视觉8.1.1人眼的结构•人眼的生理结构•人眼的光学结构——简约眼•人眼相当于照相机眼睛简化成一个折射球面的模型，即简约眼折射面的曲率半径像方介质的折射率网膜的曲率半径物方焦距像方焦距光焦度5.56mm1.3339.7mm-16.70mm22.26mm59.88D简约眼简约眼n=1.33n=1.0R=5.56R=9.7人眼与照相机眼睛如同一只自动变焦和自动改变光圈大小的照相机。从光学角度看，眼睛中三个最重要的部分是水晶体、瞳孔和网膜，它们分别对应与照相机中的镜头、光阑和底片。8.2人眼的调节调节：眼睛通过睫状肌作用改变光焦度的大小以看清不同距离物体的过程称为调节。远点：眼睛能看清的最远点称为远点，用R表示近点：眼睛能看清的最近点称为近点，用P表示调节范围：调节范围A表示为远点距和近点距的倒数之差A、R、P的单位是屈光度（D）。pRprA11111mD眼睛在不同年龄时的调节能力和调节范围年龄1020304050607080近点距(cm)-7-10-14-22-40-20010040远点距（cm)2008040A=R-P(屈光度)141074.52.510.250人眼的适应眼睛能适应不同亮暗环境的能力称为适应。适应可分为明适应和暗适应。前者发生在由暗处到亮处时，适应时间大约几分钟；后者发生在由亮处到暗处时，适应时间大约30-60分钟。p141，表8-38.3人眼的屈光度误差及其校正•正常人眼完全放松时，眼睛的远点在无限远，则称其为正常眼，反之，称为非正常眼。非正常眼主要有以下三种类型：•近视眼：远点距为负值，有限远•远视眼：远点距为正值，有限远•散光眼：两个垂直子午面的远点距不同近视眼-r远视眼：r散光眼-r-r第一子午面第二子午面8.4人眼的分辨力•明视距离：人眼在近距离工作时的通常距离250MM.•分辨力：眼睛能分辩两个很靠近的点的能力称为眼睛的分辨率。•最小分辨角：能够分辩的最近两点对眼睛的张角称为眼睛的最小分辩角：60秒•最小分辨距离：在明视距离处（250MM）最小分辨角对应的线量：0.0725MM。人眼的瞄准精度•人眼认为标志对目标重合而实际未重合的最大误差。•瞄准精度与分辨力成正比，但不等于分辨力。K与对准方式有关：p143表8-4分辩力和瞄准精度两个不同的概念•分辨力是对静止的两个点的分辨能力•瞄准精度是对两个相对运动点重合的判断。•两个概念又是相互联系的，高的瞄准精度不仅取决于高的分辩力，同时也取决合适的瞄准方式。8.5双眼的立体视觉8.2放大镜•放大镜概述•放大镜的工作原理•放大镜的视放大率•放大镜的光束限制•放大镜用作目镜8.2.1放大镜概述•放大镜又称助视镜，当被观察物体的细节对眼睛的张角小于最小分辩角（1’）时，眼睛便无法分辩其细节，只能借助于目视光学仪器将其放大后再去观察。由此引入视觉放大率。8.2.2放大镜的工作原理图8.2.3视觉放大率•定义：通过目视光学仪器观察物体时，其像对眼睛张角的正切与直接看物体时物体对眼睛张角的正切之比•视放大率是一种主观放大率，不同于前面介绍的三种客观放大率。tgtg'放大镜的视放大率•当人眼直接观察物体时•当人眼通过放大镜观察物体时•视放大率Dylytg'''''''''fylPlflPytg''''''fDlPlftgtg通常D=250mm一般有：当时当时当时'l'fD'fD''fP0'PlD''''''fDlPlftgtg（标称放大率）（眼睛紧贴放大镜）8.2.4放大镜的光束限制•放大镜与人眼组合成一个组合系统•孔径光阑：人眼瞳孔•视场光阑：放大镜•视场光阑与物（像面）不重合，必产生渐晕放大镜的光束限制图A1A2A3放大镜的像方视场角1'(')/'tghaP'/'tghP2'(')/'tghaPK=1.0K=0.5K=0根据像方视场角可计算出物方视场的大小。当像平面在无限远时，y=f’tgw’8.2.5放大镜用作目镜提高放大镜放大率的可能性•一般说，我们将确定为放大镜的视放大率。•放大率取决于焦距，与焦距成反比。当单透镜的焦距不能减小时，放大率受到限制，于是，有了显微镜。'250f8.3显微系统•显微系统的构成•显微镜的成像原理•显微镜的视放大率•显微镜中的光束限制•显微镜的分辨力•显微镜的有效放大率•照明系统8.3.1显微系统的构成•照明系统＋成像系统•成像系统=物镜＋目镜8.3.2显微镜成像系统工作原理8.3.3显微镜的视放大率（一）•人眼直接观察物体•人眼观察显微镜的像•显微镜的视放大率Dylytg显目物目物目目''''''''''fyfyffyfxfyfytg显显'''fDDyfytgtg显微镜的视放大率（二）•显微镜为两次放大，放大率为两次放大的乘积•显微镜实质上就是一个组合的放大镜目目目目'''''fDDyfyDyfytgtg物物'''ffx目目'fD显目物目物'fDffDfDf对显微镜成像的几点分析•物平面应位于物镜的物方焦点到两倍焦距之间，以实现物镜的一级放大。•物平面应位于整个显微镜组合物方焦点以内，并十分靠近物方焦点处，以使得物体经显微镜成像于250MM以外至∞处。•显微镜可以通过调换不同倍率的物镜和目镜，方便迅速地获得显微镜的多种放大率。•显微镜因为有中间实像，能实现对物体的瞄准和测量。8.3.4显微镜的光束限制－孔径光阑•低倍物镜为单组透镜，物镜框为孔径光阑•高倍物镜为多组透镜，后组透镜框为孔径光阑•测量显微镜用物方远心光路，孔径光阑设置在物镜的像方焦平面上•孔径光阑经目镜所成的像即为显微镜的出瞳，观察时，眼瞳要与出瞳重合。•显微镜的光束大小常用NA表示出瞳直径与入射光束的大小及放大率有关显微镜的光束限制－视场光阑•显微镜要求无渐晕，故视场光阑须设置在物镜实像平面上。tgy5002带入8-24，得：8.3.5显微镜的分辨力•显微镜的分辨力取决于光学系统对光的衍射状况。根据瑞利判断，两个相邻像点之间的间隔等于艾里斑的半径时，则能被光学系统分辨。•显微镜的分辨力用所能分辨的物方最小距离表示•NA：数值孔径是光学系统的重要参数NAuna61.0sin61.00.61/'sin'anuununsin'sin'提高显微镜分辨力的可能性•显微镜的分辨力主要取决于显微物镜的数值孔径NA•提高数值孔径的方法是增大孔径角，物方孔径角U最大可达60°~70°，因此，显微物镜属于大孔径系统。•提高数值孔径的另一方法是提高物方空间的折射率，“油浸物镜”便是用于这一目的。（如杉木油或二碘甲烷等），可使数值孔径达到1.5•光学显微镜的极限分辨距约为。λ/3提高显微镜分辨力的可能性•提高显微镜分辨率的另一途径就是用电子束来代替光。根据德布罗意的物质波理论，运动的电子具有波动性，而且速度越快，它的“波长”就越短。•电子显微镜是20世纪最重要的发明之一。由于电子的速度可以加到很高，电子显微镜的分辨率可以达到纳米级（10-9M）。8.3.6显微镜的有效放大率【例题8-1】：如果要求读数显微镜的瞄准精度为0.001MM，求显微镜的放大率。•解：人眼直接观察0.001MM的物体所对应的视角为人眼的视角分辨力为60〃，因此要求显微镜的视放大率为6104250001.0etg7310460'6tgtgtg分析•如果使用10×的目镜，则根据公式可以求得物镜的放大倍数为•由此可知，使用一个8×的显微物镜即能满足要求。3.71073目为了轻松观察，可将实际放大倍率取150×，若目镜放大倍率15×，则应选择物镜10×8.3.7照明系统•临界照明•柯勒照明临界照明（阿贝照明）•光源物面（特点：窗对窗）不均匀•优点：亮度高，结构简单•缺点：照度不均匀把光源的像成在物平面上，可使物体最大程度的接收到光源的照明。柯勒照明•柯勒镜：照明系统的入瞳（瞳对窗）•聚光镜：把孔径光阑成像在显微镜物面上，把视场光阑成像在显微镜入瞳处•物面：显微镜的入窗（窗对瞳）•优点：照度均匀缺点：结构复杂两组镜头构成：照明系统与成像系统的匹配照明系统与成像系统的配合应注意两点：•瞳窗要衔接，这样既能保证物体的照明范围又可以充分利用光能•照明系统必须提供被照物体有足够的孔径角，能满足成像系统的数值孔径，以确保成像系统的性能。8.3.8显微镜应用的拓展•从对物体成像的特点来分，对近距离成像的光学系统都可以归类于显微镜，近代显微镜常在系统中加入其它镜组，以扩大显微镜的功能。无限筒长的显微物镜•优点：物镜和辅助物镜之间是平行光，有利于装配和调整，可以在其间加入棱镜、滤光片和偏振片，而不会引起像点位置的变化及产生双像、叠影等。物镜辅助物镜'''12ffyy焦度计激光共聚焦显微镜显微摄影系统——显微镜与摄影系统组合•摄影物镜直接置于目镜的后方，使目镜所成的虚像，成像在照相底片或CCD上。•摄影物镜直接代替目镜，该目镜称为摄影目镜，为使整个共轭物像距不致于太大，目镜应设计成负光组。数字显微镜•显微物镜的像面上，直接放置CCD接收器，连接到计算机上，还可以对显微镜的图像进行测量和实时处理，图像的大小也可以通过CCD靶面上的象素面积计算出来习题（P.174页第5题）1008.4望远系统•望远系统的组成•望远系统的放大率•望远系统的分类及特点•望远系统的分辨力•望远系统的有效放大率•望远系统的光束限制•望远镜的辅助系统•目镜8.4.1望远系统的组成及工作原理•组成：物镜+目镜•特点：物镜的像方焦点重合于目镜的物方焦点。无焦系统改变目镜位置可以观察近距离物体望远系统的分类•开普勒型特点：目镜焦距为正光组，有中间实像，成倒像结构长•伽利略型特点：目镜焦距为负光组，无中间实像，成正立像结构短开普勒型伽利略型8.4.2望远系统的视觉放大率•人眼直接观察时物体对人眼的张角与物体对仪器的张角相等•望远系统的视放大率等于仪器的角放大率•视放大率还可以表示为目物''''fftgtgtgtg'1DD8.4.3望远镜的分辨力•理论极限分辨角（瑞利判据）•望远镜的分辨力取决于入瞳直径D（MM）Dfunfa22.1''sin'61.0'00140/Dφ=120’’/D(道威判据）有效放大率和工作放大率•有效放大率：是指望远系统的分辨角经放大后也恰能被人眼极限分辨角分辨的放大率，即望远系统的分辨率与人眼分辨率相匹配的放大率。•工作放大率：是指满足人眼极限分辨率2—3倍时的放大率.•相对孔径：D/F’。F’为物镜焦距，D为入瞳直径Γ=60″/φ=D/2.3Γ=D【例题】经纬仪望远镜满足视觉放大率，使用夹线瞄准形式，求望远镜的瞄准精度。解：夹线瞄准形式下眼睛的瞄准精度则望远镜的瞄准精度01a11001'8.4.4望远系统的光束限制•孔径光阑：望远镜的物镜框就是孔径光阑，也是入瞳，出瞳位于目镜像方焦点外侧附近。•视场光阑：物镜像方焦面上的分划板是视场光阑，直径为：或：tgfyo22tgfye22开普勒型和伽利略型光束限制的比较孔径光阑：物镜框眼瞳视场光阑：分划板物镜框（有渐晕）渐晕光阑：目镜视场大小：0''fytg)'(2-2zlLDtg类型：开普勒型伽利略型8.4.5望远镜中的辅助系统——转像系统•透镜转像一般有两种形式，单组正透镜和双组正透镜•棱镜转像透镜转像系统单透镜组转像双透镜组转像棱镜转像系统8.4.6望远镜中的辅助系统