第07章-典型光学系统-工程光学课件.ppt

第七章第七章 典型光学系统典型光学系统1主 要 内 容 一、眼睛及其光学系统 二、放大镜 三、显微镜系统 四、望远镜系统 五、目镜 六、摄影系统 七、投影系统2 7.1 眼睛及其光学系统眼睛及其光学系统一、眼睛的构造一、眼睛的构造3n人眼是与目视光学系统配合一起使用的，眼睛相当于目视光学系统的光能接收器，它本身相当于摄影光学系统。n人眼光学系统的模型：f=-17mmf =23mm简约眼模型简约眼模型视网膜上所成的像是倒像，由于神经系统的作用，使感觉仍为正立。人眼的视场达150，但只在视轴周围68的范围内能清晰识别，其他部分较模糊。观察物体时，眼球会自动转动。4 2.眼睛的调节能力眼睛的调节能力1）调调节节：眼睛本能地改变光焦度（焦距）以看清不同远近物 体地过程。在眼球内，水晶体到视网膜的距离时不变地，在观察远近物体时，必须自动调焦来改变水晶体的焦距。肌肉用力，曲率增大，可看清近物；肌肉放松，曲率减小，可看清远物。远点：f 23mm；近点：f 18mm。眼睛的调节能力用能清晰调焦的极限距离表示，即远点距离远点距离lr和近点距离近点距离lp。令：R=1/lr，P=1/lp。分别为远点和近点的会聚度，则调节能力为：62）眼睛的缺陷及校正：眼睛的缺陷及校正：n明视距离：在阅读或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250mm处，这个距离即为明视距离。n眼睛光学系统的后焦点在视网膜上，称为正常眼；反之，称为反常眼。近视眼及校正：远点位于眼前有限远处。由于眼球过长，后焦点位于视网膜之前所致。校正：加负透镜。远视眼及校正：远点位于眼后有限远处。由于眼球过短，后焦点位于视网膜之后所致。校正：加正透镜。7散光及校正：水晶体两表面不对称，使细光束在两个主截面 的光线不交于一点。校正：加圆柱面或双心圆柱面透镜。三、眼睛的分辨率：三、眼睛的分辨率：眼睛的分辨率：眼睛的分辨率：眼睛能分辨开两个最靠近点的能力。极限分辨角：极限分辨角：刚好能分辨开的二点对眼睛物方节点所张的 角。分辨率与分辨角成反比。视网膜上的最小鉴别距离至少等于两个视神经细胞的直径，约0.006mm。物体对人眼的张角，称作视角；人眼能分辨的物点间最小视角，称作视角鉴别率。8五、双目立体视觉：五、双目立体视觉：1.立体视觉：立体视觉：对于物体位置的空间分布及对物体的体积感觉。单目视觉：单眼观察物体不能产生立体视觉。单目对物体远近的判断，是通过眼睛（水晶体曲率的变化）的调节产生的。所以，判断很粗略，不超过5米。对远且熟的物体，通过物体的张角来估计；对非常熟的物体，通过细节来估计。（经验和想象）双目视觉：两眼分别产生一个像，再汇集到大脑称为一个像。这种印象处于心理和生理。视差角：双目观察物点A时，两眼视轴的夹角。102.立体视觉立体视觉的产生：的产生：n立体视差：不同距离的物体对应不同的视差角，其差异称为立体视差，简称视差。视差越大，感觉两物体的纵向深度越大；反之，越小。n体视锐度：人眼能感觉的视差的极限值min。大约10。不能产生体视感觉的几种情况：如右图，C、D两点的像在右眼重合；两物体横向距离太远；物体位于两眼的垂直平分线上；两物体之一为直线，且与两眼中心 连线平行。11由上图可知：而以眼睛直接观察时：所以，视觉放大率为：式中，D为明视距离，250mm。13所以，但50渐晕时，物位于物方焦点，则视场为：15 7.3 显微镜系统显微镜系统一、显微镜的组成：一、显微镜的组成：显微镜是由物镜、目镜和照明系统三部分组成。物体经显微镜的物镜放大成像后，其像再经目镜放大以供人眼观察。16光学筒长光学筒长的选择：的选择：n光学筒长光学筒长的选择应满足的选择应满足齐焦条件齐焦条件 不同焦距或放大率的物镜，由物平面到像平面的距离（共不同焦距或放大率的物镜，由物平面到像平面的距离（共轭距）均应相等，我国规定轭距）均应相等，我国规定195mm。物镜的外壳要求保证经物镜所成的实像面有固定的位置。物镜的外壳要求保证经物镜所成的实像面有固定的位置。目镜的物方焦平面与物镜的像面重合。目镜的物方焦平面与物镜的像面重合。三、显微镜的光束限制：三、显微镜的光束限制：（1）孔径光阑：）孔径光阑：对于单组低倍物镜，物镜框就是孔径光阑；对于单组低倍物镜，物镜框就是孔径光阑；对于多组复杂物镜，最后一组的镜框作为孔径光阑；对于多组复杂物镜，最后一组的镜框作为孔径光阑；或专门设置孔径光阑（在像方焦平面上）。或专门设置孔径光阑（在像方焦平面上）。*观察者的眼瞳一般应与出瞳（孔径光阑经目镜的像观察者的眼瞳一般应与出瞳（孔径光阑经目镜的像)重合。重合。18n出瞳的直径：由正弦条件：nysinu=nysinu，得：D=500NA/mm 式中：NA=nsinu称作数值孔径，是一个重要参数。一般小于眼瞳的直径，只在低倍时才大于眼瞳直径。（2 2）视场光阑与视场）视场光阑与视场 视场光阑一般专设在物镜的像方焦平面上。所以，入射窗与物平面重合，可以观察到清晰的界限和照度均匀的视场。视场光阑的大小应与目镜的视场角一致，此时，视场为：所以，视觉放大率越大，物空间的线视场越小。19（3 3）显微镜的景深：）显微镜的景深：n当把显微镜调焦到某一平面时，在对准平面前后的一定范围内也能成清晰的像，这一范围称为显微镜的景深。故，显微镜的放大率越高、NA越大，景深越小。景深大小决定显微镜的调焦误差，景深越大，调焦误差越大。一般显微镜的景深最大不超过0.5mm。四、显微镜的分辨率和有效放大率：四、显微镜的分辨率和有效放大率：分辨率以它所能分辨的两点之间最小距离表示：瑞利判据：=0.61/NA 道威判据：=0.5/NA20n所以，显微镜的分辨率取决于数值孔径NA，与目镜无关。n目镜只是把物镜的像放大，放大倍率再高也不能把物镜不能分辨的物体细节看清。有效放大率：为充分利用物镜的分辨率，使被物镜分辨出的细 节同时能被眼睛看清，满足这一条件的放大率。若眼睛的分辨角距离为：24，照明波长为0.555m，可得：四、显微镜的照明方法：四、显微镜的照明方法：显微镜对照明的要求：足够的亮度；照明均匀；有一定的孔径角，且与物镜相配合；有一定大小的照明范围（视场）。21常用的照明方法：透射光亮视场照明；反射光亮视场照明；透射光暗视场照明；反射光暗视场照明。其中，第一种照明方法应用较多，照明方式分为两种：临界照明和柯勒照明。临界照明柯勒照明22伽利略望远镜伽利略望远镜望远系统的视觉放大率为：所以，视觉放大率仅取决于结构参数。目镜焦距大于6mm，故手持望远镜一般不超过8倍。24二、分辨率及工作放大率：二、分辨率及工作放大率：n望远系统的分辨率用极限分辨角表示。对于=0.555m的光线，由瑞利判据、道威判据得到的极限分辨角分别为：n由于人眼的视觉分辨率为60，在增大物镜口径以提高望远系统分辨率的同时，必须增大望远系统的视觉放大率，才能符合人眼分辨率的要求。n视觉放大率和分辨率的关系为：所以，入射光瞳直径越大，极限分辨率越高。所以，为了观察方便：25注意：在望远系统分辨率一定时，过高的增大视觉放大率，也不会看到更多细节。三、望远镜的视场：三、望远镜的视场：（1）对于开普勒望远系统：物镜框是孔径光阑，也是入瞳；出瞳在目镜以外，与人眼重合；目镜框是渐晕光阑，一般要求有50的渐晕。物镜后焦面可放置分划板，其框为视场光阑。26n一般以人眼的瞳孔作为孔径光阑，又是出瞳；物镜框为视场光阑，又是入射窗。n由于视场光阑与物面不重和，因此，对大视场有渐晕现象。n当视场有50%渐晕时，其视场角为：式中：L为机械筒长；lz2为眼睛到目镜的距离。所以，伽利略望远镜的视觉放大率越高，视场越小。故伽利略望远镜的视觉放大率一般不大，仅用于剧场、体育场使用。注意：开普勒望远镜成倒像，需加转像装置，如转像棱镜；伽利略望远镜成正像，但无法安装分划板，应用较少。28 7.5 目镜目镜一、目镜的作用：一、目镜的作用：目镜的作用类似于放大镜，把物镜所成的像放大在人眼的远点或明视距离上以供人眼观察。二、目镜的主要光学参数：二、目镜的主要光学参数：目镜是一种小孔径、大视场、短焦距、光阑在外的光学系统。其轴上像差不大，结构复杂时，较易校正像差。（1）目镜的视场：一般在4050，广角目镜达6080。（2）镜目距：表示出瞳到目镜后表面的距离。相对镜目距：镜目距与目镜焦距之比。（3）工作距lF：目镜第一面的顶点到其物方焦平面的距离。一般工作距应大于视度调节的深度（适应近视、远视要求），视度调节范围在5D。29 7.6 摄影系统摄影系统一、摄影系统：一、摄影系统：1.摄影系统的组成：摄影系统是由摄影物镜和感光元组成。感光元包括：感光胶片、CCD传感器、电子光学变像管、电视摄像管等。常见的摄影系统有：照相机、摄影机、显微照相系统、制版光学系统、航空摄影系统、水下摄影系统、空中侦察系统、测绘光学系统和信息处理系统等。2.摄影物镜的光学特性：摄影系统以摄影物镜（镜头）为主要部件。主要参数包括：焦距f、相对孔径D/f和视场角2。31(1)视场视场:视场的大小由物镜的焦距和接收器的尺寸决定。像与焦距的关系：远景时，像的大小为：近景时，像的大小为：所以，焦距与像的大小成正比。接收器尺寸与视场的关系：感光元件框是视场光阑，它决定了像空间的成像范围。当感光元件尺寸一定时，物镜的视场角取决于焦距的大小。物在无穷远时，物在有限远时：所以，焦距与视场成反比。32(2)分辨率分辨率:摄影系统的分辨率取决于物镜的分辨率和接收器的分辨率。分辨率是以像平面上单位长度能分辨的线对数来表示。设，物镜的分辨率为NL，接收器的分辨率为Nr,则，由瑞利准则，物镜的理论分辨率为：取0.555m，所以，相对孔径（光圈）越大，物镜的分辨率越高。33(3)像面照度像面照度:摄影系统的像面照度取决于相对孔径。当物体无限远时：对于大视场的边缘照度小于中心照度：所以，可用可变光阑作为孔径光阑控制相对孔径的大小，以改善像面的照度。3.摄影物镜的景深：由此可见：焦距越长，景深越小；对准距离越远，景深越大。选用的光圈F越大，景深越大。347.7 投影系统：投影系统：n倒置的摄影系统，主要部件是投影物镜。n主要参数：焦距、图片尺寸、孔径和放大率。n相互关系：放大率越大，焦距越短；图片到屏幕的距离越大，焦距越长；当图片尺寸一定时，视场与焦距成反比。n系统要求：像差要求、照明要求。投影屏上照度应均匀、且足够大，需使用大孔径角的照明系统和适当的光源。投影物镜类似倒置的摄影物镜，对像差要求严格，结构复杂，常使用柱面透镜。注意：投影物镜不能使用光阑位置的改变校正像差。35