电子科大应用光学chapter_08_2014-2015

1、2014-2015学年23第一第一节节 眼睛眼睛第二节第二节 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4第一第一节节 眼睛眼睛第二节第二节 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5*眼睛是一个完整的成像光学完整的成像光学系统系统；眼睛是目视光学系统的接收器，是整个光学系统的光学系统的一一部分部分。6眼睛的结构结构角膜前室（水状液）瞳孔晶状体后室（玻璃体）视网膜7眼睛的结构结构*盲点盲点验证实验章鱼、乌贼等眼睛没有盲点。8眼睛的结构眼睛类似于照相机*自动变焦、对焦；自动调节光圈大小。*视网膜拥有500万个视锥细胞（

2、感受视觉色彩），1亿个视杆细胞（感受单色对比度、明暗），水平可视角度120，垂直可视角度60约等于5.76亿像素。眼睛眼睛瞳孔晶状体视网膜照相机照相机光圈镜头底片9眼睛的结构简约眼*眼睛可简化成一个折射球面模型。折射面曲率半径（r1）5.56 mm像方介质折射率（n）1.33视网膜曲率半径（r2）-9.7 mm物方焦距（f）-16.7 mm像方焦距（f）22.26 mm光焦度（）59.88 D10眼睛的调节与校正定义*视度与视网膜共轭的物平面到人眼距离的倒数视度视度，SD = 1 / l。单位：屈光度，D（1 D = 1 m-1）*远点、远点距离与远点视度远点远点眼睛能看清的最远点远点距离远点

3、距离最远点到人眼的距离，lr远点视度远点视度远点距离的倒数，R = 1 / lr11眼睛的调节与校正定义*近点、近点距离与近点视度近点近点眼睛能看清的最近点近点距离近点距离最近点到人眼的距离，lp近点视度近点视度近点距离的倒数，P = 1 / lp*明视距离正常眼在正常照明（50 lx）情况下最舒适、方便的工作距离，250 mm12眼睛的调节与校正眼睛的调节*眼睛通过自动调焦以看清不同距离物体的过程，称为调节调节。改变改变晶状体的曲率半径晶状体的曲率半径，眼睛的焦距在一定范围内变化。13眼睛的调节与校正眼睛的调节*调节范围远点距离与近点距离的倒数之差（远点视度与近点视度之差），称为调节范围（或

4、调解能力）。11rpARPll14眼睛的调节与校正眼睛的调节*调节范围随着年龄的增大，调节范围变小：60岁，远点距离为+200 cm。（只有会聚点在眼睛后200 cm处的光束能成清晰像点。）80岁，调节能力完全丧失。年龄年龄1020304050607080lp cm-7-10-14-22-40-20010040lr cm-2008040A D141074.52.510.25015眼睛的调节与校正眼睛的校正*正常眼眼睛完全放松时，远点在无限远（远点在无限远（lr = -，R = 0），像方），像方焦点焦点F在在视网膜视网膜上上。*非正常眼R 0，F不在不在视网膜视网膜上上。分类近视远视散光16眼

5、睛的调节与校正眼睛的校正*非正常眼 近视眼球偏长，眼睛像方焦点眼睛像方焦点F在视网膜前方在视网膜前方。（或，远点在眼前眼前有限远处。）用远点视度R = 1/lr表示近视程度，1 D = 100度。17眼睛的调节与校正眼睛的校正*非正常眼 近视矫正：采用负负透镜透镜，透镜透镜像方焦点像方焦点与远点与远点重合：重合：f = lr。18眼睛的调节与校正眼睛的校正*非正常眼 远视眼球偏短，眼睛像方焦点眼睛像方焦点F在在视网膜后方视网膜后方。（或，远点在眼后眼后有限远处。）用远点视度R = 1/lr表示远视程度，1 D = 100度。19眼睛的调节与校正眼睛的校正*非正常眼 远视矫正：采用正透镜正透镜，

6、透镜透镜像方焦点像方焦点与远点与远点重合：重合：f = lr。20眼睛的调节与校正眼睛的校正*非正常眼 散光晶状体表面不对称，两个互相垂直的主截面内远点距离不相同，R1 R2。用散光度散光度表示散光的程度，AST = R1 - R2。21眼睛的调节与校正眼睛的校正*非正常眼 散光分类：单纯散光（A，B）复性散光（C，D）混合性散光（E）22眼睛的调节与校正眼睛的校正*非正常眼 散光矫正采用柱面、球柱面或双心圆柱面透镜。23眼睛的调节与校正例*一个人近视程度是-2 D，眼睛的调节范围是8 D。 求远点距离； 求近点距离； 若配戴100度的近视镜，求该眼镜的焦距； 求戴上该近视镜后能看清的远点距离

7、； 求戴上该近视镜后能看清的近点距离。24眼睛的调节与校正例*一个人近视程度是-2 D，眼睛的调节范围是8 D。 求远点距离； 求近点距离；11112 D0.5 mrRlR 111112810 D0.1 mpPRAlP 25眼睛的调节与校正例*一个人近视程度是-2 D，眼睛的调节范围是8 D。 若配戴100度的近视镜，求该眼镜的焦距；11 m1f 26眼睛的调节与校正例*一个人近视程度是-2 D，眼睛的调节范围是8 D。 求戴上该近视镜后能看清的远点距离；12121110.5 m1 m1 mrrrrllfllf 27眼睛的调节与校正例*一个人近视程度是-2 D，眼睛的调节范围是8 D。 求戴上

8、该近视镜后能看清的近点距离。222219 D0.11 mpPRAlP 28眼睛的分辨率*眼睛能够分辨最靠近两相邻点的能力，称为眼睛的眼睛的分分辨能力辨能力。*像方视网膜上两像点能被分辨，它们之间的距离至少要等于两个神经细胞的直径，0.006 mm。29眼睛的分辨率*物方视角视角物体对人眼的张角极限分辨角极限分辨角人眼能分辨的物点间最小视角人眼放松状态（f = 23 mm）下， = 1 = 0.00029 rad。0.006tan206265f30眼睛的分辨率*物方极限极限分辨距离分辨距离在明视距离（250 mm）处，极限分辨角对应的线长度视角视角敏锐度敏锐度 = 1/2500.0725 mm3

9、1双目立体视觉人的3D感知*人对3D世界的认知并不完全依赖于眼睛并不完全依赖于眼睛所提供的信息。人眼每一个瞬间所搜集的信息都只是2D信息信息；大脑结合其他来源的相关信息，最终形成了人的3D感知感知。2D信息中每一个物体离自己的远近每一个物体自身的厚度32双目立体视觉人的3D感知*大脑需要的其他信息眼睛肌肉的张弛感小测试：把食指竖放在距离眉心3厘米左右的位置，双眼盯住手指，并逐渐拉大手指与眉心的距离。可以感受到眼睛肌肉由紧张逐渐变松弛。这种张弛的感觉就是大脑用来判断的远近的因素之一：肌肉紧张时物体离得较肌肉紧张时物体离得较近，肌肉近，肌肉松弛时物体离得较松弛时物体离得较远远。33双目立体视觉人的

10、3D感知*大脑需要的其他信息眼球聚焦“聚”双眼注视一个物体时两个眼球聚拢，形成“视差角”。聚拢动作越大聚拢动作越大，视差角越，视差角越大，大脑就判断被视物体越近，大，大脑就判断被视物体越近，反之则越远反之则越远。“焦”视觉焦点。双眼之间存在一定的距离，当双眼把焦点放在同一个物体上时，左眼和右眼看到的影像存在一定的差别。这种视觉差别随距离这种视觉差别随距离不同而变化，越近则区别越大，反之不同而变化，越近则区别越大，反之越越小。小。34双目立体视觉人的3D感知*大脑需要的其他信息视差从不同位置观察同一个目标所产生的差异，包括静态视差静态视差和动动态视差态视差。静态视差：小明和小华站在远处，如果小明

11、挡住了小华，那么得出的结论就是小明比小华离我们近。动态视差：空无一物的荒原上有一辆车，一开始看不出来它是静止还是运动的，当它越来越大越来越大，于是知道了它是运动的，且持续向我们接近。35双目立体视觉人的3D感知*大脑需要的其他信息视差大脑在利用视差判断物理位置关系的时候经常发挥“想象力”，即在无法通过不同位置比较视觉差异的时候会进行“脑补”。平面艺术品基本都是利用这一点使人从平面作品中感受到立体感，比如近大远小、轮廓畸变的透视法，甚至是光影表现。36双目立体视觉双眼视觉*双眼可分别看作是一个光学系统，物体在左右眼中分别成像，利用眼睛的调节变化所产生的感觉最终在大脑中汇成单一像。*左右眼分别所成

12、像在视网膜上的分布只有满足几何上某些条件时，才可以产生单一像。37双目立体视觉双眼视觉人眼注视A点，将在两眼各自黄斑处产生一个像A1，A2。J1AJ2范围内，B也将同时在双眼各自成像：B1，B2分别成像于黄斑的不同侧，成双双像像。J1AJ2范围外，C也将同时在双眼各自成像：C1，C2成像于黄斑的同侧，成单一单一像像。J1AJ2范围范围内所有点成双内所有点成双像；像；J1AJ2范围范围外所有点成单一外所有点成单一像。像。38双目立体视觉双眼视觉观察周围空间时，应该既有双像，也有单一像存在。由于双眼不断运动双眼不断运动，注视点A在不断改变，所以不易察觉双像部分空间在人眼中的影响。39双目立体视觉双

13、目立体视觉*视觉基线视觉基线两眼节点J1，J2的连线*视差角视差角，A两视轴之间的夹角AbL双目立体视觉双目立体视觉*不同距离的物体对应了不同的视差角，其差异称为立体视差立体视差。40大，则人眼感觉两物体纵向深度大；小，则人眼感觉两物体纵向深度小。体视锐度体视锐度人眼能感觉到的的极限值，min 10。体视半径体视半径人眼能分辨远近的最大距离，Lmax。双目立体视觉双目立体视觉*不同距离的物体对应了不同的视差角，其差异称为立体视差立体视差。41无限远物点的视差角 = 0；某物点对应的视差角 = min时，人眼刚好能分辨出它和无限远物点的距离差别。maxmin62 206265101200 mbL

14、双目立体视觉双目立体视觉*不同距离的物体对应了不同的视差角，其差异称为立体视差立体视差。42并不是在体视半径Lmax内所有的情况下人眼都能产生立体感觉。 两物体位于基线垂直平分线上； 右眼中，B，C两点的像重合。双目立体视觉双目立体视觉*不同距离的物体对应了不同的视差角，其差异称为立体视差立体视差。立体视觉阈立体视觉阈人眼能分辨两点间的最短深度距离， L。43 = min，对应双目立体视觉阈：物体物体距离越远，误差越距离越远，误差越大。大。2bLLLb 428 10LL 44双目立体视觉双目立体视觉*不同距离的物体对应了不同的视差角，其差异称为立体视差立体视差。增大基线增大基线b或增大体视锐度

15、或增大体视锐度，可以，可以增大体视增大体视半径半径L，增大立体视觉阈，增大立体视觉阈L。428 10LL maxminbL45双目立体视觉3D电影46双目立体视觉3D电影47第一第一节节 眼睛眼睛第二节第二节 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目视光学仪器的基本工作原理人眼感觉的物体大小48*人眼感觉的物体大小取决于其像在视网膜上的大小。眼睛光学系统焦距一定，故取决于物体对人眼张物体对人眼张角角的大小的大小：同样的物体，离眼睛越近，张角越大；物体不能无限制靠近眼睛，必须位于眼睛近点之外；物体细节对人眼张角大于极限分辨角（ 60）。目视光学仪器的基本

16、工作原理目视光学仪器*为了扩大扩大人眼的视觉能力人眼的视觉能力，引入各种目视光学仪器。*基本工作原理通过目视光学仪器观察物体时，其像对人眼的张角大于人眼直接观察时物体对人眼的张角： 常见的目视光学仪器：放大镜、显微镜、望远镜4950放大镜51放大镜视放大率*定义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像高ye之比。ieyyi2e2tantantantanylyl52放大镜视放大率*定义1tan1yxyPlfPlflyfPl tanyDflDPlf53放大镜视放大率*不同条件下的视放大率放大镜的视放大率视放大率不是不是常数常数，与观察条件P和l有关。 眼睛调焦在无穷远，

17、l = 放大镜放大镜的光学常数的光学常数0250DffflDPlf54放大镜视放大率*不同条件下的视放大率放大镜的视放大率视放大率不是不是常数常数，与观察条件P和l有关。 物像调焦在明视距离，P - l = D25011PDPfff flDPlf55放大镜目镜*放大镜不仅可以直接对物体放大成像，也可以对一组光学系统的实像放大成像，称为目镜。56放大镜光束限制*放大镜与眼睛组成目视光学系统：眼睛瞳孔：孔径光阑（出瞳）放大镜框：视场光阑（入射窗、出射窗），渐晕光阑57放大镜光束限制*像方视场角58放大镜光束限制*像方视场角1n1taKhaP59放大镜光束限制*像方视场角1tan0.5hKP60放大

18、镜光束限制*像方视场角1n0taKhaP61放大镜光束限制*像方视场角放大镜边框放大镜边框越越大，眼睛越靠大，眼睛越靠近放大镜，视近放大镜，视场越场越大。大。62放大镜光束限制*物方线视场物面置于放大镜前焦面；渐晕50%050022tanmmhyf P63放大镜例一个放大镜直径为20 mm，视放大率为8，眼睛离放大镜的距离为40 mm，经放大镜所成的像位于眼睛的明视距离250 mm处，渐晕系数K = 50%。试求： 放大镜的焦距； 线视场； 物体的位置。64放大镜例2h = 20 mm, = 8, P = 40 mm, D = 250 mm, K = 50% 放大镜的焦距；2501Pff 30

19、 mmf 65放大镜例2h = 20 mm, = 8, P = 40 mm, D = 250 mm, K = 50% 线视场；tan0.25hP tan0.25tan8yD22ta15.625 mmnyD66放大镜例2h = 20 mm, = 8, P = 40 mm, D = 250 mm, K = 50% 物体的位置。210 mm30 mm111lPDfllf 26.25 mml 67第一第一节节 眼睛眼睛第二节第二节 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68显微镜系统的结构69显微镜系统的结构*双目镜筒是通过加反射棱镜和平行平板实现的双目镜筒是

20、通过加反射棱镜和平行平板实现的 70视放大率物体对人眼的张角物体通过显微镜后对人眼的张角tan250 mmyyLeeoetanyyyfff f tantan视放大率*显微镜视放大率等于物镜垂轴放大率和目镜视放大率之积。*将显微镜看作一个组合系统，组合焦距系统视放大率71oee250 mm=f f oef ff 250f72规定参数共轭距*显微镜物镜从物平面到像平面的距离（180 mm）机械筒长*把显微镜的物镜和目镜取下后，所剩的镜筒长度（160 mm）73规定参数常用的物镜倍率*4、10、40和100常用的目镜倍率*5、10和15光束限制线视场*视场光阑（直径为D）放置在目镜前焦平面上，物体经

21、物镜成像于视场光阑上。74*显微镜线视场视场光阑大小与目镜视场角吻合2yDee500tan2tanDf75光束限制线视场对于给定的目镜（2确定），显微镜的视显微镜的视放大率放大率越大，线视场越大，线视场越越小小。e500tan500tan2y光束限制孔径光阑*普通显微镜单组物镜框本身*复杂物镜多组物镜最后镜组的边框*测量用显微镜物方远心光路像方远心光路7677分辨率和有效放大率分辨率*孔径光阑的衍射影响点光源衍射斑衍射斑（艾里斑艾里斑，明暗相间圆环，中心亮斑集中83.78%的能量）艾里斑半径瑞利判据瑞利判据两相邻点之间的间隔等于艾里斑半径a时，可被分辨。道威判据道威判据两相邻点之间的间隔等于0

22、.85a时，可被分辨。0.61sinanu78分辨率和有效放大率分辨率*分辨率分辨率能分辨的物方两点间最短距离，。瑞利判据道威判据显微镜的分辨率主要取决于物镜的数值孔径物镜的数值孔径，与目镜无关。0.610.61sinanuNA0.50.85aNA79分辨率和有效放大率分辨率*提高分辨率 分辨本领分辨本领随波长减小而随波长减小而提高。提高。 1/NA分辨本领随数值孔径增大而提高分辨本领随数值孔径增大而提高。增大物方孔径角U；提高物方空间折射率n（浸液物镜）。0.5NA80分辨率和有效放大率有效放大率*距离为的两个点，不仅要能通过物镜被分辨，且经过目镜放大后要能被眼睛区分开（2 4）。明视距离上

23、对应的线距离（像高）显微镜物空间2 250 0.00029 mm4 250 0.00029 mm0.52 250 0.00029 mm4 250 0.00029 mmNA81分辨率和有效放大率有效放大率*距离为的两个点，不仅要能通过物镜被分辨，且经过目镜放大后要能被眼睛区分开（2 4）。若照明光源 = 555 nm有效放大率有效放大率5231046NANA5001000NANA82分辨率和有效放大率有效放大率 放大不足放大不足（ 1000NA）不能提高显微镜观察物体细节的能力5001000NANA83照明方式1. 透射光亮视场照明光通过透明物体，被不同透射比调制。2. 反射光亮视场照明通过物镜

24、从上面照射不透明物体，被反射率调制。84照明方式*生物显微镜常用透射光亮视场照明 临界照明（光源成像于物平面上）优点：光能利用率高，结构简单。缺点：光源本身亮度不均匀，将造成照明亮度不均匀。85照明方式*生物显微镜常用透射光亮视场照明 科勒照明优点：照明亮度均匀。缺点：光能损失大，结构复杂。照明光线不直接进入物镜，只允许被标本（微粒）散射的光线进入物镜。暗背景上给出亮的颗粒像，对比度好，分辨率高。86照明方式3. 透射光暗视场照明倾斜入射，在物镜旁侧向通过。4. 反射光暗视场照明旁侧入射，反射后从物镜侧向通过。87例用显微镜分辨相距0.000375 mm的两点，采用 = 555 nm的可见光斜

25、入射照明。试求： 显微镜物镜的数值孔径NA； 若要求两点放大后的视角为2，则显微镜的视放大率为多少。88例用显微镜分辨相距0.000375 mm的两点，采用 = 555 nm的可见光斜入射照明。试求： 显微镜物镜的数值孔径NA；0.50.5 0.0005550.0003750.7333NA89例用显微镜分辨相距0.000375 mm的两点，采用 = 555 nm的可见光斜入射照明。试求： 若要求两点放大后的视角为2，则显微镜的视放大率为多少。人眼直接观察时，两点对人眼的张角满足显微镜的视放大率6tan0.000375 2501.5 106tantan2tan1.5 10387.8590第一第一

26、节节 眼睛眼睛第二节第二节 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91望远镜系统的结构开普勒望远镜系统*结构长，有中间实像面，可加分划板用作瞄准或测量。*成倒像，要加转像系统，结构复杂。92望远镜系统的结构伽利略望远镜系统*结构短，没有中间实像，不能安装分划板*成正立像，方便观察93视放大率垂轴放大率角放大率视放大率oetan1tanfDfD eofDDf oetan1tanff 94视放大率 与物体位置无关，仅取决于望远镜的结构参数。 当像方视场角一定，越大则物方视场角越小。 增大fo（减小fe），可增大。当fe一定，欲增大，要求fo增大，镜筒长L增

27、大。oetan1tanfDfD 95视放大率 出瞳要与眼瞳匹配，增大D可增大，导致L增大。 可正可负，取决于fe的符号（物镜只能是正透镜）。当物镜和目镜的焦距都为正时，如开普勒望远镜，则放大率为负值，系统成倒立的像。当物镜的焦距为正，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。oetan1tanfDfD 96视放大率例用人眼直接观察某汽车时，可以在400 m的距离上看清汽车牌照上的编号，如果要求在距离2 km处也能看清，应使用多少倍的望远镜？97视放大率例用人眼直接观察某汽车时，可以在400 m的距离上看清汽车牌照上的编号，如果要求在距离2 km处也能看清，应使用多少倍的望

28、远镜？在400 m处人眼所能分辨的两点间最小距离为此距离在2 km处对人眼的张角为3400 100.0003120 mmyl56tan6 102 10y98视放大率例用人眼直接观察某汽车时，可以在400 m的距离上看清汽车牌照上的编号，如果要求在距离2 km处也能看清，应使用多少倍的望远镜？此角度经望远镜放大后应大于或等于人眼的极限分辨角，即需要用5倍望远镜。5tan10.0003tan6 10599分辨率与工作放大率分辨率*极限分辨角瑞利判据入瞳直径D是以mm为单位的数值。入瞳直径越大，极限分辨率越入瞳直径越大，极限分辨率越高。高。道威判据oo0.61sinafnu f 140D120D100分辨率与工作放大率工作放大率*视放大率与分辨率关系两点通过仪器后对人眼的视角必须大于人眼的视觉分辨率60。*有效放大率（正常放大率）60602.3D101分辨率与工作放大率工作放大率*工作放大率按正常放大率设计的望远镜，观测时易于疲劳。工作放大率应大于正常放大率工作放大率应大于正常放大率，为正常放大率的23倍。D102光束限制开普勒望远镜物镜框：孔径光阑、入瞳目