第七章 典型光學(xué)系統(tǒng)

1、1放大鏡較低的放大率不能滿足人們對(duì)近距離物體的極微小細(xì)節(jié)進(jìn)行觀察，須用顯微鏡這種更高放大率的組合光學(xué)系統(tǒng)。顯微鏡的目鏡和物鏡都是會(huì)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(diǎn)外測(cè)附近，經(jīng)物鏡成一放大、倒立的實(shí)象AB于目鏡物方焦面上或物方焦面內(nèi)側(cè)附近，再經(jīng)目鏡成放大虛象AB于眼視距離甚至無限遠(yuǎn)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(shí)質(zhì)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(duì)生物顯微鏡，我國(guó)規(guī)定為195mm。把物鏡和目鏡取下后，所剩的鏡筒長(zhǎng)度稱為機(jī)械筒長(zhǎng)，也是固定的，有160mm、170mm、190mm 。我國(guó)以 160mm作為物鏡目鏡定位面的標(biāo)準(zhǔn)距離。二、顯微鏡的線視場(chǎng)二、顯微鏡的線視場(chǎng)物體經(jīng)物鏡后成像在視場(chǎng)光闌（直徑為D）上，則其線視場(chǎng)為：2Dy視場(chǎng)光闌的大小應(yīng)與目鏡的視場(chǎng)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(chǎng)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(fù)雜物鏡，其最后鏡組的鏡框?yàn)榭讖焦怅@。測(cè)量用顯微鏡，物鏡像方焦平面上設(shè)置專門的孔徑光闌，經(jīng)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(xué)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(diǎn)源形成的像為一個(gè)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(gè)相鄰像點(diǎn)之間的間隔等于艾里斑的半徑時(shí)，則能被光學(xué)系統(tǒng)分辨。設(shè)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(diǎn)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(shí)，能被分辨開，即：0.850.5aNA目鏡的理想分辨率6距離為的兩個(gè)點(diǎn)不僅被物鏡分辨，且通過顯微鏡放大，能被眼區(qū)分開，設(shè)眼的分辨角距離為24。則在明視距離上對(duì)應(yīng)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(shè)=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(biāo)明170mm/0.17;40/0.65。表示放大率為40，數(shù)值孔徑為0.65,機(jī)械筒長(zhǎng)170mm，物鏡對(duì)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(dāng)眼通過顯微鏡調(diào)焦于某一平面（對(duì)準(zhǔn)平面）時(shí)，在對(duì)準(zhǔn)平面前和后一定范圍內(nèi)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(diào)節(jié)能力時(shí)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(diào)節(jié)能力帶來的景深，為調(diào)節(jié)景深調(diào)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(chǎng)照明。光通過透明物體產(chǎn)生亮視場(chǎng)。反射光亮視場(chǎng)照明。對(duì)不透明的物體，從上面照射產(chǎn)生漫射或規(guī)則的反射形成亮視場(chǎng)。透射光暗視場(chǎng)照明。傾斜入射的照明光束在物體旁側(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，則獲得暗視場(chǎng)。反射光暗視場(chǎng)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，若無缺陷的放射鏡作為物體，得到一均勻暗視場(chǎng)。8生物顯微鏡多為透明標(biāo)本，常用透射光亮視場(chǎng)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(huì)影響顯微鏡的觀察效果。聚光鏡的出瞳和像方視場(chǎng)分別與物鏡的入瞳和物方視場(chǎng)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(diǎn)，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(duì)瞳，瞳對(duì)窗”的光管，調(diào)節(jié)光闌2有利于減少有害的散射光。調(diào)節(jié)1減少有害的雜散光，提高對(duì)比度。10eoff 望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)是一種能把遠(yuǎn)距離物體的張角放大，便于進(jìn)行觀察和瞄準(zhǔn)的目視光學(xué)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(xué)系統(tǒng)。其物鏡的像方焦點(diǎn)和目鏡的物方焦點(diǎn)重合。即光學(xué)間隔=0，是無焦系統(tǒng)。望遠(yuǎn)鏡的物鏡f00,目鏡有兩種：fe0為開普勒望遠(yuǎn)鏡。放大率：開普勒望遠(yuǎn)鏡oeff 11其視覺放大率為：0()()etgftgDtgtgf

8、D 儀眼眼像方視場(chǎng)角物方視場(chǎng)角手持望遠(yuǎn)鏡的放大率不超過10倍，大地測(cè)量望遠(yuǎn)鏡大約為30倍，天文望遠(yuǎn)鏡更高。開普勒望遠(yuǎn)鏡成倒像，需加入轉(zhuǎn)像系統(tǒng)成正像。轉(zhuǎn)像系統(tǒng)分為棱鏡轉(zhuǎn)像系統(tǒng)棱鏡轉(zhuǎn)像系統(tǒng)和透鏡轉(zhuǎn)像系統(tǒng)透鏡轉(zhuǎn)像系統(tǒng)。棱鏡轉(zhuǎn)像系統(tǒng)棱鏡轉(zhuǎn)像系統(tǒng)用于筒長(zhǎng)較短筒長(zhǎng)較短且結(jié)構(gòu)緊湊結(jié)構(gòu)緊湊望遠(yuǎn)鏡中。不改變其放大率。軍用望遠(yuǎn)鏡棱鏡轉(zhuǎn)像系統(tǒng)12透鏡轉(zhuǎn)像系統(tǒng)透鏡轉(zhuǎn)像系統(tǒng)用于長(zhǎng)鏡筒的長(zhǎng)鏡筒的望遠(yuǎn)鏡中。增加系統(tǒng)的長(zhǎng)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(zhuǎn)像透鏡之間的光束是平行的，改變兩透鏡之間的距離不會(huì)影響系統(tǒng)的光學(xué)特性。雙組透鏡轉(zhuǎn)像系統(tǒng)當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)較細(xì)長(zhǎng)，軸外光線的很大部分將不能通過

9、轉(zhuǎn)像系統(tǒng)和目鏡，可在中間實(shí)像面上或其附近加一適當(dāng)光焦度的正透鏡，把軸外光線壓低以通過整個(gè)系統(tǒng)，這樣不必增加后面光學(xué)元件的口徑。這種透鏡稱為場(chǎng)鏡場(chǎng)鏡，對(duì)系統(tǒng)的光焦度和放大率和像的位置幾乎不產(chǎn)生影響。13場(chǎng)鏡的作用fe0為伽利略望遠(yuǎn)鏡，但因其沒有中間實(shí)像，不能設(shè)置用來瞄準(zhǔn)和定位的分劃板，且放大率小，應(yīng)用較少。伽利略望遠(yuǎn)鏡14二、望遠(yuǎn)系統(tǒng)的分辨率及工作放大率二、望遠(yuǎn)系統(tǒng)的分辨率及工作放大率望遠(yuǎn)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(yuǎn)鏡是目視光學(xué)儀器，受人眼分辨率限制，即兩個(gè)物點(diǎn)通過儀

10、器后對(duì)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(yuǎn)鏡的視場(chǎng)三、望遠(yuǎn)鏡的視場(chǎng)開普勒望遠(yuǎn)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(chǎng)光闌。因此，望遠(yuǎn)鏡的物方視場(chǎng)角滿足：0ytgf分劃板半徑其2一般不超過15，人眼觀察時(shí)，必須滿足光瞳相銜接，才能看到望遠(yuǎn)鏡的全視場(chǎng)。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(yuǎn)點(diǎn)或明視距離。其光學(xué)參數(shù)有：焦距、

11、視場(chǎng)角、相對(duì)焦距、視場(chǎng)角、相對(duì)鏡目距、工作距。鏡目距、工作距。一、視場(chǎng)一、視場(chǎng)目鏡的視場(chǎng)取決于望遠(yuǎn)鏡的視覺放大率和物方視場(chǎng)角2w，即：tgwtgw 一般可達(dá)4050，廣角目鏡可達(dá)6080，雙目?jī)x器不超過75。二、鏡目距二、鏡目距指目鏡后表面的頂點(diǎn)到出瞳的距離（P）。相對(duì)鏡目距相對(duì)鏡目距是其與目鏡焦距之比。17由牛頓公式得：2eeeFFofffPlPlf因此，相對(duì)鏡目距：1FeelPff可見當(dāng)較大時(shí)，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(diǎn)到其物方焦平面的距離。目鏡的視場(chǎng)光闌與物鏡的視場(chǎng)光闌重合，位于目鏡的前焦平面上。為適應(yīng)近視眼與遠(yuǎn)視眼的需要，視度是可以調(diào)節(jié)

12、的，因此工作距要大于視度調(diào)節(jié)的深度，視度調(diào)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(chǎng)角達(dá)3040，相對(duì)鏡目距達(dá)0.3，適用于測(cè)量顯微鏡和測(cè)量望遠(yuǎn)鏡。開涅爾目鏡其視場(chǎng)角達(dá)4050，相對(duì)鏡目距達(dá)0.5，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，像質(zhì)較好。19對(duì)稱式目鏡其視場(chǎng)角達(dá)4042，相對(duì)鏡目距達(dá)0.75，適用于軍用觀察和瞄準(zhǔn)儀器。無畸變目鏡其視場(chǎng)角達(dá)40，相對(duì)鏡目距達(dá)0.7，適用于測(cè)量?jī)x器。20艾爾弗目鏡其視場(chǎng)角達(dá)70，相對(duì)鏡目距達(dá)0.7，是最常用的一種廣角目鏡?；莞鼓跨R其視場(chǎng)角達(dá)4050，相對(duì)鏡目距達(dá)0.33，焦距不小于15mm。21長(zhǎng)出瞳目鏡其視場(chǎng)角達(dá)50，用于軍用儀器。目鏡的種類較多

13、，設(shè)計(jì)時(shí)在滿足光學(xué)特性要求時(shí)，兼顧成像質(zhì)量和結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)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(xué)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(jī)、電影攝像機(jī)、顯微攝影系統(tǒng)、照相制版儀等。一、攝影物鏡的光學(xué)特性一、攝影物鏡的光學(xué)特性特性參數(shù)：焦距、相對(duì)孔徑、視場(chǎng)角。決定成像大小決定像面照度決定成像范圍（一）視場(chǎng)（一）視場(chǎng)視場(chǎng)的大小由物鏡的焦距和接收器的尺寸決定。拍遠(yuǎn)處物體時(shí)，像的大小為：拍近處物體時(shí)，像的大小為：yf tgw yyyfx23感光元件框是視場(chǎng)光闌和出窗，決定成像范圍。當(dāng)接收器尺寸一定時(shí)，物鏡的的焦距越短，視場(chǎng)角越大。越長(zhǎng)，視場(chǎng)角越小。廣角物鏡遠(yuǎn)攝物鏡

14、普通照相機(jī)標(biāo)準(zhǔn)鏡頭的焦距為50mm。拍遠(yuǎn)處物體時(shí)，物方最大視場(chǎng)角為：maxmax2ytgwf底片的對(duì)角線長(zhǎng)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(nèi)能分辨開的線對(duì)數(shù)表示。24設(shè)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(shí)際分辨率小于理論分辨率；此外其分辨率還與被攝目標(biāo)的對(duì)比度有關(guān)，因此評(píng)價(jià)其成像質(zhì)量要用光學(xué)傳遞函數(shù)。（三）像面照度（三）像面照度主要取決于相對(duì)口徑，由前面知識(shí)：222

15、222211sin44PPDDELULELff 當(dāng)物在無限遠(yuǎn)( =0)光瞳垂軸放大率物體亮度25對(duì)大視場(chǎng)物鏡，其視場(chǎng)邊緣的照度要比視場(chǎng)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(guó)標(biāo)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(shí)間t的乘積為暴光量。若F提高一檔，則暴光時(shí)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(chǎng)、大相對(duì)孔徑的光學(xué)系統(tǒng)，為了獲得較好的像質(zhì)，要校正軸上點(diǎn)像差，又要校正軸外點(diǎn)像差。26普通攝影物鏡長(zhǎng)焦距攝影物鏡變焦距攝影物鏡27天塞物鏡廣角物鏡遠(yuǎn)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(jīng)照明放大后成一平面實(shí)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(jī)、幻燈機(jī)、測(cè)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(shí)大部分光能損失掉，因30此，要提高像面的照度，需選用強(qiáng)光源照明，或增加光源數(shù)目，增