工程光学 第7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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7
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
工程光学第七章典型光学系统
•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。
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）。
21
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：
6
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。
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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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适应分为明适应和暗适应. 适应过程,最长30min.
三、眼睛的调节和校正
1.眼睛的调节能力
眼睛的调节：眼睛对任意远的物体自动
调焦的过程
1/ lr 1/ lp R P A
发散度(或会聚度), 单位为折光度(lp或lr以
m为单位).
眼睛的调节能力
明视距离处250mm.
2y 2 f ' tanw'
2 y 500 h mm 0 p'
第三节 显微镜系统
一、显微镜视觉放大率
视觉放大率：
tgw ' tgw
f '0
250
f 'e
e
看作组合系统：
f ' f0 ' fe ' ( 0时，f ' )
250 f'
即：显微镜实质上是一组合放大镜。
在整个成像过程中，目镜起到了一个放大镜的作用， 所以它对物体所起的放大是一个视觉放大，而物镜所 起的则是一个垂轴放大作用。显然整个显微镜的视觉 放大率既与物镜的垂轴放大率有关，也与目镜的视觉 放大率有关。
yi ' ye '
人眼后节点到视网膜的距离为 l
则：
放大镜的视觉放大率：
y'D y'( p'l')
tgw
y D
,
tgw'
y' p'l'
(
D p'l ' )
(
f
'l') f'
f 'l' p'l'
(
D) f'
(l',
p')
讨论：
1、当 l' 时，相当于把物体放在放大镜的前焦
点上。
f 'l' p'l'
∞处：θ=0 P处：θ=θP Δθ=θP= Δθmin
当两物点的视差刚好等于体视锐度时，P点即为人 眼能分辨远近的最大距离
Lmax b / min
62mm 206265/10`` 1200m
Lmax 立体视觉半径：
立体视觉半径以外的物体，人眼不能分辨 其远近 太阳和月亮，位于1200m以外，认为它们 位于距我们相同的球面上
离称为 (图7-4) .
六、景深
定义：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. 图7-5
远近景的景深分别为：
1
pP Dp P
p 1 (Dp )
p 2 Dp P
P
2
pP Dp P
p (Dp ) 1
p 2 Dp P
P
七、双目立体视觉
2、眼睛的缺陷及其矫正
远视眼、近视眼及其矫正(图7-2a) (图7-2 b) 通常用R表示近视或远视的程度,称为视度,单 位折光度. 医院或眼镜店把一折光度1D称作 100度.
散光:用圆柱面或双心圆柱面(图7-3a.b.c)透 镜矫正.
调节能力随年龄增大而减少 1/ lr 1/ lp R P A
视网膜上的 最小鉴别距离至少等于两个视神 经细胞的直径,即0.006mm. 眼睛的分辨能力： 眼睛能够分辨的最靠近两相邻 点的能力。 视角鉴别率：物体对眼睛的张角称为视角,人眼能 够分辨的最小视角称为视角鉴别率.
五、眼睛的对准精度
tg 0.006 206265 "
f'
对准和分辨的区别
对准误差：对准后,偏置置中或重合的线距离或角距
物点到基线距离L： A b / L
视 差： 不同距离的物体对应不同的视差角，
其差异Δθ称为立体视差，简称视差
Δθ大 人眼感觉两物体纵向深度大
Δθ小 人眼感觉两物体纵向深度小
体视锐度：人眼能感觉的Δθ的极限值Δθmin Δθmin一般为10``，经训练可达5``和3``
讨论：
1、两物点，一个在∞处，一个在较远处P处
2、参数：
共轭距:显微镜物镜从物平面到像平面的距离。 （大约等于180mm）
机械筒长:把显微镜的物镜和目镜取下后，所剩 的镜筒长度。（我国规定为160mm）
1、单眼观察空间物体不能产生立体视觉效果 （1）单眼判断物体的远近时，利用眼睛的 调节变化所产生的感觉，通过水晶体的曲 率变化完成，由于曲率半径变化小，所以 判读极为粗略 （2）平常也可以用单目判断物体为立体， 是人脑的作用，凭借经验来完成的。
• •
2、双目观察物体时，同一物体在左右两眼中分别
产生一个像，这两个像在视网膜上的分布只有适 合几何上某些条件时才可以产生单一视觉，两眼 的视觉汇合到大脑中成为一个像，这种印象是出 自心理和生理的。（双目观察物体）
二、光束限制和线视场
1、当k分别为100%、50%、0时
tgw1 '
h
a' p'
tgw2 ' tgw' 0
h p'
tgw3 '
h
a' p'
2、线视场：
2 y 500 h (mm) 0 p'
放大镜倍率越大，其线视场越小。
当物面放在放大镜的前焦平面上时，像平面在无限 远，则线视场（50%渐晕）
年龄
10 20 30 40 50 60 70 80
lp (cm) lr (cm)
(dpt)
-7 -10 -14 -22 -40 -200 100 40 ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ 200 80 40 14 10 7 4.5 2.5 1 0.25 0
F’(S) f’’
一学生带500度近视镜，则该近视镜的焦距为___-_0_._2_m____ 该学生裸眼所能看清的最远距离为___眼_前__0_.2_m___。
第七章 典型光学系统
眼睛及其光学系统 放大镜 显微镜系统 望远镜系统 目镜 摄影系统 习题
第一节眼睛及其光学系统
一、眼睛的结构---成像光学系统
目视光学仪器都要配合人眼使用,以扩大人眼的视觉能 力.人眼本身相当于摄影光学系统,图7-1示出其水平截面.
二.眼睛的功能---辐射接收器
视网膜是由锥状细胞和杆状细胞组成的辐射接收器。 杆状细胞感光不感色;锥状细胞感色光不感光。
(
D) f'
D f'
250 f'
0
2、习惯上，常把像调在明视距离上。
p'l' D
1
p'D f'
1
D f'
p' f'
1 0
p' f'
3、若眼睛紧贴着放大镜，即 p' 0则
250 1 f'
常用的放大镜，适当选择 2.5 ~ 25 4、目镜：若放大镜的物是前面光学系统的像
时，则这种放大镜称目镜。
2、立体视觉阀：两眼能分辨的两点间的最短深度 距离 L
因为： A b / L
微分： L L2 / b
当Δθ= Δθmin时： ΔL 8104L2 L 为双目立体视觉误差，L越大误差越大
当L=100m时： ΔL=8m 当L=0.25m时：ΔL=0.05m
第二节 放大镜
一、视觉放大率
目视光学仪器放大率