工程光学4.ppt

,Engineering Optics,授课：任秀云,第四章 典型成像光学系统,一个光学系统的设计大致分为两个步骤：,第一步，根据使用单位提出的技术要求,(,如光学性能、外形、重量及有关技术条件,),拟定光学系统原理图，并确定系统中各透镜组的焦距，各光学部件和零件的尺寸，相互间的间隔等，称为初步设计，亦即外形尺寸计算。,第二步，进行像差设计，通过大量的光线追迹和人工或利用程序对结构参数的修改确定保证成像质量优良的各种透镜的半径,r,、厚度和间隔,d,以及透镜的材料等。,本章学习目的：通过解剖典型光学系统，初步具备设计光学系统的能力,很久以前，人们就利用透镜、反射镜和棱镜等制成各种仪器来达到一定的成像要求。,（,1,）帮助人眼观察近处微小的物体,显微镜,（,2,）帮助人眼观察远处的物体,望远镜,（,3,）为了在屏上得到一个放大或缩小的像,投影仪和照相机。,（,4,）有些物体本身不发光，为了能清晰地观察，必须研究照明系统。,现代光学仪器种类繁多，主要实现的无非是这些功能或者是这几种功能的组合,显微镜、望远镜、放大镜等光学系统是直接扩大人眼的视觉能力的，称为,目视光学系统,4.1,眼睛,4.1.1,眼睛的结构,成像光学系统,人眼本身相当于摄影光学系统,在角膜和视网膜之间的生物构造均可以看作成像元件。,人眼是与目视光学系统配合使用的，所以眼睛应该看成是整个光学系统的一个部分。,人眼的构造剖视图,巩膜,*,巩膜是眼球的第一层保护膜，白色、不透明、坚硬；,角膜,*,角膜是巩膜的最前端部分，无色而透明；,脉络膜,*,脉络膜是眼球的第二层膜，上面有供给眼睛营养的网状微血管；,虹膜,*,虹膜是脉络膜的最前端部分，含有色素细胞，决定眼的颜色；,瞳孔,*,瞳孔是虹膜中间的小孔，随外界明亮程度的不同，虹膜肌肉能使瞳孔的,直径在,28mm,范围内变化,；,是人眼的,孔径光阑,。,网膜,黄斑中心凹,盲斑,晶状体,前室,后室,视轴,1.376,1.336,1.336,从光学角度看，眼睛中最主要的是：,水晶体、视网膜和瞳孔。,人眼 水晶体 视网膜 瞳孔,眼睛和照相机很相似，如果对应起来看：,照相机 镜头 底片 光阑,人眼相当于一架照相机，它可以自动对目标调焦,照相机中，正立的人在底片上成倒像，人眼也是成倒像,但我们感觉为什么还是正立的？,这是视神经系统内部作用的结果。,4.1.2,眼睛的调节能力,要想看清远近不同的物体，人眼就要自动地调节眼睛中水晶体的焦距，使像落在视网膜上。,眼睛自动改变焦距的过程,称为,眼睛的调节,。,当肌肉完全放松时（通过调节），眼睛所能看清的最远的点称为,远点,，其相应的距离称为,远点距,，以,r,表示（米）,当肌肉在最紧张时（通过调节），眼睛所能看清的,最近的,点称为,近点,，其相应的距离称为,近点距,，以,p,表示（米）,正常眼睛的远点距为,负的,无限远,。,非正常眼睛（远视或近视）的远点距为一,正,/,负,的有限值。,这里,必须指出,，近点距离,并不是,明视距离,后者是指正常的眼睛在正常照明（约,50,勒克斯）下,最方便和最习惯的工作距离,，它等于,250mm,。,它不同于人眼的近点距，两者不能混淆,人眼的,调节能力,是用远点距,r,的倒数和近点距,p,的倒数之差来描述，用,A,来表示，即,近点距倒数 称为,近点视度,。,在医院和眼镜店通常把,1,屈光度,称为,100,度,。,远点距倒数 称为,远点视度,，,调节能力随年龄增大而减少,年龄,10,20,30,40,50,60,70,80,p(cm),-7,-10,-14,-22,-40,-200,100,40,r(cm),-,-,-,-,-,200,80,40,(D),14,10,7,4.5,2.5,1,0.25,0,人眼的调节能力随年龄的增加而变化。随着年龄的增大，近点位置往远移，远点位置往近移，因而调节范围减少。,4.1.3,、眼睛的缺陷和矫正,正常眼在肌肉完全放松的自然状态下，能够看清楚无限远处的物体，即远点应在无限远（,R,=0,），像方焦点正好和视网膜重合。,F,若不符合这一条件就是非正常眼，或称,视力不正常，,最常见的有近视眼和远视眼,所谓,近视眼,就是其远点在眼睛前方,有限,距离处（,r,0,），,这是由于眼球偏短，像方焦点位于视网膜之后所致。因此，射入眼睛的光束只有是会聚时，才能正好聚焦在视网膜上。,对应着正视度，需以,正透镜,来使其远点恢复到无限远。,散光眼：,由于水晶体或角膜表面的不对称，散光眼的光焦度在不同方向上不同，造成物点发出的光束经眼睛不能相交于一点。散光眼需用,柱面透镜,矫正。,4.1.4,眼睛对光强变化的适应,人眼还能在不同亮暗程度的条件下工作。,这就是人眼的另一个特性,，,具有对周围空间光亮情况适应的过程,称为,适应,（即为,瞳孔的调节,）。,眼睛的虹膜可以自动改变瞳孔的大小，以控制眼睛的进光量（,2mm8mm),。在设计目视光学仪器时要充分考虑与眼瞳大小的配合。,适应是一种当周围照明条件发生变化时眼睛所产生的状态变化过程，可分为,对暗适应,和,对亮适应,两种，,前者发生在光亮处到黑暗处的时候，,后者发生在自黑暗处到光亮处的时候。,4.1.5,眼睛的分辨率和瞄准精度,眼睛能分辨出两个非常近的点的能力,称为眼睛的分辨率（分辨本领）,人眼的分辨率是眼睛的重要光学特性，同时也是目视光学仪器设计的重要依据之一。,人眼刚能将两点分开的视角,称为眼睛的极限分辨角,眼睛在看物空间两点时，这两点对眼睛,物方节点,的张角称为两点间的,角距离,或称为,视角,在,良好的照明条件,下，一般认为,人眼的极限分辨角为,1,。,眼睛发现一个平面上两根平行直线不重合能力的限度,称为,人眼的瞄准精度,。,人眼的瞄准精度一般用,角度值,来表示，,即,两线宽的,几何中心线,对人眼的,张角,小于某一角度值,时，虽然还,存在,着不重合，但眼睛已经认为是完全重合的，这时,角度值即为,人眼瞄准精度,。,瞄准精度,瞄准精度,和,分辨率,是两个概念。,又有一定的联系，,=K,经验证明，,人眼的最高瞄准精度约为极限分辨角的,1/6,至,1/10,。,1,、两实线瞄准,60,2,、两实线端部瞄准,10,20,3,、双线平分或对称瞄准,5,10,4,、虚线压测件轮廓边缘,20,30,5,、,叉线对准单线,20,30,要形成对眼睛瞄准有利的条件,4.1.6,目视光学仪器视度调节,人眼的视觉缺陷可以在眼前加以透镜矫正,目视光学仪器要适应不同视力的人使用，为此，目镜可以改变其前后的位置，使仪器所成的像不再位于无限远，而位于目镜的前方或后方一定的位置，这就是目视光学仪器的视度调节,N5m,-1,设观察者视力调节为,N,视度，则目镜轴向移动距离为：,物镜,目镜,正常眼,近视眼,远视眼,F,眼,F,眼,F,眼,眼睛在观察物体时，除了一般的物体特征外，还能够产生远近的感觉，被称为“,空间深度感觉,”。单眼或双眼都能产生这种感觉。,单眼深度感觉来源：,1,）物体高度已知，它所对应的视角大小来判断其远近,2,）物体之间的遮蔽关系和阳光的阴影来判断它们相对位置,3,）对物体细节的鉴别程度和空气的透明度所产生的深度感觉,4,）眼睛的调节程度来判断物体的远近。,4.1.7,空间深度感觉和双眼立体视觉,B,A,B,A,a2,b2,a1,b1,双眼立体视觉（简称体视）,称为“,视差角,”,A,a2,a1,l,b,其极限值,称为,“,体视锐度,”,当,A,、,B,两点距离不等时，或,产生了远近的感觉,被称为双眼立体视觉,A,B,A,B,b2,a2,a1,b1,l,b,A,B,A,B,b2,a2,a1,b1,约为,10,”,，有可能达到,5,”,或,3,”,立体视差,当物点对应的视角差,等于 时，人眼刚能分辨出它和无限远物点之间的距离差别，即反映了人眼可能分辨出物点远近的最大距离。,人眼瞳孔之间的平均距离为,b,=62mm,，,l,max,称为,立体视觉半径,对视差角 微分得立体视觉误差：,双眼观察仪器,利用仪器观察物体时，必须采用双眼仪器来保持人眼的体视能力，这种仪器称为体视仪器，如,“,双眼望远镜,”,和,“,双眼显微镜,”,利用体视仪器可以提高人眼的体视能力,双眼仪器的体视放大率,人眼直接观察时的视角差,眼为,B,A,B,A,A,-,B,假设双眼望远镜的二个入射光轴之间为距离,B,称为该仪器的基线长，则同一物体对仪器的二入射瞳孔所构成的视角差,为,若系统的视觉放大率为,，则物方视角差,和像方视角差,存在以下关系,4.2,目视光学系统,物体对眼睛的视角，,不仅取决于物体的大小,，还取决于该,物体到眼睛的距离,，距离越近视角越大,若在近点处观察细小物体其,视角仍,小于,人眼极限分辨角，,就需要借助放大镜或显微镜将其放大，使,像的视角,大于人眼的极限分辨角,扩大视角是目视光学仪器的作用。,眼睛通过,放大镜,或,显微镜,等目视光学仪器来观察物体时，有意义的是,在眼睛视网膜上的物体像的大小,。,视觉,放大率应为：,4.2.1,放大镜,物体像的视角，,人眼直接观察该物体时的视角,一、视觉,放大率,y,y,A,B,A,B,F,F,P,-,f,f,-,x,a,眼睛直接观察物体时，是将其放在明视距离,250mm,处。此时物体对人眼张角的正切为,-,l,P,二、放大镜的工作原理,y,y,A,B,A,B,F,F,P,-,f,f,-,x,a,P,-,l,1,）当物体放在其物方焦点上，,l=,有,0,250/f,，称为放大镜的,光学常数，标注在镜筒上,。,2,）实际使用一般把像调焦在明视距离，则,P-,l,250mm,，,眼瞳大致位于放大镜的像方焦点的,附近，,P=f,，,仅由放大镜的焦距,f,所决定，,f,越大则放大率越小。,三、光束限制和线视场,孔径光阑（出瞳）,视场光阑（出窗）,渐晕与视场角,由图可知，当渐晕系数,K,100%,，,K,50%,和,K,0,tg1,(h-a)/P,tg,h/P,tg2,(h+a)/P,时，像方视场角分别为：,线视场,:,目视光学仪器视场的大小用能看到的物方直径表示，被称为物方线视场（简称为线视场）。,用,2y,来表述线视场：,入射眼瞳时，其,k,值为,50%,。,当光束以,放大镜倍率,越大，其线视场越小。,物镜,目镜,F,1,F,1,F,2,B,A,A,B,A,”,B,”,A,B,位于目镜的物方焦点,F,2,上或在很靠近,F,2,的位置上,此像再经目镜放大为虚像,A,”,B,”,后供眼睛观察。,这说明目镜与放大镜的作用一样。,一、显微镜的工作原理,：,光学筒长,4.2.2,显微镜,经过物镜和目镜的两次放大，所以显微镜系统,总的视觉放大率,应该是,物镜横向放大率,和,目镜视觉放大率,e,的乘积。,设物镜的焦距为,f,1,则物镜的放大率为,物镜的像被目镜放大，设目镜焦距为,f,2,，,其视觉放大率为,显微镜系统的总放大率为：,根据组合光组焦距公式知，显微镜总焦距,f,在显微镜系统中存在着,中间像,，故可以在物镜的,实像平面上,放置分划板，对被观察物体进行测量，并且在该处还可以,设置视场光阑以消除,渐晕现象,。,将其代入 中，则有,显微镜系统实质上不就是个复杂化了的放大镜么！,19JA,型万能工具显微镜的光学系统图。,照明光源,集光镜,滤色片,可变光阑,平面反射镜,聚光镜,保护玻璃,工作台,物镜,工件,光阑（孔径光阑）,斯密特棱镜,保护玻璃,分划板,目镜,测角分划板,测角光源,滤色片,读数显微镜,可变光阑位于聚光镜的物方焦平面上,孔径光阑位于物镜的像方焦平面上（形成了什么光组？）,物镜有四种放大倍率：,1x,、,1.5 x,、,3 x,和,5 x,；目镜的放大率为,10 x,显微镜物镜物平面到像平面的距离称为,共轭距，大约等于,180mm,我国规定生物显微镜共轭距为,195mm,。,在显微镜中，取下显微物镜和目镜后，所剩下的镜筒长度，,即物镜支撑面到目镜支撑面之间的距离称为,机械筒长,。,使用显微系统过程中要求一次调焦清晰后，在更换不同倍率的物镜或目镜时，不需要二次调焦，即视场,中心物象位置,关系不发生变动。,不同倍率物镜,的,物像共轭加上主面之间的距离相等，,称为,齐焦,更换物镜的倍率（,1,X,、,1.5,X,、,3,X,、,5,X,），物方线视场的大小也随之改变（,21mm,、,14mm,、,7mm,、,4.2mm,）,不同的显微系统其孔径光阑的位置也不同：,小倍率生物显微镜，物镜框是孔径光阑，,大倍率显微镜具有复杂物镜，以最后镜组的镜框为孔径光阑,用于测量的工具显微镜孔径光阑一般放在物镜像方焦平面上,构成物方远心光路。,孔径光阑经目镜所成的像即为出瞳。,二、显微镜的光束限制,显微镜的出瞳位置与大小？,孔径光阑,因为孔径光阑在,F1,面上，而,F1,的像在,F,上，所以出瞳一般在焦平面。,若孔径光阑在无穷远，经目镜成像为出瞳，则出瞳在,F2,处。故孔径光阑由无穷远向,F1,移动，出瞳在,F2,和,F,间移动，靠近,F,。,F,1,F,2,D,2,2,-f,2,F,2,F,观点一：显微镜像方焦平面,设出瞳与显微镜像方焦平面重合，,AB,是,AB,被显微镜所成像，则出瞳半径为,显微物镜设计要求光轴附近接近理想成像，,于是,出瞳直径,数值孔径,显微镜物镜和目镜的间隔比他们各自的焦距大得多，因此出瞳在目镜像方焦点以外附近处，接近目镜像方焦平面,观点二：目镜像方焦面,显微物镜设计要求光轴附近接近理想成像，于是,设出瞳直径为,D,，有,出瞳直径,数值孔径,显微系统是用来观察、分辨物体的细节（生物显微镜）或瞄准（工具显微镜）的，,要求视场内的照度适宜、均匀、成像清晰、没有渐晕、杂散光的干扰小，所以,视场光阑,应安放在,物镜像平面,处，即目镜前焦平面上。,分划板（视场光阑）直径越大，线视场越大。设分划板（视场光阑）直径为,D,，则物镜垂轴放大率为：,线视场,:,目视光学仪器视场的大小用能看到的物方直径表示，被称为物方线视场（简称为线视场）。,视场光阑,代入 得显微镜线视场,线视场与视觉放大率的关系：在选定目镜后，显微镜的视觉放大率越大，线视场越小。,视场光阑位于目镜的物方焦平面上或附近，其大小应与目镜（放大镜）的物方线视场相等,显微镜的景深,当显微镜调焦至某一物平面（称为,对准平面,）时，如果位于其前后的物平面仍能被观察者看清楚，则该两平面之间的距离称为,显微镜的景深,。,A,1,B,1,A,B,出瞳,F,Z,-dx,-x,2a,显微镜的放大率越高、数值孔径越大，景深越小。,显微镜景深由显微镜的几何景深、物理景深和眼睛的调节能力带来的景深构成,几何景深,1,0.8,r,暗,1,瑞利判据：,光学系统能对无限远两点的像分辨得开的,最小距离即,爱里斑半径。,三、显微系统分辨率和有效放大率,波长，,D,孔径光阑直径。,显微系统,的分辨率是以刚能分辨的两物点之间的距离来表示的，称为,最小分辨距,孔径光阑,P,1,P,2,z,-U,max,U,max,A,-,相应地,因,U,max,角一般很小，所以有,由,式中,n=1,，为空气折射率，,就是显微物镜的,最小分辨距,即,分辨率,。,道威判断,：考虑部分相干情况，,两个相邻像点之间两衍射斑中心距为,0.85,爱里斑半径时，则能被光学系统分辨,。,表明,:,显微镜的,分辨本领,取决于所用,光波波长,和,物镜的数值孔径，与目镜无关,。,对于测量显微镜，有,其中,为瞄准精度，,K,为系数。,显微系统的分辨率或瞄准精度决定了数值孔径大小。,为眼睛瞄准精度在明视距离处的线距离，,K,值大小由,瞄准形式决定，,为所要求的显微镜瞄准精度的线距离,。,为眼睛的最小分辨角，,为要求分辨的细节,在明视距离,R,处对眼睛的张角。,观察显微镜,测量显微镜,显微镜放大率的确定,或由 和 推出,这是显微镜应具备的,最小视,觉,放大率，即,有效放大率,。实际放大率应为有效放大率,2,倍左右。,四、,显微系统的物镜,在选用或设计显微物镜时所考虑的光学性能主要有：,数值孔径,放大率,NA,的大小直接影响分辨本领和成像亮度，它是物镜的主要性能指标。要得到较大的视觉放大率和较高的分辨率，必须选用,数值孔径较大,的物镜。,对于不同倍率的物镜，像方视场,2y,为一定值，所以高倍物镜,视场小,。,线视场,显微物镜的特点：,大数值孔径，小视场，短焦距,。,显微物镜主要用来观察或测量，将近处微小物体放大到足够大并且分辨清楚细节,.,问题,：,存在,像差和色差,，,简单结构物镜无法克服。,那就整点复杂的？,显微物镜的分类,消色差显微物镜,复消色差物镜,平场消色差物镜,平场复消色差物镜,折反射显微物镜,1,、消色差物镜：,普通显微物镜大多数属于消色差型，只需校正球差、正弦差、轴向色差即可，但边缘像质较差。,按数值孔径,NA,的大小有四种型式：,1,）、,低倍物镜：,=36,，,NA,=0.1 0.15,一般双胶合可以了，可以看出,不大，,NA,也不大。,2,）、,中倍物镜（里斯特物镜）：,=810,，,NA=0.25,0.3,，由双组双胶合构成。,3,）、,高倍物镜（阿米西物镜）：,=2540,x,NA=0.400.65,它是在里斯特前加一半球形透镜又称为前片。它是利用齐明点的特性来增大孔径角的。,4,）、阿贝油浸型,=90100,x,NA=1.251.40,。,是通过在物及物镜之间加以高折射率的介质，此种介质的折射率与载波片、前片的折射率接近，故可以认为在同一介质中。,40X0.95,复消色差显微物镜,40X0.85,平场复消色差显微物镜,2,、复消色差物镜：严格校正轴上点色差、球差、正弦差，且,应校正二级光谱,。物镜结构复杂。且有些透镜使用特殊材料制造，如：萤石等。,3,、平场消色差和复消色差物镜,:,消场曲,，物镜结构十分复杂。可采用正负透镜分离、厚透镜等方法消场曲,1,、无限筒长物镜,对近距离成像的光学系统都可以归类于显微系统。,五 显微镜应用举例,物体处于物镜物方焦面，易于装配和调整，两透镜间可加入滤光片、偏振片等，不引起像的位置变化。,待测镜片屈光度为,焦度计：镜片检查仪,1,、分划板置于,1,的物方焦面，在,3,的像方焦面成像。,2,、镜片,2,置于,1,像方焦点，调节分划板，在,3,的像方焦面成像。,激光共聚焦显微镜,点光源聚焦于物点，物点发出的光被物镜,1,，,2,成像于针孔处，只有与针孔共轭物面上该点光信号被探测器接收。加以扫描可以探测样品三维结构。,4.2.3,望远系统,一、望远镜的工作原理,物镜（入瞳）,视场光阑,目镜,出瞳,F,1,(,F,2,),使入射的平行光束仍能保持平行地射出的光学系统,称为,望远系统或望远镜,。,把远距离物体的视角放大：如经纬仪、水准仪、望远镜、测距仪、自准直仪等,。,=0,开普勒望远镜,视觉放大率：,通过望远镜观察时，物体的像对眼睛视角,的正切与眼睛直接观察该物体时的视角,0,正切之比。,由于物体到眼睛的距离相对于望远镜的长度来说要大得多，,0,与物体对入射光瞳中心的张角,可认为相等,即为望远镜对物体成像的像方视场角（主光线与光轴夹角），,因此,:,视,觉,放大率,仅仅,取决于望远系统的结构参数,。,由,正,物镜和负目镜,按光学间隔,=0,的方式组合而成。,F,1,F,2,出瞳,d,f,1,df,1,具有筒长短、体积小、重量轻等特点；,这种望远镜,没有中间实像面,，,无法安置分划板,，不能直接作为瞄准和精确定位之用。,伽利略望远镜,若物镜框为孔径光阑，出瞳位于目镜前，无法与后一光学系统入瞳衔接。,入瞳中心对入窗的张角即系统视角,2,。,当,K=50,，,二、望远镜放大率的确定,和,分别为眼睛瞄准精度的角距离和线距离，大小与,瞄准形式有关，,和,分别为所要求的望远镜瞄准精度的角距离和线距离,。,（一）根据望远镜的用途确定视觉放大率。,为眼睛的最小分辨角，,为要求分辨的细节对眼睛的张角。,观察望远镜,测量望远镜,这是望远镜应该具备的,最小视,觉,放大率,。也是,有效放大率,。,为了减轻操作人员的疲劳，设计望远系统时实际放大率应为有效放大率的两倍左右。,若取,2.3,倍，则,=,D,。,(,二,),根据物镜口径确定视觉放大率,望远系统的分辨率是以远处能分辨的两点对物镜入瞳中心的张角,来表示的，称为,最小分辨角,。,按照衍射理论和瑞利判据，有：,D,为入瞳直径，单位为,mm,。,为充分利用望远镜的分辨率，有,三、转向系统和场镜,若开普勒望远镜需要得到正像，需在系统内安放转像系统,分类：棱镜式转像系统和透镜式转像系统,（一）棱镜式转像系统,加上转像系统后，物镜的像方焦平面和目镜的物方焦平面是,分开的,转像的物面是物镜的像方焦平面，其像面是目镜的物方焦平面,增加了光学长度。当物象分别处于转向透镜,2,倍物象方焦距处时，增加的光学长度最小，为,4f,F,1,F,2,（二）透镜式转像系统,单透镜转像,焦平面,F,1,F,2,目镜,物镜,双透镜转像,3,的物方焦面与物镜像方焦面重合，,4,的像方焦面与目镜物方焦面重合，则构成前后两个望远镜。当,f3=f4=f,时，不改变望远镜视觉放大率，增加光学长度,2f+d,（三）场镜,具有转像系统的光学系统，为使通过物镜后的轴外光束折向转像系统，减少转像系统的横向尺寸,在物镜的,像平面上,或附近增设一块透镜,场镜,像与主平面重合，放大率为,1,根据像差理论知：场镜不产生球差、彗差、像散和色散，只产生较小的场曲和畸变,四、望远系统的物镜,望远物镜的光学特性都用,相对孔径,D/,f,、,焦距,f,和,视场角,2,表示。,物镜这些性能参数决定了它的分辨能力、像的亮度和结构尺寸。,望远物镜可分为三种结构型式：即折射式、反射式和折反射式望远物镜。,当目镜焦距确定以后，物镜焦距由系统视觉放大率决定。望远物镜相对孔径一般小于,1/5,，为了满足分辨率的要求，焦距和孔径较大，视场角较小，一般小于,10,度。结构较简单。,（一）折射式望远物镜,(1),双胶合物镜：结构简单，制造方便，光能损失少。可以同时校正球差、正弦差和色差。,因为胶合面上产生比较大的正高级球差，且大孔径时透镜重量过大，胶合不牢，故相对孔径要受到限制。,这种物镜不能,消除像散、场曲和畸变，,所以视场角,2,不得超过,810,，,一般在焦距不长，相对孔径不大的系统中采用。,（,2,）双分离物镜,相对孔径可稍大些，视场角达,12,o,，与双胶合物镜相比，其可以在更大的范围内选择玻璃对，使球差、色差和正弦差同时得到校正（但不能校正色球差），只是装配校正比较困难，共轴性不易保证。,（,3,）三分离物镜,透镜的弯曲比较自由，可以使之成为校正色球差的有利形状。它适于长焦距平行光管使用。,物镜,分划板,目镜,若以目镜相对于物镜的位置变化实现调焦称外调焦系统。,外调焦系统的结构比较简单，像质也比较好。但外形尺寸较大，密封性能很差。,用光学零件位置的变化，实现调焦作用的光学系统称为调焦系统。,调焦系统分为外调焦和内调焦。,（,4,）内调焦望远物镜,当物体在有限远时，移动物镜中的一块负透镜，使物镜所成的像仍然在固定的分划板处。这种系统就称为内调焦系统。该系统尺寸小，携带方便，密封性能好，在大堤测量仪器中多采用此光路,（二）反射式望远物镜,完全没有色差；可以在紫外到红外很大波长范围内工作；反射镜的材料比透镜的材料容易制造，特别对大口径零件更是如此。天文望远镜常用反射式物镜。,目前，多采用双反射系统来做为天文望远镜的物镜。,比较著名的双反射系统有两种：,卡塞格林系统,格列果里系统。,卡塞格林系统是由两个反射镜组成，主镜是抛物面，副镜是双曲面，所成的是倒像，这种结构的筒长比较短。,主镜,副镜,F,格列果里系统也是有两个反射面组成，主镜仍为抛物面，副镜改为椭球面，所成的像正像,这种结构的筒长比较长。,（三）折反射系统,主镜,由于非球面的加工困难，且很难,校正轴外像差，因此为了获得较大视场，出现了,折反射系统。,F,副镜,折反射型望远物镜比较典型的有,施密特物镜,和,马克苏托夫物镜,施密特物镜由球面主镜和在球心的施密特校正板组成。,校正板是个透射元件，其中一个面是平面，另一个面是非球面。,非球面的面型能够使中央的光束略有会聚，而使边缘的光束略有发散，这样球差得到很好校正。,F,施密特校正板,马克苏托夫物镜由球面主镜和副弯月型厚透镜组成。,弯月形厚透镜的结构若满足下面条件就可以不产生色差，所以可用它来补偿主镜产生的球差,d,r,2,r,1,F,五、目镜,目镜是望远镜和显微镜的重要组成部分。,目镜的作用：对物镜成的像再次放大。,目镜的光学特性由它的视场角,2,、焦距,f,、相对镜目距,lz,/,f,和工作距,l,2,来决定。,镜目距,lz,是目镜后表面到出瞳的距离。,(1),视场角,(,像方视场角,)2,：,总的来说视场大的一般在,40,50,左右，小的到,30,，广角目镜可达,120,（一）目镜概述,(2),焦距,一般,2030mm,，小的可到,4mm,，大的可到,50mm,。焦距过短：出瞳距小，人眼不易与出瞳重合。,焦距过长：为保证一定的视场角，要加大目镜口径。,出瞳,(3),出瞳距：,一般在,8mm,左右，不得小于,6mm,，最长可达,100mm,(4),相对孔径,(5),放大率,目镜前片顶点到物方焦点的距离。要保证目镜在调焦中不能碰到分划板。,摄影目镜,观察目镜,约,1/31/15,(6),工作距离,由于观察者视力差异，目镜应能进行视度调节。,4.3,摄影系统,定义：由摄影物镜及感光器件（感光胶片、,CCD,、电视摄像管等）组成的光学系统。,例如军事上的高、低空侦察摄影、航空测量摄影、科学研究中的记录摄影和高速摄影、生物学中的显微摄影、印刷业中的照相制版、文艺方面的电影电视摄影等仪器。,照相物镜的光学特性一般用焦距,f,、相对孔径,D/f,、视场角,2,表示。此外还提出分辨率的要求，作为保证产品质量的技术条件。,4.3.1,摄影物镜的光学特性,f:,决定像的大小。,远处：,y,=,f,tg,近处,：,焦距大则像大，一般十几毫米,1,米以上；照相机：一般,20,毫米,几百毫米,D/f,：摄影系统的像面照度取决于相对孔径的大小。,D/f,大：强光镜头,D/f,中：普通镜头,D/f,小：弱光镜头,D/f,1:1.4,1:2,1:2.8,1:4,1:16,1:22,F,1.4,2,2.8,4,16,22,2,:,能摄入底片的视场角，由摄影物镜焦距和接收器尺寸决定。,D,：接收器对角线尺寸,远物：,近物：,常见摄像底片及,CCD,规格：,按照视场的大小，或者按焦距的长短，摄影物镜可分为：,标准镜头、广角镜头、长焦镜头。,在焦距与底片对角线长度近似相等时，镜头的视场角为,30,左右，称为标准镜头。焦距在,3575mm.,长焦距镜头的焦距为,85300mm,视场角比较小，最大为十几度。,广角镜头视角可达,120,度，焦距为,1535mm.,4.3.2,摄影系统分辨率,1,、定义：以像平面上每毫米内能分辨的线对数,N,来表示。,由于衍射的影响，点物成像为弥散斑，艾里斑的半径为,其倒数：,2,、物镜分辨率,N,L,现设 接收器的分辨率为：,N,r,物镜的分辨率为：,N,L,由于存在较大像差，物镜实际分辨率大大低于理论分辨率，且与被摄物体对比度有关。,不同接收器的分辨率有很大差别，胶片很容易达到,200,线,/mm,，,CCD,或,CMOS,的分辨率取决于像素大小。,4.3.3,摄,影物镜的景深,看图片时，一般把图片放在,明视距离处，,R,=250mm,，,若弥散斑在明视距离对眼睛的张角,小于,分辨角,，,看上去就是一点,.,人眼的分辨率,代入得：,投影仪是将一定大小的物体，用光源照明以后成像在屏幕上进行观察或测量的一种光学仪器。电影放映机、幻灯机、计量用投影仪等都属投影仪,4.4,投影系统,影屏上刻有瞄准线，工作台上有精密的直角坐标刻尺或度盘，可以用比较法测量各种形状复杂的高精度零件的长度、角度及坐标位置。,投影像，要求成像清晰，物像相似，还要求有足够的像面光照度，且整个像面光照度尽可能一致，决定了投影系统的主要特点。,投影系统一般由两部分构成，一部分是照明系统,;,另一部分是投影物镜。,一、投影物镜的作用及光学特性,投影物镜的光学特性，通常用视场、相对孔径，焦距，放大率表示。,（一）视场,投影系统中，成像范围直接用投影物体的最大尺寸,线视场表示。屏幕尺寸是确定的，屏幕框实际上就是投影系统的视场光阑，它的大小决定了物镜的线视场。,将已知屏幕尺寸代入 ，便可根据放大率 求出投影物镜的最大线视场。,若物象共轭距为,L,，则物镜焦距,（二）相对孔径,投影物镜相对孔径由像面照度来决定。,像面光照度,（三）放大率,根据放大率公式可知，当投影物体尺寸一定时，放大率越高，在屏幕上的像越大，测量精度则越高。投影物镜的物距 ，,或写,由上式可得：当物镜焦距一定时，放大率增加，像距加大，物像之间共轭距加大，整个投影仪的结构尺寸加大。因此放大率也是投影物镜的重要光学性能之一。,对于测量用投影仪，放大率的准确性有十分重要的意义，它直接影响测量精度，为此必须严格校正投影物镜的畸变，通常要求不同视场的相对畸变量不超过,0.1%,。,一般幻灯机中物镜放大率较低，中型和大型投影仪中的投影物镜有,10 x,，,20 x,50 x,100 x,等各种不同放大率，通常都标注在镜筒上。,4.5,照明系统,一、照明系统的设计要求,1,）保证有足够的光能；,2,）有足够的照明范围和均匀的亮度；,3,）照明光束应充满物镜的入瞳；,4,）尽可能减少杂光进入物镜，以免降低像面的对比度；,5,）满足仪器尺寸布局要求；,二、主要照明方法,照明方法按其照明光束的形成，可分为,“透射式照明”,和,“落射式照明,”两大类。,1,、直接照明,即利用自然光或灯泡直接照明。,在显微镜下部安放平面或者凹面反射镜，反射镜框起孔径光阑作用。,（一）透射式照明,2,、临界照明,(,阿贝照明,),光源发光面通过聚光镜成像在物面上或其附近的照明方式称为,临界照明,。,特点：,照明系统的视场光阑在光源的位置。,照明系统的孔径光阑在聚光镜或附近。,物面视场范围内有最大亮度，没有杂光。,缺点：,光源亮度不均匀性直接反映在物面上。,不满足光孔转接原则,即：聚光镜出瞳与物镜的入瞳位置不重合。,如聚光镜的焦距太短，可用两片或多片透镜代替，如希望视场可变，可使灯丝先成一次中间实像，并在该处安放大小可变的视场光阑。,有时为了防止光源发热影响观察对象，在结构上要求加大光源与物面之间的距离，这时可把聚光镜分为前后两组。,3,：柯勒照明,目的：克服临界照明不均匀的特点,.,（,2,）照明系统的孔径光阑位于聚光镜的物方焦面上，组成像方远心光路；集光镜框或其后面附近可安放可变的视场光阑，控制照明视场的大小，避免杂光射入物镜。,集光镜,聚光镜,物面,结构,特点：,光源经集光（柯勒）镜在聚光镜前焦面上成实像。,应用：显微照相，投影仪，缩微照相，工具显微镜，电影印片机等。,孔径光阑,视场光阑,（二）落射式照明（反向照明）,照明光束通过物镜后射到被检物体上，物镜兼具聚光镜的作用。适用于非透明物体，如金属，矿物等。,