典型光学系统.pptx
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1、 人眼的生理人眼的生理结构构人眼的光学人眼的光学结构构简约眼眼人眼相当于照相机人眼相当于照相机第1页/共94页第2页/共94页眼睛眼睛简化成一个折射球面的模型,即化成一个折射球面的模型,即简约眼眼 折射面的曲率半径折射面的曲率半径像方介像方介质的折射率的折射率网膜的曲率半径网膜的曲率半径物方焦距物方焦距像方焦距像方焦距光焦度光焦度5.56mm1.3339.7 mm-16.70mm22.26 mm59.88D简约眼眼第3页/共94页简约眼眼n=1.33n=1.0R=5.56R=9.7第4页/共94页人眼与照相机人眼与照相机眼眼睛睛如如同同一一只只自自动变焦焦和和自自动改改变光光圈圈大大小小的的照
2、照相相机机。从从光光学学角角度度看看,眼眼睛睛中中三三个个最最重重要要的的部部分分是是水水晶晶体体、瞳瞳孔孔和和网网膜膜,它它们分分别对应与照相机中的与照相机中的镜头、光、光阑和底片。和底片。第5页/共94页8.2 人眼的人眼的调节调节:眼睛通眼睛通过睫状肌作用改睫状肌作用改变光焦度的大小光焦度的大小以看清不同距离物体的以看清不同距离物体的过程称程称为调节。远点:点:眼睛能看清的最眼睛能看清的最远点称点称为远点,用点,用R表示表示近点近点:眼睛能看清的最近点称:眼睛能看清的最近点称为近点,用近点,用P表示表示调节范范围:调节范范围A表示表示为远点距和近点距的倒数之差点距和近点距的倒数之差 A、
3、R、P的的单位是屈光度位是屈光度(D)。第6页/共94页眼睛在不同年眼睛在不同年龄时的的调节能力和能力和调节范范围年 龄1020304050607080近点距(cm)-7-10-14-22-40-200100 40远点距(cm)2008040A=R-P(屈光度)141074.52.510.250第7页/共94页人眼的适人眼的适应 眼睛能适眼睛能适应不同亮暗不同亮暗环境的能力称境的能力称为适适应。适适应可可分分为明明适适应和和暗暗适适应。前前者者发生生在在由由暗暗处到到亮亮处时,适适应时间大大约几几分分钟;后后者者发生生在在由亮由亮处到暗到暗处时,适,适应时间大大约30-60分分钟。p141,表
4、8-3第8页/共94页8.3 人眼的屈光度人眼的屈光度误差及其校正差及其校正 正正常常人人眼眼完完全全放放松松时,眼眼睛睛的的远点点在在无无限限远,则称称其其为正正常常眼眼,反反之之,称称为非非正正常常眼眼。非非正正常常眼主要有以下三种眼主要有以下三种类型:型:近近视眼眼:远点距点距为负值,有限,有限远远视眼眼:远点距点距为正正值,有限,有限远散光眼散光眼:两个垂直子午面的两个垂直子午面的远点距不同点距不同第9页/共94页近近视眼眼-r第10页/共94页远视眼眼:r第11页/共94页散光眼散光眼-r-r第一子午面第二子午面第12页/共94页8.4 人眼的分辨力明明视距距离离:人人眼眼在在近近距
5、距离离工工作作时的的通通常常距距离离 250 MM.分分辨辨力力:眼眼睛睛能能分分辩两两个个很很靠靠近近的的点点的的能能力力称称为眼眼睛的分辨率。睛的分辨率。最最小小分分辨辨角角:能能够分分辩的的最最近近两两点点对眼眼睛睛的的张角角称称为眼睛的最小分眼睛的最小分辩角:角:60秒秒最最小小分分辨辨距距离离:在在明明视距距离离处(250MM)最最小小分分辨辨角角对应的的线量:量:0.0725MM。第13页/共94页人眼的瞄准精度人眼的瞄准精度人人眼眼认为标志志对目目标重重合合而而实际未未重重合合的的最大最大误差差。瞄瞄准准精精度度与与分分辨辨力力成成正正比比,但但不不等等于于分分辨辨力。力。K与对
6、准方式有关:与对准方式有关:p143 表表8-4第14页/共94页分分辩力和瞄准精度力和瞄准精度 两个不同的概念两个不同的概念分辨力是分辨力是对静止静止的两个点的分辨能力的两个点的分辨能力瞄准精度是瞄准精度是对两个两个相相对运运动点重合的判断。点重合的判断。两两个个概概念念又又是是相相互互联系系的的,高高的的瞄瞄准准精精度度不不仅取取决于高的分决于高的分辩力,同力,同时也取决合适的瞄准方式。也取决合适的瞄准方式。第15页/共94页8.5 双眼的立体视觉第16页/共94页第17页/共94页第18页/共94页第19页/共94页8.2 放大放大镜放大放大镜概述概述放大放大镜的工作原理的工作原理放大放
7、大镜的的视放大率放大率放大放大镜的光束限制的光束限制放大放大镜用作目用作目镜第20页/共94页 放大放大镜又称助又称助视镜,当被当被观察物体的察物体的细节对眼睛的眼睛的张角小于最小分角小于最小分辩角(角(1)时,眼睛,眼睛便无法分便无法分辩其其细节,只能借助于目,只能借助于目视光学光学仪器将其放大后再去器将其放大后再去观察。由此引入察。由此引入视觉放大率。第21页/共94页第22页/共94页 定义:通通过目目视光学光学仪器器观察物体察物体时,其像,其像对眼睛眼睛张角的正切与直接看物体角的正切与直接看物体时物体物体对眼眼睛睛张角的正切之比角的正切之比 视放大率是一种主放大率是一种主观放大率,不同
8、于前面介放大率,不同于前面介绍的三种客的三种客观放大率。放大率。第23页/共94页放大放大镜的的视放大率放大率 当人眼直接当人眼直接观察物体察物体时 当人眼通当人眼通过放大放大镜观察物体察物体时视放大率放大率通常D=250mm第24页/共94页一般有:一般有:当当时当当时当当时(标称放大率)(眼睛紧贴放大镜)第25页/共94页放大放大镜与人眼与人眼组合成一个合成一个组合系合系统孔径光孔径光阑:人眼瞳孔:人眼瞳孔视场光光阑:放大:放大镜视场光光阑与物(像面)不重合,必与物(像面)不重合,必产生生渐晕第26页/共94页放大放大镜的光束限制的光束限制图A1A2A3第27页/共94页放大放大镜的像方的
9、像方视场角角K=1.0K=0.5K=0根据像方视场角可计算出物方视场的大小。根据像方视场角可计算出物方视场的大小。当像平面在无限远时,当像平面在无限远时,y=ftgw第28页/共94页第29页/共94页提高放大提高放大镜放大率的可能性放大率的可能性一一般般说,我我们将将 确确定定为放放大大镜的的视放大率。放大率。放放大大率率取取决决于于焦焦距距,与与焦焦距距成成反反比比。当当单透透镜的的焦焦距距不不能能减减小小时,放放大大率率受受到到限限制制,于于是是,有了有了显微微镜。第30页/共94页8.38.3显微系微系统 显微系微系统的构成的构成显微微镜的成像原理的成像原理显微微镜的的视放大率放大率显
10、微微镜中的光束限制中的光束限制显微微镜的分辨力的分辨力显微微镜的有效放大率的有效放大率照明系照明系统第31页/共94页照明系照明系统成像系成像系统成像系成像系统=物物镜目目镜 第32页/共94页第33页/共94页人眼直接观察物体人眼观察显微镜的像显微镜的视放大率第34页/共94页显微微镜的的视放大率(二)放大率(二)显微微镜为两次放大,放大率两次放大,放大率为两次放大的乘两次放大的乘积显微微镜实质上就是一个上就是一个组合的放大合的放大镜 第35页/共94页对显微微镜成像的几点分析成像的几点分析物平面物平面应位于物位于物镜的物方焦点到两倍焦距之的物方焦点到两倍焦距之间,以,以实现物物镜的一的一级
11、放大。放大。物平面物平面应位于整个位于整个显微微镜组合物方焦点以内,并十合物方焦点以内,并十分靠近物方焦点分靠近物方焦点处,以使得物体,以使得物体经显微微镜成像于成像于250MM以外至以外至处。显微微镜可以通可以通过调换不同倍率的物不同倍率的物镜和目和目镜,方便,方便迅速地迅速地获得得显微微镜的多种放大率。的多种放大率。显微微镜因因为有有中中间实像像,能能实现对物物体体的的瞄瞄准准和和测量量。第36页/共94页 低倍物低倍物镜为单组透透镜,物,物镜框框为孔径光孔径光阑高倍物高倍物镜为多多组透透镜,后,后组透透镜框框为孔径光孔径光阑测量量显微微镜用物方用物方远心光路,孔径光心光路,孔径光阑设置在
12、物置在物镜的像方焦平面上的像方焦平面上孔径光孔径光阑经目目镜所成的像即所成的像即为显微微镜的出瞳的出瞳,观察察时,眼瞳要与出瞳重合,眼瞳要与出瞳重合。显微微镜的光束大小常用的光束大小常用NA表示表示第37页/共94页出瞳直径与入射光束的大小及放大率有关出瞳直径与入射光束的大小及放大率有关第38页/共94页显微微镜的光束限制的光束限制视场光光阑显微微镜要求无要求无渐晕,故,故视场光光阑须设置在物置在物镜实像平面上像平面上。带入8-24,得:第39页/共94页第40页/共94页第41页/共94页 显微微镜的分辨力取决于光学系的分辨力取决于光学系统对光的衍射状况。光的衍射状况。根据瑞利判断,两个相根
13、据瑞利判断,两个相邻像点之像点之间的的间隔等于艾里隔等于艾里斑的半径斑的半径时,则能被光学系能被光学系统分辨。分辨。显微微镜的分辨力用所能分辨的物方最小距离表示的分辨力用所能分辨的物方最小距离表示NA:数数值孔径孔径 是光学系是光学系统的重要参数的重要参数第42页/共94页提高提高显微微镜分辨力的可能性分辨力的可能性显微微镜的分辨力主要取决于的分辨力主要取决于显微物微物镜的数的数值孔径孔径NA提高数提高数值孔径的方法是增大孔径角,物方孔径角孔径的方法是增大孔径角,物方孔径角U最大可达最大可达6070,因此,因此,显微物微物镜属于大孔径系属于大孔径系统。提高数提高数值孔径的另一方法是提高物方空孔
14、径的另一方法是提高物方空间的折射率,的折射率,“油浸物油浸物镜”便是用于便是用于这一目的。(如杉木油或二一目的。(如杉木油或二碘甲碘甲烷等),可使数等),可使数值孔径达到孔径达到1.5光学光学显微微镜的极限分辨距的极限分辨距约为 。/3第43页/共94页提高提高显微微镜分辨力的可能性分辨力的可能性提高提高显微微镜分辨率的另一途径就是用分辨率的另一途径就是用电子束来代替子束来代替光。根据德布光。根据德布罗意的物意的物质波理波理论,运,运动的的电子具有子具有波波动性,而且速度越快,它的性,而且速度越快,它的“波波长”就越短。就越短。电子子显微微镜是是20世世纪最重要的最重要的发明之一。由于明之一。
15、由于电子子的速度可以加到很高,的速度可以加到很高,电子子显微微镜的分辨率可以达的分辨率可以达到到纳米米级(10-9M)。)。第44页/共94页 第45页/共94页第46页/共94页【例【例题8-18-1】:如果要求】:如果要求读数数显微微镜的瞄准精的瞄准精度度为0.001MM0.001MM,求,求显微微镜的放大率。的放大率。解:人人眼眼直直接接观察察0.001MM的的物物体体所所对应的的视角角为 人人眼眼的的视角角分分辨辨力力为60,因因此此要要求求显微微镜的的视放大率放大率为第47页/共94页分析如如果果使使用用10的的目目镜,则根根据据公公式式可可以以求求得得物物镜的的放大倍数放大倍数为由
16、此可知,使用一个由此可知,使用一个8的的显微物微物镜即能即能满足要求。足要求。为了轻松观察,可将实际放大倍率取为了轻松观察,可将实际放大倍率取150,若目镜,若目镜放大倍率放大倍率15,则应选择物镜,则应选择物镜10 第48页/共94页第49页/共94页临界照明界照明柯勒照明柯勒照明第50页/共94页临界照明(阿界照明(阿贝照明)照明)光源光源物面(特点:窗物面(特点:窗对窗)窗)不均匀不均匀优点:亮度高,点:亮度高,结构构简单缺点:照度不均匀缺点:照度不均匀 把光源的像成在物平面上,可使物体最大程度的接收到光源的照明。第51页/共94页柯勒照明柯勒照明 柯勒柯勒镜:照明系照明系统的入瞳(瞳的
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