几何光学第十二讲.ppt

第七章第七章 典型光学系统典型光学系统概述典型光学系典型光学系统：成象系成象系统与非成象系与非成象系统：目目视仪器器后系后系统：非成像光学系统我们把不以成像为目的的光学系统统称为非成像光学系统。照明系统、光束的整形与变换系统都属于非成像光学系统的范畴。相比于传统的成像光学而言，非成像光学所关心的不是能否在目标平面上成像以及成像质量如何，而是关注光源的能量利用率以及能量分布情况。照明系统：普通照明系统、显微照明系统、LED照明系统光束的整形与变换系统：分光、准直、扩束、扫描、会聚、整形成像光学系统与非成像光学系统成像光学系统传递了物点的位置信息和光强度信息,而非成像光学系统则是对能量进行了重新分配和组合。光学光学设计基本步基本步骤 球差曲线 像散、场曲、畸变曲线 常用评价函数 点列图 调制传递函数MTF曲线 一一、光光学学系系统图 一一、光光学学系系统图 一一、光光学学系系统图 1、激光光学系统2、付里叶光学系统3、扫描光学系统4、光纤光学系统5、光电光学系统现代光学系统现代光学系统激光光学系激光光学系统:高斯光束傅里叶（傅里叶（Fourier）变换光学系光学系统：4f相干光学信息相干光学信息处理系理系统扫描光学系描光学系统：激光显示、存储器、激光打印机、激光扫描、激光雷达和高速摄影系统阶跃型光型光纤光学系光学系统：梯度折射率光梯度折射率光纤光学系光学系统4f系统激光平面干涉仪光光电光学系光学系统现代光代光电系系统无一不把光学、精密机械、光无一不把光学、精密机械、光电转换、电子子和和计算机技算机技术结合起来，合起来，实现其系其系统的数字化、的数字化、图像化、像化、智能化和自智能化和自动化。化。为达到上述目的，除达到上述目的，除设计各种不同用途各种不同用途的光的光电光学系光学系统外，光外，光电能量能量转换或光或光电图像像转换、数据、数据信号采集与信号采集与处理、模数理、模数转换和和计算机算机处理与分析等都是理与分析等都是实现上述目的所不可缺少的重要上述目的所不可缺少的重要环节。光光电光学系光学系统红外夜视光学系统红外雷达、光电报警、激光制导、光电检测光电检测系统原理框图相关技术：激光原理（光源、激光器）;应用光学（照明、成像）图象传感器（固体：CCD）;测控仪器电路数字信号处理;微机接口（D/A、A/D）自动控制、反馈;机械传动光光电检测系系统的光学系的光学系统-1 人眼及其光学系统人眼及其光学系统一、眼睛的结构一、眼睛的结构成像光学系统成像光学系统1）水晶体变折射率校正球差2）视网膜表面为匹兹伐曲面校正匹兹伐场曲3）盲点神经纤维的出口，由于没有感光细胞而不能产生视觉4）倒立的实像与感觉神经分布有关正像视觉5）类似的摄影系统6）虹膜控制眼瞳大小（瞳孔）孔径光阑人眼的构造剖视图人眼的构造剖视图巩膜巩膜*巩膜是眼球的第一层保护膜，白色、不透明、坚硬；巩膜是眼球的第一层保护膜，白色、不透明、坚硬；角膜角膜*角膜是巩膜的最前端部分，无色而透明；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生在角膜上；眼睛内的折射主要发生在角膜上；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；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；人眼的构造剖视图巩膜巩膜角膜角膜脉络膜脉络膜虹膜虹膜*虹膜是脉络膜的最前端部分，含有色素细胞，决定眼的颜色；虹膜是脉络膜的最前端部分，含有色素细胞，决定眼的颜色；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，虹瞳孔是虹膜中间的小孔，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瞳孔的直径在直径在28mm28mm范围内变化范围内变化；它是人眼的孔径光阑孔径光阑。人眼的构造剖视图巩膜巩膜角膜角膜细胞，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微米微米脉络膜脉络膜，长约，长约60微米。它们在网膜上的分布式不均匀的。微米。它们在网膜上的分布式不均匀的。虹膜虹膜瞳孔瞳孔视网膜视网膜*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，即锥状细胞和杆状黄斑中心凹黄斑中心凹人眼的构造剖视图巩膜巩膜角膜角膜 光脉络膜脉络膜 盲斑是网膜上没有感光元素的地方，不能引起光刺激。虹膜虹膜瞳孔瞳孔黄斑中心凹是人眼视觉最灵敏的地方。视神经细胞晶状体在虹膜后面，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盲斑大脑盲斑盲斑视网膜视网膜水晶体水晶体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，有利于提高脉络膜脉络膜 成像质量。水晶体的平均折射率为1.40，其周围是毛状肌虹膜虹膜瞳孔瞳孔似双凸透镜，是眼睛光学系统的成像元件，其密度和折射 能改变水晶体的表面曲率，使人眼在看远近不同的物体时，黄斑中心凹黄斑中心凹 盲斑盲斑水晶体水晶体视网膜视网膜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1.336的水状液；脉络膜脉络膜 晶状体和网膜所包围的空间称为后室;充满1.336的玻状体虹膜虹膜瞳孔瞳孔总能将像成在网膜上。黄斑中心凹黄斑中心凹 盲斑盲斑前室前室后室后室视网膜视网膜水晶体水晶体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视轴,在观察物虹膜虹膜瞳孔瞳孔 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 盲斑盲斑前室前室后室后室1.3761.3361.336光轴光轴视轴视轴视网膜视网膜水晶体水晶体 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才能清晰识别，其他部分比较模糊，识别，其他部分比较模糊，所以能看清物体的角度范围为所以能看清物体的角度范围为6 86 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、视网膜和瞳孔。水晶体、视网膜和瞳孔。正立的人在底片上成倒像，人眼也是成倒像正立的人在底片上成倒像，人眼也是成倒像,但我们感觉为什么还是正立的？但我们感觉为什么还是正立的？人眼本身相当于摄影光学系统人眼本身相当于摄影光学系统静静态简约眼眼人眼的光学参数人眼的光学参数介质折射率：n=1.3333 折射面半径：r1=5.77mm 物方焦距：f-17mm 像方焦距：f 23mm 光焦度：D=58.48(1/m)网膜半径：r2=9.7mm 眼睛的物方和像方焦距不相等人眼的成像特点人眼的成像特点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。眼睛的物方和像方焦距不相等。f=-17.1mm ,f=22.8mm在调焦范围内，-f=14.217.1mm ，f=18.922.8mm二、眼睛的调节及校正二、眼睛的调节及校正 1 1眼睛的调节眼睛的调节 眼睛自动改变焦距的过程眼睛自动改变焦距的过程称为称为眼睛的调节眼睛的调节。眼睛的眼睛的调节能力表示能力表示为能清晰能清晰调焦的极限距离范焦的极限距离范围；f的的变化范化范围是是18mm23mm 当肌肉完全放松时（通过调节），眼睛所能当肌肉完全放松时（通过调节），眼睛所能看清的看清的最远的点最远的点称为称为远点远点，其相应的距离称，其相应的距离称为为远点距远点距，以，以 r 表示（米）表示（米）当肌肉在最紧张时（通过调节），眼睛所能看清当肌肉在最紧张时（通过调节），眼睛所能看清的的最近的最近的点称为点称为近点近点，其相应的距离称为，其相应的距离称为近点距近点距，以，以 p 表示（米）表示（米）正常眼睛的远点距为无限远正常眼睛的远点距为无限远，非正常眼睛（远视或近视，非正常眼睛（远视或近视）的远点距为一有限值。）的远点距为一有限值。注注:近点距离近点距离并不是并不是明视距离明视距离 250mm明视距离明视距离-清晰成像的极限距离：在阅读时，或眼睛通过目视光学仪器观在阅读时，或眼睛通过目视光学仪器观测物像时，为了工作舒适，习惯上把物测物像时，为了工作舒适，习惯上把物或像置于眼前或像置于眼前250mm250mm处，称作明视距处，称作明视距离。离。人眼的人眼的调节能力调节能力是用远点距是用远点距r的倒数和近点距的倒数和近点距p的倒数之差的倒数之差来描述，用来描述，用A来表示，即来表示，即单位为折光度单位为折光度（或称屈光度）（或称屈光度）1/r1/r远点视度远点视度1/p近点视度2、眼睛的缺陷和矫正、眼睛的缺陷和矫正F正常眼正常眼在肌肉完全放松的自然状态下，在肌肉完全放松的自然状态下，能够看清楚无限远处的物体，即远点应能够看清楚无限远处的物体，即远点应在无限远（在无限远（R=0），），像方焦点正好和视网膜重合像方焦点正好和视网膜重合 FF 若不符合这一条件就是若不符合这一条件就是非正常眼非正常眼，或称，或称视力不正常视力不正常 F 最常见的有近视眼和远视眼最常见的有近视眼和远视眼F 所谓所谓近视眼近视眼就是其远点在眼睛前方就是其远点在眼睛前方有限有限距离处（距离处（r 0），），这是由于眼球偏短，像方这是由于眼球偏短，像方焦点位于视网膜的之后所焦点位于视网膜的之后所致。因此，射入眼睛的光致。因此，射入眼睛的光束只有是会聚时，才能正束只有是会聚时，才能正好聚焦在视网膜上。好聚焦在视网膜上。对应着正视度，需以对应着正视度，需以正透镜正透镜来使其远点恢复到无限远。来使其远点恢复到无限远。远视眼：远点位于眼后有限距远视眼：远点位于眼后有限距离，眼球扁平，焦点在视网膜离，眼球扁平，焦点在视网膜后后正透镜正透镜校正方法视度：视度：远点距离点距离lr（单位位为m）的倒数表示近）的倒数表示近视眼或眼或远视眼的程度眼的程度，称，称为视度，度，单位位为折光度（或屈光度）。通常医院和眼折光度（或屈光度）。通常医院和眼镜店把一折光度称作店把一折光度称作100度。度。近视眼或远视眼的远点视度可通过仪器来测得，近视眼或远视眼的远点视度可通过仪器来测得，知道此值后即可求得所需眼镜的焦距。知道此值后即可求得所需眼镜的焦距。例如：有一近视眼，通过验光得知其远点视度为例如：有一近视眼，通过验光得知其远点视度为-2个屈光度（眼镜行业称近视个屈光度（眼镜行业称近视200度）度）则其远点距则其远点距r=-0.5 m，需配需配焦距为焦距为-500mm的近视眼镜。的近视眼镜。缺陷：缺陷：近近视眼和眼和远视眼（先天、后天）眼（先天、后天）斜斜视（光楔）（光楔）散光（水晶体曲率半径不等，柱面散光（水晶体曲率半径不等，柱面镜，），）老花眼属自然生理老花眼属自然生理现象，不是缺陷象，不是缺陷3、目视光学仪器视度调节、目视光学仪器视度调节人眼的视觉缺陷可以在眼前加以透镜可以人眼的视觉缺陷可以在眼前加以透镜可以矫正矫正目视光学仪器要适应不同视力的人使用目视光学仪器要适应不同视力的人使用为此，目镜可以改变其前后的位置，使仪为此，目镜可以改变其前后的位置，使仪器所成的像不再位于无限远，而位于目镜器所成的像不再位于无限远，而位于目镜的前方或后方一定的位置的前方或后方一定的位置这就是目视光学仪器的视度调节这就是目视光学仪器的视度调节物镜物镜目镜目镜正常眼正常眼近视眼近视眼远视眼远视眼F眼眼F眼眼F眼眼四眼睛的辐射接收器（适应特性）四眼睛的辐射接收器（适应特性）人眼还能在不同亮暗程度的条件下工作。人眼还能在不同亮暗程度的条件下工作。这就是人眼的另一个特性这就是人眼的另一个特性，具有对周围空间光亮情况适应具有对周围空间光亮情况适应的过程的过程 称为称为适应适应适应是一种当周围照明条件发生变化是眼睛所产生的变适应是一种当周围照明条件发生变化是眼睛所产生的变态过程，可分为态过程，可分为对暗适应对暗适应和和对光适应对光适应两种，两种，前者发生在前者发生在光亮处到黑暗处的时候，光亮处到黑暗处的时候，后者发生在自黑暗处到光亮处后者发生在自黑暗处到光亮处的时候。的时候。人眼的适人眼的适应适适应：眼睛：眼睛对周周围空空间光亮情况的自光亮情况的自动适适应程度。程度。明适明适应：由暗：由暗处进入亮入亮处，瞳孔自，瞳孔自动缩小；小；快快暗适暗适应：由亮：由亮处进入暗入暗处，瞳孔自，瞳孔自动放大。放大。慢慢1012：11012：101212121012：10辐射接收器射接收器视网膜网膜视网膜：网膜：由由锥状状细胞和杆状胞和杆状细胞胞组成，两种成，两种细胞各有不同胞各有不同的任的任务；杆状杆状细胞胞：对光刺激极敏感，但完全不感色；光刺激极敏感，但完全不感色；明明视觉、弱照明、弱照明锥状状细胞：胞：感光能力差，但它感光能力差，但它们能能对各色光有不同的感受。各色光有不同的感受。暗（色）视觉、亮照明锥状细胞锥状细胞:色视觉色视觉杆状细胞杆状细胞:光视觉光视觉五、眼睛的分辨率（分辨本领）五、眼睛的分辨率（分辨本领）眼的分辨能力：眼能眼的分辨能力：眼能够分辨最靠近两相分辨最靠近两相邻点的能力称点的能力称为眼的眼的分辨能力，或分辨能力，或视觉敏敏锐度。度。指的是成像在中央凹区时的分辨指的是成像在中央凹区时的分辨能力。能力。?人眼的分辨率一般用人眼的分辨率一般用极限分辨角极限分辨角来表示。来表示。人眼的分辨率是眼睛的重要光学特性，同时也是目视光学仪人眼的分辨率是眼睛的重要光学特性，同时也是目视光学仪器设计的重要依据之一。器设计的重要依据之一。用其它观测设备（如照相机、用其它观测设备（如照相机、CCD等）替代人眼时也可据等）替代人眼时也可据此作为参考。此作为参考。?人眼刚能将两点分开的视角人眼刚能将两点分开的视角称为眼睛的极限分辨角称为眼睛的极限分辨角?人眼分辨率人眼分辨率与与极限分辨角极限分辨角成反比成反比关系关系?眼睛在看物空间两点时，这两点对眼睛眼睛在看物空间两点时，这两点对眼睛物方节点物方节点的的张角成为两点间的张角成为两点间的角距离角距离或称为或称为视角视角从人眼的视网膜结构上来分析：从人眼的视网膜结构上来分析：如果这两点的像分别落在被分如果这两点的像分别落在被分隔开的两个视网膜细胞上，即隔开的两个视网膜细胞上，即得到得到两个点的视觉两个点的视觉由此可见，眼睛的分辨率与视网膜由此可见，眼睛的分辨率与视网膜上两像点上两像点距离距离及视觉细胞的及视觉细胞的直径直径大大小有关小有关 当两像点的间距大于（或等于）视觉细胞当两像点的间距大于（或等于）视觉细胞的直径时，就认为眼睛可以分辨。的直径时，就认为眼睛可以分辨。人眼的极限分辨角人眼的极限分辨角可表示为可表示为 （rad）眼睛的分辨率（分辨本领）眼睛的分辨率（分辨本领）眼能眼能够分辨两个像点分辨两个像点间的最小距离的最小距离=两两视觉神神经细胞的胞的直径（瑞利判据）直径（瑞利判据）在眼睛没有在眼睛没有调节的松弛状的松弛状态下，下，f 23mm，可得最小分辨角，可得最小分辨角60（视角角鉴别率率）60。视角：物体角：物体对人眼的人眼的张角称作角称作视角。（角。（对物方物方节点的点的张角）角）视角敏角敏锐度度1/光学系光学系统的放大率与的放大率与的关系的关系 系系统.系系统=人眼人眼眼睛虽具有发现一个平面上眼睛虽具有发现一个平面上两根平行直线的不重合能力，两根平行直线的不重合能力，但也有一定的限度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称为人眼的瞄准精度人眼的瞄准精度。人眼的瞄准精度一般用人眼的瞄准精度一般用角度值角度值来表示来表示 六、眼睛的对准精度即即两线宽的两线宽的几何中心线几何中心线对人眼的对人眼的张角张角小于某一角度值小于某一角度值时，虽然时，虽然还还存在存在着不重合，但眼睛已经认着不重合，但眼睛已经认为是完全重合的，这时为是完全重合的，这时角度值角度值即为即为人眼瞄准精度人眼瞄准精度。人眼对于人眼对于线条的变形线条的变形或或两条线错开两条线错开造成的造成的外形变化或外形变化或比较两条线宽的变化比较两条线宽的变化具有很高具有很高的灵敏度。的灵敏度。人眼通过两物的比较发现它们外形变化的人眼通过两物的比较发现它们外形变化的能力比能力比分辨分辨它们要强得多。它们要强得多。瞄准精度瞄准精度和和分辨率分辨率是两个概念。是两个概念。又有一定的联系，经验证明，又有一定的联系，经验证明，人眼的最高瞄准精度约为分辨率人眼的最高瞄准精度约为分辨率的的1/61/6至至1/101/10。1、两、两实线瞄准瞄准 6060 2、两、两实线端部瞄准端部瞄准10102020 3、双、双线平分或平分或对称瞄准称瞄准5 51010 4、虚、虚线压测件件轮廓廓边缘20203030 眼睛在观察物体时，除了一般的物体特征外，还能够产生眼睛在观察物体时，除了一般的物体特征外，还能够产生远近的感觉，被称为远近的感觉，被称为“空间深度感觉空间深度感觉”单眼或双眼都能产生这种感觉单眼或双眼都能产生这种感觉单眼深度感觉来源：单眼深度感觉来源：1 1）物体高度已知，它所对应的视角大小来判断其远近）物体高度已知，它所对应的视角大小来判断其远近2 2）物体之间的遮蔽关系和阳光的阴影来判断它们相对位置）物体之间的遮蔽关系和阳光的阴影来判断它们相对位置3 3）对物体细节的鉴别程度和空气的透明度所产生的深度）对物体细节的鉴别程度和空气的透明度所产生的深度感觉感觉4 4）眼睛的调节程度来判断物体的远近。）眼睛的调节程度来判断物体的远近。七七 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双眼观察的深度感觉除上述因素外：双眼观察的深度感觉除上述因素外：5 5）物体的距离越近，视轴之间的夹角越大，这种感觉使）物体的距离越近，视轴之间的夹角越大，这种感觉使眼球发生转动的肌肉紧张程度就不同，据此就能判断物体眼球发生转动的肌肉紧张程度就不同，据此就能判断物体的远近；的远近；6 6）双眼立体视觉（简称体视）双眼立体视觉（简称体视）称为称为“视差角视差角”BABAa2b2a1b1Aa1a2其极限值其极限值 称为称为“体视锐度体视锐度”当当A、B两点距离不等时，两点距离不等时，或或产生了远近的感觉产生了远近的感觉 被称为双眼立体视觉被称为双眼立体视觉 ABABb2a2a1b1lbABABb2a2a1b1约为约为10”，有可能达到，有可能达到5”或或3”7-2 放大镜放大镜物体物体对眼睛的眼睛的视角，角，不不仅取决于物体的大小取决于物体的大小，还取决于取决于该物体到眼睛物体到眼睛的距离的距离，距离越近，距离越近视角越大角越大在近在近处观察察细小物体其小物体其视角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于人大于人眼的极限分辨角眼的极限分辨角 扩大视角是目视光学仪器的第一个要求扩大视角是目视光学仪器的第一个要求人眼在人眼在观察物体察物体时完全放松的自然状完全放松的自然状态，即无限，即无限远目目标成像到成像到视网网膜膜上上.在利用在利用仪器器观察察时，目，目标通通过仪器后器后应成像在无限成像在无限远处，即，即要求要求仪器出射平行光束器出射平行光束 对目视光学仪器的第二个要求对目视光学仪器的第二个要求7.2放大放大镜单个正透个正透镜（f0），与物的位置有关），与物的位置有关一、一、视觉放大率放大率1、目视光学仪器的基本工作原理（基本设计要求）：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。因为眼睛通过因为眼睛通过放大镜放大镜或或显微镜显微镜等目视光学仪器来观察物体时，所看到的是等目视光学仪器来观察物体时，所看到的是在在眼睛视网膜上的物体像的大小眼睛视网膜上的物体像的大小。放大镜的放大率应为：放大镜的放大率应为：通过通过放大镜放大镜观察物体时，观察物体时，物体像的视角物体像的视角正切正切与与人眼直接观察该物体时的视角人眼直接观察该物体时的视角正切正切之比之比。这种放大率称为这种放大率称为视角放大率视角放大率。用字母用字母 表示表示放大镜的放大镜的放大率放大率与眼睛一起使用的目视光学仪器，其放大作用与眼睛一起使用的目视光学仪器，其放大作用不能不能由由横向放大率横向放大率来表征。来表征。2、视觉放大作用放大作用2）、明视距离正常视力的眼睛一般把像调焦在明视距离D，则P-l D，此时，这个公式适于小放大倍率（长焦距）的放大镜，即看书用的放大镜。若眼睛紧靠着放大镜，即P0，则有式(7-16)3）倍率范围：2.5X25X1）、光学常数当当眼睛眼睛调焦在无焦在无限限远，即，即l l 时，物体放在放大物体放在放大镜的前焦点上，的前焦点上，则有有D/f 250/f 物体物体经放大放大镜成像的成像的简图 yyABABFFP-ff-xa虚像虚像AB 对眼睛所眼睛所张的的视角的正切角的正切为眼睛直接去眼睛直接去观察物体察物体时，是将其放在明，是将其放在明视距离距离250mm处。此。此时物体物体对人眼人眼张角的正切角的正切为放大放大镜的放大率，除了和其焦距有关之外，的放大率，除了和其焦距有关之外，还和眼睛离开放大和眼睛离开放大镜的的距离有关距离有关在在实际使用使用过程中，程中，眼瞳大致位于放大眼瞳大致位于放大镜的像方焦点的的像方焦点的附近附近 经放大放大镜后后,成一个正立放大的虚像成一个正立放大的虚像放大放大镜放大率的公式，通常采用以下形式放大率的公式，通常采用以下形式二、光束限制和线视场孔径光孔径光阑眼瞳（放大眼瞳（放大镜+眼睛眼睛=目目视光学光学仪器）器）视场光光阑放大放大镜框框渐晕光阑放大镜框渐晕与与视场角：角：由由图可知，当可知，当渐晕系数系数K100%，50%和和0时，像方，像方视场角分角分别为tg1(h-a)/Ptgh/Ptg2(h+a)/P二、光束限制和线视场线视场 k值为50%用2y来表述视场角：线视场：结论：放大镜倍率越大，其线视场越小。与与渐晕系数有关7-3显微微镜的工作原理的工作原理对于工作在于工作在可可见光光波波长范范围的光学的光学显微微镜按用途区分按用途区分，使用量，使用量较大的有大的有三种三种：工具工具显微微镜（主要（主要应用于精密机构制造工用于精密机构制造工业等方面等方面进行精密行精密测量）；量）；生物生物显微微镜（主要（主要应用于生物学、医学、用于生物学、医学、农学等方面）；学等方面）；金相金相显微微镜（主要（主要应用于冶金和机械制造工用于冶金和机械制造工业，观察研究察研究金相金相组织结构）。构）。显微微镜是人眼的是人眼的辅助工具，助工具，显微微镜的的光学系光学系统由由物物镜和目和目镜两个两个部分部分组成。成。一、一、显微微镜像原理及其像原理及其视觉放大率放大率1、成像原理、成像原理1）系统组成：成像系统（）系统组成：成像系统（物镜物镜+目镜目镜+眼睛）眼睛）+照明系统照明系统2）物镜的像平面在目镜的焦平面以内）物镜的像平面在目镜的焦平面以内或重合（此处设置视阑）或重合（此处设置视阑）3）光学筒长）光学筒长=F1F2机械筒长机械筒长共轭共轭距（国家标准）距（国家标准）显微镜系统成像原理显微镜系统成像原理显微微镜和放大和放大镜起起着同着同样的作用的作用物镜物镜目镜目镜F1F1F2BAABA”B”物镜物镜目镜目镜F1F1F2BAABA”B”AB 位于目位于目镜的物方焦点的物方焦点 F2 上或在很靠近上或在很靠近 F2 的位置上的位置上 此像在此像在经目目镜放大放大为虚像虚像A”B”后供眼睛后供眼睛观察。察。这说明目明目镜与放大与放大镜的作用一的作用一样。2、视觉放大率放大率1）总放大率放大率2）组合放大合放大镜3）极限倍率：）极限倍率：100*15=1500经过物物镜和目和目镜的两次放大，所以的两次放大，所以显微微镜系系统总的放大率的放大率应该是是物物镜横向放大率横向放大率和和目目镜放大率放大率e的乘的乘积。物体被物体被物物镜成的像成的像A B 位于位于目目镜的物方焦点上或附近，此像相的物方焦点上或附近，此像相对于物于物镜像方焦点的距离像方焦点的距离为（物物镜和目和目镜的光学的光学间隔），隔），在在在在显显微微微微镜镜系系系系统统中称中称中称中称为为光学筒光学筒光学筒光学筒长长设物物镜的焦距的焦距为f1,则物物镜的放大率的放大率为物物镜的像被目的像被目镜放大，其放大率放大，其放大率为式中：式中：f2 为目目镜的焦距。由此，的焦距。由此，显微微镜系系统的的总放大率放大率为可可见显微微镜系系统的放大率与的放大率与光学筒光学筒长成正比成正比，和，和物物镜及目及目镜的焦距成的焦距成反比反比。式中有式中有负号负号，即当显微镜系统具有正物镜和正目镜时（常用，即当显微镜系统具有正物镜和正目镜时（常用这种结构），则整个显微镜系统给出这种结构），则整个显微镜系统给出倒像倒像。根据根据组合光合光组的焦距公式可知，整个的焦距公式可知，整个显微微镜的的总焦距焦距f 和物和物镜及目及目镜焦距之焦距之间符合以下关系：符合以下关系：将其代入上式中，则有将其代入上式中，则有它与放大镜公式具有它与放大镜公式具有完全相同完全相同的形式。显的形式。显微镜系统实质上就是一个微镜系统实质上就是一个复杂化了的放大镜复杂化了的放大镜显微镜物镜物平面到像平面的距离称为共轭距在在显微微镜中，取下中，取下显微物微物镜和目和目镜后，所剩下的后，所剩下的镜筒筒长度即度即物镜支撑面到目镜支撑面之间的距离称物镜支撑面到目镜支撑面之间的距离称为为机械筒长机械筒长，用用tm表示。表示。对于一台显微镜来说，机械筒长是固定的机械筒长各国标对于一台显微镜来说，机械筒长是固定的机械筒长各国标准是不同的，有准是不同的，有160mm，170mm和和190mm 等。等。我国规定机械筒长为我国规定机械筒长为160mm。物平面光学系统第一个物镜的球面顶点的距物平面光学系统第一个物镜的球面顶点的距离称为离称为“工作距工作距”显微微镜设计中的中的规定参数：定参数：共共轭距：距：显微微镜物物镜从物平面到像平面的距离。（大从物平面到像平面的距离。（大约等等于于180mm）机械筒机械筒长：把：把显微微镜的物的物镜和目和目镜取下后，所剩的取下后，所剩的镜筒筒长度。（我国度。（我国规定定为160mm）常用的物常用的物镜倍率：倍率：4x、10 x、40 x和和100 x常用的目常用的目镜倍率：倍率：5x、10 x和和15x二、光束限制与景深二、光束限制与景深1、光、光阑的的设置置1）孔）孔阑观察用察用 低倍：物低倍：物镜框（入瞳），出瞳位于眼瞳框（入瞳），出瞳位于眼瞳处高倍：最后一高倍：最后一组透透镜框框测量用量用在物在物镜像方焦平面上，形成物方像方焦平面上，形成物方远心光路。心光路。2）视阑：均：均设置在物置在物镜像平面像平面处(分化板分化板)入窗在物平面上，出窗在最后像平面上入窗在物平面上，出窗在最后像平面上3）渐晕观察用：察用：2测量用：量用：04）一般没有消）一般没有消杂光光光光阑二、光束限制与景深二、光束限制与景深2、线视场线视场与与视觉放大率的关系：在放大率的关系：在选定目定目镜后，后，显微微镜的的视觉放大率越大放大率越大，线视场越小越小3、出瞳直径、出瞳直径出瞳直径出瞳直径D：D500NA/（小于眼瞳）（小于眼瞳）显微微镜的数的数值孔径：孔径：NAnsinu，与，与配合配合选用的重要光学参数用的重要光学参数4、景深、景深定定义：人眼通：人眼通过显微微镜调焦在某一平面（焦在某一平面（对准平面）上准平面）上时，在，在对准平面准平面前和后一定范前和后一定范围内物体也能清晰成像，能清晰成像的内物体也能清晰成像，能清晰成像的远、近物平面之、近物平面之间的距离称作的距离称作显微微镜的景深。的景深。三、显微镜的分辨率和有效放大率1、受孔阑衍射效应的影响（点斑）2、瑞利判断比道威判断保守，由此给出理想分辨率显微镜的分辨率：以能分辨的物方两点间最短距离来表示0.85a/0.5/NA两者关系：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。附：附：自自发光：光：0.61/NA；光源照明：光源照明：/NA；斜照明：斜照明：0.5/NA三、显微镜的分辨率和有效放大率3、有效放大率：、有效放大率：概念：概念：满足下式的足下式的视觉放大率放大率500NA1000NA依据：眼睛容易分辨而不易疲依据：眼睛容易分辨而不易疲劳24伪分辨分辨超超过上限（无效放大，虚放大）上限（无效放大，虚放大）4、越小，越小，显微物微物镜的的质量越好，影响因素有量越好，影响因素有1）NAnsinu油浸物油浸物镜提高提高n2）波）波长3）不能无限制的提高分辨率）不能无限制的提高分辨率5、参数、参数标注意注意义：170mm/0.17；40/0.65 当两个独立的光强度相当两个独立的光强度相等的发光点逐渐靠近时，等的发光点逐渐靠近时，其在系统像面上的爱里其在系统像面上的爱里斑也逐渐靠近，并开始斑也逐渐靠近，并开始有重叠的部分。有重叠的部分。这就引出光学系统对相邻两物点的分辨问题。这就引出光学系统对相邻两物点的分辨问题。光学仪器的分辨率当相当相邻两点的两点的间隔，正好使一隔，正好使一个衍射个衍射图样中的中的爱里斑中心里斑中心和和另一个另一个图样的的第一暗第一暗环重合重合时，两个衍射，两个衍射图样的光的光强分布曲分布曲线相加而得到的合成光相加而得到的合成光强分布分布曲曲线，两个极大，两个极大值之之间存在的存在的一个极小一个极小值，能量，能量约为极大极大值的的80%。10.8r暗1瑞利指出：瑞利指出：这种这种合成的衍射图样合成的衍射图样还是可以看出是还是可以看出是由两个发光点构由两个发光点构成的。成的。10.8r暗1从图中可看出，两个从图中可看出，两个爱里斑的中心距正好爱里斑的中心距正好是爱里斑的半径。是爱里斑的半径。瑞利就以爱里斑半径或瑞利就以爱里斑半径或衍射图样的衍射图样的第一暗环半第一暗环半径径（r暗暗1）作为）作为 光学系统光学系统能对无限远两点的像分能对无限远两点的像分辨得开的辨得开的最小距离最小距离称之称之为为瑞利判据瑞利判据；按此判据，即可确定光学系统的分辨本领。按此判据，即可确定光学系统的分辨本领。按照夫琅和费衍射理论，无限远的发光点在望按照夫琅和费衍射理论，无限远的发光点在望远系统焦平面上所形成的衍射图样，其第一暗远系统焦平面上所形成的衍射图样，其第一暗环的半径（即爱里斑半径）可表示为环的半径（即爱里斑半径）可表示为 式中，式中，波长，波长，D入射光瞳直径。入射光瞳直径。显微系统显微系统的分辨率是以刚能分辨的两物点之间的距离来表示的的分辨率是以刚能分辨的两物点之间的距离来表示的，称为，称为最小分辨距最小分辨距。孔径光阑（出瞳）P1P2z-Umax1UmaxA-上述公式是从无穷远物点的衍射而得的。上述公式是从无穷远物点的衍射而得的。原则上显微系统并不满足这一条件。原则上显微系统并不满足这一条件。注意到物镜的像距要比它的出瞳直径大得多。注意到物镜的像距要比它的出瞳直径大得多。孔径光阑（出瞳）P1P2z-Umax1UmaxA-像方光束接近于平行光束，公式像方光束接近于平行光束，公式 还是可以应用于显微物镜的。还是可以应用于显微物镜的。D P1P2,以以1表示像面上能表示像面上能分辨的两点对分辨的两点对出瞳中心的张角出瞳中心的张角，可得，可得相应地相应地因因Umax角一般很小，所以角一般很小，所以由于显微物镜满足正弦条件，即有由于显微物镜满足正弦条件，即有 式中，式中，n像方介质的折射率，总是空气，像方介质的折射率，总是空气，n=1，而，而是是在物空间与在物空间与共轭的线量共轭的线量 式中，式中，即为前面所提的显微即为前面所提的显微物镜的物镜的数值孔径（数值孔径（NA）它就是显微物镜的它就是显微物镜的最小分辨距最小分辨距即即分辨率分辨率，故有，故有 表明表明:显微镜的显微镜的分辨本领分辨本领取决于所用的取决于所用的光波波长光波波长和和物镜的数值孔径物镜的数值孔径。上式的得出是假设物点本身发光，并且两个发光点是独立上式的得出是假设物点本身发光，并且两个发光点是独立的（即非相干光源）。的（即非相干光源）。这种情况与实际情况不相符这种情况与实际情况不相符。若考虑部分相干情况，被照明物点所产生的衍射图样，若考虑部分相干情况，被照明物点所产生的衍射图样，在在满足瑞利判据满足瑞利判据时，上式中的系数一般要时，上式中的系数一般要加以修正加以修正。F这种修正是以种修正是以道威道威(Dawas)判断判断为依据的。依据的。道威判断道威判断：两个相邻像点之间的两衍射斑中心距为两个相邻像点之间的两衍射斑中心距为0.85爱里斑半径时，则能被光学系统分辨爱里斑半径时，则能被光学系统分辨。应应充分利用充分利用物镜的分辨率，使以被显微镜物镜分辨物镜的分辨率，使以被显微镜物镜分辨出来的细节能同时被眼睛所看清，出来的细节能同时被眼睛所看清，显微镜必须有恰显微镜必须有恰当的放大率当的放大率 便于眼睛分辨的角距离为便于眼睛分辨的角距离为2 4。设所使用光所使用光线的波的波长为550nm，上式成，上式成为取取2为分辨角的为分辨角的下限下限，4为为上限上限，则在，则在明视距离明视距离250mm处能分辨开两点之间的距离处能分辨开两点之间的距离为为 是显微镜像空间被人眼所能分辨的线距离是显微镜像空间被人眼所能分辨的线距离换算到换算到显微镜的物方显微镜的物方，相当于显微镜的，相当于显微镜的分辨率分辨率乘乘以以视觉放大率视觉放大率，得到，得到满足上式的放大率满足上式的放大率称为显微镜的称为显微镜的有效放大率有效放大率四、照明系四、照明系统光源光源+聚光聚光镜1、设计原原则：1）光孔）光孔转接原接原则：瞳、窗：瞳、窗对应2）J照照 J物（拉赫不物（拉赫不变量）量）2、照明的方法和方式、照明的方法和方式1）照明方法）照明方法亮亮视场：透射式（透明体垂直照明）：透射式（透明体垂直照明）反射式（非透明体垂直照明、斜照反射式（非透明体垂直照明、斜照明）明）暗暗视场：全反射（漫反射）：全反射（漫反射）（不透明微（不透明微细物体）物体）生物显微镜多为透明标本，常用透射光亮视场照明。2）照明方式）照明方式分分为两种，即两种，即临界照明和柯勒照明。界照明和柯勒照明。临界照明：出瞳照临界照明：出瞳照入瞳像、入瞳像、出窗照出窗照入窗像入窗像柯勒照明：出瞳照柯勒照明：出瞳照入窗像、入窗像、出窗照出窗照入瞳像入瞳像3）比较特点）比较特点临界照明临界照明柯勒照明柯勒照明光源成像，照明系统出窗即光源像光源成像，照明系统出窗即光源像光源发出的光线充满入瞳光源发出的光线充满入瞳1、要求光源均匀（物面上有灯丝、要求光源均匀（物面上有灯丝像，反映其不均匀性）像，反映其不均匀性）均匀性要求不高均匀性要求不高2、能量利用率高、能量利用率高孔阑可调孔阑可调以上结论适用于其他目视仪器以上结论适用于其他目视仪器五、五、显微物微物镜几种典型物镜的结构型式：1、显微物镜的数值孔径NAnsinu与应匹配（表）数值孔径是物镜的主要性能指标，他决定了系统的分辨率、像差校正、物镜结构复杂程度等。2、匹兹伐场曲的校正问题低倍物镜:由双胶合物镜组成中倍物镜:由两组双胶合物镜组成里斯特物镜高倍物镜:半球透镜+里斯特物镜阿米西物镜阿贝浸液物镜:阿米西物镜+同心齐明透镜复消色差物镜平视场复消色差物镜六、六、显微物微物镜的性能指的性能指标1、放大率、放大率250/f 2、出瞳直径、出瞳直径D500NA/3、视场4、景深、景深5、分辨率、分辨率0.61/NA，/NA，0.5/NA6、数、数值孔径孔径NAnsinu