工程光學(xué)第七章

1、1第七章第七章 典型光學(xué)系統(tǒng)典型光學(xué)系統(tǒng)2主 要 內(nèi) 容 一、眼睛及其光學(xué)系統(tǒng) 二、放大鏡 三、顯微鏡系統(tǒng) 四、望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng) 五、目鏡 六、攝影系統(tǒng) 七、投影系統(tǒng)3 7.1 眼睛及其光學(xué)系統(tǒng)眼睛及其光學(xué)系統(tǒng)一、眼睛的構(gòu)造一、眼睛的構(gòu)造4n人眼是與目視光學(xué)系統(tǒng)配合一起使用的，眼睛相當(dāng)于目視光學(xué)系統(tǒng)的光能接收器，它本身相當(dāng)于攝影光學(xué)系統(tǒng)。n人眼光學(xué)系統(tǒng)的模型：f = -17mmf = 23mm簡約眼模型簡約眼模型視網(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(dá)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(zhuǎn)動。5二、眼睛的功能：二、眼睛的

2、功能： 視網(wǎng)膜是由錐狀細(xì)胞和桿狀細(xì)胞組成的視網(wǎng)膜是由錐狀細(xì)胞和桿狀細(xì)胞組成的輻射接收器輻射接收器。 桿狀細(xì)胞桿狀細(xì)胞對光刺激非常敏感，但完全對光刺激非常敏感，但完全不感色不感色； 錐狀細(xì)胞錐狀細(xì)胞的感光能力的感光能力差很多差很多，但對各色光有不同的感受。，但對各色光有不同的感受。 1. 眼睛的適應(yīng)能力（動態(tài)范圍）眼睛的適應(yīng)能力（動態(tài)范圍） 眼睛對空間光亮情況的自動適應(yīng)程度眼睛對空間光亮情況的自動適應(yīng)程度適應(yīng)適應(yīng)。 適應(yīng)分為適應(yīng)分為暗適應(yīng)暗適應(yīng)和和明適應(yīng)明適應(yīng)兩種：兩種： 暗適應(yīng)：暗適應(yīng)：發(fā)生在由明發(fā)生在由明暗時，眼睛的瞳孔放大，敏感度提高，暗時，眼睛的瞳孔放大，敏感度提高，經(jīng)一定時間才能適應(yīng)，

3、約經(jīng)一定時間才能適應(yīng)，約60分鐘后，敏感度達(dá)最大。分鐘后，敏感度達(dá)最大。 明適應(yīng)：明適應(yīng)：適應(yīng)過程較快，幾分鐘即可，但敏感度大大降低。適應(yīng)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(dá)眼睛能感受的光亮變化非常大，可達(dá)1012:1。6 2. 眼睛的調(diào)節(jié)能力眼睛的調(diào)節(jié)能力1） 調(diào)節(jié)：調(diào)節(jié)： 眼睛本能地改變光焦度（焦距）以看清不同遠(yuǎn)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(yuǎn)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，可看清近物；肌肉放松，曲率減小，可看清遠(yuǎn)物。 遠(yuǎn)點：f 23mm； 近點：f 18mm。 眼睛的調(diào)節(jié)能力用能清晰調(diào)

4、焦的極限距離表示，即遠(yuǎn)點距離遠(yuǎn)點距離lr和近點距離近點距離lp 。 令：R=1/ lr ，P=1/lp 。分別為遠(yuǎn)點和近點的會聚度，則調(diào)節(jié)能力為： 72） 眼睛的缺陷及校正：眼睛的缺陷及校正：n明視距離：在閱讀或通過目視光學(xué)儀器觀測物像時，為了工作舒適，習(xí)慣上把物或像置于眼前250mm處，這個距離即為明視距離。n眼睛光學(xué)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(yuǎn)點位于眼前有限遠(yuǎn)處。 由于眼球過長，后焦點位于視網(wǎng)膜之前所致。 校正：加負(fù)透鏡。遠(yuǎn)視眼及校正：遠(yuǎn)點位于眼后有限遠(yuǎn)處。 由于眼球過短，后焦點位于視網(wǎng)膜之后所致。 校正：加正透鏡。8散光及校正：水晶體兩表面不對稱

5、，使細(xì)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：三、眼睛的分辨率： 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：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(xì)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。9四、眼睛的景深：四、眼睛的景深： 1PPPDPDP2PPPDPDP211PPPPDP 222PPPPDP 當(dāng)眼睛調(diào)焦在某一對準(zhǔn)平面時，眼睛不必調(diào)節(jié)能同時看清對準(zhǔn)平面前后某一距離的物體，稱

6、作眼睛的景深眼睛的景深。遠(yuǎn)景和近景到人眼的距離分別為：所以，遠(yuǎn)、近景深度分別為：10五、雙目立體視覺：五、雙目立體視覺：1. 立體視覺：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(yuǎn)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(yuǎn)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(xì)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。AbL112. 立體視覺立體視覺的產(chǎn)生：的產(chǎn)生： n立體視

7、差：不同距離的物體對應(yīng)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。n體視銳度：人眼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(yuǎn)；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。12 7.2 放大鏡放大鏡一、視覺放大率一、視覺放大率n人眼感覺物體的大小取決于其人眼感覺物體的大小取決于其像在視網(wǎng)膜上的大小像在視網(wǎng)膜上的大小，當(dāng)光，當(dāng)光學(xué)系統(tǒng)的焦距一定時，也取決于物對人眼的學(xué)系統(tǒng)的焦距一定時，也取決于物對人眼的張角的大小張角的大小。n物對人眼的視角取決于

8、距離，二者之間成反比。物對人眼的視角取決于距離，二者之間成反比。n目視光學(xué)儀器，可以擴大人眼的視覺能力；目視光學(xué)儀器，可以擴大人眼的視覺能力；其像對人眼的其像對人眼的張角大于人眼直接觀察時物對眼的張角。張角大于人眼直接觀察時物對眼的張角。 視覺放大率視覺放大率：用儀器觀察物體時，視網(wǎng)膜上的像高用儀器觀察物體時，視網(wǎng)膜上的像高yi與人眼與人眼 直接觀察時的視網(wǎng)膜上的像高直接觀察時的視網(wǎng)膜上的像高ye之比。之比。ieytgytg 13ytgpl ytgD由上圖可知：而以眼睛直接觀察時：y DflDy PlPlf 所以，視覺放大率為：式中，D為明視距離，250mm。14（1）在實際使用中，物大致位于

9、物方焦點處：l =0250Dff 25011lPfff （2）有時，人眼把物像調(diào)焦到明視距離： P l =D2501f 一般看書時： P=0二、光束限制與視場二、光束限制與視場 人眼的眼瞳可以作為人眼的眼瞳可以作為孔徑光闌孔徑光闌，也是出瞳；，也是出瞳； 放大鏡的鏡框作為放大鏡的鏡框作為視場光闌視場光闌，既是出射窗有時入射窗。，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的距離P決定。決定。15050022hyf tgP所以，但50漸暈時，物位于物方焦點，則視場為：16 7.3 顯微鏡系統(tǒng)顯微鏡系統(tǒng)一、顯微

10、鏡的組成：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。222pap 17二、顯微鏡的視覺放大率：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0250eetgtgf f 250mmf 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(xué)筒長：物鏡像方焦點到目鏡物方焦點之間的距離。18光學(xué)筒長光學(xué)筒長的選擇：的選擇：n光學(xué)筒長光學(xué)筒長的選擇應(yīng)滿足的選擇應(yīng)滿足

11、齊焦條件齊焦條件 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(yīng)相等，我國規(guī)定軛距）均應(yīng)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。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。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：三、顯微鏡的光束限制： （1）孔徑光闌：）孔徑光闌： 對于單組低倍物鏡，物鏡框就是孔徑光闌；對于單組低倍物鏡，物鏡框就是孔徑光闌； 對于多組復(fù)雜物鏡，最后一組的鏡框作為孔徑光闌；對于多組復(fù)雜物鏡，最后一組的鏡框作為孔徑光闌； 或

12、專門設(shè)置孔徑光闌（在像方焦平面上）。或?qū)ｉT設(shè)置孔徑光闌（在像方焦平面上）。 * * 觀察者的眼瞳一般應(yīng)與出瞳（孔徑光闌經(jīng)目鏡的像觀察者的眼瞳一般應(yīng)與出瞳（孔徑光闌經(jīng)目鏡的像) )重合。重合。19n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 2）視場光闌與視場）視場光闌與視場 視場光闌一般專設(shè)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(yīng)與目鏡的視場角一致，此時，視場為：5002

13、mmtgy所以，視覺放大率越大，物空間的線視場越小。20（3 3）顯微鏡的景深：）顯微鏡的景深：n當(dāng)把顯微鏡調(diào)焦到某一平面時，在對準(zhǔn)平面前后的一定范圍內(nèi)也能成清晰的像，這一范圍稱為顯微鏡的景深。12502nNA 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：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/NA21n所以，顯微鏡的分辨率取決于數(shù)值孔徑NA，與目鏡無關(guān)。n目鏡只是把物鏡的像放大，放大倍

14、率再高也不能把物鏡不能分辨的物體細(xì)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(xì) 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：5001000NANA四、顯微鏡的照明方法：四、顯微鏡的照明方法： 顯微鏡對照明的要求：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）。22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(yīng)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23 7.4 望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)一、一般特性：一、一

15、般特性： 望遠(yuǎn)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(xué)間隙=0。開普勒望遠(yuǎn)鏡開普勒望遠(yuǎn)鏡2401efDfD 伽利略望遠(yuǎn)鏡伽利略望遠(yuǎn)鏡望遠(yuǎn)系統(tǒng)的視覺放大率為：所以，視覺放大率僅取決于結(jié)構(gòu)參數(shù)。目鏡焦距大于6mm，故手持望遠(yuǎn)鏡一般不超過8倍。25二、分辨率及工作放大率：二、分辨率及工作放大率：n望遠(yuǎn)系統(tǒng)的分辨率用極限分辨角表示。 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：n由于人眼的視覺分辨率為60，在增大物鏡口徑以提高望遠(yuǎn)系統(tǒng)分辨率的同時，必須增大望遠(yuǎn)系統(tǒng)的視覺放大率，才能符合人眼分辨率的要求。n視覺放大率和分辨率的關(guān)系為：0140afD

16、0120afD所以，入射光瞳直徑越大，極限分辨率越高。60所以，60 /2.3D為了觀察方便：D26注意：在望遠(yuǎn)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(xì)節(jié)。三、望遠(yuǎn)鏡的視場：三、望遠(yuǎn)鏡的視場： （1）對于開普勒望遠(yuǎn)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。27物方視場角滿足：式中：y為視場光闌的半徑。開普勒望遠(yuǎn)鏡的視場一般不超過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(yuǎn)系統(tǒng)：0/tgyf28n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

17、，又是入射窗。n由于視場光闌與物面不重和，因此，對大視場有漸暈現(xiàn)象。n當(dāng)視場有50%漸暈時，其視場角為：22 ()zDtgLl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(yuǎn)鏡的視覺放大率越高，視場越小。故伽利略望遠(yuǎn)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(yuǎn)鏡成倒像，需加轉(zhuǎn)像裝置，如轉(zhuǎn)像棱鏡； 伽利略望遠(yuǎn)鏡成正像，但無法安裝分劃板，應(yīng)用較少。29 7.5 目鏡目鏡一、目鏡的作用：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(yuǎn)點或明視距離上以供人眼觀察。二、目鏡的主要光學(xué)參數(shù)：二、目鏡的主要光學(xué)參數(shù)： 目鏡是一種小孔徑、大視場、短焦距、

18、光闌在外的光學(xué)系統(tǒng)。其軸上像差不大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜時，較易校正像差。（1）目鏡的視場：一般在4050，廣角目鏡達(dá)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(yīng)大于視度調(diào)節(jié)的深度（適應(yīng)近視、遠(yuǎn)視要求），視度調(diào)節(jié)范圍在5D。30（4）視度調(diào)節(jié)移動量：三、常用的目鏡：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、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。對稱式目鏡、無畸變目鏡、廣角目鏡等。251000efxmm惠更斯目鏡惠更斯目

19、鏡31 7.6 攝影系統(tǒng)攝影系統(tǒng)一、攝影系統(tǒng)：一、攝影系統(tǒng)： 1.攝影系統(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(xué)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(xué)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(xué)系統(tǒng)和信息處理系統(tǒng)等。2.攝影物鏡的光學(xué)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。32( (1) ) 視場視場: :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(guān)系： 遠(yuǎn)景時，像的大小為：yf tg /yyyfx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(guān)系：感光元件框是視場光闌，它決定了像空間的成像范圍。當(dāng)感光元件尺寸一定時，物鏡的視場角取決于焦距的