工程光学第七章.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第七章 典型光学系统,1,主 要 内 容,一、眼睛及其光学系统,二、放大镜,三、显微镜系统,四、望远镜系统,五、目镜,六、摄影系统,七、投影系统,2,7.1 眼睛及其光学系统,一、眼睛的构造,3,人眼是与目视光学系统配合一起使用的，眼睛相当于目视光学系统的光能接收器，它本身相当于,摄影光学系统,。,人眼光学系统的模型：,f,=-17mm,f,=23mm,简约眼模型,视网膜上所成的像是,倒像,，由于神经系统的作用，使感觉仍为正立。,人眼的视场达,150,，但只在视轴周围,6,8,的范围内能清晰识别，其他部分较模糊。观察物体时，眼球会自动转动。,4,二、眼睛的功能：,视网膜是由锥状细胞和杆状细胞组成的,辐射接收器,。,杆状细胞,对光刺激非常敏感，但完全,不感色,；,锥状细胞,的感光能力,差很多,，但对各色光有不同的感受。,1.眼睛的适应能力（动态范围）,眼睛对空间光亮情况的自动适应程度,适应,。,适应分为,暗适应,和,明适应,两种：,暗适应：,发生在由明暗时，眼睛的瞳孔放大，敏感度提高，经一定时间才能适应，约60分钟后，敏感度达最大。,明适应：,适应过程较快，几分钟即可，但敏感度大大降低。,*,眼睛能感受的光亮变化非常大，可达10,12,:1。,5,2.眼睛的调节能力,1）,调节：,眼睛本能地改变光焦度（焦距）以看清不同远近物,体地过程。,在眼球内，,水晶体,到,视网膜,的距离时不变地，在观察远近物,体时，必须自动调焦来改变,水晶体,的焦距。肌肉用力，曲率增,大，可看清近物；肌肉放松，曲率减小，可看清远物。,远点：,f,23mm；近点：,f,18mm。,眼睛的调节能力用能清晰调焦的极限距离表示，即,远点距离,l,r,和,近点距离,l,p,。,令：R=1/,l,r,，P=1/,l,p,。分别为远点和近点的会聚度，则调节能,力为：,6,四、眼睛的景深：,当眼睛调焦在某一对准平面时，眼睛不必调节能同时看清对准平面前后某一距离的物体，称作,眼睛的景深,。,远景,和,近景,到人眼的距离分别为：,所以，远、近景深度分别为：,9,五、双目立体视觉：,1.,立体视觉：,对于物体位置的空间分布及对物体的体积感觉。,单目视觉：,单眼观察物体不能产生立体视觉。,单目对物体远近的判断，是通过眼睛（水晶体曲率的变化）,的调节产生的。所以，判断很粗略，不超过5米。,对远且熟的物体，通过物体的张角来估计；,对非常熟的物体，通过细节来估计。（,经验和想象,）,双目视觉：,两眼分别产生一个像，再汇集到大脑称为一个像。这种印象处于,心理,和,生理,。,视差角：,双目观察物点A时，两眼视轴的夹角。,10,2.立体视觉,的产生：,立体视差：,不同距离的物体对应不同的视差角，其差异称为立体视差，简称,视差,。,视差越大，感觉两物体的纵向深度越大；反之，越小。,体视锐度：,人眼能感觉的视差的极限值,min,。大约,10,。,不能产生体视感觉的几种情况：,如右图，C、D两点的像在右眼重合；,两物体横向距离太远；,物体位于两眼的垂直平分线上；,两物体之一为直线，且与两眼中心,连线平行。,11,7.2 放大镜,一、视觉放大率,人眼感觉物体的大小取决于其,像在视网膜上的大小,，当光学系统的焦距一定时，也取决于物对人眼的,张角的大小,。,物对人眼的视角取决于距离，二者之间成反比。,目视光学仪器，可以扩大人眼的视觉能力；,其像对人眼的张角大于人眼直接观察时物对眼的张角。,视觉放大率,：,用仪器观察物体时，视网膜上的像高,y,i,与人眼,直接观察时的视网膜上的像高,y,e,之比。,12,由上图可知：,而以眼睛直接观察时：,所以，视觉放大率为：,式中，,D,为明视距离，,250mm,。,13,（,1,）在实际使用中，物大致位于物方焦点处：,l,=,（,2,）有时，人眼把物像调焦到明视距离：,P,l,=D,一般看书时：,P,=0,二、光束限制与视场,人眼的眼瞳可以作为,孔径光阑,，也是出瞳；,放大镜的镜框作为,视场光阑,，既是出射窗有时入射窗。,所以，物平面的成像范围（视场）由镜框、眼瞳及它们之间的距离,P,决定。,14,所以，但50渐晕时，物位于物方焦点，则视场为：,15,7.3 显微镜系统,一、显微镜的组成：,显微镜是由,物镜,、,目镜,和,照明,系统三部分组成。,物体经显微镜的物镜放大成像后，其像再经目镜放大以,供人眼观察。,16,二、显微镜的视觉放大率：,上式中：,250mm为明视距离；,f,0,和,f,e,为物镜、目镜的焦距；,为物镜与目镜的焦点间隔。,显微镜的组合焦距为：,f,f,0,f,e,/,，则,故可以把显微镜看作是组合放大镜。,机械筒长：,物镜支承面到目镜支承面之间的距离；,我国规定,160mm,。,光学筒长：,物镜像方焦点到目镜物方焦点之间的距离,。,17,光学筒长,的选择：,光学筒长,的选择应满足,齐焦条件,不同焦距或放大率的物镜，由物平面到像平面的距离（共轭距）均应相等，我国规定,195mm,。,物镜的外壳要求保证经物镜所成的实像面有固定的位置。,目镜的物方焦平面与物镜的像面重合。,三、显微镜的光束限制：,（,1,）孔径光阑：,对于单组低倍物镜，物镜框就是孔径光阑；,对于多组复杂物镜，最后一组的镜框作为孔径光阑；,或专门设置孔径光阑（在像方焦平面上）。,*,观察者的眼瞳一般应与出瞳（孔径光阑经目镜的像)重合。,18,出瞳的直径：,由正弦条件：,ny,sin,u,=,ny,sin,u,，得：,D,=500,NA,/,mm,式中：,NA,=,n,sin,u,称作数值孔径，是一个重要参数。,一般小于眼瞳的直径，只在低倍时才大于眼瞳直径。,（2）视场光阑与视场,视场光阑一般专设在物镜的,像方焦平面,上。,所以，入射窗与物平面重合，可以观察到清晰的界限和照度均匀的视场。,视场光阑的大小应与目镜的视场角一致,，此时，视场为：,所以，视觉放大率越大，物空间的线视场越小。,19,（3）显微镜的景深：,当把显微镜调焦到某一平面时，在对准平面前后的一定范围内也能成清晰的像，这一范围称为显微镜的,景深,。,故，显微镜的放大率越高、,NA,越大，景深越小。,景深大小决定显微镜的调焦误差，景深越大，调焦误差越大。,一般显微镜的景深最大不超过,0.5mm,。,四、显微镜的分辨率和有效放大率：,分辨率以它所能分辨的两点之间最小距离表示：,瑞利判据：,=0.61,/,NA,道威判据：,=0.5,/,NA,20,所以，,显微镜的分辨率取决于数值孔径,NA,，与目镜无关,。,目镜只是把物镜的像放大，放大倍率再高也不能把物镜不能分辨的物体细节看清。,有效放大率：,为充分利用物镜的分辨率，使被物镜分辨出的细,节同时能被眼睛看清，满足这一条件的放大率。,若眼睛的分辨角距离为：,2,4,，照明波长为0.555,m，可得：,四、显微镜的照明方法：,显微镜对照明的要求：,足够的亮度；照明均匀；有一定的孔径角，且与物镜相配合；有一定大小的照明范围（视场）。,21,常用的照明方法,：,透射光亮视场照明；反射光亮视场照明；,透射光暗视场照明；,反射光暗视场照明。,其中，第一种照明方法应用较多，照明方式分为两种：,临界照明,和,柯勒照明。,临界照明,柯勒照明,22,7.4 望远镜系统,一、一般特性：,望远镜的组成：由,物镜,和,目镜,组成。,物镜的像方焦点与目镜的物方焦点重合，光学间隙,=0,。,开普勒望远镜,23,伽利略望远镜,望远系统的视觉放大率为：,所以，视觉放大率仅取决于结构参数。,目镜焦距大于6mm，故手持望远镜一般不超过8倍。,24,二、分辨率及工作放大率：,望远系统的分辨率用,极限分辨角,表示。,对于,=0.555m的光线，由,瑞利判据、道威判据,得到的极限分辨角分别为：,由于人眼的视觉分辨率为,60,，在增大物镜口径以提高望远系统分辨率的同时，必须增大望远系统的视觉放大率，才能符合人眼分辨率的要求。,视觉放大率和分辨率的关系为：,所以，入射光瞳直径越大，极限分辨率越高。,所以，,为了观察方便：,25,注意：在望远系统分辨率一定时，过高的增大视觉放大率，也不会看到更多细节。,三、望远镜的视场：,（,1,）对于开普勒望远系统：,物镜框是孔径光阑，也是入瞳；出瞳在目镜以外，与人眼重合；目镜框是渐晕光阑，一般要求有,50,的渐晕。,物镜后焦面可放置分划板，其框为视场光阑。,26,物方视场角,满足：,式中：,y,为视场光阑的半径。,开普勒望远镜的视场一般不超过15，观察时，眼瞳必须位于出,瞳处，才能观察到全视场。,（,2,）对于伽利略望远系统：,27,一般以人眼的瞳孔作为孔径光阑，又是出瞳；物镜框为视场光阑，又是入射窗。,由于视场光阑与物面不重和，因此，对大视场有渐晕现象。,当视场有,50%,渐晕时，其视场角为：,式中：,L,为机械筒长；,l,z2,为眼睛到目镜的距离。,所以，,伽利略望远镜的视觉放大率越高，视场越小,。,故伽利略望远镜的视觉放大率一般不大，仅用于剧场、体育场使用。,注意：,开普勒望远镜成倒像，需加转像装置，如转像棱镜；,伽利略望远镜成正像，但无法安装分划板，应用较少。,28,7.5 目镜,一、目镜的作用：,目镜的作用类似于放大镜，把物镜所成的像放大在人眼的,远点或明视距离上以供人眼观察。,二、目镜的主要光学参数：,目镜是一种,小孔径、大视场、短焦距、光阑在外,的光学系,统。其轴上像差不大，结构复杂时，较易校正像差。,（,1,）目镜的视场：,一般在,4050,，广角目镜达,6080,。,（,2,）镜目距：,表示出瞳到目镜后表面的距离。,相对镜目距：,镜目距与目镜焦距之比。,（,3,）工作距,l,F,：,目镜第一面的顶点到其物方焦平面的距离。,一般工作距应大于视度调节的深度（适应近视、远视要求），视度调节范围在,5D,。,29,（,4,）视度调节移动量：,三、常用的目镜：,常用的目镜有：惠更斯目镜、冉斯登目镜、凯涅尔目镜、,对称式目镜、无畸变目镜、广角目镜等。,惠更斯目镜,30,7.6 摄影系统,一、摄影系统：,1,.摄影系统的组成：,摄影系统是由,摄影物镜,和,感光元,组成。,感光元,包括：感光胶片、,CCD,传感器、电子光学变像管、,电视摄像管等。,常见的摄影系统,有：照相机、摄影机、显微照相系统、制版光学系统、航空摄影系统、水下摄影系统、空中侦察系统、测绘光学系统和信息处理系统等。,2,.摄影物镜的光学特性：,摄影系统以,摄影物镜（镜头）,为主要部件。,主要参数包括：,焦距,f,、相对孔径,D/,f,和,视场角,2,。,31,(,1,)视场:,视场的大小由,物镜的焦距,和,接收器的尺寸,决定。,像与焦距的关系：,远景时，像的大小为：,近景时，像的大小为：,所以，,焦距与像的大小成正比。,接收器尺寸与视场的关系：,感光元件框是视场光阑，它决定了像空间的成像范围。,当感光元件尺寸一定时，物镜的视场角取决于焦距的大小。,物在无穷远时，,物在有限远时：,所以，,焦距与视场成反比。,32,(,2,)分辨率:,摄影系统的分辨率取决于,物镜的分辨率,和,接收器的分辨率,。,分辨率是以像平面上,单位长度能分辨的线对数,来表示。,设，物镜的分辨率为,N,L,，接收器的分辨率为,N,r,则，,由瑞利准则，物镜的理论分辨率为：,取,0.555m，,所以，,相对孔径（光圈）越大，物镜的分辨率越高。,33,(,3,)像面照度:,摄影系统的像面照度,取决于相对孔径,。,当物体无限远时：,对于大视场的边缘照度小于中心照度：,所以，可用可变光阑作为孔径光阑控制相对孔径的大小，,以改善像面的照度。,3.摄影物镜的景深：,由此可见：,焦距越长，景深越小；,对准距离越远，景深越大,。,选用的光圈F越大，景深越大。,34,7.7 投影系统：,倒置的摄影系统，主要部件是,投影物镜,。,主要参数：,焦距、图片尺寸、孔径和放大率,。,相互关系：,放大率越大，焦距越短；,图片到屏幕的距离越大，焦距越长；,当图片尺寸一定时，,视场与焦距成反比。,系统要求：,像差要求、照明要求,。,投影屏上照度应均匀、且足够大，需使用,大孔径角的照明系统,和,适当的光源,。,投影物镜类似倒置的摄影物镜，对像差要求严格，结构复杂，常使用柱面透镜。,注意：,投影物镜不能使用光阑位置的改变校正像差。,35,