工程光学第七章典型光学系统
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
29
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。
30
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 ’
第七章典型光学系统_工程光学
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
工程光学习题参考答案第七章典型光学系统
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：①Γ② 2y ③l 解：①fDP '-'-=Γ1 25501252501250-+=''-+'=f P f 92110=-+=②由%50=K 可得： 18.050*2182=='='P D tg 放ωωωtg 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='。
光学第7章_典型光学系统
镜 头
快门速度（Shutter Speed） 快门是控制曝光时间长短的装置(机械或电子)。一般 从 1/8000秒到30秒之间不等。
光圈快门及其相互关系 光圈是相机镜头中的可以改变中间孔的大小的 机械装置，快门是控制曝光时间长短的装置。 二者结合，共同控制曝光量。
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。
三、眼睛的分辨率 人眼能分辨两像点间的最小距离=视神经细 胞的直径——分辨能力。 当两像点落在同一视觉细胞上时，人眼无法 分辨；但当两像点距离大于等于细胞直径时， 两像点不可能落在相邻细胞上，则眼睛可分辨
五、远心光路
显微系统用于测量尺寸时，视场光阑处常 放分划板，调焦使被测物的像与之重合。
调焦不准带来测量误差。 孔径光阑位于物镜像方焦平面上：物方远心光路
远心成像镜头
第四节
望远镜系统
望远镜是为了看清楚远处物体。
倒立像
视觉放大率：
对于开普勒望远镜：
tg ' tg f0 ' D / D' fe '
望远镜的物距几乎是无限大，实用中调节物距是无效 的．故我们可以调节物镜和目镜的间距，使物镜的像 正好落在目镜的焦平面上．
第六节 摄影系统
一、摄影物镜的光学特性 1.视场 成像范围
2.分辨率 像平面上每mm内能分辨开的线对数。 NL = 1475 D/f’ = 1475/F F = f’/D 物镜的光圈数
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 典型光学系统(2013总第13讲)
第八节
波像差
从物点发出的波面经理想光学系统后，其出射波面应是球面，而实际 波面与其存在一定偏差。当实际波面与理想波面在出瞳处相切时，两波面 间的光程差即波像差。 波像差也是孔径的函数，几何像差越大波像差也越大。对轴上物点， 单色光的波像差与球差有如下关系：
n' W 2
0
Um
'
L du
'
'2
波像差越小系统的成像质量也越好。瑞利判断法认为，光学系统
正弦差仅适用于小视场，而彗差可用于任何视场。
计算正弦差时，在计算球差的基础上，只需计算一条“第二近轴光 线”；彗差必须对每一视场计算相对主光线对称入射的上、下两条光线。
第五节
像散和场曲
一、像散：用子午细光束焦点和弧矢细光束焦点投影到光轴上的间距表示 轴外点发出的宽光束经单个折射球面存在彗差。若将光阑缩到无限小，则入 射光线为无限细光束，此时出射光线交于一点，彗差不存在，但存在像散和场曲。 存在像散时，平面物在像方会形成子午像面和弧矢像面，均为对称于光轴的 旋转曲面，相切于理想像面与光轴的交点。无像散时，子午像面和弧矢像面重合。 像散的校正：使某一视场（一般是0.7视场）的像散值为零，但其它视场仍 有剩余像差存在。对单个折射，没有正弦差的物点位置（齐明点）和光阑位置 （光阑在球心）也不存在像散。消像散系统一般由正、负透镜适当组合而成。 二、场曲：垂直于光轴的物平面经光学系统后成像在以光轴为对称的弯曲表面。 场曲的校正通常是对细光束而言，方法与球差校正方法类似。像散和场曲同 时矫正的匹兹伐条件：将镜头使用的单镜片数，加在各单镜片的折射率乘以焦点 距离的积的倒数上，它的和最好等于零，这个和叫做匹兹伐和数。
第二节 光线的光路计算
对有特征意义的光线进行光路计算，比较理想光学系统成像情况与实际光 线成像特性，研究不同视场的物点对应不同孔径和不同色光的像差值。
(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
工程光学第七章典型光学系统
NA=nsinu称为显微物镜的数值孔径，与物镜的垂轴放大 率一起，刻在物镜的镜框上，是一重要光学参数。
工程光学第七章典型光学系统
20
四、显微镜的分辨率和有效放大率
分辨率受孔径光阑的影响，点源形成的像为一个衍射斑， 称为艾里斑，集中83.78%的能量，代表中心位置。 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。设艾里斑半径为a。则：
器观察物体时视网膜上的像高与用人眼直接观察物体时
视网膜上的像高之比；或通过目视光学系统观察物体时，
其像对眼睛张角的正切与直接看物体对眼张角的正切之
比。即：
工程光学第yy七ei章典型tt光gg学ww系统
12
对放大镜，人眼直接观察时，一般把物体直接放在明
视距离上，D=250mm,则：
tgw y 250
19
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
又 sin u tg u D 2fe nsinuD 500m m
为0.65,机械筒长170mm，物镜对玻璃厚度d=0.17mm的玻璃盖板
校正像差的。
工程光学第七章典型光学系统
22
五、显微镜的景深
当眼通过显微镜调焦于某一平面（对准平面）时，在对准平面前和 后一定范围内的物体也能清晰成像，此距离即为显微镜的景深。 一种为不考虑眼睛调节能力时显微镜本身的景深，为几何景深；另 一种为考虑眼睛调节能力带来的景深，为调节景深。
工程光学 典型光学系统PPT课件
眼睛及其光学系统
放大镜 显微镜系统 望远镜系统
目视 光学系统
目镜
第一节 眼睛及其光学系统
一、眼睛(Eyes)的结构
调节肌
1、巩膜：包围眼球的白色 不透明外层，D≈25mm.
2、角膜(Cornea)：眼球前突出的透明球面膜，
r≈8mm，n ≈1.38；
——主要折射成像界面(角膜—空气)
眼球横切面
3、前室：角膜后水晶体前的空间，充满透明水状液n =1.336。
1、调焦（对准）平面上的物点——视网膜上的点像
2、远景、近景平面上的物点——视网膜上的像为弥散斑
若弥散斑可看作一像点， 则要求其对人眼张角小于极限分辨角。
八、双目立体视觉
1,视差角
A
A
A
B
l
B
a1
a2 b2a2源自b1 a1b视觉基线
2,视差、体视锐度
视差：
视差越大，两物体的纵向 深度越大，反之越小
二、瑞利判据 ：等亮度的两个物点，其一衍射图样的中央 极大与另一衍射图样的第一级极小重合时，认 为刚好能分辨这两个物点。
——能分辨的两个等亮度点间的距离对应于艾里斑半径。
无限远物点被理想光学系统成衍射图案： 第一暗环半径对出瞳中心的张角：
=1.22 / D,入瞳直径D的函数
——能分辨的二点间的最小角距离
2、眼睛+目视光学仪器：视角可被目视光学仪器放大。 观察物体所需分辨率×目视光学仪器的放大率=眼睛分辨率
★ 不同的目视光学仪器，通常选择的物距为： 1）放大镜、显微镜：观察物位于明视距离附近； 2）望远镜：观察物位于远处或无穷远。
第二节 放大镜 （The Magnifying Glass）
一、放大镜的成像原理
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。
第七章典型光学系统_工程光学
4）数值孔径、出瞳D’：NA＝nsinu, D'＝500NA/Г
3
5）物镜的分辨率：
a
0.61 0.61 n sin u NA
6）显微镜的有效放大率：500NA≤Г≤1000NA 7）物镜的景深：NA, 8）视度调节：
2 2 Nf ' e 5 f 'e x (mm) 1000 1000
0＝D/f '＝250/f '
250 P' ＝ 1 f' f'
2
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： tg '
tg
Г＝250/f ' 3）线视场公式：
250 e f '0 f ' e
500tg ' 500tg ' 2y e
1）系统的基本要求（像差、照明）
2）主要光学参数（4个：
D ） f ' 2 ' f'
3）其照明系统的衔接条件（2条）
8
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？
l ' tg ' tg ' y' e l ' tg tg y'i
1
3.放大镜的视觉放大率为何？（注意条件）
5. 临界照明和坷拉照明中的光瞳衔接关系？
4
6. 关于望远系统（开普勒）：
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
工程光学第七章 典型光学系统
★ 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。
9、视网膜(Retina)：后室内壁、连接脉络膜的一薄膜，由神经 细胞和神经纤维构成。 调节 ——感光和成像的位置。 肌
(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。
★ 两物点的间距逐渐变小时，对应像点的位置变化： (a) (b) (c)
★系统的分辨率：光学系统能分开两个像点的最小距离。
二、瑞利判据 ：等亮度的两个物点，其一衍射图样的中央 极大与另一衍射图样的第一级极小重合时， 认为刚好能分辨这两个物点。
——能分辨的两个等亮度点间的距离对应于艾里斑半径。
无限远物点被理想光学系统成衍射图案：
第一暗环半径对出瞳中心的张角：
=1.22 / D, 入瞳直径D的函数
——能分辨的二点间的最小角距离
0.555 m
=140 / D, D(mm)
补充 2：目视光学仪器
一、裸眼直接成像：
★ 视角ω ：
ye y tan l l0
y
眼睛的光心O0：眼睛节点, 主点近似看做重合的位置
4、物体经眼睛成像于视网膜 ★ 眼睛的光心O0：眼睛节点、主点近似看做重合的位置。 （进一步简化）
★ 视角ω ：
y y1 tan l l0
y1
1 (
y 2 2 (
O0
l
l0
y2
y1
★ 人眼对物体大小的感觉，取决于像在视网膜上的大小； 或，视网膜上的像对眼睛光心张角（视角）的大小。 ★ 视角取决于物的大小和物距，但是物距必须在近点之外。
典型光学系统_工程光学
3）分辨率公式：1/N＝1/NL＋1/Nr
NL＝1/σ＝D/1.22λf ’
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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
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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： 3）线视场公式Г：＝250/ f'ttg g' f2'05f '0 e e 4）数值孔径、出瞳D’：50NtAg0＝'nsi5nu0,tg0 D'＝500NA/Г
2y e
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？
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y'i l'tg' tg' y'e l'tg tg
1
＝2501 P' f' f'
3.放大镜的视觉放大率为何？（注意条件） 0＝D/f '＝250/f ཆ.61
nsinu NA
6）显微镜的有效放大率：500NA≤Г≤1000NA
7）物镜的景深：NA,
8）视度调节： xN'fe2 5f 'e2(mm )
10001000
5. 临界照明和坷拉照明中的光瞳衔接关系？
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6. 关于望远系统（开普勒）：
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•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。
•三、眼睛对光强度变化的适应 •眼对不同亮暗环境的适应能力称为眼的适应。 •主要原因：①当亮照明时，起作用的视细胞是灵敏度高 的锥状细胞；②暗照明时，起作用的视细胞是灵敏度低的 柱状细胞。 •次要原因：瞳孔的自动增大和缩小。 •适应分为：①明适应：由暗处到亮处，适应时间大约几 分钟；②暗适应：由亮处到暗处，适应时间大约30～60分 钟。
•一、视觉放大率 •目视光学仪器的基本工作原理是通过光学仪器，其像 对人眼的张角大于人眼直接观察物体时对人眼的张角。 因此放大率不能用前面介绍的横向放大率或角放大率来 表示。因观察物体时经仪器后成像在人的视网膜上。
•所以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与用人眼直接观察物体 时视网膜上的像高之比；或通过目视光学系统观察物体 时，其像对眼睛张角的正切与直接看物体对眼张角的正 切之比。即：
•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。
•②远视眼
•其网膜离水晶体太近或水晶体表面曲率不够大，导致明 视距离处物点成像在网膜的后面，其远点在眼睛之后，近 点在眼前较远处或眼睛之后。 •配一正光焦度凸面透镜，使明视距离处物点能成像在网 膜上，其焦距恰好等于远点距。
•对放大镜，人眼直接观察时，一般把物体直接放在明 视距离上，D=250mm,则：
•当人眼通过放大镜观察 物体时，虚象对人眼的 张角为：
•可见放大镜的视觉放大率不是常数，取决于观察条件 （P′和l′)： •①当眼调焦在无限远时， l′=∞时，物体放在放大镜 的焦点上。
•此时算出的视觉放大率作为放大镜和目镜的光学常数 ，标注在镜筒上。 •②正常视力的眼睛一般把物调焦在明视距离D上，则 P′-l′=D,则：
•像方视场角为：
•渐晕系 数
K=100
•渐晕系 数K=50
•渐晕系 数K=0
•当用于近距离观察小物体时，常用物方线视场2y来 表示放大镜的视场。当物面放在放大镜焦平面上时 ，像平面在无限远，线视场为：
•③散光眼
•眼的水晶体或角膜表面的不对称，眼的光焦度在不同方 向上不同，造成一物点发出的光束经眼睛不能相交于一点 。散光眼在观看辐射状直线圆形时只能看清某个方向的线 条，与此垂直的线条则觉得模糊。在两个相互垂直的方向 上（散光轴），光焦度分别有最大、最小值，两者差称为 散光度。 •散光眼需用柱面透镜校正。如为近视散光或远视散光用 球柱面透镜校正。
工程光学第七章典型光 学系统
2020年7月11日星期六
•主要介绍以下成像光学系统的成像特征和设计方法 •①成虚象的目视光学系统（放大镜、显微镜、望远 镜） •②成实像的眼睛、摄影和投影系统。
•§7-1 眼睛及其光学系统
•眼睛既是一个完整的成像光学系统，又是一个目视 光学系统的接受器，可以看成整个光学系统的一个 组成部分，因此它的构造和成像特性在设计和研究 目视光学系统时要考虑。 •一、眼睛结构
•常用的瞄准方式有：两实线瞄准、两实线端部瞄准、 双线平分瞄准、虚线实轮廓线瞄准。
•分辨率ε′和瞄准精度α′是两个不同概念。分辨率 适用于观察用显微镜，瞄准精度适用于测量显微镜 ，且ε′=Kα′。K与不同的瞄准方式对应。
•高的瞄准精度不仅取决于高的分辨率，也取决于合 适的瞄准方式。
§7-2 放大镜
•⑥网膜 •后室内壁一层由神经末稍组成的视网膜，是感光部分。物 体成像在其上是倒像，但由于神经的内部作用，感觉仍然 是正像。 •⑦黄斑 •网膜上视觉最灵敏的区域。 •⑧盲点 •视神经的出口，没有感光细胞，不产生视觉。 •因此，眼睛如同一个自动调焦和自动改变光圈大小的照相 机，从光学角度看，眼睛中的水晶体、瞳孔、网膜分别对 应于照相机中的镜头、光阑和底片。
•四、眼睛的分辨率和瞄准精度
•眼能分辨两个很靠近点的能力，为眼的分辨率；能分辨 的两个最近两点对眼的张角，为其最小分辨率（ε′）， 在明视场中ε′=1 ′。
•在光学测量中，用某种标志对目标在垂直于光轴的方 向上进行重合或置中，这一过程为瞄准。瞄准后，偏离 完全重合或置中的程度称为瞄准精度（误差）。