第十講典型光學(xué)系統(tǒng)詳解課件

2023/7/221第七章

典型光學(xué)系統(tǒng)

絕大多數(shù)光學(xué)系統(tǒng)的作用：成像按照成像接收器的情況眼鏡作為系統(tǒng)的光能接收器，稱為“目視光學(xué)系統(tǒng)”，如：放大鏡、顯微鏡、望遠(yuǎn)鏡等感光底片作為光能接收器，如各類攝像系統(tǒng)，投映系統(tǒng)及放大系統(tǒng)本章的重點(diǎn)：典型光學(xué)系統(tǒng)的成像特性和設(shè)計(jì)要求物鏡及目鏡的結(jié)構(gòu)型式及其主要光學(xué)參數(shù)2023/7/224這類光學(xué)系統(tǒng)是直接擴(kuò)大人眼的視覺(jué)能力的，稱為目視光學(xué)系統(tǒng)

§7-1人眼的光學(xué)特性一、眼睛的結(jié)構(gòu)——成像光學(xué)系統(tǒng)

人眼本身相當(dāng)于攝影光學(xué)系統(tǒng)

在角膜和視網(wǎng)膜之間的生物構(gòu)造均可以看作成像元。2023/7/225人眼的構(gòu)造剖視圖2023/7/226人眼的構(gòu)造剖視圖鞏膜*鞏膜是眼球(~?2.4cm)的第一層保護(hù)膜，白色、不透明、堅(jiān)硬；角膜*角膜是鞏膜的最前端部分，無(wú)色而透明；(曲率半徑約8mm)眼睛內(nèi)的折射主要發(fā)生在角膜上；脈絡(luò)膜*脈絡(luò)膜是眼球的第二層膜，上面有供給眼睛營(yíng)養(yǎng)的網(wǎng)狀微血管；（不透明、使眼內(nèi)成為暗房）2023/7/227人眼的構(gòu)造剖視圖鞏膜角膜脈絡(luò)膜虹膜*虹膜是脈絡(luò)膜的最前端部分，含有色素細(xì)胞，決定眼的顏色；瞳孔*瞳孔是虹膜中間的小孔，隨著外界明亮程度的不同，虹膜肌肉能使瞳孔的直徑在2~8mm范圍內(nèi)變化；它是人眼的孔徑光闌。2023/7/228人眼的構(gòu)造剖視圖鞏膜角膜細(xì)胞，錐狀細(xì)胞直徑約5微米，長(zhǎng)約35微米；桿狀細(xì)胞直徑約2微米脈絡(luò)膜，長(zhǎng)約60微米。它們?cè)诰W(wǎng)膜上的分布式不均勻的。在黃斑中心凹處虹膜瞳孔視網(wǎng)膜*視網(wǎng)膜是眼球的第三層膜，布滿著感光元素，即錐狀細(xì)胞和桿狀是錐狀細(xì)胞的密集區(qū)而沒(méi)有桿狀細(xì)胞，由中心向外，逐漸相對(duì)變化；黃斑中心凹2023/7/229人眼的構(gòu)造剖視圖鞏膜角膜

光脈絡(luò)膜

盲斑是網(wǎng)膜上沒(méi)有感光元素的地方，不能引起光刺激。虹膜瞳孔網(wǎng)膜黃斑中心凹是人眼視覺(jué)最靈敏的地方。視神經(jīng)細(xì)胞晶狀體在虹膜后面，是由兩個(gè)不同曲率的面組成的透明體，

黃斑中心凹神經(jīng)纖維盲斑大腦盲斑晶狀體2023/7/2210人眼的構(gòu)造剖視圖鞏膜角膜率都是不均勻的，由里層到外層逐漸減少，有利于提高脈絡(luò)膜

成像質(zhì)量。晶狀體的平均折射率為1.40，其周圍是睫狀肌虹膜瞳孔網(wǎng)膜似雙凸透鏡，是眼睛光學(xué)系統(tǒng)的成像元件，其密度和折射

能改變晶狀體的表面曲率，使人眼在看遠(yuǎn)近不同的物體時(shí)，黃斑中心凹

盲斑晶狀體2023/7/2211人眼的構(gòu)造剖視圖鞏膜角膜角膜和晶狀體之間的空間稱為前室；充滿1.336的水狀液；脈絡(luò)膜

晶狀體和網(wǎng)膜所包圍的空間稱為后室;充滿1.336的玻狀體虹膜瞳孔網(wǎng)膜總能將像成在網(wǎng)膜上。

黃斑中心凹

盲斑晶狀體前室后室2023/7/2212人眼的構(gòu)造剖視圖鞏膜角膜

脈絡(luò)膜眼睛的像方節(jié)點(diǎn)與中心凹的連線為眼睛的視軸,

在觀察物虹膜瞳孔網(wǎng)膜

體時(shí)眼睛本能地把物體瞄準(zhǔn)在這根軸上。黃斑中心凹

盲斑晶狀體前室后室1.3761.3361.336光軸視軸幾個(gè)概念：盲點(diǎn)：視神經(jīng)進(jìn)入眼球的地方，不引起視覺(jué)。黃斑：在眼球光軸上方附近有一直徑為2mm的黃色區(qū)域中央窩：黃斑中心有一直徑為0.25mm的區(qū)域，視覺(jué)最靈敏。光軸：光學(xué)系統(tǒng)的對(duì)稱軸。視軸：眼球光學(xué)系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)與黃斑中心窩的連線。與光軸的夾角約為5℃。2023/7/2214

眼睛的視場(chǎng)很大，可達(dá)150?，但只有黃斑附近才能清晰識(shí)別，其他部分比較模糊，所以能看清物體的角度范圍為6~8?。

從光學(xué)角度看，眼睛中最主要的是：水晶體、視網(wǎng)膜和瞳孔。眼睛和照相機(jī)很相似，如果對(duì)應(yīng)起來(lái)看：角膜、晶狀體虹膜、瞳孔視網(wǎng)膜物鏡孔徑光闌感光底片2023/7/2215人眼相當(dāng)于一架照相機(jī)，它可以自動(dòng)對(duì)目標(biāo)調(diào)焦照相機(jī)中，正立的人在底片上成倒像，人眼也是成倒像但我們感覺(jué)為什么還是正立的？這是視神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)部作用的結(jié)果。n=1.33n=1.0R=5.56R=9.7簡(jiǎn)約眼眼睛簡(jiǎn)化成一個(gè)折射球面的模型稱為簡(jiǎn)約眼。折射面曲率半徑:5.56mm像方介質(zhì)折射率:1.333視網(wǎng)膜曲率半徑:9.7mm物方焦距:-16.7mm像方焦距:22.26mm光焦度:59.88D人眼光學(xué)系統(tǒng)的模型：f=-17mmf'=23mm簡(jiǎn)約眼模型2023/7/2218

二、眼睛的調(diào)節(jié)及矯正：遠(yuǎn)點(diǎn)：當(dāng)眼睛處于肌肉完全放松時(shí)所能看清最遠(yuǎn)的點(diǎn)稱為遠(yuǎn)點(diǎn),用r表示。眼睛成像系統(tǒng)對(duì)任意距離的物體自動(dòng)調(diào)焦的過(guò)程稱為眼睛的調(diào)節(jié)。近點(diǎn)：當(dāng)眼睛處于肌肉最緊張時(shí)所能看清的最近點(diǎn)稱為近點(diǎn)，用p表示。眼睛的焦距變化18mm-23mm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(yuǎn)點(diǎn)距離lr和近點(diǎn)距離lp。其倒數(shù)R=1/lr，P=1/lp分別表示遠(yuǎn)點(diǎn)和近點(diǎn)的發(fā)散度(會(huì)聚度)，單位為屈光度(D)。1D為100度。調(diào)節(jié)能力A、R、P的單位是屈光度（D），眼睛在不同年齡時(shí)的調(diào)節(jié)能力和調(diào)節(jié)范圍年齡1020304050607080近點(diǎn)距(cm)-7-10-14-22-40-20010040遠(yuǎn)點(diǎn)距（cm)2008040A=R-P(屈光度)141074.52.510.250視度：非正常眼的程度，用遠(yuǎn)點(diǎn)距離的倒數(shù)表示。單位為屈光度(D)。1D為100度。例：遠(yuǎn)點(diǎn)為2m的近視眼，所需眼鏡的光焦度為-0.5D，即50度。光焦度明視距離是指正常的眼睛在正常照明(50lx)下的工作距離，為250mm眼睛的缺陷及校正：)(5.01211'1'11--=￥---=-==mllff這里必須指出，近點(diǎn)距離并不是明視距離

例：一個(gè)人的眼睛遠(yuǎn)點(diǎn)距為眼前0.2m，應(yīng)配何種眼鏡？多少度的近視眼鏡？光焦度將遠(yuǎn)點(diǎn)恢復(fù)到無(wú)窮遠(yuǎn)：即應(yīng)配-500度的近視眼鏡。例：已知遠(yuǎn)視眼的近點(diǎn)距離為眼前1.25m,應(yīng)配多少度的眼鏡，才能將近點(diǎn)矯正到250mm處？24三、眼睛的功能—輻射接收器：

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。

桿狀細(xì)胞對(duì)光刺激非常敏感，但完全不感色；

錐狀細(xì)胞的感光能力差很多，但對(duì)各色光有不同的感受。

1.眼睛的適應(yīng)能力（動(dòng)態(tài)范圍）

眼睛對(duì)空間光亮情況的自動(dòng)適應(yīng)程度——適應(yīng)。適應(yīng)分為暗適應(yīng)和明適應(yīng)兩種：暗適應(yīng)：發(fā)生在由明→暗時(shí)，眼睛的瞳孔放大，敏感度提高，經(jīng)一定時(shí)間才能適應(yīng)，約60分鐘后，敏感度達(dá)最大。明適應(yīng)：適應(yīng)過(guò)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)1012:1。眼睛的適應(yīng)對(duì)各種光亮環(huán)境的適應(yīng)能力，亮度比可達(dá)1012:1光譜光效率函數(shù)曲線4005006007008000.00.20.40.60.81.0光譜光效率l(nm)亮適應(yīng)：暗處到明處，過(guò)程很快，幾分鐘；暗適應(yīng)：明處到暗處，過(guò)程較慢，極限60分鐘。為什么暗環(huán)境下能做飯、洗衣，但不能描龍繡鳳？錐狀細(xì)胞：感受強(qiáng)光，對(duì)555nm最靈敏；桿狀細(xì)胞：感受微光敏銳，對(duì)510nm最靈敏，但分辨細(xì)節(jié)能力差因此，在黃昏視覺(jué)下，光譜敏感度曲線向短波方向偏移，稱波涅金效應(yīng)實(shí)物成實(shí)像，倒像瞳孔大小可根據(jù)光的強(qiáng)弱變化1mm～8mm。視場(chǎng)大?。狐S斑處6～8°，視網(wǎng)膜120°人眼的感光域值：10-9勒克斯，相當(dāng)于30km處的一支蠟燭光，桿狀細(xì)胞的作用。人眼的辨色：錐狀細(xì)胞的作用。人眼成像的特性2023/7/2227四、眼睛的分辨率眼睛剛能分辨最靠近兩相鄰點(diǎn)的能力稱為眼睛的分辨率，又稱視覺(jué)敏銳度。剛能分辨的二個(gè)點(diǎn)對(duì)眼睛物方節(jié)點(diǎn)的張角稱為極限分辨角。二者成反比視網(wǎng)膜上的最小鑒別距離至少等于兩個(gè)視神經(jīng)細(xì)胞的直徑，約0.006mm。物體對(duì)人眼的張角，稱作視角；人眼能分辨的物點(diǎn)間最小視角，稱作視角鑒別率ε。視覺(jué)敏銳度設(shè)計(jì)目視光學(xué)儀器時(shí)應(yīng)注意：Φ×τ=ε被觀察物體所需的分辨率光學(xué)系統(tǒng)的放大率眼睛分辨率2023/7/2229目視光學(xué)儀器視度調(diào)節(jié)人眼的視覺(jué)缺陷可以在眼前加以透鏡可以矯正目視光學(xué)儀器要適應(yīng)不同視力的人使用為此，目鏡可以改變其前后的位置，使儀器所成的像不再位于無(wú)限遠(yuǎn)，而位于目鏡的前方或后方一定的位置這就是目視光學(xué)儀器的視度調(diào)節(jié)2023/7/2230經(jīng)常需要將一條直線重合到另一條直線，但是，要使兩條直線完全重合是不可能的眼睛雖具有發(fā)現(xiàn)一個(gè)平面上兩根平行直線的不重合能力，但也有一定的限度這個(gè)不重合限度的極限值稱為人眼的瞄準(zhǔn)精度。人眼的瞄準(zhǔn)精度一般用角度值來(lái)表示五、眼睛的對(duì)準(zhǔn)精度2023/7/2231即兩線寬的幾何中心線對(duì)人眼的張角小于某一角度值α?xí)r，雖然還存在著不重合，但眼睛已經(jīng)認(rèn)為是完全重合的，這時(shí)α角度值即為人眼瞄準(zhǔn)精度。人眼對(duì)于線條的變形或兩條線錯(cuò)開(kāi)造成的外形變化或比較兩條線寬的變化具有很高的靈敏度。人眼通過(guò)兩物的比較發(fā)現(xiàn)它們外形變化的能力比分辨它們要強(qiáng)得多。

測(cè)量工作中，為了讀數(shù)，常常采用某種標(biāo)志對(duì)目標(biāo)進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)或重合，這種重合或?qū)?zhǔn)的過(guò)程，就稱為瞄準(zhǔn)。而由于受人眼分辨率的限制，把兩根線完全重合是不可能的，偏離于完全重合的程度就稱為瞄準(zhǔn)精度。瞄準(zhǔn)精度隨所選取的瞄準(zhǔn)標(biāo)志而異，最高精度可達(dá)人眼分辨率的1/6到1/10。瞄準(zhǔn)精度和前面講到的分辨率是不是一個(gè)概念？六、眼睛的景深：

當(dāng)眼睛調(diào)焦在某一對(duì)準(zhǔn)平面時(shí)，眼睛不必調(diào)節(jié)能同時(shí)看清對(duì)準(zhǔn)平面前后某一距離的物體，稱作眼睛的景深。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：七、雙目立體視覺(jué)：1.

立體視覺(jué)：對(duì)于物體位置的空間分布及對(duì)物體的體積感覺(jué)。

①單目視覺(jué)：

單眼觀察物體不能產(chǎn)生立體視覺(jué)。

單目對(duì)物體遠(yuǎn)近的判斷，是通過(guò)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(guò)5米。對(duì)遠(yuǎn)且熟的物體，通過(guò)物體的張角來(lái)估計(jì)；對(duì)非常熟的物體，通過(guò)細(xì)節(jié)來(lái)估計(jì)。（經(jīng)驗(yàn)和想象）

②雙目視覺(jué)：兩眼分別產(chǎn)生一個(gè)像，再匯集到大腦稱為一個(gè)像。這種印象處于心理和生理。視差角：雙目觀察物點(diǎn)A時(shí)，兩眼視軸的夾角。

立體視差：不同距離的物體對(duì)應(yīng)不同的視差角，其差異稱為立體視差，簡(jiǎn)稱視差。視差越大，感覺(jué)兩物體的縱向深度越大；反之，越小。體視銳度：人眼能感覺(jué)的視差的極限值Δθmin。大約10"。

不能產(chǎn)生體視感覺(jué)的幾種情況：①如右圖，C、D兩點(diǎn)的像在右眼重合；②兩物體橫向距離太遠(yuǎn)；③物體位于兩眼的垂直平分線上；④兩物體之一為直線，且與兩眼中心連線平行。2.立體視覺(jué)的產(chǎn)生：一、視覺(jué)放大率人眼感覺(jué)物體的大小取決于其像在視網(wǎng)膜上的大小，當(dāng)光學(xué)系統(tǒng)的焦距一定時(shí)，也取決于物對(duì)人眼的張角的大小。物對(duì)人眼的視角取決于距離，二者之間成反比。目視光學(xué)儀器，可以擴(kuò)大人眼的視覺(jué)能力；其像對(duì)人眼的張角大于人眼直接觀察時(shí)物對(duì)眼的張角。視覺(jué)放大率：用儀器觀察物體時(shí)，視網(wǎng)膜上的像高y'i與人眼直接觀察時(shí)的視網(wǎng)膜上的像高y'e之比?！?-2放大鏡由上圖可知：而以眼睛直接觀察時(shí)：所以，視覺(jué)放大率為：式中，D為明視距離，250mm。（1）在實(shí)際使用中，物大致位于物方焦點(diǎn)處：l'

=∞（2）有時(shí)，人眼把物像調(diào)焦到明視距離：

P'

－l'=D一般看書時(shí)：

P'=0（3）常用放大鏡。倍率一般為2.5-25倍。單透鏡作為放大鏡，一般不超過(guò)3倍。二、光束限制與視場(chǎng)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(chǎng)光闌，既是出射窗有時(shí)入射窗。所以，物平面的成像范圍（視場(chǎng)）由鏡框、眼瞳及它們之間的距離P‘決定。所以，但50％漸暈時(shí)，物位于物方焦點(diǎn)，則視場(chǎng)為：討論：該如何選擇其放大倍率？線視場(chǎng)放大鏡半徑放大倍率人眼與放大鏡的距離常用的放大鏡，倍率在2.5～25×。單透鏡作放大鏡，通常不超過(guò)3×。

§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。

1.成像原理物鏡＋目鏡

眼睛通過(guò)目鏡看到的不是物體本身，而是物體被物鏡所成的像。因此，目鏡的成像光束是被物鏡限制了的。二、視覺(jué)放大倍率系統(tǒng)的組合焦距顯微鏡是一個(gè)復(fù)雜的放大鏡機(jī)械筒長(zhǎng)：物鏡支承面到目鏡支承面之間的距離；我國(guó)規(guī)定160mm。光學(xué)筒長(zhǎng)：物鏡像方焦點(diǎn)到目鏡物方焦點(diǎn)之間的距離Δ。共軛距：通用顯微鏡從物平面到像平面的距離。3.

顯微鏡的機(jī)構(gòu)物鏡：通過(guò)旋轉(zhuǎn)式轉(zhuǎn)換器接到鏡筒的下端面目鏡：插入式滿足齊焦要求：調(diào)換物鏡后，不需要調(diào)焦就能看到像。什么是齊焦要求？設(shè)計(jì)顯微鏡時(shí)的要求：光學(xué)筒長(zhǎng)Δ的選擇應(yīng)滿足齊焦條件

（1）物鏡調(diào)換后，像面不動(dòng)，物面不動(dòng)——物鏡共軛距不變（195mm)；（2）物鏡像面即目鏡前焦面不動(dòng)——在上端面以下10mm處；（3）機(jī)械筒長(zhǎng)：上下端面之間的距離（160mm），有的顯微鏡機(jī)械筒長(zhǎng)可調(diào)調(diào)換物鏡（目鏡）后微調(diào)焦不可避免，故還必須有微動(dòng)機(jī)構(gòu)（4)物鏡的外殼要求保證經(jīng)物鏡所成的實(shí)像面有固定的位置。4.

顯微鏡與放大鏡的比較（1）具有更大的放大率，二次放大；（2）人眼離物面較遠(yuǎn)，使用方便；（3）物鏡和目鏡可調(diào)換，從而得到多種放大率；（4）具有中間實(shí)像面，可放置分劃板，用于測(cè)量（構(gòu)成測(cè)微目鏡）（5）通過(guò)目鏡的離焦，可把微小物體經(jīng)二次放大以后的實(shí)像顯示出來(lái)。三、顯微鏡的光束限制：

（1）孔徑光闌：對(duì)于單組低倍物鏡，物鏡框就是孔徑光闌；對(duì)于多組復(fù)雜物鏡，最后一組的鏡框作為孔徑光闌；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)重合。出瞳的直徑：由正弦條件：nysinu

=n'y'sinu'，得：

D'=500NA/Γ

mm

式中：NA=nsinu稱作數(shù)值孔徑，是一個(gè)重要參數(shù)。一般小于眼瞳的直徑，只在低倍時(shí)才大于眼瞳直徑。