工程光學(xué)郁道銀第七章

1、工程光學(xué)工程光學(xué)第第7章章-1典型光學(xué)系統(tǒng)典型光學(xué)系統(tǒng)第一節(jié)第一節(jié) 眼睛及其光學(xué)系統(tǒng)眼睛及其光學(xué)系統(tǒng)第二節(jié)第二節(jié) 放大鏡放大鏡第三節(jié)第三節(jié) 顯微鏡系統(tǒng)顯微鏡系統(tǒng)第四節(jié)第四節(jié) 望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)第五節(jié)第五節(jié) 目鏡目鏡第六節(jié)第六節(jié) 攝影系統(tǒng)攝影系統(tǒng)第七節(jié)第七節(jié) 投影系統(tǒng)投影系統(tǒng)第八節(jié)第八節(jié) 變焦距光學(xué)系統(tǒng)變焦距光學(xué)系統(tǒng)第九節(jié)第九節(jié) 光學(xué)系統(tǒng)的外型尺寸計(jì)算光學(xué)系統(tǒng)的外型尺寸計(jì)算3n由于成像理論的逐步完善，構(gòu)成了許多在由于成像理論的逐步完善，構(gòu)成了許多在科學(xué)技術(shù)和國民經(jīng)濟(jì)中得到廣泛應(yīng)用的光科學(xué)技術(shù)和國民經(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、學(xué)系統(tǒng)，例如放大鏡、顯微鏡、望遠(yuǎn)鏡、攝影

2、儀器和投影儀器等。本章主要介紹上攝影儀器和投影儀器等。本章主要介紹上述光學(xué)系統(tǒng)的成像特性和設(shè)計(jì)要求，組成述光學(xué)系統(tǒng)的成像特性和設(shè)計(jì)要求，組成上述光學(xué)系統(tǒng)的物鏡和目鏡的結(jié)構(gòu)型式及上述光學(xué)系統(tǒng)的物鏡和目鏡的結(jié)構(gòu)型式及其主要光學(xué)參數(shù)等。其主要光學(xué)參數(shù)等。4已學(xué)過：已學(xué)過：折射定律折射定律單個(gè)折射球面單個(gè)折射球面理理想光組想光組平面系統(tǒng)平面系統(tǒng)光束限制光束限制像差像差目的：目的：組成儀器，得到實(shí)際應(yīng)用的光學(xué)系統(tǒng)組成儀器，得到實(shí)際應(yīng)用的光學(xué)系統(tǒng)根據(jù)光學(xué)基本理論，將光學(xué)元件合理組合，根據(jù)光學(xué)基本理論，將光學(xué)元件合理組合，得到光學(xué)儀器。得到光學(xué)儀器。由使用要求決定成像要求，根據(jù)成像要求設(shè)由使用要求決定成像要

3、求，根據(jù)成像要求設(shè)計(jì)光學(xué)系統(tǒng)。計(jì)光學(xué)系統(tǒng)。設(shè)計(jì)過程就是合理的組合過程。設(shè)計(jì)過程就是合理的組合過程。7.1 眼睛及其光學(xué)系統(tǒng)眼睛及其光學(xué)系統(tǒng)一、眼睛的結(jié)構(gòu)一、眼睛的結(jié)構(gòu)1、結(jié)構(gòu)與主要組成：、結(jié)構(gòu)與主要組成： 角膜、前室角膜、前室（水狀液）、水晶體（水狀液）、水晶體和后室（玻璃體）和后室（玻璃體）、視網(wǎng)膜、瞳孔、視網(wǎng)膜、瞳孔、黃斑、視軸與眼軸。黃斑、視軸與眼軸。 水晶體的水晶體的曲率半徑曲率半徑： 40mm70mm孔徑直徑孔徑直徑變化：變化： 2mm8mm眼軸視軸6人眼的構(gòu)造剖視圖人眼的構(gòu)造剖視圖* *鞏膜鞏膜是眼球的第一層保護(hù)膜，白色、不透明、堅(jiān)硬；是眼球的第一層保護(hù)膜，白色、不透明、堅(jiān)硬；*

4、*角膜角膜是鞏膜的最前端部分，無色而透明；眼睛內(nèi)的折射主要發(fā)是鞏膜的最前端部分，無色而透明；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)膜脈絡(luò)膜是眼球的第二層膜，上面有供給眼睛營養(yǎng)的網(wǎng)狀微血管；是眼球的第二層膜，上面有供給眼睛營養(yǎng)的網(wǎng)狀微血管；7人眼的構(gòu)造剖視圖人眼的構(gòu)造剖視圖* *虹膜虹膜是脈絡(luò)膜的最前端部分，含有色素細(xì)胞，決定眼的是脈絡(luò)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* *瞳孔瞳孔是虹膜中間的小孔，隨著外界明亮程度的不同，虹是虹膜中間的小孔，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

5、瞳孔的直徑在直徑在28mm范圍內(nèi)變化范圍內(nèi)變化；它是人眼它是人眼的孔徑光闌的孔徑光闌。8人眼的構(gòu)造剖視圖人眼的構(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微米，長約微米，長約35微米；微米；桿狀細(xì)胞直徑約桿狀細(xì)胞直徑約2 2微米微米，長約，長約60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)而沒有桿狀細(xì)胞是錐狀細(xì)胞的密集區(qū)而沒有桿狀細(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

6、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 盲斑盲斑是網(wǎng)膜上沒有感光元素的地方，不能引起光刺激。是網(wǎng)膜上沒有感光元素的地方，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最靈敏的地方。黃斑中心凹是人眼視覺最靈敏的地方。視神經(jīng)細(xì)胞視神經(jīng)細(xì)胞晶狀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，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)造剖視圖人眼的構(gòu)造剖視圖鞏膜鞏膜角膜角膜率都是不均勻的，由里層到外層逐漸減少，有利于

7、提高率都是不均勻的，由里層到外層逐漸減少，有利于提高脈絡(luò)膜脈絡(luò)膜 成像質(zhì)量。晶狀體的平均折射率為成像質(zhì)量。晶狀體的平均折射率為1.40，其周圍是毛狀肌，其周圍是毛狀肌虹膜虹膜瞳孔瞳孔網(wǎng)膜網(wǎng)膜似雙凸透鏡，是眼睛光學(xué)系統(tǒng)的成像元件，其密度和折射似雙凸透鏡，是眼睛光學(xué)系統(tǒng)的成像元件，其密度和折射 能改變晶狀體的表面曲率，使人眼在看遠(yuǎn)近不同的物體時(shí)，能改變晶狀體的表面曲率，使人眼在看遠(yuǎn)近不同的物體時(shí)，黃斑中心凹黃斑中心凹 盲斑盲斑晶狀體晶狀體11人眼的構(gòu)造剖視圖人眼的構(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為前室；充滿角膜和晶狀體之間的空間稱為前室；充滿1.336的水狀液；的水狀液；脈絡(luò)膜脈

8、絡(luò)膜 晶狀體和網(wǎng)膜所包圍的空間稱為后室晶狀體和網(wǎng)膜所包圍的空間稱為后室;充滿充滿1.336的玻狀體的玻狀體虹膜虹膜瞳孔瞳孔網(wǎng)膜網(wǎng)膜總能將像成在網(wǎng)膜上?？偰軐⑾癯稍诰W(wǎng)膜上。 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12人眼的構(gòu)造剖視圖人眼的構(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

9、13 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 才能清晰識(shí)別，其他部分比較模糊，才能清晰識(shí)別，其他部分比較模糊， 所以能看所以能看清物體的角度范圍為清物體的角度范圍為6 6 8 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、視水晶體、視網(wǎng)膜和瞳孔。網(wǎng)膜和瞳孔。 人眼人眼 水晶體水晶體 視網(wǎng)膜視網(wǎng)膜 瞳孔瞳孔 眼睛眼睛和和照相機(jī)照相機(jī)很相似，如果對(duì)應(yīng)起來看：很相似，如果對(duì)應(yīng)起來看： 照相機(jī)照相機(jī) 鏡頭鏡頭 底片底片 光闌光闌142、眼睛的成像：、眼睛的成像： 人眼是一個(gè)類似的攝影系統(tǒng)，角膜相當(dāng)于一個(gè)凸凹鏡，前室亦人眼是一

10、個(gè)類似的攝影系統(tǒng)，角膜相當(dāng)于一個(gè)凸凹鏡，前室亦如此，水晶體相當(dāng)于一個(gè)雙凸鏡。物點(diǎn)在視網(wǎng)膜上形成一個(gè)倒立的如此，水晶體相當(dāng)于一個(gè)雙凸鏡。物點(diǎn)在視網(wǎng)膜上形成一個(gè)倒立的實(shí)像，但這一倒像的感覺經(jīng)神經(jīng)系統(tǒng)的作用，給人以正像的視覺。實(shí)像，但這一倒像的感覺經(jīng)神經(jīng)系統(tǒng)的作用，給人以正像的視覺。 眼睛的物方和像方焦距不相等眼睛的物方和像方焦距不相等: f = -17.1mm f =22.8mm 眼睛的調(diào)焦范圍眼睛的調(diào)焦范圍: -f =14.217.1mm f =18.922.8mm 瞳孔起著孔徑光闌的作用，自動(dòng)調(diào)節(jié)進(jìn)入人眼的光能，它有一瞳孔起著孔徑光闌的作用，自動(dòng)調(diào)節(jié)進(jìn)入人眼的光能，它有一定范圍，定范圍，( 2

11、8mm)若外界光很強(qiáng)，即使若外界光很強(qiáng)，即使=2mm時(shí)仍然使人無法適時(shí)仍然使人無法適應(yīng)，就很容易使視網(wǎng)膜造成傷害。應(yīng)，就很容易使視網(wǎng)膜造成傷害。 3、眼睛的光學(xué)參數(shù)：、眼睛的光學(xué)參數(shù)： 介質(zhì)折射率：介質(zhì)折射率：n=1.3333 折射面半徑：折射面半徑：r1=5.77mm 物方焦距：物方焦距：f-17mm 像方焦距：像方焦距：f 23mm 光焦度：光焦度：D=58.48(1/m) 網(wǎng)膜半徑：網(wǎng)膜半徑：r2=9.7mm二、眼睛的調(diào)節(jié)及校正二、眼睛的調(diào)節(jié)及校正1、眼睛的調(diào)節(jié)：、眼睛的調(diào)節(jié)：眼睛成像系統(tǒng)對(duì)任意距離的物體自動(dòng)調(diào)焦的過程。眼睛成像系統(tǒng)對(duì)任意距離的物體自動(dòng)調(diào)焦的過程。 f 的變化范圍的變化范

12、圍: 18mm23mm2、眼睛的調(diào)節(jié)能力：、眼睛的調(diào)節(jié)能力：眼睛的調(diào)節(jié)能力表示為能清晰調(diào)焦的極限距離范圍。眼睛的調(diào)節(jié)能力表示為能清晰調(diào)焦的極限距離范圍。 該調(diào)節(jié)能力的數(shù)學(xué)描述如下：該調(diào)節(jié)能力的數(shù)學(xué)描述如下： 設(shè)人眼能調(diào)節(jié)清晰成像的極限距離分別為：設(shè)人眼能調(diào)節(jié)清晰成像的極限距離分別為： l r遠(yuǎn)點(diǎn)距離遠(yuǎn)點(diǎn)距離, 遠(yuǎn)點(diǎn)遠(yuǎn)點(diǎn) 發(fā)散度（或會(huì)聚度）發(fā)散度（或會(huì)聚度）; l p近點(diǎn)距離，近點(diǎn)距離，近點(diǎn)近點(diǎn) 發(fā)散度（或會(huì)聚度）；發(fā)散度（或會(huì)聚度）； 單位為（單位為（D）屈光度）屈光度 （屈光度（屈光度1D=1m-1） 眼睛的調(diào)節(jié)能力用眼睛的調(diào)節(jié)能力用rlR1plP1prllPRA11a.影響因素影響因素：調(diào)

13、節(jié)能力隨年齡增大而減少調(diào)節(jié)能力隨年齡增大而減少b.明視距離：明視距離：在閱讀時(shí)，或眼睛通過目視光學(xué)儀器觀測(cè)物像時(shí)，為了工作在閱讀時(shí)，或眼睛通過目視光學(xué)儀器觀測(cè)物像時(shí)，為了工作舒適，習(xí)慣上把物或像置于眼前舒適，習(xí)慣上把物或像置于眼前250mm處，稱作處，稱作明視距離明視距離。3、非正常眼及其校正：、非正常眼及其校正：正常眼和反常眼：正常眼和反常眼：正常眼：眼睛的遠(yuǎn)點(diǎn)在無限遠(yuǎn)，眼睛光學(xué)系統(tǒng)的正常眼：眼睛的遠(yuǎn)點(diǎn)在無限遠(yuǎn)，眼睛光學(xué)系統(tǒng)的后焦點(diǎn)在視網(wǎng)膜上。后焦點(diǎn)在視網(wǎng)膜上。反常眼：眼睛光學(xué)系統(tǒng)的后焦點(diǎn)不在視網(wǎng)膜上。反常眼：眼睛光學(xué)系統(tǒng)的后焦點(diǎn)不在視網(wǎng)膜上。近視眼和遠(yuǎn)視眼：近視眼和遠(yuǎn)視眼：近視眼：遠(yuǎn)點(diǎn)位于

14、眼前有限距離。近視眼：遠(yuǎn)點(diǎn)位于眼前有限距離。年齡1020304050607080l p (cm)-7-10-14-22-40-20010040l r (cm)2008040A(D)141074.52.510.250遠(yuǎn)視眼：遠(yuǎn)點(diǎn)位于眼后有限距離遠(yuǎn)視眼：遠(yuǎn)點(diǎn)位于眼后有限距離校正方法校正方法; 視度：視度： 遠(yuǎn)點(diǎn)距離遠(yuǎn)點(diǎn)距離l r(單位為單位為m)的倒數(shù)的倒數(shù)表示近視眼或遠(yuǎn)視眼的程度，稱為表示近視眼或遠(yuǎn)視眼的程度，稱為視度，單位為屈光度，通常醫(yī)院和視度，單位為屈光度，通常醫(yī)院和眼鏡店把一屈光度稱作眼鏡店把一屈光度稱作100度。度。三、眼睛的輻射接收作用三、眼睛的輻射接收作用視網(wǎng)膜：由錐狀細(xì)胞和桿狀細(xì)

15、胞組視網(wǎng)膜：由錐狀細(xì)胞和桿狀細(xì)胞組成，兩種細(xì)胞各有不同的任務(wù)；成，兩種細(xì)胞各有不同的任務(wù)；桿狀細(xì)胞：對(duì)光刺激極敏感，但完桿狀細(xì)胞：對(duì)光刺激極敏感，但完全不感色；（引起視覺）全不感色；（引起視覺）錐狀細(xì)胞：感光能力差，但它們能錐狀細(xì)胞：感光能力差，但它們能對(duì)各色光有不同的感受。（分辨顏色）對(duì)各色光有不同的感受。（分辨顏色）適應(yīng)：眼睛對(duì)周圍空間光亮情況的自動(dòng)適應(yīng)程度。適應(yīng)：眼睛對(duì)周圍空間光亮情況的自動(dòng)適應(yīng)程度。明適應(yīng)和暗適應(yīng)：由暗處進(jìn)入亮處，瞳孔自動(dòng)縮?。挥闪撂庍M(jìn)入暗處，瞳孔自明適應(yīng)和暗適應(yīng)：由暗處進(jìn)入亮處，瞳孔自動(dòng)縮??；由亮處進(jìn)入暗處，瞳孔自動(dòng)放大。動(dòng)放大。fff=Lr四、眼睛的分辨率四、眼睛的

16、分辨率1、眼的分辨能力：眼的分辨能力：眼能夠分辨最靠近兩相鄰點(diǎn)的能力稱為眼的分眼能夠分辨最靠近兩相鄰點(diǎn)的能力稱為眼的分辨能力，或視覺敏銳度。辨能力，或視覺敏銳度。2、視角：視角：物體對(duì)人眼的張角稱作視角。物體對(duì)人眼的張角稱作視角。3、視角鑒別率視角鑒別率： 當(dāng)兩像點(diǎn)落在同一視覺細(xì)胞上時(shí)，人眼無法分辨，但當(dāng)兩當(dāng)兩像點(diǎn)落在同一視覺細(xì)胞上時(shí)，人眼無法分辨，但當(dāng)兩像點(diǎn)距離大于等于像點(diǎn)距離大于等于細(xì)胞直徑細(xì)胞直徑D時(shí)，兩像點(diǎn)可能落在相鄰細(xì)胞上，時(shí)，兩像點(diǎn)可能落在相鄰細(xì)胞上，則眼睛就可分辨。則眼睛就可分辨。 Dmin=0.006mm ，當(dāng)，當(dāng) 時(shí)，時(shí)， 視角鑒別率視角鑒別率minDD min 602062

17、6523006.0tg五、眼睛的對(duì)準(zhǔn)精度五、眼睛的對(duì)準(zhǔn)精度 眼睛雖具有發(fā)現(xiàn)一個(gè)平面上兩根平行直線的不眼睛雖具有發(fā)現(xiàn)一個(gè)平面上兩根平行直線的不重合能力，但也有一定的限度重合能力，但也有一定的限度 這個(gè)不重合限度的極限值這個(gè)不重合限度的極限值稱為稱為人眼的對(duì)準(zhǔn)精度人眼的對(duì)準(zhǔn)精度。 六、眼睛的景深六、眼睛的景深 設(shè)設(shè)Dp為人眼的直徑，為人眼的直徑，為節(jié)點(diǎn)處的人眼分辨角為節(jié)點(diǎn)處的人眼分辨角 由圖可知：由圖可知：ab = - p abA2A2cd pDpDpppppDppp222 ; cd由由A1abA1cd遠(yuǎn)景深遠(yuǎn)景深 近景深近景深 若眼睛調(diào)節(jié)在無限遠(yuǎn)，若眼睛調(diào)節(jié)在無限遠(yuǎn)，P，遠(yuǎn)、近景深距離為，遠(yuǎn)、近

18、景深距離為P1+DP/P2DP/ pDpDppppDppp1p ; 11 pDpppp211 pDpppp222 七七. 雙目立體視覺雙目立體視覺對(duì)物體位置在空間分布以及對(duì)物體對(duì)物體位置在空間分布以及對(duì)物體體積的感覺體積的感覺立體視覺。立體視覺。1. 單眼觀察單眼觀察2雙眼觀察雙眼觀察雙像雙像單一像單一像物在兩眼視網(wǎng)膜上的像必須位于視物在兩眼視網(wǎng)膜上的像必須位于視網(wǎng)膜的對(duì)應(yīng)點(diǎn)，即相對(duì)于黃斑中心網(wǎng)膜的對(duì)應(yīng)點(diǎn)，即相對(duì)于黃斑中心的同一側(cè)時(shí)，才有單像的印象的同一側(cè)時(shí)，才有單像的印象23n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

19、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 就需要借助放大鏡或顯微鏡將其放大，使就需要借助放大鏡或顯微鏡將其放大，使像的視角像的視角大大于人眼的極限分辨角于人眼的極限分辨角 擴(kuò)大視角是目視光學(xué)儀器的擴(kuò)大視角是目視光學(xué)儀器的第一個(gè)要求第一個(gè)要求 人眼在觀察物體時(shí)完全放松的自然狀態(tài)，即無限遠(yuǎn)目人眼在觀察物體時(shí)完全放松的自然狀態(tài)，即無限遠(yuǎn)目標(biāo)成像到視網(wǎng)膜上標(biāo)成像到視網(wǎng)膜上 在利用儀器觀察時(shí)，目標(biāo)通過儀器后應(yīng)成像在無限遠(yuǎn)在利用儀器觀察時(shí)，目標(biāo)通過儀器后應(yīng)成像在無限遠(yuǎn)處，即要求儀器出射平行光束處，即要求儀器出射平行光束 對(duì)目視光學(xué)儀器的對(duì)目視光學(xué)儀器的第二個(gè)要求。第二個(gè)要求。第二節(jié)第二節(jié) 放大鏡放大鏡 tgtgtgltglyyeeei 250yLytg 人眼直接觀察時(shí)：人眼直接觀察時(shí)：lPyflflPytg 通過放大鏡觀察時(shí)：通過放大鏡觀察時(shí)：-L- -yAByey yy y-lfPF 一、視覺放大率一、視覺放大率 - -yyi 通過通過