几何光学第十二讲PPT课件VIP

1、1,第七章 典型光学系统,概述,典型光学系统： 成象系统与非成象系统： 目视仪器后系统,非成像光学系统,我们把不以成像为目的的光学系统统称为非成像光学系统。照明系统、光束的整形与变换系统都属于非成像光学系统的范畴。相比于传统的成像光学而言，非成像光学所关心的不是能否在目标平面上成像以及成像质量如何，而是关注光源的能量利用率以及能量分布情况。 照明系统： 普通照明系统、显微照明系统、LED照明系统 光束的整形与变换系统： 分光、准直、扩束、扫描、会聚、整形,成像光学系统与非成像光学系统,成像光学系统传递了物点的位置信息和光强度信息,而非成像光学系统则是对能量进行了重新分配和组合,光学设计基本步骤

2、,球差曲线,像散、场曲、畸变曲线,常用评价函数,点列图,调制传递函数MTF曲线,现代光学系统,激光光学系统 :高斯光束 傅里叶（Fourier）变换光学系统： 4f相干光学信息处理系统 扫描光学系统：激光显示、存储器、激光打印机、激光扫描、激光雷达和高速摄影系统 阶跃型光纤光学系统： 梯度折射率光纤光学系统,4f系统,激光平面干涉仪,光电光学系统,现代光电系统无一不把光学、精密机械、光电转换、电子和计算机技术结合起来，实现其系统的数字化、图像化、智能化和自动化。为达到上述目的，除设计各种不同用途的光电光学系统外，光电能量转换或光电图像转换、数据信号采集与处理、模数转换和计算机处理与分析等都是实

3、现上述目的所不可缺少的重要环节,光电光学系统,红外夜视光学系统 红外雷达、 光电报警、 激光制导、 光电检测,光电检测系统原理框图,相关技术： 激光原理（光源、激光器）;应用光学（照明、成像） 图象传感器（固体：CCD）;测控仪器电路 数字信号处理;微机接口（D/A、A/D） 自动控制、反馈;机械传动,光电检测系统的光学系统,1 人眼及其光学系统,一、眼睛的结构成像光学系统,1）水晶体变折射率校正球差 2）视网膜表面为匹兹伐曲面校正匹兹伐场曲 3）盲点神经纤维的出口，由于没有感光细胞而不能产生视觉 4）倒立的实像与感觉神经分布有关正像视觉 5）类似的摄影系统 6）虹膜控制眼瞳大小（瞳孔）孔径光

4、阑,人眼的构造剖视图,人眼的构造剖视图,巩膜,巩膜是眼球的第一层保护膜，白色、不透明、坚硬,角膜,角膜是巩膜的最前端部分，无色而透明,眼睛内的折射主要发生在角膜上,脉络膜,脉络膜是眼球的第二层膜，上面有供给眼睛营养的网状微血管,人眼的构造剖视图,巩膜,角膜,脉络膜,虹膜,虹膜是脉络膜的最前端部分，含有色素细胞，决定眼的颜色,瞳孔,瞳孔是虹膜中间的小孔，随着外界明亮程度的不同，虹膜肌肉能使瞳孔的直径在28mm范围内变化；它是人眼的孔径光阑,人眼的构造剖视图,巩膜,角膜,细胞，锥状细胞直径约5微米，长约35微米；杆状细胞直径约2微米,脉络膜,长约60微米。它们在网膜上的分布式不均匀的,虹膜,瞳孔,

5、视网膜,网膜是眼球的第三层膜，上面布满着感光元素，即锥状细胞和杆状,黄斑中心凹,人眼的构造剖视图,巩膜,角膜,光,脉络膜,盲斑是网膜上没有感光元素的地方，不能引起光刺激,虹膜,瞳孔,黄斑中心凹是人眼视觉最灵敏的地方,视神经细胞,晶状体在虹膜后面，是由两个不同曲率的面组成的透明体,黄斑中心凹,神经纤维,盲斑,大脑,盲斑,视网膜,水晶体,人眼的构造剖视图,巩膜,角膜,率都是不均匀的，由里层到外层逐渐减少，有利于提高,脉络膜,成像质量。水晶体的平均折射率为1.40，其周围是毛状肌,虹膜,瞳孔,似双凸透镜，是眼睛光学系统的成像元件，其密度和折射,能改变水晶体的表面曲率，使人眼在看远近不同的物体时,黄斑

6、中心凹,盲斑,水晶体,视网膜,人眼的构造剖视图,巩膜,角膜,角膜和晶状体之间的空间称为前室；充满1.336的水状液,脉络膜,晶状体和网膜所包围的空间称为后室;充满1.336的玻状体,虹膜,瞳孔,总能将像成在网膜上,黄斑中心凹,盲斑,前室,后室,视网膜,水晶体,人眼的构造剖视图,巩膜,角膜,脉络膜,眼睛的像方节点与中心凹的连线为眼睛的视轴, 在观察物,虹膜,瞳孔,体时眼睛本能地把物体瞄准在这根轴上,黄斑中心凹,盲斑,前室,后室,1.376,1.336,1.336,光轴,视轴,视网膜,水晶体,眼睛的视场很大，可达150，但只有黄斑附近才能清晰识别，其他部分比较模糊， 所以能看清物体的角度范围为6

7、8,从光学角度看，眼睛中最主要的是： 水晶体、视网膜和瞳孔,正立的人在底片上成倒像，人眼也是成倒像,但我们感觉为什么还是正立的,人眼本身相当于摄影光学系统,静态简约眼 人眼的光学参数 介质折射率：n=1.3333 折射面半径：r1=5.77mm 物方焦距：f -17mm 像方焦距：f 23mm 光焦度：D=58.48(1/m) 网膜半径：r2=9.7mm 眼睛的物方和像方焦距不相等,人眼的成像特点,人眼是一个类似的摄影系统，角膜相当于一个凸凹镜，前室亦如此，水晶体相当于一个双凸镜。 物点在视网膜上形成一个倒立的实像，但这一倒像的感觉经神经系统的作用，给人以正像的视觉。 眼睛的物方和像方焦距不相

8、等。 f=-17.1mm , f=22.8mm 在调焦范围内， -f=14.217.1mm ，f=18.922.8mm,二、眼睛的调节及校正,1眼睛的调节,眼睛自动改变焦距的过程称为眼睛的调节。眼睛的调节能力表示为能清晰调焦的极限距离范围； f的变化范围是18mm23mm,当肌肉完全放松时（通过调节），眼睛所能看清的最远的点称为远点，其相应的距离称为远点距，以 r 表示（米,当肌肉在最紧张时（通过调节），眼睛所能看清的最近的点称为近点，其相应的距离称为近点距，以 p 表示（米,正常眼睛的远点距为无限远，非正常眼睛（远视或近视）的远点距为一有限值,注:近点距离并不是明视距离 250mm,明视距离

9、-清晰成像的极限距离：在阅读时，或眼睛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，称作明视距离,人眼的调节能力是用远点距r的倒数和近点距p的倒数之差来描述，用A来表示，即,单位为折光度（或称屈光度,1/r远点视度 1/p近点视度,2、眼睛的缺陷和矫正,正常眼在肌肉完全放松的自然状态下，能够看清楚无限远处的物体，即远点应在无限远（R = 0）， 像方焦点正好和视网膜重合,F,若不符合这一条件就是 非正常眼，或称视力不正常,最常见的有近视眼和远视眼,所谓近视眼就是其远点在眼睛前方有限距离处（r 0,对应着负视度，配上 适当的负光焦度眼镜后，即可使无限远物 体成像于

10、眼睛的远点上，然后再经眼睛成 像于网膜上，因而眼 镜矫正了眼睛的缺陷,近视眼：远点位于眼前有限距离，眼球突起，焦点在视网膜前负透镜,所谓远视眼就是其远点在眼睛之后（r 0,这是由于眼球偏短，像方焦点位于视网膜的之后所致。因此，射入眼睛的光束只有是会聚时，才能正好聚焦在视网膜上,对应着正视度，需以正透镜来使其远点恢复到无限远,远视眼：远点位于眼后有限距离，眼球扁平，焦点在视网膜后正透镜,校正方法,视度： 远点距离lr（单位为m）的倒数表示近视眼或远视眼的程度，称为视度，单位为折光度（或屈光度）。通常医院和眼镜店把一折光度称作100度,近视眼或远视眼的远点视度可通过仪器来测得，知道此值后即可求得所

11、需眼镜的焦距,例如：有一近视眼，通过验光得知其远点视度为-2个屈光度（眼镜行业称近视200度,则其远点距r = - 0.5 m,需配焦距为-500mm的近视眼镜,缺陷,近视眼和远视眼（先天、后天） 斜视（光楔） 散光（水晶体曲率半径不等，柱面镜，） 老花眼属自然生理现象，不是缺陷,3、目视光学仪器视度调节,人眼的视觉缺陷可以在眼前加以透镜可以矫正 目视光学仪器要适应不同视力的人使用 为此，目镜可以改变其前后的位置，使仪器所成的像不再位于无限远，而位于目镜的前方或后方一定的位置 这就是目视光学仪器的视度调节,物镜,目镜,正常眼,近视眼,远视眼,F眼,F眼,F眼,四眼睛的辐射接收器（适应特性,人眼

12、还能在不同亮暗程度的条件下工作,这就是人眼的另一个特性，具有对周围空间光亮情况适应的过程 称为适应,适应是一种当周围照明条件发生变化是眼睛所产生的变态过程，可分为对暗适应和对光适应两种，前者发生在光亮处到黑暗处的时候，后者发生在自黑暗处到光亮处的时候,人眼的适应,适应：眼睛对周围空间光亮情况的自动适应程度。 明适应：由暗处进入亮处，瞳孔自动缩小；快 暗适应：由亮处进入暗处，瞳孔自动放大。慢,10,12,1,10,12,10,12,12,12,10,12,辐射接收器视网膜,视网膜：由锥状细胞和杆状细胞组成，两种细胞各有不同的任务； 杆状细胞：对光刺激极敏感，但完全不感色； 明视觉、弱照明 锥状细

13、胞：感光能力差，但它们能对各色光有不同的感受。 暗（色）视觉、亮照明,锥状细胞:色视觉,杆状细胞:光视觉,五、眼睛的分辨率（分辨本领,眼的分辨能力：眼能够分辨最靠近两相邻点的能力称为眼的分辨能力，或视觉敏锐度。指的是成像在中央凹区时的分辨能力,人眼的分辨率一般用极限分辨角来表示,人眼的分辨率是眼睛的重要光学特性，同时也是目视光学仪器设计的重要依据之一。 用其它观测设备（如照相机、CCD等）替代人眼时也可据此作为参考,人眼刚能将两点分开的视角称为眼睛的极限分辨角,人眼分辨率与极限分辨角成反比关系,眼睛在看物空间两点时，这两点对眼睛物方节点的张角成为两点间的角距离或称为视角,从人眼的视网膜结构上来

14、分析,如果这两点的像分别落在被分隔开的两个视网膜细胞上，即得到两个点的视觉,由此可见，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,当两像点的间距大于（或等于）视觉细胞的直径时，就认为眼睛可以分辨,人眼的极限分辨角可表示为,rad,眼睛的分辨率（分辨本领,眼能够分辨两个像点间的最小距离=两视觉神经细胞的直径（瑞利判据） 在眼睛没有调节的松弛状态下，f 23mm，可得最小分辨角60（视角鉴别率） 60。 视角：物体对人眼的张角称作视角。（对物方节点的张角） 视角敏锐度1/ 光学系统的放大率与的关系 系统.系统=人眼,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

15、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,六、眼睛的对准精度,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,瞄准精度和分辨率是两个概念,又有一定的联系，经验证明，人眼的最高瞄准精度约为分辨率的1/6至1/10,1、两实线瞄准 60,2、两实线端部瞄准1020,3、双线平分或对称瞄准510,4、虚线压测件轮廓边缘2030,眼睛在观察物体时，除

16、了一般的物体特征外，还能够产生远近的感觉，被称为“空间深度感觉” 单眼或双眼都能产生这种感觉 单眼深度感觉来源： 1）物体高度已知，它所对应的视角大小来判断其远近 2）物体之间的遮蔽关系和阳光的阴影来判断它们相对位置 3）对物体细节的鉴别程度和空气的透明度所产生的深度感觉 4）眼睛的调节程度来判断物体的远近,七 空间深度感觉和双眼立体视觉,双眼观察的深度感觉除上述因素外： 5）物体的距离越近，视轴之间的夹角越大，这种感觉使眼球发生转动的肌肉紧张程度就不同，据此就能判断物体的远近； 6）双眼立体视觉（简称体视） 称为“视差角,59,其极限值 称为“体视锐度,当A、B两点距离不等时， 或 产生了远

17、近的感觉 被称为双眼立体视觉,约为10”，有可能达到5”或3,7-2 放大镜,物体对眼睛的视角，不仅取决于物体的大小，还取决于该物体到眼睛的距离，距离越近视角越大,在近处观察细小物体其视角小于人眼极限分辨角,就需要借助放大镜或显微镜将其放大，使像的视角大于人眼的极限分辨角 扩大视角是目视光学仪器的第一个要求,人眼在观察物体时完全放松的自然状态，即无限远目标成像到视网膜上.在利用仪器观察时，目标通过仪器后应成像在无限远处，即要求仪器出射平行光束 对目视光学仪器的第二个要求,7.2放大镜,单个正透镜（f0），与物的位置有关 一、视觉放大率 1、目视光学仪器的基本工作原理（基本设计要求）： 物体通过

18、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,因为眼睛通过放大镜或显微镜等目视光学仪器来观察物体时，所看到的是在眼睛视网膜上的物体像的大小,放大镜的放大率应为,通过放大镜观察物体时，物体像的视角正切与人眼直接观察该物体时的视角正切之比,这种放大率称为视角放大率。 用字母 表示,放大镜的放大率,与眼睛一起使用的目视光学仪器，其放大作用不能由横向放大率来表征,2、视觉放大作用,2）、明视距离 正常视力的眼睛一般把像调焦在明视距离D，则P-l D，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，则有式(7-16) 3）倍率范围：2.5X25

19、X,1）、光学常数 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/f 250/f,物体经放大镜成像的简图,虚像AB 对眼睛所张的视角的正切为,眼睛直接去观察物体时，是将其放在明视距离250mm处。此时物体对人眼张角的正切为,放大镜的放大率，除了和其焦距有关之外，还和眼睛离开放大镜的距离有关,在实际使用过程中，眼瞳大致位于放大镜的像方焦点的附近,经放大镜后,成一个正立放大的虚像,放大镜放大率的公式，通常采用以下形式,二、光束限制和线视场,孔径光阑眼瞳（放大镜+眼睛=目视光学仪器） 视场光阑放大镜框 渐晕光阑放大镜框 渐晕与视场角： 由图可知，当渐晕系数K100%，50%和0时，

20、像方视场角分别为 tg1(h-a)/P tgh/P tg2(h+a)/P,二、光束限制和线视场,线视场,k值为50% 用2y来表述视场角： 线视场,结论：放大镜倍率越大，其线视场越小。 与渐晕系数有关,7-3 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,一、显微镜像原理及其视觉放大率,1、成像原理,1）系统组成：成像系

21、统（物镜+目镜+眼睛）+ 照明系统 2）物镜的像平面在目镜的焦平面以内或重合（此处设置视阑） 3）光学筒长=F1F2机械筒长共轭距（国家标准,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,2、视觉放大率,1）总放大率,2）组合放大镜 3）极限倍率：100*15=1500,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

22、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以下关系,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,显微镜物镜物平面到像平面的距离称为共

23、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、光束限制与景深,1、

24、光阑的设置 1）孔阑 观察用 低倍：物镜框（入瞳），出瞳位于眼瞳处 高倍：最后一组透镜框 测量用 在物镜像方焦平面上，形成物方远心光路。 2）视阑：均设置在物镜像平面处(分化板) 入窗在物平面上，出窗在最后像平面上 3）渐晕 观察用：2 测量用：0 4）一般没有消杂光光阑,二、光束限制与景深,2、线视场 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 3、出瞳直径 出瞳直径D：D500NA/（小于眼瞳） 显微镜的数值孔径：NAnsinu，与配合选用的重要光学参数 4、景深 定义：人眼通过显微镜调焦在某一平面（对准平面）上时，在对准平面前和后一定范围内物体也能清晰成像

25、，能清晰成像的远、近物平面之间的距离称作显微镜的景深,三、显微镜的分辨率和有效放大率,1、受孔阑衍射效应的影响（点斑） 2、瑞利判断比道威判断保守，由此给出理想分辨率 显微镜的分辨率：以能分辨的物方两点间最短距离来表示 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。 附： 自发光：0.61/NA； 光源照明：/NA； 斜照明：0.5/NA,三、显微镜的分辨率和有效放大率,3、有效放大率： 概念：满足下式的视觉放大率 500NA1000NA 依据：眼睛容易分辨而不易疲劳24 伪分辨超过上限（无效放大

26、，虚放大） 4、越小，显微物镜的质量越好，影响因素有 1）NAnsinu 油浸物镜提高n 2）波长 3）不能无限制的提高分辨率 5、参数标注意义： 170mm/0.17；40/0.65,87,当两个独立的光强度相等的发光点逐渐靠近时，其在系统像面上的爱里斑也逐渐靠近，并开始有重叠的部分,这就引出光学系统对相邻两物点的分辨问题,光学仪器的分辨率,当相邻两点的间隔，正好使一个衍射图样中的爱里斑中心和另一个图样的第一暗环重合时，两个衍射图样的光强分布曲线相加而得到的合成光强分布曲线，两个极大值之间存在的一个极小值，能量约为极大值的80,1,0.8,r暗1,瑞利指出：这种合成的衍射图样还是可以看出是由

27、两个发光点构成的,1,0.8,r暗1,从图中可看出，两个爱里斑的中心距正好是爱里斑的半径,瑞利就以爱里斑半径或衍射图样的第一暗环半径（r暗1）作为 光学系统能对无限远两点的像分辨得开的最小距离称之为瑞利判据,按此判据，即可确定光学系统的分辨本领,按照夫琅和费衍射理论，无限远的发光点在望远系统焦平面上所形成的衍射图样，其第一暗环的半径（即爱里斑半径）可表示为,式中，波长，D入射光瞳直径,显微系统的分辨率是以刚能分辨的两物点之间的距离来表示的，称为最小分辨距,孔径光阑（出瞳,P1,P2,z,Umax,1,Umax,A,上述公式是从无穷远物点的衍射而得的,原则上显微系统并不满足这一条件,注意到物镜的像距要比它的出瞳直径大得多,像方光束接近于平行光束，公式,还是可以应用于显微物镜的,D P1P2,以1表示像面上能分辨的两点对出瞳中心的张角，可得,相应地,因Umax角一般很小，所以,由于显微物镜满足正弦条件，即有,式中，n像方介质的折射率，总是空气，n=1，而是在物空间与共轭的线量,式中， 即为前面所提的显微物镜的数值孔径（NA,它就是显微