工程光學(xué)基礎(chǔ)教程第七章.ppt

21292E,第七章 典型光學(xué)系統(tǒng),第一節(jié) 眼睛及其光學(xué)系統(tǒng) 第二節(jié) 放 大 鏡 第三節(jié) 顯微鏡系統(tǒng) 第四節(jié) 望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng) 第五節(jié) 目 鏡 第六節(jié) 攝 影 系 統(tǒng) 第七節(jié) 投 影 系 統(tǒng) 第八節(jié) 現(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng),21292E,第一節(jié) 眼睛及其光學(xué)系統(tǒng),一、眼睛的結(jié)構(gòu)成像光學(xué)系統(tǒng) 二、眼睛的調(diào)節(jié)及校正 三、眼睛輻射接收器 四、眼睛的分辨率 五、眼睛的對準(zhǔn)精度 六、眼睛的景深 七、雙目立體視覺,21292E,一、眼睛的結(jié)構(gòu)成像光學(xué)系統(tǒng),圖- 眼睛的結(jié)構(gòu),21292E,二、眼睛的調(diào)節(jié)及校正,表7-1 調(diào)節(jié)能力隨年齡增大而減少,21292E,二、眼睛的調(diào)節(jié)及校正,圖- 眼睛的校正,21292E,二、眼睛的調(diào)節(jié)及校正,圖- 校正散光的圓柱面透鏡,21292E,三、眼睛輻射接收器,視網(wǎng)膜是由錐狀細(xì)胞和桿狀細(xì)胞組成的輻射接收器。兩種細(xì)胞具有完全不同的性質(zhì)和完全不同的功能。桿狀細(xì)胞對光刺激極敏感，但完全不感色；錐狀細(xì)胞的感光能力比桿狀細(xì)胞差得多，但它們能對各色光有不同的感受。因此，錐狀細(xì)胞的存在，決定了分辨顏色的能力色視覺。在亮照明時，視覺主要由錐狀細(xì)胞起作用，弱照明時，視覺主要由桿狀細(xì)胞起作用；明視覺時最大的亮度靈敏度為683lm/W；暗視覺時，最大的亮度靈敏度為1755lm/W。,21292E,四、眼睛的分辨率,圖- 對準(zhǔn)形式,21292E,五、眼睛的對準(zhǔn)精度,對準(zhǔn)和分辨是兩個不同的概念，分辨是指眼睛能區(qū)分開兩個點或線之間的線距離或角距離的能力，而對準(zhǔn)是指在垂直于視軸方向上的重合或置中過程。對準(zhǔn)后，偏離置中或重合的線距離或角距離稱為對準(zhǔn)誤差。,21292E,六、眼睛的景深,圖- 眼睛的景深,21292E,七、雙目立體視覺,圖- 雙目觀察物體,21292E,七、雙目立體視覺,圖- 雙目立體視覺,21292E,第二節(jié) 放 大 鏡,一、視覺放大率 二、光束限制和線視場,21292E,一、視覺放大率,(1)當(dāng)眼睛調(diào)焦在無限遠(yuǎn)，即l時，物體放在放大鏡的前焦點上，則有 (2)正常視力的眼睛一般把物像調(diào)焦在明視距離，則l，由式(-)得,21292E,一、視覺放大率,圖- 放大鏡成像原理,21292E,圖- 放大鏡的光束限制,21292E,圖- 放大鏡的視場角,21292E,二、光束限制和線視場,放大鏡與眼睛組合構(gòu)成目視光學(xué)系統(tǒng)。眼瞳是孔徑光闌，又是出瞳。放大鏡框是視場光闌，又是出、入射窗，同時放大鏡本身又是漸暈光闌，圖-示出像空間光束限制情況。,21292E,第三節(jié) 顯微鏡系統(tǒng),一、顯微鏡的視覺放大率 二、顯微鏡的線視場 三、顯微鏡的出瞳直徑 四、顯微鏡的分辨率和有效放大率 五、顯微鏡的景深 六、顯微鏡的照明方法 七、顯微鏡的物鏡,21292E,一、顯微鏡的視覺放大率,圖- 顯微鏡成像原理,21292E,二、顯微鏡的線視場,顯微鏡的線視場取決于放在目鏡前焦平面上的視場光闌的大小，物體經(jīng)物鏡就成像在視場光闌上。,21292E,三、顯微鏡的出瞳直徑,對于普通顯微鏡，物鏡框是孔徑光闌，復(fù)雜物鏡是以最后鏡組的鏡框為孔徑光闌。用于測量的顯微鏡，一般在物鏡的像方焦平面上設(shè)置專門的孔徑光闌?？讖焦怅@經(jīng)目鏡所成的像即為出瞳。,21292E,四、顯微鏡的分辨率和有效放大率,光學(xué)儀器的分辨率受光學(xué)系統(tǒng)中孔徑光闌的衍射影響，點光源經(jīng)任何光學(xué)系統(tǒng)形成的像都不可能是一個幾何點，而是一個衍射斑，衍射斑中心亮斑集中了全部能量的83.78%，叫作艾里斑，艾里斑的中心代表像點的位置。,21292E,五、顯微鏡的景深,圖- 顯微鏡的景深,21292E,五、顯微鏡的景深,圖- 顯微鏡的照明方法,21292E,六、顯微鏡的照明方法,1.透射光亮視場照明 光通過透明物體，例如透明玻璃光柵等，光被透明光柵的不同透射比所調(diào)制。 2.反射光亮視場照明 對不透明的物體，例如金屬表面，必須從上面照明。 3.透射光暗視場照明 傾斜入射的照明光束在物鏡旁側(cè)向通過。 4.反射光暗視場照明 在旁側(cè)入射到物體上的照明光束經(jīng)反射后在物鏡側(cè)向通過。,21292E,1.透射光亮視場照明,光通過透明物體，例如透明玻璃光柵等，光被透明光柵的不同透射比所調(diào)制。若光通過無缺陷的玻璃平板，則產(chǎn)生一均勻的亮視場。,21292E,2.反射光亮視場照明,對不透明的物體，例如金屬表面，必須從上面照明。一般通過物鏡從上面照明。光束被不同反射率的物體結(jié)構(gòu)所調(diào)制。沒有缺陷的漫射或者規(guī)則的反射表面產(chǎn)生一均勻的亮視場。,21292E,3.透射光暗視場照明,傾斜入射的照明光束在物鏡旁側(cè)向通過。光束通過物體結(jié)構(gòu)的衍射、折射和反射，射向物鏡，形成物體的像，若用無缺陷的玻璃板作為物體，則獲得均勻的暗視場。,21292E,4.反射光暗視場照明,圖- 臨界照明,21292E,4.反射光暗視場照明,圖- 柯勒照明,21292E,4.反射光暗視場照明,圖- 顯微物鏡的類型,21292E,七、顯微鏡的物鏡,顯微物鏡的放大率大約在2.5范圍內(nèi)，數(shù)值孔徑隨放大率增大而增大，借助于目鏡的放大率()來滿足有效放大率的要求。對于非浸液系統(tǒng)(物鏡前是空氣)，高倍顯微物鏡的數(shù)值孔徑上限是0.95，對于浸液物鏡(在物鏡前，浸液折射率和玻璃蓋板折射率大約相同)數(shù)值孔徑可以達(dá)到1.40。顯微物鏡按照像差校正形式分類，消色差物鏡用于簡單的光學(xué)系統(tǒng)，且隨數(shù)值孔徑的增大，透鏡的數(shù)目也增多。為了避免二級光譜產(chǎn)生的彩色邊緣，采用復(fù)消色物鏡，物鏡結(jié)構(gòu)中含有瑩石制造的透鏡。對于顯微照像和顯微投影，要求校正像面彎曲，采用平像場消色差物鏡或平像場復(fù)消色差物鏡。,21292E,第四節(jié) 望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng),一、望遠(yuǎn)系統(tǒng)的分辨率及工作放大率 二、望遠(yuǎn)鏡的視場,21292E,第四節(jié) 望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng),圖- 開普勒望遠(yuǎn)鏡成像原理,21292E,第四節(jié) 望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng),圖- 軍用望遠(yuǎn)鏡的棱鏡轉(zhuǎn)像系統(tǒng),21292E,第四節(jié) 望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng),圖- 伽利略望遠(yuǎn)鏡,21292E,一、望遠(yuǎn)系統(tǒng)的分辨率及工作放大率,望遠(yuǎn)鏡是目視光學(xué)儀器，因而受人眼的分辨率限制，即兩個觀察物點通過儀器后對人眼的視角必須大于人眼的視覺分辨率60，故除了增大物鏡口徑以提高望遠(yuǎn)鏡的衍射分辨率外，還要增大系統(tǒng)的視覺放大率，以符合人眼分辨率的要求。但在儀器的分辨率一定時，過高地增大視覺放大率也不會看到更多的物體細(xì)節(jié)。,21292E,二、望遠(yuǎn)鏡的視場,圖- 伽利略望遠(yuǎn)鏡的光束限制,21292E,第五節(jié) 目 鏡,圖- 惠更斯目鏡,21292E,第五節(jié) 目 鏡,圖- 冉斯登目鏡,21292E,第五節(jié) 目 鏡,圖- 凱涅爾目鏡,21292E,第五節(jié) 目 鏡,圖- 無畸變目鏡,21292E,第五節(jié) 目 鏡,圖- 長出瞳距目鏡,21292E,第六節(jié) 攝 影 系 統(tǒng),一、攝影物鏡的光學(xué)特性 二、攝影物鏡的景深 三、攝影物鏡的類型,21292E,一、攝影物鏡的光學(xué)特性,(一)視場 (二)分辨率 (三)像面照度,21292E,(一)視場,表- 常用攝像底片規(guī)格,21292E,(二)分辨率,由于攝影物鏡有較大的像差，且存在著衍射效應(yīng)，所以物鏡的實際分辨率要低于理論分辨率。此外物鏡的分辨率還與被攝目標(biāo)的對比度有關(guān)，同一物鏡對不同對比度的目標(biāo)(分辨率板)進行測試，其分辨率值也是不同的。因此評價攝影物鏡像質(zhì)的科學(xué)方法是利用光學(xué)傳遞函數(shù),21292E,(三)像面照度,表- 光圈數(shù)的分檔,21292E,二、攝影物鏡的景深,當(dāng)在明視距離觀察照片時，焦距越長，入瞳直徑越大，景深越?。慌臄z距離越大，景深越大。因此，在使用照相機拍攝時，選用光圈數(shù)(數(shù))越大，則景深越大。,21292E,三、攝影物鏡的類型,圖- 天塞物鏡,21292E,三、攝影物鏡的類型,圖- 雙高斯物鏡,21292E,三、攝影物鏡的類型,圖- 廣角物鏡,21292E,三、攝影物鏡的類型,圖- 遠(yuǎn)攝物鏡,21292E,三、攝影物鏡的類型,圖- 變焦物鏡,21292E,第七節(jié) 投 影 系 統(tǒng),一、基本參數(shù) 二、投影物鏡的結(jié)構(gòu)形式 三、照明系統(tǒng),21292E,一、基本參數(shù),投影系統(tǒng)把一平面物體放大成一平面實像以便于人眼觀察。幻燈機、電影放映機、照相放大機、測量投影儀、微縮膠片閱讀儀等都屬于投影系統(tǒng)。對投影系統(tǒng)的主要要求取決于其使用的目的。例如，圖片投影儀要求有較強的照明，而測量投影儀則要求像面無畸變，兩者都要求在像面上有足夠的亮度。任何接收屏的像面亮度都和接收屏的照度與反射比有關(guān)，實驗研究表明，投影接收屏的亮度根據(jù)其不同用途有不同的要求,21292E,二、投影物鏡的結(jié)構(gòu)形式,圖- 寬銀幕變形物鏡,21292E,三、照明系統(tǒng),圖- 照明聚光鏡,21292E,三、照明系統(tǒng),圖- 大孔徑聚光鏡,21292E,三、照明系統(tǒng),圖- 折反式聚光鏡,21292E,第八節(jié) 現(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng),一、激光光學(xué)系統(tǒng) 二、傅里葉(Fourier)變換光學(xué)系統(tǒng) 三、掃描光學(xué)系統(tǒng) 四、光纖光學(xué)系統(tǒng),21292E,一、激光光學(xué)系統(tǒng),1.高斯光束的特性 在研究普通光學(xué)系統(tǒng)的成像時，我們都假定點光源發(fā)出的球面波在各個方向上的光強是相同的，即光束波面上各點的振幅是相同的。 2.高斯光束的傳播 3.高斯光束的透鏡變換 4.高斯光束的聚焦和準(zhǔn)直,21292E,1.高斯光束的特性,在研究普通光學(xué)系統(tǒng)的成像時，我們都假定點光源發(fā)出的球面波在各個方向上的光強是相同的，即光束波面上各點的振幅是相同的。,圖7-35 高斯光束截面,21292F,2.高斯光束的傳播,(1)高斯光束的截面半徑 (2)高斯光束的波面曲率半徑 (3)高斯光束的位相因子,21292F,(1)高斯光束的截面半徑,圖7-36 高斯光束傳播,21292F,(2)高斯光束的波面曲率半徑,圖7-37 高斯光束的發(fā)散角,21292F,(3)高斯光束的位相因子,高斯光束的截面半徑軌跡為一對雙曲線，所以我們不能用處理同心球面光束發(fā)散角的方法來處理高斯光束的發(fā)散角，而要用雙曲線的漸近線來表示高斯光束的遠(yuǎn)場發(fā)散程度,21292F,3.高斯光束的透鏡變換,圖7-38 球面波經(jīng)透鏡變換,21292F,3.高斯光束的透鏡變換,圖7-39 高斯光束經(jīng)透鏡變換,21292F,4.高斯光束的聚焦和準(zhǔn)直,(1)高斯光束的聚焦 由于激光束在打孔、焊接、光盤數(shù)據(jù)讀寫和圖像傳真等方面的應(yīng)用都需要把激光束聚焦成微小的光點，因此設(shè)計優(yōu)良的激光束聚焦系統(tǒng)是非常必要的。 (2)高斯光束的準(zhǔn)直 由于高斯光束具有一定的發(fā)散角，而對激光測量和激光雷達(dá)系統(tǒng)來說，光束的發(fā)散角越小越好，因此了解激光束的準(zhǔn)直系統(tǒng)設(shè)計要求是必要的。,21292F,(1)高斯光束的聚焦,由于激光束在打孔、焊接、光盤數(shù)據(jù)讀寫和圖像傳真等方面的應(yīng)用都需要把激光束聚焦成微小的光點，因此設(shè)計優(yōu)良的激光束聚焦系統(tǒng)是非常必要的。,21292F,(2)高斯光束的準(zhǔn)直,圖7-40 激光準(zhǔn)直系統(tǒng),21292F,二、傅里葉(Fourier)變換光學(xué)系統(tǒng),1.光學(xué)透鏡的傅里葉變換特性 2.傅里葉變換物鏡的光學(xué)設(shè)計要求及結(jié)構(gòu)型式,21292F,1.光學(xué)透鏡的傅里葉變換特性,圖7-41 相干光學(xué)處理系統(tǒng),21292F,2.傅里葉變換物鏡的光學(xué)設(shè)計要求及結(jié)構(gòu)型式,圖7-42 傅里葉變換物鏡的結(jié)構(gòu)型式,21292F,三、掃描光學(xué)系統(tǒng),1.掃描方程式 光束掃描的形式可由多種方法得到，如光學(xué)透鏡掃描、棱鏡掃描、反射鏡掃描、全息掃描和聲光掃描等。 2.光學(xué)掃描系統(tǒng) 掃描光學(xué)系統(tǒng)的種類很多，為簡單起見，本節(jié)只討論光學(xué)掃描系統(tǒng)。 3.掃描物鏡f,21292F,1.掃描方程式,表7-4 掃描孔徑形狀因子,21292F,2.光學(xué)掃描系統(tǒng),圖7-43 物鏡掃描系統(tǒng),21292F,2.光學(xué)掃描系統(tǒng),圖7-44 物鏡后掃描系統(tǒng),21292F,3.掃描物鏡f,圖7-4 物鏡前掃描系統(tǒng),21292F,四、光纖光學(xué)系統(tǒng),1.階躍型光纖的基本原理 2.階躍型光纖束的傳光、傳像特性 階躍型光纖既具有傳遞光能的特性，又具有可撓性，因此在醫(yī)用和工業(yè)內(nèi)窺鏡及其他光纖儀器中常利用光纖束作為傳光和傳像的光學(xué)元件。 3.徑向梯度折射率光纖 梯度折射率光纖根據(jù)其折射率分布形式分為三種。,21292F,四、光纖光學(xué)系統(tǒng),圖7-46 掃描物鏡的成像特性,21292F,四、光纖光學(xué)系統(tǒng),圖7-47 掃描物鏡的結(jié)構(gòu)型式,21292F,1.階躍型光纖的基本原理,圖7-48 階躍型光纖,21292F,1.階躍型光纖的基本原理,圖7-49 光纖束的傳光特性,21292F,2.階躍型光纖束的傳光、傳像特性,(1)傳光束 (2)傳像束 傳像束之所以能傳遞圖像是因為組成傳像束的每一根光纖好比一個像元，當(dāng)傳像束的光纖呈有規(guī)則的排列，即輸入端和輸出端的光纖一一對應(yīng)時，輸入端的圖像(或稱亮暗)被光纖取樣后傳輸?shù)捷敵龆?，如圖7-50所示。,21292F,(1)傳光束,傳像束之所以能傳遞圖像是因為組成傳像束的每一根光纖好比一個像元，當(dāng)傳像束的光纖呈有規(guī)則的排列，即輸入端和輸出端的光纖一一對應(yīng)時，輸入端的圖像(或稱亮暗)被光纖取樣后傳輸?shù)捷敵龆?，如圖7-50所示。但就傳像束中的單根光纖而言，其傳光特性與傳光束中的光纖相同，要求有一定的光能透射比和光譜吸收要求，以保證傳像束能獲得優(yōu)良的彩色傳輸圖像。,21292F,(2)傳像束,圖7-50 傳像束,21292F,(2)傳像束,圖7-51 傳像束的排列,21292F,3.徑向梯度折射率光纖,圖7-52 光線在多層 介質(zhì)中的折射,21292F,3.徑向梯度折射率光纖,圖7-53 光線在梯度折射 率介質(zhì)中的折射