第七章典型光學系統(tǒng)

1、1放大鏡較低的放大率不能滿足人們對近距離物體的極微小細節(jié)進行觀察，須用顯微鏡這種更高放大率的組合光學系統(tǒng)。顯微鏡的目鏡和物鏡都是會聚透鏡（組），兩者的間隔比它們各自的焦距大得多。成像原理成像原理：物AB位于物方焦點外測附近，經物鏡成一放大、倒立的實象AB于目鏡物方焦面上或物方焦面內側附近，再經目鏡成放大虛象AB于眼視距離甚至無限遠處。2一、顯微鏡的視覺放大率一、顯微鏡的視覺放大率因顯微鏡實質是一組合光組，其視覺放大率為：250 ()fmmf 為組合焦距,單位12 ff f 212250ff 表明：顯微鏡的視覺放大率是物鏡垂軸放大率與目鏡視覺放大率的乘積。物鏡倍率有4、10、40、100；目鏡有

2、5、10、15。物鏡的垂軸放大率目鏡的視覺放大率3通用顯微鏡物鏡從物平面到像平面的距離（共軛距），不論放大率如何都是相等的，約為180mm；對生物顯微鏡，我國規(guī)定為195mm。把物鏡和目鏡取下后，所剩的鏡筒長度稱為機械筒長，也是固定的，有160mm、170mm、190mm 。我國以 160mm作為物鏡目鏡定位面的標準距離。二、顯微鏡的線視場二、顯微鏡的線視場物體經物鏡后成像在視場光闌（直徑為D）上，則其線視場為：2Dy視場光闌的大小應與目鏡的視場角一致：2500250eeeeDf tgwtgwDf5002500etgwytgw表明：在選定目鏡后，顯微鏡的視覺放大率越大，其在物空間的線視場越小。

3、4三、顯微鏡的出瞳直徑三、顯微鏡的出瞳直徑普通顯微鏡，物鏡框是孔徑光闌。復雜物鏡，其最后鏡組的鏡框為孔徑光闌。測量用顯微鏡，物鏡像方焦平面上設置專門的孔徑光闌，經目鏡所成的像為出瞳（直徑為D）。則有：sinsinsinsinsinonyun yunuy nuynuf sin2eutguDf又sin500nuDmm500DNAmm NA=nsinu稱為顯微物鏡的數(shù)值孔徑，與物鏡的垂軸放大率一起，刻在物鏡的鏡框上，是一重要光學參數(shù)。5四、顯微鏡的分辨率和有效放大率四、顯微鏡的分辨率和有效放大率分辨率受孔徑光闌的影響，點源形成的像為一個衍射斑，稱為艾里斑，集中83.78%的能量，代表中心位置。根據(jù)瑞

4、利判斷，兩個相鄰像點之間的間隔等于艾里斑的半徑時，則能被光學系統(tǒng)分辨。設艾里斑半徑為a。則：0.61sinanu顯微鏡的分辨率以能分辨的物方兩點間最短距離來表示，即：0.610.61sinanuNA若按道威判斷兩相鄰衍射斑中心距為0.85a時，能被分辨開，即：0.850.5aNA目鏡的理想分辨率6距離為的兩個點不僅被物鏡分辨，且通過顯微鏡放大，能被眼區(qū)分開，設眼的分辨角距離為24。則在明視距離上對應的線距離為：2 250 0.000294 250 0.00029mmmm把換算到物空間，按道威判斷取值，則：0.52 250 0.000294 250 0.00029mmmmNA 設=555nm，得

5、：52310465001000NANANANA 近似得到顯微鏡的有效放大率一般最大的NA為1.5,則有效放大率最大不超過1500倍。顯微鏡上標明170mm/0.17;40/0.65。表示放大率為40，數(shù)值孔徑為0.65,機械筒長170mm，物鏡對玻璃厚度d=0.17mm的玻璃蓋板校正像差的。7五、顯微鏡的景深五、顯微鏡的景深當眼通過顯微鏡調焦于某一平面（對準平面）時，在對準平面前和后一定范圍內的物體也能清晰成像，此距離即為顯微鏡的景深景深。一種為不考慮眼睛調節(jié)能力時顯微鏡本身的景深，為幾何景深幾何景深；另一種為考慮眼睛調節(jié)能力帶來的景深，為調節(jié)景深調節(jié)景深。六、顯微鏡的照明方式六、顯微鏡的照明

6、方式透射光亮視場照明。光通過透明物體產生亮視場。反射光亮視場照明。對不透明的物體，從上面照射產生漫射或規(guī)則的反射形成亮視場。透射光暗視場照明。傾斜入射的照明光束在物體旁側向通過，光束通過物體結構的衍射、折射和反射，射向物鏡，形成物體的像，則獲得暗視場。反射光暗視場照明。在旁側入射到物體上的照明光束經反射后在物鏡側向通過，若無缺陷的放射鏡作為物體，得到一均勻暗視場。8生物顯微鏡多為透明標本，常用透射光亮視場照明，分為臨界照明和柯勒照明。臨界照明臨界照明：把光源的像成在物平面上，故光源表面亮度的不均勻性會影響顯微鏡的觀察效果。聚光鏡的出瞳和像方視場分別與物鏡的入瞳和物方視場重合。9柯勒照明消除了臨

7、界照明中物平面光照度不均勻的缺點，它由兩組透鏡組成，前組透鏡為柯勒鏡，后組透鏡為成像物鏡?？吕甄R的孔闌物鏡的視闌柯勒鏡的視闌物鏡的孔闌柯勒照明是“窗對瞳，瞳對窗”的光管，調節(jié)光闌2有利于減少有害的散射光。調節(jié)1減少有害的雜散光，提高對比度。10eoff 望遠鏡系統(tǒng)是一種能把遠距離物體的張角放大，便于進行觀察和瞄準的目視光學儀器。一、工作原理一、工作原理使入射的平行光束仍保持平行射出的光學系統(tǒng)。其物鏡的像方焦點和目鏡的物方焦點重合。即光學間隔=0，是無焦系統(tǒng)。望遠鏡的物鏡f00,目鏡有兩種：fe0為開普勒望遠鏡。放大率：開普勒望遠鏡oeff 11其視覺放大率為：0()()etgftgDtgtgf

8、D 儀眼眼像方視場角物方視場角手持望遠鏡的放大率不超過10倍，大地測量望遠鏡大約為30倍，天文望遠鏡更高。開普勒望遠鏡成倒像，需加入轉像系統(tǒng)成正像。轉像系統(tǒng)分為棱鏡轉像系統(tǒng)棱鏡轉像系統(tǒng)和透鏡轉像系統(tǒng)透鏡轉像系統(tǒng)。棱鏡轉像系統(tǒng)棱鏡轉像系統(tǒng)用于筒長較短筒長較短且結構緊湊結構緊湊望遠鏡中。不改變其放大率。軍用望遠鏡棱鏡轉像系統(tǒng)12透鏡轉像系統(tǒng)透鏡轉像系統(tǒng)用于長鏡筒的長鏡筒的望遠鏡中。增加系統(tǒng)的長度，改變改變系統(tǒng)的視覺放大率視覺放大率，有單組和雙組兩種形式。雙組系統(tǒng)的兩轉像透鏡之間的光束是平行的，改變兩透鏡之間的距離不會影響系統(tǒng)的光學特性。雙組透鏡轉像系統(tǒng)當整個系統(tǒng)較細長，軸外光線的很大部分將不能通過

9、轉像系統(tǒng)和目鏡，可在中間實像面上或其附近加一適當光焦度的正透鏡，把軸外光線壓低以通過整個系統(tǒng)，這樣不必增加后面光學元件的口徑。這種透鏡稱為場鏡場鏡，對系統(tǒng)的光焦度和放大率和像的位置幾乎不產生影響。13場鏡的作用fe0為伽利略望遠鏡，但因其沒有中間實像，不能設置用來瞄準和定位的分劃板，且放大率小，應用較少。伽利略望遠鏡14二、望遠系統(tǒng)的分辨率及工作放大率二、望遠系統(tǒng)的分辨率及工作放大率望遠鏡的分辨率用極限分辨角極限分辨角表示，按瑞利判斷：0000.61sin21401,sin555aff nuDnufDnm 像空間取按道威判斷有：120D因望遠鏡是目視光學儀器，受人眼分辨率限制，即兩個物點通過儀

10、器后對人眼的視角必須大于人眼的視覺分辨率1。6014060 2.3DD 即為滿足分辨率要求的最小視覺放大率，稱為有效放大率有效放大率（正常）。為看起來舒服常取的23倍，稱為工作放大率。工作放大率。D 15三、望遠鏡的視場三、望遠鏡的視場開普勒望遠鏡的物鏡框是孔徑光闌，也是入瞳；出瞳在目鏡外面，與人眼重合。目鏡框是漸暈光闌，一般允許有50%的漸暈。物鏡的后焦面上放置分劃板，為視場光闌。因此，望遠鏡的物方視場角滿足：0ytgf分劃板半徑其2一般不超過15，人眼觀察時，必須滿足光瞳相銜接，才能看到望遠鏡的全視場。16目鏡的作用與放大鏡類似，把物鏡成的像放大在人眼的遠點或明視距離。其光學參數(shù)有：焦距、

11、視場角、相對焦距、視場角、相對鏡目距、工作距。鏡目距、工作距。一、視場一、視場目鏡的視場取決于望遠鏡的視覺放大率和物方視場角2w，即：tgwtgw 一般可達4050，廣角目鏡可達6080，雙目儀器不超過75。二、鏡目距二、鏡目距指目鏡后表面的頂點到出瞳的距離（P）。相對鏡目距相對鏡目距是其與目鏡焦距之比。17由牛頓公式得：2eeeFFofffPlPlf因此，相對鏡目距：1FeelPff可見當較大時，鏡目距近似等于目鏡的后截距。即：FPl三、工作距三、工作距指目鏡第一面的頂點到其物方焦平面的距離。目鏡的視場光闌與物鏡的視場光闌重合，位于目鏡的前焦平面上。為適應近視眼與遠視眼的需要，視度是可以調節(jié)

12、的，因此工作距要大于視度調節(jié)的深度，視度調節(jié)的范圍一般在5D。18四、常用目鏡的型式四、常用目鏡的型式冉斯登目鏡其視場角達3040，相對鏡目距達0.3，適用于測量顯微鏡和測量望遠鏡。開涅爾目鏡其視場角達4050，相對鏡目距達0.5，結構簡單，像質較好。19對稱式目鏡其視場角達4042，相對鏡目距達0.75，適用于軍用觀察和瞄準儀器。無畸變目鏡其視場角達40，相對鏡目距達0.7，適用于測量儀器。20艾爾弗目鏡其視場角達70，相對鏡目距達0.7，是最常用的一種廣角目鏡?；莞鼓跨R其視場角達4050，相對鏡目距達0.33，焦距不小于15mm。21長出瞳目鏡其視場角達50，用于軍用儀器。目鏡的種類較多

13、，設計時在滿足光學特性要求時，兼顧成像質量和結構的簡單化。22攝影系統(tǒng)是把平面或空間物體成像于感光元件接收面上的光學系統(tǒng)，由攝影物鏡攝影物鏡和感光元件感光元件組成。包括：照相機、電影攝像機、顯微攝影系統(tǒng)、照相制版儀等。一、攝影物鏡的光學特性一、攝影物鏡的光學特性特性參數(shù)：焦距、相對孔徑、視場角。決定成像大小決定像面照度決定成像范圍（一）視場（一）視場視場的大小由物鏡的焦距和接收器的尺寸決定。拍遠處物體時，像的大小為：拍近處物體時，像的大小為：yf tgw yyyfx23感光元件框是視場光闌和出窗，決定成像范圍。當接收器尺寸一定時，物鏡的的焦距越短，視場角越大。越長，視場角越小。廣角物鏡遠攝物鏡

14、普通照相機標準鏡頭的焦距為50mm。拍遠處物體時，物方最大視場角為：maxmax2ytgwf底片的對角線長度（二）分辨率（二）分辨率攝影系統(tǒng)的分辨率由物鏡的分辨率和接收器的分辨率決定，是以像面上每毫米內能分辨開的線對數(shù)表示。24設物鏡的分辨率為NL,接收器的分辨率為Nr，則系統(tǒng)分辨率N為：1147514751.22LLDDNNffF取0.555 m111LrNNN按瑞利判斷，物鏡的分辨率為：物鏡的光圈數(shù)攝影物鏡存在較大像差，物鏡的實際分辨率小于理論分辨率；此外其分辨率還與被攝目標的對比度有關，因此評價其成像質量要用光學傳遞函數(shù)。（三）像面照度（三）像面照度主要取決于相對口徑，由前面知識：222

15、222211sin44PPDDELULELff 當物在無限遠( =0)光瞳垂軸放大率物體亮度25對大視場物鏡，其視場邊緣的照度要比視場中心小很多。4cosMEEw表明：感光底片上的照度分布極不均勻。同一次暴光中，可能中心過度，邊緣不足。一般通過采用可變光闌（光圈）來控制孔徑光闌的大小。使用者根據(jù)天氣選擇。國標規(guī)定F數(shù)為：1，1.4，2，2.8，4，5.6，8，11，16，22，32。像面照度E與暴光時間t的乘積為暴光量。若F提高一檔，則暴光時間增加一倍，才能保證暴光量不變。二、攝影物鏡的類型二、攝影物鏡的類型攝影物鏡屬于大視場、大相對孔徑的光學系統(tǒng)，為了獲得較好的像質，要校正軸上點像差，又要校正軸外點像差。26普通攝影物鏡長焦距攝影物鏡變焦距攝影物鏡27天塞物鏡廣角物鏡遠攝物鏡28雙高斯物鏡短焦距攝影物鏡29一、工作原理一、工作原理投影系統(tǒng)是把一平面物體經照明放大后成一平面實象于接收屏上的系統(tǒng)，可看成一倒置的攝影系統(tǒng)，有較大的垂軸放大率。常有：電影放映機、幻燈機、測量投影儀、光刻投影系統(tǒng)、多媒體投影儀、微縮膠片閱讀儀等。二、投影系統(tǒng)中的照明系統(tǒng)二、投影系統(tǒng)中的照明系統(tǒng)由于像面的照度與放大率的平方成正比，而投影系統(tǒng)的放大率一般較大，尤其在反射照明時大部分光能損失掉，因30此，要提高像面的照度，需選用強光源照明，或增加光源數(shù)目，增