典型光學系統(tǒng)

1、第七章 典型光學系統(tǒng),主 要 內(nèi) 容,一、眼睛及其光學系統(tǒng) 二、放大鏡 三、顯微鏡系統(tǒng) 四、望遠鏡系統(tǒng) 五、目鏡 六、攝影系統(tǒng) 七、投影系統(tǒng),7.1 眼睛及其光學系統(tǒng),一、眼睛的構造,人眼是與目視光學系統(tǒng)配合一起使用的，眼睛相當于目視光學系統(tǒng)的光能接收器，它本身相當于攝影光學系統(tǒng)。 人眼光學系統(tǒng)的模型,f = -17mm,f = 23mm,簡約眼模型,視網(wǎng)膜上所成的像是倒像，由于神經(jīng)系統(tǒng)的作用，使感覺仍為正立。 人眼的視場達150，但只在視軸周圍68的范圍內(nèi)能清晰識別，其他部分較模糊。觀察物體時，眼球會自動轉動,二、眼睛的功能： 視網(wǎng)膜是由錐狀細胞和桿狀細胞組成的輻射接收器。 桿狀細胞對光刺激

2、非常敏感，但完全不感色； 錐狀細胞的感光能力差很多，但對各色光有不同的感受。 1. 眼睛的適應能力（動態(tài)范圍） 眼睛對空間光亮情況的自動適應程度適應。 適應分為暗適應和明適應兩種： 暗適應：發(fā)生在由明暗時，眼睛的瞳孔放大，敏感度提高，經(jīng)一定時間才能適應，約60分鐘后，敏感度達最大。 明適應：適應過程較快，幾分鐘即可，但敏感度大大降低。 *眼睛能感受的光亮變化非常大，可達1012:1,2. 眼睛的調(diào)節(jié)能力,1） 調(diào)節(jié)： 眼睛本能地改變光焦度（焦距）以看清不同遠近物 體地過程。 在眼球內(nèi)，水晶體到視網(wǎng)膜的距離時不變地，在觀察遠近物 體時，必須自動調(diào)焦來改變水晶體的焦距。肌肉用力，曲率增 大，可看清

3、近物；肌肉放松，曲率減小，可看清遠物。 遠點：f 23mm； 近點：f 18mm。 眼睛的調(diào)節(jié)能力用能清晰調(diào)焦的極限距離表示，即遠點距離 lr和近點距離lp 。 令：R=1/ lr ，P=1/lp 。分別為遠點和近點的會聚度，則調(diào)節(jié)能 力為,2） 眼睛的缺陷及校正,明視距離：在閱讀或通過目視光學儀器觀測物像時，為了工作舒適，習慣上把物或像置于眼前250mm處，這個距離即為明視距離。 眼睛光學系統(tǒng)的后焦點在視網(wǎng)膜上，稱為正常眼；反之，稱為反常眼。 近視眼及校正：遠點位于眼前有限遠處。 由于眼球過長，后焦點位于視網(wǎng)膜之前所致。 校正：加負透鏡。 遠視眼及校正：遠點位于眼后有限遠處。 由于眼球過短，

4、后焦點位于視網(wǎng)膜之后所致。 校正：加正透鏡,散光及校正：水晶體兩表面不對稱，使細光束在兩個主截面 的光線不交于一點。 校正：加圓柱面或雙心圓柱面透鏡。 三、眼睛的分辨率： 眼睛的分辨率：眼睛能分辨開兩個最靠近點的能力。 極限分辨角：剛好能分辨開的二點對眼睛物方節(jié)點所張的 角。分辨率與分辨角成反比。 視網(wǎng)膜上的最小鑒別距離至少等于兩個視神經(jīng)細胞的直徑，約0.006mm。 物體對人眼的張角，稱作視角；人眼能分辨的物點間最小視角，稱作視角鑒別率,四、眼睛的景深,當眼睛調(diào)焦在某一對準平面時，眼睛不必調(diào)節(jié)能同時看清對準平面前后某一距離的物體，稱作眼睛的景深。 遠景和近景到人眼的距離分別為,所以，遠、近景

5、深度分別為,五、雙目立體視覺,1. 立體視覺：對于物體位置的空間分布及對物體的體積感覺。 單目視覺： 單眼觀察物體不能產(chǎn)生立體視覺。 單目對物體遠近的判斷，是通過眼睛（水晶體曲率的變化） 的調(diào)節(jié)產(chǎn)生的。所以，判斷很粗略，不超過5米。 對遠且熟的物體，通過物體的張角來估計； 對非常熟的物體，通過細節(jié)來估計。（經(jīng)驗和想象,雙目視覺：兩眼分別產(chǎn)生一個像，再匯集到大腦稱為一個像。這種印象處于心理和生理,視差角：雙目觀察物點A時，兩眼視軸的夾角,2. 立體視覺的產(chǎn)生,立體視差：不同距離的物體對應不同的視差角，其差異稱為立體視差，簡稱視差。 視差越大，感覺兩物體的縱向深度越大；反之，越小。 體視銳度：人眼

6、能感覺的視差的極限值min。大約10,不能產(chǎn)生體視感覺的幾種情況： 如右圖，C、D兩點的像在右眼重合； 兩物體橫向距離太遠； 物體位于兩眼的垂直平分線上； 兩物體之一為直線，且與兩眼中心 連線平行,7.2 放大鏡,一、視覺放大率 人眼感覺物體的大小取決于其像在視網(wǎng)膜上的大小，當光學系統(tǒng)的焦距一定時，也取決于物對人眼的張角的大小。 物對人眼的視角取決于距離，二者之間成反比。 目視光學儀器，可以擴大人眼的視覺能力；其像對人眼的張角大于人眼直接觀察時物對眼的張角。 視覺放大率：用儀器觀察物體時，視網(wǎng)膜上的像高yi與人眼 直接觀察時的視網(wǎng)膜上的像高ye之比,由上圖可知,而以眼睛直接觀察時,所以，視覺放

7、大率為,式中，D為明視距離，250mm,1）在實際使用中，物大致位于物方焦點處：l,2）有時，人眼把物像調(diào)焦到明視距離： P l =D,一般看書時： P=0,二、光束限制與視場 人眼的眼瞳可以作為孔徑光闌，也是出瞳； 放大鏡的鏡框作為視場光闌，既是出射窗有時入射窗。 所以，物平面的成像范圍（視場）由鏡框、眼瞳及它們之間的距離P決定,所以，但50漸暈時，物位于物方焦點，則視場為,7.3 顯微鏡系統(tǒng),一、顯微鏡的組成： 顯微鏡是由物鏡、目鏡和照明系統(tǒng)三部分組成。 物體經(jīng)顯微鏡的物鏡放大成像后，其像再經(jīng)目鏡放大以 供人眼觀察,二、顯微鏡的視覺放大率,上式中：250mm為明視距離；f0和fe為物鏡、目

8、鏡的焦距； 為物鏡與目鏡的焦點間隔。 顯微鏡的組合焦距為： f f0 fe / ，則,故可以把顯微鏡看作是組合放大鏡,機械筒長：物鏡支承面到目鏡支承面之間的距離； 我國規(guī)定160mm。 光學筒長：物鏡像方焦點到目鏡物方焦點之間的距離,光學筒長的選擇,光學筒長的選擇應滿足齊焦條件 不同焦距或放大率的物鏡，由物平面到像平面的距離（共軛距）均應相等，我國規(guī)定195mm。 物鏡的外殼要求保證經(jīng)物鏡所成的實像面有固定的位置。 目鏡的物方焦平面與物鏡的像面重合。 三、顯微鏡的光束限制： （1）孔徑光闌： 對于單組低倍物鏡，物鏡框就是孔徑光闌； 對于多組復雜物鏡，最后一組的鏡框作為孔徑光闌； 或專門設置孔徑

9、光闌（在像方焦平面上）。 * 觀察者的眼瞳一般應與出瞳（孔徑光闌經(jīng)目鏡的像)重合,出瞳的直徑： 由正弦條件：nysinu = nysinu ，得： D =500NA/ mm 式中：NA = nsinu稱作數(shù)值孔徑，是一個重要參數(shù)。 一般小于眼瞳的直徑，只在低倍時才大于眼瞳直徑。 （2）視場光闌與視場 視場光闌一般專設在物鏡的像方焦平面上。 所以，入射窗與物平面重合，可以觀察到清晰的界限和照度均勻的視場。 視場光闌的大小應與目鏡的視場角一致，此時，視場為,所以，視覺放大率越大，物空間的線視場越小,3）顯微鏡的景深,當把顯微鏡調(diào)焦到某一平面時，在對準平面前后的一定范圍內(nèi)也能成清晰的像，這一范圍稱為

10、顯微鏡的景深,故，顯微鏡的放大率越高、NA越大，景深越小。 景深大小決定顯微鏡的調(diào)焦誤差，景深越大，調(diào)焦誤差越大。 一般顯微鏡的景深最大不超過0.5mm。 四、顯微鏡的分辨率和有效放大率： 分辨率以它所能分辨的兩點之間最小距離表示： 瑞利判據(jù)：=0.61/NA 道威判據(jù)：=0.5/NA,所以，顯微鏡的分辨率取決于數(shù)值孔徑NA，與目鏡無關。 目鏡只是把物鏡的像放大，放大倍率再高也不能把物鏡不能分辨的物體細節(jié)看清。 有效放大率：為充分利用物鏡的分辨率，使被物鏡分辨出的細 節(jié)同時能被眼睛看清，滿足這一條件的放大率。 若眼睛的分辨角距離為：24，照明波長為0.555m，可得,四、顯微鏡的照明方法： 顯

11、微鏡對照明的要求： 足夠的亮度；照明均勻；有一定的孔徑角，且與物鏡相配合；有一定大小的照明范圍（視場,常用的照明方法： 透射光亮視場照明；反射光亮視場照明； 透射光暗視場照明；反射光暗視場照明。 其中，第一種照明方法應用較多，照明方式分為兩種：臨界照明和柯勒照明,臨界照明,柯勒照明,7.4 望遠鏡系統(tǒng),一、一般特性： 望遠鏡的組成：由物鏡和目鏡組成。 物鏡的像方焦點與目鏡的物方焦點重合，光學間隙=0,開普勒望遠鏡,伽利略望遠鏡,望遠系統(tǒng)的視覺放大率為,所以，視覺放大率僅取決于結構參數(shù)。 目鏡焦距大于6mm，故手持望遠鏡一般不超過8倍,二、分辨率及工作放大率,望遠系統(tǒng)的分辨率用極限分辨角表示。

12、對于=0.555m的光線，由瑞利判據(jù)、道威判據(jù)得到的極限分辨角分別為,由于人眼的視覺分辨率為60，在增大物鏡口徑以提高望遠系統(tǒng)分辨率的同時，必須增大望遠系統(tǒng)的視覺放大率，才能符合人眼分辨率的要求。 視覺放大率和分辨率的關系為,所以，入射光瞳直徑越大，極限分辨率越高,所以,為了觀察方便,注意：在望遠系統(tǒng)分辨率一定時，過高的增大視覺放大率，也不會看到更多細節(jié),三、望遠鏡的視場： （1）對于開普勒望遠系統(tǒng)： 物鏡框是孔徑光闌，也是入瞳；出瞳在目鏡以外，與人眼重合；目鏡框是漸暈光闌，一般要求有50的漸暈,物鏡后焦面可放置分劃板，其框為視場光闌,物方視場角滿足,式中：y為視場光闌的半徑。 開普勒望遠鏡的

13、視場一般不超過15，觀察時，眼瞳必須位于出 瞳處，才能觀察到全視場。 （2）對于伽利略望遠系統(tǒng),一般以人眼的瞳孔作為孔徑光闌，又是出瞳；物鏡框為視場光闌，又是入射窗。 由于視場光闌與物面不重和，因此，對大視場有漸暈現(xiàn)象。 當視場有50%漸暈時，其視場角為,式中：L為機械筒長；lz2為眼睛到目鏡的距離,所以，伽利略望遠鏡的視覺放大率越高，視場越小。 故伽利略望遠鏡的視覺放大率一般不大，僅用于劇場、體育場使用,注意：開普勒望遠鏡成倒像，需加轉像裝置，如轉像棱鏡； 伽利略望遠鏡成正像，但無法安裝分劃板，應用較少,7.5 目鏡,一、目鏡的作用： 目鏡的作用類似于放大鏡，把物鏡所成的像放大在人眼的 遠點

14、或明視距離上以供人眼觀察。 二、目鏡的主要光學參數(shù)： 目鏡是一種小孔徑、大視場、短焦距、光闌在外的光學系 統(tǒng)。其軸上像差不大，結構復雜時，較易校正像差。 （1）目鏡的視場：一般在4050，廣角目鏡達6080。 （2）鏡目距：表示出瞳到目鏡后表面的距離。 相對鏡目距：鏡目距與目鏡焦距之比。 （3）工作距l(xiāng)F：目鏡第一面的頂點到其物方焦平面的距離。 一般工作距應大于視度調(diào)節(jié)的深度（適應近視、遠視要求），視度調(diào)節(jié)范圍在5D,4）視度調(diào)節(jié)移動量,三、常用的目鏡： 常用的目鏡有：惠更斯目鏡、冉斯登目鏡、凱涅爾目鏡、 對稱式目鏡、無畸變目鏡、廣角目鏡等,惠更斯目鏡,7.6 攝影系統(tǒng),一、攝影系統(tǒng)： 1.攝

15、影系統(tǒng)的組成： 攝影系統(tǒng)是由攝影物鏡和感光元組成。 感光元包括：感光膠片、CCD傳感器、電子光學變像管、 電視攝像管等。 常見的攝影系統(tǒng)有：照相機、攝影機、顯微照相系統(tǒng)、制版光學系統(tǒng)、航空攝影系統(tǒng)、水下攝影系統(tǒng)、空中偵察系統(tǒng)、測繪光學系統(tǒng)和信息處理系統(tǒng)等。 2.攝影物鏡的光學特性： 攝影系統(tǒng)以攝影物鏡（鏡頭）為主要部件。 主要參數(shù)包括：焦距f、相對孔徑D/f和視場角2,1) 視場:視場的大小由物鏡的焦距和接收器的尺寸決定。 像與焦距的關系： 遠景時，像的大小為,近景時，像的大小為,所以，焦距與像的大小成正比。 接收器尺寸與視場的關系： 感光元件框是視場光闌，它決定了像空間的成像范圍。 當感光元件尺寸一定時，物鏡的視場角取決于焦距的大小。 物在無窮遠時,物在有限遠時,所以，焦距與視場成反比,2) 分辨率: 攝影系統(tǒng)的分辨率取決于物鏡的分辨率和接收器的分辨率。 分辨率是以像平面上單位長度能分辨的線對數(shù)來表示。 設，物鏡的分辨率為NL，接收器的分辨率為Nr,則,由瑞利準則，物鏡的理論分辨率為,取0.555m,所以，相對孔徑（光圈）越大，物鏡的分辨率越高,3) 像面照度: 攝影系統(tǒng)的像面照度取決于相對孔徑。 當物體無限遠時,對于大視場的邊緣照度小于中心照度,所以，可用可變光闌作為孔徑光闌控制相對孔徑的大小， 以改善像面的照度,3.攝影物鏡的景深,由此可