工程光学第7章眼睛、放大镜、显微镜、望远镜...
第7章工程光学
2h
500 h 2y 2f tg o P'
F
f’
F’
P’
2y 2 f tg
KD 0 :
tg 2
h a P'
2h
500 h a' o P'
y F F’ f’ P’
’
19
20
7.3 显微镜系统
一、显微镜的视觉放大率 显微镜由物镜和目镜组成，其成像原理如图7-8所示， 它有二次成像过程。首先，近距离物体经物镜成像在目 镜的物方焦点附近，再经目镜按放大镜的方式成像。
第7章 眼睛及目视光学系统
• • • • • §7.1 §7.2 §7.3 §7.4 §7.5 眼睛及其光学系统 放大镜 显微镜系统 望远镜系统 目镜
1
第7章 眼睛及目视光学系统 §7.1 眼睛的光学成像特性 7.1.1 眼睛的结构 —精巧的照相机
人眼是与目 视光学系统 配合使用 的，所以眼 睛应该看成 是整个光学 系统的一个 部分。
7.2 放大镜
7.2.1 放大镜的视觉放大率 设人眼后节点到视网膜的距离为 l ' ，上式 又可写作 式中，
y'i l 'tg i tg i y'e l 'tg e tg e （7-10）
i为用仪器观察物体时，物体的像对人眼所张的视角，
e 为人眼直接观察物体时对人眼所张的视角。视觉放大
眼睛的虹彩可自动改变瞳孔大小，以控制眼睛的 进光量，一般人眼在白天光线较强时，瞳孔缩到2mm 左右，夜晚光线较暗时，瞳孔扩大到8mm左右。 设计目视光学系统时，要考虑仪器与人眼瞳孔的配合。
表示其发散度（会聚度）
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。
眼睛和眼镜 显微镜和望远镜(基础) 知识讲解
眼睛和眼镜显微镜和望远镜（基础）责编：冯保国【学习目标】1.知道眼睛的构造和眼睛视物的原理；2.理解近视眼和远视眼的成因；3.掌握近视眼和远视眼的矫正；4.知道显微镜和望远镜的基本构造；5.理解显微镜将物体放大的原理和望远镜望远的原理。
【要点梳理】要点一、眼睛的结构1、构造：睫状体、瞳孔、角膜、晶状体、视网膜、视神经、玻璃体等部分构成。
2、视物原理：晶状体和角膜的共同作用相当于凸透镜，来自物体的光，经过他的折射后在视网膜上成倒立缩小的实像，再经视神经系统传入大脑，就能看到物体。
3、远点：依靠眼睛的调节所能看清的最远的点。
正常眼睛的远点在无限远处。
4、近点：依靠眼睛的调节所能看清的最近的点。
正常眼睛的近点大约在10cm处。
5、明视距离：正常眼睛观察近处物体最清晰而又不疲劳的距离大约是25cm，这个距离叫明视距离。
要点诠释：1比较项看远处的物体看近处的物体睫状体舒张收缩晶状体变长、变薄变凸、变厚眼球折射能力变弱变强能够看到的最远或最近点无限远处离眼睛10cm左右（近点）图示2、从图中可以看出，一只眼的观察范围大约是150°，而两只眼的观察范围就接近180°。
人的两眼观察范围有很大一部分是相互重叠的。
人只有同时使用两只眼睛，才能准确地判断物体的前后距离。
要点二、【高清课堂：《眼睛眼镜、显微镜和望远镜》】近视眼及其矫正1、近视眼：（1）表现：只能看清近处的物体，看不清远处的物体。
（2）成因：晶状体变得太厚，折射光的能力太强或由于眼球在前后方向上太长，视网膜距晶状体过远，来自远处的光会聚在视网膜之前，视网膜上得不到清晰的像。
如图：2、近视眼的矫正：矫正近视眼，要抵消过度的折光作用。
可配戴用凹透镜制成的近视眼镜，使入射的光线经凹透镜发散后再射入眼睛，会聚点就能移到视网膜上，如图所示。
要点诠释：1、近视眼的远点为有限距离，近点也比正常眼近，因此，近视眼的人习惯紧贴在书上看字。
2、近视眼是因为眼睛调节能力减弱或是眼球前后过长造成的，近视眼应选用适当度数的近视镜片进行矫正，近视眼镜是由凹透镜制成的。
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='。
物理学：工程光学试题(题库版)
物理学：工程光学试题（题库版）1、单选原子发射光谱定性工作中，对粉末样品经常采用（）作为支持电极。
A、石墨电极B、铜电极C、锌电极D、银电极正确答案：A2、名词解释光程正确答案：光经过的实际路径长度与所在介质（江南博哥）折射率的乘积3、问答题什么叫“畸变”？它与什么因素有关？正确答案：轴外点的宽光束和细光束都有像差存在，即使只有主光线通过光学系统，由于球差影响，它不能和第二近轴光一致，主光线和高斯像面焦点的高度不等于理想像高，其差别就是系统的畸变。
4、名词解释电光效应正确答案：在电场作用下，可以使某些各向同性的透明介质变为各向异性，从而使光产生双折射，这种现象称为电光效应。
5、名词解释弧矢平面正确答案：包含主光线，且与子午平面正交的平面。
6、填空题我们通常把分界面两边折射率高的介质称为光密介质，折射率低的介质称为（）。
正确答案：光疏介质7、单选采用调制的空心阴极灯主要是为了（）。
A.延长灯寿命B.克服火焰中的干扰谱线C.防止光源谱线变宽D.扣除背景吸收正确答案：B8、问答题正弦光栅在自身所在平面内分别平移和转动时，对夫琅禾费衍射场的衍射斑有什么影响。
正确答案：正弦光栅在自身所在平面内移动时衍射斑光强分布不变，相位分布发生变化。
在自身平面内转动时，衍射光强和相位分布都发生变化。
9、名词解释物方远心光路正确答案：光学系统的物方光线平行于光轴，主光线的汇聚中心位于物方无限远处.10、填空题发光点发出的光波向四周传播时，某一时刻其振动位相相同的点所构成的等相位面称为波阵面，简称（）正确答案：波面11、填空题棱镜摄谱仪的结构主要由（），（），（），（）四部分（系统）组成。
正确答案：照明系统；准光系统；色散系统；投影系统12、名词解释物方空间正确答案：所有实物点和虚物点的集合构成的空间。
13、填空题交流电弧的激发能力强，分析的重现性好，适用于（），不足的是蒸发能力也稍弱，灵敏度稍低。
正确答案：定量分析14、问答题什么是景深，照相物镜的景深与什么有关？正确答案：能在像面上获得清晰像的物空间的深度是系统的景深。
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7章眼睛、放大镜、显微镜、望远镜...
2014-12-3
1
第七章 典型光学系统
眼睛
放大镜
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
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。
当水晶体两表面不对称时，细光束的两个主截面 光线不交于一点---散光。 用两正交的黑白线条图案可以检验散光，由于存在 像散，不同方向的线条不能同时看清。
两实线重合 双线对准单线
端点重合 叉线对准单线
经常需要将一条直线重合到另一 条直线，但是，要使两条直线完 全重合是不可能的 • 眼睛虽具有发现一个平面上两 根平行直线的不重合能力，但 也有一定的限度 • 这个不重合限度的极限值称为
人眼的瞄准精度。
• 人眼的瞄准精度一般用角度值来表示
2014-12-3
人眼 ↕ 照相机
2014-12-3
水晶体 ↕ ↕ 镜头
视网膜 瞳孔 ↕ 底片 光阑
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。
2014-12-3 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。
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
《显微镜和望远镜》课件
开普勒望远镜的成像原理
如图所示，由于望远镜所观察的物体极远，即物体到 物镜的距离远大于物镜的2倍焦距，所以被观察的物体 可以在物镜的焦点附近成一个倒立、缩小的实像。这 个实像落在目镜的1倍焦距以内，经过目镜后成正立、 放大的虚像。
第一次：倒立、缩 小、实像
第二次：正立、放 大、虚像
1.被观察的物体通过望远镜，第一次成倒立、缩小的 实像，“倒立”是相对于物体而言的；第二次成正立、 放大的虚像，“正立”是相对于第一次所成的像而言 的，所以人眼通过望远镜看到的是物体倒立的虚像。 2.不要用望远镜直接观察太阳，否则会损伤眼睛，甚 至导致失明。
视角
1.定义：视角是从 物体两端（上、下或左、 右）向人眼所引两条直 线间的夹角，如图所示。
2.我们感觉到的物体的大小取决于被观察物体对 眼睛所成的视角的大小。我们看物体时，物体对眼睛 所成的视角越小，看到的物体就越小，甚至可能看不 清楚物体；物体对眼睛所成的视角越大，看到的物体 就越大，对物体观察得就越清楚。
知识点2 望远镜
望远镜的作用 望远镜是用来观察远处物体的一种光学仪器。
开普勒望远镜的构造 望远镜的种类很多，有一种 望远镜( 比如开普勒望远镜) 是由两组凸透镜组成的，如 图所示。
物镜和目镜的特点及作用如下：
1.物镜：靠近被观测物体的一组凸透镜，焦距较长。 作用：相当于照相机的镜头，远处的物体经物镜在焦 点附近成倒立、缩小的实像。 2.目镜：靠近眼睛的一组凸透镜，焦距较短。 作用：相当于一个放大镜，物体(物镜所成的实像)经 目镜成正立、放大的虚像。
3.视角的大小不仅与物体本身的大小有关，还与 物体到眼睛的距离有关，当物体与眼睛的距离一定时， 物体越大，视角越大；当物体的大小定时，离眼睛越 近，视角越大。
(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
《显微镜和望远镜》课件1
把物体的像移近
放大成虚 把物体的像放大
像
原理光路图:
物镜
目镜
原理光路图:
物镜
目镜
显微镜的原理
物镜的作用 目镜的作用 增大视角的方法
显微镜
使被观察 的物体成 一个倒立 的放大的 实像,像投 影仪的镜 头
把物镜成 的实像， 再一次放 大成虚像
把物体的像 放大
光路图说明:
物镜
目镜
2f1
F1 O1 F1 F2
F1 O1 F1 F2
O2
F2
开普勒望远镜
电子望远镜
射电望远镜
“哈勃”空间望远镜
教学用生物显微镜
手术用显微镜
透射电子显微镜
扫描电子显微镜
三种光路图对比
显微镜 天文望远镜
生活望远镜
练习
１通过两个透镜观察物体：
（１）以凹透镜为目镜，以焦距较大的凸透镜 为物镜，调节两者间的距离，观察远处的物体， 你看到的像是_正__立__放__大__的__虚__像______。
显微镜与望远镜
视角:
从眼睛的光心向观察物体的两 端所引的两条直线的夹角。
视角
视角的有关知识:
➢视角越大，对物体的观察越清 楚。
➢视角的大小不仅与物体的大小
有关，还与物体到眼睛的距离有 关。
复习:凸透镜成像规律
u>2f
2f F
F 2f
f<u<2f 2f F
F 2f
照相机 投影仪
u<f 2f F
F 2f
放大镜
思考：要得到放大的像，可以使用哪些方法？
望远镜
目镜 望远镜(显微镜)
物镜
显微镜
靠近眼睛
工程光学第7章典型光学系统
物体位于明视距离处对人眼的张角放大镜的工作原理250mm,r=−两块密接透镜构成的放大镜显微镜物镜物平面到像平面的距离称为共轭距。
各国生产的通用显微物镜的共轭距离大约为190mm 左右。
我国适用于远视眼的视度调节适用于近视眼的视度调节F eF F eF满足齐焦要求：调换物镜后，不需再调焦就能看到像——物镜共轭距不变加反射棱镜、平行平板镜的焦面上，然后通过目镜成像在无限远供人眼观察。
无限筒长显微镜：被观察物体通过物镜以后，成在无限远，在物镜的后面，另有一固定不变的镜筒透镜(我国规定焦距250mm)，再把像成在目镜的焦面上。
7.3 望远镜§7.3.1 望远镜的工作原理望远镜系统的结构望远镜中的轴外光束走向'tan 'o y f ω=−视角放大率：'tan 'f ω望远镜系统中平行于光轴的光线(a)开普勒望远镜系统和(b)伽利略望远镜系统(a)(b)两类望远镜系统中的轴外光束走向开普勒式望远系统加入场镜的系统=1:2.8照相镜头可变光圈孔径光阑探测器视场光阑−UU′聚光镜显微物镜光源物面孔径光阑孔径光阑可变，调节进入显微物镜的能量，调节入射至显微物镜的光束孔径角，与显微物镜的数值孔径相匹配。
其缺点是光源亮度的不均匀性将直接反映在物面上。
双目望远镜系统望远镜系统简化出瞳距望远镜系统简化'30mmD D =Γ=''tan 8mmo y f ω=−='5mmD =光阑位置D 物D 分D 目l z '01.22d λ=艾里斑Airy disk2)实验系统相同，所用光波波长愈短则艾里斑愈小；U ′刚能分辩的两个像点min0.15≈角距离时人眼还2mm视觉细胞的直径，约5μm U′显微物镜的分辨率'σβσ=显微镜的几何景深2''x u δ≈Δ⋅弥散斑。
工程光学 典型光学系统
2、非正常眼睛及其矫正
1）近视眼：无穷远物点成像于视网膜之前，远点为有限远。加负透镜 (ຫໍສະໝຸດ 距与远点重合) 将远点校正到无穷远
50岁之后， 老花眼！
Myopia/ Nearsightedness
H
H
2）远视眼：无穷远物点成像于视网膜之后； 近点变远，非明视距离。
Hyperopia/ Farsightedness
★ 自外层至内层的折射率 n 逐渐增大（1.37→1.41）——校正像差 ★ 调节肌作用改变水晶体曲率(焦距)，不同距离物均成像于视网膜。
8、后室：水晶体后、由视网膜包围的空间，玻璃液n =1.336。
9、视网膜(Retina)：后室内壁、连接脉络膜的一薄膜，由神经 调节肌 细胞和神经纤维构成。 ——感光和成像的位置。 (1) 辐射接收器 杆状细胞：对光刺激极敏感， 感光（明暗视觉） 锥状细胞：感色（色视觉） (2) 黄斑(Macula)：视网膜中部、黄色椭圆形区域。 中心凹：黄斑点中心D ≈0.25mm区域，密集感光细胞， 视觉最灵敏。 (3) 盲斑（点）：视神经的出口，无感光细胞。视网膜的像被 传输至大脑形成视觉。
★眼睛的散光度： AST
R1 R2
1 R 视度 lr
圆柱面透镜 可校正散光
（4）白内障：水晶体变为浑浊而不透明。
手术治疗
(5)斜视:水晶体位置不正或折射面曲率异常 矫正应配戴光楔
四、眼睛的适应能力
★ 适应：眼睛对周围空间光亮情况的自动适应程度。
明适应：从暗处到亮处—— 瞳孔自动缩小 暗适应：从亮处到暗处—— 瞳孔自动增大
老年
+200→+40cm
约-200cm
★ 远点发散度（会聚度）： R 1 lr ★ 近点发散度（会聚度）： P 1 lp
工程光学习题解答--第七章-典型光学系统
灯丝到物面的距离100mm临界照明
求: 和通光孔径.
解:
∴
∴
6．为看清4km处相隔150mm的两个点（设 ），若用开普勒望远镜观察，则：
（1）求开普勒望远镜的工作放大倍率；
（2）若筒长 ，求物镜和目镜的焦距；
（3）物镜框是孔径光阑，求出射光瞳距离；
（4）为满足工作放大率的要求，求物镜的通光孔径；
④
15．一透镜焦距 ，如在其前边放置一个 的开普勒望远镜，求组合后系统的像方基点位置和焦距，并画出光路图。）
解： ,求得：
答：组合后的焦距是-180mm。基点位置如图所示。
其光路图如下所示：
16．已知， 的双凸透镜，置于空气中。物A位于第一球面前 处，第二面镀反射膜。该物镜所成实像B位于第一球面前 ，如图所示。若按薄透镜处理，求该透镜的折射率n。（）
解：
14．开普勒望远镜的筒长255mm， ， ， ，无渐晕，
（1）求物镜和目镜的焦距；
（2）目镜的通光孔径和出瞳距；
（3）在物镜焦面处放一场镜，其焦距为 ，求新的出瞳距和目镜的通光孔径；
（4）目镜的视度调节在 （屈光度），求目镜的移动量。
① 解得
②
由三角形相似得：
有大三角形相似得：
③
物镜经场镜成像
经目镜成像
(5)
(6)
(7)望远系统光路图如下：
18.思考题
1、用一具已正常调节的望远镜，用来观察地面上的建筑物，怎样调节镜筒的长
度？
答：一具已正常调节的望远镜是用来观察极远的问题的。对物镜而言，物距
接近无穷远，其像距就是物镜的焦距；而对于目镜而言，目镜的物距就是它的焦
距，目镜的像距为无穷远。所以此时筒长等于两透镜的焦距之和。当用它观察地
工程光学第7章
如果眼睛紧贴放大镜，即P’=0，则
y’
P’ ’
y
F’ f’
14
-l’
二．光束限制和线视场
放大镜
眼瞳：孔径光阑，系统的出瞳 放大镜框：视场光阑，入窗，出窗，同时也是渐晕光阑 （视场光阑与物面不重合） 虚像平面
KD=0 KD=0.5 KD= 1
场阑
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
2 fe x 1000
2 2 Nf e 5 fe x 1000 1000
44
45
目镜
三.目镜类型
1. 惠更斯目镜
出瞳
y
1’
2’
’
15
•
当物面位于放大镜前焦面时，其线视场2y
（50%渐晕）:
K D 0.5 :
tg h P'
y ’ f’ F
500h 2y 2 f tg o P'
F’
P’
16
y F f’
’
2y 2 f tg
KD 1 :
500 h a' o P'
35
望远镜系统
1. 开普勒望远镜
2. 伽利略望远镜
Fo’ Fe
36
望远镜系统
二. 望远镜系统的分辨率和工作放大率
望远镜的分辨率用极限分辨角表示。艾里斑 半径 a=0.61 /n’sinu’ 1. 按瑞利判断
a 1.22 140 f o D D
工程光学7-1
一、显微镜的视觉放大率
机械筒长：
把显微镜的物镜和目镜取下后，所剩的镜简长度称 为机械筒长，也是固定的。 各国有不同的标准，如160mm、170mm、190mm等， 我国规定160mm作为物镜和目镜定位面的标准距离。
ε以(')为单位。
五、眼睛的对准精度 对准和分辨是两个不同的概念，
分辨是指眼晴能区分开两个点或线之间的线距离或 角距离的能力，
对准是指在垂直于视轴方向上的重合或臵中过程。 对准后，偏离臵中或重合的线距离或角距离称为对 准误差。
两实线重合，对准 误差为±60‚， 两直线端部重合， 对准误差为±10"-20" 双线对准单线和叉 线对准单线，对准 精度均可达之±10"。
在阅读时，或眼睛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，称此距离为明视距离。 正常眼： 眼睛的远点在无限远，或者说，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。
第一节 眼晴及其光学系统
二、眼睛的调节及校正
近视眼： 若远点位于眼前有限眼晴---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。
两种细胞具有完全不同的性质和完全不同的功能。
杆状细胞对光刺激极敏感，但完全不感色; 锥状细胞感光能力比杆状细胞差得多，但它们能对各 色光有不同的感受， 在亮照明时，视觉主要由锥状细胞起作用，
远视眼： 远点位于眼后有限距离，称为远视眼。 50岁以后的远视眼，也称作老花眼。
二、眼睛的调节及校正 眼睛的校正：
欲使近视眼的人能看清无限远点，必须在近视眼前 放一负透镜，使其后焦点F’与远点重合。
欲校正远视眼，需在远视眼前放一正透镜，使其焦 距恰等于远点距。如图
大学工程光学第七章2
t
e
望远镜的主观亮度
主观亮度指眼睛观察到的像的明亮程度。望远镜的 主观亮度对点光源和扩展光源具有不同的特征。
工程光学
1.点光源：指引起视网膜上一个细胞感应的光源，这 时感觉到的明亮程度取决于光通量。
设点光源发光强度为 I , 观察距离为l ，ke 是眼睛
的透过率，ki 是望远镜的透过率。 眼睛直接观察时接收的光通量为
工程光学
光圈数
2 2.8 4 5.6 8 11 16 22 32 曝光量
光圈优先：取决于被摄物是全景还是特定，根据景 深要求选择光圈数。 快门优先：取决于被摄物是静止的还是运动的运 动速度如何。
工程光学
2.视场光阑 摄影光学系统的视场光阑就是接收面，如底片框或图 像传感器成像面。
摄影光学系统的景深 景深指当调焦于某一对象时，前后能成清晰像的 空间深度。
工程光学
正像，筒长较短，无实像面，不能用于测量。 眼 瞳为孔阑，物镜为渐晕光阑，有渐晕。
工程光学
望远镜的放大率
望远镜是目视光学系统，其放大率为视觉放大率：
tgw'
f
' o
D
tgw
f
' e
D'
D是入瞳直径 D’是出瞳直径
可见，当物镜的焦距大于目镜的焦距时视觉放大。
筒长
L
fo'
f
' e
当目镜焦距一定时，视觉放大率大要求物镜焦距长， 导致筒长增大。
所以，对准距离远，则景深大；
工程光学
光圈数大，相对孔径小，则景深大；
焦距短，则景深大。
几何焦深
如果调焦不准，在景像平面上得一弥散斑。若将景像 平面前后移动，弥散斑的大小看起来仍为一点。这时 景像平面移动的范围称几何焦深。
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显微镜
望远镜 目镜 摄影系统 投影系统 变焦距光学系统
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
角膜
巩膜 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 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；
2014-12-3 6
人眼的构造剖视图
瞳孔 角膜
巩膜
②两物体横向距离太远；
③物体位于两眼的垂直平分线上； ④两物体之一为直线，且与两眼中心 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 l tan tan ye tan y / D D 250mm,明视距离
人眼的构造剖视图
瞳孔 角膜 虹膜
巩膜 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 2014-12-3 5 孔径光阑。
人眼的构造剖视图
瞳孔 角膜 虹膜
巩膜
网膜 脉络膜 黄斑中心凹
人眼 ↕ 照相机
2014-12-3
水晶体 ↕ ↕ 镜头
视网膜 瞳孔 ↕ 底片 光阑
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。
2014-12-3 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。
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。
2014-12-3
1
第七章 典型光学系统
眼睛
放大镜
人眼的构造剖视图
巩膜 瞳孔 角膜 前室 晶状体 盲斑 虹膜 网膜 脉络膜 黄斑中心凹
后室 总能将像成在网膜上。 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
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人眼的构造剖视图
巩膜 瞳孔 角膜
1.376
虹膜
网膜 脉络膜 黄斑中心凹 视轴
(屈光度) -14 -10
(屈光度) 0 0
(屈光度)
14 10
30 40 50 60 70 80
2014-12-3
-0.143 -0.222 -0.40 -2.00 1.00 0.40
-7 -4.5 -2.5 -0.5 1.00 2.50
∞ ∞ ∞ 2.0 0.80 0.40
0 0 0 0.5 1.25 2.5
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）；
主平面 H和 H距角膜顶点后约 1.3和1.6mm； 焦距约为：
f 17mm, f 23mm
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： 1 1 A RP lr l p
A b / L
两不同距离的物点对应不同 的视差角，其差异—立体视差。 立体视差大，人眼感觉两物体 的纵向深度大。 能感觉到的最小立体视差—体视锐度。
无限远物点对应的视差角为零，当物点对应的 视差角等于体视锐度时，人眼刚好可分辨它和 无限远物点的距离差别，这个距离为人眼能分 辨远近的最大距离—立体视觉半径：
可以看出，极限分辨角不仅与入射光线的波长有 关，而且还与眼睛的瞳孔直径有关。 • ε = 50~ 120”； • 在良好的照明条件下，一般认为
ε = 60” = 1’
• 认为人眼的极限分辨角为1´。 • 在设计光学系统时就必须考虑眼睛的分辨率。
2014-12-3
25
一般视觉鉴别率取1 时，视觉敏锐度为1。 当瞳孔直径增大时，眼睛光学系统像差增大， 分辨能力随之减小。 对于目视光学仪器，光学系统的放大率和被观察 物体所需要的分辨率的乘积应等于眼睛的分辨率。 五. 眼睛的对准精度
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六、眼睛的景深
ε
c d
设Dp为人眼的直径，ε为节点处的人眼分辨角
由图可知：ab = - pε ΔabA2∽ΔA2cd
Dp pDp p ; p2 p2 p2 p Dp p
Dp
由ΔA1ab∽ΔA1cd 远景深 近景深
pDp p ; p1 p1 p p1 D p p
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
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。
当水晶体两表面不对称时，细光束的两个主截面 光线不交于一点---散光。 用两正交的黑白线条图案可以检验散光，由于存在 像散，不同方向的线条不能同时看清。
Lmax b / min 1200 m
双眼能分辨两点间的最短深度距离—立体视觉阈： 2 L L / b 物体越远， 立体视觉误差越大
b 62m m, min 10 0.00005 L 8 104 L2
不能产生体视感觉的几种情况： ①如右图，C、D两点的像在右眼重合；
虹膜
网膜 脉络膜 黄斑中心凹
晶状体
盲斑 神经纤维 盲斑
黄斑中心凹是人眼视觉最灵敏的地方。
光
视神经细胞
大脑
7
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， 2014-12-3
人眼的构造剖视图
瞳孔 角膜
巩膜
虹膜
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 能改变晶状体的表面曲率，使人眼在看远近不同的物体时， 2014-12-3 8
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。
明视距离：250mm。 远点在无限远---正常眼； 远点在眼前有限远---近视眼；（负透镜校正） 远点在眼后有限远---远视眼；（正透镜校正） 50岁以后的远视眼---老花眼。
27
即两线宽的几何中心线对人 眼的张角小于某一角度值α 时，虽然还存在着不重合， 但眼睛已经认为是完全重合 的，这时α 角度值即为人眼 瞄准精度。
• 人眼对于线条的变形或两条线错开 造成的外形变化或比较两条线宽的 变化具有很高的灵敏度。 • 人眼通过两物的比较发现它们外形 变化的能力比分辨它们要强得多。
p 2 1 p p1 D p p
p 2 p2 p D p p
2
若眼睛调节在无限远，P＝∞，远、近景深距离为
P1∞＝+DP/ε P2∞＝－DP/ε
双目观察物体时，视差角； 视觉基线—两眼节点连线； 物体远近不同，眼球转动 角度不同，肌肉的紧张不 同，从而感知物体远近。
简约眼参数： 介质折射率：n=1.3333 物方焦距：f '≈-17mm 折射面半径：r1=5.77mm 像方焦距：f '≈23mm
光焦度：D=58.48(1/m)
2014-12-3
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
两实线重合 双线对准单线
端点重合 叉线对准单线
经常需要将一条直线重合到另一 条直线，但是，要使两条直线完 全重合是不可能的 • 眼睛虽具有发现一个平面上两 根平行直线的不重合能力，但 也有一定的限度 • 这个不重合限度的极限值称为
人眼的瞄准精度。
• 人眼的瞄准精度一般用角度值来表示
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三. 眼睛—辐射接收器
杆状细胞对光刺激敏感，但不感色； 锥状细胞对颜色敏感，但感光能力差。 明视觉时，锥状细胞器作用；暗视觉时，主要杆状 细胞起作用。 适应有暗适应和亮适应两种，前者发 对光亮的自适应。 生在自亮处到暗处时，过程较慢，极
限为 60 分钟；后者发生在自暗处到亮 处时，过程较快，只需要几分钟。
前室
1.336