应用光学 第八章 光学系统.ppt

第八章典型光学系统,8.1眼睛,2.眼睛的成像：人眼是一个类似的摄影系统眼睛像个能自动对焦、变焦、自动改变光圈的超级照相机眼睛的物方和像方焦距不相等。f=-17mmf=23mm在调焦范围内，-f=14.217.1mmf=18.922.8mm虹膜起着孔径光阑的作用，自动调节进入人眼的光能，它有一定范围，（28mm）,3、眼睛的光学参数：标准眼：根据大量的测量结果，定出了眼睛的各项光学常数，包括角膜、水状液、玻状液和水晶体的折射率、各光学表面的曲率半径、以及各有关距离。简约眼：把标准眼简化为一个折射球面的模型,二、眼睛的调节及校正1、眼睛的调节原理?折射球面r的改变远点距，肌肉完全放松时，眼睛所能看到的最远lr近点距，肌肉最紧张时，眼睛所能看到的最近点lp视度：与网膜共轭的物面到眼睛的距离的倒数，SD1/l单位为折光度（或屈光度）。通常医院和眼镜店把1折光度称作100度近点视度，P=1/lp远点视度，R=1/lr眼睛的调节范围为对正常眼：lr,lp?明视距离，正常眼观察物体最舒服的距离，250mm,对应的视度？,2、非正常眼及其校正：正常眼和反常眼：正常眼：眼睛的远点在无限远，眼睛光学系统的后焦点在视网膜上反常眼：眼睛光学系统的后焦点不在视网膜上近视眼近视眼：远点位于眼前有限距离眼睛放松时，远物成像在视网膜前,校正方法:眼睛前加一凹透镜,先将无限远物体成像于眼睛的远点上.再经过眼睛聚焦在视网膜上,此时负透镜的焦距f,远视眼（老花眼）：远视眼：眼睛放松时，远物成像在视网膜后眼睛前加凸透镜，使近点以内的物发出的光，经凸透镜折射后，成像于视网膜上,散光与校正：折射面曲率异常，两个互相垂直的方向有不同的焦距校正方法：可用圆柱面透镜斜视：水晶体位置不正或折射面曲率异常矫正应配戴光楔,四、眼睛的分辨率要使两像点能被分辨，它们之间的距离至少要大于两个神经细胞的直径，人眼的分辨率0.006mm视觉分辨率：眼睛刚能分辨的两物点对眼睛的张角在眼睛没有调节的松弛状态下，f23mm，可得60,五、双目立体视觉单目视觉：不能产生立体的感觉双目立体视觉：对于空间一点A：视差角：两视轴之间夹角A视觉基线：两眼节点J1和J2的连线，以b表示公式：Ab/L,7.2放大镜,一、视觉放大率1、目视光学仪器的基本工作原理：物体通过仪器，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2、视觉放大率：用仪器观察物体时视网膜上的像高yi与用人眼直接观察物体时视网膜上的象高ye之比，用表示,yi/ye设人眼后节点到网膜的距离为l，上式又可写作,放大镜的视觉放大率,放大镜的放大率，除了和焦距有关外，还和眼睛离放大镜的距离有关,讨论: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D/f250/f正常视力的眼睛一般把像调焦在明视距离D，则P-lD，此时，这个公式适于小放大倍率（长焦距）的放大镜，即看书用的放大镜。若眼睛紧靠着放大镜，即P0，则,7.3显微镜系统,一、显微镜的视觉放大率1、显微镜的成像,显微镜由物镜和目镜组成物体经显微物镜放大成像后，其像再经目镜放大以供人眼观察,物体AB在物镜前焦面稍前处，经物镜成放大、倒立的实像AB，它位于目镜前焦面或稍后处，经目镜成放大的虚像，该像位于无穷远或明视距离处,2、显微镜的视觉放大率物体经过两次放大，所以显微镜总的放大率应该是物镜放大率和目镜放大率2的乘积物镜的放大率为物镜的像再被目镜放大，其放大率为2=250fe若把显微镜看作一个组合系统，其组合焦距为ff0fe/，则250/f与放大镜的视觉放大率公式相同，实质上与放大镜相同，显微镜看作组合的放大镜,物镜通过转换器旋转式接到镜筒的下端面目镜以插入式接镜筒的上端面,双目镜筒是通过加反射棱镜和平行平板实现的,显微镜设计中的规定参数：共轭距：显微镜物镜从物平面到像平面的距离。（大约等于180mm）机械筒长：把显微镜的物镜和目镜取下后，所剩的镜筒长度。（我国规定为160mm）常用的物镜倍率：4x、10 x、40 x和100 x常用的目镜倍率：5x、10 x和15x,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,物体经物镜成像在视场光阑上线视场与视觉放大率的关系：在选定目镜后，显微镜的视觉放大率越大，线视场越小,三、显微镜的出瞳直径1.孔径光阑低倍物镜的孔径光阑为单组物镜框本身高倍物镜的孔径光阑多组物镜的最后一组镜框，用于测量的显微镜一般在Fo处专设孔阑2.出瞳位置在目镜像方焦点Fe稍后处，考虑到出瞳在总的像方焦点上，人眼瞳有可能与之重合，接收所有成像.,3.出瞳的大小与数值孔径因为出瞳与整个系统的像方焦面重合，设像方孔径角为U，则有显微镜的数值孔径：NAnsinU出瞳直径D：D500NA/,四、显微镜的分辨率和有效放大率放大率是否想多大就多大?显微镜的分辨率：以能分辨的物方两点间最短距离来表示瑞利判断公式：道威判断公式：0.85a/0.5/NA两者关系：瑞利分辨率标准是比较保守的，因此通常以道威判断给出的分辨率值作为光学系统的目视衍射分辨率，或称作理想分辨率。,生物显微镜多为透明标本，常用透射光亮视场照明。其照明方式又分为两种，即临界照明和柯勒照明,六、显微镜的照明方法,8.4望远镜系统,目视光学仪器的两个要求扩大视角出射平行光显微镜是将近物成像于无限远，望远镜使无限远物体成像在无限远，所以望远镜是一个无焦系统由于是无焦系统，物镜的象方焦点和目镜的物方焦点应重合，光学间隔0,一望远系统的结构及参数1.结构形式,开普勒望远系统，物镜和目镜都是正透镜筒长较长，有实像面，可加分划板测量，用于观察要加转像系统，结构复杂。,加入棱镜转向系统的军用望远镜,伽利略望远镜的物镜是一块正透镜，目镜是一块负透镜结构紧凑，筒长短，较为轻便，光能损失少，并且使物体呈正立的像。但是由于没有中间实像，不能安装分划板，因而不能用来瞄准和定位,2.视觉放大率由于物体在无限远，同一目标对人眼的张角和对仪器的张角（即望远镜的物方视场角）完全可以认为是相等的，同为，通过望远镜之后，物体的像对人眼的张角就是系统的像方视场角,D和D分别是入瞳和出瞳直径视觉放大率与物体位置无关,仅仅取决于望远镜系统的结构参数大，则f物增大，或f目减小当目镜焦距一定时，视觉放大率大要求物镜焦距长，导致筒长增大。当像方视场角一定时，放大率越大物方视场越小。出瞳要与眼瞳匹配，当放大率大时入瞳增大导致镜筒增大可正可负，取决于f目的符号，望远物镜只能是正透镜当物镜和目镜都为正焦距时，如开普勒望远镜，则放大率为负值，系统成倒立的像而物镜的焦距为正，目镜焦距为负时，如伽利略望远镜，则放大率为正值，系统成正立的像,二望远系统的放大率及工作放大率1、望远系统的分辨率：用极限分辨角表示按瑞利判断：140/D按道威判断：120/D即：入射光瞳直径D越大，极限分辨率越高。,2、视觉放大率和分辨率的关系60，60/D/2.3望远镜的视放大率越大，它的分辨精度就越高3、有效放大率（正常放大率）：望远镜的正常放大率应使望远镜能分辨的眼睛也能分辨4、工作放大率：按正常放大率设计的望远镜观测时易于疲劳，所以设计望远镜时，工作放大率宜大于正常放大率，工作放大率常为正常放大率的1.52倍D,1.某人在其眼前2.5m远的物看不清，问需要佩戴怎样光焦度的眼睛才能使眼睛恢复正常。另一个人对在其眼前1m内的物看不清，问需要佩戴怎样光焦度的眼睛才能使眼睛恢复正常。某人在其眼前2.5m远的物看不清，说明远点由无穷远变为-2.5m，远点折光度数为-0.4D，所以应该佩戴的眼镜的度数为近视40度；另一个人对在其眼前1m内的物看不清，说明近点变为-1m，近点折光度数为-1D，所以应该佩戴的眼镜的度数为远视300度。,2已知显微镜目镜15，问它的焦距为多少？物镜-2.5，共轭距L=180mm，求其焦距及物方和像方截距。问显微镜总放大率为多少，总焦距为多少？解：由于15，由250/fe，所以fe50/3mm；o-2.5l/l，又ll180mm，可以得到l51.43mm，l128.57mm，由薄透镜成像公式可以得到fo36.73mm；显微镜的总放大率为oe-2.515-37.5，总焦距为f250/-6.67mm。,3.一望远物镜焦距为1m，相对孔径为1：12，测出出瞳直径为4mm，试求望远镜的放大率和目镜焦距。,三望远镜的视场,物镜框是孔径光阑，也是入瞳出瞳在目镜外面，与人眼重合物镜的后焦面上可放置分划板，分划板框是视场光阑,望远镜的物方视场角y视场光阑半径开普勒望远镜的视场2一般不超过15度,四望远镜的物镜,物镜的光学特性主要有三个：焦距f物、相对孔径D/f物和视场2,1.焦距f物,物镜的焦距是目镜焦距的倍，通常首先确定目镜的焦距。根据视放大率即可由上式求出物镜焦距。,2.相对孔径,在望远镜的光学性能中，对仪器的出瞳直径和视放大率提出了一定要求。根据上式即可求得入瞳直径D。,D/f物称为物镜的相对孔径。为什么不直接用光束口径,而采用相对孔径来代表望远物镜的光学特性?是因为相对孔径近似等于光束的孔径角2Umax.相对孔径越大，Umax越大，象差也就越大。为了校正像差，必须使物镜的结构复杂化。相对孔径代表物镜复杂化的程度,3.视场,系统所要求的视场，也就是物镜的视场,即目镜的视场角。一般望远物镜的视场都不大，通常不超过1015度,4.常用物镜结构折射式望远物镜双胶物镜双分离物镜双单/单双三分离适合小口径望远镜,反射式望远镜物镜优点：重量轻完全没有色差，各种波长的光所成像严格一致可以在紫外到红外很大波长范围内工作这种系统对玻璃材料在光学性能上没有特殊要求,反射镜的材料比透镜的材料容易制造，特别对大口径零件更是如此大口径的望远镜都采用反射式反射望远镜在天文望远镜中应用十分广泛反射表面磨制的要求是很高的,再加上需经常重新镀反射面及部件组装、校正的困难，反射系统在科普望远镜中应用受到限制,1.牛顿系统一个抛物面和一块与光轴成45度的平面反射镜构成2格里高里系统一个抛物面主镜和一个椭球面副镜构成,3卡塞格林系统一个抛物面主镜和一个双曲面副镜构成对轴上点成像理想，但对轴外点存在很大像差，视场范围有限，为获得较大视场，在像面附近加入透镜式视场校正器,折反射式望远镜物镜1.施密特物镜在球面反射镜的球心上，放置一块非球面校正板2.马克苏托夫物镜放置由两个球面构成的弯月形透镜,五目镜,相当于放大镜，属于短焦距中等孔径大视场系统作用：将物镜所成的像再放大从而成像在无穷远或明视距离处光学特性主要有三个：像方视场角相对出瞳距P/fe工作距离lF,1.目镜视场tgtg目镜的视场取决于望远镜的视觉放大率和物方视场角当目镜的视场一定时,增大望远镜的视放大率必然减小整个系统的视场2.出瞳距：出瞳到目镜后表面的距离出瞳直径:出瞳位于目镜的后焦平面附近,直径一般为2-4mm出瞳距视仪器要求而定相对出瞳距：是其与目镜焦距之比,3.工作距：目镜第一面的顶点到物方焦平面的距离视度调节为使目视光学仪器能适应各种不同视力的人使用，可以改变目镜的前后位置，使仪器所成的像不再位于无穷远，而是位于目镜前方或后方一定距离上，以适应近视或远视眼的需要工作距离要大于视度调节的深度，视度调节的范围一般在5D目镜相对视场光阑（分划板）的移动量,8.5光学系统外形尺寸的计算,第一阶段为初步设计阶段，通常叫外形尺寸计算第二阶段为像差设计阶段光学系统外形尺寸计算的任务是根据对仪器提出的要求，如光学特性，外形，重量以及有关技术条件等，确定系统的组成，各组员的焦距，各组员的相对位置和横向尺寸等光学系统像差计算的任务是根据第一阶段的设计结果，通过光路计算，运用像差理论和自动设计方法，确定系统的结构参数，如曲率半径，厚度以及所用的材料等等，使系统的成象质量满足使用要求,一系统的要求1.系统的光学性能和技术条件2.系统的外形、体积3.系统的稳定性，牢固性，和可调整性4.对系统成像质量的要求,二光学系统外形尺寸计算的主要内容1.根据上述光学特性和外形、提及的要求，拟定光学系统的结构原理图2.确定每个透镜组的光学参数，如焦距，相对孔径，视场角等。同时确定各个透镜组的相互间隔3.选择系统成像光束位置，并计算每个透镜的通光口径4.根据成像质量和光学特性的要求，选定系统中每个透镜组的型式注：在初步设计中不考虑像差，完全根据理想光学系统公式进行计算,三以简单望远镜为例设计一个简单开普勒望远系统的外形尺寸。该系统只包括物镜和目镜，要求镜筒长度L250mm,放大率-24，视场角2140,求两焦距入瞳和出瞳大小(取正常放大率)分划板直径,像方视场角tgt