工程光学基础教程第七章.ppt

21292E,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 第八节 现代光学系统,21292E,第一节 眼睛及其光学系统,一、眼睛的结构成像光学系统 二、眼睛的调节及校正 三、眼睛辐射接收器 四、眼睛的分辨率 五、眼睛的对准精度 六、眼睛的景深 七、双目立体视觉,21292E,一、眼睛的结构成像光学系统,图- 眼睛的结构,21292E,二、眼睛的调节及校正,表7-1 调节能力随年龄增大而减少,21292E,二、眼睛的调节及校正,图- 眼睛的校正,21292E,二、眼睛的调节及校正,图- 校正散光的圆柱面透镜,21292E,三、眼睛辐射接收器,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；锥状细胞的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。因此，锥状细胞的存在，决定了分辨颜色的能力色视觉。在亮照明时，视觉主要由锥状细胞起作用，弱照明时，视觉主要由杆状细胞起作用；明视觉时最大的亮度灵敏度为683lm/W；暗视觉时，最大的亮度灵敏度为1755lm/W。,21292E,四、眼睛的分辨率,图- 对准形式,21292E,五、眼睛的对准精度,对准和分辨是两个不同的概念，分辨是指眼睛能区分开两个点或线之间的线距离或角距离的能力，而对准是指在垂直于视轴方向上的重合或置中过程。对准后，偏离置中或重合的线距离或角距离称为对准误差。,21292E,六、眼睛的景深,图- 眼睛的景深,21292E,七、双目立体视觉,图- 双目观察物体,21292E,七、双目立体视觉,图- 双目立体视觉,21292E,第二节 放 大 镜,一、视觉放大率 二、光束限制和线视场,21292E,一、视觉放大率,(1)当眼睛调焦在无限远，即l时，物体放在放大镜的前焦点上，则有 (2)正常视力的眼睛一般把物像调焦在明视距离，则l，由式(-)得,21292E,一、视觉放大率,图- 放大镜成像原理,21292E,图- 放大镜的光束限制,21292E,图- 放大镜的视场角,21292E,二、光束限制和线视场,放大镜与眼睛组合构成目视光学系统。眼瞳是孔径光阑，又是出瞳。放大镜框是视场光阑，又是出、入射窗，同时放大镜本身又是渐晕光阑，图-示出像空间光束限制情况。,21292E,第三节 显微镜系统,一、显微镜的视觉放大率 二、显微镜的线视场 三、显微镜的出瞳直径 四、显微镜的分辨率和有效放大率 五、显微镜的景深 六、显微镜的照明方法 七、显微镜的物镜,21292E,一、显微镜的视觉放大率,图- 显微镜成像原理,21292E,二、显微镜的线视场,显微镜的线视场取决于放在目镜前焦平面上的视场光阑的大小，物体经物镜就成像在视场光阑上。,21292E,三、显微镜的出瞳直径,对于普通显微镜，物镜框是孔径光阑，复杂物镜是以最后镜组的镜框为孔径光阑。用于测量的显微镜，一般在物镜的像方焦平面上设置专门的孔径光阑。孔径光阑经目镜所成的像即为出瞳。,21292E,四、显微镜的分辨率和有效放大率,光学仪器的分辨率受光学系统中孔径光阑的衍射影响，点光源经任何光学系统形成的像都不可能是一个几何点，而是一个衍射斑，衍射斑中心亮斑集中了全部能量的83.78%，叫作艾里斑，艾里斑的中心代表像点的位置。,21292E,五、显微镜的景深,图- 显微镜的景深,21292E,五、显微镜的景深,图- 显微镜的照明方法,21292E,六、显微镜的照明方法,1.透射光亮视场照明 光通过透明物体，例如透明玻璃光栅等，光被透明光栅的不同透射比所调制。 2.反射光亮视场照明 对不透明的物体，例如金属表面，必须从上面照明。 3.透射光暗视场照明 倾斜入射的照明光束在物镜旁侧向通过。 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。,21292E,1.透射光亮视场照明,光通过透明物体，例如透明玻璃光栅等，光被透明光栅的不同透射比所调制。若光通过无缺陷的玻璃平板，则产生一均匀的亮视场。,21292E,2.反射光亮视场照明,对不透明的物体，例如金属表面，必须从上面照明。一般通过物镜从上面照明。光束被不同反射率的物体结构所调制。没有缺陷的漫射或者规则的反射表面产生一均匀的亮视场。,21292E,3.透射光暗视场照明,倾斜入射的照明光束在物镜旁侧向通过。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，若用无缺陷的玻璃板作为物体，则获得均匀的暗视场。,21292E,4.反射光暗视场照明,图- 临界照明,21292E,4.反射光暗视场照明,图- 柯勒照明,21292E,4.反射光暗视场照明,图- 显微物镜的类型,21292E,七、显微镜的物镜,显微物镜的放大率大约在2.5范围内，数值孔径随放大率增大而增大，借助于目镜的放大率()来满足有效放大率的要求。对于非浸液系统(物镜前是空气)，高倍显微物镜的数值孔径上限是0.95，对于浸液物镜(在物镜前，浸液折射率和玻璃盖板折射率大约相同)数值孔径可以达到1.40。显微物镜按照像差校正形式分类，消色差物镜用于简单的光学系统，且随数值孔径的增大，透镜的数目也增多。为了避免二级光谱产生的彩色边缘，采用复消色物镜，物镜结构中含有莹石制造的透镜。对于显微照像和显微投影，要求校正像面弯曲，采用平像场消色差物镜或平像场复消色差物镜。,21292E,第四节 望远镜系统,一、望远系统的分辨率及工作放大率 二、望远镜的视场,21292E,第四节 望远镜系统,图- 开普勒望远镜成像原理,21292E,第四节 望远镜系统,图- 军用望远镜的棱镜转像系统,21292E,第四节 望远镜系统,图- 伽利略望远镜,21292E,一、望远系统的分辨率及工作放大率,望远镜是目视光学仪器，因而受人眼的分辨率限制，即两个观察物点通过仪器后对人眼的视角必须大于人眼的视觉分辨率60，故除了增大物镜口径以提高望远镜的衍射分辨率外，还要增大系统的视觉放大率，以符合人眼分辨率的要求。但在仪器的分辨率一定时，过高地增大视觉放大率也不会看到更多的物体细节。,21292E,二、望远镜的视场,图- 伽利略望远镜的光束限制,21292E,第五节 目 镜,图- 惠更斯目镜,21292E,第五节 目 镜,图- 冉斯登目镜,21292E,第五节 目 镜,图- 凯涅尔目镜,21292E,第五节 目 镜,图- 无畸变目镜,21292E,第五节 目 镜,图- 长出瞳距目镜,21292E,第六节 摄 影 系 统,一、摄影物镜的光学特性 二、摄影物镜的景深 三、摄影物镜的类型,21292E,一、摄影物镜的光学特性,(一)视场 (二)分辨率 (三)像面照度,21292E,(一)视场,表- 常用摄像底片规格,21292E,(二)分辨率,由于摄影物镜有较大的像差，且存在着衍射效应，所以物镜的实际分辨率要低于理论分辨率。此外物镜的分辨率还与被摄目标的对比度有关，同一物镜对不同对比度的目标(分辨率板)进行测试，其分辨率值也是不同的。因此评价摄影物镜像质的科学方法是利用光学传递函数,21292E,(三)像面照度,表- 光圈数的分档,21292E,二、摄影物镜的景深,当在明视距离观察照片时，焦距越长，入瞳直径越大，景深越小；拍摄距离越大，景深越大。因此，在使用照相机拍摄时，选用光圈数(数)越大，则景深越大。,21292E,三、摄影物镜的类型,图- 天塞物镜,21292E,三、摄影物镜的类型,图- 双高斯物镜,21292E,三、摄影物镜的类型,图- 广角物镜,21292E,三、摄影物镜的类型,图- 远摄物镜,21292E,三、摄影物镜的类型,图- 变焦物镜,21292E,第七节 投 影 系 统,一、基本参数 二、投影物镜的结构形式 三、照明系统,21292E,一、基本参数,投影系统把一平面物体放大成一平面实像以便于人眼观察。幻灯机、电影放映机、照相放大机、测量投影仪、微缩胶片阅读仪等都属于投影系统。对投影系统的主要要求取决于其使用的目的。例如，图片投影仪要求有较强的照明，而测量投影仪则要求像面无畸变，两者都要求在像面上有足够的亮度。任何接收屏的像面亮度都和接收屏的照度与反射比有关，实验研究表明，投影接收屏的亮度根据其不同用途有不同的要求,21292E,二、投影物镜的结构形式,图- 宽银幕变形物镜,21292E,三、照明系统,图- 照明聚光镜,21292E,三、照明系统,图- 大孔径聚光镜,21292E,三、照明系统,图- 折反式聚光镜,21292E,第八节 现代光学系统,一、激光光学系统 二、傅里叶(Fourier)变换光学系统 三、扫描光学系统 四、光纤光学系统,21292E,一、激光光学系统,1.高斯光束的特性 在研究普通光学系统的成像时，我们都假定点光源发出的球面波在各个方向上的光强是相同的，即光束波面上各点的振幅是相同的。 2.高斯光束的传播 3.高斯光束的透镜变换 4.高斯光束的聚焦和准直,21292E,1.高斯光束的特性,在研究普通光学系统的成像时，我们都假定点光源发出的球面波在各个方向上的光强是相同的，即光束波面上各点的振幅是相同的。,图7-35 高斯光束截面,21292F,2.高斯光束的传播,(1)高斯光束的截面半径 (2)高斯光束的波面曲率半径 (3)高斯光束的位相因子,21292F,(1)高斯光束的截面半径,图7-36 高斯光束传播,21292F,(2)高斯光束的波面曲率半径,图7-37 高斯光束的发散角,21292F,(3)高斯光束的位相因子,高斯光束的截面半径轨迹为一对双曲线，所以我们不能用处理同心球面光束发散角的方法来处理高斯光束的发散角，而要用双曲线的渐近线来表示高斯光束的远场发散程度,21292F,3.高斯光束的透镜变换,图7-38 球面波经透镜变换,21292F,3.高斯光束的透镜变换,图7-39 高斯光束经透镜变换,21292F,4.高斯光束的聚焦和准直,(1)高斯光束的聚焦 由于激光束在打孔、焊接、光盘数据读写和图像传真等方面的应用都需要把激光束聚焦成微小的光点，因此设计优良的激光束聚焦系统是非常必要的。 (2)高斯光束的准直 由于高斯光束具有一定的发散角，而对激光测量和激光雷达系统来说，光束的发散角越小越好，因此了解激光束的准直系统设计要求是必要的。,21292F,(1)高斯光束的聚焦,由于激光束在打孔、焊接、光盘数据读写和图像传真等方面的应用都需要把激光束聚焦成微小的光点，因此设计优良的激光束聚焦系统是非常必要的。,21292F,(2)高斯光束的准直,图7-40 激光准直系统,21292F,二、傅里叶(Fourier)变换光学系统,1.光学透镜的傅里叶变换特性 2.傅里叶变换物镜的光学设计要求及结构型式,21292F,1.光学透镜的傅里叶变换特性,图7-41 相干光学处理系统,21292F,2.傅里叶变换物镜的光学设计要求及结构型式,图7-42 傅里叶变换物镜的结构型式,21292F,三、扫描光学系统,1.扫描方程式 光束扫描的形式可由多种方法得到，如光学透镜扫描、棱镜扫描、反射镜扫描、全息扫描和声光扫描等。 2.光学扫描系统 扫描光学系统的种类很多，为简单起见，本节只讨论光学扫描系统。 3.扫描物镜f,21292F,1.扫描方程式,表7-4 扫描孔径形状因子,21292F,2.光学扫描系统,图7-43 物镜扫描系统,21292F,2.光学扫描系统,图7-44 物镜后扫描系统,21292F,3.扫描物镜f,图7-4 物镜前扫描系统,21292F,四、光纤光学系统,1.阶跃型光纤的基本原理 2.阶跃型光纤束的传光、传像特性 阶跃型光纤既具有传递光能的特性，又具有可挠性，因此在医用和工业内窥镜及其他光纤仪器中常利用光纤束作为传光和传像的光学元件。 3.径向梯度折射率光纤 梯度折射率光纤根据其折射率分布形式分为三种。,21292F,四、光纤光学系统,图7-46 扫描物镜的成像特性,21292F,四、光纤光学系统,图7-47 扫描物镜的结构型式,21292F,1.阶跃型光纤的基本原理,图7-48 阶跃型光纤,21292F,1.阶跃型光纤的基本原理,图7-49 光纤束的传光特性,21292F,2.阶跃型光纤束的传光、传像特性,(1)传光束 (2)传像束 传像束之所以能传递图像是因为组成传像束的每一根光纤好比一个像元，当传像束的光纤呈有规则的排列，即输入端和输出端的光纤一一对应时，输入端的图像(或称亮暗)被光纤取样后传输到输出端，如图7-50所示。,21292F,(1)传光束,传像束之所以能传递图像是因为组成传像束的每一根光纤好比一个像元，当传像束的光纤呈有规则的排列，即输入端和输出端的光纤一一对应时，输入端的图像(或称亮暗)被光纤取样后传输到输出端，如图7-50所示。但就传像束中的单根光纤而言，其传光特性与传光束中的光纤相同，要求有一定的光能透射比和光谱吸收要求，以保证传像束能获得优良的彩色传输图像。,21292F,(2)传像束,图7-50 传像束,21292F,(2)传像束,图7-51 传像束的排列,21292F,3.径向梯度折射率光纤,图7-52 光线在多层 介质中的折射,21292F,3.径向梯度折射率光纤,图7-53 光线在梯度折射 率介质中的折射