工程光学第7眼睛、放大镜、显微镜、望远镜
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。
工程光学第7眼睛、放大镜、显微镜、望远镜
巩膜
网膜 脉络膜 黄斑中心凹
晶状体
盲斑
黄斑中心凹是人眼视觉最灵敏的地方。
光 视神经细胞
神经纤维
盲斑
大脑
盲斑是网膜上没有感光元素的地方，不能引起光刺激。
晶状体在虹膜后面，是由两个不同曲率的面组成的透明体，
2019/9/30
7
人眼的构造剖视图
瞳孔 虹膜 角膜
巩膜
网膜 脉络膜 黄斑中心凹
晶状体
盲斑
似双凸透镜，是眼睛光学系统的成像元件，其密度和折射 率都是不均匀的，由里层到外层逐渐减少，有利于提高
视度：非正常眼的程度，用远点距离的倒数表 示。单位为屈光度(D)。1D为100度。
远点在眼前0.2m，应配多少度的近视眼镜？ 将远点恢复到无穷远：
光焦度
1 1 5.0(m1 ) 5.0(D)
f ' l'
即应配-500度的近视眼镜。
近点在眼前1.25m处，应配多少度的眼镜？ 将近点校正到250mm处： 光焦度
连线平行。
第二节 放大镜 一. 视觉放大率 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和人眼直接观察 物体时像高之比：
yi l tan tan ye l tan tan
tan y / D D 250mm,明视距离
2019/9/30
折射面半径：r1=5.77mm
像方焦距：f '≈23mm
网膜半径：r2=9.7mm
13
空气和角膜之间的界面有较大的折射率差，物体 主要通过这个界面成像在视网膜上； 水晶体的曲率半径可调（40mm-70mm），改变 焦距，使不同距离的物体均能在视网膜成像；水 晶体的折射率逐渐增加的； 瞳孔直径可自动变化（2-8mm），调节进入人眼 的光能（孔径光阑）；
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='。
工程光学眼睛及目视光学系统
一.目镜的主要光学参数
2’ 、fe’、p’/ fe’、lF 1. 视场角2’
tg’=tg
2.镜目距p’:出瞳到目镜后表面的距离，≥6mm
相对镜目距p’/ fe’
3.工作距lF ——目镜第一面的顶点到其物方焦平面的距离 lF > 视度调节的深度
43
眼睛及其光学系统
二 . 光学仪器中目镜的视度调节
1物镜；2小灯泡；3物体；4载物台 工具显微镜反射照明
亮视场照明图
单向暗视场照明
29
显微镜系统
2. 透射光照明：
亮视场照明：临界照明、柯勒照明（像方远心） a. 临界照明——光源成像于物平面。
多用于投影物体面积较小的情况。 光源表面亮度的 不均匀性影响观察效果。
“窗对窗，瞳对瞳”
30
显微镜系统
b. 柯勒照明：光源成像于物镜的入瞳面上。
±5~10"
39
三.望远镜的视场
望远镜系统
1.开普勒望远镜
物镜框：孔径光阑、入瞳；出瞳在目镜外，与人眼重 合。
目镜框：渐晕光阑，允许50%渐晕；
分划板：视场光阑。
40
2.伽俐略望远镜
(场阑、入窗） 出窗
y y’ ’
-Li(L) L i l’ ’
孔阑
lz
’
lz
望远镜系统
DP
41
(1)当K=50%，tg = -D/2lz
0.145mm ' 0.29mm
' = = 0.85a =0.5/NA =555nm
按道威判断，得： 523NA≤ ≤ 1046NA 取 500NA ≤ ≤ 1000NA
min = 0.0725mm
工程光学第七章典型光学系统
①透射光亮视场照明。光通过透明物体产生亮视场。 ②反射光亮视场照明。对不透明的物体，从上面照射产生漫射或规 则的反射形成亮视场。 ③透射光暗视场照明。倾斜入射的照明光束在物体旁侧向通过，光 束通过物体结构的衍射、折射和反射，射向物镜，形成物体的像， 则获得暗视场。 ④反射光暗视场照明。在旁侧入射到物体上的照明光束经反射后在 物镜侧向通过，若无缺陷的放射镜作为物体，得到一均匀暗视2场2 。
距离
距离
R为远点视度，P为近点视度，单位为屈光度（D）=1/m。 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。
4
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。
大小应与目 500tgw 6，8，11，16，22，32。 镜的视场角 250 D ②成实像的眼睛、摄影和投影系统。
f e
e
一致： e
2 y 5 0 0tg w e
5 0 0tg w
表明：在选定目镜后，显微镜的视觉放大率越大，其在物
空间的线视场越小。
18
三、显微镜的出瞳直径 普通显微镜，物镜框是孔径光阑。 复杂物镜，其最后镜组的镜框为孔径光阑。 测量用显微镜，物镜像方焦平面上设置专门的孔径光阑， 经目镜所成的像为出瞳（直径为D‘）。 则有： n ysinun ysinu nsinuyn sinu y n sinu fo
(工程光学教学课件)第7章 典型光学系统
D' l'z D lz
[例7-4] 有一显微镜，物镜的放大率β=-40×，目镜的倍率 为Γe=15（均为薄透镜），物镜的共轭距为195mm，求物 镜和目镜的焦距、物体的位置、光学筒长、物镜和目镜的间 距、系统的等效焦距和总倍率。
解： 已知物镜的共轭距L=195mm和放大率β=-40×
11 1
l' l f0'
眼睛的视角分辨率相适应，即光学系统的放大率和被观察物体所
需的分辨率的乘积等于眼睛的分辨率。
五、眼睛的对准精度
对准：是指在垂直于视轴方向上的重合或置中过程； 对准误差：对准后，偏离置中或重合的线距离或角距离。
六、眼睛的景深
当眼睛调焦在某一对准平面时，眼睛不必调节 能同时看清对准平面前和后某一距离的物体， 称作眼睛的景深。
设艾里斑的半径为 a,则 :
a 0.61 n'sin u'
道威判断：两个相邻像点之间的两衍射斑中心距为 0.85a 时，则能被光学系统分辨。
设显微镜能分辨的物方两点间最短距离为
由瑞利判断可得：
a 0.61 0.61 n sin u NA
（7-28）
由道威判断或得：
0.85a 0.5 NA
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。以远点距离lr和近点 距离lp的倒数差来度量：
1 1 RP A lr lp
(7-1)
正常眼：眼睛的像方焦点F’与视网膜重合； 远点位于人眼前无限远处。
近视眼：眼睛的像方焦点F’位于视网膜前方； 远点位于人眼前有限距离处。
开普勒望远镜746三望远镜的视场孔径光阑渐晕光阑y为分划板半径2一般在1015伽利略望远镜孔径光阑视场光阑例76有一架开普勒望远镜视觉放大率为6物方视场角28出瞳直径d5mm物镜和目镜之间距离l140mm假定孔径光阑与物镜框重合系出瞳距离目镜口径分划板直径物镜口径和目镜焦距物镜焦距目镜的作用类似于放大镜把物镜所成的像放大在人眼的远点或明视距离供人眼观察其光学特性参数有
第19次课(第八章)工程光学分析
分辨率与分辨角成反比。
物体对人眼的张角，称作视角；人眼能分辨的物点间最小视角，称作 视角分辩率ε。（点目标：60 ″；线目标：10 ″ ）
f 16.68mm
0.006 206000 60
16.68
工程光学
第一节 眼睛及其光学系统
（上） 四、眼睛的对准精度
第五级北航仪器 光电学院
★对准——垂直于视轴方向的重合 或置中过程
工程光学
第三节 显微镜系统
（上）
显微镜的组成：
第五级北航仪器 光电学院
显微镜是由物镜、目镜和照明系统三部分组成。
物体经显微镜的物镜放大成像后，其像再经目镜放大以
供人眼观察。
工程光学
第三节 显微镜系统
（上） 一、显微镜的视觉放大率：
tan y
L
tan' y' y
fe' fe' fo'
tan' L tan fe ' fo '
4、立体视角半径
Lmax b / min
62mm 206265 /10 1200m
双目观察物体
工程光学 （上）
第五级北航仪器 光电学院
工程光学 （上）
第五级北航仪器 光电学院
工程光学
第一节 眼睛及其光学系统
（上）
5、立体视角阀
★双目能分辨两点间的最短深度距离称为立体视觉阈。
L L2 / b L 8104 L2
250 f
（2）把物像调焦到明视距离： P' －l' =D
北航仪器 光电学院
1 l 1 250 P
f
f f
光束限制与视场
若眼睛紧贴着放大镜： P'=0
工程光学习题解答--第七章-典型光学系统
工程光学习题解答--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∴ ml r5.0-=②PR A -= D A 8= D R 2-=∴D A R P 1082-=--=-=m P l p1.01011-=-== ③f D '=1 ∴m f 1-=' ④D D R R 1-=-=' m l R1-='⑤P R A '-'= DA 8=D R 1-='DA 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。
已知：放大镜 mm f 25=' mmD 18=放mm P 50='mm l P 250='-'%50=K求：① Γ ② 2y ③l 解：①f D P '-'-=Γ125501252501250-+=''-+'=f P feye92110=-+=②由%50=K 可得：18.050*2182=='='P D tg 放ωωωtg tg '=Γ ∴02.0918.0==ωtg D y tg =ω ∴mmDtg y 502.0*250===ω∴mm y 102= 方法二：18.0='ωtg Θmmtg y 45*250='='ωmml 200-='mmfe 250='mm l 2.22-=yy l l X'==='=92.22200βΘmm y 102=③ l P D '-'= mm D P l 20025050-=-=-'='l l =-'1125112001=--lmml 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 e25='。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
0.40
2.5
2021/2/23
(屈光度)
14 10 7 4.5 2.5 1.00 0.25 0.00
18
表7-1：
随着年龄的增大，调节范围变小。 60岁时，远点在200cm，即只有入射汇聚光束， 汇聚点在眼睛后200cm时才能在视网膜形成清晰 的像。
D 1 0.1 屈光度。 l
2021/2/23
16
➢ 远点距倒数 1 R r
称为远点视度，
➢ 近点距倒数 1 P p
称为近点视度。
➢ 在医院和眼镜店通常把1屈光度称为100度。
➢ 人眼的调节能力随年龄的增加而变化。
➢ 随着年龄的增大，近点位置往远移，远点位置往近 移，因而调节范围减少。
表是正常眼在不同年龄时的调节能力：
人眼的构造剖视图
瞳孔 虹膜 角膜
巩膜
网
总能将像成在网膜上。
后室
角膜和晶状体之间的空间称为前室；充满1.336的水状液；
晶状体和网膜所包围的空间称为后室;充满1.336的玻状体
2021/2/23
9
人眼的构造剖视图
瞳孔 虹膜 角膜
1.376
前室
1.336
晶状体
巩膜
2021/2/23
折射面半径：r1=5.77mm
像方焦距：f '≈23mm
网膜半径：r2=9.7mm
13
Ø空气和角膜之间的界面有较大的折射率差，物体 主要通过这个界面成像在视网膜上； Ø水晶体的曲率半径可调（40mm-70mm），改变 焦距，使不同距离的物体均能在视网膜成像；水 晶体的折射率逐渐增加的； Ø瞳孔直径可自动变化（2-8mm），调节进入人眼 的光能（孔径光阑）；
➢眼睛和照相机很相似，如果对应起来看：
➢ 人眼 ↕
➢ 照相机
水晶体
↕
↕
镜头
视网膜 瞳孔 ↕
底片 光阑
2021/2/23
11
➢人眼相当于一架照相机，它可 以自动对目标调焦
➢照相机中，正立的人在底片上成倒像， 人眼也是成倒像
➢但我们感觉为什么还是正立的？
➢这是视神经系统内部作用的结果。
2021/2/23
Ø主平面H和H距 角膜顶点后约1.3和1.6mm；
焦距约为： f1m 7,m f2m 3 m
视场可达1500，能同时清晰观察物体的范围只在 视轴周围60-80。
二. 眼睛的调节与校正
眼睛成像系统对任意距离的物体自动调焦的 过程—眼睛的调节。 通过环形肌肉的调节，是水晶体曲率变化来实现 的，曲率半径变小，曲率增大，焦距变小。 眼睛的调节能力是以远点距离和近点距离的倒数 之差来度量的，单位为屈光度（D），1D=1m-1：
年 龄 (岁)
近点距p (米)
(屈光度)
远点距
r (米)
(屈光度)
10 -0.071
-14
∞
0
20 -0.100
-10
∞
0
30 -0.143
-7
∞
0
40 -0.222
-4.5
∞
0
50 -0.40
-2.5
∞
0
60 -2.00
-0.5
2.0
0.5
70 1.00
1.00
0.80
1.25
80 0.40
2.50
角膜
黄斑中心凹
*网膜是眼球的第三层膜，上面布满着感光元素，即锥状细胞和杆状
细胞，锥状细胞直径约5微米，长约35微米；杆状细胞直径约2微米
，长约60微米。它们在网膜上的分布式不均匀的。在黄斑中心凹处
是锥状细胞的密集区而没有杆状细胞，由中心向外，逐渐相对变化；
2021/2/23
6
人眼的构造剖视图
瞳孔 虹膜 角膜
❖由于成像理论的逐步完善，构成了许多在科 学技术和国民经济中得到广泛应用的光学系 统，例如放大镜、显微镜、望远镜、摄影仪 器和投影仪器等。本章主要介绍上述光学系 统的成像特性和设计要求，组成上述光学系 统的物镜和目镜的结构型式及其主要光学参 数等。
2021/2/23
1
第七章 典型光学系统 眼睛 放大镜 显微镜 望远镜 目镜 摄影系统 投影系统 变焦距光学系统
网膜 脉络膜 黄斑中心凹
视轴
光轴
盲斑
后室 1.336
眼睛的像方节点与中心凹的连线为眼睛的视轴, 在观察物
体时眼睛本能地把物体瞄准在这根轴上。
2021/2/23
10
➢ 眼睛的视场很大，可达150˚，但只有黄斑附近 才能清晰识别，其他部分比较模糊， 所以能看 清物体的角度范围为6 ~ 8˚。
➢从光学角度看，眼睛中最主要的是：水晶体、视 网膜和瞳孔。
巩膜
网膜 脉络膜 黄斑中心凹
晶状体
盲斑
黄斑中心凹是人眼视觉最灵敏的地方。
光 视神经细胞
神经纤维
盲斑
大脑
盲斑是网膜上没有感光元素的地方，不能引起光刺激。
晶状体在虹膜后面，是由两个不同曲率的面组成的透明体，
2021/2/23
7
人眼的构造剖视图
瞳孔 虹膜 角膜
巩膜
网膜 脉络膜 黄斑中心凹
晶状体
盲斑
似双凸透镜，是眼睛光学系统的成像元件，其密度和折射 率都是不均匀的，由里层到外层逐渐减少，有利于提高 成像质量。晶状体的平均折射率为1.40，其周围肌肉 20能21/改2/23变晶状体的表面曲率，使人眼在看远近不同的物体时，8
A 1 1 RP lr lp
lr：远点距离，lp：近点距离 R：远点发散度， P：近点发散度
当人眼观察在调解范围内的某一距离l处的
物体时，它总能清晰地成像在视网膜上。
A称为眼睛的调节范围或调节能力。
如果 l 的单位为米，则其倒数称为视度，单位为屈光度
D 1 l
如观察眼前10米的物体，对应的视度为
第一节 眼睛及其光学系统 一. 眼睛的结构—成像光学系统
人眼的构造剖视图 巩膜
角膜
脉络膜
*巩膜是眼球的第一层保护膜，白色、不透明、坚硬；
*角膜是巩膜的最前端部分，无色而透明；眼睛内的折射主要发 生在角膜上；厚度仅为0.55mm,折射率1.3771；
*脉络膜是眼球的第二层膜，吸收透过网膜的光线，使后室成为暗
12
标准眼： 根据大量的测量结果，定出了眼睛的各项光学常数，包
括角膜、水状液、玻状液和水晶体的折射率、各光学表面的 曲率半径、以及各有关距离。称满足这些光学常数值的眼睛 为标准眼
简约眼：把标准眼简化为一个折射球面的模型，称为简约眼。
简约眼参数：
介质折射率：n=1.3333 物方焦距：f '≈-17mm 光焦度：D=58.48(1/m)
室；
2021/2/23
4
人眼的构造剖视图 巩膜
瞳孔 虹膜 角膜
脉络膜
*虹膜是脉络膜的最前端部分，含有色素细胞，决定眼的 颜色；
*瞳孔是虹膜中间的小孔，随着外界明亮程度的不同，虹
膜肌肉能使瞳孔的直径在2~8mm范围内变化；它是人眼
的孔202径1/2/2光3 阑。
5
人眼的构造剖视图
瞳孔 虹膜
巩膜
网膜 脉络膜