工程光学基础7

1、第七章第七章 典型光学系统典型光学系统Chapter72011.37-1 7-1 人眼的光学特性人眼的光学特性v 人眼的构造人眼的构造从光学角度看，主要有三部分：从光学角度看，主要有三部分：镜头镜头底片底片光阑光阑人眼相当于一架照相机，人眼相当于一架照相机，能够自动调节能够自动调节Chapter72011.3角膜：透明球面，光线首先通过角膜进入眼睛角膜：透明球面，光线首先通过角膜进入眼睛前室：角膜后面的空间部分，充满水液，前室：角膜后面的空间部分，充满水液，n=1.3374,n=1.3374,对光对光线起会聚作用线起会聚作用水晶体：双凸透镜，借助周围肌肉的收缩及松弛，前表水晶体：双凸透镜，借助

2、周围肌肉的收缩及松弛，前表面半径可减小或加大，改变焦距。面半径可减小或加大，改变焦距。角膜，前室和水晶体角膜，前室和水晶体相当于镜头部分相当于镜头部分Chapter72011.3视网膜：视神经细胞和神经纤维，相当于感光底片视网膜：视神经细胞和神经纤维，相当于感光底片黄斑：视网膜上视觉最灵敏的地方黄斑：视网膜上视觉最灵敏的地方这两项相当于感光部分这两项相当于感光部分虹膜：水晶体前面的薄膜，虹膜：水晶体前面的薄膜，中心有一圆孔，成为瞳中心有一圆孔，成为瞳孔，随着入射光能量的孔，随着入射光能量的多少，瞳孔直径可放大多少，瞳孔直径可放大或缩小。或缩小。相当于可变光阑相当于可变光阑Chapter7201

3、1.3 盲点：视神经纤维盲点：视神经纤维的出口，没有感光细的出口，没有感光细胞，不产生视觉胞，不产生视觉盲点实验盲点实验Chapter72011.3视觉的产生视觉的产生外界的光线进入人眼外界的光线进入人眼成像在视网膜上，产生视神经脉冲成像在视网膜上，产生视神经脉冲 通过视神经传向大脑，经过高级的中枢神经活动，通过视神经传向大脑，经过高级的中枢神经活动，形成视觉形成视觉物理过程，生理过程，心理过程物理过程，生理过程，心理过程倒像实验倒像实验Chapter72011.3视轴：黄斑中心与眼睛光学系统的像方节点连线视轴：黄斑中心与眼睛光学系统的像方节点连线人眼的光学特性人眼视场：观察范围可达人眼视场：

4、观察范围可达150150 头不动，能看清视轴中心头不动，能看清视轴中心6 68 8 要看清旁边物体，眼睛在眼窝内转动，头也动要看清旁边物体，眼睛在眼窝内转动，头也动Chapter72011.3人眼的调节：人眼的调节：视度调节、瞳孔调节视度调节、瞳孔调节1 1、视度调节、视度调节l 定义：随着物体距离改变，人眼自动改变焦距，使像落定义：随着物体距离改变，人眼自动改变焦距，使像落在视网膜上的过程。在视网膜上的过程。 FFChapter72011.3v 调节量的表示：视度调节量的表示：视度l与网膜共轭的物面到眼睛的距离的倒数与网膜共轭的物面到眼睛的距离的倒数v 明视距离和近点、远点明视距离和近点、远

5、点明视距离：眼睛前方明视距离：眼睛前方250mm250mm，SD=1/(-0.25)=-4SD=1/(-0.25)=-4 单位为米单位为米 近点：眼睛通过调节能看清物体的最短距离近点：眼睛通过调节能看清物体的最短距离 远点：眼睛能看清物体的最远距离远点：眼睛能看清物体的最远距离最大调节范围近点视度远点视度最大调节范围近点视度远点视度lSD1Chapter72011.3年龄年龄最大调节范围最大调节范围/ /视度视度近点距离近点距离/mm/mm101015152020252530303535404045455050-14-14-12-12-10-10-7.8-7.8-7.0-7.0-5.5-5.5

6、-4.5-4.5-3.5-3.5-2.5-2.570708383100100130130140140180180220220290290400400 不同年龄正常人眼的调节能力不同年龄正常人眼的调节能力Chapter72011.32 2、瞳孔调节、瞳孔调节v 虹膜可以自动改变瞳孔大小，以控制人眼的进光量虹膜可以自动改变瞳孔大小，以控制人眼的进光量v 强光下，白天强光下，白天 D=2mm;D=2mm; 夜晚，夜晚，D=8mmD=8mmv 设计光学仪器时，仪器的出射瞳孔要和人眼瞳孔大小设计光学仪器时，仪器的出射瞳孔要和人眼瞳孔大小配合，白天使用的可以小些，夜晚使用的则要大一些配合，白天使用的可以小

7、些，夜晚使用的则要大一些外界物体的亮暗随物体，天气，时间而不同外界物体的亮暗随物体，天气，时间而不同Chapter72011.3v 人眼的分辨率人眼的分辨率两物点在网膜上成两个像点，若两像点距离比较大，人两物点在网膜上成两个像点，若两像点距离比较大，人眼能够分辨开是两个像点，如果两像点距离小到一定程眼能够分辨开是两个像点，如果两像点距离小到一定程度，人眼就有可能分辨不出是两个像点度，人眼就有可能分辨不出是两个像点对两物点的视角分辨率：对两物点的视角分辨率：为什么呢？为什么呢？Chapter72011.3人眼视网膜的结构人眼视网膜的结构 视网膜由视神经细胞组成，分锥状细胞和杆状细胞视网膜由视神经

8、细胞组成，分锥状细胞和杆状细胞 y 锥状细胞：在亮光下工作锥状细胞：在亮光下工作杆状细胞：在弱光下工作杆状细胞：在弱光下工作如果两像点之间的距离大于两视神经细胞，落在两个不如果两像点之间的距离大于两视神经细胞，落在两个不相邻视神经细胞上，就能分清是两个像点相邻视神经细胞上，就能分清是两个像点Chapter72011.3视神经细胞直径约为视神经细胞直径约为0.001-0.003mm0.001-0.003mm，取，取0.0060.006为眼睛的为眼睛的分辨率。分辨率。此距离在物空间对应的张角，称为视角分辨率。此距离在物空间对应的张角，称为视角分辨率。刚刚能被人眼分辨开的两物点之间的最小视角称为视角

9、分辨率刚刚能被人眼分辨开的两物点之间的最小视角称为视角分辨率而而 yyminmin=-0.006mm=-0.006mm，f=-16.68mmf=-16.68mm所以所以tgfy6020600068.16006. 0minminfyChapter72011.3对线的分辨率：分辨率可以提高到对线的分辨率：分辨率可以提高到1010在很多仪器中需要瞄准，在很多仪器中需要瞄准，瞄准的方式有瞄准的方式有对线的对线的分辨率称为对准精分辨率称为对准精度，右图的对准精度都是度，右图的对准精度都是10”10”Chapter72011.3看得清楚的条件看得清楚的条件必要条件：成像在视网膜上必要条件：成像在视网膜上充

10、分条件：对二点，视角大于或等于充分条件：对二点，视角大于或等于60”60” 对二线，视角大于或等于对二线，视角大于或等于10”10”Chapter72011.3)60(0003.0minradly欲增大张角欲增大张角 ： 减小物距减小物距 l l？增大物高增大物高 y y？物体对人眼的最小张角物体对人眼的最小张角 此时应采取什么方法此时应采取什么方法? ?Chapter72011.3目视光学系统：和人眼配合的光学系统目视光学系统：和人眼配合的光学系统Magnifier TelescopeMicroscope 对目视光学系统有什么共同的要求？对目视光学系统有什么共同的要求？Chapter7201

11、1.3 被观察物体首先要成像在视网膜上，而且对人眼被观察物体首先要成像在视网膜上，而且对人眼的张角大于人眼的视角分辨率时，才能被看清。的张角大于人眼的视角分辨率时，才能被看清。1 1、成像在无限远、成像在无限远对各类目视光学仪器的共同要求对各类目视光学仪器的共同要求正常人眼在自然状态下，无限远物体成像在视网膜上正常人眼在自然状态下，无限远物体成像在视网膜上Chapter72011.32 2、增大视角、增大视角直接观察：直接观察：用仪器观察：用仪器观察：仪仪tgy眼眼tgy Chapter72011.3用仪器观察时网膜上的像高和人眼直接观察时网膜上的用仪器观察时网膜上的像高和人眼直接观察时网膜上

12、的像高之比表示了仪器的放大作用，称为视放大率，用像高之比表示了仪器的放大作用，称为视放大率，用 表示。表示。越大，放大作用越大。越大，放大作用越大。有有正负之分，正负之分， 为为正，正像，正，正像， 为为负，倒像负，倒像眼仪眼仪眼仪tgtgtgtgyyChapter72011.37-2 7-2 放大镜和显微镜的工作原理放大镜和显微镜的工作原理放大镜和显微镜的工作原理放大镜和显微镜的工作原理 y-Lyy 物体对人眼张角物体对人眼张角lytg要求最小视角要求最小视角)60(0003. 0min弧度lyChapter72011.3最小视角最小视角)60(0003. 0min弧度ly提高视角的途径：提

13、高视角的途径： 提高提高y y，不行不行 减小物距减小物距L L，但不能无限的减小，否则，就不但不能无限的减小，否则，就不能成像在视网膜上能成像在视网膜上我们希望物体位在无限远处，因此可以在人眼前加我们希望物体位在无限远处，因此可以在人眼前加一个正透镜，把物体放在透镜的物方焦点处，成一个正透镜，把物体放在透镜的物方焦点处，成像在无限远，供人眼观察像在无限远，供人眼观察Chapter72011.3 F-f=f yy 仪仪 tg仪仪 tg眼眼=250ftg眼眼= y f=tg仪仪 y -l=y250注意：注意：250250为明视距离，物体可以移动到明视距离为明视距离，物体可以移动到明视距离当眼睛调

14、焦在无限远，物体位在放大镜的物方焦平面处当眼睛调焦在无限远，物体位在放大镜的物方焦平面处Chapter72011.31250fPf当眼睛把物像调焦在明视距离处，视放大率为当眼睛把物像调焦在明视距离处，视放大率为其中，其中，ff为放大镜的焦距，为放大镜的焦距，PP为眼睛距放大镜的距离。当为眼睛距放大镜的距离。当眼睛紧靠近放大镜，眼睛紧靠近放大镜，PP0，有，有1250f放大镜与眼睛组合，眼瞳是孔径光阑，又是出瞳。放大镜与眼睛组合，眼瞳是孔径光阑，又是出瞳。放大镜框是视场光阑，又是出入射窗放大镜框是视场光阑，又是出入射窗Chapter72011.3放大镜的视放大率放大镜的视放大率250f如果要如果

15、要11，则要求透镜焦距则要求透镜焦距f250f0 0，和和同号，成正像同号，成正像 00，和和异号，成倒像异号，成倒像 的的正负号由物镜和目镜焦距的正负号决定正负号由物镜和目镜焦距的正负号决定Chapter72011.3望远镜的类型望远镜的类型开卜勒望远镜：物镜和目镜的焦距均为正开卜勒望远镜：物镜和目镜的焦距均为正000，成正像成正像不须加倒像系统不须加倒像系统体积较短体积较短系统中不存在实像，不系统中不存在实像，不能安装分划板，无法进能安装分划板，无法进行测量和瞄准行测量和瞄准常用于观察常用于观察Chapter72011.3 问题问题伽里略望远镜的物镜和目镜颠倒过来，行不行？伽里略望远镜的物

16、镜和目镜颠倒过来，行不行？开卜勒望远镜的物镜和目镜颠倒过来，行不行？开卜勒望远镜的物镜和目镜颠倒过来，行不行？开卜勒望远镜中分划板安装在什么地方？开卜勒望远镜中分划板安装在什么地方？物镜和目镜的焦距均为负，能否构成一个望远镜？物镜和目镜的焦距均为负，能否构成一个望远镜？Chapter72011.3望远镜的放大率望远镜的放大率望远镜的角放大率不随共轭面的位置变化而变化，数值望远镜的角放大率不随共轭面的位置变化而变化，数值上等于视放大率上等于视放大率tgtgtgutgu平行于光轴入射的光线仍然平行于光轴出射平行于光轴入射的光线仍然平行于光轴出射1物目物目ffffyy1DDChapter72011.

17、3望远镜的放大率望远镜的放大率望远镜的垂轴放大率也不随共轭面的位置变化而变化，望远镜的垂轴放大率也不随共轭面的位置变化而变化，数值上等于视放大率的倒数数值上等于视放大率的倒数测量视放大率的方法：倍率计测量视放大率的方法：倍率计1DDChapter72011.3望远镜的分辨率望远镜的分辨率其中其中D D为望远镜的入瞳直径。望远镜的有效放大率为为望远镜的入瞳直径。望远镜的有效放大率为望远镜的工作放大率望远镜的工作放大率D1403 . 2DD望远镜的瞄准误差，对点望远镜的瞄准误差，对点望远镜的瞄准误差，对线望远镜的瞄准误差，对线6010Chapter72011.3开普勒望远镜的物方视场角开普勒望远镜

18、的物方视场角其中其中yy为视场光阑半径。为视场光阑半径。伽利略望远镜以人眼瞳孔作为孔径光阑，同时又是出瞳，物伽利略望远镜以人眼瞳孔作为孔径光阑，同时又是出瞳，物镜框为视场光阑，同时又是入射窗。由于视场光阑与物面（镜框为视场光阑，同时又是入射窗。由于视场光阑与物面（或像面）不重合，因此伽利略望远镜一般存在渐晕或像面）不重合，因此伽利略望远镜一般存在渐晕物fytg当渐晕为当渐晕为50%50%时，有时，有)(22zlLDtg当渐晕为当渐晕为0 0时，有时，有)(22zPlLDDtg其中，其中，D D为物镜框直径，为物镜框直径，DpDp为入瞳直径，为入瞳直径，L L为物镜和目镜为物镜和目镜焦距之和，焦

19、距之和，lz2lz2为眼睛到目镜的距离为眼睛到目镜的距离作业：工程光学基础教程作业：工程光学基础教程164164页第页第6 6，7 7，1313题题Chapter72011.3例：一个大地测量用望远镜使用夹线瞄准，如果在例：一个大地测量用望远镜使用夹线瞄准，如果在1 1公里内公里内的瞄准误差要求小于的瞄准误差要求小于2 2毫米，问视放大率为多少？毫米，问视放大率为多少？解：解：眼眼仪仪tgtg10仪仪4 . 02060001026眼眼254 . 010眼眼仪仪眼眼仪仪tgtgChapter72011.3LAMOSTv LAMOSTLAMOST把普测的星系极限星等推到把普测的星系极限星等推到20

20、.5m20.5m，比，比SDSSSDSS计划计划高高2 2等左右，实现等左右，实现107107个星系的光谱普测，把观测目标个星系的光谱普测，把观测目标的数量提高的数量提高1 1个量级。个量级。Chapter72011.3A Reflecting Schmidt telescopeMB mirrorFiber PositioningFibersMA mirrorSpectrographsCCDsChapter72011.3MB: 37块子镜块子镜 6.1mChapter72011.3LAMOSTChapter72011.3LAMOSTChapter72011.3LAMOSTChapter7201

21、1.3Chapter72011.32.16米反射望远镜v216cm 望远镜是由中国科学院南京天文仪器研制中心,中国科学院国家天文台和北京自动化研究所研制成功的,1989年安装于兴隆基地并投入使用。目前它具有卡塞格林和折轴两个可用焦点。利用计算机对蒙气差、机械弯沉、极轴指向等误差作模型改正后指向精度（r.m.s）约为10。观测者要求准备好观测对象的坐标(历元的变换可在控制计算机完成)和证认图。主镜口径：主镜口径： 216cm 216cm 焦焦 比：比： f/3 f/3 卡焦焦比：卡焦焦比： f/9 f/9 焦面比例尺：焦面比例尺： 10.61/mm 10.61/mm 折轴焦比：折轴焦比： f/4

22、5 f/45 焦面比例尺：焦面比例尺： 2.12/mm2.12/mm Chapter72011.3哈勃空间望远镜vHST最初升空时携带了5台科学仪器：广角/行星照相机，暗弱天体照相机，暗弱天体光谱仪，高分辨率光谱仪和高速光度计。Chapter72011.3开普勒太空望远镜Chapter72011.3阿塔卡玛大型毫米波天线阵 Chapter72011.3詹姆斯詹姆斯韦韦博博太空望远镜太空望远镜Chapter72011.3韦博望远镜Chapter72011.3巨型麦哲伦望远镜Chapter72011.3三十米望远镜三十米望远镜 v三十米望远镜目前仍处于设计阶段，将选三十米望远镜目前仍处于设计阶段，

23、将选址于智利或夏威夷，暂时未定。顾名思义，址于智利或夏威夷，暂时未定。顾名思义，三十米望远镜的主镜头最高可以形成直径三十米望远镜的主镜头最高可以形成直径30米的集光面。巨型主镜分割为米的集光面。巨型主镜分割为492块分块分片，每个分片都可以自动调整和改变位置片，每个分片都可以自动调整和改变位置以确保观测精度。科学家计划用三十米望以确保观测精度。科学家计划用三十米望远镜观测宇宙早期的状况，更好地研究星远镜观测宇宙早期的状况，更好地研究星系和恒星的起源。系和恒星的起源。三十米望远镜三十米望远镜 Chapter72011.3三十米望远镜三十米望远镜三十米望远镜 Chapter72011.37-4 7

24、-4 眼睛的缺陷和目视光学仪器的视度调节眼睛的缺陷和目视光学仪器的视度调节1 1、正常人眼的焦点、正常人眼的焦点FF、远点和近点远点和近点一、眼睛的缺陷和校正一、眼睛的缺陷和校正l 正常人眼在自然状态下，无限远物体成像在网膜上，即焦点正常人眼在自然状态下，无限远物体成像在网膜上，即焦点FF与网膜重合与网膜重合 Fl 正常人眼观察近距离物体时，依靠人眼视度调节可以将正常人眼观察近距离物体时，依靠人眼视度调节可以将FF点前点前移，使像成在网膜上移，使像成在网膜上l 人眼能看清的最远距离称为人眼能看清的最远距离称为远点远点，远点是人眼自然状态下与网，远点是人眼自然状态下与网膜像相共轭的物平面位置膜像

25、相共轭的物平面位置l 人眼依靠调节能看清的最近距离称为人眼依靠调节能看清的最近距离称为近点近点Chapter72011.3FF2 2、近视眼的特点、近视眼的特点v 近视眼的像方焦点在视网膜前方，无限远物不能成像近视眼的像方焦点在视网膜前方，无限远物不能成像在网膜上在网膜上 v 近视眼看不清无限远目标，看到的最远距离（远点）近视眼看不清无限远目标，看到的最远距离（远点）是有限的，这个距离是近视眼视网膜的物方共轭面；是有限的，这个距离是近视眼视网膜的物方共轭面；眼睛依靠调节只能看清远点以内的物体眼睛依靠调节只能看清远点以内的物体Chapter72011.3v 近视程度用近视程度用远点距离对应的视度

26、远点距离对应的视度表示表示比如远点距离在眼睛前方比如远点距离在眼睛前方0.5m0.5m，对应的视度对应的视度 SD=1/(-0.5)= -2SD=1/(-0.5)= -2医学上眼镜度数与视度相对应，数量上的关系为医学上眼镜度数与视度相对应，数量上的关系为 1 1 视度视度100100此人的近视程度为此人的近视程度为200200Chapter72011.33 3、近视眼的校正、近视眼的校正 F远点远点采用负透镜，焦距等于远点距离采用负透镜，焦距等于远点距离例如：某人远点距离为眼睛前方例如：某人远点距离为眼睛前方200mm200mm，要戴多大度数的眼要戴多大度数的眼镜？焦距为多少？镜？焦距为多少？

27、FF Chapter72011.34 4、远视眼的特点、远视眼的特点远视眼像方焦点在视网膜后方，依靠调节有可能看清无限远物远视眼像方焦点在视网膜后方，依靠调节有可能看清无限远物体体 F Fv 远视眼的远点在眼睛后方；近点距离比正常人眼增加远视眼的远点在眼睛后方；近点距离比正常人眼增加5 5、远视眼的校正、远视眼的校正 F远点远点采用正透镜，焦距等于远点距离采用正透镜，焦距等于远点距离Chapter72011.36 6、散光、散光若水晶体两表面不对称，则使细光束的两个主截面的光线不交于若水晶体两表面不对称，则使细光束的两个主截面的光线不交于一点，即两主截面的远点距离不同一点，即两主截面的远点距离

28、不同散光度为散光度为21RR 21RRAST为校正散光，可采用圆柱面镜或双心圆柱面镜为校正散光，可采用圆柱面镜或双心圆柱面镜Chapter72011.3例：某人对例：某人对1 1米以外的物体看不清，需配戴多少度的眼镜？米以外的物体看不清，需配戴多少度的眼镜？某人对某人对1 1米以内的物体看不清，需配戴多少度的眼镜？米以内的物体看不清，需配戴多少度的眼镜？解：解：视视度度米米远远11SDlf111fll第一人第一人第二个人：近点距离为第二个人：近点距离为1 1米，需要将米，需要将1 1米处的物体成像米处的物体成像在在250250毫米处毫米处mmff3331250110001300100333.

29、01SD眼镜度数眼镜度数Chapter72011.3二、目视光学仪器的视度调节二、目视光学仪器的视度调节 物镜物镜正常眼正常眼目镜目镜F F F F近视眼近视眼FF物物F F目目F F目目 F F远视眼远视眼F F目目Chapter72011.3调节量的计算调节量的计算由由 xx =ffxx =ff注意：注意：当当SDSD为为“”时，时，x x为为“”， x x是物相对于目镜移是物相对于目镜移动量，但此时移动的是目镜，目镜移动方向为朝向物动量，但此时移动的是目镜，目镜移动方向为朝向物镜；镜；当当SDSD为为“”时，时，x x为为“”， x x远离目镜，目镜移远离目镜，目镜移动方向为远离物镜。动

30、方向为远离物镜。SDlxlx1000远远100010002 2 目目fSDxfSDxChapter72011.3调节量的计算调节量的计算实际应用中，在目镜的镜圈上刻有对应的视度值，转实际应用中，在目镜的镜圈上刻有对应的视度值，转动目镜，实际上就是在调节视度。动目镜，实际上就是在调节视度。10002 目fSDx实际光学系统中，在物镜像方焦点处需要放置分划板实际光学系统中，在物镜像方焦点处需要放置分划板，为了在调视度时，避免目镜和分划板相碰，目镜的，为了在调视度时，避免目镜和分划板相碰，目镜的物方顶焦距需足够长物方顶焦距需足够长作业：作业：P.163, 1P.163, 1Chapter72011.

31、3v目镜是望远镜和显微镜的一个组成部分，作用是把物镜所成像通过目镜成像在无限远，供人眼观察。 7.5 目镜的特点 Chapter72011.3望远镜系统：望远镜系统： 显微镜系统：显微镜系统： Chapter72011.31 1. .目镜光学特性的特点目镜光学特性的特点( (1 1) )焦距短焦距短望远镜物镜和目镜焦距之间存在以下关系望远镜物镜和目镜焦距之间存在以下关系: : 当目镜的焦距增加时，物镜焦距很快增加当目镜的焦距增加时，物镜焦距很快增加(因为因为 1)，为减小仪器体积重量，须尽可能减小目镜的，为减小仪器体积重量，须尽可能减小目镜的焦距。焦距。 目物ff另外，仪器又要求一定的出瞳距离

32、，这就限制了目另外，仪器又要求一定的出瞳距离，这就限制了目镜的焦距不能过小。一般望远镜目镜的焦距在镜的焦距不能过小。一般望远镜目镜的焦距在1530mm左右。左右。 Chapter72011.3v显微镜目镜的视放大率显微镜目镜的视放大率一般在一般在1010左右，左右，显微目镜的焦距也在显微目镜的焦距也在25 25 mmmm左右。因此无论左右。因此无论是望远镜的目镜，还是显微镜的目镜，焦是望远镜的目镜，还是显微镜的目镜，焦距短是它们的共同特点。距短是它们的共同特点。 250目f相对于显微镜的目镜而言，它的焦距和相对于显微镜的目镜而言，它的焦距和视放大率的关系为视放大率的关系为 Chapter720

33、11.3v(2)(2)相对孔径小相对孔径小v由于目镜的出射光束直接进入人眼的瞳孔，人由于目镜的出射光束直接进入人眼的瞳孔，人眼瞳孔的直径一般在眼瞳孔的直径一般在2 24 4mmmm左右变化，因此军左右变化，因此军用望远系统的出瞳直径一般在用望远系统的出瞳直径一般在4 4mmmm 左右。显微左右。显微镜的出瞳直径则为镜的出瞳直径则为1 12 2mmmm左右。而目镜的焦距左右。而目镜的焦距约为约为15153030mmmm，所以目镜的相对孔径一般小于所以目镜的相对孔径一般小于1 1:5:5。Chapter72011.3(3)(3)视场角大视场角大根据望远系统的视放大率根据望远系统的视放大率和物镜视场

34、角和物镜视场角以及目以及目镜的视场角的关系式镜的视场角的关系式: :tgtg无论是增大望远镜的视放大率无论是增大望远镜的视放大率，还是增加视场角还是增加视场角，都要都要求增大目镜的视场角求增大目镜的视场角。对显微镜来说，要增加物镜的线。对显微镜来说，要增加物镜的线视场必须增加目镜物方焦面的线视场，在目镜焦距一定的条视场必须增加目镜物方焦面的线视场，在目镜焦距一定的条件下，也要增加目镜的视场角件下，也要增加目镜的视场角。因此目镜的视场一般都。因此目镜的视场一般都比较大，通常比较大，通常2 2在在4040左右，广角目镜的视场在左右，广角目镜的视场在6060左左右。某些特广角目镜甚至达右。某些特广角

35、目镜甚至达100100。视场角大是目镜的一个。视场角大是目镜的一个最突出的特点。最突出的特点。 Chapter72011.3(4)(4)入瞳和出瞳远离透镜组入瞳和出瞳远离透镜组目镜的入瞳一般位于前方的物镜上，而出瞳则位于目镜的入瞳一般位于前方的物镜上，而出瞳则位于后方的一定距离上后方的一定距离上 目镜的成像光束，必然随着视场角的增加而远离透目镜的成像光束，必然随着视场角的增加而远离透镜组的光轴，使目镜的透镜直径和它的焦距比较起镜组的光轴，使目镜的透镜直径和它的焦距比较起来相当大，给像差校正带来困难来相当大，给像差校正带来困难 Chapter72011.3 照相物镜性能:焦距（f），相对孔径（D

36、/f）和视场角（2） 7.6 7.6 照相物镜的特性照相物镜的特性 光学特性的最大特点是它们的变化范光学特性的最大特点是它们的变化范围很大。围很大。Chapter72011.3焦距 照相物镜的焦距，短的只有几毫米，长的可照相物镜的焦距，短的只有几毫米，长的可能达到能达到2 23 3m m，甚至更长。甚至更长。 摄影物镜焦距的大小，决定了照片上的像和实际物摄影物镜焦距的大小，决定了照片上的像和实际物体之间的比例尺体之间的比例尺 llyy对一般照相机来说，像平面靠近焦面，对一般照相机来说，像平面靠近焦面， 故故有：有： lf 在物距在物距l一定的情况下，欲得到大比例尺的照片，即一定的情况下，欲得到

37、大比例尺的照片，即要求要求增加，则必须增加物镜的焦距增加，则必须增加物镜的焦距f fl Chapter72011.3相对孔径D/f 小的只有小的只有1/101/10，甚至更小，而大的可能达到，甚至更小，而大的可能达到 1/0.71/0.7。摄影物镜的相对孔径主要影响摄影物镜的相对孔径主要影响像面照度像面照度。摄。摄影物镜像面的照度和相对孔径的平方成比例。影物镜像面的照度和相对孔径的平方成比例。为了满足景物较暗时摄影的需要，或者为了为了满足景物较暗时摄影的需要，或者为了对高速运动物体摄影，要求采用很短的曝光对高速运动物体摄影，要求采用很短的曝光时间，它们都要求提高像面的照度，因此就时间，它们都要

38、求提高像面的照度，因此就需要采用大相对孔径的物镜。需要采用大相对孔径的物镜。Chapter72011.3小的只有小的只有2 23 3，甚至更小，大的可能达，甚至更小，大的可能达到到140140。摄影物镜的视场角决定了被摄景物的范围。不同的摄影物镜的视场角决定了被摄景物的范围。不同的照相机画面的尺寸是一定的，例如：照相机画面的尺寸是一定的，例如： 1616mmmm电影摄影机电影摄影机 10.4 10.47.57.5mmmm2 235mm35mm电影摄影机电影摄影机 22 2216 16 mmmm2 2135#135#照相机照相机 36 3624 24 mmmm2 2120#120#照相机照相机

39、55 5555 55 mmmm2 2视场角视场角2 21/2英寸英寸CCD 6.44.8mm21/3英寸英寸CCD 4.43.3mm21/4英寸英寸CCD 3.22.4mm2Chapter72011.3无限远物体的理想像高公式: y= -y= -ftgftg 像高像高yy一定，只要焦距确定，则视场角一定，只要焦距确定，则视场角也也就随之确定了就随之确定了. . 物镜的焦距越短，视场角也就越大，短物镜的焦距越短，视场角也就越大，短焦镜头，就是大视场的镜头；长焦距镜焦镜头，就是大视场的镜头；长焦距镜头就是小视场镜头。头就是小视场镜头。 Chapter72011.3f,D/f和2,三个光学特性之间是

40、相互制约的。 名称名称型式型式相对孔径相对孔径视场角视场角2 托卜岗托卜岗 1: 6.31: 6.3 9090 天天 塞塞 1: 3.51: 3.5 5050 松松 纳纳 1: 1.91: 1.9 3030Chapter72011.3名称名称型式型式相对孔径相对孔径视场角视场角2 鲁鲁 沙沙 1: 81: 8 120 双高斯双高斯 1: 2 40 蔡司依康蔡司依康 1: 1.5 30Chapter72011.3相对孔径视场角2相对孔径视场角21: 2.51: 2 60 40 1: 1.4 35 在焦距相近的条件下视场大的相对孔径便小。如果要求在相对孔径不变的条件下增加视场角，或者在视场不变的条

41、件下增大相对孔径，或者两者同时增大，都必须使系统的结构复杂化才可能办到。 fD fDChapter72011.3 如果系统的焦距增加，则它的相对孔径和视场将随之下降。如果系统的焦距增加，则它的相对孔径和视场将随之下降。 双高斯物镜当焦距达到双高斯物镜当焦距达到100100mmmm以上，相对孔径只能达到以上，相对孔径只能达到1/2.51/2.5，视场角只能达到，视场角只能达到3535。另外系统所能达到的光学特性。另外系统所能达到的光学特性和要求的成像质量有密切的关系。和要求的成像质量有密切的关系。 由于照相物镜光学特性的变化范围如此之大，由于照相物镜光学特性的变化范围如此之大，为了满足这些不同的

42、要求，照相物镜的结构型式为了满足这些不同的要求，照相物镜的结构型式种类繁多。种类繁多。 Chapter72011.3变焦距摄影物镜变焦距摄影物镜 变焦距物镜的基本原理变焦距物镜的基本原理: : 利用系统中两个或两个以利用系统中两个或两个以上透镜组的移动，改变系统的组合焦距，而同时保上透镜组的移动，改变系统的组合焦距，而同时保持最后像面不变，使系统在变焦过程中获得连续清持最后像面不变，使系统在变焦过程中获得连续清晰的像。晰的像。 变焦距系统能在拍摄点不变的情况下获得不同比例的变焦距系统能在拍摄点不变的情况下获得不同比例的像，因此它在新闻采访，影片摄制和电视转播等场合，像，因此它在新闻采访，影片摄

43、制和电视转播等场合，使用特别方便。而且在电影和电视拍摄的连续变焦过使用特别方便。而且在电影和电视拍摄的连续变焦过程中，随着物像之间倍率的连续变化，像面景物的大程中，随着物像之间倍率的连续变化，像面景物的大小连续改变，可以使观众产生一种由近及远或由远及小连续改变，可以使观众产生一种由近及远或由远及近的感觉，更是定焦距物镜难以达到的近的感觉，更是定焦距物镜难以达到的Chapter72011.3系统的组合焦距为：系统的组合焦距为： kkkkfuuuuuuuhuhf3213322111Chapter72011.3变焦距物镜的高斯光学变焦距物镜的高斯光学 在满足像面稳定和满足焦距在一定范围内可变的条在满

44、足像面稳定和满足焦距在一定范围内可变的条件下来确定变焦距物镜中各组元的焦距、间隔、移件下来确定变焦距物镜中各组元的焦距、间隔、移动量等参数的问题。高斯光学是变焦距物镜的基础，动量等参数的问题。高斯光学是变焦距物镜的基础，高斯光学参数的求解在变焦距物镜设计中至关重要，高斯光学参数的求解在变焦距物镜设计中至关重要，直接影响最后的成像质量。若要求全部范围内成像直接影响最后的成像质量。若要求全部范围内成像质量都要好，就需要在所有可能解中挑选出尽量少质量都要好，就需要在所有可能解中挑选出尽量少产生高级像差的解。这相当于在系统总长一定的条产生高级像差的解。这相当于在系统总长一定的条件下，挑选各组焦距尽可能

45、长的解，使各组元无论件下，挑选各组焦距尽可能长的解，使各组元无论对轴上还是轴外光线产生尽量小的偏角。对轴上还是轴外光线产生尽量小的偏角。 Chapter72011.3变焦距系统的分类及其特点变焦距系统的分类及其特点 对于变焦距系统来说，由于系统焦距的改变，必然使物像之间对于变焦距系统来说，由于系统焦距的改变，必然使物像之间的倍率发生变化，所以变焦距系统也称为变倍系统。多数变焦的倍率发生变化，所以变焦距系统也称为变倍系统。多数变焦距系统除了要求改变物像之间的倍率之外，还要求保持像面位距系统除了要求改变物像之间的倍率之外，还要求保持像面位置不变，即物像之间的共轭距不变。置不变，即物像之间的共轭距不

46、变。 对一个确定的透镜组来说，当它对固定的物平面做相对移动对一个确定的透镜组来说，当它对固定的物平面做相对移动时，对应的像平面的位置和像的大小都将发生变化。当它和时，对应的像平面的位置和像的大小都将发生变化。当它和另一个固定的透镜组组合在一起时，它们的组合焦距将随之另一个固定的透镜组组合在一起时，它们的组合焦距将随之改变。假定第一个透镜组的焦距为改变。假定第一个透镜组的焦距为 ，第二个透镜组对第一，第二个透镜组对第一透镜组焦面的垂轴放大率为透镜组焦面的垂轴放大率为 ，则它们的组合焦距为，则它们的组合焦距为 f12ff12Chapter72011.3当第二透镜组移动时，当第二透镜组移动时， 将改

47、变，像的大小将改变，将改变，像的大小将改变，像面位置也随之改变，因此系统的组合焦距像面位置也随之改变，因此系统的组合焦距 也将改也将改变。显然，变焦距系统的核心是可移动透镜组倍率的变。显然，变焦距系统的核心是可移动透镜组倍率的改变。改变。2f ff12Chapter72011.3对单个透镜组来说，要它只改变倍率而不改变共轭距是不可能的，但是有两个特殊的共轭面位置能够满足这个要求，即所谓的“物像交换位置” 这种情况下，第二透镜组位置的物距（绝对值）等于第一透镜这种情况下，第二透镜组位置的物距（绝对值）等于第一透镜组位置的像距，而像距（绝对值）恰恰为第一透镜组位置的物组位置的像距，而像距（绝对值）

48、恰恰为第一透镜组位置的物距，前后两个位置之间的共轭距离不变，仿佛把物平面和像平距，前后两个位置之间的共轭距离不变，仿佛把物平面和像平面作了一个交换，因此称为面作了一个交换，因此称为“物像交换位置物像交换位置”。 Chapter72011.3我们把前后两个倍率与之比称为变倍比，用我们把前后两个倍率与之比称为变倍比，用M M表示为表示为 由此可知，在满足物像交换的特殊位置上，物像之由此可知，在满足物像交换的特殊位置上，物像之间的共轭距不变，但倍率改变了间的共轭距不变，但倍率改变了 倍。对于由倍。对于由1 1到到2 2的其它中间位置，随着倍率的改变像的位置也的其它中间位置，随着倍率的改变像的位置也要

49、改变。要改变。 透镜组的倍率由 变到变到 111ll2221111llllM 121212Chapter72011.3当透镜处于当透镜处于 -1 -1位置时，物像间的距离最短。此时的位置时，物像间的距离最短。此时的共轭距为共轭距为Lllfff 1224 ()当倍率等于当倍率等于时，共轭距为时，共轭距为Lllfxfxfffff ( )()( )()() 21Chapter72011.3要使变倍组在整个变倍过程中保持像面位置不变是不可能的，要使变倍组在整个变倍过程中保持像面位置不变是不可能的，要使像面保持不变，必须另外增加一个可移动的透镜组，以补要使像面保持不变，必须另外增加一个可移动的透镜组，以

50、补偿像面位置的移动，偿像面位置的移动，这样的透镜组称为这样的透镜组称为“补偿组补偿组”。在补偿组。在补偿组移动过程中，它主要产生像面位置变化，以补偿变倍组的像面移动过程中，它主要产生像面位置变化，以补偿变倍组的像面位移，而对倍率影响很小，因此补偿组一般处在远离位移，而对倍率影响很小，因此补偿组一般处在远离1 1的位的位置上工作。例如，对正透镜补偿组一般处于如下图所示：置上工作。例如，对正透镜补偿组一般处于如下图所示： Chapter72011.3实际应用的变焦距系统，物像平面是由具体的使用要求来决定实际应用的变焦距系统，物像平面是由具体的使用要求来决定的，一般不可能符合变倍组要求的物像交换原则

51、。为此，必须的，一般不可能符合变倍组要求的物像交换原则。为此，必须首先用一个透镜组把指定的物平面成像到变倍组要求的物平面首先用一个透镜组把指定的物平面成像到变倍组要求的物平面位置上，这样的透镜组称为变焦距系统的位置上，这样的透镜组称为变焦距系统的“前固定组前固定组”。如果。如果变倍组所成的像不符合系统的使用要求，也必须变倍组所成的像不符合系统的使用要求，也必须用另一个透镜用另一个透镜组将它成像到指定的像平面位置，这样的透镜组称为组将它成像到指定的像平面位置，这样的透镜组称为“后固定后固定组组”。大部分实际使用的变焦距系统均由。大部分实际使用的变焦距系统均由前固定组、变倍组、前固定组、变倍组、补

52、偿组和后固定组补偿组和后固定组4 4个透镜组构成，有些系统根据具体情况可个透镜组构成，有些系统根据具体情况可能省去这能省去这4 4个透镜组中的个透镜组中的1 1个或个或2 2个。个。 Chapter72011.37-7 -7 投影仪的作用及其类别投影仪的作用及其类别作用：把一定大小的物体用光源照明后成像到屏幕上作用：把一定大小的物体用光源照明后成像到屏幕上进行观察和测量进行观察和测量种类：电影放映机，幻灯机，投影仪等种类：电影放映机，幻灯机，投影仪等要求：成像清晰；物像相似要求：成像清晰；物像相似 像面有足够的光照度，分布均匀像面有足够的光照度，分布均匀Chapter72011.3二、投影系统

53、的组成二、投影系统的组成1 1、投影物镜：把一定大小的物体成像在屏幕上，使成、投影物镜：把一定大小的物体成像在屏幕上，使成像清晰，物象相似像清晰，物象相似y yy y2 2、照明系统：照明物体，充分利用光源发出的光能、照明系统：照明物体，充分利用光源发出的光能，并使照明均匀。，并使照明均匀。Chapter72011.3三、投影系统的分类三、投影系统的分类第一类：临界照明第一类：临界照明: :光源通过照明系统成像在物平面上，光源通过照明系统成像在物平面上，照亮物体；物体在经投影物镜成像在屏幕上。电影放映机照亮物体；物体在经投影物镜成像在屏幕上。电影放映机照明系统照明系统光源光源投影物镜投影物镜屏

54、幕屏幕A AB BB BAAChapter72011.3反射照明反射照明透射照明透射照明Chapter72011.3第二类：柯勒照明第二类：柯勒照明: :光源通过照明系统成像在投影物镜的入光源通过照明系统成像在投影物镜的入瞳上；物体在经投影物镜成像在屏幕上。幻灯机，放大机瞳上；物体在经投影物镜成像在屏幕上。幻灯机，放大机Chapter72011.3计量用的投影仪，为避免调焦不准，采用物方远心光路计量用的投影仪，为避免调焦不准，采用物方远心光路Chapter72011.37-8 -8 投影仪中的照明系统投影仪中的照明系统一、聚光照明系统的作用和要求一、聚光照明系统的作用和要求提高光源的利用率，使

55、光源发出的光能尽可能多地进入投影物镜提高光源的利用率，使光源发出的光能尽可能多地进入投影物镜充分发挥投影物镜的作用，使照明光束能充满物镜的口径充分发挥投影物镜的作用，使照明光束能充满物镜的口径使投影物平面照明均匀，即物平面上各点地照明光束口径尽可能使投影物平面照明均匀，即物平面上各点地照明光束口径尽可能一致。一致。Chapter72011.3二、照明系统的基本结构型式二、照明系统的基本结构型式偏转角偏转角U-UU-U 20 202020303030305050Chapter72011.3非球面透镜：简化结构，消球差非球面透镜：简化结构，消球差螺纹透镜：消球差螺纹透镜：消球差Chapter720

56、11.37-9 -9 投影物镜投影物镜一、一、投影物镜的作用投影物镜的作用 将被光源照明的投影物体成像在屏幕上将被光源照明的投影物体成像在屏幕上保证成像清晰、物像相似保证成像清晰、物像相似与照明系统合理配合，保证屏幕上有足够的光照度与照明系统合理配合，保证屏幕上有足够的光照度投影物镜的光学特性投影物镜的光学特性视场，相对孔径，放大率，工作距离视场，相对孔径，放大率，工作距离Chapter72011.3( (一一) )、视场、视场 线视场：投影物体的最大尺寸线视场：投影物体的最大尺寸例如：一个例如：一个100100倍的投影物镜，屏幕尺寸为倍的投影物镜，屏幕尺寸为1500mm1500mm，线视，线

57、视场为场为 yyyy 或或mmy151001500max Chapter72011.3( (二二) )、相对孔径、相对孔径 通常，屏幕距投影物镜距离与物镜焦距相比，达数十倍，通常，屏幕距投影物镜距离与物镜焦距相比，达数十倍，因此投影物平面近似为物镜的物方焦平面因此投影物平面近似为物镜的物方焦平面因为因为2sinfDU 12sin fDUsinsinUU 所以所以 UUsinsin 220141 fDE光照度与相对孔径的平方成正比光照度与相对孔径的平方成正比光照度与垂轴放大率的平方成反比光照度与垂轴放大率的平方成反比Chapter72011.3( (三三) )、放大率、放大率 放大率越大，屏幕上

58、的像越大，测量精度越高放大率越大，屏幕上的像越大，测量精度越高有有fl fl 所以，焦距一定时，放大率增大，像距加大，物像之间的距所以，焦距一定时，放大率增大，像距加大，物像之间的距离加大，系统结构尺寸加大。离加大，系统结构尺寸加大。Chapter72011.3( (四四) )、工作距离、工作距离 与屏幕共轭的物平面到投影物镜第一面的距离叫做工作距离与屏幕共轭的物平面到投影物镜第一面的距离叫做工作距离工作距离太小，会影响使用工作距离太小，会影响使用工作距离与物镜放大率，物像之间的共轭距有关工作距离与物镜放大率，物像之间的共轭距有关物镜焦距一定，放大率低，工作距离就长；物镜焦距一定，放大率低，工

59、作距离就长；当放大率一定时，物像之间的共轭距大，工作距离就长当放大率一定时，物像之间的共轭距大，工作距离就长Chapter72011.3二、投影物镜的结构型式二、投影物镜的结构型式投影物镜与照相物镜同属一类光学系统投影物镜与照相物镜同属一类光学系统 视场较小时：校正球差，彗差，轴向色差视场较小时：校正球差，彗差，轴向色差视场较大时：还需校正像散，场曲视场较大时：还需校正像散，场曲例如：长工作距离物镜例如：长工作距离物镜Chapter72011.3例如：大相对孔径物镜例如：大相对孔径物镜用于反射式，物体不透明，光能量很低，相对孔径需很大用于反射式，物体不透明，光能量很低，相对孔径需很大 Chap

60、ter72011.37-107-10 空间深度感觉和双眼立体视觉空间深度感觉和双眼立体视觉一、单眼深度感觉一、单眼深度感觉单眼判断远近的依据：单眼判断远近的依据：1 1、物高已知时，根据视角判断；、物高已知时，根据视角判断；2 2、根据物体之间的遮蔽关系和日光阴影等；、根据物体之间的遮蔽关系和日光阴影等；3 3、根据对物体细节的分辩程度、空气透明度；、根据对物体细节的分辩程度、空气透明度；4 4、根据眼睛的调节程度、根据眼睛的调节程度Chapter72011.3B二、双眼深度感觉二、双眼深度感觉1 1、转动、转动视轴视轴，注视目标时肌肉紧张程度，注视目标时肌肉紧张程度 视轴：眼睛像方节点与黄斑