工程光學(xué)第七章典型光學(xué)系統(tǒng)

1第一頁，共四十四頁，2022年，8月28日主要介紹以下成像光學(xué)系統(tǒng)的成像特征和設(shè)計(jì)方法①成虛象的目視光學(xué)系統(tǒng)（放大鏡、顯微鏡、望遠(yuǎn)鏡）②成實(shí)像的眼睛、攝影和投影系統(tǒng)?！?-1眼睛及其光學(xué)系統(tǒng)眼睛既是一個完整的成像光學(xué)系統(tǒng)，又是一個目視光學(xué)系統(tǒng)的接受器，可以看成整個光學(xué)系統(tǒng)的一個組成部分，因此它的構(gòu)造和成像特性在設(shè)計(jì)和研究目視光學(xué)系統(tǒng)時要考慮。一、眼睛結(jié)構(gòu)第二頁，共四十四頁，2022年，8月28日①角膜和鞏膜眼球被一層堅(jiān)韌的膜所包圍，前面凸出的透明部分稱為角膜，其余為鞏膜，光線首先經(jīng)過角膜。②前室角膜后充滿透明液體的空間。③虹膜和瞳孔前室的后壁為虹膜，中間的圓孔為瞳孔，其直徑能隨外界景物亮暗程度的變化而本能的改變大小，以調(diào)節(jié)進(jìn)入眼睛的光能量，是孔徑光闌。④水晶體在虹膜之后，它是由多層折射率不同的薄膜構(gòu)成的，可看成一個雙凸透鏡，水晶體周圍睫狀肌的緊張和松弛能使其表面的曲率半徑發(fā)生改變，從而使不同距離的物體都能清晰成像在網(wǎng)膜上。⑤后室水晶體后面的空間，充滿著膠狀透明液體。第三頁，共四十四頁，2022年，8月28日⑥網(wǎng)膜后室內(nèi)壁一層由神經(jīng)末稍組成的視網(wǎng)膜，是感光部分。物體成像在其上是倒像，但由于神經(jīng)的內(nèi)部作用，感覺仍然是正像。⑦黃斑網(wǎng)膜上視覺最靈敏的區(qū)域。⑧盲點(diǎn)視神經(jīng)的出口，沒有感光細(xì)胞，不產(chǎn)生視覺。因此，眼睛如同一個自動調(diào)焦和自動改變光圈大小的照相機(jī)，從光學(xué)角度看，眼睛中的水晶體、瞳孔、網(wǎng)膜分別對應(yīng)于照相機(jī)中的鏡頭、光闌和底片。二、眼睛的調(diào)節(jié)及校正（一）調(diào)節(jié)指眼睛通過睫狀肌的作用，本能地改變水晶體光焦度的大小，以看清不同距離物體的過程。第四頁，共四十四頁，2022年，8月28日遠(yuǎn)點(diǎn)：肌肉完全放松時，眼睛能看清的最遠(yuǎn)點(diǎn)。近點(diǎn)：肌肉處于最緊張狀態(tài)時，能看清的最近點(diǎn)。近點(diǎn)和遠(yuǎn)點(diǎn)到眼睛物方主點(diǎn)的距離，稱為遠(yuǎn)點(diǎn)距離和近點(diǎn)距離。則眼的調(diào)節(jié)能力為：遠(yuǎn)點(diǎn)距離近點(diǎn)距離R為遠(yuǎn)點(diǎn)視度，P為近點(diǎn)視度，單位為屈光度（D）=1/m。醫(yī)學(xué)上，1D=100度。隨著年齡增大，肌肉調(diào)節(jié)能力下降，調(diào)節(jié)范圍減小。（二）眼的缺陷及校正眼睛的遠(yuǎn)點(diǎn)在無限遠(yuǎn)或眼光學(xué)系統(tǒng)的后焦點(diǎn)在視網(wǎng)膜上，稱為正常眼。正常眼觀察近物時，物體距眼最適宜的距離是250mm，稱為明視距離M。第五頁，共四十四頁，2022年，8月28日①近視眼近視眼的網(wǎng)膜離水晶體太遠(yuǎn)或水晶體表面曲率太大，無限遠(yuǎn)物點(diǎn)成像在網(wǎng)膜之前，遠(yuǎn)點(diǎn)在眼前有限遠(yuǎn)。需配一負(fù)光角度凹面透鏡，透鏡的像方焦點(diǎn)與眼睛的遠(yuǎn)點(diǎn)重合，這樣，無限遠(yuǎn)物點(diǎn)就能成像在網(wǎng)膜上。第六頁，共四十四頁，2022年，8月28日②遠(yuǎn)視眼其網(wǎng)膜離水晶體太近或水晶體表面曲率不夠大，導(dǎo)致明視距離處物點(diǎn)成像在網(wǎng)膜的后面，其遠(yuǎn)點(diǎn)在眼睛之后，近點(diǎn)在眼前較遠(yuǎn)處或眼睛之后。配一正光焦度凸面透鏡，使明視距離處物點(diǎn)能成像在網(wǎng)膜上，其焦距恰好等于遠(yuǎn)點(diǎn)距。第七頁，共四十四頁，2022年，8月28日③散光眼眼的水晶體或角膜表面的不對稱，眼的光焦度在不同方向上不同，造成一物點(diǎn)發(fā)出的光束經(jīng)眼睛不能相交于一點(diǎn)。散光眼在觀看輻射狀直線圓形時只能看清某個方向的線條，與此垂直的線條則覺得模糊。在兩個相互垂直的方向上（散光軸），光焦度分別有最大、最小值，兩者差稱為散光度。散光眼需用柱面透鏡校正。如為近視散光或遠(yuǎn)視散光用球柱面透鏡校正。第八頁，共四十四頁，2022年，8月28日三、眼睛對光強(qiáng)度變化的適應(yīng)眼對不同亮暗環(huán)境的適應(yīng)能力稱為眼的適應(yīng)。主要原因：①當(dāng)亮照明時，起作用的視細(xì)胞是靈敏度高的錐狀細(xì)胞；②暗照明時，起作用的視細(xì)胞是靈敏度低的柱狀細(xì)胞。次要原因：瞳孔的自動增大和縮小。適應(yīng)分為：①明適應(yīng)：由暗處到亮處，適應(yīng)時間大約幾分鐘；②暗適應(yīng)：由亮處到暗處，適應(yīng)時間大約30～60分鐘。四、眼睛的分辨率和瞄準(zhǔn)精度眼能分辨兩個很靠近點(diǎn)的能力，為眼的分辨率；能分辨的兩個最近兩點(diǎn)對眼的張角，為其最小分辨率（ε′），在明視場中ε′=1′。第九頁，共四十四頁，2022年，8月28日在光學(xué)測量中，用某種標(biāo)志對目標(biāo)在垂直于光軸的方向上進(jìn)行重合或置中，這一過程為瞄準(zhǔn)。瞄準(zhǔn)后，偏離完全重合或置中的程度稱為瞄準(zhǔn)精度（誤差）。常用的瞄準(zhǔn)方式有：兩實(shí)線瞄準(zhǔn)、兩實(shí)線端部瞄準(zhǔn)、雙線平分瞄準(zhǔn)、虛線實(shí)輪廓線瞄準(zhǔn)。第十頁，共四十四頁，2022年，8月28日分辨率ε′和瞄準(zhǔn)精度α′是兩個不同概念。分辨率適用于觀察用顯微鏡，瞄準(zhǔn)精度適用于測量顯微鏡，且ε′=Kα′。K與不同的瞄準(zhǔn)方式對應(yīng)。高的瞄準(zhǔn)精度不僅取決于高的分辨率，也取決于合適的瞄準(zhǔn)方式。第十一頁，共四十四頁，2022年，8月28日§7-2放大鏡一、視覺放大率目視光學(xué)儀器的基本工作原理是通過光學(xué)儀器，其像對人眼的張角大于人眼直接觀察物體時對人眼的張角。因此放大率不能用前面介紹的橫向放大率或角放大率來表示。因觀察物體時經(jīng)儀器后成像在人的視網(wǎng)膜上。所以目視光學(xué)系統(tǒng)的放大率用視覺放大率表示：即用儀器觀察物體時視網(wǎng)膜上的像高與用人眼直接觀察物體時視網(wǎng)膜上的像高之比；或通過目視光學(xué)系統(tǒng)觀察物體時，其像對眼睛張角的正切與直接看物體對眼張角的正切之比。即：第十二頁，共四十四頁，2022年，8月28日對放大鏡，人眼直接觀察時，一般把物體直接放在明視距離上，D=250mm,則：當(dāng)人眼通過放大鏡觀察物體時，虛象對人眼的張角為：第十三頁，共四十四頁，2022年，8月28日可見放大鏡的視覺放大率不是常數(shù)，取決于觀察條件（P′和l′)：①當(dāng)眼調(diào)焦在無限遠(yuǎn)時，l′=∞時，物體放在放大鏡的焦點(diǎn)上。此時算出的視覺放大率作為放大鏡和目鏡的光學(xué)常數(shù)，標(biāo)注在鏡筒上。②正常視力的眼睛一般把物調(diào)焦在明視距離D上，則P′-l′=D,則：適用于長焦距（小放大率）的放大鏡當(dāng)眼緊靠放大鏡時，P′=0，則：第十四頁，共四十四頁，2022年，8月28日常用放大鏡的被率在2.5~25倍之間，若用單透鏡（平凸或雙凸），通常不超過3倍。若放大鏡的物是前面光學(xué)系統(tǒng)所成的像，則這樣的放大鏡稱為目鏡。二、光束限制放大鏡與眼組合構(gòu)成目視光學(xué)系統(tǒng)，眼瞳是孔闌，又是出瞳。放大鏡框是視場光闌，又是出、入窗，同時放大鏡本身又是漸暈光闌。像方視場角為：漸暈系數(shù)K=100漸暈系數(shù)K=50漸暈系數(shù)K=0第十五頁，共四十四頁，2022年，8月28日當(dāng)用于近距離觀察小物體時，常用物方線視場2y來表示放大鏡的視場。當(dāng)物面放在放大鏡焦平面上時，像平面在無限遠(yuǎn)，線視場為：當(dāng)漸暈為50%時，線視場為：第十六頁，共四十四頁，2022年，8月28日§7-3顯微鏡系統(tǒng)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(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聚透鏡（組），兩者的間隔比它們各自的焦距大得多。成像原理：物AB位于物方焦點(diǎn)外測附近，經(jīng)物鏡成一放大、倒立的實(shí)象A'B'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A"B"于眼視距離甚至無限遠(yuǎn)處。第十七頁，共四十四頁，2022年，8月28日一、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：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5、10、15。物鏡的垂軸放大率目鏡的視覺放大率第十八頁，共四十四頁，2022年，8月28日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(jī)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(biāo)準(zhǔn)距離。二、顯微鏡的線視場物體經(jīng)物鏡后成像在視場光闌（直徑為D）上，則其線視場為：視場光闌的大小應(yīng)與目鏡的視場角一致：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。第十九頁，共四十四頁，2022年，8月28日三、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：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)。第二十頁，共四十四頁，2022年，8月28日四、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)瑞利判斷，兩個相鄰像點(diǎn)之間的間隔等于艾里斑的半徑時，則能被光學(xué)系統(tǒng)分辨。設(shè)艾里斑半徑為a。則：顯微鏡的分辨率以能分辨的物方兩點(diǎn)間最短距離σ來表示，即：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：目鏡的理想分辨率第二十一頁，共四十四頁，2022年，8月28日距離為σ的兩個點(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2‘~4’。則在明視距離上對應(yīng)的線距離σ‘為：把σ‘換算到物空間，按道威判斷取σ值，則：設(shè)λ=555nm，得：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170mm，物鏡對玻璃厚度d=0.17mm的玻璃蓋板校正像差的。第二十二頁，共四十四頁，2022年，8月28日五、顯微鏡的景深當(dāng)眼通過顯微鏡調(diào)焦于某一平面（對準(zhǔn)平面）時，在對準(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。一種為不考慮眼睛調(diào)節(jié)能力時顯微鏡本身的景深，為幾何景深；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。六、顯微鏡的照明方式①透射光亮視場照明。光通過透明物體產(chǎn)生亮視場。②反射光亮視場照明。對不透明的物體，從上面照射產(chǎn)生漫射或規(guī)則的反射形成亮視場。③透射光暗視場照明。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。④反射光暗視場照明。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。第二十三頁，共四十四頁，2022年，8月28日生物顯微鏡多為透明標(biāo)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：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體的入瞳和物方視場重合。第二十四頁，共四十四頁，2022年，8月28日柯勒照明消除了臨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“窗對瞳，瞳對窗”的光管，調(diào)節(jié)光闌2有利于有害的散射光。調(diào)節(jié)1減少有害的雜散光，提高對比度。第二十五頁，共四十四頁，2022年，8月28日§7-4望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)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Δ=0，是無焦系統(tǒng)。望遠(yuǎn)鏡的物鏡f0‘>0,目鏡有兩種：fe‘>0為開普勒望遠(yuǎn)鏡。開普勒望遠(yuǎn)鏡第二十六頁，共四十四頁，2022年，8月28日其視覺放大率為：手持望遠(yuǎn)鏡的放大率不超過10倍，大地測量望遠(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)和透鏡轉(zhuǎn)像系統(tǒng)。棱鏡轉(zhuǎn)像系統(tǒng)用于筒長較短且結(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)第二十七頁，共四十四頁，2022年，8月28日透鏡轉(zhuǎn)像系統(tǒng)用于長鏡筒的望遠(yuǎn)鏡中。增加系統(tǒng)的長度，改變系統(tǒng)的視覺放大率，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)整個系統(tǒng)較細(xì)長，軸外光線的很大部分將不能通過轉(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。這種透鏡稱為場鏡，對系統(tǒng)的光焦度和放大率和像的位置幾乎不產(chǎn)生影響。第二十八頁，共四十四頁，2022年，8月28日場鏡的作用fe‘<0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)鏡第二十九頁，共四十四頁，2022年，8月28日二、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φ表示，按瑞利判斷：按道威判斷有：因望遠(yuǎn)鏡是目視光學(xué)儀器，受人眼分辨率限制，即兩個物點(diǎn)通過儀器后對人眼的視角必須大于人眼的視覺分辨率1‘。即為滿足分辨率要求的最小視覺放大率，稱為有效放大率（正常）。為看起來舒服常取Γ的2~3倍，稱為工作放大率。第三十頁，共四十四頁，2022年，8月28日三、望遠(yuǎn)鏡的視場開普勒望遠(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，為視場光闌。因此，望遠(yuǎn)鏡的物方視場角ω滿足：分劃板半徑其2ω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(yuǎn)鏡的全視場。第三十一頁，共四十四頁，2022年，8月28日§7-5目鏡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、視場角、相對鏡目距、工作距。一、視場目鏡的視場取決于望遠(yuǎn)鏡的視覺放大率和物方視場角2w，即：一般可達(dá)40°~50°，廣角目鏡可達(dá)60°~80°，雙目儀器不超過75°。二、鏡目距指目鏡后表面的頂點(diǎn)到出瞳的距離（P′）。相對鏡目距是其與目鏡焦距之比。第三十二頁，共四十四頁，2022年，8月28日由牛頓公式得：因此，相對鏡目距：可見當(dāng)Γ較大時，鏡目距近似等于目鏡的后截距。即：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(yīng)近視眼與遠(yuǎn)視眼的需要，視度是可以調(diào)節(jié)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。第三十三頁，共四十四頁，2022年，8月28日四、常用目鏡的型式冉斯登目鏡其視場角達(dá)30°~40°，相對鏡目距達(dá)0.3，適用于測量顯微鏡和測量望遠(yuǎn)鏡。開涅爾目鏡其視場角達(dá)40°~50°，相對鏡目距達(dá)0.5，結(jié)構(gòu)簡單，像質(zhì)較好。第三十四頁，共四十四頁，2022年，8月28日對稱式目鏡其視場角達(dá)40°~42°，相對鏡目距達(dá)0.75，適用于軍用觀察和瞄準(zhǔn)儀器。無畸變目鏡其視場角達(dá)40°，相對鏡目距達(dá)0.7，適用于測量儀器。第三十五頁，共四十四頁，2022年，8月28日艾爾弗目鏡其視場角達(dá)70°，相對鏡目距達(dá)0.7，是最常用的一種廣角目鏡。惠更斯目鏡其視場角達(dá)40°~50°，相對鏡目距達(dá)0.33，焦距不小于15mm。第三十六頁，共四十四頁，2022年，8月28日長出瞳目鏡其視場角達(dá)50°，用于軍用儀器。目鏡的種類較多，設(shè)計(jì)時在滿足光學(xué)特性要求時，兼顧成像質(zhì)量和結(jié)構(gòu)的簡單化。第三十七頁，共四十四頁，2022年，8月28日§7-6攝影系統(tǒng)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)，由攝影物鏡和感光元件組成。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）視場視場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，像的大小為：排近處物體時，像的大小為：第三十八頁，共四十四頁，2022年，8月28日感光元件框是視場光闌和出窗，決定成像范圍。當(dāng)接收器尺寸一定時，物鏡的的焦距