工程光學(xué)郁道銀第七章課件

工程光學(xué)

第7章-1

典型光學(xué)系統(tǒng)本章內(nèi)容提要第一節(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)變焦距光學(xué)系統(tǒng)第九節(jié)光學(xué)系統(tǒng)的外型尺寸計(jì)算3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。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?！?.1眼睛及其光學(xué)系統(tǒng)一、眼睛的結(jié)構(gòu)1、結(jié)構(gòu)與主要組成：角膜、前室（水狀液）、水晶體和后室（玻璃體）、視網(wǎng)膜、瞳孔、黃斑、視軸與眼軸。

水晶體的曲率半徑：40mm~70mm孔徑直徑變化：2mm~8mm眼軸視軸6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；*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)生在角膜上；鞏膜角膜脈絡(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；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，決定眼的顏色；鞏膜角膜脈絡(luò)膜虹膜瞳孔*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直徑在2~8mm范圍內(nèi)變化；它是人眼的孔徑光闌。8人眼的構(gòu)造剖視圖細(xì)胞，錐狀細(xì)胞直徑約5微米，長約35微米；桿狀細(xì)胞直徑約2微米，長約60微米。它們在網(wǎng)膜上的分布式不均勻的。在黃斑中心凹處*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)而沒有桿狀細(xì)胞，由中心向外，逐漸相對變化；鞏膜角膜脈絡(luò)膜虹膜瞳孔網(wǎng)膜黃斑中心凹10人眼的構(gòu)造剖視圖鞏膜角膜率都是不均勻的，由里層到外層逐漸減少，有利于提高脈絡(luò)膜成像質(zhì)量。晶狀體的平均折射率為1.40，其周圍是毛狀肌虹膜瞳孔網(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

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，黃斑中心凹

盲斑晶狀體12人眼的構(gòu)造剖視圖鞏膜角膜

脈絡(luò)膜眼睛的像方節(jié)點(diǎn)與中心凹的連線為眼睛的視軸,

在觀察物虹膜瞳孔網(wǎng)膜

體時眼睛本能地把物體瞄準(zhǔn)在這根軸上。黃斑中心凹

盲斑晶狀體前室后室1.3761.3361.336光軸視軸142、眼睛的成像：人眼是一個類似的攝影系統(tǒng)，角膜相當(dāng)于一個凸凹鏡，前室亦如此，水晶體相當(dāng)于一個雙凸鏡。物點(diǎn)在視網(wǎng)膜上形成一個倒立的實(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。

眼睛的物方和像方焦距不相等:f=-17.1mmf’=22.8mm眼睛的調(diào)焦范圍:-f=14.2~17.1mmf’=18.9~22.8mm瞳孔起著孔徑光闌的作用，自動調(diào)節(jié)進(jìn)入人眼的光能，它有一定范圍，(2~8mm)若外界光很強(qiáng)，即使=2mm時仍然使人無法適應(yīng)，就很容易使視網(wǎng)膜造成傷害。

3、眼睛的光學(xué)參數(shù)：介質(zhì)折射率：n=1.3333折射面半徑：r1=5.77mm物方焦距：f≈-17mm像方焦距：f'≈23mm光焦度：D=58.48(1/m)網(wǎng)膜半徑：r2=9.7mm二、眼睛的調(diào)節(jié)及校正1、眼睛的調(diào)節(jié)：眼睛成像系統(tǒng)對任意距離的物體自動調(diào)焦的過程。f’的變化范圍:18mm~23mm2、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。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：

l

r遠(yuǎn)點(diǎn)距離,遠(yuǎn)點(diǎn)發(fā)散度（或會聚度）;

l

p近點(diǎn)距離，近點(diǎn)發(fā)散度（或會聚度）；單位為（D）屈光度（屈光度1D=1m-1）眼睛的調(diào)節(jié)能力用plP1=a.影響因素：調(diào)節(jié)能力隨年齡增大而減少

b.明視距離：在閱讀時，或眼睛通過目視光學(xué)儀器觀測物像時，為了工作舒適，習(xí)慣上把物或像置于眼前250mm處，稱作明視距離。3、非正常眼及其校正：①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。②近視眼和遠(yuǎn)視眼：近視眼：遠(yuǎn)點(diǎn)位于眼前有限距離。遠(yuǎn)視眼：遠(yuǎn)點(diǎn)位于眼后有限距離③校正方法;④視度：遠(yuǎn)點(diǎn)距離l

r(單位為m)的倒數(shù)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)院和眼鏡店把一屈光度稱作100度。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)胞組成，兩種細(xì)胞各有不同的任務(wù)；桿狀細(xì)胞：對光刺激極敏感，但完全不感色；（引起視覺）錐狀細(xì)胞：感光能力差，但它們能對各色光有不同的感受。（分辨顏色）適應(yīng)：眼睛對周圍空間光亮情況的自動適應(yīng)程度。明適應(yīng)和暗適應(yīng)：由暗處進(jìn)入亮處，瞳孔自動縮??；由亮處進(jìn)入暗處，瞳孔自動放大。f‘f‘f=Lr四、眼睛的分辨率1、眼的分辨能力：眼能夠分辨最靠近兩相鄰點(diǎn)的能力稱為眼的分辨能力，或視覺敏銳度。2、視角：物體對人眼的張角稱作視角。3、視角鑒別率ε：當(dāng)兩像點(diǎn)落在同一視覺細(xì)胞上時，人眼無法分辨，但當(dāng)兩像點(diǎn)距離大于等于細(xì)胞直徑D時，兩像點(diǎn)可能落在相鄰細(xì)胞上，則眼睛就可分辨。Dmin=0.006mm，當(dāng)時，視角鑒別率六、眼睛的景深設(shè)Dp為人眼的直徑，ε為節(jié)點(diǎn)處的人眼分辨角由圖可知：ab=-pεΔabA2∽ΔA2cdεcd由ΔA1ab∽ΔA1cd遠(yuǎn)景深近景深若眼睛調(diào)節(jié)在無限遠(yuǎn)，P＝∞，遠(yuǎn)、近景深距離為P1∞＝+DP/εP2∞＝－DP/ε23物體對眼睛的視角，不僅取決于物體的大小，還取決于該物體到眼睛的距離，距離越近視角越大在近處觀察細(xì)小物體其視角小于人眼極限分辨角就需要借助放大鏡或顯微鏡將其放大，使像的視角大于人眼的極限分辨角

—擴(kuò)大視角是目視光學(xué)儀器的第一個要求工作原理人眼在觀察物體時完全放松的自然狀態(tài)，即無限遠(yuǎn)目標(biāo)成像到視網(wǎng)膜上在利用儀器觀察時，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—對目視光學(xué)儀器的第二個要求。

第二節(jié)放大鏡

人眼直接觀察時：通過放大鏡觀察時：-L-w-yABye’yy’-l’f’P’F’w’一、視覺放大率

-’-y’yi’通過放大鏡觀察物體時，物體像的視角ω正切與人眼直接觀察該物體時的視角ω正切之比。這種放大率稱為視角放大率。用字母Γ表示放大鏡當(dāng)l’=∞，或P’=f’時，G0=250/f’正常視力的眼，P’-l’=250，看書用如果眼睛緊貼放大鏡，即P’=0，則結(jié)論yy’-l’f’P’F’w’放大鏡的放大率僅由放大鏡的焦距f′所決定，焦距越大則放大率越小。

眼瞳：孔徑光闌，系統(tǒng)的出