工程光学 第八章 典型光学系统
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工程光学第8章
传统135mm胶片相机 < 20mm 21~35mm 典型的数码相机 < 4.3mm 4.7~7.5mm 视场范围 超广角 广角
50mm
70~200mm
10.7mm
14~43mm
表8-3
普通
远摄
10
8.1.2 摄影物镜的光束限制
在摄影系统中，底片框就是视场光阑。
11
8.1.3 摄影物镜的分辨率
摄影系统的分辨率是以像平面上每毫米内能分辨开的 线对数来表示，其大小取决于物镜的分辨率和接收器的 分辨率。设物镜的分辨率为 N L ，接收器的分辨率是 N r， 按经验公式，系统的分辨率N为
行调焦；
（2）结构上：体积小，质量小； （3）像质：力求达到定焦距物镜的质量。
28
§ 8.2
投影系统
投影系统——被照明的物体，以一定大小倍率成 像在屏幕上的光学系统。
投影系统与摄影系统恰恰相反，如果把摄影系统颠倒 过来使用，就成了投影系统。投影系统的作用是把一平 面物体（如幻灯片或电影正片）放大成一平面实像在一 屏幕上。幻灯机、电影放映机、照相放大机、测量投影 仪、微缩胶片阅读仪等都属于投影系统。
' 7 0 .4 m m ，相对孔径
，2ω=1220，如下图为其结构型式。
F’ H’ f’ lF’
负镜在前，像方主面后移
19
鱼眼镜头
鱼眼镜头又称全景镜头，它是一种超广角镜头， 视场角等于或大于1800，镜头的前镜片突出，犹 如鱼眼。这种镜头的外壳上常刻有“fish—eye”字 样。 圆形
20
D/f′
1:1.4
1:2
1:2.8
1:4
1:5.6
1:8
1:11 1:16 1:22
50mm
70~200mm
10.7mm
14~43mm
表8-3
普通
远摄
10
8.1.2 摄影物镜的光束限制
在摄影系统中，底片框就是视场光阑。
11
8.1.3 摄影物镜的分辨率
摄影系统的分辨率是以像平面上每毫米内能分辨开的 线对数来表示，其大小取决于物镜的分辨率和接收器的 分辨率。设物镜的分辨率为 N L ，接收器的分辨率是 N r， 按经验公式，系统的分辨率N为
行调焦；
（2）结构上：体积小，质量小； （3）像质：力求达到定焦距物镜的质量。
28
§ 8.2
投影系统
投影系统——被照明的物体，以一定大小倍率成 像在屏幕上的光学系统。
投影系统与摄影系统恰恰相反，如果把摄影系统颠倒 过来使用，就成了投影系统。投影系统的作用是把一平 面物体（如幻灯片或电影正片）放大成一平面实像在一 屏幕上。幻灯机、电影放映机、照相放大机、测量投影 仪、微缩胶片阅读仪等都属于投影系统。
' 7 0 .4 m m ，相对孔径
，2ω=1220，如下图为其结构型式。
F’ H’ f’ lF’
负镜在前，像方主面后移
19
鱼眼镜头
鱼眼镜头又称全景镜头，它是一种超广角镜头， 视场角等于或大于1800，镜头的前镜片突出，犹 如鱼眼。这种镜头的外壳上常刻有“fish—eye”字 样。 圆形
20
D/f′
1:1.4
1:2
1:2.8
1:4
1:5.6
1:8
1:11 1:16 1:22
课件工程光学-08典型光学系统.ppt
1.0
0.8
光谱光效率
为什么暗环境下能
0.6
做饭、洗衣，但不
0.4
能描龙绣凤？
0.2
2024/10/8
0.0 400 500 600 700 800
l(nm)
光谱光效率函数曲线
第七章 光度学基础
7
§8.1.5 眼睛的分辨率
眼睛刚能分辨开二个很靠近点的能力称为眼睛的分辨率。 二者成反 比
刚能分辨的二个点对眼睛物方节点的张角称为极限分辨角。
瞄准精度和前面讲到的分辨率是不是一个概念？
瞄准精度随所选取的瞄准标志而异，最高精度可达人眼分辨率的1/6到1/10。
二实线重合 60
2024/10/8
二直线端部对准 叉线对准单线
（10～20）
10
第七章 光度学基础
双线对称夹单线 （5～10）
9
§8.1.7 眼睛的立体视觉
眼睛观察空间物体时，能区别它们的相对远近而具有立体视觉。简称体视。 C
若以50％渐晕点为界来决定线视场2 y
F
2 y 2B2F
f tanW2
f h d
250 f
2 y 500h d
W F
f 眼瞳
W3W2 W1 2a 2h
眼瞳
d
2024/10/8
第七章 光度学基础
14
讨论：
逢年过节，要买放大镜孝敬老人， 该如何选择其放大倍率？
2y h
2y 1
2y 1 d
（2）与照明光谱成份有关：单色光分辨率高（眼睛有色差）； （3）与视网膜上成像位置有关，黄斑处分辨率最高。
对眼睛张角小物体的要借助望远镜或显微镜等仪器，仪器 应有适当的放大率，使能被仪器分辨的也能被眼睛分辨。
第8章：典型光学系统
物体位于明视距离处对人眼的张角放大镜的工作原理
250mm,
r=−
两块密接透镜构成的放大镜
显微镜物镜物平面到像平面的距离称为共轭距。
适用于远视眼的视度调节
适用于近视眼的视度调节
F e
F F e
F
满足齐焦要求：调换物镜后，不需再调焦就能看到像——物镜共轭距不变加反射棱镜、平行平板
望远镜系统的结构
望远镜中的轴外光束走向
'tan '
o y f ω=−
视角放大率：
'tan '
f ω望远镜系统中平行于光轴的光线
(a)
(b)两类望远镜系统中的轴外光束走向(a)开普勒望远镜系统和(b)伽利略望远镜系统
开普勒式望远系统加入场镜的系统
=1:2.8
照相镜头可变光圈
孔径光阑探测器
视场光阑
01.22d λ=
艾里斑Airy disk
2
)实验系统相同，所用光波波长愈短则艾里斑愈小；刚能分辩的两个像点
min
0.15
≈
视觉细胞的直径，约5μm
角距离时人眼还
2mm
显微物镜的分辨率
'σβσ
=显微镜的几何景深
2''
x u δ≈Δ⋅弥散斑。
工程光学：第八章 典型的光学系统
人眼除了能够随物体距离的改变而调节水 晶体的曲率以外，还能在不同亮暗程度的条 件下工作。
一、眼睛的调节和适应
眼睛所能感受的光亮度的变化范围很大， 其比值可达 1012 :1。这是因为眼睛对不同 亮度条件有适应的能力，这种能力称为眼 睛的适应。
适应是一种当周围照明条件发生变化时 眼睛所产生的状态变化过程，可分为对暗 适应和对亮适应两种，前者发生在自光亮 处到黑暗处的时候，后者发生在自黑暗处 到光亮处的时候。
据物理光学中衍射理论的分析可知，其极
限分辨角为 上式中
1.22 （8-3）
D
为物体辐射的波长，D为入瞳直径
三、眼睛的分辨力
若 以秒表示，D用毫米表示，则对波长
为0.00055mm的光而言，眼睛的极限分辨角 为
1.220.00055 206265 140
D
D
（秒）（8-4）
对于眼睛而言，上式中的D就是瞳孔直径，
第三节 显微镜系统
一、显微镜的视觉放大率
图8-7
第三节 显微镜系统
显微镜由物镜和目镜组成，其成像原理 如图8-7所示，它有二次成像过程。首先， 近距离物体经物镜成像在目镜的物方焦点 附近，再经目镜按放大镜的方式成像。
人眼直接在明视距离处观察物体时，有
tge
y 250
人眼通过显微镜观察时，按显微镜系统中
第八章 典型光学系统
安科理学院
第八章 典型光学系统
1
眼睛的光学成像特性
2
放大镜
3
显微镜系统
4
望远镜系统
第八章 典型光学系统
5
目镜
6
摄影系统
7
投影系统
第一节 眼睛的光学成像特性
▪ 一、眼睛的调节和适应 ➢1．视度调节 ➢2．瞳孔调节 ➢3．适应
一、眼睛的调节和适应
眼睛所能感受的光亮度的变化范围很大， 其比值可达 1012 :1。这是因为眼睛对不同 亮度条件有适应的能力，这种能力称为眼 睛的适应。
适应是一种当周围照明条件发生变化时 眼睛所产生的状态变化过程，可分为对暗 适应和对亮适应两种，前者发生在自光亮 处到黑暗处的时候，后者发生在自黑暗处 到光亮处的时候。
据物理光学中衍射理论的分析可知，其极
限分辨角为 上式中
1.22 （8-3）
D
为物体辐射的波长，D为入瞳直径
三、眼睛的分辨力
若 以秒表示，D用毫米表示，则对波长
为0.00055mm的光而言，眼睛的极限分辨角 为
1.220.00055 206265 140
D
D
（秒）（8-4）
对于眼睛而言，上式中的D就是瞳孔直径，
第三节 显微镜系统
一、显微镜的视觉放大率
图8-7
第三节 显微镜系统
显微镜由物镜和目镜组成，其成像原理 如图8-7所示，它有二次成像过程。首先， 近距离物体经物镜成像在目镜的物方焦点 附近，再经目镜按放大镜的方式成像。
人眼直接在明视距离处观察物体时，有
tge
y 250
人眼通过显微镜观察时，按显微镜系统中
第八章 典型光学系统
安科理学院
第八章 典型光学系统
1
眼睛的光学成像特性
2
放大镜
3
显微镜系统
4
望远镜系统
第八章 典型光学系统
5
目镜
6
摄影系统
7
投影系统
第一节 眼睛的光学成像特性
▪ 一、眼睛的调节和适应 ➢1．视度调节 ➢2．瞳孔调节 ➢3．适应
第八章工程光学基础
=90×~100×，NA=1.25～1.4
图e为复消色差物镜，有阴影线的透镜， 是由特殊材料萤石制成， =90×，NA=1.3
图f为平视场复消色差物镜； =40×，NA=0.85
6. 简单显微镜的设计（拼搭） 例1 显＝ 50, 5, 目 10 要求物镜的物象距之和（共轭距）为 180mm。
矫正: 对于近视矫正采用眼前放一负透镜.使 其焦点恰好等于远点距. 对于远视矫正采用眼前放一正透镜.使 其焦点恰好等于远点距.
对于近视眼，配一负透镜f ’=-500mm 的镜片，无穷远物体能清晰的成像在视网膜 上。
镜片规格f ’=-500mm=-0.5米 几何光学中称之为
1 1 2 屈光度的镜片 f' 0.5m
定义：
经仪器后像高对人眼的 张角的正切 不用仪器时物对人眼张 角的正切 ＝视角放大率（视见放 大率）＝
放大镜：
y f '放 250(mm ) y f '放 (mm ) 250
第三节 显微镜系统
为了观察近距离的微小物体，要求光学
系统有较高的视觉放大率，必须采用复杂的
组合光学系统，如显微镜系统。显微镜由物
满足上式的视觉放大率称为显微镜的有 效放大率。 若一显微镜上标明170/0.17;40/0.65，则 表明，显微物镜的放大率为40×，数值孔径 为0.65，适合于机械筒长170mm，物镜是对 玻璃厚度d=0.17mm的玻璃盖板校正像差的。 若要求显微镜的放大率为325×~650×，可以 用10×或15×的目镜。
2. 显微镜的线视场 显微镜的线视场取决于放在目镜前焦面 上的视场光阑的大小，物体经物镜就成像在 视场光阑上。设视场光阑直径为D，则显微 镜的线视场为
2y
图e为复消色差物镜，有阴影线的透镜， 是由特殊材料萤石制成， =90×，NA=1.3
图f为平视场复消色差物镜； =40×，NA=0.85
6. 简单显微镜的设计（拼搭） 例1 显＝ 50, 5, 目 10 要求物镜的物象距之和（共轭距）为 180mm。
矫正: 对于近视矫正采用眼前放一负透镜.使 其焦点恰好等于远点距. 对于远视矫正采用眼前放一正透镜.使 其焦点恰好等于远点距.
对于近视眼，配一负透镜f ’=-500mm 的镜片，无穷远物体能清晰的成像在视网膜 上。
镜片规格f ’=-500mm=-0.5米 几何光学中称之为
1 1 2 屈光度的镜片 f' 0.5m
定义：
经仪器后像高对人眼的 张角的正切 不用仪器时物对人眼张 角的正切 ＝视角放大率（视见放 大率）＝
放大镜：
y f '放 250(mm ) y f '放 (mm ) 250
第三节 显微镜系统
为了观察近距离的微小物体，要求光学
系统有较高的视觉放大率，必须采用复杂的
组合光学系统，如显微镜系统。显微镜由物
满足上式的视觉放大率称为显微镜的有 效放大率。 若一显微镜上标明170/0.17;40/0.65，则 表明，显微物镜的放大率为40×，数值孔径 为0.65，适合于机械筒长170mm，物镜是对 玻璃厚度d=0.17mm的玻璃盖板校正像差的。 若要求显微镜的放大率为325×~650×，可以 用10×或15×的目镜。
2. 显微镜的线视场 显微镜的线视场取决于放在目镜前焦面 上的视场光阑的大小，物体经物镜就成像在 视场光阑上。设视场光阑直径为D，则显微 镜的线视场为
2y
工程光学第八章知识点
第八章典型光学系统●通常把光学系统分为10个大类：（1）望远镜系统（2）显微镜系统（3）摄影系统（4）投影系统（5）计量光学系统（6）测绘光学系统（7）物理光学系统（8）光谱系统（9）激光光学系统（10）特殊光学系统（光电系统、光纤系统等）第一节眼睛的光学成像特性1.眼睛的结构生理学上把眼睛看作一个器官眼睛包括角膜、水晶体、视网膜等部分人眼的光学构造：●角膜：由角质构成的透明的球面薄膜，厚度为0.55mm，折射率为1.3771；●前室：角膜后的空间，充满折射率为1.3774的水状液体；●虹彩：位于前室后，中间有一圆孔，称为瞳孔，它限制了进入人眼的光束口径，可随景物的亮暗随时进行大小调节；●水晶体：由多层薄膜组成的双凸透镜，中间硬外层软，各层折射率不同，中心为1.42，最外层为1.373，自然状态下其前表面半径为10.2mm，后表面半径为6mm，水晶体周围肌肉的紧张和松驰可改变前表面的曲率半径，从而改变水晶体焦距；2.眼睛的视觉特性●应用光学把眼睛看作一个光学系统●人眼对不同波长的光的敏感度不同，就形成了视觉函数●人眼灵敏峰值波长在555nm（黄绿光）3.眼睛的调节和适应1．调节●眼睛成像系统对任意距离的物体自动调焦的过程称为眼睛的调节●眼睛所能看清的最远的点称为“远点”，远点距用lr表示，正常眼lr = ∞●眼睛所能看清的最近的点称为“近点”，近点距用lp表示，正常眼的近点距随年龄而变化●眼睛的调节能力用“视度”来表示，远点视度用R表示，近点视度用P表示：●11r pR Pl l= =（8-2）●视度的单位是“屈光度”，屈光度（D）等于以米为单位的距离的倒数，即1D=1m-1 ●如某人的近点为-0.5m，则用视度表示为P=1/(-0.5)=-2D●眼睛的调节能力A R P=-（8-3）●在正常照明条件下，眼睛观察近物最适宜的距离为-250mm，称为“明视距离”●在明视距离下观察物体，眼睛能长时间工作而不疲劳●年龄超过45岁后，眼睛的近点远于明视距离，这时称为老年性远视眼即老花眼2．适应●眼睛能在不同亮暗条件下观察物体，这种能力称为“适应”●眼睛瞳孔在外界光强变化时能自动改变孔径，白天瞳孔为2mm左右，夜晚为8mm左右●当光线较暗时，杆状细胞取代锥状细胞感光，进一步提高灵敏度●从暗处到亮处称为亮适应，适应较快；从亮处到暗处称为暗适应，需较长时间3.眼睛的缺陷与矫正●正常眼的远点在无限远处，即眼睛光学系统的像方焦点位于视网膜上●对于非正常眼来说，其远点位置发生变化●若远点位于眼前有限远处（lr <0），只能清晰接收发散光束，眼睛的像方焦点位于视网膜之前，称为近视眼●为了使近视眼的人能看清无限远点，须在近视眼前放置一负透镜，负透镜的像方焦点F ’与远点重合● f ’= lr●即负透镜的折光度与眼睛的视度相等●φ = R●折光度的单位为屈光度（D）●同理，若远点位于眼后有限远处（lr >0），只能清晰接收会聚光束，眼睛的像方焦点位于视网膜之后，称为远视眼。
工程光学-第八章-望远系统课件
入射窗和出射窗分别位于系统的物方和像方无限远，
分别与物平面和像平面重合。可消除渐晕。
→ 视场光阑半径
视场大小2 w: tg
F—f.→
10/12/2023
9
五、 望远镜的分辨率、有效和工作放大率
1、望远镜的分辨率
B
影响望远镜分辨率的因素
入瞳衍射效应 各类剩余像差 其它制造缺陷
A
均与物镜部分相关联， 衍射效应是主要因素。
划板大，放大率不能太大。
高斯型主要应用于普通光学自准直仪的光学系统。
10/12/2023
17
、阿贝型自准直平行光管
· 优点：光强度大，亮度损失小，10~15%,适用 于反射面弱，反射面小的情况。
· 缺点：它的一半视场被45 0棱镜遮挡，物镜孔径利 用率不高。
阿贝型应用于光学计的光学系统。
10/12/2023
一般天文望远镜的口径都很大， 世界上最大的天文望远镜在智利， 直径16米。美国最大的望远镜直径 为200英寸。
11
§8-2 望远物镜系统
1、望远物镜的技术参数
焦距 — —参与决定系统的视觉放大率和视场；
通光孔径——影响分辨率和工作放大率；
相对孔径
影响像面亮度和像差大小；
2、望远物镜的种类： (1).折射式；(2).折反式；(3).反射式
18
三、 双分划板型立方棱镜型自准直平行光管
优点： 视场不被遮挡；设置于目镜前面的分划板的 刻化线与自准直像(十字影像)形成反差区别， 便于观测； 目镜焦距短，放大率可以提高。
缺点： 光亮度损失较大，达50~60%。
10/12/2023
19
§8-5 平直度测量仪光路系统
10— 目镜：11一千分螺丝：12—读数鼓轮
第八章 典型光学系统
• 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 y y tg l D • 人眼观察显微镜的像
y' y x' f '物 y f '物 y y tg ' f '目 f '目 f '目 f '目 f '显
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）
100
8.4 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
近视眼
-r
远视眼：
r
散光眼
第一子午面
-r
第二子午面 -r
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 250 MM.
• 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。
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。
柯勒明
两组镜头构成：
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10 7 4.5 2.5
14 (屈光度D)
1
0.25
0
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。
人眼的分辨力
• 明视距离：人眼在近距离工作时的通常 距离 250 mm. • 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力。 • 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。
工程光学
第八章 典型光学系统
第八章 典型光学系统
• 眼睛光学系统 • 放大镜 • 显微系统 • 望远系统 • 投影系统 • 照相系统
第一节
眼睛的光学成像特性
简述 • 眼睛是一个完整的成像光学系统，它可 以独立成像，同时又可以作为目视光学 系统的一个分系统（接收器）。 • 眼睛作为成像系统的工作方式：将实物、 及被光学系统所成的实像、虚像成像在 眼底的视网膜上。
人眼与照相机
• 眼睛如同一只能自动变焦、自动 对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。
眼睛与传统照相机的比较
结 构 与 成 像 眼睛 照相机
角膜和晶状体（相当于一 镜头（相当于一个凸透镜） 个凸透镜）
瞳孔 视网膜（有感光细胞） 缩小、倒立、实像
像距不变，当物距减小 （或增大）时，增大（或 减小）晶状体的曲率以减 小（或增大）焦距，使物 体在视网膜上成清晰的像
光圈 底片（有感光材料） 缩小、倒立、实像
焦距不变，当物距增大 （或减小）时，减小（或 增大）镜头到底片间的距 离，使物体在底片上成清 晰的像
调 节 作 用
人眼的调节（调焦、变焦）
• • • • • • 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：眼睛睫状肌放松后能看清的最远点 远点距：用r表示，近视眼r<0,远视眼r>0 近点：眼睛睫状肌调节后能看清的最近点 近点距：用p表示 调节范围：用A表示
• 人眼直接观察物体
y y tg l D
• 人眼观察显微镜的像
y' y x' f '物 y f '物 y y tg ' f '目 f '目 f '目 f '目 f '显
• 显微镜的视放大率
tg ' y f '显 D tg y D f '显
放大镜的光束限制图
放大镜的像方视场角
K=1.0
tg '1 (h a ') / P '
K=0.5
tg ' h / P '
tg '2 (h a ') / P '
K=0
提高放大镜放大率的可能性
• 一般说，我们将 250 f ' 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。
D出 500 NA
显微镜的光束限制－视场光阑
• 显微镜要求无渐晕成像，因而视场光 阑须设臵在物镜实像平面上 。显微 镜的线视场为
2 y 2 y /
2 y 2 f etg
500 tg 2y
照明系统
• • • • 直接照明 反射式照明 透射照明 聚光镜照明 临界照明 柯勒照明
73 7.3 目 10
• 由此可知，使用一个8×的显微物镜即能 满足要求。
显微镜的有效放大率
• 有效放大率是对设计显微镜提出的技术 要求 • 有效放大率的确定原则： 被显微镜分辨的细节经显微镜放大后 也要能被人眼所分辨。
tg ' 0.0725 / D 0.0725 NA 250NA tg /D 0.61
第三节 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 显微镜的分辨力 显微镜的有效放大率 显微镜中的光束限制 照明系统
显微系统的构成
• 照明系统＋成像系统
• 成像系统= 物镜＋目镜
显微镜成像系统 工作原理
显微镜成像系统工作原理
显微镜的视放大率（一）
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
tg ' y ' f '目 y f '目 D 目 tg y D y D f '目
x' f '物 f '物
D 目 f '目
D D D f 物 f目 f 物 f目 f '显
• 解 人眼直接观察0.001mm的物体所对应 的视角为 0.001 6
tg e 250 4 10
人眼的视角分辨力为60〃，因此要求显 微镜的视放大率为 tg ' tg60"
tg 4 10
6
73
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
巩膜
视轴
简约眼
眼睛简化成一个折射球面的模型称为简约眼
R5.56 R 9.7 n1.0 n1.33
F
F’
折射面曲率半径: 5.56mm 像方介质折射率:1.333 视网膜曲率半径: 9.7mm
物方焦距: -16.7mm 像方焦距: 22.26mm 光焦度: 59.88D
人眼成像的特性
• • • • 实物成实像，倒像 瞳孔大小可根据光的强弱变化1mm～8mm 视场大小：黄斑处6～8°，视网膜120° 人眼的感光域值：10-9勒克斯，相当于 30km处的一支蜡烛光，杆状细胞的作用。 • 人眼的辨色：锥状细胞的作用。
显微摄影系统－
显微镜与摄影系统组合
• 摄影物镜直接臵于目镜的后方，使目镜 所成的虚像，成像在照相底片或CCD上。
临界照明
• 光源 物面（特点：窗对窗）
• 优点：亮度高，结构简单 • 缺点：照度不均匀
柯勒照明
• 光源
• 集光镜
成像系统的入瞳（窗对瞳） 物面（瞳对窗）
• 优点：照度均匀 • 缺点：结构复杂
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。
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。
分辩力和瞄准精度的区别
• 分辨力是对两个相对静止点的分辨能力 • 瞄准精度是对两个相对运动点重合程度的判 断能力。 • 两个概念不同但又相互联系，它们之间有
K
其中K >1，与瞄准方式有关
不同瞄准图案的瞄准精度
60' '
60' '
5 ~ 10' '
10' '
10 ~ 20' '
10' '
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
• 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 tg ' tg
• 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。
放大镜的视放大率
• 当人眼直接观察物体时
y y tg l D
• 当人眼通过放大镜观察物体时
y' f 'l ' y tg ' P'l ' P'l ' f 'n sin u
• NA：数值孔径 是光学系统的重要参数
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。
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。
筒长无限的显微物镜
物镜
辅助物镜
f2 ' y' y f1 '
• 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，而不会引起像点位臵的变化及 产生双像、叠影等。
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。 a 0.61 / n 'sin u '
• 显微镜的分辨力用所能分辨的物方最小距 离表示 a 0.61 0.61 n' sin u'
n sin u NA
正常眼、近视眼、远视眼
近视眼
无穷远的物体成像
14 (屈光度D)
1
0.25
0
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。
人眼的分辨力
• 明视距离：人眼在近距离工作时的通常 距离 250 mm. • 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力。 • 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。
工程光学
第八章 典型光学系统
第八章 典型光学系统
• 眼睛光学系统 • 放大镜 • 显微系统 • 望远系统 • 投影系统 • 照相系统
第一节
眼睛的光学成像特性
简述 • 眼睛是一个完整的成像光学系统，它可 以独立成像，同时又可以作为目视光学 系统的一个分系统（接收器）。 • 眼睛作为成像系统的工作方式：将实物、 及被光学系统所成的实像、虚像成像在 眼底的视网膜上。
人眼与照相机
• 眼睛如同一只能自动变焦、自动 对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。
眼睛与传统照相机的比较
结 构 与 成 像 眼睛 照相机
角膜和晶状体（相当于一 镜头（相当于一个凸透镜） 个凸透镜）
瞳孔 视网膜（有感光细胞） 缩小、倒立、实像
像距不变，当物距减小 （或增大）时，增大（或 减小）晶状体的曲率以减 小（或增大）焦距，使物 体在视网膜上成清晰的像
光圈 底片（有感光材料） 缩小、倒立、实像
焦距不变，当物距增大 （或减小）时，减小（或 增大）镜头到底片间的距 离，使物体在底片上成清 晰的像
调 节 作 用
人眼的调节（调焦、变焦）
• • • • • • 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：眼睛睫状肌放松后能看清的最远点 远点距：用r表示，近视眼r<0,远视眼r>0 近点：眼睛睫状肌调节后能看清的最近点 近点距：用p表示 调节范围：用A表示
• 人眼直接观察物体
y y tg l D
• 人眼观察显微镜的像
y' y x' f '物 y f '物 y y tg ' f '目 f '目 f '目 f '目 f '显
• 显微镜的视放大率
tg ' y f '显 D tg y D f '显
放大镜的光束限制图
放大镜的像方视场角
K=1.0
tg '1 (h a ') / P '
K=0.5
tg ' h / P '
tg '2 (h a ') / P '
K=0
提高放大镜放大率的可能性
• 一般说，我们将 250 f ' 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。
D出 500 NA
显微镜的光束限制－视场光阑
• 显微镜要求无渐晕成像，因而视场光 阑须设臵在物镜实像平面上 。显微 镜的线视场为
2 y 2 y /
2 y 2 f etg
500 tg 2y
照明系统
• • • • 直接照明 反射式照明 透射照明 聚光镜照明 临界照明 柯勒照明
73 7.3 目 10
• 由此可知，使用一个8×的显微物镜即能 满足要求。
显微镜的有效放大率
• 有效放大率是对设计显微镜提出的技术 要求 • 有效放大率的确定原则： 被显微镜分辨的细节经显微镜放大后 也要能被人眼所分辨。
tg ' 0.0725 / D 0.0725 NA 250NA tg /D 0.61
第三节 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 显微镜的分辨力 显微镜的有效放大率 显微镜中的光束限制 照明系统
显微系统的构成
• 照明系统＋成像系统
• 成像系统= 物镜＋目镜
显微镜成像系统 工作原理
显微镜成像系统工作原理
显微镜的视放大率（一）
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
tg ' y ' f '目 y f '目 D 目 tg y D y D f '目
x' f '物 f '物
D 目 f '目
D D D f 物 f目 f 物 f目 f '显
• 解 人眼直接观察0.001mm的物体所对应 的视角为 0.001 6
tg e 250 4 10
人眼的视角分辨力为60〃，因此要求显 微镜的视放大率为 tg ' tg60"
tg 4 10
6
73
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
巩膜
视轴
简约眼
眼睛简化成一个折射球面的模型称为简约眼
R5.56 R 9.7 n1.0 n1.33
F
F’
折射面曲率半径: 5.56mm 像方介质折射率:1.333 视网膜曲率半径: 9.7mm
物方焦距: -16.7mm 像方焦距: 22.26mm 光焦度: 59.88D
人眼成像的特性
• • • • 实物成实像，倒像 瞳孔大小可根据光的强弱变化1mm～8mm 视场大小：黄斑处6～8°，视网膜120° 人眼的感光域值：10-9勒克斯，相当于 30km处的一支蜡烛光，杆状细胞的作用。 • 人眼的辨色：锥状细胞的作用。
显微摄影系统－
显微镜与摄影系统组合
• 摄影物镜直接臵于目镜的后方，使目镜 所成的虚像，成像在照相底片或CCD上。
临界照明
• 光源 物面（特点：窗对窗）
• 优点：亮度高，结构简单 • 缺点：照度不均匀
柯勒照明
• 光源
• 集光镜
成像系统的入瞳（窗对瞳） 物面（瞳对窗）
• 优点：照度均匀 • 缺点：结构复杂
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。
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。
分辩力和瞄准精度的区别
• 分辨力是对两个相对静止点的分辨能力 • 瞄准精度是对两个相对运动点重合程度的判 断能力。 • 两个概念不同但又相互联系，它们之间有
K
其中K >1，与瞄准方式有关
不同瞄准图案的瞄准精度
60' '
60' '
5 ~ 10' '
10' '
10 ~ 20' '
10' '
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
• 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 tg ' tg
• 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。
放大镜的视放大率
• 当人眼直接观察物体时
y y tg l D
• 当人眼通过放大镜观察物体时
y' f 'l ' y tg ' P'l ' P'l ' f 'n sin u
• NA：数值孔径 是光学系统的重要参数
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。
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。
筒长无限的显微物镜
物镜
辅助物镜
f2 ' y' y f1 '
• 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，而不会引起像点位臵的变化及 产生双像、叠影等。
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。 a 0.61 / n 'sin u '
• 显微镜的分辨力用所能分辨的物方最小距 离表示 a 0.61 0.61 n' sin u'
n sin u NA
正常眼、近视眼、远视眼
近视眼
无穷远的物体成像