目視光學(xué)系統(tǒng)培訓(xùn)課程

第六章目視光學(xué)系統(tǒng)目視光學(xué)系統(tǒng)眼睛特征放大鏡顯微鏡系統(tǒng)望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)目視光學(xué)系統(tǒng)培訓(xùn)課程第1頁6.1、眼睛結(jié)構(gòu)及其特征

人眼——相機(jī)水晶體——鏡頭:f=-17mmf′=23mm(在調(diào)焦范圍內(nèi)，-f=14.2~17.1mm,f1=18.9~22.8mm)視網(wǎng)膜——底片瞳孔——光闌：2~8mm

一、人眼結(jié)構(gòu)相當(dāng)于自動調(diào)焦透鏡系統(tǒng)目視光學(xué)系統(tǒng)培訓(xùn)課程第2頁二、眼睛調(diào)整眼睛調(diào)整：眼睛對不一樣距離物體自動調(diào)焦過程。

視度：與網(wǎng)膜共軛物面到眼睛距離倒數(shù)，SD＝1/l

（單位：屈光度，其中l(wèi)以米為單位）遠(yuǎn)（近）點(diǎn)：眼睛自動調(diào)焦所可能看清最遠(yuǎn)（近）點(diǎn)，遠(yuǎn)（近）點(diǎn)距離：遠(yuǎn)（近）點(diǎn)到眼物方主點(diǎn)距離。正常眼：眼睛遠(yuǎn)點(diǎn)在無限遠(yuǎn)，近點(diǎn)很近，水晶體像方焦點(diǎn)與視網(wǎng)膜重合。明視距離：正常眼最方便和最習(xí)慣工作距離，它等于-250mm。人眼最大調(diào)整范圍：近點(diǎn)和遠(yuǎn)點(diǎn)所對應(yīng)視度之差（SD近-SD遠(yuǎn)）。范圍隨年紀(jì)改變?nèi)绫?－1：問：老花眼和遠(yuǎn)視是一回事嗎？目視光學(xué)系統(tǒng)培訓(xùn)課程第3頁三、眼睛分辨率眼睛分辨率：眼睛剛能分辨兩物點(diǎn)在網(wǎng)膜上成兩像點(diǎn)之間距離。人眼生理結(jié)構(gòu)決定這個距離最少要大于兩個神經(jīng)細(xì)胞直徑。目視光學(xué)系統(tǒng)培訓(xùn)課程第4頁視神經(jīng)細(xì)胞直徑約0.003mm普通取人眼分辨率0.006mm視角分辨率：眼睛剛能分辨兩物點(diǎn)對眼睛張角ωmin。在眼睛沒有調(diào)整松弛狀態(tài)下，f≈－16.68mm，可得ωmin≈60″：由可得提升人眼分辨率方法：目視光學(xué)系統(tǒng)培訓(xùn)課程第5頁

6.2放大鏡

一、工作原理物體對人眼張角稱為視角。人眼要看清物體，必須是物體對人眼視角大于人眼分辨率。目視光學(xué)系統(tǒng)培訓(xùn)課程第6頁二、視（角）放大率Γ

目視光學(xué)儀器是幫助人眼擴(kuò)大視角功效，它作用大小用視（角）放大率來描述。

視網(wǎng)膜上像大小和視角正切成正比，所以，把同一目標(biāo)用儀器觀察視角ω儀(ω′)和人眼直接觀察視角

ω眼

(ω)二者正切之比稱為目視光學(xué)儀器“視角放大率”。要使光學(xué)儀器有擴(kuò)大視角功效，則Γ大于1目視光學(xué)系統(tǒng)培訓(xùn)課程第7頁一、放大鏡視角放大率注：目視光學(xué)儀器目鏡工作原理和視角放大率計(jì)算與放大鏡完全相同。目視光學(xué)系統(tǒng)培訓(xùn)課程第8頁二、放大鏡光束限制和視場

注：放大鏡視場與視角放大率、放大鏡口徑、觀察距離相關(guān)。眼瞳為孔闌，放大鏡為漸暈光闌，漸暈系數(shù)為1,0.5,0時，像方視場角分別為：當(dāng)物面放在放大鏡前焦面時，像面無限遠(yuǎn)，k＝0.5時線視場目視光學(xué)系統(tǒng)培訓(xùn)課程第9頁6.3顯微系統(tǒng)主要內(nèi)容：1、顯微鏡成像原理及視角放大率；2、孔徑光闌與出瞳直徑；3、分辨率與有效放大率；目視光學(xué)系統(tǒng)培訓(xùn)課程第10頁放大鏡不能滿足對更細(xì)小物體觀察，考慮能夠先用一組透鏡把物體放大成像到放大鏡前焦面上，再經(jīng)過放大鏡觀察；這么經(jīng)過兩級放大形成光學(xué)系統(tǒng)稱為顯微鏡系統(tǒng)；靠近物體，把物體尺寸放大透鏡叫做顯微物鏡靠近眼睛，用來擴(kuò)大視角放大鏡叫做顯微目鏡。一、顯微鏡成像原理及視角放大率

目視光學(xué)系統(tǒng)培訓(xùn)課程第11頁光學(xué)筒長△：F′物到F目之間距離。人眼直接觀察物視角經(jīng)過顯微鏡觀察視角目視光學(xué)系統(tǒng)培訓(xùn)課程第12頁故顯微鏡能夠看成一個組合放大鏡當(dāng)ω和ω′符號相反，觀察到倒立像可得目視光學(xué)系統(tǒng)培訓(xùn)課程第13頁習(xí)題1：用兩個焦距都是50mm正透鏡組成一個－10倍顯微鏡，問物鏡、目鏡倍率及物鏡和目鏡之間間隔？解：由公式其中代入上式可得目視光學(xué)系統(tǒng)培訓(xùn)課程第14頁1、衍射分辨率P123二、顯微鏡分辨率和有效放大率（像點(diǎn)中央亮斑直徑）試驗(yàn)證實(shí)，兩像點(diǎn)能分辨最短距離等于中央亮斑直徑：為光波長，為像方折射率，為光束最大像方孔徑角

因?yàn)檠苌湎裼幸欢ù笮?，假如兩個像點(diǎn)距離太小，就無法分辨，把兩個衍射像間所能分辨最小間隔稱為衍射分辨率。目視光學(xué)系統(tǒng)培訓(xùn)課程第15頁2、顯微鏡分辨率:用物面上可分辨最短距離σ表示1）兩個發(fā)光點(diǎn)分辨率：其中，稱為數(shù)值孔徑兩像點(diǎn)能分辨最短距離：目視光學(xué)系統(tǒng)培訓(xùn)課程第16頁2）不發(fā)光物體分辨率：垂直照明：傾斜照明：NA，λ時，σ，分辨率提升顯微鏡分辨率路徑：1）增大數(shù)值孔徑NA，即增大孔徑角或物方折射率n，（采取浸液物鏡）2）縮短工作波長λ；（采取紫光光源）顯微鏡分辨率表征了顯微鏡能分辨近距物體細(xì)微結(jié)構(gòu)能力顯微鏡分辨率主要取決于NA，與目鏡無關(guān)，目鏡放大率再大也無法把物鏡不能分辨細(xì)節(jié)看清。目視光學(xué)系統(tǒng)培訓(xùn)課程第17頁3、有效放大率（要使顯微鏡分辨細(xì)節(jié)能被人眼所分辨）便于眼睛分辨角距離為

該角距離在眼睛明視距離250mm處所對應(yīng)線距離σ眼，可表示為：

把σ眼看成顯微鏡分辨率σ經(jīng)顯微鏡所成像。則有設(shè)所用照明平均波長為0.000555mm，有近似為：，取目視光學(xué)系統(tǒng)培訓(xùn)課程第18頁結(jié)論：1.顯微鏡能分辨而眼睛不能分辨（當(dāng)使用比500NA更小放大率時，不能看清物鏡已分辨出一些細(xì)節(jié)——受制于人眼分辨率）——放大不足；2.顯微鏡不能分辨，造成眼睛不能分辨（若用比1000NA更高放大率，也不可能再提升顯微鏡分辨率，即并不能使被觀察物體細(xì)節(jié)更清楚——受制于光學(xué)系統(tǒng)衍射分辨率）——無效放大。

目視光學(xué)系統(tǒng)培訓(xùn)課程第19頁習(xí)題2（T6）：一個顯微鏡物鏡垂軸放大率為-3，數(shù)值孔徑為0.1，共軛距L（物鏡物像間距）為180毫米，物鏡框?yàn)榭钻@，目鏡焦距為25毫米，求：⑴、顯微鏡視角放大率；⑵、出瞳距離（鏡目距）；⑶、斜入射光照明，波長為0.55微米，求其分辨率；⑷、物鏡通光孔徑；⑸、出瞳直徑；

⑹、設(shè)物高2y＝6mm，K=50％，求目鏡通光口徑。目視光學(xué)系統(tǒng)培訓(xùn)課程第20頁6.4望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)

主要內(nèi)容：1、工作原理；2、視放大率；3、分辨率及工作放大率；4、透鏡轉(zhuǎn)象系統(tǒng)；目視光學(xué)系統(tǒng)培訓(xùn)課程第21頁一、工作原理目視光學(xué)儀器兩個要求擴(kuò)大視角出射平行光顯微鏡是快要物成像于無限遠(yuǎn)，望遠(yuǎn)鏡使無限遠(yuǎn)物體成像在無限遠(yuǎn)，所以望遠(yuǎn)鏡是一個無焦系統(tǒng)因?yàn)槭菬o焦系統(tǒng)，物鏡像方焦點(diǎn)和目鏡物方焦點(diǎn)重合，光學(xué)筒長

＝0目視光學(xué)系統(tǒng)培訓(xùn)課程第22頁望遠(yuǎn)鏡有兩種基本型式：伽利略望遠(yuǎn)鏡、開普勒望遠(yuǎn)鏡。開普勒望遠(yuǎn)系統(tǒng)，物鏡和目鏡都是正透鏡，中間有實(shí)像面，可在實(shí)像處加分劃板測量。目視光學(xué)系統(tǒng)培訓(xùn)課程第23頁問：伽利略望遠(yuǎn)鏡能否放置分劃板？答：因?yàn)橘だ酝h(yuǎn)鏡沒有中間實(shí)像，不能安裝分劃板。也不能用來瞄準(zhǔn)和定位。伽利略望遠(yuǎn)鏡物鏡是一塊正透鏡，目鏡是一塊負(fù)透鏡。目視光學(xué)系統(tǒng)培訓(xùn)課程第24頁二、視放大率因?yàn)槲矬w在無限遠(yuǎn)，同一目標(biāo)對人眼張角和對儀器張角（即望遠(yuǎn)鏡物方視場角）完全能夠認(rèn)為是相等，同為

，經(jīng)過望遠(yuǎn)鏡之后，物體像對人眼張角就是系統(tǒng)像方視場角

1、D為望遠(yuǎn)鏡入瞳直徑；D‘

為望遠(yuǎn)鏡出瞳直徑；2、望遠(yuǎn)鏡視覺放大率取決于望遠(yuǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（焦距）。

問：望遠(yuǎn)鏡物鏡能否用負(fù)透鏡？目視光學(xué)系統(tǒng)培訓(xùn)課程第25頁望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)特點(diǎn)：P1481.?？烧韶?fù)，Γ>0,ω、ω′同號，物像方向相同（伽利略望遠(yuǎn)鏡）

Γ<0,ω、ω′異號，物像方向相反（開普勒望遠(yuǎn)鏡）2.目鏡焦距不能太小，所以要提升放大率，必須加長物鏡焦距；3.出瞳與人眼眼瞳直徑相匹配，為了得到高倍率，要加大物鏡口徑。

目視光學(xué)系統(tǒng)培訓(xùn)課程第26頁三、分辨率及工作放大率1、望遠(yuǎn)鏡分辨率：以剛能分辨兩發(fā)光點(diǎn)對望遠(yuǎn)鏡張角φ表示。取λ＝0.000555mm,則問題：為何天文望遠(yuǎn)鏡物鏡口徑普通做得很大？分辨率只與入瞳口徑（物鏡口徑）相關(guān)，入瞳越大，φ越小，分辨率越高目視光學(xué)系統(tǒng)培訓(xùn)課程第27頁若設(shè)人眼分辨率為60″，則

3、工作放大率：是正常放大率2~3倍。

2、有效放大率：滿足人眼分辨率要求最小視角放大率。目視光學(xué)系統(tǒng)培訓(xùn)課程第28頁四、透鏡轉(zhuǎn)像系統(tǒng)（開普勒望遠(yuǎn)鏡成倒像，要取得正像，中間要加倒像系統(tǒng)）轉(zhuǎn)像系統(tǒng)垂直放大率普通在－1/2—-3之間，1）位置：在物鏡像方焦面和目鏡物方焦面之間加入一垂軸放大率為負(fù)透鏡組。

2）加入倒像系統(tǒng)后視角放大率

選取最多，實(shí)現(xiàn)倒像。

目視光學(xué)系統(tǒng)培訓(xùn)課程第29頁3）倒像系統(tǒng)放置及垂軸放大率通常采取兩個完全相同透鏡組成倒像系統(tǒng)。F1F2′y-y′ω′ω普通由兩個透鏡組組成，并使第一個透鏡組物方焦面和物鏡像方焦面重合；第二個透鏡組像方焦面與目鏡物方焦面重合。目視光學(xué)系統(tǒng)培訓(xùn)課程第30頁4）倒像系統(tǒng)斜光束漸暈當(dāng)斜光束對稱軸線——主光線和光軸交點(diǎn)在兩透鏡中間時，斜光束寬度最大。F1F2′y-y′ω′ω目視光學(xué)系統(tǒng)培訓(xùn)課程第31頁6.4視度調(diào)整一、眼睛缺點(diǎn)及校正正常眼：遠(yuǎn)點(diǎn)在無限遠(yuǎn)，水晶體像方焦點(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。遠(yuǎn)點(diǎn)倒數(shù)表示近視或遠(yuǎn)視程度，稱視度。1D＝100度。校正鏡片焦距比如：近視200度，表示SD=-2，遠(yuǎn)點(diǎn)距離

鏡片焦距：眼鏡片像方焦點(diǎn)恰好和非正常眼遠(yuǎn)點(diǎn)重合。目視光學(xué)系統(tǒng)培訓(xùn)課程第32頁

二、儀器視度調(diào)整以開普勒望遠(yuǎn)鏡為例：對近視眼：目鏡應(yīng)向物鏡方移動，物鏡像點(diǎn)落在目鏡物方焦點(diǎn)之內(nèi)，經(jīng)目鏡后形成一視度為負(fù)虛像。若此虛像位于