第七章典型的光学系统详解
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立体视
觉半径
L m a b x m i6 nm 2 2 m 01 6 '' 0 1 22 m 60 50 式(7-9)
★ 立体视觉半径以外的物体，人眼不能分辨其远近。 ★ 在某些情况下，观察点虽在体视半径以内，仍有可能不产生 或难于产生立体视觉。 （1）若两物体（例如线）位于两眼基线的垂直平分线上，由于 此时的像不位于视网膜的对应点，在目视点以外的点产生双 像，破坏立体视觉。此时只要把头移动一下,便可恢复立体视觉.
第二节 放大镜
一、视觉放大率
★ 人眼感觉的物体大小取决于其像在视网膜上的大小，由于 眼睛光学系统的焦距是一定的，故也取决于物体对人眼所张的 视角大小。
★ 被观察的物体细节对眼睛节点的张角大于眼睛的分辨率 60″时，眼睛才能分辨。
★ 目视光学仪器的基本工作原理：物体通过这些仪器后，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。
▲ 散光
若水晶体两表面不对称，则使细光束的两个主截面的光线不
交于一点，即两主截面的远点距也不相同，视度Rl≠R2，其差作 为人眼的散光度AST 。
ASTR1R2
式（7-3）
散光的校正——为校正散光可用柱面或双心柱面透镜。
用两正交的黑白线条图案可 以检验散光眼。由于存在像散， 不同方向的线条不能同时看清。 具 有 0.5D 的 像 散 不 足 为 奇 ， 不 必校正。
六、眼睛的景深
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。
远景平面
对准平面
近景平面
对准平面P上物点A在视网膜上形成点像A’，在远景平面Pl和 近景平面P2上的A1和A2在视网膜上形成弥散斑，弥散斑的大小 对应人眼的极限分辨角ε。所以A1和A2在视网膜上形成的像等 效于对准平面上ab两点在视网膜上形成的像a’b’，因节点处的
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
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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
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
放大镜
2h 18mm
l 200mm
f 25mm F
D 250mm
p 50mm
请各位专家提出宝贵意见！ 谢 谢！
y y
l
J
ye
yi
放大镜的视觉放大率
对放大镜，人眼直接观察时， 当人眼通过放大镜观察物 一般把物体直接放在明视距 体时，虚象对人眼的张角
离 上 ， D = 2 5 0 m m , 则 : 为：
tan y
250
tan y
p l
所以 :
tan tan
250 y
p l
y
y y
x f
f
l
f
f p
l l
250 f
放大镜的视觉放大率
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，
时，l物 体放在放大镜焦
l l
250 f
适用于长焦距（小放大率）放大镜。
当眼紧靠放大p镜f 时2ll5，0+P21′f5=00，则：
f
放大镜的视觉放大率
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。
放大镜的光束限制
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。
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='。
第七章 CCD应用中的光学系统 - 副本资料
w/
2
D/
F1/(F2) 分划板 -f
l2/ 眼睛 目镜
A/// y/// B///
图8-37 望远系统成像原理
36
两面凸透镜
物镜：成倒立缩小的实像
目镜：成正立放大的虚像
望远镜原理
37
望远系统的视角放大率是物体经过望远系统所成的像对 人眼张角的正切值tgω/，与人眼直接观察物体时物体对人眼张 角的正切值tgω之比。其计算公式为 Г= tgω// tgω=-f/物/f/目 式中， f/物为望远物镜的焦距；f/目为目镜的焦距。 由此式可见，只有物镜的焦距大于目镜的焦距时，望远 系统才有视角放大作用。而且当目镜的焦距一定时，要求有
δ=0.5λ/(NA) 由以上公式可以看出，物镜在像差校正好以后，对一定波长的
光线，分辨率完全由物镜的数值孔径所决定。数值孔径越大，分辨
率越高。所以提高分辨率的主要途径是增大数值孔径。
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当物方介质折射率为空气时，物镜最大的数值孔径为1，一 般只有0.9左右。而在物体和物镜之间浸以高折射率的液体，如
折射棱镜1273光学系统中光阑的作用一孔径光阑入射光瞳和出射光瞳二视场光阑三渐晕光阑四消杂光光阑1374常用光电图像转换系统的成像特性以ccd器件作为接收器的光学系统主要是由成像物镜和ccd器件组成的物体经物镜成像在ccd器件上因此成像物镜的光学特性决定了系统的使用性能
第七章 CCD应用中的光学系统
成下列形式
2 E0 ( )2 4 f ( ) 2
KL D
20
由上式可见，像面照度与相对孔径的平方成正比，相
对孔径越大，像面照度也越大。 轴外像点的照度与视场角有关，它与视场中心的 像面照度有以下关系 E E0 cos4 w 常见照相物镜的相对孔径为1∶4.5-1 ∶2。 在摄影物镜的外镜筒上，刻有与相对孔径对应的 数字和指标。数字为相对孔径的倒数，俗称为F数或 光圈数。
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
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='。
工程光学习题解答--第七章-典型光学系统
工程光学习题解答--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∴ ml r5.0-=②PR A -= D A 8= D R 2-=∴D A R P 1082-=--=-=m P l p1.01011-=-== ③f D '=1 ∴m f 1-=' ④D D R R 1-=-=' m l R1-='⑤P R A '-'= DA 8=D R 1-='DA 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。
已知：放大镜 mm f 25=' mmD 18=放mm P 50='mm l P 250='-'%50=K求：① Γ ② 2y ③l 解：①f D P '-'-=Γ125501252501250-+=''-+'=f P feye92110=-+=②由%50=K 可得：18.050*2182=='='P D tg 放ωωωtg tg '=Γ ∴02.0918.0==ωtg D y tg =ω ∴mmDtg y 502.0*250===ω∴mm y 102= 方法二：18.0='ωtg Θmmtg y 45*250='='ωmml 200-='mmfe 250='mm l 2.22-=yy l l X'==='=92.22200βΘmm y 102=③ l P D '-'= mm D P l 20025050-=-=-'='l l =-'1125112001=--lmml 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 e25='。
工程光学习题解答第七章_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 Θ mm tg y 45*250='='ω mm l 200-=' mm fe 250='mm l 2.22-= yy l l X '==='=92.22200βΘ 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='。
第七章典型光学系统
§7.2 放大镜
一、视觉放大率
人眼感觉物体的大小取决于其像在视网膜上的大小，当光 学系统的焦距一定时，也取决于物对人眼的张角的大小。
物对人眼的视角取决于距离，二者之间成反比。 目视光学仪器，可以扩大人眼的视觉能力；其像对人眼的
张角大于人眼直接观察时物对眼的张角。 视觉放大率：用仪器观察物体时，视网膜上的像高y'i与人眼
②物镜的外壳要求保证经物镜所成的实像面有固定的位置。 ③目镜的物方焦平面与物镜的像面重合。
三、显微镜的光束限制：
（1）孔径光阑： 对于单组低倍物镜，物镜框就是孔径光阑； 对于多组复杂物镜，最后一组的镜框作为孔径光阑； 或专门设置孔径光阑（在像方焦平面上）。
* 观察者的眼瞳一般应与出瞳（孔径光阑经目镜的像)重合。
感光元件框是视场光阑，它决定了像空间的成像范围。
当感光元件尺寸一定时，物镜的视场角取决于焦距的大小。
物在无穷远时， 物在有限远时：
tgm axym ax/2f
y
ym ax
/
ym ax 2f
x
所以，焦距与视场成反比。
32
(2) 分辨率: 摄影系统的分辨率取决于物镜的分辨率和接收器的分辨率。 分辨率是以像平面上单位长度能分辨的线对数来表示。 设，物镜的分辨率为NL，接收器的分辨率为Nr,则， N 1 1 NL Nr
EM Ecos4
所以，可用可变光阑作为孔径光阑控制相对孔径的大小，
以改善像面的照度。
3.摄影物镜的景深：
1
由此可见：焦距越长，景深越小；
对准距离越远，景深越大。2
选用的光圈F越大，景深越大。
2a 2a
f f
P2
/ DP
P2
/ DP
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
适应是指眼睛对周围空间光亮情况的自动适应程 度；是通过瞳孔的自动增大或缩小完成的。
明适应：由暗处到亮处 暗适应：由亮处到暗处
三、眼睛的调节及校正
眼睛的调节：眼睛成像系统对任意距离的物体自动 调焦的过程。 视度：眼睛的调节程度。若视网膜在物空间的共轭面离开
眼睛的距离为l（以米为单位），则l 的倒数称为视度，用 SD表示 1 SD l 正常人眼，在没有调节的自然状态下，无限远物体的像正 好成在视网膜上，即远点在无限远，此时视度为
L L2 / b
（7-10）
将b 62m m, min 10" 0.00005 代入上式, 得 L 8 104 L2
（7-11）
若通过双目光学系统来增大基线b或减少 Δθmin，则可以增大体视半径和减少立体 视觉误差。
第二节 放大镜
一、 视觉放大率
目视光学仪器的基本工作原理：使物体通过这 些仪器后，其像对人眼的张角大于直接观察 物体时对人眼的张角。
A b L
（7-8）
立体视差：不同距离的物体 对应不同的视差角， 其差 异 称为立体视差。 体视锐度：人眼能感觉到 的极限值 min 称为体视锐 度
人眼能分辨远近的最大距离
Lmax b
min
62mm 20265/ 10" 1200
（7-9）
Lmax称作立体视觉半径 立体视觉阈：双眼能分辨两点间的最 短深度距离。
第七章
典型光学系统
第一节 眼睛及其光学系统
第二节 放大镜 第三节 显微镜系统 第四节 望远镜系统 第五节 目镜 第六节 摄影系统 第七节 投影系统
第一节 眼睛及其光学系统
一、眼睛的结构——成像光学系统
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 ’
精品课件
6
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
精品课件
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： 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？
精品课件
4
6. 关于望远系统（开普勒）：
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A B
须物要位于有限距离处。
弥补近视眼的缺陷，采用的方法就是戴负透镜。
该负透镜的焦距大小为： f ' lr 2）远视眼：远点位于人眼之后；点取决于人眼的调节能力。
由于人的眼球较短，水晶体像方焦点位于视网膜之后。所以远视眼矫正的方
法，佩戴正透镜。
3）老花眼：远点位于无限远处；近点则因受调节能力的限制而距眼较远。 矫正的方法佩戴凸透镜。
A CB
J1 B'1 A'1 C1'
J2 A'2 B'2C2'
图 7—5 双目立体成像 人眼注视 A 点，将在二眼各自黄斑处产生一个像。现在 J1AJ 2 范围内取一点 B，当物点 A 成像时，B 也将同时在双眼各自成像。但是由于 B'1成像于黄斑的左 侧；而 B'2 成像于黄斑的右侧，由于分别成像于黄斑的不同侧，所以成双像。 即有：在角 J1AJ 2 范围内的空间所有点都成双像。而在角 J1AJ 2 范围外的空 间所有点都单一像。 所以按照我们刚才的分析讨论的，当观察周围空间时应该既有双像存在，也 有单像存在的。但实际上我们感受不到双像的存在，是因为双眼不断的转动，注 视点在不断的改变的缘故，所以日常不易察觉双像的那部分空间在人眼中的影 响。 2、 双眼立体视觉 立体视觉是双眼一个非常重要的特性主要原因是视差角的不同。
c)
b)
d)
图 7—4 对准形式Biblioteka (1 ~ 1 ) 6 10
即对准误差为分辨率的 1／6~1／10。 六、双目立体视觉 1、 双眼视觉
这是绝大部分人观察物体的情况，由于正常人都有二只眼，故当观察周围物 体时，二眼并用，由于二眼可分别看作是一光学系统，所以物体将在左右二眼中 各自成像，成二个像，并最终在大脑中汇合为单一像。
4） 散光： 它所产生的原因是由于水晶体的两表面不对称，造成二个主截面方向的光焦
度并不完全一致，形成了像散光束。 矫正的方法佩戴能产生像散的元件，例如：柱面镜
图 7-3 校正散光的圆柱面透镜 5、适应：眼睛对周围空间光亮情况的自动适应能力。 1）分类： 暗适应――发生在从亮处到暗处的情况
明适应（光适应）―――发生在从暗处到亮处的情况 需要说明的是：眼的适应并不能立即完成，而是需要一个过程，花费一定的 时间，这一点所有的人都应该深有体会。尤其是从亮处到暗处，这个过程更为明 显。 2）原因： 人眼之所以能适应，主要归功于瞳孔的放大或缩小的作用。 三、眼睛分辨率 1、定义：眼能够分辨靠近的二个物点的极限值。 2、公式： 一个视神经细胞的直径为： 0.003mm，故视神经细胞能分辨的二个像点之 间的最小距离至少应为 0.006mm。 若将人眼作为理想的光学系统来进行考虑的话，则根据衍射理论，其极限分 辨角为：
对准误差是随着对准方式的不同而不同的，常见的对准方式有以下四种： 二 直 线 重 合 方 式 的 对 准 误 差 为 60" ； 二 直 线 端 部 对 准 方 式 的 对 准 误 差 为 10"~ 20"； 双线夹单线方式的对准误差为 5"~ 10"； 叉线对准方式的对准 误差为 10"。
a)
1.22 1.22 0.00055 206265"＝140"
D
D入
D
此式中 555nm ，D 为入瞳直径，在此处为瞳孔直径；由于人眼在正常情 况下 D 2mm，故上式变为：
140 70" 1' 2
所以我们常说，人眼的根限分辨角为1' 左右。 四、人眼的对准精度 1、 对准：在垂直于视轴方向上的重合与置中过程，简称对准。 2、 对准误差：对准后偏离置中或重合的线距离或角距离。
1）近视眼：远点位于眼睛前有限距离处；近点仍取决于人眼的调节能力。
言外之意，近视眼的人能够看见的仅仅是眼前有限远的距离，太远的看不见。之
所以如此，是由于其眼球太长，水晶体的像方焦点位于视网膜之前。
（a）近视眼及其校正
（b）远视眼及其校正
图 7—2 眼睛的缺陷及其校正
从图 7—1 上看，无限远的像成像于视网膜之前，可见若想成像于视网膜上，必
[考试要求] 要求考生掌握三种典型的目视光学仪器的原理光路、成像特性、相关公式
等，投影系统，人眼的成像特性。 [考试内容]
眼睛、放大镜、显微系统、望远系统、摄影系统、投影系统的原理分析、 公式、计算等。 ［作业］ P163：1、2、3、4、5、6、7、11、12、14
第七章 典型的光学系统
典型的光学系统可归纳为三类，即望远系统，显微系统、照相系统。所以有 必要对此三种类型的系统的特性、及工作原理进行深入的学习和了解，这样才能 为将来进行仪器设计打下坚实的基础。
1）正常眼：眼睛的远点在无限远，近点很近，此时水晶体的像方焦点与视网膜
重合，称这样的眼为正常眼。
2）明视距离：指在正常照明情况下（ E 50lx ），正常眼最方便及最习惯工作
的距离。一般 l 250mm。 4、反常眼及其矫正
常见的反常眼有三种：近视眼、远视眼和花眼。
所谓反常眼是指不符合正常眼的条件叫反常眼。
§7－1 眼睛及其光学系统
一、 眼睛的结构 1、水晶体好似是一双凸透镜，故可用单透镜系统进行分析计算；
但是此单透镜的折射率不是一成不变的，它是一个变折射率系统。 2、人眼系统的物、像方焦距并不相等， f 17.055mm, f ' 22.875mm； 3、视场较大，大约150o 左右。但是并不是视场内所有物体都能成清晰像。只有
在视轴周围 6 ~ 8 度范围内的物体才能成清晰像，从而清晰的观察到物体。
4、成倒像
图 7－1 眼结构 5、瞳孔尺寸可变，大小可以调节。
当外界亮时――变小，最小可达 2mm 当外界暗时――变大，最大可达 8mm 二、 眼睛的调节及校正 1、调节：眼睛对不同距离的物体的自动调焦的过程。 2、远点、近点、调节能力
远点：眼睛自动调焦所能看清最远的点，远点到眼物方主点的距离叫远点距
离，用 lr 。 近点：眼睛自动调焦所能看清最近的点，近点到眼物方主点的距离叫近点距
离，用 lP 。
现若令
1 R, 1 P ，
lr
lp
调节能力表示为：
RP A
说明：人眼的调节能力不是一成不变的，它随人的年纪变化而变化。
3、正常眼、明视距离