目视光学系统培训课程

第六章目视光学系统目视光学系统眼睛特征放大镜显微镜系统望远镜系统目视光学系统培训课程第1页6.1、眼睛结构及其特征

人眼——相机水晶体——镜头:f=-17mmf′=23mm(在调焦范围内，-f=14.2~17.1mm,f¹=18.9~22.8mm)视网膜——底片瞳孔——光阑：2~8mm

一、人眼结构相当于自动调焦透镜系统目视光学系统培训课程第2页二、眼睛调整眼睛调整：眼睛对不一样距离物体自动调焦过程。

视度：与网膜共轭物面到眼睛距离倒数，SD＝1/l

（单位：屈光度，其中l以米为单位）远（近）点：眼睛自动调焦所可能看清最远（近）点，远（近）点距离：远（近）点到眼物方主点距离。正常眼：眼睛远点在无限远，近点很近，水晶体像方焦点与视网膜重合。明视距离：正常眼最方便和最习惯工作距离，它等于-250mm。人眼最大调整范围：近点和远点所对应视度之差（SD近-SD远）。范围随年纪改变如表6－1：问：老花眼和远视是一回事吗？目视光学系统培训课程第3页三、眼睛分辨率眼睛分辨率：眼睛刚能分辨两物点在网膜上成两像点之间距离。人眼生理结构决定这个距离最少要大于两个神经细胞直径。目视光学系统培训课程第4页视神经细胞直径约0.003mm普通取人眼分辨率0.006mm视角分辨率：眼睛刚能分辨两物点对眼睛张角ωmin。在眼睛没有调整松弛状态下，f≈－16.68mm，可得ωmin≈60″：由可得提升人眼分辨率方法：目视光学系统培训课程第5页

6.2放大镜

一、工作原理物体对人眼张角称为视角。人眼要看清物体，必须是物体对人眼视角大于人眼分辨率。目视光学系统培训课程第6页二、视（角）放大率Γ

目视光学仪器是帮助人眼扩大视角功效，它作用大小用视（角）放大率来描述。

视网膜上像大小和视角正切成正比，所以，把同一目标用仪器观察视角ω仪(ω′)和人眼直接观察视角

ω眼

(ω)二者正切之比称为目视光学仪器“视角放大率”。要使光学仪器有扩大视角功效，则Γ大于1目视光学系统培训课程第7页一、放大镜视角放大率注：目视光学仪器目镜工作原理和视角放大率计算与放大镜完全相同。目视光学系统培训课程第8页二、放大镜光束限制和视场

注：放大镜视场与视角放大率、放大镜口径、观察距离相关。眼瞳为孔阑，放大镜为渐晕光阑，渐晕系数为1,0.5,0时，像方视场角分别为：当物面放在放大镜前焦面时，像面无限远，k＝0.5时线视场目视光学系统培训课程第9页6.3显微系统主要内容：1、显微镜成像原理及视角放大率；2、孔径光阑与出瞳直径；3、分辨率与有效放大率；目视光学系统培训课程第10页放大镜不能满足对更细小物体观察，考虑能够先用一组透镜把物体放大成像到放大镜前焦面上，再经过放大镜观察；这么经过两级放大形成光学系统称为显微镜系统；靠近物体，把物体尺寸放大透镜叫做显微物镜靠近眼睛，用来扩大视角放大镜叫做显微目镜。一、显微镜成像原理及视角放大率

目视光学系统培训课程第11页光学筒长△：F′物到F目之间距离。人眼直接观察物视角经过显微镜观察视角目视光学系统培训课程第12页故显微镜能够看成一个组合放大镜当ω和ω′符号相反，观察到倒立像可得目视光学系统培训课程第13页习题1：用两个焦距都是50mm正透镜组成一个－10倍显微镜，问物镜、目镜倍率及物镜和目镜之间间隔？解：由公式其中代入上式可得目视光学系统培训课程第14页1、衍射分辨率P123二、显微镜分辨率和有效放大率（像点中央亮斑直径）试验证实，两像点能分辨最短距离等于中央亮斑直径：为光波长，为像方折射率，为光束最大像方孔径角

因为衍射像有一定大小，假如两个像点距离太小，就无法分辨，把两个衍射像间所能分辨最小间隔称为衍射分辨率。目视光学系统培训课程第15页2、显微镜分辨率:用物面上可分辨最短距离σ表示1）两个发光点分辨率：其中，称为数值孔径两像点能分辨最短距离：目视光学系统培训课程第16页2）不发光物体分辨率：垂直照明：倾斜照明：NA，λ时，σ，分辨率提升显微镜分辨率路径：1）增大数值孔径NA，即增大孔径角或物方折射率n，（采取浸液物镜）2）缩短工作波长λ；（采取紫光光源）显微镜分辨率表征了显微镜能分辨近距物体细微结构能力显微镜分辨率主要取决于NA，与目镜无关，目镜放大率再大也无法把物镜不能分辨细节看清。目视光学系统培训课程第17页3、有效放大率（要使显微镜分辨细节能被人眼所分辨）便于眼睛分辨角距离为

该角距离在眼睛明视距离250mm处所对应线距离σ眼，可表示为：

把σ眼看成显微镜分辨率σ经显微镜所成像。则有设所用照明平均波长为0.000555mm，有近似为：，取目视光学系统培训课程第18页结论：1.显微镜能分辨而眼睛不能分辨（当使用比500NA更小放大率时，不能看清物镜已分辨出一些细节——受制于人眼分辨率）——放大不足；2.显微镜不能分辨，造成眼睛不能分辨（若用比1000NA更高放大率，也不可能再提升显微镜分辨率，即并不能使被观察物体细节更清楚——受制于光学系统衍射分辨率）——无效放大。

目视光学系统培训课程第19页习题2（T6）：一个显微镜物镜垂轴放大率为-3，数值孔径为0.1，共轭距L（物镜物像间距）为180毫米，物镜框为孔阑，目镜焦距为25毫米，求：⑴、显微镜视角放大率；⑵、出瞳距离（镜目距）；⑶、斜入射光照明，波长为0.55微米，求其分辨率；⑷、物镜通光孔径；⑸、出瞳直径；

⑹、设物高2y＝6mm，K=50％，求目镜通光口径。目视光学系统培训课程第20页6.4望远镜系统

主要内容：1、工作原理；2、视放大率；3、分辨率及工作放大率；4、透镜转象系统；目视光学系统培训课程第21页一、工作原理目视光学仪器两个要求扩大视角出射平行光显微镜是快要物成像于无限远，望远镜使无限远物体成像在无限远，所以望远镜是一个无焦系统因为是无焦系统，物镜像方焦点和目镜物方焦点重合，光学筒长

＝0目视光学系统培训课程第22页望远镜有两种基本型式：伽利略望远镜、开普勒望远镜。开普勒望远系统，物镜和目镜都是正透镜，中间有实像面，可在实像处加分划板测量。目视光学系统培训课程第23页问：伽利略望远镜能否放置分划板？答：因为伽利略望远镜没有中间实像，不能安装分划板。也不能用来瞄准和定位。伽利略望远镜物镜是一块正透镜，目镜是一块负透镜。目视光学系统培训课程第24页二、视放大率因为物体在无限远，同一目标对人眼张角和对仪器张角（即望远镜物方视场角）完全能够认为是相等，同为

，经过望远镜之后，物体像对人眼张角就是系统像方视场角

1、D为望远镜入瞳直径；D‘

为望远镜出瞳直径；2、望远镜视觉放大率取决于望远系统结构（焦距）。

问：望远镜物镜能否用负透镜？目视光学系统培训课程第25页望远镜系统特点：P1481.Γ可正可负，Γ>0,ω、ω´同号，物像方向相同（伽利略望远镜）

Γ<0,ω、ω´异号，物像方向相反（开普勒望远镜）2.目镜焦距不能太小，所以要提升放大率，必须加长物镜焦距；3.出瞳与人眼眼瞳直径相匹配，为了得到高倍率，要加大物镜口径。

目视光学系统培训课程第26页三、分辨率及工作放大率1、望远镜分辨率：以刚能分辨两发光点对望远镜张角φ表示。取λ＝0.000555mm,则问题：为何天文望远镜物镜口径普通做得很大？分辨率只与入瞳口径（物镜口径）相关，入瞳越大，φ越小，分辨率越高目视光学系统培训课程第27页若设人眼分辨率为60″，则

3、工作放大率：是正常放大率2~3倍。

2、有效放大率：满足人眼分辨率要求最小视角放大率。目视光学系统培训课程第28页四、透镜转像系统（开普勒望远镜成倒像，要取得正像，中间要加倒像系统）转像系统垂直放大率普通在－1/2—-3之间，1）位置：在物镜像方焦面和目镜物方焦面之间加入一垂轴放大率为负透镜组。

2）加入倒像系统后视角放大率

选取最多，实现倒像。

目视光学系统培训课程第29页3）倒像系统放置及垂轴放大率通常采取两个完全相同透镜组成倒像系统。F1F2′y-y′ω′ω普通由两个透镜组组成，并使第一个透镜组物方焦面和物镜像方焦面重合；第二个透镜组像方焦面与目镜物方焦面重合。目视光学系统培训课程第30页4）倒像系统斜光束渐晕当斜光束对称轴线——主光线和光轴交点在两透镜中间时，斜光束宽度最大。F1F2′y-y′ω′ω目视光学系统培训课程第31页6.4视度调整一、眼睛缺点及校正正常眼：远点在无限远，水晶体像方焦点F′在视网膜上。近视眼：F′在视网膜前，戴负透镜校正。远视眼：F′在视网膜后，戴正透镜校正。远点倒数表示近视或远视程度，称视度。1D＝100度。校正镜片焦距比如：近视200度，表示SD=-2，远点距离

镜片焦距：眼镜片像方焦点恰好和非正常眼远点重合。目视光学系统培训课程第32页

二、仪器视度调整以开普勒望远镜为例：对近视眼：目镜应向物镜方移动，物镜像点落在目镜物方焦点之内，经目镜后形成一视度为负虚像。若此虚像位于