应用光学课件

3、 眼睛的视角 视角: 物体在网膜上所成象的大小决定 于物体对人眼的张角。 同一位置，不同大小的物视角不同； 同一物体，不同位置视角不同； 视网膜上两个像大小的比值等于相应的两个视角正切的比值。
4、眼睛的缺陷及校正
正常眼：远点在无限远，水晶体的像方焦点F′在视网膜上。 近视眼：F′在视网膜前，戴负透镜校正。 远视眼：F′在视网膜后，戴正透镜校正。 眼镜片的像方焦点正好和非正常眼的远点重合。 视度：非正常眼远点距离的倒数，R＝1/r （单位：折光度 ）
60
60 D mm

140 D mm

2.3
3、工作放大率：是正常放大率的1.5~2倍。
为了减少眼睛的疲劳，在设计望远镜时取眼睛的分辨角为 (1.5～2) 60，此时所求得的放大率即为工作放大率。
四、望远镜系统的光束限制—视场
1、 伽利略望远镜
用显微镜观察体时，眼瞳应与出射光瞳重合。
2、显微系统的出射光瞳直径
a f目tgU
显微镜应满足正弦条件，有 ：
y 1 f物
y 物

令 NA nsinU
a f目 sinU
nsinU y n sinU y
sinU f物 n sinU
2y 2y
物
4、显微镜的景深
2dx nf 250mm n
NA
NA
显微镜的放大率越高，数值孔径越大，景深越小。
三、显微镜的分辨率和有效放大率
1、分辨率（用分辨距离σ表示）
1）两个发光点的分辨率：
1.22 0.61
2n sinU NA
2）不发光物体的分辨率：
1、眼睛的结构:
2、眼睛的调节 水晶体到网膜的距离是不变的。观察不同距离的物体，水晶体
的焦距自动改变，使象清晰地成在网膜上。眼睛对不同距离的物体 的自动调焦的过程称为眼睛的调节。
远点：眼睛自动调焦所可能看清最远的点；
近点：眼睛自动调焦所可能看清最近的点；
明视距离：正常眼最方便和最习惯的工作距离，它等于-250mm。
D / mm
D mm
6、视角放大率Γ
目视光学仪器是帮助人眼扩大视觉功能的，它的作用大小用
视角放大率来描述。
视网膜上像的大小和视角的正切成正比，因此，把同一目标 用仪器观察的视角ω仪 和人眼直接观察的视角 ω眼 二者正切之比 称为目视光学仪器的“视角放大率”。
tg仪 tg眼
视角放大率实际表示了用仪器观察和用人眼直接观察时，视 网膜上像的大小之比，它描述了仪器放大作用的大小。
通常，（近远视）视度的调节范围为±5折光度，则目镜的调 节深度为±5x。目镜的工作距至少应大于5x 。
5）目镜的焦距：焦距越短，结构越紧凑，在15~30mm左右。
六、透镜转像系统和场镜
1、透镜转像系统 1）位置：透镜转象系统设在物镜象平面的后面。物镜的象通过它可以
变为正象。
2）视角放大率
tg y f2 y f1 f1
● 相当于物平面上置光源
b）光路图：
c）缺点：光源表面亮度不均匀或明显表现出灯丝的结构，影响显微 镜的观察效果。
d）要求： ● 聚光镜应有与显微物镜相同或稍大的NA； ● 聚光镜前放置的可变光阑为聚光镜的孔阑； ● 改变孔阑大小，可改变进入物镜光束的孔径角， 使之与物镜的NA相适应；
● 聚光镜与物镜：瞳
线不能进入物镜视场，而能够进入物镜成像的只是试样表面 的微粒所散射或衍射的光线。
14.4 望远系统
主要内容： 1、工作原理及光学特性参数； 2、视觉放大率； 3、分辨率及工作放大率； 4、光束限制—视场； 5、望远物镜和目镜； 6、透镜转象系统与场镜； 7、望远系统的外型尺寸计算。
一、工作原理及光学特性参数
典型光学系统
光学系统主要有望远系统、显微系统和照相系统； 讨论：1、光学系统的光学特性；
2、横/轴向尺寸的计算方法。
目视光学系统 摄/投影系统
眼睛的特性 放大镜 显微镜系统 望远镜系统
摄影系统 投影系统
第十四章 目视光学系统
14.1 眼睛的结构及其特性
明视距离； 视角； 极限分辨角； 视角放大率。
一、显微镜的成像原理及视角放大率
1


x1 f1


f1
250 mm 2 f 2


12

250 mm
f1f 2
f f1f2
250 mm f
习题1：用两个焦距都是50mm的正透镜组成一个10倍的显微 镜，问物镜、目镜的倍率及物镜和目镜之间的间隔？
14.2 放大镜
一、放大镜的放大率 —视角放大率
0

250 mm f
注：目视光学仪器目镜的工作原理和视角放大率的计算与放大镜完 全相同。
二、放大镜的光束限制和视场 眼瞳为孔阑，放大镜为渐晕光阑，渐晕系数为零处限定最大视场。

tg1


h
a l z

tg h
l z
1、两种基本型式：伽利略望远镜、开普勒望远镜。
2、基本光学参数： f1′、f2′、Γ、D/ f′、2ω、2ω′、D、 D′、D物、 D目、 lZ ′；
3、三放大率：









f 2
f1
f 2 f1

2




f1 f 2
伽利略望远镜 开普勒望远镜
二、视觉放大率
1）瞳孔为孔阑、出瞳，
物镜框为渐晕光阑，
一般按大于50%的渐晕设
计物镜框 ；
2）视场角：
tg

D
2L
lz
筒长 L= f1′+ f2′，物镜直径D 确定后，视觉放大率越大，
视场越小。为获得较大视场，望远镜的视觉放大率不宜过大，一般
取 6 ~ 8 ，甚至更低些。
出瞳距（镜目距）lz′
1、D 为望远镜的入射光瞳直径 ；D‘ 为望远镜的出射光瞳直径 ；
2、望远镜的视觉放大率决定于望远系统的结构。
三、分辨率及工作放大率
1、望远镜的分辨率：用极限分辨角表示 。
140
D mm
D与ψ″成反比，与分辨率成正比
2、正常放大率：满足分辨率要求的最小视觉放大率。
若设人眼的分辨率为 60″，则
f1
2、数值孔径NA：NA决定了物镜的分辨能力；
4、工作距离：从物镜的第一个面顶点到物面的距离； 物镜放大率越高，工作距离越短。
5. 物镜的通光口径：
NA n sinU
D 2l tgU
显微物镜的基本类型：消色差物镜、复消色差物镜、 平视场物镜、折反式物镜。
五、显微目镜
主要光学特性参数有：
1、望远物镜
1）主要光学参数：相对孔径 D/ f′、f′、2 ω；
这些特性参数决定了望远镜的分辨率，像的主观亮度，和系统的 外形尺寸。
2）物镜的焦距 f1 ：在目镜焦距 f 2 选定后，由视觉放大率决定；
3）望远物镜需校正的主要象差：有球差、色差和正弦差；
4）物镜后有 透镜转象系统时，二者可分别校正象差； 棱镜转象系统时，必须用物镜和棱镜的象差互相补偿。
tg 2

h a l z
2y 2 f tg
2 y 500 h 0 l z
注：放大镜的视场与视角放大率、 放大镜口径、观察距离有关。
14.3 显微系统
主要内容： 1、显微镜的成像原理及视角放大率 ； 2、孔径光阑与出瞳直径、景深； 3、分辨率与有效放大率； 4、显微物镜与目镜； 5、显微镜的照明系统。
⑴、显微镜的视觉放大率； ⑵、物镜焦距； ⑶、物镜的物象距； ⑷、出瞳直径； ⑸、出瞳距离（镜目距）； ⑹、斜入射光照明，波长为0.55微米，求其分辨率； ⑺、物镜通光孔径； ⑻、系统的总焦距 。
六、显微镜的照明系统
1、 透明物体：利用照明系统发出的光线直接照射到物体上，经过 透射后，进入显微镜成像。有临界照明和柯拉照明两种。 1）临界照明： a）特点： ● 光源经过聚光镜所成之像与物平面重合
定义：在眼睛视网膜上得到的通过望远镜观察物体的象高和直接 观察物体所得的象高之比。
tg仪 tg f1
tg眼 tg
f 2
f1 tg f2 tg
tg f1
tg
f 2
D D
2 f1 2 f 2
D D
a f显 n sinU f显 NA
NA 称为显微镜的数值孔径，是表征显微镜特性的重要参量。
D 500 NA
3、显微镜的视场光阑和视场
在显微物镜的象平面上设置了视场光阑来限制视场。由于显微物 镜的视场很小，而且要求象面上有均匀的照度，故不设渐晕光阑。
显微镜的视场以线视场，即成像物体的最大尺寸表示，它由视 阑的大小决定。线视场y与视阑大小y′的关系为：
5、极限分辨角
分 辨 率: 所能辨别靠近的两个点的极限值。
极限分辨角: 刚能被眼睛分辨开的两个点对眼睛的物方节点所张的角
度。
分辨率 和 极限分辨角 成 反比。 由衍射理论：若取λ =0.00055mm，则眼睛的极限 1.22 0.00055 mm 26626 5 140
近似为：
显微镜的放大率取决于物镜的分辨率或数值孔径。当使用比有效 放大率下限(500NA)更小的放大率时，不能看清物镜已分辨出的某些 细节。若用比有效放大率上限(1000NA)更高的放大率，是无效放大， 并不能使被观察物体的细节更清晰。
四、显微物镜
主要光学特性参数有：
1、 放大率 物
： 物

聚光镜与物镜：视场