工程光学典型光学系统

1、第七章 典型光学系统典型光学系统 第二节第二节放大镜放大镜第三节第三节 显微镜系统显微镜系统 第四节第四节 望远镜系统望远镜系统第一节第一节眼睛及其光学系统眼睛及其光学系统 目视目视光学系统光学系统第五节第五节 目镜目镜调节肌调节肌第一节第一节 眼睛及其光学系统眼睛及其光学系统 2、角膜、角膜(Cornea)：眼球前突出的透明球面膜，眼球前突出的透明球面膜， r8mm，n 1.38； 主要折射成像界面主要折射成像界面( (角膜角膜空气空气) )1、巩膜：、巩膜：包围眼球的白色包围眼球的白色 不透明外层，不透明外层，D25mm. 眼球横切面眼球横切面 一、眼睛一、眼睛(Eyes)的结构的结构3、

2、前室、前室：角膜后水晶体前的空间，充满透明水状液：角膜后水晶体前的空间，充满透明水状液n =1.336。 调节肌调节肌5、虹膜：、虹膜：脉络膜前方的脉络膜前方的 彩帘（水晶体前），眼彩帘（水晶体前），眼 球前的颜色。球前的颜色。8、后室：、后室：水晶体后、由视网膜包围的空间，玻璃液水晶体后、由视网膜包围的空间，玻璃液n =1.336。4、脉络膜：、脉络膜：巩膜内侧、视网膜外侧包围的巩膜内侧、视网膜外侧包围的黑色黑色膜层，吸膜层，吸 收从视网膜透过的光线，把后室变为暗室。收从视网膜透过的光线，把后室变为暗室。6、瞳孔、瞳孔(Pupil)：虹膜中央圆虹膜中央圆孔，孔，孔径光阑孔径光阑，限制进入人，

3、限制进入人眼光通量，眼光通量，D 28mm.7、水晶体、水晶体(Crystalline lens) ：双凸透镜双凸透镜 调节肌作用改变水晶体曲率调节肌作用改变水晶体曲率( (焦距焦距) )，不同距离物均成像于视网膜。，不同距离物均成像于视网膜。 自外层至内层的折射率自外层至内层的折射率 n n 逐渐增大（逐渐增大（1.371.411.371.41）校正像差校正像差(3) 盲斑（点）：盲斑（点）：视神经的出口，无感光细胞。视网膜的像被视神经的出口，无感光细胞。视网膜的像被 传输至大脑形成视觉。传输至大脑形成视觉。辐射接收器辐射接收器 杆状细胞：杆状细胞：对光刺激极敏感，对光刺激极敏感， 感光（明

4、暗视觉）感光（明暗视觉） 锥状细胞：锥状细胞：感色（色视觉）感色（色视觉）9、视网膜、视网膜(Retina)：后室内壁、连接脉络膜的一薄膜，由神经后室内壁、连接脉络膜的一薄膜，由神经 细胞和神经纤维构成。细胞和神经纤维构成。 感光和成像的位置感光和成像的位置。调节肌调节肌黄斑黄斑(Macula)：视网膜中部、黄色椭圆形区域。视网膜中部、黄色椭圆形区域。 中心凹：中心凹：黄斑点中心黄斑点中心D 0.25mm区域区域，密集感光细胞，密集感光细胞， 视觉最灵敏。视觉最灵敏。二、眼睛二、眼睛共轴光学系统共轴光学系统2、视轴：、视轴：黄斑中心黄斑中心与眼睛光学系统与眼睛光学系统像方节点像方节点的连线。的

5、连线。 眼球转动，使视轴对准观察物体并成像于黄斑上，视觉最清晰。眼球转动，使视轴对准观察物体并成像于黄斑上，视觉最清晰。1、成像过程：、成像过程： 折射球面：折射球面：外界光线经角膜折射外界光线经角膜折射 孔径光阑：孔径光阑：瞳孔自动调节直径控制入射光能瞳孔自动调节直径控制入射光能 变焦系统：变焦系统：水晶体自动调节，保证成像于视网膜上水晶体自动调节，保证成像于视网膜上 成像面：成像面： 视网膜视网膜3、 视场视场(角度角度)水平视场约达水平视场约达150垂直视场约达垂直视场约达130最清晰的视场范围：视轴周围最清晰的视场范围：视轴周围683、简化眼模型、简化眼模型FFOHH2r1r角膜顶点角

6、膜顶点视网膜视网膜ff011211.3mm 1.6mm214 17mm18 23mm4311.38345.7mm9.8mmOHHfHfHnnnrrrr 视折眼睛的基点位置：）主点距角膜顶点 ： ：， ：）焦距：（距 ），（距）空气；角膜；前室。）半径：，眼睛像方焦点与视网膜重合眼睛像方焦点与视网膜重合4、物体经眼睛成像于视网膜、物体经眼睛成像于视网膜10tanyyll 视角视角 ： 人眼对物体大小的感觉，取决于人眼对物体大小的感觉，取决于像在视网膜上的大小像在视网膜上的大小； 或，或，视网膜上的像对眼睛光心张角（视网膜上的像对眼睛光心张角（视角视角）的大小）的大小。 视角取决于物的大小和物距，

7、但是物距必须在近点之外。视角取决于物的大小和物距，但是物距必须在近点之外。视角大小超过视角大小超过人眼极限分辨角人眼极限分辨角的物体细节，才可被分辨。的物体细节，才可被分辨。 眼睛的光心眼睛的光心O0：眼睛节点、主点近似看做重合的位置。眼睛节点、主点近似看做重合的位置。 （进一步简化）（进一步简化）0O1(0ll1y1y2y2(2y三、眼睛的调节及校正三、眼睛的调节及校正 1、调节：、调节：眼睛成像系统对任意距离物体成像时，眼睛成像系统对任意距离物体成像时， 通过改变水晶体曲率达到自动调焦的过程。通过改变水晶体曲率达到自动调焦的过程。 能清晰调焦的极限距离：能清晰调焦的极限距离：远点远点(fa

8、r point)距离距离 lr 近点近点(near point)距离距离 lp远点远点lr(调节肌完全放松调节肌完全放松)近点近点lp(调节肌最大收缩，曲率半径最小调节肌最大收缩，曲率半径最小)幼年幼年-7-8cm青中年青中年-14 -40cm （ 明视距离明视距离-25cm）老年老年+200+40cm约约-200cm 远点发散度（会聚度）远点发散度（会聚度）：r1Rl 近点发散度（会聚度）近点发散度（会聚度）：p1Plrp11RPAll 眼睛的调节能力眼睛的调节能力：1D1D1m单位:与光焦度相同,屈光度（ ）,眼睛的视度眼睛的视度 眼睛的视度眼睛的视度(diopter)： 通常所说的眼镜度

9、数为对应视度数值通常所说的眼镜度数为对应视度数值100。HHHH2、非正常眼睛及其矫正、非正常眼睛及其矫正1）近视眼：近视眼：无穷远物点成像于视网膜之前，无穷远物点成像于视网膜之前，远点为有限远远点为有限远。加加正正透镜透镜(焦距与近点重合焦距与近点重合)将近点校正到明视距将近点校正到明视距离离2）远视眼：远视眼：无穷远物点成像于视网膜之后；无穷远物点成像于视网膜之后； 近点变远，非明视距离近点变远，非明视距离。加加负负透镜透镜(焦距与远点重合焦距与远点重合)将远点校正到无穷远将远点校正到无穷远50岁之后，岁之后， 老花眼！老花眼！Myopia/NearsightednessHyperopia

10、/Farsightedness所配眼镜的焦距与远点距离所配眼镜的焦距与远点距离 相等相等rlrlf 远点为远点为-2m的近视眼，所需眼镜的光焦度为的近视眼，所需眼镜的光焦度为-0.5D，即，即50度度。光焦度光焦度)(5 . 01211111mllf近点在眼前近点在眼前1.25m处，应配多少度的眼镜？处，应配多少度的眼镜？光焦度光焦度)(2 . 3)(2 . 325. 0125. 111111Dmllf将近点校正到将近点校正到250mm处：处：手术治疗手术治疗（4）白内障：白内障：水晶体变为浑浊而不透明。水晶体变为浑浊而不透明。（3）散光眼散光眼(Astigmatism)(Astigmatis

11、m)： 原因：原因：角膜、或水晶体（两表面）不对称，是非球面造成角膜、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。导致不同方向的线条不能同时看清。21RRAST视度视度1rRl眼睛的散光度：眼睛的散光度：圆柱面透镜圆柱面透镜可校正散光可校正散光n(5)斜视斜视:水晶体位置不正或折射面曲率异常水晶体位置不正或折射面曲率异常 矫正应配戴矫正应配戴光楔光楔 四、眼睛的适应能力四、眼睛的适应能力

12、 适应：适应：眼睛对周围空间光亮情况的自动适应程度。眼睛对周围空间光亮情况的自动适应程度。明适应：明适应：从暗处到亮处从暗处到亮处 瞳孔自动缩小瞳孔自动缩小暗适应：暗适应：从亮处到暗处从亮处到暗处 瞳孔自动增大瞳孔自动增大五、眼睛的五、眼睛的分辨率分辨率 眼睛的分辨能力：眼睛的分辨能力：人眼人眼能分开能分开最靠近最靠近两个相邻点的两个相邻点的距离距离. 眼睛的极限分辨角眼睛的极限分辨角 ：刚刚能分辨开的两点对人眼的张角，即人眼能分辨开的两点对人眼的张角，即人眼最小的视角。最小的视角。 视角：视角：物体对人眼的张角物体对人眼的张角。1、概念、概念n眼睛的分辨率与视网膜上两像点眼睛的分辨率与视网膜

13、上两像点距离距离及视觉细胞及视觉细胞的的直径直径大小有关大小有关 眼睛分辨率眼睛分辨率180360012062653.1415926弧度,(mm)DD140=D1.22=0.555 m补充：补充：根据瑞利判据计算理想光学系统分辨率根据瑞利判据计算理想光学系统分辨率（波动性）（波动性）2、人眼的分辨能力、人眼的分辨能力 极限分辨角：极限分辨角：70 白天的瞳孔直径白天的瞳孔直径D = 2mm 对应于视网膜上对应于视网膜上极限分辨距离极限分辨距离：0.006mm 约为两个视神经细胞直径，超过该距离的两像点可被分辨约为两个视神经细胞直径，超过该距离的两像点可被分辨. 通常认为，白天人眼的极限分辨角：

14、通常认为，白天人眼的极限分辨角：601 照明条件变差，瞳孔直径增大，眼睛系统的像差增大，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。分辨能力下降。六、眼睛的对准精度六、眼睛的对准精度 对准误差（人眼的瞄准精度）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。偏离置中或偏离重合的线距离或角距离。 对准：对准：垂直于视轴方向上的垂直于视轴方向上的重合重合或或置中置中过程。过程。 双线端部对准单线双线端部对准单线误差误差10叉线对准单线叉线对准单线误差误差10两实线对准两实线对准误差误差60单线置中单线置中误差误差10 2011610对准误差约是人眼分辨率的七、眼

15、睛的景深七、眼睛的景深 2、远景、近景平面上的物点、远景、近景平面上的物点视网膜上的像为弥散斑视网膜上的像为弥散斑对准对准 近景近景远景远景眼瞳眼瞳Dp1、调焦（对准）平面上的物点、调焦（对准）平面上的物点视网膜上的点像视网膜上的点像若弥散斑可看作一像点，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。则要求其对人眼张角小于极限分辨角。八、双目立体视觉八、双目立体视觉ABb2a2a1b1lb1,视差角视差角Aa1a2ABAa1a2ABABb2a2a1b1lbABLb视觉基线视觉基线AD2,视差、体视锐度视差、体视锐度视差越大，两物体的纵向视差越大，两物体的纵向深度越大，反之越小深度越大

16、，反之越小视差：视差：体视锐度：体视锐度：min3, 体视半径体视半径体视半径：人眼能辨别远近的最大距离体视半径：人眼能辨别远近的最大距离minmaxbL说明：并不是在体视半径内所有的情况下人眼都能说明：并不是在体视半径内所有的情况下人眼都能 产生立体的感觉产生立体的感觉4, 立体视觉阈立体视觉阈人眼能够分辨两个点间的最短深度距离人眼能够分辨两个点间的最短深度距离bLL2怎样才能有好的立体视觉？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？视阈值，怎样实现？ 可以借助光学仪器增大基线长，可以借助光学仪器增大基线长，

17、减小体视锐度值。如利用双简棱镜减小体视锐度值。如利用双简棱镜望远镜望远镜 对焦你的双眼到图片后面，把顶部的二点成像成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的时候，观察出图片中包含的立体图像小小 结结1、眼睛的结构：、眼睛的结构：角膜、瞳孔、水晶体、视网膜角膜、瞳孔、水晶体、视网膜2、简化眼模型、简化眼模型3、眼睛的调节、眼睛的调节水晶体水晶体 远、近点，调节能力，视度，近视、远视、散光远、近点，调节能力，视度，近视、远视

18、、散光眼及眼及校正校正4、 眼睛的适应眼睛的适应瞳孔瞳孔：明适应、暗适应明适应、暗适应5、眼睛的分辨率、眼睛的分辨率瞳孔瞳孔 视角、极限分辨角、视网膜上最小的分辨距离视角、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、眼睛的对准精度、景深7、眼睛的立体视觉、眼睛的立体视觉衍射2、波动光学：物点高斯像面上的衍射斑（艾里斑） 1、几何光学：物点高斯像点一、理想光学系统成像一、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：两物点的间距逐渐变小时，对应像点的位置变化： (a) (b) (c)补充补充 1：系统的分辨率：系统的分辨率系统的分辨率：系统的分辨率：光学系统能分开

19、两个像点的最小距离。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：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，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。认为刚好能分辨这两个物点。二、瑞利判据二、瑞利判据能分辨的两个能分辨的两个等亮度点等亮度点间的距离对应于艾里斑半径间的距离对应于艾里斑半径。0.555/,()mD D mm =140/,DD =1.22入瞳直径 的函数无限远物点无限远物点被理想光学系统成衍射图案：被理想光学系统成衍射图案：能分辨的二点间的最小角距离能分辨的二点间的最小角距离 第一暗环半径对出瞳中

20、心的张角：第一暗环半径对出瞳中心的张角：补充 2：目视光学仪器眼睛的光心眼睛的光心O0：眼睛节点眼睛节点,主点近似看做重合的位置主点近似看做重合的位置yey0O(一、裸眼直接成像：一、裸眼直接成像：二、眼睛二、眼睛+目视光学仪器目视光学仪器：e0tanyyll 视角视角 ：i0tanyyll 视角视角 ：0ll00tantantantanll (yyiy0OHH0ll 目视光学系统的目视光学系统的视觉放大率：视觉放大率： ieyy 2、眼睛、眼睛+目视光学仪器：目视光学仪器：视角可被目视光学仪器放大。视角可被目视光学仪器放大。 1、裸眼直接成像：、裸眼直接成像：视角取决于物的大小和物距视角取决

21、于物的大小和物距(近点之外近点之外)， 视角大小超过人眼极限分辨角的物体细节才可被分辨。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：不同的目视光学仪器，通常选择的物距为：1）放大镜、显微镜：）放大镜、显微镜：观察物位于明视距离附近；观察物位于明视距离附近；2）望远镜：）望远镜：观察物位于远处或无穷远。观察物位于远处或无穷远。e0tanyylli0tanyl 0ie0tantantantanlyyl 观察物体所需分辨率观察物体所需分辨率目视光学仪器的放大率目视光学仪器的放大率= =眼睛分辨率眼睛分辨率焦距以内成放大虚像焦距以内成放大虚像一、放大镜的成像

22、原理一、放大镜的成像原理 tan250mmy，明视距离 裸眼直接观察的视角裸眼直接观察的视角 ：tanyPl 使用放大镜的视角使用放大镜的视角 : 视觉放大率视觉放大率：tan250mmtan()yy Pl xflyyyff由垂轴放大倍率公式：由垂轴放大倍率公式：250mmflPlf 第二节第二节 放大镜放大镜 （The Magnifying Glass）0ie0tantanlyyl 二、两种特殊情况二、两种特殊情况 l0250mm/ f 当眼睛调焦在无限远：当眼睛调焦在无限远：物体放在放大镜的前焦点上物体放在放大镜的前焦点上250mmflPlf 正常视力的眼睛一般调焦在明视距离，即正常视力的

23、眼睛一般调焦在明视距离，即 虚像位于眼前虚像位于眼前250mm处，处，250mmPl0P250mm1f 若眼睛紧靠着放大镜：若眼睛紧靠着放大镜：焦距以内成放大虚像焦距以内成放大虚像250mm250mm11PPfff 注意：注意： 焦距一般用毫米作单位，式中焦距一般用毫米作单位，式中mm不能漏掉。不能漏掉。 原则上，焦距越短放大倍率越高；但因受限原则上，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于像差并考虑实用，倍率较大的放大镜由组合透镜组成。组成。物像调焦在明视距离且眼睛位于像方焦点处：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：mmlp250f

24、p0250mm/ f 250mmflPlf 各虚线为对应像点各虚线为对应像点成像光束最上沿的光线成像光束最上沿的光线P1P P2 1、眼瞳、眼瞳孔径光阑；放大镜孔径光阑；放大镜视场光阑、渐晕光阑视场光阑、渐晕光阑三、眼睛与放大镜联用三、眼睛与放大镜联用观察近距离小物体观察近距离小物体 11）无渐晕视场：以内的各物点均以充满眼瞳的全光束成像。2）50%渐晕视场：对应于成像光束刚好充满眼瞳的一半。23）最大像方视场角：放大镜所可能成像的范围。2、渐晕与光束限制、渐晕与光束限制tan/h Ptan/h P3、50%渐晕的线视场渐晕的线视场 22tanyf当物面放在放大镜前焦平面上时，像平面在无限远当

25、物面放在放大镜前焦平面上时，像平面在无限远 线视场为：线视场为：l放大镜的倍率越大，线视场越小放大镜的倍率越大，线视场越小。05002mmhyP0250mm/ f eFoFyy眼睛眼睛eFoFoeff 、一、复习：一、复习：p33tanyL明视物直接对眼的张角：物直接对眼的张角：目镜：放大目镜：放大物体经物镜所成的像物体经物镜所成的像第三节第三节 显微镜系统显微镜系统（Microscope） 物镜：物镜：放大放大实物实物oeeoetanyyyfff f 像对眼的张角：像对眼的张角：oooofyyff物镜的垂轴放大率：物镜的垂轴放大率：显微镜显微镜 视觉放大率：视觉放大率：oetantanLff

26、 明视-L二、显微镜的视觉放大率二、显微镜的视觉放大率1、定义：、定义：o eoetan(250m m )tanf f oef ff 250mmf 2、令显微镜的组合焦距：、令显微镜的组合焦距：eFoFyy二、显微镜的视觉放大率二、显微镜的视觉放大率1、定义：、定义：oeoe250mm,ff oeoetan(250mm)tanf f oef ff 250mmf 2、令显微镜的组合焦距：、令显微镜的组合焦距：eFoFyy表表1：上海光仪厂上海光仪厂XPG偏光显微镜的基本参数偏光显微镜的基本参数物镜物镜目镜目镜倍率倍率焦距焦距数值孔径数值孔径NA=nsinu倍率倍率焦距焦距（1）339.5mm0.

27、10（1）5 50mm（2）819.96mm0.25（2）10 25mm（3）454.12mm0.63（4）100（油浸）（油浸）1.91mm1.32ef ofeo 其他：其他：共轭距（物共轭距（物-像面距离）、机械筒长像面距离）、机械筒长nu物空间折射率， 轴上物点被物镜接收光线的最大孔径角 NA：眼睛眼睛eFoF三、显微镜的线视场三、显微镜的线视场孔径光阑孔径光阑视场光阑视场光阑 视场光阑位于视场光阑位于目镜的物方焦平面目镜的物方焦平面，设直径为，设直径为D，2Dy o/ 2yDyy1、线视场：、线视场：oe500tan500tan2mmy2、线视场的计算：、线视场的计算： 视场光阑的大小

28、应与目镜的视场角一致：视场光阑的大小应与目镜的视场角一致： 物物与与视场光阑视场光阑是关于是关于物镜物镜的物像共轭关系：的物像共轭关系：e/ 2tanDf eeeetan250mm=tan250mmyfyf etan500mmD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、显微镜的出瞳直径四、显微镜的出瞳直径 500/mmDNA 出瞳直径出瞳直径D：1 1、孔径光阑的位置：、孔径光阑的位置：1 1）普通显微镜：孔径光阑是物镜框；）普通显微镜：孔径光阑是物镜框；2 2）测量显微镜：）测量显微镜：孔径光阑在孔径光阑在物镜像方焦平面物

29、镜像方焦平面上（物方远心光路）。上（物方远心光路）。2、物镜物镜的数值孔径的数值孔径unNAsin教材推导过程概念有误，可参阅教材推导过程概念有误，可参阅 韩军等韩军等工程光学工程光学与放大率成反比与放大率成反比表表2：显微镜的视觉放大率、出瞳直径，和物镜数值孔径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。的参数对比。1.250.650.250.420.542.50sinNAnu(mm)D150060050500/mmDNA五、显微镜的分辨率五、显微镜的分辨率0alD1.22=艾里斑艾里斑角半径角半径： 无像差光学系统，物点经该系统在像面上得到的不无像差光学系统，物点经该系统在像

30、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阑的夫琅和费衍射图样1 1、成像系统的分辨本领、成像系统的分辨本领:alDlD1.22=，孔径光阑直径,光阑-像面距离 艾里斑半径艾里斑半径：0,ya像两物点可被分辨 瑞利判据瑞利判据:LS2S2S1S1(S1S10(2、显微镜的分辨率、显微镜的分辨率(瑞利判据瑞利判据) )极限线距离极限线距离nyy(uS1S2S1S2显微物镜显微物镜D)u)ln一次实像面一次实像面（1 1）刚能被分辨刚能被分辨像像点间距：点间距：yalD1.22=/ 2sin,1Duunl 显微镜

31、物镜成像（小视场近轴物）显微镜物镜成像（小视场近轴物）：sinsinnyun yu unysin61. 0（2）刚能被分辨的刚能被分辨的物点间距物点间距： 提高分辨率的方法提高分辨率的方法：(1)()(2) sinyynuNA 或，则要求：0.61sinynu例：电子束显微镜、浸液物镜例：电子束显微镜、浸液物镜即：即：a减小波长、减小波长、 b 增大物方折射率、增大物方折射率、 c提高提高sinU的值的值由由瑞利判据瑞利判据得分辨率：得分辨率：3、道威判据：、道威判据：两衍射斑的中心间距为两衍射斑的中心间距为0.85a时，时， 刚好能被光学系统分辨。刚好能被光学系统分辨。0.61sinyanu

32、NAunay61. 0sin61. 0物点物点间距间距像点像点间距间距yy（注： 为物空间的距离，与书中的符号 对应； 为物镜实像面的距离。）0.850.5ayNA光学系统的理想分辨率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！显微镜的分辨率主要取决于物镜的数值孔径，与目镜无关！2 0.00029 250mm4 0.00029 250mm 明视距离观测：明视距离观测：显微镜像空间显微镜像空间的线距离的线距离0.52 0.00029 250mm4 0.00029 250mmNA 设眼睛容易分辨的角距离：设眼睛容易分辨的角距离：24 10.00029弧度4、显微镜的分辨

33、率与有效放大率、显微镜的分辨率与有效放大率NANA1046523NANA1000500近似近似: 取取= =555nm：显微镜的显微镜的有效放大率范围有效放大率范围小结：小结：能够被物镜分辨的细节，要同时被眼睛分辨，要求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。取决于物镜的分辨率或数值孔径。 道威判断：道威判断：显微镜物空间显微镜物空间的线距离的线距离250 ),(),( yymmnm例1：若要求显微镜能分辨相距0.0005的两点，用波长 550的可见光照明，试求

34、：（1）物镜的数值孔径； （2）设人眼在明视距离处观测，若要求此两点放大 后视角为2 ，求显微镜的视觉放大率是几倍？60.50.5sin0.0005mm0.50.5 550 10sin0.550.0005nuNANAnu解：1)根据道威判据： 显微镜的分辨率： 物镜的数值孔径：2 0.00029 250mm=0.145mm290 2)明视距离观测，两点间距经显微镜放大后视角为2， 即,对应显微镜像空间的线距离： = 折算为显微镜物空间的线距离： 可得，倍六、显微镜的景深六、显微镜的景深mmNAn25021数值孔径越大，景深越小数值孔径越大，景深越小放大倍率越大，景深越小放大倍率越大，景深越小七

35、、显微镜的物镜七、显微镜的物镜低倍物镜低倍物镜中倍物镜中倍物镜高倍物镜高倍物镜浸液物镜浸液物镜复消色差物镜复消色差物镜平视场复消色差物镜平视场复消色差物镜 齐明透镜齐明透镜 浸液浸液 1、浸液物镜、浸液物镜NA增大增大n倍，倍，增强物镜的聚光本领增强物镜的聚光本领PG1G2airOPG1G2oilOnnn干物镜干物镜油浸物镜油浸物镜nn190POu距离很近，1arcsinu Cn 油浸物镜：允许更宽入射孔径角的光线束参与成像。油浸物镜：允许更宽入射孔径角的光线束参与成像。sin1NA nun PG1G2oilC1nnnn0=1O1O2O32、齐明点在高倍显微物镜中的应用、齐明点在高倍显微物镜中

36、的应用P1P2111O :PP（）折射球面与 是一对齐明点 齐明点：齐明点：() /Ln n r n() /Ln n r n2/nLn Ln n(C2)2212O :CP（ ）折射球面曲率中心与 重合3123O :PP（ ）折射球面与 是一对齐明点 使用较大的数值孔径时，光线的孔径角随多次折射而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。被逐渐减小，并不产生球差或彗差，但会引起较大色差。 齐明透镜齐明透镜a）透射光亮视场照明）透射光亮视场照明 d）反射光暗视场照明）反射光暗视场照明b）反射光亮视场照明反射光亮视场照明c）透射光暗视场照明）透射

37、光暗视场照明八、显微镜的照明方法八、显微镜的照明方法照明分类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。束，对比度高，可使分辨率提高。1、结构、结构2、视觉放大率、视觉放大率3、线视场、线视场4、出瞳直径、出瞳直径 物镜的数值孔径：物镜的数值孔径：5、 物镜物镜 分辨率分辨率6、显微镜的分辨率与有效放大率、显微镜的分辨率与有效放大率九、小结九、小结oeoetan250mm(250mm)tanff f e500tan2mmy500/mmDNA unNAsinNANA1000500波长波长 555nm0.61s

38、inanuNAun61. 0sin61. 01) 瑞利判据瑞利判据2) 道威判据：道威判据：0.850.5aNA第四节第四节 望远镜系统望远镜系统(Telescope) 重合，重合， ，光学间隔，光学间隔=0=0oeFF、oeffeofyyf 垂轴放大率：垂轴放大率：oe1,()fnnf 角放大率：角放大率：oFeF一、折射望远镜一、折射望远镜（复习：（复习：p32 第二章）第二章）0, f 无焦系统：无焦系统：二、望远系统的视觉放大率二、望远系统的视觉放大率 tantan eofyyf oe1,()fnnf oefDfD1 开普勒开普勒望远镜成像原理图望远镜成像原理图oeff增大 ，或减小

39、，可增大视觉放大率。e0f （入瞳）入射窗、出射窗分别位于系统的物方、像方无限远,各自与物、像平面重合。军用望远镜军用望远镜棱镜转像系统棱镜转像系统 开普勒开普勒望远镜：望远镜： ，成倒立像，成倒立像 ，可加转像系统。，可加转像系统。0 伽利略伽利略望远镜：望远镜： ，成正立像。，成正立像。0 oe1ffe0f e0f 无中间实像，无中间实像，不能通过加分不能通过加分划板实现瞄准划板实现瞄准或定位。或定位。三、望远系统的分辨率及工作放大率三、望远系统的分辨率及工作放大率1、望远系统的分辨率、望远系统的分辨率取：取： ， ， 得：得：1n osin/2uDf555nm140 /mmD120 /m

40、mD（2）根据道威判断：）根据道威判断：0.61sinanu（1）根据瑞利判断：）根据瑞利判断： oo0.61sinafnuf 极限分辨角极限分辨角 物镜或入瞳直径越大，则望远镜的极限分辨角越小，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。即分辨率越高。例例. 计算物镜直径分别为：计算物镜直径分别为：D=5.0 cm、50cm的望远的望远镜镜, 对可见光平均波长对可见光平均波长555nm的最小分辨角。的最小分辨角。 解：解： 当当D=50cm 时，时， 82.0 若若: 一个望远镜的最小分辨角一个望远镜的最小分辨角 , 要充分利用眼睛的要充分利用眼睛的分辨本领分辨本领 ，望远镜

41、放大倍数，望远镜放大倍数 取何值？取何值？8 . 250041 当当D=5.0cm时时60 2、视觉放大率和分辨率的关系、视觉放大率和分辨率的关系 望远镜的望远镜的工作放大率工作放大率：02.3D 望远镜的极限分辨角经视觉放大后，要满足人眼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。的极限分辨角的要求。人眼人眼的极限分辨角：的极限分辨角：1= 60140 / D望远镜望远镜的极限分辨角：的极限分辨角：602.3D 望远镜的有效放大率（最小）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。高倍率的望远镜必须增大物镜的直径。1、结构特点：、结构特点：开普勒望远镜、伽利

42、略望远镜开普勒望远镜、伽利略望远镜2、视觉放大率：、视觉放大率：3、分辨率：、分辨率：4、分辨率与视觉放大率：、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。光学系统的分辨率与放大率的乘积等于眼睛的分辨率。四、小结四、小结oefDfD1 oo0.61sinafnu f 140 /mmD120 /mmD道威判断：道威判断：瑞利判断：瑞利判断：60 602.3D 工作放大率：工作放大率：02.3D 有效放大率：有效放大率：焦距以内成放大虚像焦距以内成放大虚像第五节第五节 目镜目镜眼睛眼睛eFoF显微镜显微镜孔径光阑孔径光阑视场光阑视场光阑 视场光阑位于视场光阑位于目镜的物方

43、焦平面目镜的物方焦平面望远系统望远系统 开普勒开普勒望远镜成像原理图望远镜成像原理图e0f （入瞳）入射窗、出射窗分别位于系统的物方、像方无限远,各自与物、像平面重合。 光学参数：视场角光学参数：视场角2、焦距、焦距 f、相对镜目距、相对镜目距p/f和工和工作距作距l22 2、镜目距、镜目距p p是像空间顶点到出瞳的距离是像空间顶点到出瞳的距离 4 4、工作距、工作距l l2 2：目镜第一面顶点到物方焦平面的轴向距离：目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。光学系统，轴上点像差不

44、大。3 3、相对镜目距：、相对镜目距：1 1、视场：、视场： 光学参数：视场角光学参数：视场角2、焦距、焦距 f、相对镜目距、相对镜目距p/f和工和工作距作距l2 光学参数：视场角光学参数：视场角2、焦距、焦距 f、相对镜目距、相对镜目距p/f和工和工作距作距l21 1、视场：、视场： 光学参数：视场角光学参数：视场角2、焦距、焦距 f、相对镜目距、相对镜目距p/f和工和工作距作距l22 2、镜目距、镜目距p p是像空间顶点到出瞳的距离是像空间顶点到出瞳的距离1 1、视场：、视场： 光学参数：视场角光学参数：视场角2、焦距、焦距 f、相对镜目距、相对镜目距p/f和工和工作距作距l22 2、镜目

45、距、镜目距p p是像空间顶点到出瞳的距离是像空间顶点到出瞳的距离1 1、视场：、视场： 光学参数：视场角光学参数：视场角2、焦距、焦距 f、相对镜目距、相对镜目距p/f和工和工作距作距l23 3、相对镜目距：、相对镜目距：2 2、镜目距、镜目距p p是像空间顶点到出瞳的距离是像空间顶点到出瞳的距离1 1、视场：、视场： 光学参数：视场角光学参数：视场角2、焦距、焦距 f、相对镜目距、相对镜目距p/f和工和工作距作距l23 3、相对镜目距：、相对镜目距：2 2、镜目距、镜目距p p是像空间顶点到出瞳的距离是像空间顶点到出瞳的距离1 1、视场：、视场： 光学参数：视场角光学参数：视场角2、焦距、焦

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

47、到物方焦平面的轴向距离：目镜第一面顶点到物方焦平面的轴向距离3 3、相对镜目距：、相对镜目距：2 2、镜目距、镜目距p p是像空间顶点到出瞳的距离是像空间顶点到出瞳的距离1 1、视场：、视场： 光学参数：视场角光学参数：视场角2、焦距、焦距 f、相对镜目距、相对镜目距p/f和工和工作距作距l2 目镜是一种小孔径、大视场、短焦距、光阑在外面的目镜是一种小孔径、大视场、短焦距、光阑在外面的光学系统，轴上点像差不大。光学系统，轴上点像差不大。 光学参数：视场角光学参数：视场角2、焦距、焦距 f、相对镜目距、相对镜目距p/f和工和工作距作距l21 1、视场：、视场： 目镜是一种小孔径、大视场、短焦距、

48、光阑在外面的目镜是一种小孔径、大视场、短焦距、光阑在外面的光学系统，轴上点像差不大。光学系统，轴上点像差不大。 光学参数：视场角光学参数：视场角2、焦距、焦距 f、相对镜目距、相对镜目距p/f和工和工作距作距l21 1、视场：、视场： 目镜是一种小孔径、大视场、短焦距、光阑在外面的目镜是一种小孔径、大视场、短焦距、光阑在外面的光学系统，轴上点像差不大。光学系统，轴上点像差不大。 光学参数：视场角光学参数：视场角2、焦距、焦距 f、相对镜目距、相对镜目距p/f和工和工作距作距l22 2、镜目距、镜目距p p是像空间顶点到出瞳的距离是像空间顶点到出瞳的距离1 1、视场：、视场： 目镜是一种小孔径、

49、大视场、短焦距、光阑在外面的目镜是一种小孔径、大视场、短焦距、光阑在外面的光学系统，轴上点像差不大。光学系统，轴上点像差不大。 光学参数：视场角光学参数：视场角2、焦距、焦距 f、相对镜目距、相对镜目距p/f和工和工作距作距l22 2、镜目距、镜目距p p是像空间顶点到出瞳的距离是像空间顶点到出瞳的距离1 1、视场：、视场： 目镜是一种小孔径、大视场、短焦距、光阑在外面的目镜是一种小孔径、大视场、短焦距、光阑在外面的光学系统，轴上点像差不大。光学系统，轴上点像差不大。 光学参数：视场角光学参数：视场角2、焦距、焦距 f、相对镜目距、相对镜目距p/f和工和工作距作距l23 3、相对镜目距：、相对

50、镜目距：2 2、镜目距、镜目距p p是像空间顶点到出瞳的距离是像空间顶点到出瞳的距离1 1、视场：、视场： 目镜是一种小孔径、大视场、短焦距、光阑在外面的目镜是一种小孔径、大视场、短焦距、光阑在外面的光学系统，轴上点像差不大。光学系统，轴上点像差不大。 光学参数：视场角光学参数：视场角2、焦距、焦距 f、相对镜目距、相对镜目距p/f和工和工作距作距l23 3、相对镜目距：、相对镜目距：2 2、镜目距、镜目距p p是像空间顶点到出瞳的距离是像空间顶点到出瞳的距离1 1、视场：、视场： 目镜是一种小孔径、大视场、短焦距、光阑在外面的目镜是一种小孔径、大视场、短焦距、光阑在外面的光学系统，轴上点像差

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

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

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

54、瞳的距离是像空间顶点到出瞳的距离1 1、视场：、视场： 目镜是一种小孔径、大视场、短焦距、光阑在外面的目镜是一种小孔径、大视场、短焦距、光阑在外面的光学系统，轴上点像差不大。光学系统，轴上点像差不大。 光学参数：视场角光学参数：视场角2、焦距、焦距 f、相对镜目距、相对镜目距p/f和工和工作距作距l23 3、相对镜目距：、相对镜目距：2 2、镜目距、镜目距p p是像空间顶点到出瞳的距离是像空间顶点到出瞳的距离1 1、视场：、视场： 目镜是一种小孔径、大视场、短焦距、光阑在外面的目镜是一种小孔径、大视场、短焦距、光阑在外面的光学系统，轴上点像差不大。光学系统，轴上点像差不大。 光学参数：视场角光

55、学参数：视场角2、焦距、焦距 f、相对镜目距、相对镜目距p/f和工和工作距作距l23 3、相对镜目距：、相对镜目距：2 2、镜目距、镜目距p p是像空间顶点到出瞳的距离是像空间顶点到出瞳的距离1 1、视场：、视场： 目镜是一种小孔径、大视场、短焦距、光阑在外面的目镜是一种小孔径、大视场、短焦距、光阑在外面的光学系统，轴上点像差不大。光学系统，轴上点像差不大。 光学参数：视场角光学参数：视场角2、焦距、焦距 f、相对镜目距、相对镜目距p/f和工和工作距作距l2 4 4、工作距、工作距l l2 2：目镜第一面顶点到物方焦平面的轴向距离：目镜第一面顶点到物方焦平面的轴向距离3 3、相对镜目距：、相对

56、镜目距：2 2、镜目距、镜目距p p是像空间顶点到出瞳的距离是像空间顶点到出瞳的距离1 1、视场：、视场： 目镜是一种小孔径、大视场、短焦距、光阑在外面的目镜是一种小孔径、大视场、短焦距、光阑在外面的光学系统，轴上点像差不大。光学系统，轴上点像差不大。 光学参数：视场角光学参数：视场角2、焦距、焦距 f、相对镜目距、相对镜目距p/f和工和工作距作距l2 4 4、工作距、工作距l l2 2：目镜第一面顶点到物方焦平面的轴向距离：目镜第一面顶点到物方焦平面的轴向距离3 3、相对镜目距：、相对镜目距：2 2、镜目距、镜目距p p1 1、视场：、视场： 目镜是一种小孔径、大视场、短焦距、光阑在外面的目

57、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。光学系统，轴上点像差不大。 光学参数：视场角光学参数：视场角2、焦距、焦距 f、相对镜目距、相对镜目距p/f和工和工作距作距l2目镜目镜 光学参数：视场角光学参数：视场角2、焦距、焦距 f、相对镜目距、相对镜目距p/f和工和工作距作距l21 1、视场：、视场： 光学参数：视场角光学参数：视场角2、焦距、焦距 f、相对镜目距、相对镜目距p/f和工和工作距作距l21 1、视场：、视场： 光学参数：视场角光学参数：视场角2、焦距、焦距 f、相对镜目距、相对镜目距p/f和工和工作距作距l21 1、视场：、视场： 光学参数：视场角光学

58、参数：视场角2、焦距、焦距 f、相对镜目距、相对镜目距p/f和工和工作距作距l21 1、视场：、视场： 光学参数：视场角光学参数：视场角2、焦距、焦距 f、相对镜目距、相对镜目距p/f和工和工作距作距l23 3、相对镜目距：、相对镜目距：1 1、视场：、视场： 光学参数：视场角光学参数：视场角2、焦距、焦距 f、相对镜目距、相对镜目距p/f和工和工作距作距l2 4 4、工作距、工作距l l2 2：3 3、相对镜目距：、相对镜目距：1 1、视场：、视场： 4 4、工作距、工作距：3 3、相对镜目距：、相对镜目距：2 2、镜目距、镜目距p p：1 1、视场：、视场：1、惠更斯目镜和冉斯登目镜、惠更

59、斯目镜和冉斯登目镜n惠更斯目镜由两块平凸透镜组成，其间隔为惠更斯目镜由两块平凸透镜组成，其间隔为d。v场镜所产生的轴外差很大，很难予以补偿。所以该目镜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。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场镜接目镜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小于惠小于惠更斯目镜两透镜的间距。更斯目镜两透镜的间距。n在

60、成像质量上，由于冉斯登目镜的间隔小，所以冉斯登在成像质量上，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目镜的场曲。目镜的场曲小于惠斯登目镜的场曲。场镜视场光阑（物镜像平面目镜前焦面）出瞳（眼瞳）接目镜d接目镜d d2、凯涅尔目镜、凯涅尔目镜n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。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。v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。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v对称式目镜是应用非常广泛的中等视场目镜。对称式目镜是应用非常广泛的中等视场目镜。v它由两