第七章典型光学系统ppt课件

1、第七章 典型光学系统,第二节放大镜,第三节 显微镜系统,第四节 望远镜系统,第一节眼睛及其光学系统,第五节 目镜,调节肌,第一节 眼睛及其光学系统,2、角膜(Cornea)：眼球前突出的透明球面膜， r8mm，n 1.38； 主要折射成像界面(角膜空气,1、巩膜：包围眼球的白色 不透明外层，D25mm,眼球横切面,一、眼睛(Eyes)的结构,3、前室：角膜后水晶体前的空间，充满透明水状液n =1.336,调节肌,5、虹膜：脉络膜前方的 彩帘（水晶体前），眼 球前的颜色,8、后室：水晶体后、由视网膜包围的空间，玻璃液n =1.336,4、脉络膜：巩膜内侧、视网膜外侧包围的黑色膜层，吸 收从视网膜

2、透过的光线，把后室变为暗室,6、瞳孔(Pupil)：虹膜中央圆孔，孔径光阑，限制进入人眼光通量，D 28mm,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,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,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。 感光和成像的位置,调节肌,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,二、眼睛共轴光学系统,2、视轴：黄斑中心与眼睛光学系统像方节点的连线。 眼球转动，使视轴对准观察

3、物体并成像于黄斑上，视觉最清晰,1、成像过程： 折射球面：外界光线经角膜折射 孔径光阑：瞳孔自动调节直径控制入射光能 变焦系统：水晶体自动调节，保证成像于视网膜上 成像面： 视网膜,3、简化眼模型,眼睛像方焦点与视网膜重合,4、物体经眼睛成像于视网膜,视角,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,视角大小超过人眼极限分辨角的物体细节，才可被分辨,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,三、眼睛的调节及校正,1、调节：眼睛成像系统对任意距离物体成像时， 通过改变水晶

4、体曲率达到自动调焦的过程,能清晰调焦的极限距离：远点(far point)距离 lr 近点(near point)距离 lp,远点发散度（会聚度,近点发散度（会聚度,眼睛的调节能力,眼睛的视度(diopter)： 通常所说的眼镜度数为对应视度数值100,2、非正常眼睛及其矫正,1）近视眼：无穷远物点成像于视网膜之前，远点为有限远,加正透镜 (焦距与近点重合) 将近点校正到明视距离,2）远视眼：无穷远物点成像于视网膜之后； 近点变远，非明视距离,加负透镜 (焦距与远点重合) 将远点校正到无穷远,50岁之后， 老花眼,Myopia/ Nearsightedness,Hyperopia/ Farsi

5、ghtedness,所配眼镜的焦距与远点距离 相等,远点为-2m的近视眼，所需眼镜的光焦度为-0.5D，即50度,光焦度,近点在眼前1.25m处，应配多少度的眼镜,3）散光眼(Astigmatism,原因：角膜、或水晶体（两表面）不对称，是非球面造成. 此时，眼轴上的物点对应有两条像线，眼睛在两个 对称主截面上的焦距不同，即远点距离不同。像散 导致不同方向的线条不能同时看清,圆柱面透镜 可校正散光,5)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、眼睛的适应能力,五、眼睛的分辨率,眼睛的分辨能力：人眼能分开最靠近两个相邻点的距离,眼睛的极限分辨角 ： 刚能分辨开的两点对人眼的张角，

6、即人眼最小的视角,视角：物体对人眼的张角,1、概念,眼睛的分辨率与视网膜上两像点距离及视觉细胞的直径大小有关,眼睛分辨率,2、人眼的分辨能力,通常认为，白天人眼的极限分辨角,照明条件变差，瞳孔直径增大，眼睛系统的像差增大， 分辨能力下降,六、眼睛的对准精度,对准误差（人眼的瞄准精度） 偏离置中或偏离重合的线距离或角距离,对准：垂直于视轴方向上的重合或置中过程,七、眼睛的景深,2、远景、近景平面上的物点视网膜上的像为弥散斑,1、调焦（对准）平面上的物点视网膜上的点像,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,视觉基线,2,视差、体视锐度,视差越大，两

7、物体的纵向深度越大，反之越小,视差,体视锐度,3, 体视半径,体视半径：人眼能辨别远近的最大距离,说明：并不是在体视半径内所有的情况下人眼都能 产生立体的感觉,4, 立体视觉阈,人眼能够分辨两个点间的最短深度距离,怎样才能有好的立体视觉,要有更好的立体视觉，即增大体视半径，减小体视阈值，怎样实现,可以借助光学仪器增大基线长， 减小体视锐度值。如利用双简棱镜望远镜,对焦你的双眼到图片后面，把顶部的二点成像成4个点，然后再慢慢改变对焦距离来把中间的两点重合，也就是眼中出现三个点的时候，观察出图片中包含的立体图像,小 结,1、眼睛的结构：角膜、瞳孔、水晶体、视网膜 2、简化眼模型 3、眼睛的调节水晶

8、体 远、近点，调节能力，视度，近视、远视、散光眼及校正 4、 眼睛的适应瞳孔：明适应、暗适应 5、眼睛的分辨率瞳孔 视角、极限分辨角、视网膜上最小的分辨距离 6、眼睛的对准精度、景深 7、眼睛的立体视觉,一、理想光学系统成像,两物点的间距逐渐变小时，对应像点的位置变化： (a) (b) (c,补充 1：系统的分辨率,系统的分辨率：光学系统能分开两个像点的最小距离,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,二、瑞利判据,能分辨的两个等亮度点间的距离对应于艾里斑半径,补充 2：目视光学仪器,眼睛的光心O0：眼睛节点, 主点近似看做重合的位

9、置,一、裸眼直接成像,二、眼睛+目视光学仪器,视角,视角,目视光学系统的视觉放大率,2、眼睛+目视光学仪器：视角可被目视光学仪器放大,1、裸眼直接成像：视角取决于物的大小和物距(近点之外)， 视角大小超过人眼极限分辨角的物体细节才可被分辨,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,观察物体所需分辨率目视光学仪器的放大率=眼睛分辨率,焦距以内成放大虚像,一、放大镜的成像原理,裸眼直接观察的视角,使用放大镜的视角,视觉放大率,由垂轴放大倍率公式,第二节 放大镜 （The Magnifying Glass,二、两种特殊情

10、况,正常视力的眼睛一般调焦在明视距离，即 虚像位于眼前250mm处,焦距以内成放大虚像,注意： 焦距一般用毫米作单位，式中mm不能漏掉。 原则上，焦距越短放大倍率越高；但因受限于像差并考虑实用，倍率较大的放大镜由组合透镜组成,物像调焦在明视距离且眼睛位于像方焦点处,实际使用中的放大镜,1、眼瞳孔径光阑；放大镜视场光阑、渐晕光阑,三、眼睛与放大镜联用观察近距离小物体,2、渐晕与光束限制,3、50%渐晕的线视场,当物面放在放大镜前焦平面上时，像平面在无限远 线视场为,放大镜的倍率越大，线视场越小,一、复习：p33,物直接对眼的张角,目镜：放大 物体经物镜所成的像,第三节 显微镜系统（Microsc

11、ope,物镜：放大实物,像对眼的张角,物镜的垂轴放大率,二、显微镜的视觉放大率,1、定义,二、显微镜的视觉放大率,1、定义,表1：上海光仪厂XPG偏光显微镜的基本参数,其他：共轭距（物-像面距离）、机械筒长,NA,三、显微镜的线视场,孔径光阑,视场光阑,视场光阑位于目镜的物方焦平面，设直径为D,1、线视场,2、线视场的计算,视场光阑的大小应与目镜的视场角一致,物与视场光阑是关于物镜的物像共轭关系,目镜视场角确定时，线视场大小与显微镜的视觉放大率成反比,四、显微镜的出瞳直径,出瞳直径D,1、孔径光阑的位置： 1）普通显微镜：孔径光阑是物镜框； 2）测量显微镜：孔径光阑在物镜像方焦平面上（物方远心

12、光路,2、物镜的数值孔径,教材推导过程概念有误，可参阅 韩军等工程光学,与放大率成反比,表2：显微镜的视觉放大率、出瞳直径，和物镜数值孔径 的参数对比,五、显微镜的分辨率,艾里斑角半径,无像差光学系统，物点经该系统在像面上得到的不是一个点，而是一个衍射像斑，其光强分布即为孔径光阑的夫琅和费衍射图样,1、成像系统的分辨本领,艾里斑半径,瑞利判据,2、显微镜的分辨率(瑞利判据)极限线距离,1）刚能被分辨像点间距,显微镜物镜成像（小视场近轴物,2）刚能被分辨的物点间距,提高分辨率的方法,例：电子束显微镜、浸液物镜,即：a减小波长、 b 增大物方折射率、 c提高sinU的值,由瑞利判据得分辨率,3、道

13、威判据：两衍射斑的中心间距为0.85a时， 刚好能被光学系统分辨,光学系统的理想分辨率,显微镜的分辨率主要取决于物镜的数值孔径，与目镜无关,明视距离观测：显微镜像空间的线距离,设眼睛容易分辨的角距离,4、显微镜的分辨率与有效放大率,小结：能够被物镜分辨的细节，要同时被眼睛分辨，要求显微镜有恰当的放大率；而显微镜的有效放大率范围，又取决于物镜的分辨率或数值孔径,道威判断：显微镜物空间的线距离,六、显微镜的景深,数值孔径越大，景深越小 放大倍率越大，景深越小,七、显微镜的物镜,1、浸液物镜NA增大n倍，增强物镜的聚光本领,干物镜,油浸物镜,油浸物镜：允许更宽入射孔径角的光线束参与成像,2、齐明点在

14、高倍显微物镜中的应用,齐明点,C2,使用较大的数值孔径时，光线的孔径角随多次折射而被逐渐减小，并不产生球差或彗差，但会引起较大色差,齐明透镜,a）透射光亮视场照明,d）反射光暗视场照明,b）反射光亮视场照明,c）透射光暗视场照明,八、显微镜的照明方法,照明分类,暗视场照明，进入物镜成像的只是由样品散射的光线 束，对比度高，可使分辨率提高,1、结构 2、视觉放大率 3、线视场 4、出瞳直径 物镜的数值孔径： 5、 物镜 分辨率 6、显微镜的分辨率与有效放大率,九、小结,波长 555nm,第四节 望远镜系统(Telescope,重合， ，光学间隔=0,垂轴放大率,角放大率,一、折射望远镜（复习：p

15、32 第二章,无焦系统,二、望远系统的视觉放大率,开普勒望远镜成像原理图,军用望远镜 棱镜转像系统,开普勒望远镜： ，成倒立像 ，可加转像系统,伽利略望远镜： ，成正立像,无中间实像， 不能通过加分 划板实现瞄准 或定位,三、望远系统的分辨率及工作放大率,1、望远系统的分辨率,取： ， ， 得,2）根据道威判断,1）根据瑞利判断,物镜或入瞳直径越大，则望远镜的极限分辨角越小，即分辨率越高,例. 计算物镜直径分别为：D=5.0 cm、50cm的望远镜, 对可见光平均波长555nm的最小分辨角,解,当D=50cm 时,若: 一个望远镜的最小分辨角 , 要充分利用眼睛的分辨本领 ，望远镜放大倍数 取

16、何值,当D=5.0cm时,2、视觉放大率和分辨率的关系,望远镜的工作放大率,望远镜的极限分辨角经视觉放大后，要满足人眼 的极限分辨角的要求,望远镜的有效放大率（最小,高倍率的望远镜必须增大物镜的直径,1、结构特点：开普勒望远镜、伽利略望远镜 2、视觉放大率： 3、分辨率： 4、分辨率与视觉放大率： 光学系统的分辨率与放大率的乘积等于眼睛的分辨率,四、小结,焦距以内成放大虚像,第五节 目镜,显微镜,孔径光阑,视场光阑,视场光阑位于目镜的物方焦平面,望远系统,开普勒望远镜成像原理图,光学参数：视场角2、焦距 f、相对镜目距p/f和工作距l2,2、镜目距p是像空间顶点到出瞳的距离,4、工作距l2：目

17、镜第一面顶点到物方焦平面的轴向距离,目镜是一种小孔径、大视场、短焦距、光阑在外面的光学系统，轴上点像差不大,3、相对镜目距,1、视场,光学参数：视场角2、焦距 f、相对镜目距p/f和工作距l2,光学参数：视场角2、焦距 f、相对镜目距p/f和工作距l2,1、视场,光学参数：视场角2、焦距 f、相对镜目距p/f和工作距l2,2、镜目距p是像空间顶点到出瞳的距离,1、视场,光学参数：视场角2、焦距 f、相对镜目距p/f和工作距l2,2、镜目距p是像空间顶点到出瞳的距离,1、视场,光学参数：视场角2、焦距 f、相对镜目距p/f和工作距l2,3、相对镜目距,2、镜目距p是像空间顶点到出瞳的距离,1、视

18、场,光学参数：视场角2、焦距 f、相对镜目距p/f和工作距l2,3、相对镜目距,2、镜目距p是像空间顶点到出瞳的距离,1、视场,光学参数：视场角2、焦距 f、相对镜目距p/f和工作距l2,4、工作距l2：目镜第一面顶点到物方焦平面的轴向距离,3、相对镜目距,2、镜目距p是像空间顶点到出瞳的距离,1、视场,光学参数：视场角2、焦距 f、相对镜目距p/f和工作距l2,目镜是一种小孔径、大视场、短焦距、光阑在外面的光学系统，轴上点像差不大,4、工作距l2：目镜第一面顶点到物方焦平面的轴向距离,3、相对镜目距,2、镜目距p是像空间顶点到出瞳的距离,1、视场,光学参数：视场角2、焦距 f、相对镜目距p/

19、f和工作距l2,目镜是一种小孔径、大视场、短焦距、光阑在外面的光学系统，轴上点像差不大,光学参数：视场角2、焦距 f、相对镜目距p/f和工作距l2,1、视场,目镜是一种小孔径、大视场、短焦距、光阑在外面的光学系统，轴上点像差不大,光学参数：视场角2、焦距 f、相对镜目距p/f和工作距l2,1、视场,目镜是一种小孔径、大视场、短焦距、光阑在外面的光学系统，轴上点像差不大,光学参数：视场角2、焦距 f、相对镜目距p/f和工作距l2,2、镜目距p是像空间顶点到出瞳的距离,1、视场,目镜是一种小孔径、大视场、短焦距、光阑在外面的光学系统，轴上点像差不大,光学参数：视场角2、焦距 f、相对镜目距p/f和

20、工作距l2,2、镜目距p是像空间顶点到出瞳的距离,1、视场,目镜是一种小孔径、大视场、短焦距、光阑在外面的光学系统，轴上点像差不大,光学参数：视场角2、焦距 f、相对镜目距p/f和工作距l2,3、相对镜目距,2、镜目距p是像空间顶点到出瞳的距离,1、视场,目镜是一种小孔径、大视场、短焦距、光阑在外面的光学系统，轴上点像差不大,光学参数：视场角2、焦距 f、相对镜目距p/f和工作距l2,3、相对镜目距,2、镜目距p是像空间顶点到出瞳的距离,1、视场,目镜是一种小孔径、大视场、短焦距、光阑在外面的光学系统，轴上点像差不大,光学参数：视场角2、焦距 f、相对镜目距p/f和工作距l2,4、工作距l2：

21、目镜第一面顶点到物方焦平面的轴向距离,4、工作距l2：目镜第一面顶点到物方焦平面的轴向距离,4、工作距l2：目镜第一面顶点到物方焦平面的轴向距离,4、工作距l2：目镜第一面顶点到物方焦平面的轴向距离,3、相对镜目距,2、镜目距p是像空间顶点到出瞳的距离,1、视场,目镜是一种小孔径、大视场、短焦距、光阑在外面的光学系统，轴上点像差不大,光学参数：视场角2、焦距 f、相对镜目距p/f和工作距l2,4、工作距l2：目镜第一面顶点到物方焦平面的轴向距离,3、相对镜目距,2、镜目距p是像空间顶点到出瞳的距离,1、视场,目镜是一种小孔径、大视场、短焦距、光阑在外面的光学系统，轴上点像差不大,光学参数：视场

22、角2、焦距 f、相对镜目距p/f和工作距l2,4、工作距l2：目镜第一面顶点到物方焦平面的轴向距离,3、相对镜目距,2、镜目距p,1、视场,目镜是一种小孔径、大视场、短焦距、光阑在外面的光学系统，轴上点像差不大,光学参数：视场角2、焦距 f、相对镜目距p/f和工作距l2,目镜,光学参数：视场角2、焦距 f、相对镜目距p/f和工作距l2,1、视场,光学参数：视场角2、焦距 f、相对镜目距p/f和工作距l2,1、视场,光学参数：视场角2、焦距 f、相对镜目距p/f和工作距l2,1、视场,光学参数：视场角2、焦距 f、相对镜目距p/f和工作距l2,1、视场,光学参数：视场角2、焦距 f、相对镜目距p

23、/f和工作距l2,3、相对镜目距,1、视场,光学参数：视场角2、焦距 f、相对镜目距p/f和工作距l2,4、工作距l2,3、相对镜目距,1、视场,4、工作距,3、相对镜目距,2、镜目距p,1、视场,1、惠更斯目镜和冉斯登目镜,惠更斯目镜由两块平凸透镜组成，其间隔为d,场镜所产生的轴外差很大，很难予以补偿。所以该目镜结构不宜在视场光阑平面上设置分划板，因此惠更斯目镜不宜用在测量仪器中,场镜,接目镜,物镜像面,视场光阑,接目镜物方焦面,出射光瞳（眼瞳,d,冉斯登目镜由两块凸面相对的平凸透镜组成，其间隔d小于惠更斯目镜两透镜的间距,在成像质量上，由于冉斯登目镜的间隔小，所以冉斯登目镜的场曲小于惠斯登

24、目镜的场曲,场镜,视场光阑 （物镜像平面 目镜前焦面,出瞳（眼瞳,d,2、凯涅尔目镜,凯涅尔目镜可认为是冉斯登的接目镜改成双胶合镜组而得到的,改成双胶合透镜就能在校正彗差和像散的同时，校正好倍率色差,3、对称式目镜,对称式目镜是应用非常广泛的中等视场目镜,它由两个双胶合镜组构成,4、无畸变目镜,无畸变目镜是由一个平凸的接目镜和一组三胶合的透镜组构成的,出瞳,这种目镜的镜目距很大，所以在有相同的镜目距时，无畸变目镜的设计焦距可以选得小一些，使结构更加紧凑一些,这种特点非常适用于大地测量仪器和军用仪器,5、广角目镜,广角目镜是为适应大视场系统而设计的,由于视场角增大，场曲也随之增大,为了保证像差的

25、要求，目镜的结构必须复杂化,或在系统中加入负光焦度的透镜,或增加正透镜组的数目，是光焦度分散,下图是两种视场在60以上的广角目镜， 接目镜用两块透镜代替,I 型,出瞳,II 型,出瞳,孔径光阑,视场光阑,镜头、 可变光阑、 感光底片/暗盒,第六节：摄影系统,一、摄影物镜的光学特性 1、视场 （1）影响因素：焦距、接收器尺寸 (2) 像的大小与焦距的关系： 在拍摄远处物体时，像的大小为 在拍摄近处物体时，像的大小为 (3) 当接收器的尺寸一定时，物镜的焦 距越短，则其视场角越大；焦距越长，视场角越小。相应地称作为广角物镜和远摄物镜,2、分辨率 （1）影响因素：物镜的分辨率和接收器的分辨率. （2

26、）意义：像平面上每毫米能分开线的对数. （3）公式（经验公式,3、像面照度 讨论（1）当物体在无限远时， （2）对大视场物镜有,三、摄影物镜的景深,结论：1，焦距f越长,景深越小 2，入瞳直径越大，景深越小 3， 拍摄距离p越大，景深越大,7-9 光学系统设计概述,一、对光学系统设计的要求 1、 光学系统的基本特性 光学系统的基本特性有：数值孔径或相对孔径；线视场或视场角；系统的放大率或焦距。此外还有与这些基本特性有关的一些特性参数，如光瞳的大小和位置、后工作距离、共轭距等。 2、 系统的外形尺寸 系统的外形尺寸，即系统的横向尺寸和纵向尺寸。在设计多光组的复杂光学系统时，外形尺寸计算以及各光组

27、之间光瞳的衔接都是很重要的,3、 成像质量 成像质量的要求和光学系统的用途有关。不同的光学系统按其用途可提出不同的成像质量要求。对于望远系统和一般的显微镜只要求中心视场有较好的成像质量；对于照相物镜要求整个视场都要有较好的成像质量。 4、 仪器的使用条件 在对光学系统提出使用要求时，一定要考虑在技术上和物理上实现的可能性。如生物显微镜的放大率要满足500NA1000NA 条件，望远镜的视觉放大率一定要把望远系统的极限分辨率和眼睛的极限分辨率一起来考虑,二、光学系统设计的经济性,光学系统设计评价依据： 性能和成像质量 系统的复杂程度。 价值工程原理： V（价值）F（功能）/C（成本） 器件优化，

28、结构设计优化，光学零件冷加工优化,三、光学系统设计过程,所谓光学系统设计就是根据使用条件，来决定满足使用要求的各种数据，即决定光学系统的性能参数、外形尺寸和各光组的结构等。因此我们可以把光学设计过程分为4 个阶段： 外 形 尺寸计算 初 始 结构计算 像差校正和平衡 像 质 评 价,1、外形尺寸计算 在这个阶段里要设计拟定出光学系统原理图，确定基本光学特性，使满足给定的技术要求，即确定放大倍率或焦距、线视场或角视视场、数值孔径或相对孔径、共轭距、后工作距离光阑位置和外形尺寸等。因此，常把这个阶段称为外形尺寸计算。一般都按理想光学系统的理论和计算公式进行外形尺寸计算。在计算时一定要考虑机械结构和

29、电气系统，以防止在机构结构上无法实现。每项性能的确定一定要合理，过高要求会使设计结果复杂造成浪费，过低要求会使设计不符合要求，因此这一步骤慎重行事,2、初始结构的计算和选择 1）根据初级像差理论求解初始结构 这种求解初始结构的方法就是根据外形尺寸计算得到的基本特性，利用初级像差理论来求解满足成像质量要求的初始结构。 2）从已有的资料中选择初始结构 这是一种比较实用又容易获得成功的方法。因此它被很多光学设计者广泛采用。但其要求设计者对光学理论有深刻了解，并有丰富的设计经验，只有这样才能从类型繁多的结构中挑选出简单而又合乎要求的初始结构。初始结构的选择是透镜设计的基础，选型是否合适关系到以后的设计是否成功。一个不好的初始结构，再好的自动设计程序和有经验的设计者也无法使设计获得成功,3、像差校正和平衡 初始结构选好后，要在计算机上用光学计算程序进行光路计算，算出全部像差及各种像差曲线。从像差数据分析就可以找出主要是哪些像差影响光学系统的成像质量，从而找出改进的办法，开始进行像差校正。像差分析及平衡是一个反复进行的过程，直到满足成像质量要求为止,4、像质评价 光学系统的成像质量