1、第十四章第十四章 目視光學(xué)系統(tǒng)目視光學(xué)系統(tǒng) 141 眼睛的結(jié)構(gòu)及其特性眼睛的結(jié)構(gòu)及其特性1. 眼睛的結(jié)構(gòu)眼睛的結(jié)構(gòu)2. 眼睛的調(diào)節(jié)眼睛的調(diào)節(jié) 水晶體到網(wǎng)膜的距離是不變的。觀水晶體到網(wǎng)膜的距離是不變的。觀察不同距離的物體，水晶體的焦距自動察不同距離的物體，水晶體的焦距自動改變，使象清晰地成在網(wǎng)膜上。眼睛對改變，使象清晰地成在網(wǎng)膜上。眼睛對不同距離的物體的自動調(diào)焦的過程稱為不同距離的物體的自動調(diào)焦的過程稱為眼睛的調(diào)節(jié)。眼睛的調(diào)節(jié)。 遠(yuǎn)點(diǎn)：眼睛自動調(diào)焦所可能看清最遠(yuǎn)的點(diǎn)遠(yuǎn)點(diǎn)：眼睛自動調(diào)焦所可能看清最遠(yuǎn)的點(diǎn)近點(diǎn)：眼睛自動調(diào)焦所可能看清最近的點(diǎn)近點(diǎn)：眼睛自動調(diào)焦所可能看清最近的點(diǎn)明視距離：正常眼最方便和

2、最習(xí)慣的工作距離，它等于明視距離：正常眼最方便和最習(xí)慣的工作距離，它等于-250mm。 3. 眼睛的視角眼睛的視角 物體在網(wǎng)膜上所成象的大小決定于物體在網(wǎng)膜上所成象的大小決定于物體對人眼的張角，稱之為視角。物體對人眼的張角，稱之為視角。 同一位置，不同大小的物視角不同；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；同一物體，不同位置視角不同；4. 眼睛的缺陷及校正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)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。在視網(wǎng)膜上。近視眼：近視眼：F在視網(wǎng)膜前，戴負(fù)透鏡校正。在視網(wǎng)膜前，戴負(fù)透鏡校正。正常眼：正常眼：F在視網(wǎng)膜后，戴

3、正透鏡校正。在視網(wǎng)膜后，戴正透鏡校正。視度視度：非正常眼遠(yuǎn)點(diǎn)距離的倒數(shù)，非正常眼遠(yuǎn)點(diǎn)距離的倒數(shù)，R1/r （單位：折光度（單位：折光度 ）視網(wǎng)膜上兩個像大小的比值等于相應(yīng)的兩個視角正切的比值。視網(wǎng)膜上兩個像大小的比值等于相應(yīng)的兩個視角正切的比值。眼鏡片的像方焦點(diǎn)正好和非正常眼的遠(yuǎn)點(diǎn)重合。眼鏡片的像方焦點(diǎn)正好和非正常眼的遠(yuǎn)點(diǎn)重合。4. 極限分辨角極限分辨角 所能辨別靠近的兩個點(diǎn)的極限值稱為所能辨別靠近的兩個點(diǎn)的極限值稱為分辨率分辨率。這剛能被眼睛。這剛能被眼睛分辨開的兩個點(diǎn)對眼睛的物方節(jié)點(diǎn)所張的角度，稱為分辨開的兩個點(diǎn)對眼睛的物方節(jié)點(diǎn)所張的角度，稱為極限分辨角極限分辨角。眼睛的眼睛的分辨率和極限

4、分辨角成反比分辨率和極限分辨角成反比。 D22. 1mmDmmDmm014526626/00055. 022. 1 由衍射理論：由衍射理論：若取若取 =0.00055mm，則眼睛的極限分辨角為，則眼睛的極限分辨角為： 5. 視角放大率視角放大率 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)用儀器觀察的視角標(biāo)用儀器觀察的視角儀儀 和人眼直接觀察的視角和人眼直接觀察的視角 眼眼 二者正二者正切之比稱為

5、目視光學(xué)儀器的切之比稱為目視光學(xué)儀器的“視角放大率視角放大率”。眼儀tgtg 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，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，視網(wǎng)膜上像的大小之比，它描述了儀器放大作用的大小。視網(wǎng)膜上像的大小之比，它描述了儀器放大作用的大小。 143 放大鏡放大鏡fmm2500一、一、放大鏡的放大率放大鏡的放大率 注：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。全相同。二、二、放大鏡的光束限制和視場放大鏡的光束限制和視場 zzzlahtglhtglahtg21tgfy22zlhy0

6、5002注：注：放大鏡的視場與放大率、放大放大鏡的視場與放大率、放大 鏡口徑、觀察距離有關(guān)。鏡口徑、觀察距離有關(guān)。 144 顯微系統(tǒng)顯微系統(tǒng)一、一、顯微鏡的成像原理及視角放大率顯微鏡的成像原理及視角放大率 1111ffx22250fmm2121250ffmm21ffffmm250例：用兩個焦距都是例：用兩個焦距都是50mm的正透鏡組成一個的正透鏡組成一個10倍的顯倍的顯微鏡，問物鏡、目鏡的倍率及物鏡和目鏡之間的間隔？微鏡，問物鏡、目鏡的倍率及物鏡和目鏡之間的間隔？二、二、顯微鏡的光束限制顯微鏡的光束限制 1. 孔徑光闌：孔徑光闌：a. 單組低倍顯微物鏡，鏡框是孔徑光闌；單組低倍顯微物鏡，鏡框是

7、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；復(fù)雜物鏡一般以最后一組透鏡的鏡框作為孔徑光闌； c. 對于測量顯微鏡，孔闌在對于測量顯微鏡，孔闌在物鏡的象方焦面上，構(gòu)成物方遠(yuǎn)心光路。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，眼瞳應(yīng)與出射光瞳重合。用顯微鏡觀察體時，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)筒長若孔闌位置不同，與光學(xué)筒長相比為一小量，則出瞳可近似認(rèn)為在相比為一小量，則出瞳可近似認(rèn)為在目鏡像方焦面附近一固定位置。目鏡像方焦面附近一固定位置。2

8、. 顯微系統(tǒng)的出射光瞳直徑顯微系統(tǒng)的出射光瞳直徑 顯微鏡應(yīng)滿足正弦條件，有顯微鏡應(yīng)滿足正弦條件，有 ：UnyyUnsinsinUtgfa目Ufasin目物物fyy1UnfUsinsin物NAfUnfa顯顯sinUnNAsin令令NA 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稱為顯微鏡的數(shù)值孔徑，是表征顯微鏡特性的重要參量 NAD5003. 顯微鏡的視場光闌和視場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。鏡的視場很小，而且要求象面上

9、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。線視場闌的大小決定。線視場y與視闌大小與視闌大小y的關(guān)系為：的關(guān)系為：物yy224. 顯微鏡的景深顯微鏡的景深 顯微鏡的放大率越高，數(shù)值孔徑越大，景深越小。顯微鏡的放大率越高，數(shù)值孔徑越大，景深越小。 NAnmmNAf ndx2502三、顯微鏡的分辨率和有效放大率三、顯微鏡的分辨率和有效放大率1. 分辨率（用分辨距離分辨率（用分辨距離表示）表示）1）兩個發(fā)光點(diǎn)的分辨率：）兩個發(fā)光點(diǎn)的分辨率：NAUn61. 0sin222. 12）不發(fā)光物體的

10、分辨率：）不發(fā)光物體的分辨率：NANA5 . 0垂直照明：垂直照明：傾斜照明：傾斜照明：NA NA ， 時，時， ，分辨率，分辨率（浸液物鏡，紫光光源）（浸液物鏡，紫光光源）2. 有效放大率有效放大率便于眼睛分辨的角距離為便于眼睛分辨的角距離為 42該角距離在眼睛的明視距離該角距離在眼睛的明視距離250mm250mm處所能分辨的距離處所能分辨的距離，可表示為：，可表示為：換算到物空間，換算到物空間， ，取，取NA5 . 0設(shè)所用照明的平均波長為設(shè)所用照明的平均波長為0.00055mm， 有有近似為：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)使用比有效顯微鏡的放大率取決于物鏡的分辨

11、率或數(shù)值孔徑。當(dāng)使用比有效放大率下限放大率下限(500NA)更小的放大率時，不能看清物鏡已分辨出的某些更小的放大率時，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，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。并不能使被觀察物體的細(xì)節(jié)更清晰。 四、顯微物鏡四、顯微物鏡主要光學(xué)特性參數(shù)有：主要光學(xué)特性參數(shù)有：1. 放大率放大率 ：物1f 物2. 數(shù)值孔徑數(shù)值孔徑NANA：NANA決定了物鏡的分辨能力決定了物鏡的分辨能力4. 工作距離：從物鏡的第一個面頂點(diǎn)到物面的距離。工作距離：從物鏡的第一個面頂點(diǎn)到物面的距離。

12、 5. 物鏡的通光口徑：物鏡的通光口徑：UnNAsintgUlD 23. 線視場：線視場：顯微物鏡的基本類型：顯微物鏡的基本類型：五、顯微目鏡五、顯微目鏡主要光學(xué)特性參數(shù)有：主要光學(xué)特性參數(shù)有：1. 視覺放大率：視覺放大率：目f 25002. 目鏡的線視場（由視場光闌的大小決定）目鏡的線視場（由視場光闌的大小決定）3. 鏡目距（出瞳距離）：鏡目距（出瞳距離）：mmlZ64. 目鏡的通光口徑：目鏡的通光口徑： 由漸暈系數(shù)及幾何關(guān)系決定由漸暈系數(shù)及幾何關(guān)系決定例：一個顯微鏡物鏡的垂軸放大倍率為例：一個顯微鏡物鏡的垂軸放大倍率為-3-3倍，數(shù)值孔徑為倍，數(shù)值孔徑為0.20.2，共軛距，共軛距L L為

13、為180180毫米，物鏡框?yàn)榭钻@，目鏡焦距為毫米，物鏡框?yàn)榭钻@，目鏡焦距為3030毫米，求毫米，求顯微鏡的視覺放大率顯微鏡的視覺放大率物鏡焦距物鏡焦距物鏡的物象距物鏡的物象距出瞳直徑出瞳直徑出瞳距離（鏡目距）出瞳距離（鏡目距）斜入射光照明，波長為斜入射光照明，波長為0.550.55微米，求其分辨率微米，求其分辨率物鏡通光孔徑物鏡通光孔徑系統(tǒng)的總焦距系統(tǒng)的總焦距 六、顯微鏡的照明系統(tǒng)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。射后，進(jìn)入顯微鏡成像。1）臨界照明：）臨界照明：a）特點(diǎn)

14、：）特點(diǎn)： 光源經(jīng)過聚光鏡所成之像與物平面重合光源經(jīng)過聚光鏡所成之像與物平面重合 相當(dāng)于物平面上置光源相當(dāng)于物平面上置光源b）光路圖：）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）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。顯微鏡的觀察效果。d）要求：）要求： 聚光鏡應(yīng)有與顯微物鏡相同或稍大的聚光鏡應(yīng)有與顯微物鏡相同或稍大的NANA 聚光鏡前放置的可變光闌為聚光鏡的孔闌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，使之與物鏡的物鏡的NANA相適應(yīng)相適應(yīng) 瞳瞳 瞳，視

15、場瞳，視場 視場視場2）柯拉照明：）柯拉照明：a）特點(diǎn)：把）特點(diǎn)：把光源像成在物鏡入瞳面上。光源像成在物鏡入瞳面上。 b）光路圖：）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)。）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：）要求： 光源通過前置鏡光源通過前置鏡L L成像在聚光鏡前可變光闌成像在聚光鏡前可變光闌J J2 2上，聚光鏡再上，聚光鏡再把此光源像再次成在物鏡的入瞳上；在緊靠把此光源像再次成在物鏡的入瞳上；在緊靠L L后面設(shè)另一可變光闌后面設(shè)另一可變光闌J J1 1，具有均勻的亮度，被聚光鏡成像在物面上。調(diào)節(jié)具有均勻的亮度，被聚光鏡成像在物面上。調(diào)節(jié)J J2

16、 2 ，可使之與不同數(shù)，可使之與不同數(shù)值孔徑的物鏡相匹配；調(diào)節(jié)值孔徑的物鏡相匹配；調(diào)節(jié)J J1 1 ，可改變物平面上的照明范圍，使之能，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)。與不同倍率物鏡的視場相適應(yīng)。 視場視場 瞳，瞳瞳，瞳 視場視場2. 非透明物體的照明系統(tǒng)：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。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。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光源經(jīng)半透半反鏡和顯微物鏡照明物體

17、，物體的反射光再經(jīng)物鏡明物體，物體的反射光再經(jīng)物鏡和半透半反鏡成像。和半透半反鏡成像。3. 暗場照明：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。微粒所散射或衍射的光線。 148 望遠(yuǎn)系統(tǒng)望遠(yuǎn)系統(tǒng)一、工作原理及光學(xué)特性參數(shù)一、工作原理及光學(xué)特性參數(shù)光學(xué)參數(shù)：光學(xué)參數(shù)： f f1 1、f f2 2、D/ D/ ff、2 2、2 2、D D、DD D D物物、 D D目目、 l lZ Z 2121212f

18、fffff二、視覺放大率二、視覺放大率21fftgtgtgtg眼儀 tgftgf212122fDfDDD三、分辨率及工作放大率三、分辨率及工作放大率望遠(yuǎn)鏡的分辨率用極限分辨望遠(yuǎn)鏡的分辨率用極限分辨角來表示角來表示 ：mmD014 若設(shè)人眼的分辨率為若設(shè)人眼的分辨率為 60 06 3 . 201406mmDmmD D與與成反比，與分辨率成正比成反比，與分辨率成正比以上求得的視覺放大率是滿足分辨率要求的最小視覺放大率，稱之為以上求得的視覺放大率是滿足分辨率要求的最小視覺放大率，稱之為正常放大率。正常放大率。 工作放大率：是正常放大率的工作放大率：是正常放大率的1.52倍倍1. 開普勒望遠(yuǎn)鏡開普勒望遠(yuǎn)鏡21ffDDtgtg1fytg1）2） 筒長：筒長： L= f f1 1+ f+ f2 23） 出瞳距（鏡目距）出瞳距（鏡目距）lz zLlz2111fllzz四、望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的光束限制四、望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的光束限制2. 伽利略望遠(yuǎn)鏡伽利略望遠(yuǎn)鏡五、望遠(yuǎn)物鏡五、望遠(yuǎn)物鏡主要光學(xué)參數(shù)：主要光學(xué)參數(shù)： D/ D/ ff、ff、2 2 這些特性參數(shù)決定了望遠(yuǎn)鏡的分辨率，像的主觀亮度，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。和系統(tǒng)的外形尺寸。六、望遠(yuǎn)目鏡六、望遠(yuǎn)目鏡1、目鏡的視場角：、目鏡的視場角： tgtg2、鏡目距：、鏡目距： l l