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文檔簡介
第七章典型光學(xué)系統(tǒng)眼睛放大鏡顯微鏡望遠(yuǎn)鏡攝像機(jī)投影儀第一節(jié)眼睛及其光學(xué)系統(tǒng)1.眼睛的結(jié)構(gòu)2.標(biāo)準(zhǔn)眼和簡約眼3.眼睛的調(diào)節(jié)4.正常眼和非正常眼5.眼睛的適應(yīng)
6.眼睛的立體視覺1.眼睛的結(jié)構(gòu)眼睛像個(gè)能自動(dòng)對(duì)焦、變焦、自動(dòng)改變光圈的照相機(jī)。人眼照相機(jī)水晶體鏡頭網(wǎng)膜底片瞳孔光闌◆
眼睛的直徑約25mm◆物體在視網(wǎng)膜上成倒像◆感光最靈敏處稱為黃斑◆在盲斑處無錐狀細(xì)胞和桿狀細(xì)胞◆節(jié)點(diǎn)與中心凹的連線稱視軸。怎樣驗(yàn)證盲斑的存在?2.標(biāo)準(zhǔn)眼和簡約眼標(biāo)準(zhǔn)眼:滿足眼睛光學(xué)常數(shù)值的眼睛。簡約眼:把標(biāo)準(zhǔn)眼簡化為一個(gè)折射球面的模型。3.眼睛的調(diào)節(jié)物體遠(yuǎn)近變化水晶體曲率半徑變化觀察遠(yuǎn)物觀察近物眼睛放松,半徑增大。眼睛緊張,半徑減小。遠(yuǎn)點(diǎn):眼睛所能看清的最遠(yuǎn)點(diǎn);近點(diǎn):眼睛所能看清的最近點(diǎn);、前為正號(hào)表示該點(diǎn)在眼前,負(fù)號(hào)表示該點(diǎn)在眼后近點(diǎn)距離:近點(diǎn)到眼睛的距離,用表示;遠(yuǎn)點(diǎn)距離:遠(yuǎn)點(diǎn)到眼睛的距離,用表示;明視距離:正常眼觀察物體最舒服的距離,為250mm。眼睛的調(diào)節(jié)范圍:單位:屈光度(D)1D=1m-1年齡(歲)
(m)R(D)
(m)P(D)ā
(D)10-∞0-0.071-141420-∞0
-0.100-101030-∞0-0.143-7740-∞0-0.222-4.54.550-∞
0-0.40-2.52.5602.00.5-2.00-0.51.00800.402.50.402.500.004.正常眼和非正常眼正常眼的遠(yuǎn)點(diǎn)在無窮遠(yuǎn),像方焦點(diǎn)在視網(wǎng)膜上。近視眼的特點(diǎn):
眼球偏長像方焦點(diǎn)在視網(wǎng)膜前遠(yuǎn)點(diǎn)在眼前有限遠(yuǎn)處矯正前矯正后A’AA’近視眼的矯正:鏡片的焦距,為負(fù)透鏡視度:近視眼或遠(yuǎn)視眼的程度。(D)通常醫(yī)院和眼鏡店把1D稱為100度?!粢暥葹?1D的同學(xué)需配戴屈光度為-1D的眼鏡,也就是100度的近視眼鏡,鏡片焦距為-1m。眼鏡的屈光度(D)例1:某人的視度為-2D,調(diào)節(jié)范圍是8D,求(1)其遠(yuǎn)點(diǎn)距離;(2)其近點(diǎn)距離;(3)佩戴100度的近視眼鏡,求該鏡的焦距;(4)帶上該近視眼鏡后,求看清的遠(yuǎn)點(diǎn)距離;A’A’’A(1)(2)(3)遠(yuǎn)視眼的特點(diǎn):1.眼球偏短2.像方焦點(diǎn)在視網(wǎng)膜后3.遠(yuǎn)點(diǎn)在眼后有限遠(yuǎn)矯正前矯正后A’AA’遠(yuǎn)視眼的矯正:例2:媽媽不能看清1m以內(nèi)的物體,如想在明視距離處讀書看報(bào),則需配戴多少度的眼鏡?其中,所以媽媽需配戴300度的遠(yuǎn)視眼鏡。5.眼睛的適應(yīng)眼睛的適應(yīng):指對(duì)各種光亮環(huán)境的適應(yīng)能力。變化范圍可達(dá)絕對(duì)暗閾值:約為勒克斯。它相當(dāng)于蠟燭在30公里遠(yuǎn)處所產(chǎn)生的照度。
暗適應(yīng):發(fā)生在自亮處到暗處時(shí),瞳孔自動(dòng)縮小,過程較慢,極限為30分鐘;亮適應(yīng):發(fā)生在自暗處到亮處時(shí),瞳孔自動(dòng)增大,過程較快,只需要幾分鐘。錐狀細(xì)胞桿狀細(xì)胞感色(亮照明時(shí)起作用)感光(弱照明時(shí)起作用)為什么黃昏時(shí)能看清洗衣做飯而不能看清描龍繡鳳?人眼對(duì)555nm(綠光)的光最敏感。眼睛的分辨本領(lǐng)剛能分辨開的二個(gè)點(diǎn)對(duì)眼睛物方節(jié)點(diǎn)的張角稱為眼睛的極限分辨角。人眼的極限分辨角為60”
眼睛能分辨開兩個(gè)很靠近的點(diǎn)的能力稱為眼睛的分辨率,這個(gè)距離不小于0.006mm。
6.眼睛的立體視覺:辨別物體距離,區(qū)分相對(duì)遠(yuǎn)近。雙眼體視:物體成像于雙眼中心凹的同側(cè)對(duì)應(yīng)點(diǎn)時(shí)產(chǎn)生單像,否則產(chǎn)生雙像。注視A時(shí),成像a1和a2,在中心凹
這時(shí)B成像為b1和b2,產(chǎn)生雙像
C成像為c1和c2,也產(chǎn)生雙像
D成像為d1和d2,產(chǎn)生單像
眼睛估計(jì)距離是利用眼睛轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)肌肉的緊張程度不同。辨別相對(duì)遠(yuǎn)近是利用兩眼視線的夾角,即立體視差角。
b為基線長,成人為65mm。L為觀察點(diǎn)到眼睛的距離
立體視差角
立體視差
體視銳度:人眼能覺察的最小立體視差,約10",經(jīng)訓(xùn)練可以小到3"
立體視覺半徑:人眼存在立體視覺的范圍
體視閾值:
能分辨不同遠(yuǎn)近兩點(diǎn)間的最小距離
例如:在100m距離上,人眼的體視閾值為要有更好的立體視覺,即增大體視圈半徑,減小體視閾值,怎樣實(shí)現(xiàn)?雙眼觀察時(shí)有明顯的立體視覺,因此為了在使用儀器觀察時(shí)仍能保持人眼的體視能力,必須采用雙眼儀器,如“雙目望遠(yuǎn)鏡”,“雙目顯微鏡”。雙眼儀器左右兩個(gè)光學(xué)系統(tǒng)必須滿足以下條件:1.雙眼儀器左右兩個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的光軸要平行。2.兩個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的視放大率應(yīng)該一致。3.兩個(gè)光學(xué)系統(tǒng)之間不應(yīng)該有相對(duì)的像傾斜。第二節(jié)放大鏡放大鏡的放大率
W’f’y目視系統(tǒng)的視角放大率:遠(yuǎn)處物體經(jīng)系統(tǒng)所成的像對(duì)眼睛張角w‘的正切與該物體直接對(duì)眼睛張角w的正切之比。第三節(jié)顯微鏡系統(tǒng)物體AB在物鏡前焦面稍前處,經(jīng)物鏡成放大、倒立的實(shí)像A'B',它位于目鏡前焦面或稍后處,經(jīng)目鏡成放大的虛像,該像位于無窮遠(yuǎn)或明視距離處。
顯微鏡的放大率
對(duì)正常眼,A’B’位于Fe上,顯微鏡光學(xué)筒長Δ=FO’Fe。例題:用兩個(gè)焦距都是50mm的正透鏡組成一個(gè)10倍的顯微鏡,問物鏡的倍率、目鏡的倍率以及物鏡和目鏡之間的間隔各是多少?顯微鏡的機(jī)構(gòu)物鏡通過轉(zhuǎn)換器旋轉(zhuǎn)式接到鏡筒的下端面
目鏡以插入式接鏡筒的上端面
應(yīng)滿足齊焦要求:調(diào)換物鏡后,不需再調(diào)焦就能看到像。物鏡調(diào)換后,像面不動(dòng),物面不動(dòng)——物鏡共軛距不變(195mm)
b.物鏡像面即目鏡前焦面不動(dòng)——在上端面以下10mm
處
c.機(jī)械筒長——上下端面之間的距離(160mm),有的顯微鏡機(jī)械筒長可調(diào)
d.調(diào)換物鏡(目鏡)后微調(diào)焦不可避免,故還必須有微動(dòng)機(jī)構(gòu)
雙目鏡筒是通過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
顯微鏡與放大鏡比較的優(yōu)點(diǎn):①具有更大的放大率,二次放大
②人眼離物面較遠(yuǎn),使用方便
③物鏡和目鏡可調(diào)換,從而得到多種放大率
④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)
⑤當(dāng)中間實(shí)像A’位于Fe之前時(shí),A”為實(shí)像,可投影到屏上。也可用圖像傳感器接收實(shí)像,構(gòu)成電子目鏡
望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)
望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)是以平行光入射,再以平行光出射的系統(tǒng)系統(tǒng)特點(diǎn)△=0最簡單的望遠(yuǎn)鏡至少有兩個(gè)獨(dú)立光組,第一光組的像方焦點(diǎn)與第二光組的物方焦點(diǎn)重合開普勒望遠(yuǎn)鏡伽利略望遠(yuǎn)鏡開普勒望遠(yuǎn)鏡(目鏡為正透鏡):1.成倒像,觀察不方便2.若需成正像,則要加轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。3.有實(shí)像面,可以加分劃板,可用于測(cè)量。伽利略望遠(yuǎn)鏡(目鏡為負(fù)透鏡):1.成正像。2.有虛像面,不可用于測(cè)量。3.放大倍數(shù)有限,一般做觀劇鏡。望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的視角放大率:例:用望遠(yuǎn)鏡觀察時(shí)要鑒別5公里處200毫米的間距,應(yīng)選用多大倍率的望遠(yuǎn)鏡。顯微鏡的光束限制1.孔徑光闌低倍物鏡的孔徑光闌——為單組物鏡框本身
高倍物鏡的孔徑光闌——多組物鏡的最后一組鏡框,或在Fo’處專設(shè)孔闌2.出瞳位置
出瞳在總的像方焦點(diǎn)上,人眼瞳有可能與之重合,接收所有成像光。3.出瞳的大小與數(shù)值孔徑因?yàn)槌鐾c整個(gè)系統(tǒng)的像方焦面重合,設(shè)像方孔徑角為,則有因系統(tǒng)滿足正弦條件
稱數(shù)值孔徑顯微鏡的景深
設(shè)
為眼睛的極限分辨角
顯微鏡的數(shù)值孔徑A越大,要求放大倍率越高,其景深越小。顯微鏡的景深是很小的,所以需要微調(diào)裝置。顯微鏡的分辨率與有效放大率1.顯微鏡的分辨率
分辨本領(lǐng)隨波長的減小而提高,隨數(shù)值孔徑的增大而提高。
數(shù)值孔徑大要求n大和U大,而U總是小于90度的,還有什么辦法可以提高數(shù)值孔徑?
2.顯微鏡的有效放大率
想一想:顯微鏡的放大率是否越大越好?用顯微鏡可以看清怎樣細(xì)小的細(xì)節(jié)?
如果不能被顯微鏡分辨導(dǎo)致眼睛不能分辨,放得再大也沒有用,稱無效放大。顯微鏡能分辨而眼睛不能分辨,稱為放大不足。
取當(dāng)物面被照明時(shí)的最小分辨距為
人眼最小分辨角取2分到4分,則眼睛最小分辨距應(yīng)為
按主色光波長0.00055mm計(jì)算,得
這稱為顯微鏡的有效放大率??梢姅?shù)值孔徑與放大率要匹配,如最大的數(shù)值孔徑取1.5的話,顯微鏡的最高有效放大率為1500倍。顯微鏡的物鏡光學(xué)系統(tǒng)的主要參數(shù)是
孔徑和視場(chǎng)。即焦距、相對(duì)由于顯微鏡要求分辨率高,則數(shù)值孔徑A大,放大率M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)械筒長下使用(例如,160mm)。物鏡的參數(shù)標(biāo)明在外殼上。隨著放大倍數(shù)由低到高,其結(jié)構(gòu)也相應(yīng)復(fù)雜。低倍物鏡可以用雙膠合,中倍物鏡用雙雙膠合,高倍物鏡用雙膠合+前片,數(shù)值孔徑更大的阿貝物鏡則需要浸油。顯微鏡的目鏡相當(dāng)于放大鏡,其入瞳就是物鏡的出瞳,其出瞳在Fe’稍后處,與F’重合
一般有二片(組):朝向物方的稱向場(chǎng)鏡,朝向眼睛的稱接目鏡。
要有一定的放大倍率應(yīng)取較小的焦距。
由于物鏡的放大倍率作用,目鏡的視場(chǎng)較大而相對(duì)孔徑較小,是短焦距小孔徑大視場(chǎng)系統(tǒng)。
目鏡還有兩個(gè)重要參數(shù):
1.鏡目距——接目鏡最后一面到眼瞳(出瞳)的距離,一般要求不小于6mm
2.工作距離——目鏡第一面到目鏡前焦面(物鏡像面)的距離。顯微鏡分為光學(xué)顯微鏡和電子顯微鏡光學(xué)顯微鏡的放大倍數(shù)是2000倍,分辨率為0.1um電子顯微鏡的放大倍數(shù)是300萬倍,分辨率為0.25nm
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