工程光学郁道银第七章

1、工程光学工程光学第第7章章-1典型光学系统典型光学系统第一节第一节 眼睛及其光学系统眼睛及其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五节第五节 目镜目镜第六节第六节 摄影系统摄影系统第七节第七节 投影系统投影系统第八节第八节 变焦距光学系统变焦距光学系统第九节第九节 光学系统的外型尺寸计算光学系统的外型尺寸计算3n由于成像理论的逐步完善，构成了许多在由于成像理论的逐步完善，构成了许多在科学技术和国民经济中得到广泛应用的光科学技术和国民经济中得到广泛应用的光学系统，例如放大镜、显微镜、望远镜、学系统，例如放大镜、显微镜、望远镜、摄影

2、仪器和投影仪器等。本章主要介绍上摄影仪器和投影仪器等。本章主要介绍上述光学系统的成像特性和设计要求，组成述光学系统的成像特性和设计要求，组成上述光学系统的物镜和目镜的结构型式及上述光学系统的物镜和目镜的结构型式及其主要光学参数等。其主要光学参数等。4已学过：已学过：折射定律折射定律单个折射球面单个折射球面理理想光组想光组平面系统平面系统光束限制光束限制像差像差目的：目的：组成仪器，得到实际应用的光学系统组成仪器，得到实际应用的光学系统根据光学基本理论，将光学元件合理组合，根据光学基本理论，将光学元件合理组合，得到光学仪器。得到光学仪器。由使用要求决定成像要求，根据成像要求设由使用要求决定成像要

3、求，根据成像要求设计光学系统。计光学系统。设计过程就是合理的组合过程。设计过程就是合理的组合过程。7.1 眼睛及其光学系统眼睛及其光学系统一、眼睛的结构一、眼睛的结构1、结构与主要组成：、结构与主要组成： 角膜、前室角膜、前室（水状液）、水晶体（水状液）、水晶体和后室（玻璃体）和后室（玻璃体）、视网膜、瞳孔、视网膜、瞳孔、黄斑、视轴与眼轴。黄斑、视轴与眼轴。 水晶体的水晶体的曲率半径曲率半径： 40mm70mm孔径直径孔径直径变化：变化： 2mm8mm眼轴视轴6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；是眼球的第一层保护膜，白色、不透明、坚硬；*

4、*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；生在角膜上；巩膜巩膜角膜角膜脉络膜脉络膜* *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；是眼球的第二层膜，上面有供给眼睛营养的网状微血管；7人眼的构造剖视图人眼的构造剖视图* *虹膜虹膜是脉络膜的最前端部分，含有色素细胞，决定眼的是脉络膜的最前端部分，含有色素细胞，决定眼的颜色；颜色；巩膜巩膜角膜角膜脉络膜脉络膜虹膜虹膜瞳孔瞳孔* *瞳孔瞳孔是虹膜中间的小孔，随着外界明亮程度的不同，虹是虹膜中间的小孔，随着外界明亮程度的不同，虹膜肌肉能使瞳孔的膜肌肉能使

5、瞳孔的直径在直径在28mm范围内变化范围内变化；它是人眼它是人眼的孔径光阑的孔径光阑。8人眼的构造剖视图人眼的构造剖视图细胞，锥状细胞直径约细胞，锥状细胞直径约5微米，长约微米，长约35微米；微米；杆状细胞直径约杆状细胞直径约2 2微米微米，长约，长约60微米。它们在网膜上的分布式不均匀的。在微米。它们在网膜上的分布式不均匀的。在黄斑中心凹黄斑中心凹处处*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，即锥状细胞和杆状是锥状细胞的密集区而没有杆状细胞是锥状细胞的密集区而没有杆状细胞，由中心向外，逐渐相对变化；由中心向外，逐渐相对变化；巩膜巩膜

6、角膜角膜脉络膜脉络膜虹膜虹膜瞳孔瞳孔网膜网膜黄斑中心凹黄斑中心凹9人眼的构造剖视图巩膜巩膜角膜角膜 光光脉络膜脉络膜 盲斑盲斑是网膜上没有感光元素的地方，不能引起光刺激。是网膜上没有感光元素的地方，不能引起光刺激。虹膜虹膜瞳孔瞳孔网膜网膜黄斑中心凹是人眼视觉最灵敏的地方。黄斑中心凹是人眼视觉最灵敏的地方。视神经细胞视神经细胞晶状体晶状体在虹膜后面，是由两个不同曲率的面组成的透明体，在虹膜后面，是由两个不同曲率的面组成的透明体， 黄斑中心凹黄斑中心凹神经纤维神经纤维盲斑盲斑大脑大脑盲斑盲斑晶状体晶状体10人眼的构造剖视图人眼的构造剖视图巩膜巩膜角膜角膜率都是不均匀的，由里层到外层逐渐减少，有利于

7、提高率都是不均匀的，由里层到外层逐渐减少，有利于提高脉络膜脉络膜 成像质量。晶状体的平均折射率为成像质量。晶状体的平均折射率为1.40，其周围是毛状肌，其周围是毛状肌虹膜虹膜瞳孔瞳孔网膜网膜似双凸透镜，是眼睛光学系统的成像元件，其密度和折射似双凸透镜，是眼睛光学系统的成像元件，其密度和折射 能改变晶状体的表面曲率，使人眼在看远近不同的物体时，能改变晶状体的表面曲率，使人眼在看远近不同的物体时，黄斑中心凹黄斑中心凹 盲斑盲斑晶状体晶状体11人眼的构造剖视图人眼的构造剖视图巩膜巩膜角膜角膜角膜和晶状体之间的空间称为前室；充满角膜和晶状体之间的空间称为前室；充满1.336的水状液；的水状液；脉络膜脉

8、络膜 晶状体和网膜所包围的空间称为后室晶状体和网膜所包围的空间称为后室;充满充满1.336的玻状体的玻状体虹膜虹膜瞳孔瞳孔网膜网膜总能将像成在网膜上。总能将像成在网膜上。 黄斑中心凹黄斑中心凹 盲斑盲斑晶状体晶状体前室前室后室后室12人眼的构造剖视图人眼的构造剖视图巩膜巩膜角膜角膜 脉络膜脉络膜眼睛的像方节点与中心凹的连线为眼睛的眼睛的像方节点与中心凹的连线为眼睛的视轴视轴, 在观察物在观察物虹膜虹膜瞳孔瞳孔网膜网膜 体时眼睛本能地把物体瞄准在这根轴上。体时眼睛本能地把物体瞄准在这根轴上。 黄斑中心凹黄斑中心凹 盲斑盲斑晶状体晶状体前室前室后室后室1.3761.3361.336光轴光轴视轴视轴

9、13 眼睛的视场很大，可达眼睛的视场很大，可达150150，但只有，但只有黄斑附近黄斑附近 才能清晰识别，其他部分比较模糊，才能清晰识别，其他部分比较模糊， 所以能看所以能看清物体的角度范围为清物体的角度范围为6 6 8 8。 从光学角度看，眼睛中最主要的是：从光学角度看，眼睛中最主要的是：水晶体、视水晶体、视网膜和瞳孔。网膜和瞳孔。 人眼人眼 水晶体水晶体 视网膜视网膜 瞳孔瞳孔 眼睛眼睛和和照相机照相机很相似，如果对应起来看：很相似，如果对应起来看： 照相机照相机 镜头镜头 底片底片 光阑光阑142、眼睛的成像：、眼睛的成像： 人眼是一个类似的摄影系统，角膜相当于一个凸凹镜，前室亦人眼是一

10、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。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等眼睛的物方和像方焦距不相等: f = -17.1mm f =22.8mm 眼睛的调焦范围眼睛的调焦范围: -f =14.217.1mm f =18.922.8mm 瞳孔起着孔径光阑的作用，自动调节进入人眼的光能，它有一瞳孔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，定范围，( 2

11、8mm)若外界光很强，即使若外界光很强，即使=2mm时仍然使人无法适时仍然使人无法适应，就很容易使视网膜造成伤害。应，就很容易使视网膜造成伤害。 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=1.3333 折射面半径：折射面半径：r1=5.77mm 物方焦距：物方焦距：f-17mm 像方焦距：像方焦距：f 23mm 光焦度：光焦度：D=58.48(1/m) 网膜半径：网膜半径：r2=9.7mm二、眼睛的调节及校正二、眼睛的调节及校正1、眼睛的调节：、眼睛的调节：眼睛成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。 f 的变化范围的变化范

12、围: 18mm23mm2、眼睛的调节能力：、眼睛的调节能力：眼睛的调节能力表示为能清晰调焦的极限距离范围。眼睛的调节能力表示为能清晰调焦的极限距离范围。 该调节能力的数学描述如下：该调节能力的数学描述如下： 设人眼能调节清晰成像的极限距离分别为：设人眼能调节清晰成像的极限距离分别为： l r远点距离远点距离, 远点远点 发散度（或会聚度）发散度（或会聚度）; l p近点距离，近点距离，近点近点 发散度（或会聚度）；发散度（或会聚度）； 单位为（单位为（D）屈光度）屈光度 （屈光度（屈光度1D=1m-1） 眼睛的调节能力用眼睛的调节能力用rlR1plP1prllPRA11a.影响因素影响因素：调

13、节能力随年龄增大而减少调节能力随年龄增大而减少b.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，为了工作在阅读时，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舒适，习惯上把物或像置于眼前250mm处，称作处，称作明视距离明视距离。3、非正常眼及其校正：、非正常眼及其校正：正常眼和反常眼：正常眼和反常眼：正常眼：眼睛的远点在无限远，眼睛光学系统的正常眼：眼睛的远点在无限远，眼睛光学系统的后焦点在视网膜上。后焦点在视网膜上。反常眼：眼睛光学系统的后焦点不在视网膜上。反常眼：眼睛光学系统的后焦点不在视网膜上。近视眼和远视眼：近视眼和远视眼：近视眼：远点位于

14、眼前有限距离。近视眼：远点位于眼前有限距离。年龄1020304050607080l p (cm)-7-10-14-22-40-20010040l r (cm)2008040A(D)141074.52.510.250远视眼：远点位于眼后有限距离远视眼：远点位于眼后有限距离校正方法校正方法; 视度：视度： 远点距离远点距离l r(单位为单位为m)的倒数的倒数表示近视眼或远视眼的程度，称为表示近视眼或远视眼的程度，称为视度，单位为屈光度，通常医院和视度，单位为屈光度，通常医院和眼镜店把一屈光度称作眼镜店把一屈光度称作100度。度。三、眼睛的辐射接收作用三、眼睛的辐射接收作用视网膜：由锥状细胞和杆状细

15、胞组视网膜：由锥状细胞和杆状细胞组成，两种细胞各有不同的任务；成，两种细胞各有不同的任务；杆状细胞：对光刺激极敏感，但完杆状细胞：对光刺激极敏感，但完全不感色；（引起视觉）全不感色；（引起视觉）锥状细胞：感光能力差，但它们能锥状细胞：感光能力差，但它们能对各色光有不同的感受。（分辨颜色）对各色光有不同的感受。（分辨颜色）适应：眼睛对周围空间光亮情况的自动适应程度。适应：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：由暗处进入亮处，瞳孔自动缩小；由亮处进入暗处，瞳孔自明适应和暗适应：由暗处进入亮处，瞳孔自动缩小；由亮处进入暗处，瞳孔自动放大。动放大。fff=Lr四、眼睛的分辨率四、眼睛的

16、分辨率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。辨能力，或视觉敏锐度。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、视角鉴别率视角鉴别率： 当两像点落在同一视觉细胞上时，人眼无法分辨，但当两当两像点落在同一视觉细胞上时，人眼无法分辨，但当两像点距离大于等于像点距离大于等于细胞直径细胞直径D时，两像点可能落在相邻细胞上，时，两像点可能落在相邻细胞上，则眼睛就可分辨。则眼睛就可分辨。 Dmin=0.006mm ，当，当 时，时， 视角鉴别率视角鉴别率minDD min 602062

17、6523006.0tg五、眼睛的对准精度五、眼睛的对准精度 眼睛虽具有发现一个平面上两根平行直线的不眼睛虽具有发现一个平面上两根平行直线的不重合能力，但也有一定的限度重合能力，但也有一定的限度 这个不重合限度的极限值这个不重合限度的极限值称为称为人眼的对准精度人眼的对准精度。 六、眼睛的景深六、眼睛的景深 设设Dp为人眼的直径，为人眼的直径，为节点处的人眼分辨角为节点处的人眼分辨角 由图可知：由图可知：ab = - p abA2A2cd pDpDpppppDppp222 ; cd由由A1abA1cd远景深远景深 近景深近景深 若眼睛调节在无限远，若眼睛调节在无限远，P，远、近景深距离为，远、近

18、景深距离为P1+DP/P2DP/ pDpDppppDppp1p ; 11 pDpppp211 pDpppp222 七七. 双目立体视觉双目立体视觉对物体位置在空间分布以及对物体对物体位置在空间分布以及对物体体积的感觉体积的感觉立体视觉。立体视觉。1. 单眼观察单眼观察2双眼观察双眼观察双像双像单一像单一像物在两眼视网膜上的像必须位于视物在两眼视网膜上的像必须位于视网膜的对应点，即相对于黄斑中心网膜的对应点，即相对于黄斑中心的同一侧时，才有单像的印象的同一侧时，才有单像的印象23n物体对眼睛的视角，物体对眼睛的视角，不仅取决于物体的大小不仅取决于物体的大小，还取决，还取决于该于该物体到眼睛的距离

19、物体到眼睛的距离，距离越近视角越大，距离越近视角越大 在近处观察细小物体其在近处观察细小物体其视角视角小于小于人眼极限分辨角人眼极限分辨角 就需要借助放大镜或显微镜将其放大，使就需要借助放大镜或显微镜将其放大，使像的视角像的视角大大于人眼的极限分辨角于人眼的极限分辨角 扩大视角是目视光学仪器的扩大视角是目视光学仪器的第一个要求第一个要求 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处，即要求仪器出射平行光束 对目视光学仪器的对目视光学仪器的第二个要求。第二个要求。第二节第二节 放大镜放大镜 tgtgtgltglyyeeei 250yLytg 人眼直接观察时：人眼直接观察时：lPyflflPytg 通过放大镜观察时：通过放大镜观察时：-L- -yAByey yy y-lfPF 一、视觉放大率一、视觉放大率 - -yyi 通过通过