几何光学-第六章 典型光学系统

第六章 目视光学系统,眼睛及其光学系统,第一节 人眼的光学特性,眼睛的构造,眼睛像个能自动对焦、变焦、自动改变光圈的摄影系统,眼睛光学系统分析,标准眼和简约眼,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。标准眼：根据大量的测量结果，定出了眼睛的各项光学常数，满足这些光学常数值的眼睛为标准眼。简约眼：把标准眼简化为一个折射球面的模型。简约眼参数：,眼睛的调节,调节眼睛对不同距离的物体自动调焦的过程。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 表示。肌肉完全放松时眼睛所能看到的最远点。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 表示。肌肉最紧张时眼睛所能看到的最近点。,调节能力： A=R-P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。,眼睛调节能力随年龄变化表,眼睛的适应,眼睛的适应对各种光亮环境的适应能力。眼睛所能感受的光亮度变化范围很大，可达1012:1。人眼能感受到的最低照度值称为绝对暗阈值，约为10-9勒克斯。,原因：瞳孔（孔径光阑）的放大和缩小调节,正常眼和非正常眼,正常眼条件：远点位于无限远放松时，可以见无限远处的物体；近点取决于人眼的调节能力，与年纪有关；晶状体的像方焦点与视网膜重合。明视距离指在正常照明情况下（E=50lx）正常眼最方便最习惯的工作距离。一般250mm反常眼指眼睛不符合正常眼的条件,近视与远视的矫正,近视焦点在网膜前，眼球偏长，远点在眼前有限远。,远视焦点在网膜后，眼球偏短，远点在眼后有限远。,近视和远视的矫正近视矫正应配戴负透镜 远视矫正应配戴正透镜 矫正镜片的焦距大小：,散光、斜视和老花,散光折射面曲率异常，两个互相垂直的方向有不同的焦距,斜视水晶体位置不正或折射面曲率异常 斜视,散光与斜视的矫正散光矫正配戴柱面透镜,斜视矫正应配戴光楔,老花老年人眼睛肌肉调节能力下降同时伴随远视老花散矫正配戴正透镜,眼睛的分辨率,眼睛的分辨率眼睛能分辨开两个很靠近的点的能力。极限分辨角刚能分辨开的二个点对眼睛物方节点的张角。 根据衍射光学理论，入瞳为D的理想光学系统的极限分辨角为眼睛的最灵敏波长为555纳米，当入瞳单位取mm，极限分辨角取秒时为一般眼睛D=2mm，极限分辨角为1分,可以看出，极限分辨角不仅与入射光线的波长有关，而且还与眼睛的瞳孔直径有关。, = 50 120”；在良好的照明条件下，一般认为 = 60” = 1 认为人眼的极限分辨角为1。在设计光学系统时就必须考虑眼睛的分辨率。,经常需要将一条直线重合到另一条直线，但是，要使两条直线完全重合是不可能的,眼睛虽具有发现一个平面上两根平行直线的不重合能力，但也有一定的限度这个不重合限度的极限值称为人眼的瞄准精度。,人眼的瞄准精度一般用角度值来表示,即两线宽的几何中心线对人眼的张角小于某一角度值时，虽然还存在着不重合，但眼睛已经认为是完全重合的，这时角度值即为人眼瞄准精度。,人眼对于线条的变形或两条线错开造成的外形变化或比较两条线宽的变化具有很高的灵敏度。人眼通过两物的比较发现它们外形变化的能力比分辨它们要强得多。,眼睛分辨率的影响因素,眼睛的对准精度,对准测量时需要用某种标志对目标在垂直于视轴方向上进行重合或者值中的过程。对准误差对准后偏离置中或重合的线距离或角距离瞄准精度随所取的标志而异,分辨率和瞄准精度是两个不同概念。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=K。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。,单眼体视,单眼体视：对于较近的物体，利用眼睛的调节发生变化而产生的感觉来估计距离，范围不大于5米；对于较远的熟悉物体，是利用它对眼睛的张角大小来估计远近的；对于不熟悉的物体，以与邻近的熟悉物比较来确定其相对远近或者根据人经验和体验的积累来判别远近。,双眼视觉,物体成像于双眼中心凹的同侧对应点时产生单像，否则产生双像。,观察周围空间时有双像存在，也有单像存在。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。,目视光学系统,目视光学系统把人眼睛作为光学仪器的接受器的光学系统目视光学系统的要求扩大视角目视系统成像在无限远处典型目视光学系统放大镜显微镜望远镜照相系统,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：,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)：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。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：,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2.525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。,像方视场角为：,渐晕系数K=100%,渐晕系数K=50%,渐晕系数K=0,二、 显微镜的工作原理,对于工作在可见光波长范围的光学显微镜,按用途区分，使用量较大的有三种：,工具显微镜（主要应用于精密机构制造工业等方面进行精密测量）；,生物显微镜（主要应用于生物学、医学、农学等方面）；,金相显微镜（主要应用于冶金和机械制造工业，观察研究金相组织结构）。,显微镜是人眼的辅助工具，显微镜的光学系统由物镜和目镜两个部分组成。,显微镜系统成像原理,显微镜和放大镜起着同样的作用,物镜,目镜,F1,F1,F2,B,A,A,B,A”,B”,AB 位于目镜的物方焦点 F2 上或在很靠近 F2 的位置上,此像在经目镜放大为虚像A”B” 后供眼睛观察。这说明目镜与放大镜的作用一样。,经过物镜和目镜的两次放大，所以显微镜系统总的放大率应该是物镜横向放大率和目镜放大率e的乘积。,物体被物镜成的像A B 位于目镜的物方焦点上或附近，此像相对于物镜像方焦点的距离为（物镜和目镜的光学间隔），在显微镜系统中称为光学筒长,设物镜的焦距为f1, 则物镜的放大率为,物镜的像被目镜放大，其放大率为,式中： f2 为目镜的焦距。由此，显微镜系统的总放大率为,可见显微镜系统的放大率与光学筒长成正比，和物镜及目镜的焦距成反比。,式中有负号，即当显微镜系统具有正物镜和正目镜时（常用这种结构），则整个显微镜系统给出倒像。,根据组合光组的焦距公式可知，整个显微镜的总焦距f 和物镜及目镜焦距之间符合关系：,将其代入上式中，则有,它与放大镜公式具有完全相同的形式。显微镜系统实质上就是一个复杂化了的放大镜,在显微镜系统中存在着中间像，故可以在物镜的实像平面上放置分划板，对被观察物体进行测量，并且在该处还可以设置视场光阑以消除渐晕现象。,精密测量用的显微系统与一般观察显微镜有一定的区别。,为后面讨论的内容叙述方便，有必要对测量显微系统有一个初步的概念。,19JA型万能工具显微镜的光学系统图。,照明光源,集光镜,滤色片,可变光阑,平面反射镜,聚光镜,保护玻璃,工作台,物镜,工件,光阑（孔径光阑）,斯密特棱镜,保护玻璃,分划板,目镜,测角分划板,测角光源,滤色片,读数显微镜,可变光阑位于聚光镜的物方焦平面上,孔径光阑位于物镜的像方焦平面上（形成了什么光组？）,物镜有四种放大倍率：1x、1.5 x、3 x和5 x；目镜的放大率为10 x,显微镜物镜物平面到像平面的距离称为共轭距,在显微镜中，取下显微物镜和目镜后，所剩下的镜筒长度即物镜支撑面到目镜支撑面之间的距离称为机械筒长，用tm表示。,对于一台显微镜来说，机械筒长是固定的机械筒长各国标准是不同的，有160mm，170mm和190mm 等。 我国规定机械筒长为160mm。,物平面光学系统第一个物镜的球面顶点的距离称为“工作距”,显微镜要求视场内的照度适宜、均匀、成像清晰、没有渐晕、杂散光的干扰小,视场光阑应安放在物镜像平面处。,不同的显微系统其孔径光阑的位置也不同,生物显微镜的孔径光阑就是物镜框,工具显微镜孔径光阑放在物镜像方焦平面上,构成物方远心光路,使用显微系统过程中，要求能方便更换物镜和目镜,同时，也要求一次调焦清晰后，在更换不同倍率的物镜或目镜时，不需要二次调焦,即视场中心物象位置关系不发生变动,更换物镜并能保持成像清晰是采用不同倍率物镜的物像共轭加上主面之间的距离相等的方法来实现的，被称为齐焦,更换物镜的倍率（1X、1.5X、3X、5X），物方线视场的大小也随之改变（21mm、14mm、7mm、4.2mm）,显微物镜的特点,在选用或设计显微物镜时所考虑的光学性能主要有：,数值孔径,放大率,NA的大小直接影响分辨本领和成像亮度，它是物镜的 主要性能指标。,对于不同倍率的物镜，像方视场2y为一定值，所以高倍物镜视场小。,线视场,精密测量用的显微物镜就有以下特点：,1、在满足一定瞄准和读数精度的条件下，物镜放大率一般不高，约在1x10x之间；,2、物镜的放大率要求严格准确，允差0.050.1%；,6、为了减小物镜有视差引起的放大率误差，孔径光阑设置在物镜的像方焦平面上，构成物方远心光路。,3、工作距离和线视场都较大，以满足观测一定大小零 件的要求；,4、在校正轴上像差时，也要校正轴外像差，像质要求 较高；,5、物镜的数值孔径较小（最常用NA=0.1)；为了保证像的照度，照明系统的光源常用低电压、小功率、高亮度,显微物镜根据用途不同分为：,消色差显微物镜,复消色差物镜,平场消色差物镜,40X0.95复消色显微物镜,普通显微物镜大多数属于消色差型，只需校正球差、正弦差、轴向色差即可，但边缘像质较差。,平场复消色差物镜,40X0.85平场复消色显微物镜,折反射显微物镜,按数值孔径NA的大小由四种型式,1、双胶型 =15x NA=0.10.15,2、李斯特型 =820x NA=0.250.30,3、阿米西型 =2540x NA=0.400.65,4、阿贝油浸型 =90100x NA=1.251.40,精密测量中的显微镜，使用高倍物镜的不多。一般均采用低倍和中倍物镜；但要求平像场；,