工程光学第七章典型光学系统(2013总第13讲)

1、第七章第七章 典型光学系统典型光学系统上篇上篇 几何光学与光学设计几何光学与光学设计石家庄铁道大学石家庄铁道大学. .机械工程学院机械工程学院测控系测控系.刘希太刘希太总第总第13讲讲复习上一章内容复习上一章内容第六章第六章 光线的光路计算及像差理论光线的光路计算及像差理论第一节第一节 概述概述像差产生原因：像差产生原因：孔径：入射光线孔径不同，成像位置也不同。孔径：入射光线孔径不同，成像位置也不同。视场：不同视场成像倍率不同，子午、弧矢面成像性质也不同。视场：不同视场成像倍率不同，子午、弧矢面成像性质也不同。像差计算的谱线选择原则：像差计算的谱线选择原则：主要取决于光能接收器的光谱特性。主要

2、取决于光能接收器的光谱特性。定义：实际光学系统物点对应的像与高斯光学理想状况的偏差。定义：实际光学系统物点对应的像与高斯光学理想状况的偏差。几何像差几何像差球差：球差：轴上点宽光束轴上点宽光束彗差：彗差：轴外点宽光束轴外点宽光束像散像散场曲场曲畸变畸变位置色差位置色差(轴向色差：波长不同会聚点不同轴向色差：波长不同会聚点不同)倍率色差倍率色差(垂轴色差：垂轴色差：波长不同放大率不同波长不同放大率不同)单色光像差单色光像差白光像差白光像差使像模糊使像模糊使像变形使像变形物理光学：物理光学：波象差波象差( (实际波面与理想球面波的偏差实际波面与理想球面波的偏差) )。轴外点细光束轴外点细光束像差种

3、类像差种类第二节第二节 光线的光路计算光线的光路计算子午面子午面近轴光线近轴光线轴上点轴上点 (1条条)过入瞳边缘过入瞳边缘(第一近轴光线第一近轴光线)轴外点轴外点(5个视场个视场)主光线主光线(第二近轴光线第二近轴光线)远轴光线远轴光线轴上点轴上点轴外点轴外点所选特征光线所选特征光线计算依据计算依据(1条条)过入瞳边缘过入瞳边缘(11个视场个视场)，上、主、下光线，上、主、下光线高斯光学高斯光学校对公式校对公式过渡公式过渡公式实际光路实际光路校对公式校对公式过渡公式过渡公式(含折射、含折射、反射平面反射平面)实际光路实际光路轴外点主光轴外点主光线细光束线细光束主光线主光线子午面子午面弧矢面弧

4、矢面计算结果计算结果球差球差彗差彗差位置色差位置色差倍率色差倍率色差像散像散场曲场曲畸变畸变轴外点轴外点球差球差轴外点波像差轴外点波像差轴上点波像差轴上点波像差垂轴像差垂轴像差 波色差波色差 色差色差 、球色差、球色差 对有特征意义的光线进行光路计算，比较理想光学系统成像情况与实际光对有特征意义的光线进行光路计算，比较理想光学系统成像情况与实际光线成像特性，研究不同视场的物点对应不同孔径和不同色光的像差值。线成像特性，研究不同视场的物点对应不同孔径和不同色光的像差值。单色几何像差总结单色几何像差总结球差球差孔径函数孔径函数对称性对称性圆形的弥散斑圆形的弥散斑轴向轴向垂轴垂轴轴上点、宽光束成像轴

5、上点、宽光束成像的非同心性的非同心性lLLULTtan正、负透镜组合正、负透镜组合某带的球差为零某带的球差为零利用齐明点特性利用齐明点特性轴外点小视场宽光轴外点小视场宽光束成像失去对称性束成像失去对称性孔径和视场函数孔径和视场函数彗星状的弥散斑彗星状的弥散斑子午子午弧矢弧矢zbaTyyyK)(21zSSyyK光阑位于球心处光阑位于球心处利用齐明点特性利用齐明点特性孔径函数孔径函数(可等晕成像可等晕成像)彗星状的弥散斑彗星状的弥散斑正弦差正弦差彗差彗差1sinsinlLLUUnnCOS1sin1zlLLUfhCOS减小透镜的孔径减小透镜的孔径采用对称式结构采用对称式结构轴外点宽光束成像轴外点宽光

6、束成像失去对称性失去对称性像散像散轴外点子午、弧矢轴外点子午、弧矢像点轴向不重合像点轴向不重合宽光束宽光束细光束细光束单折射面：单折射面：光阑位于球心光阑位于球心处处利用齐明点特利用齐明点特性性zsttsUstxxxcos)(孔径和视场函数孔径和视场函数子午、弧矢焦线子午、弧矢焦线像差种类像差种类产生原因产生原因计算方法计算方法校正方法校正方法种类种类性质性质/表现表现场曲场曲llxtt子午子午弧矢弧矢llxss同一视场不同孔径光同一视场不同孔径光线对交点在沿轴方向线对交点在沿轴方向与高斯像面偏离与高斯像面偏离视场函数视场函数有像散时子午、有像散时子午、弧矢像面不重合弧矢像面不重合类球差校正类

7、球差校正畸变畸变主光线的光路偏离主光线的光路偏离yyyzz正、负正、负视场函数视场函数光阑居中对称式光阑居中对称式结构：结构：单个薄透镜组：单个薄透镜组：光阑与其重合光阑与其重合100100yyqz像的形状失真像的形状失真第三节第三节 轴上点的球差轴上点的球差三、球差的性质和校正：三、球差的性质和校正：正、负透镜组合正、负透镜组合利用消球差系统使某带的球差为零利用消球差系统使某带的球差为零利用齐明点的特性利用齐明点的特性一、球差的定义一、球差的定义垂轴球差垂轴球差：光束在高斯像面不是会聚于一个像点，而是一圆形的弥散斑。：光束在高斯像面不是会聚于一个像点，而是一圆形的弥散斑。( (轴向轴向) )

8、球差球差：轴上物点发出的同心、宽光束经光学系统后不再是同心光束。：轴上物点发出的同心、宽光束经光学系统后不再是同心光束。二、球差性质：二、球差性质：u 球差是入射高度球差是入射高度h h1 1或孔径角或孔径角U U1 1的函数；的函数；u 球差具有对称性；球差具有对称性；u 球差反映轴上点的像差，与视场角无关。球差反映轴上点的像差，与视场角无关。垂直光轴平面的垂直光轴平面的轴上点轴上点垂直光轴平面的垂直光轴平面的近轴点近轴点成成点点像像无球差无球差满足正弦条件满足正弦条件无正弦差无正弦差物体位于有限远时物体位于有限远时物体位于无限远时物体位于无限远时正正弦弦条条件件UynUnysinsinUh

9、fsinzlLLUUnn1sinsin1zlLLUfh1sin1等等晕晕条条件件有较小球差有较小球差可完善成像可完善成像不晕成像不晕成像无正弦差无正弦差满足等晕条件满足等晕条件成成弥弥散散斑斑同成像缺陷同成像缺陷等晕成像等晕成像1sinsinlLLUUnnCOS1sin1zlLLUfhCOS不满足等晕条件时不满足等晕条件时两式之差为正弦差两式之差为正弦差0COS0 L轴外点小视场宽光束的像差轴外点小视场宽光束的像差正弦差正弦差COS 相对彗差为正弦差相对彗差为正弦差yKCOSS/:初级轴外点任意视场宽光束的像差轴外点任意视场宽光束的像差彗差彗差SK0COS0L第四节第四节 正弦差和彗差正弦差和

10、彗差 正弦差和彗差都是表示轴外物点宽光束经光学系统成像后失去对称性。正弦差和彗差都是表示轴外物点宽光束经光学系统成像后失去对称性。 正弦差仅适用于小视场，而彗差可用于任何视场。正弦差仅适用于小视场，而彗差可用于任何视场。 计算正弦差时，在计算球差的基础上，只需计算一条计算正弦差时，在计算球差的基础上，只需计算一条“第二近轴光第二近轴光线线”；彗差必须对每一视场计算相对主光线对称入射的上、下两条光线。；彗差必须对每一视场计算相对主光线对称入射的上、下两条光线。2、正弦差和彗差区别、正弦差和彗差区别1 1、等晕条件：、等晕条件： 实际光学系统对轴上点消差后仍有剩余球差存在，不能成完善像。若实际光学

11、系统对轴上点消差后仍有剩余球差存在，不能成完善像。若剩余球差不大，可认为像质是好的。如果轴上点与近轴点成像缺陷相同，剩余球差不大，可认为像质是好的。如果轴上点与近轴点成像缺陷相同，二者有相同的球差值，且轴外光束不失对称，称为等晕现象。二者有相同的球差值，且轴外光束不失对称，称为等晕现象。第五节第五节 像散和场曲像散和场曲 像散的校正像散的校正：使某一视场（一般是：使某一视场（一般是0.70.7视场）的像散值为零，但其它视场仍视场）的像散值为零，但其它视场仍有剩余像差存在。对单个折射，没有正弦差的物点位置（齐明点）和光阑位置有剩余像差存在。对单个折射，没有正弦差的物点位置（齐明点）和光阑位置（光

12、阑在球心）也不存在像散。消像散系统一般由正、负透镜适当组合而成。（光阑在球心）也不存在像散。消像散系统一般由正、负透镜适当组合而成。一、像散一、像散：用子午细光束焦点和弧矢细光束焦点投影到光轴上的间距表示：用子午细光束焦点和弧矢细光束焦点投影到光轴上的间距表示 轴外点发出的宽光束经单个折射球面存在彗差。若将光阑缩到无限小，则入轴外点发出的宽光束经单个折射球面存在彗差。若将光阑缩到无限小，则入射光线为无限细光束，此时出射光线交于一点，彗差不存在，但存在像散和场曲。射光线为无限细光束，此时出射光线交于一点，彗差不存在，但存在像散和场曲。 存在像散时，平面物在像方会形成子午像面和弧矢像面，均为对称于

13、光轴的存在像散时，平面物在像方会形成子午像面和弧矢像面，均为对称于光轴的旋转曲面，相切于理想像面与光轴的交点。无像散时，子午像面和弧矢像面重合。旋转曲面，相切于理想像面与光轴的交点。无像散时，子午像面和弧矢像面重合。 场曲的校正通常是对细光束而言，方法与球差校正方法类似。像散和场曲的校正通常是对细光束而言，方法与球差校正方法类似。像散和场曲场曲同同时矫正的时矫正的匹兹伐匹兹伐条件：将镜头使用的单镜片数，加在各单镜片的折射率乘以焦点条件：将镜头使用的单镜片数，加在各单镜片的折射率乘以焦点距离的积的倒数上，它的和最好等于零，这个和叫做距离的积的倒数上，它的和最好等于零，这个和叫做匹兹伐匹兹伐和数。

14、和数。二、场曲二、场曲：垂直于光轴的物平面经光学系统后成像在以光轴为对称的弯曲表面。：垂直于光轴的物平面经光学系统后成像在以光轴为对称的弯曲表面。第六节第六节 畸变畸变 畸变是垂轴像差，它只改变轴外物点在理想像面上成像位置，不影畸变是垂轴像差，它只改变轴外物点在理想像面上成像位置，不影响像的清晰度。满足以下两个条件的光学系统可以消除畸变：响像的清晰度。满足以下两个条件的光学系统可以消除畸变：光阑位置的正弦条件：光阑位置的正弦条件：角放大率满足正切条件：角放大率满足正切条件：zzzzUynUnysinsinzzUynUnytantan主光线和高斯像面交点的高度不等于理想像高，其差异即主光线和高斯

15、像面交点的高度不等于理想像高，其差异即畸变畸变。对称式光学系统当放大率为对称式光学系统当放大率为-1时，畸变自动消除。时，畸变自动消除。 对于单个薄透镜或薄透镜组，当光阑与其重合时，主光线通过光阑对于单个薄透镜或薄透镜组，当光阑与其重合时，主光线通过光阑中心，故不产生畸变。中心，故不产生畸变。第七节第七节 色差色差 白色物点不能形成白色像点，而成彩色像斑的成像误差。白色物点不能形成白色像点，而成彩色像斑的成像误差。 位置色差位置色差( (又称纵向色差又称纵向色差) )：各色光所成的像位置就不同。按色光的波：各色光所成的像位置就不同。按色光的波长由短到长，它们的像点离开透镜由近到远地排列在光轴上

16、。长由短到长，它们的像点离开透镜由近到远地排列在光轴上。 横向色差横向色差( (又称倍率色差又称倍率色差) )：由轴外物点不同色光的垂轴放大率不等引：由轴外物点不同色光的垂轴放大率不等引起。起。 色差的校正：单透镜不能校正色差，单正透镜具有负色差，单负透镜色差的校正：单透镜不能校正色差，单正透镜具有负色差，单负透镜具有正色差，色差的大小与光焦度成正比，与阿贝数成反比，与结构形状具有正色差，色差的大小与光焦度成正比，与阿贝数成反比，与结构形状无关，故消色差的光学系统需由正负透镜组成。无关，故消色差的光学系统需由正负透镜组成。 第八节第八节 波像差波像差 从物点发出的波面经理想光学系统后，其出射波

17、面应是球面，而实际从物点发出的波面经理想光学系统后，其出射波面应是球面，而实际波面与其存在一定偏差。当实际波面与理想波面在出瞳处相切时，两波面波面与其存在一定偏差。当实际波面与理想波面在出瞳处相切时，两波面间的光程差即波像差。间的光程差即波像差。 波像差也是孔径的函数，几何像差越大波像差也越大。对轴上物点，波像差也是孔径的函数，几何像差越大波像差也越大。对轴上物点，单色光的波像差与球差有如下关系：单色光的波像差与球差有如下关系：022mUduLnW 波像差越小系统的成像质量也越好。瑞利判断法认为，光学系统波像差越小系统的成像质量也越好。瑞利判断法认为，光学系统的最大波像差小于四分之一波长时，其

18、成像可认为是完善的，显微镜和的最大波像差小于四分之一波长时，其成像可认为是完善的，显微镜和望远镜的成像质量即按此要求设计。望远镜的成像质量即按此要求设计。 本章主要内容本章主要内容 眼睛及其光学系统眼睛及其光学系统 放大镜放大镜 显微镜系统显微镜系统 望远镜系统望远镜系统 目镜目镜 投影系统投影系统 变焦距光学系统变焦距光学系统 光学系统的外形尺寸计算光学系统的外形尺寸计算 第七章典型光学系统第七章典型光学系统掌握正常眼、近视眼和远视眼的定义和特征，校正非正常眼的方法。掌握正常眼、近视眼和远视眼的定义和特征，校正非正常眼的方法。视觉放大率的概念、表达式及其意义，与光学系统角放大率的异同点。视觉

19、放大率的概念、表达式及其意义，与光学系统角放大率的异同点。了解放大镜、显微镜系统、望远系统和摄影等系统组成、成像关系、照了解放大镜、显微镜系统、望远系统和摄影等系统组成、成像关系、照明方式、光束限制、视觉放大率公式、分辨率、景深等。明方式、光束限制、视觉放大率公式、分辨率、景深等。基本要求基本要求第一节眼睛及其光学系统第一节眼睛及其光学系统 一、眼睛的结构与功能一、眼睛的结构与功能 1.1.结构结构：眼睛结构包括角膜、前室：眼睛结构包括角膜、前室( (水状液水状液) )、水晶体和后室、水晶体和后室( (玻璃玻璃体体) )、视网膜、瞳孔、黄斑、脉络膜、巩膜、黄斑和盲点。、视网膜、瞳孔、黄斑、脉络

20、膜、巩膜、黄斑和盲点。 2.2.眼睛的成像眼睛的成像 人眼的结构类似一个摄影系统，角膜相当于一个凸凹镜，前室亦如人眼的结构类似一个摄影系统，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，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。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等：眼睛的物方和像方焦距不相等： f=-17.1mm f=22.8mmf=-17.1mm f=22.8mm 在调焦范围内，在调焦范围内，-f=14.2-f=14.217.1mm

21、 f=18.9 17.1mm f=18.9 22.8mm22.8mm几点说明：几点说明：（1 1）眼轴和视轴）眼轴和视轴眼轴眼轴( (光轴光轴) )：眼睛各成像元件曲面中心的连线。：眼睛各成像元件曲面中心的连线。视轴：眼睛的视轴：眼睛的“中心凹中心凹”处与晶状体像方节点的连线。处与晶状体像方节点的连线。p人眼的视场可达人眼的视场可达150150, ,但只有视轴附近但只有视轴附近6-8 6-8 的区域能成清晰像的区域能成清晰像; ;p当眼睛注视物体时，物体被自动瞄准在视轴上。当眼睛注视物体时，物体被自动瞄准在视轴上。眼睛的调节方法：调节肌肉眼睛的调节方法：调节肌肉晶状体曲率晶状体曲率焦距焦距 虹

22、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（=2 =2 8mm8mm）若外界光很强，使）若外界光很强，使=2mm=2mm时仍然使人无法适应，就很容易使视时仍然使人无法适应，就很容易使视网膜造成伤害。网膜造成伤害。 直视太阳或正视激光束能在视网膜上烧成一盲斑，使人在观看任何景直视太阳或正视激光束能在视网膜上烧成一盲斑，使人在观看任何景象时，总有一块或数块区域是黑斑。象时，总有一块或数块区域是黑斑。 3.3.眼睛的光学参数眼睛的光学参数 介质折射率：介质折射率：n=1.3333n=1.3333 折射面半径：折射面半径：r

23、r1 1=5.77mm=5.77mm 物方焦距：物方焦距：f-17mmf-17mm 像方焦距：像方焦距：f f 23mm23mm 光焦度：光焦度：D=58.48(1/m)D=58.48(1/m) 网膜半径：网膜半径：r r2 2=9.7mm=9.7mm二、眼睛的调节及校正二、眼睛的调节及校正 远点和近点远点和近点：眼睛自动调焦可能看清的最远的点称为远点，所能看清：眼睛自动调焦可能看清的最远的点称为远点，所能看清的最近的点称为近点。远点（近点）到眼睛物方主点的距离称为远点（近的最近的点称为近点。远点（近点）到眼睛物方主点的距离称为远点（近点）距离。点）距离。 1 1、眼睛的调节眼睛的调节：眼睛成

24、像系统对任意距离的物体自动调焦的过程。：眼睛成像系统对任意距离的物体自动调焦的过程。 2 2、眼睛的调节能力眼睛的调节能力： ff的变化范围是的变化范围是18mm18mm23mm23mm。 眼睛的调节能力表示能清晰调焦的极限距离范围。眼睛的调节能力表示能清晰调焦的极限距离范围。 其中，其中，l lr r、l lp p分别为远点距离和近点距离；分别为远点距离和近点距离； R R1 1l lr r，1 1l lp p为远点和近点的发散度（或会聚度）；单位为为远点和近点的发散度（或会聚度）；单位为折光度（或称屈光度）。折光度（或称屈光度）。)(11dptAPRllprp调节能力随年龄增大而减少调节能

25、力随年龄增大而减少年龄年龄10102020303040405050606070708080-7-7-10-10-14-14-22-22-40-40-200-200100100404020020080804040141410107 74.54.52.52.51 10.250.250 0p明视距离明视距离：在阅读时，或眼睛通过目视光学仪器观测物像时，：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为了工作舒适，习惯上把物或像置于眼前250mm250mm处，称作明视处，称作明视距离。距离。 )(dptA)(cmlp)(cmlr3 3、非正常眼及其校正、非正常眼及其校

26、正 正常眼和反常眼正常眼和反常眼 正常眼正常眼：眼睛的远点在无限远，眼睛光学系统的后焦点在视网膜上。：眼睛的远点在无限远，眼睛光学系统的后焦点在视网膜上。 反常眼反常眼：眼睛光学系统的后焦点不在视网膜上。：眼睛光学系统的后焦点不在视网膜上。 近视眼和远视眼（老花眼）近视眼和远视眼（老花眼） 近视近视( (远视远视) )眼眼：远点位于眼前：远点位于眼前( (眼后眼后) )有限距离有限距离 散光散光：散光度：散光度ASTAST：ASTASTR R1 1R R2 2 视度视度：远点距离：远点距离l lr r（单位为（单位为m m）的倒数表示近视眼或远视眼的程度，）的倒数表示近视眼或远视眼的程度，称为

27、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作100100度。度。焦点在网膜后，眼球偏短，远点在眼后有限远 .矫正应配戴负透镜 焦点在网膜前，眼球偏长，远点在眼前有限远. 矫正应配戴正透镜 近视眼 远视眼 散光斜视 折射面曲率异常，两个互相垂直的方向有不同的焦距. 矫正应配戴圆柱面或双心圆柱面透镜水晶体位置不正或折射面曲率异常 矫正应配戴光楔 三、眼睛的辐射接收作用三、眼睛的辐射接收作用 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；：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

28、杆状细胞：对光刺激极敏感，但完全不感色；：对光刺激极敏感，但完全不感色； 锥状细胞锥状细胞：感光能力差，但它们能对各色光有不同的感受。：感光能力差，但它们能对各色光有不同的感受。 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。 明适应和暗适应明适应和暗适应：由暗处进入亮处，瞳孔自动缩小；由亮处进入暗处，：由暗处进入亮处，瞳孔自动缩小；由亮处进入暗处，瞳孔自动放大。瞳孔自动放大。 四、眼睛的分辨率四、眼睛的分辨率 1 1、眼的分辨能力、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：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

29、。力，或视觉敏锐度。 2 2、视角、视角：物体对人眼的张角称作视角。：物体对人眼的张角称作视角。 3 3、视角鉴别率、视角鉴别率： 良好照明时，人睛能分辨的物点间最小视角称为视角鉴别率良好照明时，人睛能分辨的物点间最小视角称为视角鉴别率。在眼。在眼睛没有调节的松弛状态下，睛没有调节的松弛状态下，f f23mm23mm，可得：，可得： 6060（相邻两视神经细胞对物点张角）（相邻两视神经细胞对物点张角） 若把眼睛看作理想光学系统，则由若把眼睛看作理想光学系统，则由140140D(DD(D为入瞳为入瞳),),当当D D2mm2mm时，时，7070，当瞳孔直径增大时，眼睛光学系统的像差增大，分辨能力

30、，当瞳孔直径增大时，眼睛光学系统的像差增大，分辨能力随之减少。随之减少。 由于眼睛具有较大色差，视角分辨随光谱而异，连续光谱中间部分由于眼睛具有较大色差，视角分辨随光谱而异，连续光谱中间部分的视角鉴别率高于红光和紫光部分的鉴别率。的视角鉴别率高于红光和紫光部分的鉴别率。 14、视角敏锐度、视角敏锐度：视角敏锐度：视角敏锐度五、眼睛的对准精度五、眼睛的对准精度 对准：对准：判断一个平面上一条直线与另一条直线是否重合的能力。判断一个平面上一条直线与另一条直线是否重合的能力。 对准形式及其对准误差对准形式及其对准误差：对准是指是垂直于视场方向上的重合或置中：对准是指是垂直于视场方向上的重合或置中过程

31、。对准后，偏离置中或重合的线距离或角距离称为对准精度。过程。对准后，偏离置中或重合的线距离或角距离称为对准精度。 人眼的瞄准精度比分辨本领高；分辨本领越高，瞄准精度越高。对准人眼的瞄准精度比分辨本领高；分辨本领越高，瞄准精度越高。对准精度随所取的标志而异。精度随所取的标志而异。 30至6010至20 105六、眼睛的景深六、眼睛的景深 定义：当眼睛调焦在某一对准平面时，不必调节能同时看清对准平面定义：当眼睛调焦在某一对准平面时，不必调节能同时看清对准平面前和平面后某一距离的物体，称眼睛的景深。前和平面后某一距离的物体，称眼睛的景深。 Pab眼睛调焦在无限远时眼睛调焦在无限远时PPPPDPPPP

32、DPP1122PDPDPPDPDPPPPP21PPPP2211/21PPDPDP 七、双目立体视觉七、双目立体视觉 单目视觉：单目视觉：单眼观察空间物体不能产生立体视觉。人们往往据经验，单眼观察空间物体不能产生立体视觉。人们往往据经验，在大脑中把一个熟悉的物体的平面像想象成一个空间物体。在大脑中把一个熟悉的物体的平面像想象成一个空间物体。 用单眼判读物体的远近，是利用眼睛的调节变化所产生的感觉。因水用单眼判读物体的远近，是利用眼睛的调节变化所产生的感觉。因水晶体的曲率变化很小，故判读极为粗略。一般单目判读距离不超过晶体的曲率变化很小，故判读极为粗略。一般单目判读距离不超过5m5m。 双目立体视

33、觉：双目立体视觉：同一物体在左右两眼中分别产生一个像，这两个像在同一物体在左右两眼中分别产生一个像，这两个像在视网膜上的分布只有适合某些几何条件时才可以产生单一视觉，即两眼的视网膜上的分布只有适合某些几何条件时才可以产生单一视觉，即两眼的视觉汇合到大脑中成为一个像，这种印象是出自心理和生理的。视觉汇合到大脑中成为一个像，这种印象是出自心理和生理的。视差角视差角：两视轴间夹角：两视轴间夹角 。视觉基线视觉基线：两眼节点连线，长度为：两眼节点连线，长度为b b。LbA/L图图7-6 7-6 双目观察物体双目观察物体图图7-7 7-7 双目立体视角双目立体视角视差视差：不同距离物体对应不同视场角，其

34、：不同距离物体对应不同视场角，其差异称立体视差差异称立体视差 。体视锐度体视锐度：人眼能分辨的极限视差：人眼能分辨的极限视差 。大约为大约为1010”，经训练可达，经训练可达5 5”到到3 3”。min立体视觉半径：立体视觉半径：人眼能分辨最大距离。人眼能分辨最大距离。mbL1200/minmax立体视觉阈：立体视觉阈：双眼能分辨最短深度距离。双眼能分辨最短深度距离。第二节放大镜第二节放大镜1 1、目视光学仪器的基本工作原理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：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。大于人眼直接观察物体时对人眼的张角。一、视觉放

35、大率一、视觉放大率eiyy2 2、视觉放大率视觉放大率：用仪器观察物体时视网膜上的像高：用仪器观察物体时视网膜上的像高 与用人眼直接与用人眼直接观察物体时视网膜上的像高观察物体时视网膜上的像高 之比，用之比，用 表示：表示：iyey二、放大镜成像原理和视觉放大率二、放大镜成像原理和视觉放大率F)(HH眼瞳眼瞳yyf llpytaniyeytantaneiyypl图图7-8 放大镜成像原理放大镜成像原理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 裸眼

36、直接观察时，物置于明视距离处，视角：裸眼直接观察时，物置于明视距离处，视角：mmy250tanF)(HH眼瞳眼瞳yyf liyeypl两种特殊情况两种特殊情况 0250mm/ f 250mmflPlf 正常视力的眼睛一般调焦在明视距离，即虚像位于眼前正常视力的眼睛一般调焦在明视距离，即虚像位于眼前250mm250mm处：处：250mmPl250mm250mm11PPfff 0P250mm1f 若眼睛紧靠着放大镜：若眼睛紧靠着放大镜：说明：说明：焦距一般用毫米作单位，常用放大镜倍率焦距一般用毫米作单位，常用放大镜倍率:2.5:2.525 。 原则上焦距越短放大倍率越高原则上焦距越短放大倍率越高,

37、 ,但因受限于像差单透镜放大率不超但因受限于像差单透镜放大率不超过过3。倍率较大的放大镜由组合透镜组成。倍率较大的放大镜由组合透镜组成。 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l虚像平面虚像平面场阑场阑出瞳出瞳KD=1KD=0.5KD=012a2Pyh2孔径光阑孔径光阑：眼睛瞳孔：眼睛瞳孔视场光阑视场光阑：放大镜框：放大镜框渐晕光阑渐晕光阑：放大镜本身：放大镜本身渐晕与视场角渐晕与视场角三、光束限制和线视场三、光束限制和线视场PahPhPah/ )(tan/tan/ )(tan21渐晕系数分别为渐晕系数分别为100100% %、5050% %和

38、和0%0%时像方视场角：时像方视场角：图图7-9 放大镜的光束限制放大镜的光束限制F)(HH眼瞳眼瞳yff 放大镜的视场通常用线视场放大镜的视场通常用线视场2y2y表示。表示。当物面放在放大镜前焦平面上时，像平面在无限远。当物面放在放大镜前焦平面上时，像平面在无限远。对对50%50%渐晕的线视场：渐晕的线视场： 放大镜倍率越大，其线视场越小。放大镜倍率越大，其线视场越小。05002mmhyP图图7- 10 放大镜的视场角放大镜的视场角22tanyf0250mm/ f Ph/tan 为了观察微小物体的具体细节，常用显微镜。显微镜是由两片正透镜为了观察微小物体的具体细节，常用显微镜。显微镜是由两片

39、正透镜组成，即物镜和目镜。组成，即物镜和目镜。 显微镜实质上是一组合放大镜。物镜将物成放大的实像，此实像再经显微镜实质上是一组合放大镜。物镜将物成放大的实像，此实像再经目镜成放大的虚像，供人眼观察。目镜成放大的虚像，供人眼观察。 第三节第三节 显微镜系统显微镜系统 一、显微镜的视觉放大率一、显微镜的视觉放大率1F图图2-32显微镜系统显微镜系统2Fy22ffy1F21tanffyLytan21tantanffLeeoffmm)250(tantan物体在明视距离处：物体在明视距离处：物镜垂轴放大率与目镜视觉放大率的积。物镜垂轴放大率与目镜视觉放大率的积。一、显微镜的视觉放大率一、显微镜的视觉放大

40、率eeoffmm)250(tantan显微镜组合系统其焦距：显微镜组合系统其焦距：eoffffmm/250 等于放大镜眼睛调焦在无限远时的视觉等于放大镜眼睛调焦在无限远时的视觉放大率，说明显微镜是组合的放大镜。放大率，说明显微镜是组合的放大镜。图图7- 11 显微镜成像原理显微镜成像原理 通用显微镜其共轭距和通用显微镜其共轭距和机械筒长机械筒长是固定的。共轭距大约为是固定的。共轭距大约为180mm180mm。生。生物显微镜在我国为物显微镜在我国为195mm195mm。机械筒长为。机械筒长为160mm160mm、170mm170mm和和190mm190mm等，我国为等，我国为160mm160mm

41、。 物镜和目镜可根据倍率要求而更换。物镜和目镜可根据倍率要求而更换。机械筒长机械筒长：把显微镜的物镜和目镜取下后，所剩的镜筒长度。：把显微镜的物镜和目镜取下后，所剩的镜筒长度。显微镜共轭距显微镜共轭距：物平面到像平面距离。：物平面到像平面距离。显微镜设计中的规定参数：显微镜设计中的规定参数：常用的物镜倍率常用的物镜倍率：4 4x x、 1010 x x、 4040 x x和和100100 x x常用的目镜倍率常用的目镜倍率：5 5x x、1010 x x和和1515x x二、显微镜的线视场二、显微镜的线视场mmytan5002 目镜一定目镜一定( )( )时，视觉放大率越大，物空间的线视场越小

42、。时，视觉放大率越大，物空间的线视场越小。2三、显微镜的出瞳直径三、显微镜的出瞳直径 显微镜物镜是多片镜组，在其像方焦面上，设置孔径光阑，该光显微镜物镜是多片镜组，在其像方焦面上，设置孔径光阑，该光阑经目镜系统所成的像即为显微镜的出瞳。阑经目镜系统所成的像即为显微镜的出瞳。 显微镜的数值孔径：显微镜的数值孔径：NANAnsinunsinu 出瞳直径出瞳直径DD：DD500NA/500NA/四、显微镜的分辨率和有效放大率四、显微镜的分辨率和有效放大率 显微镜的分辨率：以能分辨的物方两点间最短距离显微镜的分辨率：以能分辨的物方两点间最短距离来表示。由来表示。由瑞利判断公式：瑞利判断公式：unsin

43、61. 0 道威判断公式：道威判断公式：0.85a/0.85a/0.5/NA0.5/NA 理想分辨率：瑞利分辨率标准是比较保守的，因此通常以道威判断理想分辨率：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。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。 有效放大率：满足下式的视觉放大率有效放大率：满足下式的视觉放大率 公式：公式：500NA1000NA500NA1000NA五、显微镜的景深五、显微镜的景深 定义：人眼通过显微镜调焦在某一平面（对准平面）上时，在对准定义：人眼通过显微镜调焦在某一平面（对准平面）上时，在

44、对准平面前和后一定范围内物体也能清晰成像，能清晰成像的远、近物平面平面前和后一定范围内物体也能清晰成像，能清晰成像的远、近物平面之间的距离称作显微镜的景深。之间的距离称作显微镜的景深。 a a）透射光亮视场照明）透射光亮视场照明 d d）反射光暗视场照明）反射光暗视场照明b b）反射光亮视场照明）反射光亮视场照明c c）透射光暗视场照明）透射光暗视场照明六、显微镜的照明方法六、显微镜的照明方法（一）照明分类（一）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，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。可使分辨率提高。 生物显微镜多为透明标本

45、，常用透射光亮视场照明。其照明方式又分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。为两种，即临界照明和柯勒照明。 临界照明：将光源的像经过临界照明：将光源的像经过“聚光镜聚光镜” ” 投影于物面上；投影于物面上；缺点：光源的不均匀性会影响显微镜的观察效果。缺点：光源的不均匀性会影响显微镜的观察效果。柯勒照明：将光源的像经过柯勒照明：将光源的像经过“聚光镜聚光镜” ” 投影于物面上；投影于物面上； 柯勒照明是柯勒照明是“窗对瞳、瞳对窗窗对瞳、瞳对窗”；七、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

46、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 望远镜的组成望远镜的组成：物镜、目镜及光路转折和转像用的反射棱镜等。：物镜、目镜及光路转折和转像用的反射棱镜等。第四节第四节 望远镜系统望远镜系统特点特点：物镜的像方焦点和目镜的物方焦点重合，光学间隔物镜的像方焦点和目镜的物方焦点重合，光学间隔 =0=0； 系统的焦点、主点都在无穷远处，属于无焦系统；系统的焦点、主点都在无穷远处，属于无焦系统； 系统的总长为第一光组的像方焦距与第二光组的物方焦距的和。系统的总长为第一光组的像方焦距与第二光组的物方焦距的和。一、望远镜结构一、望远镜结构开普勒开普勒(Kepler

47、)望远镜望远镜：物镜、目镜皆为凸镜即：物镜、目镜皆为凸镜即 ， 。00 f0ef二、分类二、分类0ef伽利略伽利略(Calileo)望远镜望远镜: 物镜为凸镜，目镜为凹镜即物镜为凸镜，目镜为凹镜即 ， 。00 f1、折射式、折射式：用透镜作物镜的望远镜。分为两种类型：用透镜作物镜的望远镜。分为两种类型：目镜)(入瞳物镜of ef出瞳视场光阑DD1 1、开普勒望远镜、开普勒望远镜图图7-17 开普勒望远镜成像原理开普勒望远镜成像原理望远镜的视觉放大率：望远镜的视觉放大率：1tantantan)tan(DDffffeoeo 望远镜的视觉放大率与物体位置无关。欲增大视觉放大率，必须增望远镜的视觉放大

48、率与物体位置无关。欲增大视觉放大率，必须增大物镜的焦距或减少目镜的焦距，但目镜的焦距不得小于大物镜的焦距或减少目镜的焦距，但目镜的焦距不得小于6mm6mm。 KeplerKepler望远镜成倒像，常用一个透镜或棱镜转像系统进行转像。同时望远镜成倒像，常用一个透镜或棱镜转像系统进行转像。同时可以在物镜和目镜中间成实像的焦平面位置放置分划板进行瞄准或测量。可以在物镜和目镜中间成实像的焦平面位置放置分划板进行瞄准或测量。常见的有棱镜双筒望远镜，因它镜简短、视野大，携带方便，常用于军事常见的有棱镜双筒望远镜，因它镜简短、视野大，携带方便，常用于军事和野外考察。和野外考察。2、伽利略望远镜、伽利略望远镜

49、图图7-19 伽利略望远镜伽利略望远镜 Calileo Calileo望远镜成正立像，无需进行转像，但因其在物、目镜之间不望远镜成正立像，无需进行转像，但因其在物、目镜之间不存在实像，故不能安装分划板，应用较少。倒置后可用于门镜。存在实像，故不能安装分划板，应用较少。倒置后可用于门镜。 因单透镜物镜色差和球差都相当严重，折射望远镜常用两块或两块因单透镜物镜色差和球差都相当严重，折射望远镜常用两块或两块以上的透镜组作物镜，以双透镜物镜应用最普遍。它由相距很近的一块以上的透镜组作物镜，以双透镜物镜应用最普遍。它由相距很近的一块冕牌玻璃制成的凸透镜和一块火石玻璃制成的凹透镜组成，可冕牌玻璃制成的凸透

50、镜和一块火石玻璃制成的凹透镜组成，可使红蓝两色使红蓝两色的影像聚在同一焦点上以的影像聚在同一焦点上以消除位置色差。消除位置色差。这类镜头影像外围仍有一个很淡紫色这类镜头影像外围仍有一个很淡紫色的光晕。的光晕。 口径小于口径小于8 8厘米的双透镜物镜可将两块透镜胶合在一起，称厘米的双透镜物镜可将两块透镜胶合在一起，称双胶合物双胶合物镜镜，留有一定间隙未胶合的称，留有一定间隙未胶合的称双分离物镜双分离物镜。 由于折射望远镜的成像质量比反射望远镜好，视场大，使用方便，由于折射望远镜的成像质量比反射望远镜好，视场大，使用方便，易于维护，中小型天文望远镜及许多专用仪器多采用折射系统，但大易于维护，中小型

51、天文望远镜及许多专用仪器多采用折射系统，但大型折射望远镜制造起来比反射望远镜困难得多，所以大口径望远镜都型折射望远镜制造起来比反射望远镜困难得多，所以大口径望远镜都采用反射式。采用反射式。2、反射式、反射式反射望远镜是利用一块镀了金属反射望远镜是利用一块镀了金属(通常是通常是铝铝)的凹面玻璃聚焦的凹面玻璃聚焦,由于焦点在镜前由于焦点在镜前,所以必所以必须在物镜焦点之前用另一块镜将影像反射出须在物镜焦点之前用另一块镜将影像反射出镜筒外镜筒外,再用目镜放大。再用目镜放大。 、折反射望远镜、折反射望远镜这是一类同时利用折射与反射原理的这是一类同时利用折射与反射原理的望远镜，是望远镜，是1930 19

52、30 年由施密特年由施密特(Schmidt)(Schmidt)发发明用作天文摄影。主要是利用一球面凹镜明用作天文摄影。主要是利用一球面凹镜作为主镜以消除彗形像差，同时利用一非作为主镜以消除彗形像差，同时利用一非球面透镜放于主镜前适当位置作为矫正镜球面透镜放于主镜前适当位置作为矫正镜以矫正主镜的球差。以矫正主镜的球差。 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 1、望远系统的分辨率、望远系统的分辨率像空间折射率：像空间折射率：1n osin/2uDf555nm140 /mmD120 /mmDp根据道威判断：根据道威判断：0.61sinanup根据瑞利判断：根据瑞利判断：

53、 oo0.61sinafnuf 极限分辨角极限分辨角 入瞳直径越大，望远镜的极限分辨角越小，分辨率越高。入瞳直径越大，望远镜的极限分辨角越小，分辨率越高。 工作放大率：按最小视觉放大率观察物体会使眼睛感动疲劳，故取最小视觉放工作放大率：按最小视觉放大率观察物体会使眼睛感动疲劳，故取最小视觉放大率的大率的2.32.3倍：倍：2 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 02.3D 望远镜的极限分辨角经视觉放大后，要满足人眼极限分辨角的要求。望远镜的极限分辨角经视觉放大后，要满足人眼极限分辨角的要求。人眼的极限分辨角：人眼的极限分辨角：1= 601= 60140 / D望远镜的极限分

54、辨角：望远镜的极限分辨角：602.3D 60 人眼视觉放大率与分辨率关系：人眼视觉放大率与分辨率关系： 上式求得的是满足分辨要求的最小视觉放大率，即有效上式求得的是满足分辨要求的最小视觉放大率，即有效( (正常正常) )放大率。放大率。 孔径光阑：物镜框，也是入瞳，出瞳在目镜外面与人眼重合。孔径光阑：物镜框，也是入瞳，出瞳在目镜外面与人眼重合。 渐晕光阑：目镜框，允许有渐晕光阑：目镜框，允许有50%的渐晕。的渐晕。 视场光阑：物镜的后焦平面上放置的分划板。视场光阑：物镜的后焦平面上放置的分划板。 Kepler望远镜的物方视场角满足：望远镜的物方视场角满足：tany/f0 式中式中y是视场光阑半

55、径，即分划板半径。是视场光阑半径，即分划板半径。 视场角：视场视场角：视场2一般不超过一般不超过15。须使眼瞳位于出瞳处才能观察到全视场。须使眼瞳位于出瞳处才能观察到全视场。四、望远镜的视场四、望远镜的视场1、Kepler望远镜的视场望远镜的视场目镜)(入瞳物镜of ef出瞳视场光阑DD 孔径光阑：人眼的瞳孔，也是系统的出瞳。孔径光阑：人眼的瞳孔，也是系统的出瞳。 视场光阑：物镜框，望远镜的入射窗。视场光阑：物镜框，望远镜的入射窗。 渐晕：视场光阑不与物面或像面重合，对大视场一般存在渐晕现象。渐晕：视场光阑不与物面或像面重合，对大视场一般存在渐晕现象。图图7-20 Calileo望远镜的光束限

56、制望远镜的光束限制2、Calileo望远镜的视场望远镜的视场 每副双筒望远镜都标有一组数每副双筒望远镜都标有一组数字如字如 7x507x50之类。双筒望远镜规格上之类。双筒望远镜规格上的第一个数字的第一个数字 7 7 就是倍率，就是倍率，第二个数字第二个数字 50 50 就是指镜头直径。就是指镜头直径。 双筒望远镜手册上双筒望远镜手册上有有数据数据367feet1000yards367feet1000yards或或120m1000 m120m1000 m等等，代表透过目镜看代表透过目镜看1000 1000 码码( (或或10001000公尺公尺) )远的风景，你视野上能看远的风景，你视野上能看

57、见的有多宽。天文学家用度数来度量视野见的有多宽。天文学家用度数来度量视野，一度相当两倍满月的直径一度相当两倍满月的直径，七度等于十四个满月的的直径七度等于十四个满月的的直径。高倍机型看到的天空较小高倍机型看到的天空较小(3(3到到5 5度度) )，广角机型就看得较多广角机型就看得较多(8(8到到1010度度) )。 补充内容补充内容许多双筒望远镜手册上许多双筒望远镜手册上有有一个规格叫射出瞳孔一个规格叫射出瞳孔，它是光线从目镜它是光线从目镜里射出来的宽度里射出来的宽度，可用口径可用口径( (单位单位mm)mm)除以倍率来算射出瞳除以倍率来算射出瞳孔孔。如如7x50 7x50 型型就有就有50/

58、7(7mm) 50/7(7mm) 的射出瞳孔。所有的射出瞳孔。所有7x507x50机型射出瞳孔都是机型射出瞳孔都是7mm7mm；所有所有7x427x42机种射出瞳孔都是机种射出瞳孔都是6mm6mm。因因人类瞳孔顶多能扩大到人类瞳孔顶多能扩大到7mm7mm，很多用于天文的很多用于天文的双筒望远镜都是双筒望远镜都是7mm7mm射出瞳孔。所有用来应付低光度环境的双筒望远镜都射出瞳孔。所有用来应付低光度环境的双筒望远镜都有有7mm7mm射出瞳孔射出瞳孔，包括包括7x507x50、8x568x56、9x639x63、10 x7010 x70及及11x8011x80等机型。等机型。年纪大年纪大的人的人眼睛

59、瞳孔张不了那么开眼睛瞳孔张不了那么开，三十岁出头的人的最大瞳孔约三十岁出头的人的最大瞳孔约6mm6mm。超过四。超过四十岁就掉到约十岁就掉到约4.5mm4.5mm至至5mm5mm之间。年纪大一点的人，双筒望远镜的射出瞳之间。年纪大一点的人，双筒望远镜的射出瞳5mm5mm或或6mm6mm是较好的选择是较好的选择，这些机型包括畅销的这些机型包括畅销的7x427x42及及10 x5010 x50。 射出瞳孔射出瞳孔(exit pupil) 双筒望远镜机体里包含了一组合成棱镜，能折射光路双筒望远镜机体里包含了一组合成棱镜，能折射光路使使成像正立。成像正立。双筒望远镜可区分成两个阵营双筒望远镜可区分成两

60、个阵营-Porro-Porro棱镜系及棱镜系及RoofRoof棱镜系。棱镜系。PorroPorro棱镜棱镜系有字或字型外观系有字或字型外观，RoofRoof棱镜系则是直筒型。棱镜系则是直筒型。PorroPorro棱镜机型一般比棱镜机型一般比RoofRoof棱镜机型要来得便宜。天文用途上多采用棱镜机型要来得便宜。天文用途上多采用PorroPorro棱镜机型。棱镜机型。棱镜系棱镜系(Prisms) 镀膜可以提高光线的穿透率并减少内面反射镀膜可以提高光线的穿透率并减少内面反射 及镜面闪光及镜面闪光。双筒望远镜双筒望远镜所有的镜片含棱镜都会镀上多层膜，光线的折损会降到很小的五个百分比。所有的镜片含棱镜