應(yīng)用光學(xué)目視光學(xué)系統(tǒng)課件

應(yīng)用光學(xué)目視光學(xué)系統(tǒng)課件第1頁，共29頁，2023年，2月20日，星期四第十四章目視光學(xué)系統(tǒng)14.1眼睛的結(jié)構(gòu)及其特性1、眼睛的結(jié)構(gòu):2、眼睛的調(diào)節(jié)

水晶體到網(wǎng)膜的距離是不變的。觀察不同距離的物體，水晶體的焦距自動(dòng)改變，使象清晰地成在網(wǎng)膜上。眼睛對(duì)不同距離的物體的自動(dòng)調(diào)焦的過程稱為眼睛的調(diào)節(jié)。

遠(yuǎn)點(diǎn)：眼睛自動(dòng)調(diào)焦所可能看清最遠(yuǎn)的點(diǎn)；近點(diǎn)：眼睛自動(dòng)調(diào)焦所可能看清最近的點(diǎn)；明視距離：正常眼最方便和最習(xí)慣的工作距離，它等于-250mm。

明視距離；視角；極限分辨角；視角放大率。第2頁，共29頁，2023年，2月20日，星期四3、眼睛的視角視角:物體在網(wǎng)膜上所成象的大小決定于物體對(duì)人眼的張角。

同一位置，不同大小的物視角不同；同一物體，不同位置視角不同；4、眼睛的缺陷及校正正常眼：遠(yuǎn)點(diǎn)在無限遠(yuǎn)，水晶體的像方焦點(diǎn)F′在視網(wǎng)膜上。近視眼：F′在視網(wǎng)膜前，戴負(fù)透鏡校正。遠(yuǎn)視眼：F′在視網(wǎng)膜后，戴正透鏡校正。視度：非正常眼遠(yuǎn)點(diǎn)距離的倒數(shù)，R＝1/r（單位：折光度）視網(wǎng)膜上兩個(gè)像大小的比值等于相應(yīng)的兩個(gè)視角正切的比值。眼鏡片的像方焦點(diǎn)正好和非正常眼的遠(yuǎn)點(diǎn)重合。第3頁，共29頁，2023年，2月20日，星期四5、極限分辨角分辨率:所能辨別靠近的兩個(gè)點(diǎn)的極限值。極限分辨角:剛能被眼睛分辨開的兩個(gè)點(diǎn)對(duì)眼睛的物方節(jié)點(diǎn)所張的角度。分辨率和極限分辨角成反比。

由衍射理論：若取λ=0.00055mm，則眼睛的極限分辨角為：

6、視角放大率Γ

目視光學(xué)儀器是幫助人眼擴(kuò)大視覺功能的，它的作用大小用視角放大率來描述。

視網(wǎng)膜上像的大小和視角的正切成正比，因此，把同一目標(biāo)用儀器觀察的視角ω儀和人眼直接觀察的視角

ω眼二者正切之比稱為目視光學(xué)儀器的“視角放大率”。

視角放大率實(shí)際表示了用儀器觀察和用人眼直接觀察時(shí)，視網(wǎng)膜上像的大小之比，它描述了儀器放大作用的大小。第4頁，共29頁，2023年，2月20日，星期四

14.2放大鏡一、放大鏡的放大率

—視角放大率

注：目視光學(xué)儀器目鏡的工作原理和視角放大率的計(jì)算與放大鏡完全相同。第5頁，共29頁，2023年，2月20日，星期四二、放大鏡的光束限制和視場

注：放大鏡的視場與視角放大率、放大鏡口徑、觀察距離有關(guān)。眼瞳為孔闌，放大鏡為漸暈光闌，漸暈系數(shù)為零處限定最大視場。第6頁，共29頁，2023年，2月20日，星期四14.3顯微系統(tǒng)主要內(nèi)容：1、顯微鏡的成像原理及視角放大率；2、孔徑光闌與出瞳直徑、景深；3、分辨率與有效放大率；4、顯微物鏡與目鏡；5、顯微鏡的照明系統(tǒng)。第7頁，共29頁，2023年，2月20日，星期四一、顯微鏡的成像原理及視角放大率

第8頁，共29頁，2023年，2月20日，星期四習(xí)題1：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、目鏡的倍率及物鏡和目鏡之間的間隔？第9頁，共29頁，2023年，2月20日，星期四二、顯微鏡的光束限制

1、孔徑光闌：a.單組低倍顯微物鏡，鏡框是孔徑光闌；

b.復(fù)雜物鏡一般以最后一組透鏡的鏡框作為孔徑光闌；c.對(duì)于測量顯微鏡，孔闌在物鏡的象方焦面上，構(gòu)成物方遠(yuǎn)心光路。用顯微鏡觀察體時(shí)，眼瞳應(yīng)與出射光瞳重合。

若孔闌設(shè)置在物鏡像方焦面，則出瞳位于顯微系統(tǒng)后焦面上。若孔闌位置不同，與光學(xué)筒長Δ相比為一小量，則出瞳可近似認(rèn)為在目鏡像方焦面附近一固定位置。第10頁，共29頁，2023年，2月20日，星期四2、顯微系統(tǒng)的出射光瞳直徑

顯微鏡應(yīng)滿足正弦條件，有：令NA稱為顯微鏡的數(shù)值孔徑，是表征顯微鏡特性的重要參量。第11頁，共29頁，2023年，2月20日，星期四3、顯微鏡的視場光闌和視場

在顯微物鏡的象平面上設(shè)置了視場光闌來限制視場。由于顯微物鏡的視場很小，而且要求象面上有均勻的照度，故不設(shè)漸暈光闌。

顯微鏡的視場以線視場，即成像物體的最大尺寸表示，它由視闌的大小決定。線視場y與視闌大小y′的關(guān)系為：4、顯微鏡的景深

顯微鏡的放大率越高，數(shù)值孔徑越大，景深越小。

第12頁，共29頁，2023年，2月20日，星期四三、顯微鏡的分辨率和有效放大率1、分辨率（用分辨距離σ表示）1）兩個(gè)發(fā)光點(diǎn)的分辨率：2）不發(fā)光物體的分辨率：垂直照明：傾斜照明：NA，λ

時(shí)，σ，分辨率（浸液物鏡，紫光光源）第13頁，共29頁，2023年，2月20日，星期四2、有效放大率便于眼睛分辨的角距離為

該角距離在眼睛的明視距離250mm處所能分辨的距離σ′，可表示為：換算到物空間，，取設(shè)所用照明的平均波長為0.00055mm，有近似為：

顯微鏡的放大率取決于物鏡的分辨率或數(shù)值孔徑。當(dāng)使用比有效放大率下限(500NA)更小的放大率時(shí)，不能看清物鏡已分辨出的某些細(xì)節(jié)。若用比有效放大率上限(1000NA)更高的放大率，是無效放大，并不能使被觀察物體的細(xì)節(jié)更清晰。

第14頁，共29頁，2023年，2月20日，星期四四、顯微物鏡主要光學(xué)特性參數(shù)有：1、放大率：2、數(shù)值孔徑NA：NA決定了物鏡的分辨能力；4、工作距離：從物鏡的第一個(gè)面頂點(diǎn)到物面的距離；物鏡放大率越高，工作距離越短。5.物鏡的通光口徑：顯微物鏡的基本類型：消色差物鏡、復(fù)消色差物鏡、平視場物鏡、折反式物鏡。第15頁，共29頁，2023年，2月20日，星期四五、顯微目鏡主要光學(xué)特性參數(shù)有：1、視覺放大率：2、目鏡的線視場（由視場光闌的大小決定）3、鏡目距（出瞳距離）：4、目鏡的通光口徑：由漸暈系數(shù)及幾何關(guān)系決定。第16頁，共29頁，2023年，2月20日，星期四

習(xí)題2：一個(gè)顯微鏡物鏡的垂軸放大倍率為-3倍，數(shù)值孔徑為0.2，共軛距L為180毫米，物鏡框?yàn)榭钻@，目鏡焦距為30毫米，求：⑴、顯微鏡的視覺放大率；⑵、物鏡焦距；⑶、物鏡的物象距；⑷、出瞳直徑；⑸、出瞳距離（鏡目距）；⑹、斜入射光照明，波長為0.55微米，求其分辨率；⑺、物鏡通光孔徑；⑻、系統(tǒng)的總焦距。第17頁，共29頁，2023年，2月20日，星期四六、顯微鏡的照明系統(tǒng)1、透明物體：利用照明系統(tǒng)發(fā)出的光線直接照射到物體上，經(jīng)過透射后，進(jìn)入顯微鏡成像。有臨界照明和柯拉照明兩種。1）臨界照明：a）特點(diǎn)：●光源經(jīng)過聚光鏡所成之像與物平面重合

●相當(dāng)于物平面上置光源b）光路圖：c）缺點(diǎn)：光源表面亮度不均勻或明顯表現(xiàn)出燈絲的結(jié)構(gòu)，影響顯微鏡的觀察效果。d）要求：●聚光鏡應(yīng)有與顯微物鏡相同或稍大的NA；

●聚光鏡前放置的可變光闌為聚光鏡的孔闌；

●改變孔闌大小，可改變進(jìn)入物鏡光束的孔徑角，使之與物鏡的NA相適應(yīng)；●聚光鏡與物鏡：瞳瞳，視場視場。第18頁，共29頁，2023年，2月20日，星期四2）柯拉照明：a）特點(diǎn)：把光源像成在物鏡入瞳面上。b）光路圖：c）優(yōu)點(diǎn)：可消除臨界照明物平面上光照度不均勻的特點(diǎn)。d）要求：光源通過前置鏡L成像在聚光鏡前可變光闌J2上，聚光鏡再把此光源像再次成在物鏡的入瞳上；在緊靠L后面設(shè)另一可變光闌J1，具有均勻的亮度，被聚光鏡成像在物面上。調(diào)節(jié)J2

，可使之與不同數(shù)值孔徑的物鏡相匹配；調(diào)節(jié)J1

，可改變物平面上的照明范圍，使之能與不同倍率物鏡的視場相適應(yīng)。聚光鏡與物鏡：視場瞳，瞳視場。第19頁，共29頁，2023年，2月20日，星期四2、非透明物體的照明系統(tǒng)：

不透明物體利用側(cè)面自然光或側(cè)面加小燈泡進(jìn)行照明，靠物體的反射光或散射光進(jìn)入物鏡成像。另外，利用物鏡本身兼作聚光鏡。光源經(jīng)半透半反鏡和顯微物鏡照明物體，物體的反射光再經(jīng)物鏡和半透半反鏡成像。3、暗場照明：

利用特殊的照明系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)傾斜照射試樣，主要的照明光線不能進(jìn)入物鏡視場，而能夠進(jìn)入物鏡成像的只是試樣表面的微粒所散射或衍射的光線。第20頁，共29頁，2023年，2月20日，星期四14.4望遠(yuǎn)系統(tǒng)

主要內(nèi)容：1、工作原理及光學(xué)特性參數(shù)；2、視覺放大率；3、分辨率及工作放大率；4、光束限制—視場；5、望遠(yuǎn)物鏡和目鏡；6、透鏡轉(zhuǎn)象系統(tǒng)與場鏡；7、望遠(yuǎn)系統(tǒng)的外型尺寸計(jì)算。第21頁，共29頁，2023年，2月20日，星期四一、工作原理及光學(xué)特性參數(shù)2、基本光學(xué)參數(shù)：f1′、f2′、Γ、D/f′、2ω、2ω′、D、D′、D物、D目、lZ′；1、兩種基本型式：伽利略望遠(yuǎn)鏡、開普勒望遠(yuǎn)鏡。伽利略望遠(yuǎn)鏡開普勒望遠(yuǎn)鏡3、三放大率：第22頁，共29頁，2023年，2月20日，星期四二、視覺放大率定義：在眼睛視網(wǎng)膜上得到的通過望遠(yuǎn)鏡觀察物體的象高和直接觀察物體所得的象高之比。1、D

為望遠(yuǎn)鏡的入射光瞳直徑；D‘

為望遠(yuǎn)鏡的出射光瞳直徑；

2、望遠(yuǎn)鏡的視覺放大率決定于望遠(yuǎn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。

第23頁，共29頁，2023年，2月20日，星期四三、分辨率及工作放大率1、望遠(yuǎn)鏡的分辨率：用極限分辨角表示。若設(shè)人眼的分辨率為

60″，則

D與ψ″成反比，與分辨率成正比3、工作放大率：是正常放大率的1.5~2倍。

為了減少眼睛的疲勞，在設(shè)計(jì)望遠(yuǎn)鏡時(shí)取眼睛的分辨角為(1.5～2)，此時(shí)所求得的放大率即為工作放大率。

2、正常放大率：滿足分辨率要求的最小視覺放大率。第24頁，共29頁，2023年，2月20日，星期四1、伽利略望遠(yuǎn)鏡四、望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的光束限制—視場1）瞳孔為孔闌、出瞳，物鏡框?yàn)闈u暈光闌，一般按大于50%的漸暈設(shè)計(jì)物鏡框；

筒長L=f1′+f2′，物鏡直徑D確定后，視覺放大率越大，視場越小。為獲得較大視場，望遠(yuǎn)鏡的視覺放大率不宜過大，一般取，甚至更低些。

出瞳距（鏡目距）lz′2）視場角：第25頁，共29頁，2023年，2月20日，星期四2、開普勒望遠(yuǎn)鏡2）視場角：3）視角放大率一般為；4）目鏡作為漸暈光闌，一般允許存在50%以下的漸暈。

1）物鏡框?yàn)榭钻@、入瞳，實(shí)像面處的分劃板為視闌；

為分劃板框直徑(視場光闌半徑)，為物鏡焦距；開普勒望遠(yuǎn)鏡視場一般不超過。

第26頁，共29頁，2023年，2月20日，星期四五、望遠(yuǎn)物鏡和目鏡1）主要光學(xué)參數(shù)：相對(duì)孔徑D/f′、f′、2ω；這些特性參數(shù)決定了望遠(yuǎn)鏡的分辨率，像的主觀亮度，和系統(tǒng)的外形尺寸。2）物鏡的焦距：在目鏡焦距選定后，由視覺放大率決定；3）望遠(yuǎn)物鏡需校正的主要象差：有球差、色差和正弦差；4）物鏡后有透鏡轉(zhuǎn)象系統(tǒng)時(shí)，二者可分別校正象差；

棱鏡轉(zhuǎn)象系統(tǒng)時(shí)，必須用物鏡和棱鏡的象差互相補(bǔ)償。

1、望遠(yuǎn)物鏡第27頁，共29頁，2023年，2月20日，星期四2、望遠(yuǎn)目鏡1）目鏡的視場角：一般目鏡的視場角左右；

2）鏡目距：lZ′≥6mm3）目鏡的通光口徑4）目鏡的工作距：物鏡像面到目鏡前表面的長度。5）目鏡的焦距：焦距越短，結(jié)構(gòu)越緊湊，在15~30mm左右。

一個(gè)折光度對(duì)應(yīng)的調(diào)焦量：

通常，（近遠(yuǎn)視）視度的調(diào)節(jié)范圍為±5折光度，則目鏡的調(diào)節(jié)深度為±5x。目鏡的工作距至少應(yīng)大于5x

。

第28頁，共29頁，2023年