典型光学系统
第八章 典型光学系统 应用光学教学课件
为什么不直接用光束口径,而采用相对孔径来代表望远物镜的 光学特性?? 是因为相对孔径近似等于光束的孔径角2U’max. 相对孔径越大，U’max越大，象差也就越大。为了校正像差， 必须使物镜的结构复杂化。 相对孔径代表物镜复杂化的程度
3. 视场 系统所要求的视场，也就是物镜的视场
材料容易制造，特别对大口径零件更是如此
大口径的望远镜都采用反射式 反射望远镜在天文望远镜中应用十分广泛 反射表面磨制的要求是很高的,再加上需经常重新镀反射面及部件组装、校
正的困难，反射系统在科普望远镜中应用受到限制
1.牛顿系统 一个抛物面和一块与光轴成45度的平面反射镜构成 2 格里高里系统 一个抛物面主镜和一个椭球面副镜构成
二 望远系统的放大率及工作放大率
1、望远系统的分辨率：用极限分辨角φ表示 按瑞利判断：φ＝140″/D 按道威判断：φ＝120″/D 即：入射光瞳直径D越大，极限分辨率越高。
2、视觉放大率和分辨率的关系 φ Г＝60″，Г＝60″/φ＝D/2.3 望远镜的视放大率越大，它的分辨精度就越高 3、有效放大率（正常放大率）：望远镜的正常放大率应使
第八章 典型光学系统
3、眼睛的光学参数：
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。
简约眼：把标准眼简化为一个折射球面的模型
二、眼睛的调节及校正
1、眼睛的调节原理? 折射球面r的改变
远点距，肌肉完全放松时，眼睛所能看到的最远lr 近点距，肌肉最紧张时，眼睛所能看到的最近点lp
3. 一望远物镜焦距为1m，相对孔径为1：12，测出出瞳 直径为4mm，试求望远镜的放大率和目镜焦距。
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？
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。
(整理)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-=-==③f D '=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。
已知：放大镜 mmf 25='mmD 18=放 mm P 50='mm l P 250='-'%50=K求：① Γ ② 2y ③l 解：①f DP '-'-=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==ωtgeyeDytg =ω ∴mm Dtg y 502.0*250===ω ∴mm y 102= 方法二：18.0='ωtg mm tg y 45*250='='ωmml 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 ll'=-'11125112001=--l mm l 22.22-=3．一显微镜物镜的垂轴放大率为x 3-=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='。
第七章典型的光学系统详解
A B
须物要位于有限距离处。
弥补近视眼的缺陷，采用的方法就是戴负透镜。
该负透镜的焦距大小为： f ' lr 2）远视眼：远点位于人眼之后；点取决于人眼的调节能力。
由于人的眼球较短，水晶体像方焦点位于视网膜之后。所以远视眼矫正的方
法，佩戴正透镜。
3）老花眼：远点位于无限远处；近点则因受调节能力的限制而距眼较远。 矫正的方法佩戴凸透镜。
A CB
J1 B'1 A'1 C1'
J2 A'2 B'2C2'
图 7—5 双目立体成像 人眼注视 A 点，将在二眼各自黄斑处产生一个像。现在 J1AJ 2 范围内取一点 B，当物点 A 成像时，B 也将同时在双眼各自成像。但是由于 B'1成像于黄斑的左 侧；而 B'2 成像于黄斑的右侧，由于分别成像于黄斑的不同侧，所以成双像。 即有：在角 J1AJ 2 范围内的空间所有点都成双像。而在角 J1AJ 2 范围外的空 间所有点都单一像。 所以按照我们刚才的分析讨论的，当观察周围空间时应该既有双像存在，也 有单像存在的。但实际上我们感受不到双像的存在，是因为双眼不断的转动，注 视点在不断的改变的缘故，所以日常不易察觉双像的那部分空间在人眼中的影 响。 2、 双眼立体视觉 立体视觉是双眼一个非常重要的特性主要原因是视差角的不同。
c)
b)
d)
图 7—4 对准形式Biblioteka (1 ~ 1 ) 6 10
即对准误差为分辨率的 1／6~1／10。 六、双目立体视觉 1、 双眼视觉
这是绝大部分人观察物体的情况，由于正常人都有二只眼，故当观察周围物 体时，二眼并用，由于二眼可分别看作是一光学系统，所以物体将在左右二眼中 各自成像，成二个像，并最终在大脑中汇合为单一像。
(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
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='。
工程光学第章典型光学系统课件 (一)
工程光学第章典型光学系统课件 (一)
工程光学部分中，光学系统是一个非常重要的概念。
作为光学系统学习的第一步，我们需要学习典型的光学系统。
在本节课件中，我们将会学到三种典型的光学系统：单透镜系统、双透镜系统和望远镜。
第一，单透镜系统是最简单的光学系统，由一个透镜组成。
在这种情况下，光线从物体经过透镜形成像。
单透镜系统中，我们需要考虑像的位置和大小，物像距离和像的性质，如实际或虚像。
这些性质可以通过把物体图和像的图画在一起来表达。
第二，双透镜系统包括两个透镜，用于对光线进行更复杂的控制。
目光机是双透镜系统的一种，其中一个透镜更接近眼睛，另一个透镜离眼睛更远。
双透镜系统可以具有不同的配置，但是我们通常需要在系统中考虑的属性包括眼睛和物体之间的距离、眼睛所处位置、物体的位置、望远镜的放大率等，这些属性可以帮助我们确定望远镜成像的性质和特征。
第三，望远镜可以用于查看遥远的物体。
望远镜可以看作是双透镜系统的一种特殊情况，其中一个透镜是目镜行星镜，另一个透镜是大反射镜或透镜。
望远镜与单透镜和双透镜系统的不同之处在于，望远镜中透镜的位置和物体和眼睛的距离都有所不同。
在这三种光学系统中，我们学会了处理物体成像和图像特性的能力。
到达像靠近元素也需要一定的反思和技巧。
我们还意识到，光学系统可以有许多乐趣和有趣的应用场景，例如望远镜和显微镜等等。
对于喜欢光学系统的人来说，这是一种非常有趣和有创造性的领域，它可以启发人们的想象力和知识积累，可以帮助人们更好地理解我们周围的世界。
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提高显微镜分辨力的可能性
提高显微镜分辨率的另一途径就是用电子束来代替光。 根据德布罗意的物质波理论，运动的电子具有波动性， 而且速度越快，它的“波长”就越短。 电子显微镜是20世纪最重要的发明之一。由于电子的 速度可以加到很高，电子显微镜的分辨率可以达到纳 米级（10-9m）。
显微镜的有效放大率
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
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。
显微镜的光束限制－孔径光阑
低倍物镜为单组透镜，物镜框为孔径光阑 高倍物镜为多组透镜，后组透镜框为孔径光阑 测量显微镜用物方远心光路，孔径光阑设臵在物镜的像方焦 平面上 孔径光阑经目镜所成的像即为显微镜的出瞳 ，观察时，眼瞳 要与出瞳重合 。 显微镜的光束大小常用NA表示 出瞳直径与入射光束的大小及放大率有关
视放大率还可以表示为
D D' 1
望远系统的分类
柯普勒型 特点：目镜焦距为正光组 有中间实像，成倒像 结构长 伽利略型 特点：目镜焦距为负光组 无中间实像，成正立像 结构短
摄影物镜直接代替目镜，该目镜称为摄影目镜，为使 整个共轭物像距不致于太大，目镜应设计成负光组。
数字显微镜
显微物镜的像面上，直接放臵CCD接收器，连 接到计算机上，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
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 目镜
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。
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。
视觉放大率
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 ' 视放大率是一种主观放大率（用人眼测量像的大小）， 不同于前面介绍的三种客观放大率。 tg
放大镜的视放大率
当人眼直接观察物体时，一般把物体放在明视距离处 （D=250 mm）
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。
一般有
tg ' f 'l ' D tg P'l ' f '
当 l' 时（物体放在放大镜的物方焦点上）
D 250 f时（正常眼一般把观察点调焦到明视距离处） ' f' 当
P' f '
当 时
D f'
P' 0
250 1 f'
目镜
放大镜不仅可以直接对物体放大成像， 而且也可以对 一组光学系统的实像放大成像，用于这种场合的放大 镜又称作目睛。
例8-1：如果要求读数显微镜的瞄准精 度为0.001mm，求显微镜的放大率。
解 人眼直接观察0.001mm的物体所对应的视角为
0.001 tg e 4 106 人眼的视角分辨力为60〃，因此要求显微镜的视放大 250 率为
tg ' tg60" 73 6 tg 4 10
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）
人眼直接观察物体 人眼观察显微镜的像
y y tg l D
y' y x' f '物 y f '物 y y tg ' 显微镜的视放大率 f '目 f '目 f '目 f '目 f '显
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。
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 9; n sin u
0.5 0.5 0.85 n sin u NA a
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。
14
10
7
4.5
2.5
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 的分辨率。D为瞳孔直径。
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。
显微镜的分辨力用所能分辨的物方最小距离表示 a 0.61 / n 'sin u '
0.61 0.61 道威判断： n sin u NA a
tg ' y f '显 D tg y D f '显
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出
500 NA
NA：数值孔径
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 500tg /Γ e
500 tg 2y
•
显微镜属于小视场系统。
显微镜的分辨力
人眼的结构
人眼的生理结构 人眼的光学结构－简约眼 人眼相当于照相机
人眼的结构
巩膜 脉络膜 网膜
角膜
虹彩
前室
水晶体
黄斑 盲点
视轴 后室
简约眼 眼睛简化成一个折射球面的模型，即简约眼
折射面的曲率半径 像方介质的折射率 网膜的曲率半径 物方焦距 像方焦距 光焦度
5.56mm 1.333 9.7 mm -16.70mm 22.26 mm 59.88D
望远系统的组成及工作原理
组成：物镜+目镜 特点：物镜的像方焦点重合于目镜的物方焦点。无焦 系统
望远镜的工作原理图
改变目镜位臵可以观察近距离物体
望远系统的放大率
人眼直接观察事物体对人眼的张角与物体对仪器 的张角相等
望远系统的视放大率等于仪器的角放大率 f '物 tg ' tg ' tg tg f '目
最小分辨角：能够分辩的最近两点对眼睛的张角称为 1.22λ 眼睛的最小分辩角：60秒 ψ D 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。
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
y y tg l D 当人眼通过放大镜观察物体时
y' f 'l ' y 视放大率 tg ' P'l ' P'l ' f '
x' f 'l ' 其中 y ' f ' y f ' y
tg ' f 'l ' D tg P'l ' f '
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