工程光學(xué) 第7章 典型光學(xué)系統(tǒng)

1、2022-6-261第七章第七章 典型光學(xué)系統(tǒng)典型光學(xué)系統(tǒng)2022-6-2622022-6-263 由于成像理論的逐步完善，構(gòu)成了許多在科技由于成像理論的逐步完善，構(gòu)成了許多在科技和經(jīng)濟(jì)中得到廣泛應(yīng)用的光學(xué)系統(tǒng)，例如放大和經(jīng)濟(jì)中得到廣泛應(yīng)用的光學(xué)系統(tǒng)，例如放大鏡、顯微鏡、望遠(yuǎn)鏡、攝影儀器和投影儀器等。鏡、顯微鏡、望遠(yuǎn)鏡、攝影儀器和投影儀器等。 本章主要學(xué)習(xí)這些光學(xué)系統(tǒng)的本章主要學(xué)習(xí)這些光學(xué)系統(tǒng)的成像特性和設(shè)計(jì)成像特性和設(shè)計(jì)要求要求，組成這些光學(xué)系統(tǒng)的，組成這些光學(xué)系統(tǒng)的物鏡和目鏡的結(jié)構(gòu)物鏡和目鏡的結(jié)構(gòu)型式及其主要光學(xué)參數(shù)型式及其主要光學(xué)參數(shù)等。等。2022-6-264已學(xué)過(guò)：折射定律已學(xué)過(guò)：折

2、射定律單個(gè)折射球面單個(gè)折射球面理想光理想光組組平面系統(tǒng)平面系統(tǒng)光束限制光束限制像差像差根據(jù)光學(xué)基本理論，根據(jù)光學(xué)基本理論，將光學(xué)元件合理組合將光學(xué)元件合理組合，得到，得到光學(xué)儀器。光學(xué)儀器。由使用要求決定成像要求，由使用要求決定成像要求，根據(jù)成像要求根據(jù)成像要求設(shè)計(jì)光設(shè)計(jì)光學(xué)系統(tǒng)。學(xué)系統(tǒng)。設(shè)計(jì)過(guò)程就是合理的組合過(guò)程設(shè)計(jì)過(guò)程就是合理的組合過(guò)程。目的：組成儀器，得到實(shí)際應(yīng)用的光學(xué)系統(tǒng)目的：組成儀器，得到實(shí)際應(yīng)用的光學(xué)系統(tǒng)2022-6-265 7-1 人眼及其光學(xué)系統(tǒng)人眼及其光學(xué)系統(tǒng)一、眼睛的結(jié)構(gòu)一、眼睛的結(jié)構(gòu)成像光學(xué)系統(tǒng)成像光學(xué)系統(tǒng) 人眼本身相當(dāng)于攝影光學(xué)系統(tǒng)，在角膜和視人眼本身相當(dāng)于攝影光學(xué)系統(tǒng)

3、，在角膜和視網(wǎng)膜之間的生物構(gòu)造均可以看作成像元。網(wǎng)膜之間的生物構(gòu)造均可以看作成像元。人眼的構(gòu)造剖視圖2022-6-266人眼的構(gòu)造剖視圖* *鞏膜是眼球的第一層保護(hù)膜，白色、不透明、堅(jiān)硬；鞏膜是眼球的第一層保護(hù)膜，白色、不透明、堅(jiān)硬；* *角膜是鞏膜的最前端部分，無(wú)色而透明；眼睛內(nèi)的折射主要發(fā)角膜是鞏膜的最前端部分，無(wú)色而透明；眼睛內(nèi)的折射主要發(fā)生在角膜上；生在角膜上；鞏膜鞏膜角膜角膜脈絡(luò)膜脈絡(luò)膜* *脈絡(luò)膜是眼球的第二層膜，上面有供給眼睛營(yíng)養(yǎng)的網(wǎng)狀微血管；脈絡(luò)膜是眼球的第二層膜，上面有供給眼睛營(yíng)養(yǎng)的網(wǎng)狀微血管；7人眼的構(gòu)造剖視圖* *虹膜是脈絡(luò)膜的最前端部分，含有色素細(xì)胞，決定眼的虹膜是脈絡(luò)

4、膜的最前端部分，含有色素細(xì)胞，決定眼的顏色；顏色；鞏膜鞏膜角膜角膜脈絡(luò)膜脈絡(luò)膜虹膜虹膜瞳孔瞳孔* *瞳孔是虹膜中間的小孔，隨著外界明亮程度的不同，虹瞳孔是虹膜中間的小孔，隨著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徑在直徑在28mm28mm范圍內(nèi)變化范圍內(nèi)變化；它是人眼的孔徑光闌孔徑光闌。2022-6-268人眼的構(gòu)造剖視圖細(xì)胞，錐狀細(xì)胞直徑約細(xì)胞，錐狀細(xì)胞直徑約5 5微米，長(zhǎng)約微米，長(zhǎng)約3535微米；桿狀細(xì)胞直徑約微米；桿狀細(xì)胞直徑約2 2微米微米，長(zhǎng)約，長(zhǎng)約6060微米。它們?cè)诰W(wǎng)膜上的分布式不均勻的。在微米。它們?cè)诰W(wǎng)膜上的分布式不均勻的。在黃斑中心凹黃斑中心凹處處*網(wǎng)膜是眼

5、球的第三層膜，上面布滿著感光元素，即錐狀細(xì)胞和桿狀網(wǎng)膜是眼球的第三層膜，上面布滿著感光元素，即錐狀細(xì)胞和桿狀是錐狀細(xì)胞的密集區(qū)而沒(méi)有桿狀細(xì)胞是錐狀細(xì)胞的密集區(qū)而沒(méi)有桿狀細(xì)胞，由中心向外，逐漸相對(duì)變化；由中心向外，逐漸相對(duì)變化；鞏膜鞏膜角膜角膜脈絡(luò)膜脈絡(luò)膜虹膜虹膜瞳孔瞳孔網(wǎng)膜網(wǎng)膜黃斑中心凹黃斑中心凹9人眼的構(gòu)造剖視圖鞏膜鞏膜角膜角膜 光光脈絡(luò)膜脈絡(luò)膜 盲斑是網(wǎng)膜上沒(méi)有感光元素的地方，不能引起光刺激。盲斑是網(wǎng)膜上沒(méi)有感光元素的地方，不能引起光刺激。虹膜虹膜瞳孔瞳孔網(wǎng)膜網(wǎng)膜黃斑中心凹是人眼視覺(jué)最靈敏的地方。黃斑中心凹是人眼視覺(jué)最靈敏的地方。視神經(jīng)細(xì)胞視神經(jīng)細(xì)胞晶狀體在虹膜后面，是由兩個(gè)不同曲率的面組

6、成的透明體，晶狀體在虹膜后面，是由兩個(gè)不同曲率的面組成的透明體， 黃斑中心凹黃斑中心凹神經(jīng)纖維神經(jīng)纖維盲斑盲斑大腦大腦盲斑盲斑晶狀體晶狀體10人眼的構(gòu)造剖視圖鞏膜鞏膜角膜角膜脈絡(luò)膜脈絡(luò)膜晶狀體的平均折射率為晶狀體的平均折射率為1.401.40，其周?chē)敲珷罴∧芨淖兙铙w的表，其周?chē)敲珷罴∧芨淖兙铙w的表面曲率，使人眼在看遠(yuǎn)近不同的物體面曲率，使人眼在看遠(yuǎn)近不同的物體總能將像成在網(wǎng)膜上。總能將像成在網(wǎng)膜上。虹膜虹膜瞳孔瞳孔網(wǎng)膜網(wǎng)膜晶狀體似雙凸透鏡晶狀體似雙凸透鏡，是眼睛光學(xué)系統(tǒng)的成像元件，其密度和折，是眼睛光學(xué)系統(tǒng)的成像元件，其密度和折 射射率都是不均勻的，由里層到外層逐漸減少，有利于提高成像

7、質(zhì)量。率都是不均勻的，由里層到外層逐漸減少，有利于提高成像質(zhì)量。黃斑中心凹黃斑中心凹 盲斑盲斑晶狀體晶狀體人眼的構(gòu)造剖視圖鞏膜鞏膜角膜角膜角膜和晶狀體之間的空間稱(chēng)為前室；充滿角膜和晶狀體之間的空間稱(chēng)為前室；充滿1.3361.336的水狀液；的水狀液；脈絡(luò)膜脈絡(luò)膜 晶狀體和網(wǎng)膜所包圍的空間稱(chēng)為后室晶狀體和網(wǎng)膜所包圍的空間稱(chēng)為后室; ;充滿充滿1.3361.336的玻狀體的玻狀體虹膜虹膜瞳孔瞳孔網(wǎng)膜網(wǎng)膜黃斑中心凹黃斑中心凹 盲斑盲斑晶狀體晶狀體前室前室后室后室12人眼的構(gòu)造剖視圖鞏膜鞏膜角膜角膜 脈絡(luò)膜脈絡(luò)膜眼睛的像方節(jié)點(diǎn)與中心凹的連線為眼睛的眼睛的像方節(jié)點(diǎn)與中心凹的連線為眼睛的視軸視軸, , 在

8、觀察物在觀察物虹膜虹膜瞳孔瞳孔網(wǎng)膜網(wǎng)膜 體時(shí)眼睛本能地把物體瞄準(zhǔn)在這根軸上。體時(shí)眼睛本能地把物體瞄準(zhǔn)在這根軸上。 黃斑中心凹黃斑中心凹 盲斑盲斑晶狀體晶狀體前室前室后室后室1.3761.3361.336光軸光軸視軸視軸2022-6-2613 眼睛的視場(chǎng)很大，可達(dá)眼睛的視場(chǎng)很大，可達(dá)150150，但只有，但只有黃斑附近黃斑附近才能清才能清晰識(shí)別，其他部分比較模糊，晰識(shí)別，其他部分比較模糊， 所以能看清物體的角度所以能看清物體的角度范圍為范圍為6 86 8。 從光學(xué)角度看，眼睛中最主要的是：從光學(xué)角度看，眼睛中最主要的是：水晶體、視網(wǎng)膜和水晶體、視網(wǎng)膜和瞳孔。瞳孔。 人眼人眼 水晶體水晶體 視網(wǎng)膜

9、視網(wǎng)膜 瞳孔瞳孔 眼睛和照相機(jī)很相似，如果對(duì)應(yīng)起來(lái)看：眼睛和照相機(jī)很相似，如果對(duì)應(yīng)起來(lái)看： 照相機(jī)照相機(jī) 鏡頭鏡頭 底片底片 光闌光闌2022-6-2614人眼相當(dāng)于一架照相機(jī)，它可以自人眼相當(dāng)于一架照相機(jī)，它可以自動(dòng)對(duì)目標(biāo)調(diào)焦動(dòng)對(duì)目標(biāo)調(diào)焦照相機(jī)中，正立的人在底片上成倒像，人眼照相機(jī)中，正立的人在底片上成倒像，人眼也是成倒像也是成倒像但我們感覺(jué)為什么還是正立的？但我們感覺(jué)為什么還是正立的？這是視神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)部作用的結(jié)果。這是視神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)部作用的結(jié)果。2022-6-2615標(biāo)準(zhǔn)眼標(biāo)準(zhǔn)眼：根據(jù)大量的測(cè)量結(jié)果，定出了眼睛的各項(xiàng)光學(xué)常數(shù)，根據(jù)大量的測(cè)量結(jié)果，定出了眼睛的各項(xiàng)光學(xué)常數(shù)，包括角膜、水狀液、玻

10、狀液和水晶體的折射率、各光學(xué)包括角膜、水狀液、玻狀液和水晶體的折射率、各光學(xué)表面的曲率半徑、以及各有關(guān)距離。稱(chēng)滿足這些光學(xué)常表面的曲率半徑、以及各有關(guān)距離。稱(chēng)滿足這些光學(xué)常數(shù)值的眼睛為標(biāo)準(zhǔn)眼。數(shù)值的眼睛為標(biāo)準(zhǔn)眼。 簡(jiǎn)約眼簡(jiǎn)約眼：把標(biāo)準(zhǔn)眼簡(jiǎn)化為一個(gè)折射球面的模型。：把標(biāo)準(zhǔn)眼簡(jiǎn)化為一個(gè)折射球面的模型。 簡(jiǎn)約眼參數(shù)簡(jiǎn)約眼參數(shù)： 2022-6-2616二、眼睛的調(diào)節(jié)二、眼睛的調(diào)節(jié) 眼睛有兩類(lèi)調(diào)節(jié)功能：眼睛有兩類(lèi)調(diào)節(jié)功能：視度調(diào)節(jié)視度調(diào)節(jié) 和和瞳孔瞳孔調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)。 1 1視度調(diào)節(jié)視度調(diào)節(jié) 遠(yuǎn)近不同的物體，物距不同，則不會(huì)成像在視遠(yuǎn)近不同的物體，物距不同，則不會(huì)成像在視網(wǎng)膜上，這樣我們就看不清。網(wǎng)膜上，這樣

11、我們就看不清。 要想看清其他的物體，人眼就要自動(dòng)地調(diào)節(jié)眼要想看清其他的物體，人眼就要自動(dòng)地調(diào)節(jié)眼睛中水晶體的焦距，使像落在視網(wǎng)膜上。睛中水晶體的焦距，使像落在視網(wǎng)膜上。 眼睛自動(dòng)改變焦距的過(guò)程眼睛自動(dòng)改變焦距的過(guò)程稱(chēng)為稱(chēng)為眼睛的調(diào)節(jié)眼睛的調(diào)節(jié)。2022-6-2617 正常人眼在完全放松的自然狀態(tài)下，無(wú)限遠(yuǎn)目正常人眼在完全放松的自然狀態(tài)下，無(wú)限遠(yuǎn)目標(biāo)成像在視網(wǎng)膜上，即標(biāo)成像在視網(wǎng)膜上，即眼睛的像方焦點(diǎn)在視網(wǎng)膜上。眼睛的像方焦點(diǎn)在視網(wǎng)膜上。 在觀察近距離物體時(shí)，人眼水晶體周?chē)∪馐赵谟^察近距離物體時(shí)，人眼水晶體周?chē)∪馐湛s，使水晶體前表面半徑變小縮，使水晶體前表面半徑變小 眼睛光學(xué)系統(tǒng)的焦距變短眼

12、睛光學(xué)系統(tǒng)的焦距變短，后焦點(diǎn)前移，后焦點(diǎn)前移，從而使該物體的像成在視網(wǎng)膜上。從而使該物體的像成在視網(wǎng)膜上。2022-6-2618 當(dāng)肌肉在最緊張時(shí)（通過(guò)調(diào)節(jié)），眼睛所能看清當(dāng)肌肉在最緊張時(shí)（通過(guò)調(diào)節(jié)），眼睛所能看清的最近的點(diǎn)稱(chēng)為的最近的點(diǎn)稱(chēng)為近點(diǎn)近點(diǎn)，其相應(yīng)的距離稱(chēng)為，其相應(yīng)的距離稱(chēng)為近點(diǎn)距近點(diǎn)距離離，以，以 表示（米）表示（米） 正常眼睛的遠(yuǎn)點(diǎn)距為正常眼睛的遠(yuǎn)點(diǎn)距為負(fù)的負(fù)的無(wú)限遠(yuǎn)，非正常眼睛無(wú)限遠(yuǎn)，非正常眼睛（遠(yuǎn)視或近視）的遠(yuǎn)點(diǎn)距為一（遠(yuǎn)視或近視）的遠(yuǎn)點(diǎn)距為一正正/ /負(fù)負(fù)的有限值。的有限值。 這里這里必須指出必須指出，近點(diǎn)距離，近點(diǎn)距離并不是并不是明視距離明視距離 rlpl 當(dāng)肌肉在最放松

13、時(shí)（通過(guò)調(diào)節(jié)），眼睛所能看清當(dāng)肌肉在最放松時(shí)（通過(guò)調(diào)節(jié)），眼睛所能看清的最遠(yuǎn)的點(diǎn)稱(chēng)為的最遠(yuǎn)的點(diǎn)稱(chēng)為遠(yuǎn)點(diǎn)遠(yuǎn)點(diǎn)，其相應(yīng)的距離稱(chēng)為，其相應(yīng)的距離稱(chēng)為遠(yuǎn)點(diǎn)距遠(yuǎn)點(diǎn)距離離，以，以 表示（米）表示（米） 2022-6-2619明視距離明視距離 是指正常的眼睛在正常照明（約是指正常的眼睛在正常照明（約5050勒克斯）勒克斯）下下最方便和最習(xí)慣的工作距離最方便和最習(xí)慣的工作距離，它等于，它等于250mm250mm。 11rpARPll它不同于人眼的近點(diǎn)距，兩者不能混淆它不同于人眼的近點(diǎn)距，兩者不能混淆 人眼的人眼的調(diào)節(jié)能力調(diào)節(jié)能力是用遠(yuǎn)點(diǎn)距離的倒數(shù)和近點(diǎn)距是用遠(yuǎn)點(diǎn)距離的倒數(shù)和近點(diǎn)距離的倒數(shù)之差來(lái)描述，用離的倒數(shù)

14、之差來(lái)描述，用A A來(lái)表示，即來(lái)表示，即A A稱(chēng)為稱(chēng)為眼睛的調(diào)節(jié)范圍或調(diào)節(jié)能力。眼睛的調(diào)節(jié)范圍或調(diào)節(jié)能力。 2022-6-2620 10.1Dl 當(dāng)人眼觀察在調(diào)解范圍內(nèi)的某一距離當(dāng)人眼觀察在調(diào)解范圍內(nèi)的某一距離l l 處的物處的物體時(shí)，它總能清晰地成像在視網(wǎng)膜上。體時(shí)，它總能清晰地成像在視網(wǎng)膜上。 l l 的單位為米，則其的單位為米，則其倒數(shù)倒數(shù)稱(chēng)為稱(chēng)為視度視度，單位為，單位為屈光度屈光度如觀察眼前如觀察眼前1010米的物體，對(duì)應(yīng)的視度為米的物體，對(duì)應(yīng)的視度為 屈光度。屈光度。 1Dl近點(diǎn)距倒數(shù)近點(diǎn)距倒數(shù) 稱(chēng)為稱(chēng)為近點(diǎn)視度近點(diǎn)視度。 1pPl在醫(yī)院和眼鏡店通常把在醫(yī)院和眼鏡店通常把1 1屈光度

15、屈光度稱(chēng)為稱(chēng)為100100度度。 人眼的調(diào)節(jié)能力隨年齡的增加而變化。人眼的調(diào)節(jié)能力隨年齡的增加而變化。隨著年齡的增大，遠(yuǎn)點(diǎn)位置往近移，近點(diǎn)位置往遠(yuǎn)隨著年齡的增大，遠(yuǎn)點(diǎn)位置往近移，近點(diǎn)位置往遠(yuǎn)移，因而調(diào)節(jié)范圍減少。移，因而調(diào)節(jié)范圍減少。 遠(yuǎn)點(diǎn)距倒數(shù)遠(yuǎn)點(diǎn)距倒數(shù) 稱(chēng)為稱(chēng)為遠(yuǎn)點(diǎn)視度遠(yuǎn)點(diǎn)視度， 1rRl2022-6-2622正常眼在不同年齡時(shí)的調(diào)節(jié)能力：正常眼在不同年齡時(shí)的調(diào)節(jié)能力：年 齡(歲) 近點(diǎn)距p(米) (屈光度) 遠(yuǎn)點(diǎn)距r(米) (屈光度) (屈光度) 10 -0.071 -14 0 14 20 -0.100 -10 0 10 30 -0.143 -7 0 7 40 -0.222 -4.5 0

16、 4.5 50 -0.40 -2.5 0 2.5 60 -2.00 -0.5 2.0 0.5 1.00 70 1.00 1.00 0.80 1.25 0.25 80 0.40 2.50 0.40 2.5 0.00 2022-6-26232 2、眼睛的缺陷和矯正、眼睛的缺陷和矯正F正常眼在肌肉完全放松的自然狀態(tài)正常眼在肌肉完全放松的自然狀態(tài)下，能夠看清楚無(wú)限遠(yuǎn)處的物體，下，能夠看清楚無(wú)限遠(yuǎn)處的物體，即遠(yuǎn)點(diǎn)應(yīng)在無(wú)限遠(yuǎn)，像方焦點(diǎn)正好即遠(yuǎn)點(diǎn)應(yīng)在無(wú)限遠(yuǎn)，像方焦點(diǎn)正好和視網(wǎng)膜重合和視網(wǎng)膜重合 FF 若不符合這一條件就是若不符合這一條件就是非正常眼，或稱(chēng)非正常眼，或稱(chēng)視力不正常視力不正常 F 最常見(jiàn)的有近視

17、眼和遠(yuǎn)視眼最常見(jiàn)的有近視眼和遠(yuǎn)視眼2022-6-2624F 所謂所謂近視眼近視眼就是其遠(yuǎn)點(diǎn)在眼睛前方就是其遠(yuǎn)點(diǎn)在眼睛前方有限有限距離處（距離處（r r 0 0 0），近點(diǎn)在），近點(diǎn)在明視距離以外，即明視距離以外，即近點(diǎn)變遠(yuǎn)近點(diǎn)變遠(yuǎn)。 這是由于眼球偏短這是由于眼球偏短晶狀晶狀體曲率太大體曲率太大，像方焦點(diǎn)，像方焦點(diǎn)位于視網(wǎng)膜的之后所致。位于視網(wǎng)膜的之后所致。因此，射入眼睛的光束因此，射入眼睛的光束只有是會(huì)聚時(shí)，才能正只有是會(huì)聚時(shí)，才能正好聚焦在視網(wǎng)膜上。好聚焦在視網(wǎng)膜上。 對(duì)應(yīng)著正視度，需以對(duì)應(yīng)著正視度，需以正透鏡正透鏡來(lái)使其遠(yuǎn)點(diǎn)恢復(fù)到無(wú)限遠(yuǎn)。來(lái)使其遠(yuǎn)點(diǎn)恢復(fù)到無(wú)限遠(yuǎn)。 遠(yuǎn)點(diǎn)距遠(yuǎn)點(diǎn)距 的倒數(shù)，表示

18、近視眼或遠(yuǎn)視眼的的倒數(shù)，表示近視眼或遠(yuǎn)視眼的視度視度，單位，單位為屈光度為屈光度D D，醫(yī)院把，醫(yī)院把1D1D稱(chēng)為稱(chēng)為100100度。度。rl 統(tǒng)一思想：先將無(wú)限遠(yuǎn)物體成像于遠(yuǎn)點(diǎn)，再經(jīng)遠(yuǎn)點(diǎn)成統(tǒng)一思想：先將無(wú)限遠(yuǎn)物體成像于遠(yuǎn)點(diǎn)，再經(jīng)遠(yuǎn)點(diǎn)成像于視網(wǎng)膜：像于視網(wǎng)膜：所需透鏡（即眼鏡）的焦距為：所需透鏡（即眼鏡）的焦距為：rfl 例題例題1 1：一個(gè)年齡：一個(gè)年齡5050歲的人，近點(diǎn)距離為歲的人，近點(diǎn)距離為-0.4m-0.4m，遠(yuǎn)點(diǎn)距，遠(yuǎn)點(diǎn)距離為無(wú)限遠(yuǎn)，試求他的眼睛的調(diào)節(jié)范圍。離為無(wú)限遠(yuǎn)，試求他的眼睛的調(diào)節(jié)范圍。 例題例題2 2：某人對(duì)其眼前：某人對(duì)其眼前2m2m遠(yuǎn)的物體看不清，另一人對(duì)遠(yuǎn)的物體看不清

19、，另一人對(duì)其眼前其眼前0.5m0.5m以內(nèi)的物體看不清，問(wèn)分別需要配上怎樣以內(nèi)的物體看不清，問(wèn)分別需要配上怎樣光焦度的眼鏡才能恢復(fù)正常？光焦度的眼鏡才能恢復(fù)正常？ 例題例題2 2解：解：第一個(gè)為近視，所需眼鏡的光焦度為第一個(gè)為近視，所需眼鏡的光焦度為10.52D 第二個(gè)為遠(yuǎn)視，所需眼鏡的光焦度為第二個(gè)為遠(yuǎn)視，所需眼鏡的光焦度為1120.250.5D2022-6-26272022-6-2628目視光學(xué)儀器視度調(diào)節(jié)目視光學(xué)儀器視度調(diào)節(jié) 人眼的視覺(jué)缺陷可以在眼前加以透鏡可以矯正人眼的視覺(jué)缺陷可以在眼前加以透鏡可以矯正 目視光學(xué)儀器要適應(yīng)不同視力的人使用目視光學(xué)儀器要適應(yīng)不同視力的人使用 為此，目鏡可

20、以改變其前后的位置，使儀器所成的像為此，目鏡可以改變其前后的位置，使儀器所成的像不再位于無(wú)限遠(yuǎn)，而位于目鏡的前方或后方一定的位不再位于無(wú)限遠(yuǎn)，而位于目鏡的前方或后方一定的位置置 這就是目視光學(xué)儀器的視度調(diào)節(jié)這就是目視光學(xué)儀器的視度調(diào)節(jié)2022-6-2629物鏡物鏡目鏡目鏡正常眼正常眼近視眼近視眼遠(yuǎn)視眼遠(yuǎn)視眼F眼眼F眼眼F眼眼2022-6-2630三眼睛三眼睛輻射接收器輻射接收器人眼還能在不同亮暗程度的條件下工作。人眼還能在不同亮暗程度的條件下工作。這就是人眼的另一個(gè)特性這就是人眼的另一個(gè)特性，具有對(duì)周?chē)臻g光亮情具有對(duì)周?chē)臻g光亮情況適應(yīng)的過(guò)程況適應(yīng)的過(guò)程 稱(chēng)為稱(chēng)為適應(yīng)適應(yīng)（即為（即為瞳孔的調(diào)

21、節(jié)瞳孔的調(diào)節(jié)）。）。適應(yīng)有暗適應(yīng)和亮適應(yīng)兩種，前者發(fā)生在自亮處到適應(yīng)有暗適應(yīng)和亮適應(yīng)兩種，前者發(fā)生在自亮處到暗處時(shí)，過(guò)程較慢，極限為暗處時(shí)，過(guò)程較慢，極限為6060分鐘；后者發(fā)生在自分鐘；后者發(fā)生在自暗處到亮處時(shí)，過(guò)程較快，只需要幾分鐘。暗處到亮處時(shí)，過(guò)程較快，只需要幾分鐘。 人眼最敏感的波長(zhǎng)為，人眼最敏感的波長(zhǎng)為，555nm555nm。2022-6-2631四、眼睛的分辨率（分辨本領(lǐng)）四、眼睛的分辨率（分辨本領(lǐng)）?人眼的分辨率一般用人眼的分辨率一般用極限分辨角極限分辨角來(lái)表示。來(lái)表示。 人眼的分辨率是眼睛的重要光學(xué)特性，同時(shí)也是人眼的分辨率是眼睛的重要光學(xué)特性，同時(shí)也是目視光學(xué)儀器設(shè)計(jì)的重要

22、依據(jù)之一。目視光學(xué)儀器設(shè)計(jì)的重要依據(jù)之一。 用其它觀測(cè)設(shè)備（如照相機(jī)、用其它觀測(cè)設(shè)備（如照相機(jī)、CCDCCD等）替代人眼等）替代人眼時(shí)也可據(jù)此作為參考。時(shí)也可據(jù)此作為參考。?眼睛能分辨出兩個(gè)非常近的點(diǎn)的能力眼睛能分辨出兩個(gè)非常近的點(diǎn)的能力稱(chēng)為眼睛的分稱(chēng)為眼睛的分辨率（分辨本領(lǐng)）辨率（分辨本領(lǐng)）2022-6-2632四、眼睛的分辨率（分辨本領(lǐng)）四、眼睛的分辨率（分辨本領(lǐng)）?人眼的分辨率一般用人眼的分辨率一般用極限分辨角極限分辨角來(lái)表示。來(lái)表示。 人眼的分辨率是眼睛的重要光學(xué)特性，同時(shí)也是人眼的分辨率是眼睛的重要光學(xué)特性，同時(shí)也是目視光學(xué)儀器設(shè)計(jì)的重要依據(jù)之一。目視光學(xué)儀器設(shè)計(jì)的重要依據(jù)之一。 用

23、其它觀測(cè)設(shè)備（如照相機(jī)、用其它觀測(cè)設(shè)備（如照相機(jī)、CCDCCD等）替代人眼等）替代人眼時(shí)也可據(jù)此作為參考。時(shí)也可據(jù)此作為參考。?眼睛能分辨出兩個(gè)非常近的點(diǎn)的能力眼睛能分辨出兩個(gè)非常近的點(diǎn)的能力稱(chēng)為眼睛的分稱(chēng)為眼睛的分辨率（分辨本領(lǐng)）辨率（分辨本領(lǐng)）2022-6-2633?人眼剛能將兩點(diǎn)分開(kāi)的視角人眼剛能將兩點(diǎn)分開(kāi)的視角稱(chēng)為眼睛的極限分辨角稱(chēng)為眼睛的極限分辨角?人眼分辨率人眼分辨率與與極限分辨角極限分辨角成反比成反比關(guān)系關(guān)系 現(xiàn)在從現(xiàn)在從兩個(gè)不同的角度兩個(gè)不同的角度來(lái)分析眼睛的極限分辨角的大來(lái)分析眼睛的極限分辨角的大小。小。 首先從人眼的視網(wǎng)膜結(jié)構(gòu)上來(lái)分析：首先從人眼的視網(wǎng)膜結(jié)構(gòu)上來(lái)分析： ?眼

24、睛在看物空間兩點(diǎn)時(shí)，這兩點(diǎn)對(duì)眼睛眼睛在看物空間兩點(diǎn)時(shí)，這兩點(diǎn)對(duì)眼睛物方節(jié)點(diǎn)物方節(jié)點(diǎn)的張的張角成為兩點(diǎn)間的角成為兩點(diǎn)間的角距離角距離或稱(chēng)為或稱(chēng)為視角視角2022-6-2634 如果兩個(gè)點(diǎn)的像分別落在被如果兩個(gè)點(diǎn)的像分別落在被分隔開(kāi)的兩個(gè)視網(wǎng)膜細(xì)胞上，分隔開(kāi)的兩個(gè)視網(wǎng)膜細(xì)胞上，即得到即得到兩個(gè)點(diǎn)的視覺(jué)兩個(gè)點(diǎn)的視覺(jué) 由此可見(jiàn)，眼睛的分辨率與視由此可見(jiàn)，眼睛的分辨率與視網(wǎng)膜上兩像點(diǎn)網(wǎng)膜上兩像點(diǎn)距離距離及視覺(jué)細(xì)胞及視覺(jué)細(xì)胞的的直徑直徑大小有關(guān)大小有關(guān) 當(dāng)兩像點(diǎn)的間距大于（或等于）視覺(jué)當(dāng)兩像點(diǎn)的間距大于（或等于）視覺(jué)細(xì)胞的直徑時(shí)，就認(rèn)為眼睛可以分辨。細(xì)胞的直徑時(shí)，就認(rèn)為眼睛可以分辨。 人眼的極限分辨角人眼

25、的極限分辨角可表示為可表示為 1.221.22 0.00055DD2022-6-2635 可以看出，極限分辨角不僅與入射光線的波長(zhǎng)有可以看出，極限分辨角不僅與入射光線的波長(zhǎng)有關(guān)，而且還與眼睛的瞳孔直徑有關(guān)。關(guān)，而且還與眼睛的瞳孔直徑有關(guān)。 = 50 120” = 50 120”； 在在良好的照明條件良好的照明條件下，一般認(rèn)為下，一般認(rèn)為 = 60= 60” = 1 = 1為為人人眼的極限分辨角為眼的極限分辨角為。 在設(shè)計(jì)光學(xué)系統(tǒng)時(shí)就必須考慮眼睛的分辨率。在設(shè)計(jì)光學(xué)系統(tǒng)時(shí)就必須考慮眼睛的分辨率。1.221.22 0.00055DD 例題：迎面而來(lái)的汽車(chē)的兩個(gè)頭燈，相距例題：迎面而來(lái)的汽車(chē)的兩個(gè)頭

26、燈，相距1m1m。問(wèn)，汽。問(wèn)，汽車(chē)在離多遠(yuǎn)時(shí)，它們剛能為人眼所分辨？假定人眼瞳車(chē)在離多遠(yuǎn)時(shí)，它們剛能為人眼所分辨？假定人眼瞳孔直徑為孔直徑為3mm3mm，光在空氣中的波長(zhǎng)為，光在空氣中的波長(zhǎng)為500nm500nm。作業(yè)：作業(yè)：求人眼可分辨明視距處的最小線距離為多少？求人眼可分辨明視距處的最小線距離為多少？已知人眼已知人眼瞳孔瞳孔直徑直徑D D為為5mm5mm，人眼最敏感的波長(zhǎng)為，人眼最敏感的波長(zhǎng)為550nm550nm，人眼的明視距離為人眼的明視距離為25cm25cm，視網(wǎng)膜至瞳孔的距離為，視網(wǎng)膜至瞳孔的距離為22mm22mm。解：人眼的極限分辨角為：解：人眼的極限分辨角為：9331.221.2

27、2 500 100.2033 103 10radD設(shè)汽車(chē)在設(shè)汽車(chē)在 遠(yuǎn)時(shí)剛能被人眼所分辨，則兩車(chē)燈對(duì)人眼遠(yuǎn)時(shí)剛能被人眼所分辨，則兩車(chē)燈對(duì)人眼的張角為：的張角為：l1/ 2tan22l得得4918.8lm2022-6-2637 經(jīng)常需要將一條直線重合到另一經(jīng)常需要將一條直線重合到另一條直線，但是，條直線，但是，要使兩條直線完要使兩條直線完全重合是不可能的全重合是不可能的 眼睛雖具有發(fā)現(xiàn)一個(gè)平面上兩根眼睛雖具有發(fā)現(xiàn)一個(gè)平面上兩根平行直線的不重合能力，但也有平行直線的不重合能力，但也有一定的限度一定的限度 這個(gè)不重合限度的極限值稱(chēng)為這個(gè)不重合限度的極限值稱(chēng)為人人眼的瞄準(zhǔn)精度眼的瞄準(zhǔn)精度。 人眼的瞄準(zhǔn)

28、精度一般用人眼的瞄準(zhǔn)精度一般用角度值角度值來(lái)表示來(lái)表示 五、眼睛的瞄準(zhǔn)精度五、眼睛的瞄準(zhǔn)精度2022-6-2638 即即兩線寬的兩線寬的幾何中心線幾何中心線對(duì)人眼對(duì)人眼的的張角張角小于某一角度值小于某一角度值 時(shí)，時(shí)，雖然還存在著不重合，但眼睛雖然還存在著不重合，但眼睛已經(jīng)認(rèn)為是完全重合的，這時(shí)已經(jīng)認(rèn)為是完全重合的，這時(shí) 角度值即為人眼瞄準(zhǔn)精度。角度值即為人眼瞄準(zhǔn)精度。 人眼對(duì)于人眼對(duì)于線條的變形線條的變形或或兩條線錯(cuò)開(kāi)兩條線錯(cuò)開(kāi)造成的外形變化或造成的外形變化或比較兩條線寬的比較兩條線寬的變化變化具有很高的靈敏度。形成對(duì)眼具有很高的靈敏度。形成對(duì)眼睛瞄準(zhǔn)有利的條件。睛瞄準(zhǔn)有利的條件。2022-

29、6-2639 瞄準(zhǔn)精度瞄準(zhǔn)精度和和分辨率分辨率是兩個(gè)概念。是兩個(gè)概念。 又有一定的聯(lián)系，經(jīng)驗(yàn)證明，又有一定的聯(lián)系，經(jīng)驗(yàn)證明，人眼的最高瞄準(zhǔn)人眼的最高瞄準(zhǔn)精度約為分辨率的精度約為分辨率的1/61/6至至1/101/10。 1 1、兩實(shí)線瞄準(zhǔn)、兩實(shí)線瞄準(zhǔn) 60 60 2 2、兩實(shí)線端部瞄準(zhǔn)、兩實(shí)線端部瞄準(zhǔn)1020 1020 4 4、雙線平分或?qū)ΨQ(chēng)瞄準(zhǔn)、雙線平分或?qū)ΨQ(chēng)瞄準(zhǔn)510 510 3 3、叉線瞄準(zhǔn)精度、叉線瞄準(zhǔn)精度510 510 2022-6-2640 眼睛在觀察物體時(shí)，除了一般的物體特征外，還能夠眼睛在觀察物體時(shí)，除了一般的物體特征外，還能夠產(chǎn)生遠(yuǎn)近的感覺(jué)，被稱(chēng)為產(chǎn)生遠(yuǎn)近的感覺(jué)，被稱(chēng)為“空間

30、深度感覺(jué)空間深度感覺(jué)”六、空間深度感覺(jué)和雙眼立體視覺(jué)六、空間深度感覺(jué)和雙眼立體視覺(jué) 單眼或雙眼都能產(chǎn)生這種感覺(jué)單眼或雙眼都能產(chǎn)生這種感覺(jué) 單眼深度感覺(jué)來(lái)源：?jiǎn)窝凵疃雀杏X(jué)來(lái)源： 1 1）物體高度已知，它所對(duì)應(yīng)的視角大小來(lái)判斷其遠(yuǎn)近）物體高度已知，它所對(duì)應(yīng)的視角大小來(lái)判斷其遠(yuǎn)近 2 2）物體之間的遮蔽關(guān)系和陽(yáng)光的陰影來(lái)判斷它們相對(duì)）物體之間的遮蔽關(guān)系和陽(yáng)光的陰影來(lái)判斷它們相對(duì)位置位置 3 3）對(duì)物體細(xì)節(jié)的鑒別程度和空氣的透明度所產(chǎn)生的深）對(duì)物體細(xì)節(jié)的鑒別程度和空氣的透明度所產(chǎn)生的深度感覺(jué)度感覺(jué) 4 4）眼睛的調(diào)節(jié)程度來(lái)判斷物體的遠(yuǎn)近。）眼睛的調(diào)節(jié)程度來(lái)判斷物體的遠(yuǎn)近。2022-6-2641 雙眼觀

31、察雙眼觀察的深度感覺(jué)除上述因素外：的深度感覺(jué)除上述因素外： 5 5）物體的距離越近，視軸之間的夾角越大，這種）物體的距離越近，視軸之間的夾角越大，這種感覺(jué)使眼球發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)的肌肉緊張程度就不同，據(jù)感覺(jué)使眼球發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)的肌肉緊張程度就不同，據(jù)此就能判斷物體的遠(yuǎn)近；此就能判斷物體的遠(yuǎn)近； 6 6）雙眼立體視覺(jué)（簡(jiǎn)稱(chēng)體視）雙眼立體視覺(jué)（簡(jiǎn)稱(chēng)體視） 稱(chēng)為稱(chēng)為“視差角視差角”ABBABAa2b2a1b1Aa1a22211bababbll2022-6-2642其極限值其極限值 稱(chēng)為稱(chēng)為“體視銳度體視銳度” 當(dāng)當(dāng)A、B兩點(diǎn)距離不等時(shí)，兩點(diǎn)距離不等時(shí)， 或或 產(chǎn)生了遠(yuǎn)近的感覺(jué)產(chǎn)生了遠(yuǎn)近的感覺(jué) 被稱(chēng)為雙眼立體視覺(jué)被稱(chēng)

32、為雙眼立體視覺(jué) ABmin2211babaABABb2a2a1b1lbABABb2a2a1b1ABmin約為約為10”，有可能達(dá)到，有可能達(dá)到5”或或3”2022-6-2643 當(dāng)物點(diǎn)對(duì)應(yīng)的視角差當(dāng)物點(diǎn)對(duì)應(yīng)的視角差 等于等于 時(shí)，人眼剛時(shí)，人眼剛能分辨出它和無(wú)限遠(yuǎn)物點(diǎn)之間的距離差別能分辨出它和無(wú)限遠(yuǎn)物點(diǎn)之間的距離差別 即反映了人眼可能分辨出物點(diǎn)遠(yuǎn)近的最大距即反映了人眼可能分辨出物點(diǎn)遠(yuǎn)近的最大距離離 人眼瞳孔之間的平均距離為人眼瞳孔之間的平均距離為b b=62mm=62mm，L Lmaxmax稱(chēng)為稱(chēng)為立體視覺(jué)半徑立體視覺(jué)半徑minmin10maxmin0.06220600120010blm202

33、2-6-2644 利用儀器觀察物體時(shí)，必須采用雙利用儀器觀察物體時(shí)，必須采用雙眼儀器來(lái)保持人眼的體視能力，這眼儀器來(lái)保持人眼的體視能力，這種儀器稱(chēng)為種儀器稱(chēng)為“雙眼望遠(yuǎn)鏡雙眼望遠(yuǎn)鏡”和和“雙雙眼顯微鏡眼顯微鏡” 利用體視儀器可以提高人眼的體視利用體視儀器可以提高人眼的體視能力能力 雙眼儀器的體視放大率雙眼儀器的體視放大率 人眼直接觀察時(shí)的視角差人眼直接觀察時(shí)的視角差眼眼為為 儀眼BABAA-Bbl眼2022-6-2645視覺(jué)錯(cuò)覺(jué)2022-6-26462022-6-26472022-6-26482022-6-2649 7.2 放大鏡放大鏡 物體對(duì)眼睛的視角，物體對(duì)眼睛的視角，不僅取決于物體的大小

34、不僅取決于物體的大小，還取決，還取決于該于該物體到眼睛的距離物體到眼睛的距離，距離越近視角越大，距離越近視角越大 在近處觀察細(xì)小物體其在近處觀察細(xì)小物體其視角視角小于小于人眼極限分辨角人眼極限分辨角 在遠(yuǎn)處觀察相鄰物體其在遠(yuǎn)處觀察相鄰物體其視角視角小于小于人眼極限分辨角人眼極限分辨角 就需要借助放大鏡、顯微鏡或望遠(yuǎn)鏡將其放大，使就需要借助放大鏡、顯微鏡或望遠(yuǎn)鏡將其放大，使像像的視角的視角大于人眼的極限分辨角大于人眼的極限分辨角 擴(kuò)大視角是目視光學(xué)擴(kuò)大視角是目視光學(xué)儀器的第一個(gè)要求儀器的第一個(gè)要求一、放大鏡的工作原理一、放大鏡的工作原理2022-6-2650 因?yàn)檠劬νㄟ^(guò)因?yàn)檠劬νㄟ^(guò)放大鏡放大鏡

35、或或顯微鏡顯微鏡等目視光學(xué)儀器來(lái)觀察物等目視光學(xué)儀器來(lái)觀察物體時(shí)，所看到的是體時(shí)，所看到的是在眼睛視網(wǎng)膜上的物體像的大小在眼睛視網(wǎng)膜上的物體像的大小。 放大鏡的放大率應(yīng)為：放大鏡的放大率應(yīng)為： 通過(guò)通過(guò)放大鏡放大鏡觀察物體時(shí)，觀察物體時(shí)，物體像的視角物體像的視角 正切正切與與人眼直接觀察該物體時(shí)的視角人眼直接觀察該物體時(shí)的視角 正切正切之比之比。 這種放大率稱(chēng)為這種放大率稱(chēng)為視角放大率視角放大率。 用字母用字母 表示表示tgtgtgtg眼儀 放大鏡的放大鏡的放大率放大率 與眼睛一起使用的目視光學(xué)儀器，其放大作用與眼睛一起使用的目視光學(xué)儀器，其放大作用不能不能由由橫橫向放大率向放大率來(lái)表征。來(lái)表

36、征。2022-6-2651 物體經(jīng)放大鏡成像的簡(jiǎn)圖物體經(jīng)放大鏡成像的簡(jiǎn)圖 yyABABFFP-ff -xa a x ytg250ytg 虛像虛像AB AB 對(duì)眼睛所張的對(duì)眼睛所張的視角的正切為視角的正切為 眼睛直接去觀察物體時(shí)，是將其放眼睛直接去觀察物體時(shí)，是將其放在明視距離在明視距離250mm250mm處。此時(shí)物體對(duì)處。此時(shí)物體對(duì)人眼張角的正切為人眼張角的正切為2022-6-2652 放大鏡的放大率放大鏡的放大率 可由下式求得可由下式求得y a x yy a x ytgtg250250 f xy y a x x f250 將橫向放大率將橫向放大率 代入上式得代入上式得2022-6-2653

37、由此可見(jiàn)，放大鏡的放大率，除了和其由此可見(jiàn)，放大鏡的放大率，除了和其焦距有關(guān)焦距有關(guān)之外，之外，還和還和眼睛離開(kāi)放大鏡眼睛離開(kāi)放大鏡的距離有關(guān)的距離有關(guān) f250 在實(shí)際使用過(guò)程中，在實(shí)際使用過(guò)程中，眼瞳大致位于放大鏡的像眼瞳大致位于放大鏡的像方焦點(diǎn)的方焦點(diǎn)的附近附近 放大鏡的放大率僅由放大鏡的焦距放大鏡的放大率僅由放大鏡的焦距f f 所決定，所決定，焦距越大則放大率越小。焦距越大則放大率越小。 上式分母中的上式分母中的a a相對(duì)于相對(duì)于x x而言，是一個(gè)很小的值，而言，是一個(gè)很小的值，可以略去?？梢月匀?。 放大鏡放大率的公式，通常采用以下形式放大鏡放大率的公式，通常采用以下形式2022-6-

38、2654 一般情況下，眼瞳為孔闌也是出瞳，放大鏡是漸暈一般情況下，眼瞳為孔闌也是出瞳，放大鏡是漸暈光闌。本系統(tǒng)沒(méi)有實(shí)像面，因此沒(méi)有視場(chǎng)光闌。光闌。本系統(tǒng)沒(méi)有實(shí)像面，因此沒(méi)有視場(chǎng)光闌。 2tan/h d 漸暈系數(shù)漸暈系數(shù)K=50%K=50%時(shí)，時(shí)， 因?yàn)榉糯箸R用于觀察近距離小因?yàn)榉糯箸R用于觀察近距離小物體，故放大鏡的視場(chǎng)通常用物體，故放大鏡的視場(chǎng)通常用物方線視場(chǎng)物方線視場(chǎng)2y2y表示。表示。2022-6-2655以以 50% 50% 時(shí)的線視場(chǎng)為例，有時(shí)的線視場(chǎng)為例，有2050022tanhyfmmd2yh放大鏡直徑大，則視場(chǎng)大放大鏡直徑大，則視場(chǎng)大 12yd人眼離放大鏡距離近，則視場(chǎng)大人眼離放

39、大鏡距離近，則視場(chǎng)大 012y 放大鏡倍率小，則視場(chǎng)大放大鏡倍率小，則視場(chǎng)大 2022-6-2656例題：有一焦距為例題：有一焦距為50mm50mm，口徑為，口徑為50mm50mm的放大鏡，眼睛到的放大鏡，眼睛到它的距離為它的距離為125mm125mm，求放大鏡的視放大率和視場(chǎng)，求放大鏡的視放大率和視場(chǎng)250250550f 例題解：視放大率例題解：視放大率500220hymmd線視場(chǎng)為：線視場(chǎng)為：角視場(chǎng)為：角視場(chǎng)為：21022arctan2arctan22.62250yf 2022-6-26577.3 7.3 顯微鏡系統(tǒng)顯微鏡系統(tǒng) 對(duì)于工作在對(duì)于工作在可見(jiàn)光波長(zhǎng)范圍可見(jiàn)光波長(zhǎng)范圍的光學(xué)顯微鏡的

40、光學(xué)顯微鏡 按用途區(qū)分按用途區(qū)分，使用量較大的有，使用量較大的有三種三種： 工具顯微鏡工具顯微鏡（主要應(yīng)用于精密機(jī)構(gòu)制造工業(yè)等方（主要應(yīng)用于精密機(jī)構(gòu)制造工業(yè)等方面進(jìn)行精密測(cè)量）；面進(jìn)行精密測(cè)量）； 生物顯微鏡生物顯微鏡（主要應(yīng)用于生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、農(nóng)學(xué)等（主要應(yīng)用于生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、農(nóng)學(xué)等方面）；方面）； 金相顯微鏡金相顯微鏡（主要應(yīng)用于冶金和機(jī)械制造工業(yè)，（主要應(yīng)用于冶金和機(jī)械制造工業(yè)，觀察研究金相組織結(jié)構(gòu)）。觀察研究金相組織結(jié)構(gòu)）。 顯微鏡是人眼的輔助工具，顯微鏡是人眼的輔助工具，顯微鏡的顯微鏡的光學(xué)系統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)由由物物鏡和目鏡鏡和目鏡兩個(gè)部分組成。兩個(gè)部分組成。2022-6-2658 一、顯微鏡

41、系統(tǒng)成像原理顯微鏡系統(tǒng)成像原理 顯微鏡和放大鏡顯微鏡和放大鏡起著同樣的作用起著同樣的作用 物鏡物鏡目鏡目鏡F1F1F2BAABA”B”2022-6-2659 物鏡物鏡目鏡目鏡F1F1F2BAABA”B” A AB B 位于目鏡的物方焦位于目鏡的物方焦點(diǎn)點(diǎn)F F2 2 上或在很靠近上或在很靠近 F F2 2 的位置上的位置上 此像在經(jīng)目鏡放大為虛像此像在經(jīng)目鏡放大為虛像A A”B B” 后供眼睛觀后供眼睛觀察。察。這說(shuō)明目鏡與放大鏡的作用一樣。這說(shuō)明目鏡與放大鏡的作用一樣。 位位于無(wú)窮遠(yuǎn)處或明視距離處。于無(wú)窮遠(yuǎn)處或明視距離處。2022-6-2660 經(jīng)過(guò)物鏡和目鏡的兩次放大，所以顯微鏡系統(tǒng)經(jīng)過(guò)物

42、鏡和目鏡的兩次放大，所以顯微鏡系統(tǒng)總總的放大率的放大率 應(yīng)該是應(yīng)該是物鏡橫向放大率物鏡橫向放大率 和和目鏡放大率目鏡放大率 e e的乘積。的乘積。 f f x11 物體關(guān)于物體關(guān)于物鏡物鏡成的像成的像A A B B 位于位于目鏡目鏡的物方焦點(diǎn)的物方焦點(diǎn)上或附近，此像相對(duì)于物鏡像方焦點(diǎn)的距離為上或附近，此像相對(duì)于物鏡像方焦點(diǎn)的距離為 （物鏡和目鏡的光學(xué)間隔），（物鏡和目鏡的光學(xué)間隔）， 設(shè)物鏡的焦距為設(shè)物鏡的焦距為f f1 1, , 則物鏡的放大率為則物鏡的放大率為2022-6-2661 物鏡的像被目鏡放大，其放大物鏡的像被目鏡放大，其放大率為率為 fe2250ffe21250 式中：式中： f

43、 f2 2 為目鏡的焦距。由此，為目鏡的焦距。由此，顯微鏡系統(tǒng)的顯微鏡系統(tǒng)的總放大率為總放大率為 可見(jiàn)顯微鏡系統(tǒng)的放大率與可見(jiàn)顯微鏡系統(tǒng)的放大率與光學(xué)筒長(zhǎng)光學(xué)筒長(zhǎng) 成正比成正比，和和物鏡及目鏡的焦距成反比物鏡及目鏡的焦距成反比。 式中有式中有負(fù)號(hào)負(fù)號(hào)，即當(dāng)顯微鏡系統(tǒng)具有正物鏡，即當(dāng)顯微鏡系統(tǒng)具有正物鏡和正目鏡時(shí)（常用這種結(jié)構(gòu)），則整個(gè)顯和正目鏡時(shí)（常用這種結(jié)構(gòu)），則整個(gè)顯微鏡系統(tǒng)給出微鏡系統(tǒng)給出倒像倒像。 2022-6-2662 根據(jù)組合光組的焦距公式可知，整個(gè)顯微鏡的總根據(jù)組合光組的焦距公式可知，整個(gè)顯微鏡的總焦距焦距f f 和物鏡及目鏡焦距之間符合以下關(guān)系：和物鏡及目鏡焦距之間符合以下關(guān)系

44、： ff f21 f250將其代入上式中，則有將其代入上式中，則有它與放大鏡公式具有它與放大鏡公式具有完全相同完全相同的形式。顯微的形式。顯微鏡系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上就是一個(gè)鏡系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上就是一個(gè)復(fù)雜化了的放大鏡復(fù)雜化了的放大鏡2022-6-2663二、顯微鏡的機(jī)構(gòu)二、顯微鏡的機(jī)構(gòu) 物鏡通過(guò)轉(zhuǎn)換器旋轉(zhuǎn)物鏡通過(guò)轉(zhuǎn)換器旋轉(zhuǎn) 式接到鏡筒的下端面式接到鏡筒的下端面目鏡以插入式接鏡筒的目鏡以插入式接鏡筒的上端面上端面應(yīng)滿足應(yīng)滿足齊焦要求齊焦要求：調(diào)換物：調(diào)換物鏡后，不需再調(diào)焦就能看鏡后，不需再調(diào)焦就能看到像。到像。a. a. 物鏡調(diào)換后，像面不動(dòng)，物鏡調(diào)換后，像面不動(dòng)，物面不動(dòng)物面不動(dòng) 物鏡共軛距物鏡共軛距不變（不變

45、（195mm) 195mm) b. b. 物鏡像面即目鏡前焦面物鏡像面即目鏡前焦面不動(dòng)不動(dòng)在上端面以下在上端面以下10mm10mm處處 c. c. 機(jī)械筒長(zhǎng)機(jī)械筒長(zhǎng)上下端面上下端面 之間的距離（之間的距離（160mm160mm），），有的顯微鏡機(jī)械筒長(zhǎng)可調(diào)有的顯微鏡機(jī)械筒長(zhǎng)可調(diào) 調(diào)換物鏡（目鏡）后微調(diào)調(diào)換物鏡（目鏡）后微調(diào)焦不可避免，故還必須有焦不可避免，故還必須有微動(dòng)機(jī)構(gòu)微動(dòng)機(jī)構(gòu)2022-6-2664雙目鏡筒是通過(guò)加反射棱鏡和平行平板實(shí)現(xiàn)的，要使兩條光路雙目鏡筒是通過(guò)加反射棱鏡和平行平板實(shí)現(xiàn)的，要使兩條光路光程相同光程相同 金相顯微鏡的物鏡常用前置物鏡和鏡筒透鏡構(gòu)成，前置物鏡金相顯微鏡的物鏡

46、常用前置物鏡和鏡筒透鏡構(gòu)成，前置物鏡為無(wú)窮遠(yuǎn)共軛距的為無(wú)窮遠(yuǎn)共軛距的 2022-6-26652022-6-2666顯微鏡和放大鏡的比較顯微鏡和放大鏡的比較 具有更大的放大率，二次放大具有更大的放大率，二次放大 人眼離物面較遠(yuǎn)，使用方便人眼離物面較遠(yuǎn)，使用方便 物鏡和目鏡可調(diào)換，從而得到多種放大率物鏡和目鏡可調(diào)換，從而得到多種放大率 具有中間實(shí)像面，可放置分劃板，用于測(cè)量具有中間實(shí)像面，可放置分劃板，用于測(cè)量（構(gòu)成測(cè)微目鏡）（構(gòu)成測(cè)微目鏡） 當(dāng)中間實(shí)像當(dāng)中間實(shí)像A A位于位于 FeFe之前時(shí)，之前時(shí)，A A”為實(shí)像，可投為實(shí)像，可投影到屏上影到屏上。也可用圖像傳感器接收實(shí)像，構(gòu)成電。也可用圖像傳

47、感器接收實(shí)像，構(gòu)成電子目鏡子目鏡三、顯微鏡三、顯微鏡的光束限制的光束限制 1. 1. 孔徑光闌孔徑光闌 低倍物鏡的孔徑光闌低倍物鏡的孔徑光闌為單組物鏡框本身為單組物鏡框本身高倍物鏡的孔徑光闌高倍物鏡的孔徑光闌多組物鏡的最后一組鏡框，或在多組物鏡的最后一組鏡框，或在 F Fo o處處專(zhuān)設(shè)孔闌專(zhuān)設(shè)孔闌2. 2. 出瞳位置出瞳位置 2effefexx相對(duì)于目鏡或相對(duì)于目鏡或F Fe e位置差不多，可認(rèn)為位置差不多，可認(rèn)為 x 位置在位置在F F總總上，人眼瞳有可能與之重合，接收所有成像光上，人眼瞳有可能與之重合，接收所有成像光2022-6-26683 3、出瞳大小、出瞳大小出瞳與整個(gè)系統(tǒng)的像方焦面重

48、合，設(shè)像方孔徑角出瞳與整個(gè)系統(tǒng)的像方焦面重合，設(shè)像方孔徑角U U，則，則tansinaxUxU 滿足正弦條件：滿足正弦條件：sin sinnyUn yU即即 sinsinsinxn anUnUnUff1n 因?yàn)橐驗(yàn)楣使?2 2 sin2Daf nUf NA2502500/DNANAsinNAnu2022-6-26694、顯微系統(tǒng)的視場(chǎng)光闌、顯微系統(tǒng)的視場(chǎng)光闌顯微鏡的線視場(chǎng)取決于放在目鏡前焦平面上的視場(chǎng)光闌的大顯微鏡的線視場(chǎng)取決于放在目鏡前焦平面上的視場(chǎng)光闌的大小，物體經(jīng)物鏡就成像在視場(chǎng)光闌上。小，物體經(jīng)物鏡就成像在視場(chǎng)光闌上。2/yD理論上，理論上，D D越大，則越大，則2y2y越大，實(shí)際上越

49、大，實(shí)際上2y2y很小。因?yàn)閮H當(dāng)很小。因?yàn)閮H當(dāng)1210oyf時(shí)，才能給出滿意的像質(zhì)。時(shí)，才能給出滿意的像質(zhì)。設(shè)視場(chǎng)光闌直徑為設(shè)視場(chǎng)光闌直徑為D，則顯微鏡的線視場(chǎng)為：，則顯微鏡的線視場(chǎng)為：-無(wú)漸暈光闌，視場(chǎng)有清晰邊界無(wú)漸暈光闌，視場(chǎng)有清晰邊界四、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光學(xué)儀器的分辨率受光學(xué)系統(tǒng)中孔徑光闌的光學(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(diǎn)光源經(jīng)任何光學(xué)系統(tǒng)形成的像都衍射影響，點(diǎn)光源經(jīng)任何光學(xué)系統(tǒng)形成的像都不可能是一個(gè)幾何點(diǎn)，而是一個(gè)衍射斑。不可能是一個(gè)幾何點(diǎn)，而是一個(gè)衍射斑。其圖樣的光環(huán)能量分布曲其圖樣的光環(huán)能量分布曲線見(jiàn)圖所示。線見(jiàn)圖所示。中央

50、亮斑稱(chēng)為中央亮斑稱(chēng)為愛(ài)里斑愛(ài)里斑其上集中了總能量的其上集中了總能量的83.78%接著是第一級(jí)暗環(huán)然后是第一級(jí)亮環(huán)，其能量是接著是第一級(jí)暗環(huán)然后是第一級(jí)亮環(huán)，其能量是總能量的總能量的7.22%； 因?yàn)楣猸h(huán)的能量主要集中在因?yàn)楣猸h(huán)的能量主要集中在愛(ài)里斑愛(ài)里斑上，上，所以可以把它看作理想系統(tǒng)的點(diǎn)像；所以可以把它看作理想系統(tǒng)的點(diǎn)像；當(dāng)兩個(gè)獨(dú)立的光強(qiáng)度相當(dāng)兩個(gè)獨(dú)立的光強(qiáng)度相等的發(fā)光點(diǎn)逐漸靠近時(shí)，等的發(fā)光點(diǎn)逐漸靠近時(shí)，其在系統(tǒng)像面上的愛(ài)里其在系統(tǒng)像面上的愛(ài)里斑也逐漸靠近，并開(kāi)始斑也逐漸靠近，并開(kāi)始有重疊的部分。有重疊的部分。這就引出光學(xué)系統(tǒng)對(duì)相鄰兩物點(diǎn)的分辨問(wèn)題。這就引出光學(xué)系統(tǒng)對(duì)相鄰兩物點(diǎn)的分辨問(wèn)題。2

51、022-6-2672 當(dāng)相鄰兩點(diǎn)的間隔，正當(dāng)相鄰兩點(diǎn)的間隔，正好使一個(gè)衍射圖樣中的好使一個(gè)衍射圖樣中的愛(ài)里斑中心愛(ài)里斑中心和另一個(gè)圖和另一個(gè)圖樣的樣的第一暗環(huán)第一暗環(huán)重合時(shí)，重合時(shí)，兩個(gè)衍射圖樣的光強(qiáng)分兩個(gè)衍射圖樣的光強(qiáng)分布曲線相加而得到的合布曲線相加而得到的合成光強(qiáng)分布曲線，兩個(gè)成光強(qiáng)分布曲線，兩個(gè)極大值之間存在的一個(gè)極大值之間存在的一個(gè)極小值，能量約為極大極小值，能量約為極大值的值的80%80%。10.8r暗1瑞利指出：瑞利指出：這種這種合成的衍射圖樣合成的衍射圖樣還是可以看出是還是可以看出是由兩個(gè)發(fā)光點(diǎn)構(gòu)由兩個(gè)發(fā)光點(diǎn)構(gòu)成的。成的。2022-6-267310.8r暗1從圖中可看出，兩個(gè)從圖

52、中可看出，兩個(gè)愛(ài)里斑的中心距正好愛(ài)里斑的中心距正好是愛(ài)里斑的半徑。是愛(ài)里斑的半徑。瑞利就以愛(ài)里斑半徑或瑞利就以愛(ài)里斑半徑或衍射圖樣的衍射圖樣的第一暗環(huán)半第一暗環(huán)半徑徑（r暗暗1）作為）作為 光學(xué)系光學(xué)系統(tǒng)能對(duì)無(wú)限遠(yuǎn)兩點(diǎn)的像統(tǒng)能對(duì)無(wú)限遠(yuǎn)兩點(diǎn)的像分辨得開(kāi)的分辨得開(kāi)的最小距離最小距離稱(chēng)稱(chēng)之為之為瑞利判據(jù)瑞利判據(jù)；按此判據(jù)，即可確定光學(xué)系統(tǒng)的分辨本領(lǐng)。按此判據(jù)，即可確定光學(xué)系統(tǒng)的分辨本領(lǐng)。0.61sinnu2022-6-2674顯微系統(tǒng)顯微系統(tǒng)的分辨率是以剛能分辨的兩物點(diǎn)之間的分辨率是以剛能分辨的兩物點(diǎn)之間的距離來(lái)表示的，稱(chēng)為的距離來(lái)表示的，稱(chēng)為最小分辨距最小分辨距?？讖焦怅@（出瞳）P1P2z-Uma

53、x1UmaxA-UsinnUsin n由于顯微物鏡滿足正弦條件，即有由于顯微物鏡滿足正弦條件，即有 式中，式中，n像方介質(zhì)的折射率，總是空氣，像方介質(zhì)的折射率，總是空氣，n=1，而，而是是在物空間與在物空間與共軛的線量共軛的線量 2022-6-2675 式中，式中， 即為前面所提的顯微即為前面所提的顯微物鏡的物鏡的數(shù)值孔徑（數(shù)值孔徑（NA） NA.Usinn.max610610NAUsinnmax它就是顯微物鏡的它就是顯微物鏡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:顯微鏡的顯微鏡的分辨本領(lǐng)分辨本領(lǐng)取決于所用的取決于所用的光波波長(zhǎng)光波波長(zhǎng)和和物鏡的數(shù)值孔徑物鏡的數(shù)值孔徑。上

54、式的得出是假設(shè)物點(diǎn)本身發(fā)光，并且兩個(gè)發(fā)光點(diǎn)是獨(dú)立上式的得出是假設(shè)物點(diǎn)本身發(fā)光，并且兩個(gè)發(fā)光點(diǎn)是獨(dú)立的（即非相干光源）。的（即非相干光源）。這種情況與實(shí)際情況不相符這種情況與實(shí)際情況不相符。若考慮部分相干情況，被照明物點(diǎn)所產(chǎn)生的衍射圖樣，若考慮部分相干情況，被照明物點(diǎn)所產(chǎn)生的衍射圖樣，在在滿足瑞利判據(jù)滿足瑞利判據(jù)時(shí)，上式中的系數(shù)一般要時(shí)，上式中的系數(shù)一般要加以修正加以修正。2022-6-2676F這種修正是以這種修正是以道威道威(Dawas)(Dawas)判斷判斷為依據(jù)的。為依據(jù)的。 NA.NA.50610850道威判斷道威判斷：兩個(gè)相鄰像點(diǎn)之間的兩衍射斑中心距兩個(gè)相鄰像點(diǎn)之間的兩衍射斑中心距為

55、為0.85愛(ài)里斑半徑時(shí)，則能被光學(xué)系統(tǒng)分辨愛(ài)里斑半徑時(shí)，則能被光學(xué)系統(tǒng)分辨。應(yīng)應(yīng)充分利用充分利用物鏡的分辨率，使以被顯微鏡物鏡分物鏡的分辨率，使以被顯微鏡物鏡分辨出來(lái)的細(xì)節(jié)能同時(shí)被眼睛所看清，辨出來(lái)的細(xì)節(jié)能同時(shí)被眼睛所看清，顯微鏡必須顯微鏡必須有恰當(dāng)?shù)姆糯舐视星‘?dāng)?shù)姆糯舐?便于眼睛分辨的角距離為便于眼睛分辨的角距離為2 4。2022-6-2677 設(shè)所使用光線的波長(zhǎng)設(shè)所使用光線的波長(zhǎng)為為550nm，上式成為，上式成為00029042500002902250.580290.NA.取取2為分辨角的為分辨角的下限下限， 4為為上限上限，則在，則在明視距離明視距離250mm處能分辨開(kāi)兩點(diǎn)之間的距離處能

56、分辨開(kāi)兩點(diǎn)之間的距離為為 是顯微鏡像空間被人眼所能分辨的線距離是顯微鏡像空間被人眼所能分辨的線距離換算到換算到顯微鏡的物方顯微鏡的物方，相當(dāng)于顯微鏡的，相當(dāng)于顯微鏡的分辨率分辨率乘乘以以視覺(jué)放大率視覺(jué)放大率，得到，得到NANA1000500滿足上式的放大率滿足上式的放大率稱(chēng)為顯微鏡的稱(chēng)為顯微鏡的有效放大率有效放大率2022-6-2678五、顯微鏡的照明系統(tǒng)五、顯微鏡的照明系統(tǒng)(一一)照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則照明系統(tǒng)要照明系統(tǒng)要滿足以下滿足以下要求要求：1）保證有足夠的光能；）保證有足夠的光能；2）有足夠的照明范圍和均勻的亮度；）有足夠的照明范圍和均勻的亮度；3）照明光束應(yīng)充滿物鏡的

57、入瞳；）照明光束應(yīng)充滿物鏡的入瞳；4）盡可能減少雜光進(jìn)入物鏡，以免降低像面）盡可能減少雜光進(jìn)入物鏡，以免降低像面的對(duì)比度；的對(duì)比度；5）滿足儀器尺寸布局要求；）滿足儀器尺寸布局要求；2022-6-26792、照明系統(tǒng)的拉赫不變量應(yīng)大于或等于物鏡的、照明系統(tǒng)的拉赫不變量應(yīng)大于或等于物鏡的拉赫不變量，拉赫不變量，即即 根據(jù)上述要求，照明系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上應(yīng)滿足根據(jù)上述要求，照明系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上應(yīng)滿足以下兩個(gè)以下兩個(gè)原則原則： y u nnuyyun0001、光瞳銜接原則、光瞳銜接原則設(shè)照明系統(tǒng)的入瞳位置為光源的位置，則照明系統(tǒng)的出瞳設(shè)照明系統(tǒng)的入瞳位置為光源的位置，則照明系統(tǒng)的出瞳應(yīng)與物鏡的入瞳重合應(yīng)與物鏡

58、的入瞳重合；（二）亮視場(chǎng)的照明方式（二）亮視場(chǎng)的照明方式1、直接照明、直接照明 利用自然光或燈泡照明利用自然光或燈泡照明。2022-6-2680 其其缺點(diǎn)缺點(diǎn)是光源亮度的不均勻性將直接反映在物面上，同是光源亮度的不均勻性將直接反映在物面上，同時(shí)也不滿足光瞳銜接原則，即聚光鏡的出瞳位置和物鏡時(shí)也不滿足光瞳銜接原則，即聚光鏡的出瞳位置和物鏡的入瞳位置不重合。的入瞳位置不重合。電影放映機(jī)大多采用這種照明方式。電影放映機(jī)大多采用這種照明方式。讀數(shù)顯微鏡中刻線尺或度盤(pán)的照明也常采用。讀數(shù)顯微鏡中刻線尺或度盤(pán)的照明也常采用。2、臨界照明、臨界照明-光源發(fā)光面通過(guò)聚光鏡成像在物面上或其附近的照明方式光源發(fā)光

59、面通過(guò)聚光鏡成像在物面上或其附近的照明方式2022-6-2681 3、柯勒照明、柯勒照明集光鏡視場(chǎng)光闌孔徑光闌聚光鏡物面這種照明方式克服了臨界照明不均勻的缺點(diǎn)。這種照明方式克服了臨界照明不均勻的缺點(diǎn)。它的構(gòu)成有以下兩個(gè)特點(diǎn)：它的構(gòu)成有以下兩個(gè)特點(diǎn)：（1）發(fā)光面通過(guò)集光鏡成實(shí)像。發(fā)光面通過(guò)集光鏡成實(shí)像。該像面上可安放可調(diào)的孔徑光闌，再經(jīng)聚光鏡成像于物鏡該像面上可安放可調(diào)的孔徑光闌，再經(jīng)聚光鏡成像于物鏡的入瞳位置。因此充分利用了光能并滿足光孔轉(zhuǎn)接原則。的入瞳位置。因此充分利用了光能并滿足光孔轉(zhuǎn)接原則。2022-6-2682 柯勒照明系統(tǒng)分為遠(yuǎn)心照明和非遠(yuǎn)心照明?？吕照彰飨到y(tǒng)分為遠(yuǎn)心照明和非遠(yuǎn)心照明

60、。 遠(yuǎn)心柯勒照明特點(diǎn)：遠(yuǎn)心柯勒照明特點(diǎn)：孔徑光闌位于聚光鏡的物方焦面上，組成像方孔徑光闌位于聚光鏡的物方焦面上，組成像方遠(yuǎn)心光路；視場(chǎng)光闌的位置根據(jù)需要選定。遠(yuǎn)心光路；視場(chǎng)光闌的位置根據(jù)需要選定。（2）集光鏡框或其后面附近可安放可變的視場(chǎng)光集光鏡框或其后面附近可安放可變的視場(chǎng)光闌，控制照明視場(chǎng)的大小，避免雜光射入物鏡。闌，控制照明視場(chǎng)的大小，避免雜光射入物鏡。2022-6-2683六、顯微鏡的物鏡六、顯微鏡的物鏡 由于顯微鏡要求分辨率高，則數(shù)值孔徑由于顯微鏡要求分辨率高，則數(shù)值孔徑NANA大，放大率要與之大，放大率要與之相適應(yīng)，因而物鏡的放大率也要相應(yīng)匹配，并在規(guī)定機(jī)械筒長(zhǎng)相適應(yīng)，因而物鏡的放