第七章 典型光学系统

L sin2 U

1 L
4
D2 f 2




2 P
P
2
当物在 无限远( =0) E

1 L
4 24
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。
伽利略 望远镜
13
二、望远系统的分辨率及工作放大率
望远镜的分辨率用极限分辨角φ表示，
按瑞利判断：
按道威判断有：


a f0
0.61
f0n
sin
u

像空间n
1,sin u

D 2
f0




140 D
120
D
取 555nm


因望远镜是目视光学仪器，受人眼分辨率限制，即两个物点
二、摄影物镜的类型
摄影物镜属于大视场、大相对孔径的光学系统，为了获得 较好的像质，要校正轴上点像差，又要校正轴外点像差。
25
普通摄 影物镜
长焦距 摄影物
镜
变焦距 摄影物
镜
26
天塞 物镜
广角 物镜
因此，望远镜的物方视场角ω满足：
tg y
f0
分划板 半径
其2ω一般不超过15°，人眼观察时，必须满足光瞳相衔接，
才能看到望远镜的全视场。
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§7-5 目镜
目镜的作用与放大镜类似，把物镜成的像放大在人眼的 远点或明视距离。其光学参数有：焦距、视场角、相对 镜目距、工作距。
一、视场
目镜的视场取决于望远镜的视觉放大率和物方视场角
生物显微镜多为透明标本，常用透射光亮视场照明，分为 临界照明和柯勒照明。 临界照明：把光源的像成在物平面上，故光源表面亮度的 不均匀性会影响显微镜的观察效果。
聚光镜的出瞳和像方视场分别与物镜的入瞳和物方视场重合8 。
柯勒照明消除了临界照明中物平面光照度不均匀的缺点， 它由两组透镜组成，前组透镜为柯勒镜，后组透镜为成像 物镜。
物体经物镜后成像在视场光阑（直径为D）上，则其线视场为：
2y D

视场光阑的大小 应与目镜的视场 角一致：
D fe
2 fetgw 250 e

D

500tgw e
2 y 500tgw
e
500tgw
表明：在选定目镜后，显微镜的视觉放大率越大，其在物空间
望远镜的物镜f0‘>0,目镜有两种：fe‘>0为开普勒望远镜。
放大率：
wenku.baidu.com
fe'
fo'


fo' fe'
开普勒 望远镜
10
其视觉放大率为：


tg仪 tg眼

tg(像方视场角) tg眼 (物方视场角)

f0 fe


D D
手持望远镜的放大率不超过10倍，大地测量望远镜大约 为30倍，天文望远镜更高。 开普勒望远镜成倒像，需加入转像系统成正像。转像系
显微镜的有 效放大率
显微镜上标明170mm/0.17;40/0.65。表示放大率为40，数值孔径
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。
6
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。
1
一、显微镜的视觉放大率
因显微镜实质是一组合光
组，其视觉放大率为：
250
(f 为组合焦距,单位mm)
物镜的垂 轴放大率
f f f1f2



g250 f1 f2


g2
目镜的视 觉放大率
表明：显微镜的视觉放大率是物镜垂轴放大率与目镜视觉放大率
的乘积。物镜倍率有4、10、40、100；目镜有5、10、152。
拍远处物体时，像的大小为： y f tgw
拍近处物体时，像的大小为：y y yf x
22
感光元件框是视场光阑和出窗，决定成像范围。 当接收器尺寸一定时，
广角
物镜的的焦距 越短，视场角越大。 物镜
越长，视场角越小。 远摄
物镜
普通照相机标准镜头的焦距为50mm。 拍远处物体时，物方最大视场角为：
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：
a 0.61
显微镜的分辨率以能分n辨 s的in物u方两点间最短距离σ来表
示，即：
a 0.61 0.61 nsin u NA
若按道威判断两相邻衍射斑中心距为0.85a时，能被分
辨开，即：
目镜的理
0.85a 0.5 NA
想分辨率
5
距离为σ的两个点不仅被物镜分辨，且通过显微镜放大， 能被眼区分开，设眼的分辨角距离为2‘~4’。 则在明视距离上对应的线距离σ‘为：
22500.00029mm 42500.00029mm
把σ‘换算到物空间，按道威判断取σ值，则：
2 250 0.00029mm 0.5 g 4 250 0.00029mm
NA
设λ=555nm，得：
523NA 1046NA 近似 得到500NA 1000NA
一般最大的NA为1.5,则有效放大率 最大不超过1500倍。
fe fe
可见当Γ较大时，镜目距近似等于目镜的后截距。即：
P lF
三、工作距
指目镜第一面的顶点到其物方焦平面的距离。目镜的视场 光阑与物镜的视场光阑重合，位于目镜的前焦平面上。为 适应近视眼与远视眼的需要，视度是可以调节的，因此工 作距要大于视度调节的深度，视度调节的范围一般在 ±5D。
柯勒镜的孔阑 物镜的视阑
柯勒镜的视阑 物镜的孔阑
柯勒照明是“窗对瞳，瞳对窗”的光管，调节光阑2有利于 减少有害的散射光。调节1减少有害的杂散光，提高对比度。
9
§7-4 望远镜系统
望远镜系统是一种能把远距离物体的张角放大，便于进行观察和瞄 准的目视光学仪器。
一、工作原理
使入射的平行光束仍保持平行射出的光学系统。其物镜的像方焦点 和目镜的物方焦点重合。即光学间隔Δ=0，是无焦系统。
通过仪器后对人眼的视角必须大于人眼的视觉分辨率1‘。
60 60 D 2.3


140 D

D
即为满足分辨率要求的最小视觉放大率，称为有效放大率（
正常）。为看起来舒服常取Γ的2~3倍，称为工作放大率1。4
三、望远镜的视场
开普勒望远镜的物镜框是孔径光阑，也是入瞳；出瞳在目镜 外面，与人眼重合。目镜框是渐晕光阑，一般允许有50%的 渐晕。物镜的后焦面上放置分划板，为视场光阑。
1.22
f

取0.555m NL
1475D f
1475 F
物镜的 光圈数
摄影物镜存在较大像差，物镜的实际分辨率小于理论分辨
率；此外其分辨率还与被摄目标的对比度有关，因此评价
其成像质量要用光学传递函数。
（三）像面照度
光瞳垂轴
物体
主要取决于相对口径，由前面知识： 放大率
亮度
E
统分为棱镜转像系统和透镜转像系统。 棱镜转像系统用于筒长较短且结构紧凑望远镜中。不改
变其放大率。
军用望远 镜棱镜转 像系统
11
透镜转像系统用于长镜筒的望远镜中。增加系统的长度， 改变系统的视觉放大率，有单组和双组两种形式。双组系 统的两转像透镜之间的光束是平行的，改变两透镜之间的 距离不会影响系统的光学特性。
2w，即： tgw tgw
一般可达40°~50°，广角目镜可达60°~80°，双目仪 器不超过75°。 二、镜目距
指目镜后表面的顶点到出瞳的距离（P′）。相对镜目距 是其与目镜焦距之比。
16
由牛顿公式得：P lF

fe2
fo
fe
P lF

fe
因此，相对镜目距： P lF 1
tgwmax

ym ax 2f
底片的对 角线长度
（二）分辨率 摄影系统的分辨率由物镜的分辨率和接收器的分辨率 决定，是以像面上每毫米内能分辨开的线对数表示。
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设物镜的分辨率为NL,接收器的分辨率为Nr，则系统分
辨率N为：
1 1 1 N NL Nr
按瑞利判断，物镜的分辨率为：
NL

1

D
的线视场越小。
3
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：
ny sin u nysin u
n sin u ynsin u y nsin u fo
双组透镜 转像系统
当整个系统较细长，轴外光线的很大部分将不能通过转像 系统和目镜，可在中间实像面上或其附近加一适当光焦度 的正透镜，把轴外光线压低以通过整个系统，这样不必增 加后面光学元件的口径。这种透镜称为场镜，对系统的光 焦度和放大率和像的位置几乎不产生影响。
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场镜的 作用
fe‘<0为伽利略望远镜，但因其没有中间实像，不能设置 用来瞄准和定位的分划板，且放大率小，应用较少。
其视场角达40°，相对镜目距达0.7，适用于测量仪器。
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艾尔弗 目镜
其视场角达70°，相对镜目距达0.7，是最常用的一种广角 目镜。
惠更斯 目镜
其视场角达40°~50°，相对镜目距达0.33，焦距不小于 15mm。
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长出瞳 目镜
其视场角达50°，用于军用仪器。 目镜的种类较多，设计时在满足光学特性要求时，兼顾 成像质量和结构的简单化。
§7-3 显微镜系统
放大镜较低的放大率不能满足人们对近距离物体的极 微小细节进行观察，须用显微镜这种更高放大率的组 合光学系统。 显微镜的目镜和物镜都是会聚透镜（组），两者的间 隔比它们各自的焦距大得多。 成像原理：物AB位于物方焦点外测附近，经物镜成一 放大、倒立的实象A'B'于目镜物方焦面上或物方焦面 内侧附近，再经目镜成放大虚象A"B"于眼视距离甚至 无限远处。
又Q sin u tgu D 2 fe
nsin u D 500mm
D 500NA mm
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。
视场光阑
出瞳
孔径光阑
D’
-u
-u’
物镜
F目
目镜
4
四、显微镜的分辨率和有效放大率
六、显微镜的照明方式
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，得到一均匀暗视场7 。
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四、常用目镜的型式
冉斯登 目镜
其视场角达30°~40°，相对镜目距达0.3，适用于测量显 微镜和测量望远镜。
开涅尔 目镜
其视场角达40°~50°，相对镜目距达0.5，结构简单，像 质较好。
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对称式 目镜
其视场角达40°~42°，相对镜目距达0.75，适用于军用观 察和瞄准仪器。
无畸变 目镜
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
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§7-6 摄影系统
摄影系统是把平面或空间物体成像于感光元件接收面上的 光学系统，由摄影物镜和感光元件组成。 包括：照相机、电影摄像机、显微摄影系统、照相制版仪 等。 一、摄影物镜的光学特性 特性参数：焦距、相对孔径、视场角。
决定成 像大小
决定像 面照度
决定成 像范围
（一）视场
视场的大小由物镜的焦距和接收器的尺寸决定。