《典型光学系统》PPT课件.ppt

第七章 典型光学系统 1 主 要 内 容 一、眼睛及其光学系统 二、放大镜 三、显微镜系统 四、望远镜系统 五、目镜 六、摄影系统 七、投影系统 2 7.1 眼睛及其光学系统 一、眼睛的构造 3 n人眼是与目视光学系统配合一起使用的，眼睛相当于目视 光学系统的光能接收器，它本身相当于摄影光学系统。 n人眼光学系统的模型： f = -17mmf = 23mm 简约眼模型 视网膜上所成的像是倒像，由于神经系统的作用，使感觉仍为 正立。 人眼的视场达150，但只在视轴周围68的范围内能清晰 识别，其他部分较模糊。观察物体时，眼球会自动转动。 4 二、眼睛的功能： 视网膜是由锥状细胞和杆状细胞组成的辐射接收器。 杆状细胞对光刺激非常敏感，但完全不感色； 锥状细胞的感光能力差很多，但对各色光有不同的感受。 1. 眼睛的适应能力（动态范围） 眼睛对空间光亮情况的自动适应程度适应。 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： n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，习惯上把物或像置于眼前250mm处，这个距离 即为明视距离。 n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。 近视眼及校正：远点位于眼前有限远处。 由于眼球过长，后焦点位于视网膜之前所致。 校正：加负透镜。 远视眼及校正：远点位于眼后有限远处。 由于眼球过短，后焦点位于视网膜之后所致。 校正：加正透镜。 7 散光及校正：水晶体两表面不对称，使细光束在两个主 截面 的光线不交于一点。 校正：加圆柱面或双心圆柱面透镜。 三、眼睛的分辨率： 眼睛的分辨率：眼睛能分辨开两个最靠近点的能力。 极限分辨角：刚好能分辨开的二点对眼睛物方节点所张 的 角。分辨率与分辨角成反比。 视网膜上的最小鉴别距离至少等于两个视神经细胞的直 径，约0.006mm。 物体对人眼的张角，称作视角；人眼能分辨的物点间最 小视角，称作视角鉴别率。 8 四、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 对准平面前后某一距离的物体，称作眼睛的景深。 远景和近景到人眼的距离分别为： 所以，远、近景 深度分别为： 9 五、双目立体视觉： 1. 立体视觉：对于物体位置的空间分布及对物体的体积感觉 。 单目视觉： 单眼观察物体不能产生立体视觉。 单目对物体远近的判断，是通过眼睛（水晶体曲率的变化 ） 的调节产生的。所以，判断很粗略，不超过5米。 对远且熟的物体，通过物体的张角来估计； 对非常熟的物体，通过细节来估计。（经验和想象） 双目视觉：两眼分别产生一个像 ，再汇集到大脑称为一个像。这种印 象处于心理和生理。 视差角：双目观察物点A时，两眼 视轴的夹角。 10 2. 立体视觉的产生： n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，简称视差。 视差越大，感觉两物体的纵向深度越大；反之，越小。 n体视锐度：人眼能感觉的视差的极限值min。大约10“ 。 不能产生体视感觉的几种情况： 如右图，C、D两点的像在右眼重合； 两物体横向距离太远； 物体位于两眼的垂直平分线上； 两物体之一为直线，且与两眼中心 连线平行。 11 7.2 放大镜 一、视觉放大率 n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。 n物对人眼的视角取决于距离，二者之间成反比。 n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yi与人 眼 直接观察时的视网膜上的像高ye之比。 12 由上图可知： 而以眼睛直接观察时： 所以，视觉放大率为： 式中，D为明视距离，250mm。 13 （1）在实际使用中，物大致位于物方焦点处：l = （2）有时，人眼把物像调焦到明视距离： P l =D 一般看书时： P=0 二、光束限制与视场 人眼的眼瞳可以作为孔径光阑，也是出瞳； 放大镜的镜框作为视场光阑，既是出射窗有时入射窗。 所以，物平面的成像范围（视场）由镜框、眼瞳及它们之间 的距离P决定。 14 所以，但50渐晕时，物位于物方焦点，则视场为： 15 7.3 显微镜系统 一、显微镜的组成： 显微镜是由物镜、目镜和照明系统三部分组成。 物体经显微镜的物镜放大成像后，其像再经目镜放大以 供人眼观察。 16 二、显微镜的视觉放大率： 上式中：250mm为明视距离；f0和fe为物镜、目镜的焦距 ； 为物镜与目镜的焦点间隔。 显微镜的组合焦距为： f f0 fe / ，则 故可以把显微镜看作是组合放大镜。 机械筒长：物镜支承面到目镜支承面之间的距离； 我国规定160mm。 光学筒长：物镜像方焦点到目镜物方焦点之间的距离。 17 光学筒长的选择： n光学筒长的选择应满足齐焦条件 不同焦距或放大率的物镜，由物平面到像平面的距离（共 轭距）均应相等，我国规定195mm。 物镜的外壳要求保证经物镜所成的实像面有固定的位置。 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。 18 n出瞳的直径： 由正弦条件：nysinu = nysinu ，得： D =500NA/ mm 式中：NA = nsinu称作数值孔径，是一个重要参数。 一般小于眼瞳的直径，只在低倍时才大于眼瞳直径。 （2）视场光阑与视场 视场光阑一般专设在物镜的像方焦平面上。 所以，入射窗与物平面重合，可以观察到清晰的界限和 照度均匀的视场。 视场光阑的大小应与目镜的视场角一致，此时，视场为 ： 所以，视觉放大率越大，物空间的线视场越小。 19 （3）显微镜的景深： n当把显微镜调焦到某一平面时，在对准平面前后的一定范 围内也能成清晰的像，这一范围称为显微镜的景深。 故，显微镜的放大率越高、NA越大，景深越小。 景深大小决定显微镜的调焦误差，景深越大，调焦误差越大。 一般显微镜的景深最大不超过0.5mm。 四、显微镜的分辨率和有效放大率： 分辨率以它所能分辨的两点之间最小距离表示： 瑞利判据：=0.61/NA 道威判据：=0.5/NA 20 n所以，显微镜的分辨率取决于数值孔径NA，与目镜无关。 n目镜只是把物镜的像放大，放大倍率再高也不能把物镜不 能分辨的物体细节看清。 有效放大率：为充分利用物镜的分辨率，使被物镜分辨出的 细 节同时能被眼睛看清，满足这一条件的放大率 。 若眼睛的分辨角距离为：24，照明波长为0.555m，可得： 四、显微镜的照明方法： 显微镜对照明的要求： 足够的亮度；照明均匀；有一定的孔径角，且与物 镜相配合；有一定大小的照明范围（视场）。 21 常用的照明方法： 透射光亮视场照明；反射光亮视场照明； 透射光暗视场照明；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。 临界照明 柯勒照明 22 7.4 望远镜系统 一、一般特性： 望远镜的组成：由物镜和目镜组成。 物镜的像方焦点与目镜的物方焦点重合，光学间隙=0。 开普勒望远镜 23 伽利略望远镜 望远系统的视觉放大率为： 所以，视觉放大率仅取决于结构参数。 目镜焦距大于6mm，故手持望远镜一般不超过8倍。 24 二、分辨率及工作放大率： n望远系统的分辨率用极限分辨角表示。 对于=0.555m的光线，由瑞利判据、道威判据得到的 极限分辨角分别为： n由于人眼的视觉分辨率为60“，在增大物镜口径以提 高望远系统分辨率的同时，必须增大望远系统的视觉 放大率，才能符合人眼分辨率的要求。 n视觉放大率和分辨率的关系为： 所以，入射光瞳直径越大，极限分辨率越高。 所以，为了观察方便： 25 注意：在望远系统分辨率一定时，过高的增大视觉放大率， 也不会看到更多细节。 三、望远镜的视场： （1）对于开普勒望远系统： 物镜框是孔径光阑，也是入瞳；出瞳在目镜以外，与人 眼重合；目镜框是渐晕光阑，一般要求有50的渐晕。 物镜后焦面可放置分划板，其框为视场光阑。 26 物方视场角满足： 式中：y为视场光阑的半径。 开普勒望远镜的视场一般不超过15，观察时，眼瞳必须位 于出 瞳处，才能观察到全视场。 （2）对于伽利略望远系统： 27 n一般以人眼的瞳孔作为孔径光阑，又是出瞳；物镜框为视 场光阑，又是入射窗。 n由于视场光阑与物面不重和，因此，对大视场有渐晕现象 。 n当视场有50%渐晕时，其视场角为： 式中：L为机械筒长；lz2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，需加转像装置，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。 28 7.5 目镜 一、目镜的作用： 目镜的作用类似于放大镜，把物镜所成的像放大在人眼的 远点或明视距离上以供人眼观察。 二、目镜的主要光学参数： 目镜是一种小孔径、大视场、短焦距、光阑在外的光学系 统。其轴上像差不大，结构复杂时，较易校正像差。 （1）目镜的视场：一般在4050，广角目镜达6080。 （2）镜目距：表示出瞳到目镜后表面的距离。 相对镜目距：镜目距与目镜焦距之比。 （3）工作距lF：目镜第一面的顶点到其物方焦平面的距离。 一般工作距应大于视度调节的深度（适应近视、远视要 求），视度调节范围在5D。 29 （4）视度调节移动量： 三、常用的目镜： 常用的目镜有：惠更斯目镜、冉斯登目镜、凯涅尔目镜 、 对称式目镜、无畸变目镜、广角目镜等 。 惠更斯目镜 30 7.6 摄影系统 一、摄影系统： 1.摄影系统的组成： 摄影系统是由摄影物镜和感光元组成。 感光元包括：感光胶片、CCD传感器、电子光学变像管、 电视摄像管等。 常见的摄影系统有：照相机、摄影机、显微照相系统、制 版光学系统、航空摄影系统、水下摄影系统、空中侦察系 统、测绘光学系统和信息处理系统等。 2.摄影物镜的光学特性： 摄影系统以摄影物镜（镜头）为主要部件。 主要参数包括：焦距f、相对孔径D/f和视场角2。 31 (1) 视场: 视场的大小由物镜的焦距和接收器的尺寸决定。 像与焦距的关系： 远景时，像的大小为： 近景时，像的大小为： 所以，焦距与像的大小成正比。 接收器尺寸与视场的关系： 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： 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， 由瑞利准则，物镜的理论分辨率为： 取0.555m， 所以，相对孔径（光圈）越大，物镜的分辨率越高。 33 (3) 像面照度: 摄影系统的像面照度取决于相对孔径。 当物体无限远时： 对于大视场的边缘照度小于中心照度： 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： 由此可见：焦