应用光学--目视光学系统.pptx

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,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,*,*,第六章 目视光学系统,目视光学系统,眼睛特征,放大镜,显微镜系统,望远镜系统,第1页,6.1、眼睛结构及其特征,人 眼相机,水晶体镜头:,f=-17mm f,=23mm,(在调焦范围内，-f=14.217.1mm,f=18.922.8mm),视网膜底片,瞳 孔光阑,：,2,8mm,一、人眼结构,相当于自动调焦,透镜系统,第2页,二、眼睛调整,眼睛调整,：,眼睛对不一样距离物体,自动调焦,过程。,视度：,与网膜共轭物面到眼睛距离倒数，,SD1/l,（单位：屈光度，其中,l,以米为单位）,远（近）点,：眼睛自动调焦所可能看清最远（近）点，,远（近）点距离,：远（近）点到眼物方主点距离。,正常眼,：眼睛远点在无限远，近点很近，水晶体像方焦点与视网膜重合。,明视距离,：正常眼最方便和最习惯工作距离，它等于,-250mm,。,人眼最大调整范围：,近点和远点所对应视度之差（,SD,近,-SD,远,）,。范围随年纪改变如表61：,问：老花眼和远视是一回事吗？,第3页,三、眼睛分辨率,眼睛分辨率：,眼睛刚能分辨两物点在网膜上成两像点之间距离。,人眼生理结构决定这个距离最少要大于两个神经细胞直径。,第4页,视神经细胞直径约0.003mm,普通取人眼分辨率0.006mm,视角分辨率：,眼睛刚能分辨两物点对眼睛张角,min,。,在眼睛没有调整松弛状态下，f 16.68mm，可得,min,60：由 可得,提升人眼分辨率方法：,第5页,6.2 放大镜,一、工作原理,物体对人眼张角称为视角。,人眼要看清物体，必须是物体对人眼视角大于人眼分辨率。,第6页,二、视（角）放大率,目视光学仪器是帮助人眼,扩大视角,功效，它作用大小用视（角）放大率来描述。,视网膜上像大小和视角正切成正比，所以，把同一目标用仪器观察视角,仪,(,)和人眼直接观察视角,眼,(,),二者,正切之比,称为目视光学仪器“,视角放大率,”。,要使光学仪器有扩大视角功效，则大于1,第7页,一、放大镜,视角,放大率,注：,目视光学仪器目镜工作原理和,视角放大率,计算与放大镜完,全相同。,第8页,二、放大镜光束限制和视场,注：,放大镜视场与,视角放大率,、,放大镜口径,、,观察距离,相关。,眼瞳为孔阑，放大镜为渐晕光阑，渐晕系数为1,0.5,0时，像方视场角分别为：,当物面放在放大镜前焦面时，像面无限远，k0.5时线视场,第9页,6.3 显微系统,主要内容：,1、,显微镜成像原理及,视角放大率,；,2、孔径光阑与,出瞳直径,；,3、,分辨率,与,有效放大率,；,第10页,放大镜不能满足对更细小物体观察，考虑能够先用一组透镜把物体放大成像到放大镜前焦面上，再经过放大镜观察；,这么经过两级放大形成光学系统称为,显微镜系统,；,靠近物体，把物体尺寸放大透镜叫做,显微物镜,靠近眼睛，用来扩大视角放大镜叫做,显微目镜,。,一、,显微镜成像原理及,视角放大率,第11页,光学筒长,：F,物,到F,目,之间距离。,人眼直接观察物视角,经过显微镜观察视角,第12页,故显微镜能够看成一个组合放大镜,当,和符号相反，观察到倒立像,可得,第13页,习题1：用两个焦距都是50mm正透镜组成一个10倍显微镜，问物镜、目镜倍率及物镜和目镜之间间隔？,解：由公式,其中,代入上式可得,第14页,1、衍射分辨率P123,二、显微镜,分辨率,和,有效放大率,（像点中央亮斑直径）,试验证实，两像点能分辨最短距离等于中央亮斑直径：,为光波长，为像方折射率，为光束最大像方孔径角,因为衍射像有一定大小，假如两个像点距离太小，就无法,分辨，把两个衍射像间所能分辨最小间隔称为,衍射分辨率,。,第15页,2、显微镜,分辨率,:用物面上可分辨最短距离,表示,1）两个发光点分辨率：,其中，称为,数值孔径,两像点能分辨最短距离：,第16页,2）不发光物体分辨率：,垂直照明：,倾斜照明：,NA ，,时，,，分辨率,提升显微镜分辨率路径：,1）增大数值孔径,NA，即增大孔径角或物方折射率,n,，,（,采取浸液物镜,）,2）缩短工作波长,；（,采取紫光光源,）,显微镜分辨率表征了显微镜能分辨近距物体细微结构能力,显微镜分辨率主要取决于,NA,，与目镜无关，目镜放大率再大也无法把物镜不能分辨细节看清。,第17页,3、,有效放大率,（,要使显微镜分辨细节能被人眼所分辨,）,便于眼睛分辨角距离为,该角距离在眼睛明视距离250mm处所对应线距离,眼,，可表示为：,把,眼,看成显微镜分辨率,经显微镜所成像,。则有,设所用照明平均波长为,0.000555mm,，,有,近似为：,，,取,第18页,结论：,1.显微镜能分辨而眼睛不能分辨,（当使用比 500NA更小放大率时，不能看清物镜已分辨出一些细节受制于人眼分辨率）,放大不足；,2.,显微镜不能分辨，造成眼睛不能分辨,（若用比1000NA更高放大率，也不可能再提升显微镜分辨率，即并不能使被观察物体细节更清楚受制于光学系统衍射分辨率）,无效放大。,第19页,习题2（T6）：一个显微镜物镜垂轴放大率为-3，数值孔径为0.1，,共轭距,L（物镜物像间距）,为180毫米，物镜框为孔阑，目镜焦距为25毫米，求：,、显微镜视角放大率；,、,出瞳距离（镜目距）,；,、,斜入射光照明，波长为0.55微米，求其分辨率,；,、物镜通光孔径；,、出瞳直径；,、设物高2y6mm，K=50，求目镜通光口径。,第20页,6.4 望远镜系统,主要内容：,1、工作原理；,2、视放大率；,3、分辨率及工作放大率；,4、透镜转象系统；,第21页,一、工作原理,目视光学仪器两个要求,扩大视角,出射平行光,显微镜是快要物成像于无限远，望远镜使无限远物体成像在无限远，所以望远镜是一个无焦系统,因为是无焦系统，物镜像方焦点和目镜物方焦点重合，,光学筒长,0,第22页,望远镜有两种基本型式：,伽利略望远镜、开普勒望远镜。,开普勒望远系统，物镜和目镜都是正透镜，,中间有实像面，可在实像处加分划板测量。,第23页,问：伽利略望远镜能否放置分划板？,答：因为伽利略望远镜没有中间实像，不能安装分划板。也不能用来瞄准和定位。,伽利略望远镜物镜是一块正透镜，目镜是一块负透镜。,第24页,二、视放大率,因为物体在无限远，同一目标对人眼张角和对仪器张角（即望远镜物方视场角）完全能够认为是相等，同为,，,经过望远镜之后，物体像对人眼张角就是系统像方视场角,1、,D,为望远镜入瞳直径,；,D,为望远镜出瞳直径；,2、望远镜视觉放大率取决于望远系统结构（焦距）。,问：望远镜物镜能否用负透镜？,第25页,望远镜系统特点：P148,1.,可正可负，,0,、同号，物像方向相同（,伽利略望远镜,）,0,、,异号，物像方向相反（,开普勒望远镜,）,2.目镜焦距不能太小，所以要提升放大率，,必须加长物镜焦距,；,3.出瞳与人眼眼瞳直径相匹配，为了得到高倍率，,要加大物镜口径,。,第26页,三、分辨率及工作放大率,1、望远镜,分辨率,：以刚能分辨两发光点对望远镜张角,表示,。,取,0.000555mm,则,问题：为何天文望远镜物镜口径普通做得很大？,分辨率只与入瞳口径（物镜口径）相关，入瞳越大，,越 小，分辨率越高,第27页,若设人眼分辨率为,60,，则,3,、,工作放大率,：是正常放大率,23,倍。,2、,有效放大率,：满足人眼分辨率要求最小视角放大率。,第28页,四、透镜转像系统,（开普勒望远镜成倒像，要取得正像，中间要加倒像系统）,转像系统垂直放大率普通在1/2-3,之间，,1）,位置,：在物镜像方焦面和目镜物方焦面之间加入一垂轴放大率为负透镜组。,2）加入倒像系统后,视角放大率,选取最多，实现倒像。,第29页,3）倒像系统放置及垂轴放大率,通常采取两个完全相同透镜组成倒像系统。,F,1,F,2,y,-y,普通由两个透镜组组成，并使第一个透镜组物方焦面和物镜像方焦面重合；第二个透镜组像方焦面与目镜物方焦面重合。,第30页,4）倒像系统斜光束渐晕,当斜光束对称轴线主光线和光轴交点在两透镜中间时，斜,光束宽度最大。,F,1,F,2,y,-y,第31页,6.4 视度调整,一、眼睛缺点及校正,正常眼：,远点在无限远,，水晶体像方焦点F,在视网膜上。,近视眼：,F,在视网膜前，戴,负透镜,校正。,远视眼：,F,在视网膜后，戴,正透镜,校正。,远点倒数表示近视或远视程度，称视度。,1D100度,。校正镜片焦距,比如：近视200度，表示SD=-2，远点距离,镜片焦距：,眼镜片像方焦点恰好和非正常眼远点重合。,第32页,二、仪器视度调整,以开普勒望远镜为例：,对近视眼,：,目镜应向物镜方移动，,物镜像点落在目镜物方焦点之,内,，经目镜后形成一视度为,负虚像,。若此虚像位于近视眼远点，则经过人眼，成像于视网膜上。,对远视眼,：,目镜应向远离物镜方移动，,物镜像点落在目镜物方焦点之,外,，经目镜后形成一视度为,正实像,。若此实像位于远视眼远点，则经过人眼，成像于视网膜上。,对于伽里略望远镜，近视或远视视度调整时，目镜该怎样移动？,第33页,物镜,目镜,F,目,y,y,-x,x,F,目,视度调整值和目镜调整量之间关系,设仪器视度调整值为SD，则经过仪器像距应为,F,目,第34页,