工程光学第七章典型光学系统
第七章典型光学系统ppt课件
通用显微镜物镜从物平面到像平面的距离（共轭距），不论放大 率如何都是相等的，约为180mm；对生物显微镜，我国规定为 195mm。 把物镜和目镜取下后，所剩的镜筒长度称为机械筒长，也是固定 的，有160mm、170mm、190mm 。我国以 160mm作为物 镜目镜定位面的标准距离。
二、显微镜的线视场
当物在 无限远( =0) E
1 L
4 23
D2 f 2
对大视场物镜，其视场边缘的照度要比视场中心小很多。
EM E cos4 w
表明：感光底片上的照度分布极不均匀。同一次暴光中， 可能中心过度，边缘不足。一般通过采用可变光阑（光圈 ）来控制孔径光阑的大小。使用者根据天气选择。 国标规定F数为：1，1.4，2，2.8，4，5.6，8，11，16， 22，32。 像面照度E′与暴光时间t的乘积为暴光量。若F提高一档，则 暴光时间增加一倍，才能保证暴光量不变。
照明聚 光镜
大孔径聚 光镜
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折反式 聚光镜
三、对投影系统的要求 ①物面照明要尽可能均匀以保证像面照度的均匀性。 ②接收屏上的实像要有足够的亮度。 ③成像质量良好。 ④有的投影系统（光刻）对畸变有极高要求。
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DVD/CD激光头
31
32
被测件 全息球面透镜
准直透镜 反射镜
聚焦光学点
音圈马达 分光镜
常有：电影放映机、幻灯机、测量投影仪、光刻投影系统 、多媒体投影仪、微缩胶片阅读仪等。 二、投影系统中的照明系统 由于像面的照度与放大率的平方成正比，而投影系统的放 大率一般较大，尤其在反射照明时大部分光能损失掉，因28
此，要提高像面的照度，需选用强光源照明，或增加光 源数目，增大聚光镜口径，并且让照明系统提供的光能 量全部进入成像系统。 为实现物面均匀照明，采用柯勒照明方式。测量投影仪 器采用物方远心光路以保证测量精度，故照明系统也应 采用像方远心光路与之相衔接。
典型光学系统-工程光学
5）景深公式及其影响原因：
2a, P, f’
6）摄影物镜旳种类：（5种）
一般、大孔径、广角、远摄、变焦距
7
8. 有关投影系统：
1）系统旳基本要求（像差、照明） 2）主要光学参数（4个 ：f ' 2' D）
f'
3）其照明系统旳衔接条件（2条）
8
第七章 经典光学系统
1.正常眼、近视眼和远视眼旳定义和特征是 什么？应怎样校非正常眼？调整能力旳计 算公式是什么？ 2.什么是视觉放大率？体现式及其意义？它 与光学系统旳角放大率有何异同？
y'i l' tg' tg' y'e l' tg tg
1
3.放大镜旳视觉放大率为何？（注意条件）
0＝D/f '＝250/f '
2）摄影物镜旳3个主要参数及其影响作用：
焦距f ’（像旳大小）、相对孔径D/f ’（像面 照度、辨别率）和视场角2（成像旳范围）
3）辨别率公式：1/N＝1/NL＋1/Nr
NL＝1/σ＝D/1.22λf ’
6
4）光圈旳定义及其与孔径光阑、辨别率、 像面照度、景深旳关系： 光圈数：F＝f’/D， 光圈F, 光圈2a,光圈
500NA/Г
3
5）物镜旳辨别率： a 0.61 0.61
n sin u NA
6）显微镜旳有效放大率：500NA≤Г≤1000NA
7）物镜旳景深：NA,
8）视度调整：x
Nf
'
2 e
5f
'
2 e
(mm)
1000 1000
5. 临界照明和坷拉照明中旳光瞳衔接关系？
第七章典型光学系统_工程光学 ppt课件
0＝D/f '＝250/f '
＝2501 P' f' f'
第七章典型光学系统_工程光学
3
4. 关于显微镜系统：
1）组成（光学结构特点）、成像关系、
光束限制（生物显微镜和测量显微镜）
2）视觉放大率公式： ttg g' f2'05f '0 e e Г＝250/f '
3）线视场公式：
50tg0' 50tg0'
4）有效分辨率和第七工章典作型光分学系辨统_工率程光：学
6
7. 关于摄影系统：
1）组成（光学结构特点）、成像关系、
光束限制
2）摄影物镜的3个主要参数及其影响作用：
焦距f ’（像的大小）、相对孔径D/f ’（像面照度、分 辨率）和视场角2（成像的范围）
3）分辨率公式：1/N＝1/NL＋1/Nr
NL＝1/σ＝D/1.22λf ’
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4）光圈的定义及其与孔径光阑、分辨率、 像面照度、景深的关系： 光圈数：F＝f’/D， 光圈F, 光圈2a,光圈
分辨率，光圈像面照度 ，光圈 景深
5）景深公式及其影响因素：
2a, P, f’
6）摄影物镜的种类：（5种）
普通、大孔径、广角、远摄、变焦距
第七章典型光学系统_工程光学
第七章典型光学系统_工程光学
第七章 典型光学系统
1.正常眼、近视眼和远视眼的定义和特征是什 么？应如何校正非正常眼？调节能力的计算 公式是什么？
2.什么是视觉放大率？表达式及其意义？它与
光学系统的角放大率有何异同？
y'i l'tg' tg' y'e l'tg tg
工程光学习题参考答案第七章典型光学系统
⼯程光学习题参考答案第七章典型光学系统第七章典型光学系统1．⼀个⼈近视程度是D 2-（屈光度），调节范围是D 8，求：（1）远点距离；（2）其近点距离；（3）配戴100度近视镜，求该镜的焦距；（4）戴上该近视镜后，求看清的远点距离；（5）戴上该近视镜后，求看清的近点距离。
解：① 21-==rl R )/1(m ∴ m l r 5.0-=②P R A -= D A 8= D R 2-= ∴D A R P 1082-=--=-=m P l p 1.01011-=-== ③fD '=1∴m f 1-=' ④D D R R 1-=-='m l R1-=' ⑤P R A '-'= D A 8= D R 1-='D A R P 9-=-'='m l P11.091-=-=' 2．⼀放⼤镜焦距mm f 25='，通光孔径mm D 18=，眼睛距放⼤镜为mm 50，像距离眼睛在明视距离mm 250，渐晕系数为%50=k ，试求（1）视觉放⼤率；（2）线视场；（3）物体的位置。
eye已知：放⼤镜 mm f 25=' mm D 18=放 mm P 50=' mm l P 250='-'%50=K求：①Γ② 2y ③l 解：①fDP '-'-=Γ1 25501252501250-+=''-+'=f P f 92110=-+=②由%50=K 可得： 18.050*2182=='='P D tg 放ωωωtg tg '=Γ∴02.0918.0==ωtg Dytg =ω∴mm Dtg y 502.0*250===ω∴mm y 102= ⽅法⼆：18.0='ωtg mm tg y 45*250='='ω mm l 200-=' mm fe 250='mm l 2.22-= yy l l X '==='=92.22200β mm y 102=③ l P D '-'= mm D P l 20025050-=-=-'='f l l '=-'11125112001=--l mm l 22.22-=3．⼀显微镜物镜的垂轴放⼤率为x3-=β，数值孔径1.0=NA ，共扼距mm L 180=，物镜框是孔径光阑，⽬镜焦距mm f e 25='。
光学第7章_典型光学系统
镜 头
快门速度（Shutter Speed） 快门是控制曝光时间长短的装置(机械或电子)。一般 从 1/8000秒到30秒之间不等。
光圈快门及其相互关系 光圈是相机镜头中的可以改变中间孔的大小的 机械装置，快门是控制曝光时间长短的装置。 二者结合，共同控制曝光量。
将近点校正到250mm处： 光焦度
1 1 1 1 1 3.2(m 1 ) 3.2( D) f ' l ' l 1.25 0.25
即应配 320 度的眼镜。
三、眼睛的分辨率 人眼能分辨两像点间的最小距离=视神经细 胞的直径——分辨能力。 当两像点落在同一视觉细胞上时，人眼无法 分辨；但当两像点距离大于等于细胞直径时， 两像点不可能落在相邻细胞上，则眼睛可分辨
五、远心光路
显微系统用于测量尺寸时，视场光阑处常 放分划板，调焦使被测物的像与之重合。
调焦不准带来测量误差。 孔径光阑位于物镜像方焦平面上：物方远心光路
远心成像镜头
第四节
望远镜系统
望远镜是为了看清楚远处物体。
倒立像
视觉放大率：
对于开普勒望远镜：
tg ' tg f0 ' D / D' fe '
望远镜的物距几乎是无限大，实用中调节物距是无效 的．故我们可以调节物镜和目镜的间距，使物镜的像 正好落在目镜的焦平面上．
第六节 摄影系统
一、摄影物镜的光学特性 1.视场 成像范围
2.分辨率 像平面上每mm内能分辨开的线对数。 NL = 1475 D/f’ = 1475/F F = f’/D 物镜的光圈数
工程光学习题参考答案第七章 典型光学系统
第七章 典型光学系统1．一个人近视程度是D 2-（屈光度），调节范围是D 8，求： （1）远点距离； （2）其近点距离；（3）配戴100度近视镜，求该镜的焦距； （4）戴上该近视镜后，求看清的远点距离； （5）戴上该近视镜后，求看清的近点距离。
解： ① 21-==rl R )/1(m ∴ m l r 5.0-=②P R A -= D A 8= D R 2-= ∴D A R P 1082-=--=-=m P l p 1.01011-=-== ③fD '=1∴m f 1-=' ④D D R R 1-=-='m l R1-=' ⑤P R A '-'= D A 8= D R 1-='D A R P 9-=-'='m l P11.091-=-=' 2．一放大镜焦距mm f 25='，通光孔径mm D 18=，眼睛距放大镜为mm 50，像距离眼睛在明视距离mm 250，渐晕系数为%50=k ，试求（1） 视觉放大率；（2）线视场；（3）物体的位置。
eye已知：放大镜 mm f 25=' mm D 18=放 mm P 50=' mm l P 250='-'%50=K求：① Γ ② 2y ③l 解：①fDP '-'-=Γ1 25501252501250-+=''-+'=f P f 92110=-+=②由%50=K 可得： 18.050*2182=='='P D tg 放ω ωωtg tg '=Γ ∴02.0918.0==ωtg Dytg =ω ∴mm Dtg y 502.0*250===ω ∴mm y 102= 方法二：18.0='ωtg mm tg y 45*250='='ω mm l 200-=' mm fe 250='mm l 2.22-= yy l l X '==='=92.22200β mm y 102=③ l P D '-'= mm D P l 20025050-=-=-'='f l l '=-'11125112001=--l mm l 22.22-=3．一显微镜物镜的垂轴放大率为x3-=β，数值孔径1.0=NA ，共扼距mm L 180=，物镜框是孔径光阑，目镜焦距mm f e 25='。
工程光学第七章
500NA 1000NA
四、显微镜的照明方法：
显微镜对照明的要求： ①足够的亮度；②照明均匀；③有一定的孔径角，且与物 镜相配合；④有一定大小的照明范围（视场）。
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常用的照明方法： ①透射光亮视场照明；②反射光亮视场照明； ③透射光暗视场照明；④反射光暗视场照明。 其中，第一种照明方法应用较多，照明方式分为两种：临界 照明和柯勒照明。
D tg 2( L lz 2 )
式中：L为机械筒长；l'z2为眼睛到目镜的距离。 所以，伽利略望远镜的视觉放大率越高，视场越小。 故伽利略望远镜的视觉放大率一般不大，仅用于剧场、体育 场使用。 注意：开普勒望远镜成倒像，需加转像装臵，如转像棱镜； 伽利略望远镜成正像，但无法安装分划板，应用较少。
适应分为暗适应和明适应两种：
暗适应：发生在由明→暗时，眼睛的瞳孔放大，敏感度提高， 经一定时间才能适应，约60分钟后，敏感度达最大。 明适应：适应过程较快，几分钟即可，但敏感度大大降低。 *眼睛能感受的光亮变化非常大，可达1012:1。
5
2. 眼睛的调节能力
1） 调节： 眼睛本能地改变光焦度（焦距）以看清不同远近物 体地过程。 在眼球内，水晶体到视网膜的距离时不变地，在观察远近物 体时，必须自动调焦来改变水晶体的焦距。肌肉用力，曲率增 大，可看清近物；肌肉放松，曲率减小，可看清远物。
远点：f '≈23mm； 近点：f '≈18mm。
眼睛的调节能力用能清晰调焦的极限距离表示，即远点距离 lr和近点距离lp 。 令：R=1/ lr ，P=1/lp 。分别为远点和近点的会聚度，则调节能 力为：
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2） 眼睛的缺陷及校正：
明视距离：在阅读或通过目视光学仪器观测物像时，为了 工作舒适，习惯上把物或像臵于眼前250mm处，这个距离 即为明视距离。 眼睛光学系统的后焦点在视网膜上，称为正常眼；反之， 称为反常眼。
工程光学习题参考答案第七章 典型光学系统
第七章 典型光学系统1．一个人近视程度是D 2-（屈光度），调节范围是D 8，求： （1）远点距离； （2）其近点距离；（3）配戴100度近视镜，求该镜的焦距； （4）戴上该近视镜后，求看清的远点距离； （5）戴上该近视镜后，求看清的近点距离。
解： ① 21-==rl R )/1(m ∴ m l r 5.0-=②P R A -= D A 8= D R 2-= ∴D A R P 1082-=--=-=m P l p 1.01011-=-== ③fD '=1∴m f 1-=' ④D D R R 1-=-='m l R1-=' ⑤P R A '-'= D A 8= D R 1-='D A R P 9-=-'='m l P11.091-=-=' 2．一放大镜焦距mm f 25='，通光孔径mm D 18=，眼睛距放大镜为mm 50，像距离眼睛在明视距离mm 250，渐晕系数为%50=k ，试求（1） 视觉放大率；（2）线视场；（3）物体的位置。
eye已知：放大镜 mm f 25=' mm D 18=放 mm P 50=' mm l P 250='-'%50=K求：① Γ ② 2y ③l 解：①fDP '-'-=Γ1 25501252501250-+=''-+'=f P f 92110=-+=②由%50=K 可得： 18.050*2182=='='P D tg 放ω ωωtg tg '=Γ ∴02.0918.0==ωtg Dytg =ω ∴mm Dtg y 502.0*250===ω ∴mm y 102= 方法二：18.0='ωtg mm tg y 45*250='='ω mm l 200-=' mm fe 250='mm l 2.22-= yy l l X '==='=92.22200β mm y 102=③ l P D '-'= mm D P l 20025050-=-=-'='f l l '=-'11125112001=--l mm l 22.22-=3．一显微镜物镜的垂轴放大率为x3-=β，数值孔径1.0=NA ，共扼距mm L 180=，物镜框是孔径光阑，目镜焦距mm f e 25='。
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•适用于长焦 距（小放大率 ）的放大镜
•当眼紧靠放大镜时 ， P′=0，则：
•常用放大镜的被率在2.5~25倍之间，若用单透镜（平 凸或双凸），通常不超过3倍。 •若放大镜的物是前面光学系统所成的像，则这样的放 大镜称为目镜。
•二、光束限制
•放大镜与眼组合构成目视光学系统，眼瞳是孔阑，又 是出瞳。放大镜框是视场光阑，又是出、入窗，同时放 大镜本身又是渐晕光阑。
•二、眼睛的调节及校正
•（一）调节 •指眼睛通过睫状肌的作用，本能地改变水晶体光焦度的大 小，以看清不同距离物体的过程。
•远点：肌肉完全放松时，眼睛能看清的最远点。 •近点：肌肉处于最紧张状态时，能看清的最近点。 •近点和远点到眼睛物方主点的距离，称为远点距离和近点 距离。则眼的调节能力为：
•远
•近
点距
点距
•R为远点视度，P为近点视度离 ，单位为屈离光度（D）=1/m。Biblioteka •医学上， 1D=100度。
•随着年龄增大，肌肉调节能力下降，调节范围减小。
•（二）眼的缺陷及校正
•眼睛的远点在无限远或眼光学系统的后焦点在视网膜上，称 为正常眼。
•正常眼观察近物时，物体距眼最适宜的距离是250mm，称 为明视距离M。
•①角膜和巩膜 •眼球被一层坚韧的膜所包围，前面凸出的透明部分称为角 膜，其余为巩膜，光线首先经过角膜。 •②前室 •角膜后充满透明液体的空间。 •③虹膜和瞳孔 •前室的后壁为虹膜，中间的圆孔为瞳孔，其直径能随外界 景物亮暗程度的变化而本能的改变大小，以调节进入眼睛 的光能量，是孔径光阑。 •④水晶体 •在虹膜之后，它是由多层折射率不同的薄膜构成的，可看 成一个双凸透镜，水晶体周围睫状肌的紧张和松弛能使其 表面的曲率半径发生改变，从而使不同距离的物体都能清 晰成像在网膜上。 •⑤后室 •水晶体后面的空间，充满着胶状透明液体。
•三、眼睛对光强度变化的适应 •眼对不同亮暗环境的适应能力称为眼的适应。 •主要原因：①当亮照明时，起作用的视细胞是灵敏度高 的锥状细胞；②暗照明时，起作用的视细胞是灵敏度低的 柱状细胞。 •次要原因：瞳孔的自动增大和缩小。 •适应分为：①明适应：由暗处到亮处，适应时间大约几 分钟；②暗适应：由亮处到暗处，适应时间大约30～60分 钟。
•一、视觉放大率 •目视光学仪器的基本工作原理是通过光学仪器，其像 对人眼的张角大于人眼直接观察物体时对人眼的张角。 因此放大率不能用前面介绍的横向放大率或角放大率来 表示。因观察物体时经仪器后成像在人的视网膜上。
•所以目视光学系统的放大率用视觉放大率表示：即用 仪器观察物体时视网膜上的像高与用人眼直接观察物体 时视网膜上的像高之比；或通过目视光学系统观察物体 时，其像对眼睛张角的正切与直接看物体对眼张角的正 切之比。即：
•①近视眼
•近视眼的网膜离水晶体太远或水晶体表面曲率太大，无限 远物点成像在网膜之前，远点在眼前有限远。
•需配一负光角度凹面透镜，透镜的像方焦点与眼睛的远点 重合，这样，无限远物点就能成像在网膜上。
•②远视眼
•其网膜离水晶体太近或水晶体表面曲率不够大，导致明 视距离处物点成像在网膜的后面，其远点在眼睛之后，近 点在眼前较远处或眼睛之后。 •配一正光焦度凸面透镜，使明视距离处物点能成像在网 膜上，其焦距恰好等于远点距。
•对放大镜，人眼直接观察时，一般把物体直接放在明 视距离上，D=250mm,则：
•当人眼通过放大镜观察 物体时，虚象对人眼的 张角为：
•可见放大镜的视觉放大率不是常数，取决于观察条件 （P′和l′)： •①当眼调焦在无限远时， l′=∞时，物体放在放大镜 的焦点上。
•此时算出的视觉放大率作为放大镜和目镜的光学常数 ，标注在镜筒上。 •②正常视力的眼睛一般把物调焦在明视距离D上，则 P′-l′=D,则：
•像方视场角为：
•渐晕系 数
K=100
•渐晕系 数K=50
•渐晕系 数K=0
•当用于近距离观察小物体时，常用物方线视场2y来 表示放大镜的视场。当物面放在放大镜焦平面上时 ，像平面在无限远，线视场为：
•③散光眼
•眼的水晶体或角膜表面的不对称，眼的光焦度在不同方 向上不同，造成一物点发出的光束经眼睛不能相交于一点 。散光眼在观看辐射状直线圆形时只能看清某个方向的线 条，与此垂直的线条则觉得模糊。在两个相互垂直的方向 上（散光轴），光焦度分别有最大、最小值，两者差称为 散光度。 •散光眼需用柱面透镜校正。如为近视散光或远视散光用 球柱面透镜校正。
工程光学第七章典型光 学系统
2020年7月11日星期六
•主要介绍以下成像光学系统的成像特征和设计方法 •①成虚象的目视光学系统（放大镜、显微镜、望远 镜） •②成实像的眼睛、摄影和投影系统。
•§7-1 眼睛及其光学系统
•眼睛既是一个完整的成像光学系统，又是一个目视 光学系统的接受器，可以看成整个光学系统的一个 组成部分，因此它的构造和成像特性在设计和研究 目视光学系统时要考虑。 •一、眼睛结构
•常用的瞄准方式有：两实线瞄准、两实线端部瞄准、 双线平分瞄准、虚线实轮廓线瞄准。
•分辨率ε′和瞄准精度α′是两个不同概念。分辨率 适用于观察用显微镜，瞄准精度适用于测量显微镜 ，且ε′=Kα′。K与不同的瞄准方式对应。
•高的瞄准精度不仅取决于高的分辨率，也取决于合 适的瞄准方式。
§7-2 放大镜
•⑥网膜 •后室内壁一层由神经末稍组成的视网膜，是感光部分。物 体成像在其上是倒像，但由于神经的内部作用，感觉仍然 是正像。 •⑦黄斑 •网膜上视觉最灵敏的区域。 •⑧盲点 •视神经的出口，没有感光细胞，不产生视觉。 •因此，眼睛如同一个自动调焦和自动改变光圈大小的照相 机，从光学角度看，眼睛中的水晶体、瞳孔、网膜分别对 应于照相机中的镜头、光阑和底片。
•四、眼睛的分辨率和瞄准精度
•眼能分辨两个很靠近点的能力，为眼的分辨率；能分辨 的两个最近两点对眼的张角，为其最小分辨率（ε′）， 在明视场中ε′=1 ′。
•在光学测量中，用某种标志对目标在垂直于光轴的方 向上进行重合或置中，这一过程为瞄准。瞄准后，偏离 完全重合或置中的程度称为瞄准精度（误差）。