1、第七章 典型光學(xué)系統(tǒng),概述,典型光學(xué)系統(tǒng)： 成象系統(tǒng)與非成象系統(tǒng)： 目視儀器后系統(tǒng)：,非成像光學(xué)系統(tǒng),我們把不以成像為目的的光學(xué)系統(tǒng)統(tǒng)稱(chēng)為非成像光學(xué)系統(tǒng)。照明系統(tǒng)、光束的整形與變換系統(tǒng)都屬于非成像光學(xué)系統(tǒng)的范疇。相比于傳統(tǒng)的成像光學(xué)而言，非成像光學(xué)所關(guān)心的不是能否在目標(biāo)平面上成像以及成像質(zhì)量如何，而是關(guān)注光源的能量利用率以及能量分布情況。 照明系統(tǒng)： 普通照明系統(tǒng)、顯微照明系統(tǒng)、LED照明系統(tǒng) 光束的整形與變換系統(tǒng)： 分光、準(zhǔn)直、擴(kuò)束、掃描、會(huì)聚、整形,成像光學(xué)系統(tǒng)與非成像光學(xué)系統(tǒng),成像光學(xué)系統(tǒng)傳遞了物點(diǎn)的位置信息和光強(qiáng)度信息,而非成像光學(xué)系統(tǒng)則是對(duì)能量進(jìn)行了重新分配和組合。,光學(xué)設(shè)計(jì)基本步驟

2、,球差曲線,像散、場(chǎng)曲、畸變曲線,常用評(píng)價(jià)函數(shù),點(diǎn)列圖,調(diào)制傳遞函數(shù)MTF曲線,現(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng),激光光學(xué)系統(tǒng) :高斯光束 傅里葉（Fourier）變換光學(xué)系統(tǒng)： 4f相干光學(xué)信息處理系統(tǒng) 掃描光學(xué)系統(tǒng)：激光顯示、存儲(chǔ)器、激光打印機(jī)、激光掃描、激光雷達(dá)和高速攝影系統(tǒng) 階躍型光纖光學(xué)系統(tǒng)： 梯度折射率光纖光學(xué)系統(tǒng),4f系統(tǒng),激光平面干涉儀,光電光學(xué)系統(tǒng),現(xiàn)代光電系統(tǒng)無(wú)一不把光學(xué)、精密機(jī)械、光電轉(zhuǎn)換、電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)其系統(tǒng)的數(shù)字化、圖像化、智能化和自動(dòng)化。為達(dá)到上述目的，除設(shè)計(jì)各種不同用途的光電光學(xué)系統(tǒng)外，光電能量轉(zhuǎn)換或光電圖像轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)信號(hào)采集與處理、模數(shù)轉(zhuǎn)換和計(jì)算機(jī)處理與分析等都是實(shí)

3、現(xiàn)上述目的所不可缺少的重要環(huán)節(jié)。,光電光學(xué)系統(tǒng),紅外夜視光學(xué)系統(tǒng) 紅外雷達(dá)、 光電報(bào)警、 激光制導(dǎo)、 光電檢測(cè),光電檢測(cè)系統(tǒng)原理框圖,相關(guān)技術(shù)： 激光原理（光源、激光器）;應(yīng)用光學(xué)（照明、成像） 圖象傳感器（固體：CCD）;測(cè)控儀器電路 數(shù)字信號(hào)處理;微機(jī)接口（D/A、A/D） 自動(dòng)控制、反饋;機(jī)械傳動(dòng),光電檢測(cè)系統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng),-1 人眼及其光學(xué)系統(tǒng),一、眼睛的結(jié)構(gòu)成像光學(xué)系統(tǒng),1）水晶體變折射率校正球差 2）視網(wǎng)膜表面為匹茲伐曲面校正匹茲伐場(chǎng)曲 3）盲點(diǎn)神經(jīng)纖維的出口，由于沒(méi)有感光細(xì)胞而不能產(chǎn)生視覺(jué) 4）倒立的實(shí)像與感覺(jué)神經(jīng)分布有關(guān)正像視覺(jué) 5）類(lèi)似的攝影系統(tǒng) 6）虹膜控制眼瞳大?。ㄍ祝┛?/p>

4、徑光闌,人眼的構(gòu)造剖視圖,人眼的構(gòu)造剖視圖,鞏膜,*鞏膜是眼球的第一層保護(hù)膜，白色、不透明、堅(jiān)硬；,角膜,*角膜是鞏膜的最前端部分，無(wú)色而透明；,眼睛內(nèi)的折射主要發(fā)生在角膜上；,脈絡(luò)膜,*脈絡(luò)膜是眼球的第二層膜，上面有供給眼睛營(yíng)養(yǎng)的網(wǎng)狀微血管；,人眼的構(gòu)造剖視圖,鞏膜,角膜,脈絡(luò)膜,虹膜,*虹膜是脈絡(luò)膜的最前端部分，含有色素細(xì)胞，決定眼的顏色；,瞳孔,*瞳孔是虹膜中間的小孔，隨著外界明亮程度的不同，虹膜肌肉能使瞳孔的直徑在28mm范圍內(nèi)變化；它是人眼的孔徑光闌。,人眼的構(gòu)造剖視圖,鞏膜,角膜,細(xì)胞，錐狀細(xì)胞直徑約5微米，長(zhǎng)約35微米；桿狀細(xì)胞直徑約2微米,脈絡(luò)膜,，長(zhǎng)約60微米。它們?cè)诰W(wǎng)膜上的

5、分布式不均勻的。,虹膜,瞳孔,視網(wǎng)膜,*網(wǎng)膜是眼球的第三層膜，上面布滿著感光元素，即錐狀細(xì)胞和桿狀,黃斑中心凹,人眼的構(gòu)造剖視圖,鞏膜,角膜,光,脈絡(luò)膜,盲斑是網(wǎng)膜上沒(méi)有感光元素的地方，不能引起光刺激。,虹膜,瞳孔,黃斑中心凹是人眼視覺(jué)最靈敏的地方。,視神經(jīng)細(xì)胞,晶狀體在虹膜后面，是由兩個(gè)不同曲率的面組成的透明體，,黃斑中心凹,神經(jīng)纖維,盲斑,大腦,盲斑,視網(wǎng)膜,水晶體,人眼的構(gòu)造剖視圖,鞏膜,角膜,率都是不均勻的，由里層到外層逐漸減少，有利于提高,脈絡(luò)膜,成像質(zhì)量。水晶體的平均折射率為1.40，其周?chē)敲珷罴?虹膜,瞳孔,似雙凸透鏡，是眼睛光學(xué)系統(tǒng)的成像元件，其密度和折射,能改變水晶體的表面

6、曲率，使人眼在看遠(yuǎn)近不同的物體時(shí)，,黃斑中心凹,盲斑,水晶體,視網(wǎng)膜,人眼的構(gòu)造剖視圖,鞏膜,角膜,角膜和晶狀體之間的空間稱(chēng)為前室；充滿1.336的水狀液；,脈絡(luò)膜,晶狀體和網(wǎng)膜所包圍的空間稱(chēng)為后室;充滿1.336的玻狀體,虹膜,瞳孔,總能將像成在網(wǎng)膜上。,黃斑中心凹,盲斑,前室,后室,視網(wǎng)膜,水晶體,人眼的構(gòu)造剖視圖,鞏膜,角膜,脈絡(luò)膜,眼睛的像方節(jié)點(diǎn)與中心凹的連線為眼睛的視軸, 在觀察物,虹膜,瞳孔,體時(shí)眼睛本能地把物體瞄準(zhǔn)在這根軸上。,黃斑中心凹,盲斑,前室,后室,1.376,1.336,1.336,光軸,視軸,視網(wǎng)膜,水晶體,眼睛的視場(chǎng)很大，可達(dá)150，但只有黃斑附近才能清晰識(shí)別，其他

7、部分比較模糊， 所以能看清物體的角度范圍為6 8。,從光學(xué)角度看，眼睛中最主要的是： 水晶體、視網(wǎng)膜和瞳孔。,正立的人在底片上成倒像，人眼也是成倒像,但我們感覺(jué)為什么還是正立的？,人眼本身相當(dāng)于攝影光學(xué)系統(tǒng),靜態(tài)簡(jiǎn)約眼 人眼的光學(xué)參數(shù) 介質(zhì)折射率：n=1.3333 折射面半徑：r1=5.77mm 物方焦距：f -17mm 像方焦距：f 23mm 光焦度：D=58.48(1/m) 網(wǎng)膜半徑：r2=9.7mm 眼睛的物方和像方焦距不相等,人眼的成像特點(diǎn),人眼是一個(gè)類(lèi)似的攝影系統(tǒng)，角膜相當(dāng)于一個(gè)凸凹鏡，前室亦如此，水晶體相當(dāng)于一個(gè)雙凸鏡。 物點(diǎn)在視網(wǎng)膜上形成一個(gè)倒立的實(shí)像，但這一倒像的感覺(jué)經(jīng)神經(jīng)系統(tǒng)

8、的作用，給人以正像的視覺(jué)。 眼睛的物方和像方焦距不相等。 f=-17.1mm , f=22.8mm 在調(diào)焦范圍內(nèi)， -f=14.217.1mm ，f=18.922.8mm,二、眼睛的調(diào)節(jié)及校正,1眼睛的調(diào)節(jié),眼睛自動(dòng)改變焦距的過(guò)程稱(chēng)為眼睛的調(diào)節(jié)。眼睛的調(diào)節(jié)能力表示為能清晰調(diào)焦的極限距離范圍； f的變化范圍是18mm23mm,當(dāng)肌肉完全放松時(shí)（通過(guò)調(diào)節(jié)），眼睛所能看清的最遠(yuǎn)的點(diǎn)稱(chēng)為遠(yuǎn)點(diǎn)，其相應(yīng)的距離稱(chēng)為遠(yuǎn)點(diǎn)距，以 r 表示（米）,當(dāng)肌肉在最緊張時(shí)（通過(guò)調(diào)節(jié)），眼睛所能看清的最近的點(diǎn)稱(chēng)為近點(diǎn)，其相應(yīng)的距離稱(chēng)為近點(diǎn)距，以 p 表示（米）,正常眼睛的遠(yuǎn)點(diǎn)距為無(wú)限遠(yuǎn)，非正常眼睛（遠(yuǎn)視或近視）的遠(yuǎn)點(diǎn)距為一

9、有限值。,注:近點(diǎn)距離并不是明視距離 250mm,明視距離-清晰成像的極限距離：在閱讀時(shí)，或眼睛通過(guò)目視光學(xué)儀器觀測(cè)物像時(shí)，為了工作舒適，習(xí)慣上把物或像置于眼前250mm處，稱(chēng)作明視距離。,人眼的調(diào)節(jié)能力是用遠(yuǎn)點(diǎn)距r的倒數(shù)和近點(diǎn)距p的倒數(shù)之差來(lái)描述，用A來(lái)表示，即,單位為折光度（或稱(chēng)屈光度）,1/r遠(yuǎn)點(diǎn)視度 1/p近點(diǎn)視度,2、眼睛的缺陷和矯正,正常眼在肌肉完全放松的自然狀態(tài)下，能夠看清楚無(wú)限遠(yuǎn)處的物體，即遠(yuǎn)點(diǎn)應(yīng)在無(wú)限遠(yuǎn)（R = 0）， 像方焦點(diǎn)正好和視網(wǎng)膜重合,F,若不符合這一條件就是 非正常眼，或稱(chēng)視力不正常,最常見(jiàn)的有近視眼和遠(yuǎn)視眼,所謂近視眼就是其遠(yuǎn)點(diǎn)在眼睛前方有限距離處（r 0）,對(duì)

10、應(yīng)著負(fù)視度，配上 適當(dāng)?shù)呢?fù)光焦度眼鏡后，即可使無(wú)限遠(yuǎn)物 體成像于眼睛的遠(yuǎn)點(diǎn)上，然后再經(jīng)眼睛成 像于網(wǎng)膜上，因而眼 鏡矯正了眼睛的缺陷。,近視眼：遠(yuǎn)點(diǎn)位于眼前有限距離，眼球突起，焦點(diǎn)在視網(wǎng)膜前負(fù)透鏡,所謂遠(yuǎn)視眼就是其遠(yuǎn)點(diǎn)在眼睛之后（r 0），,這是由于眼球偏短，像方焦點(diǎn)位于視網(wǎng)膜的之后所致。因此，射入眼睛的光束只有是會(huì)聚時(shí)，才能正好聚焦在視網(wǎng)膜上。,對(duì)應(yīng)著正視度，需以正透鏡來(lái)使其遠(yuǎn)點(diǎn)恢復(fù)到無(wú)限遠(yuǎn)。,遠(yuǎn)視眼：遠(yuǎn)點(diǎn)位于眼后有限距離，眼球扁平，焦點(diǎn)在視網(wǎng)膜后正透鏡,校正方法,視度： 遠(yuǎn)點(diǎn)距離lr（單位為m）的倒數(shù)表示近視眼或遠(yuǎn)視眼的程度，稱(chēng)為視度，單位為折光度（或屈光度）。通常醫(yī)院和眼鏡店把一折光度稱(chēng)

11、作100度。,近視眼或遠(yuǎn)視眼的遠(yuǎn)點(diǎn)視度可通過(guò)儀器來(lái)測(cè)得，知道此值后即可求得所需眼鏡的焦距。,例如：有一近視眼，通過(guò)驗(yàn)光得知其遠(yuǎn)點(diǎn)視度為-2個(gè)屈光度（眼鏡行業(yè)稱(chēng)近視200度）,則其遠(yuǎn)點(diǎn)距r = - 0.5 m，,需配焦距為-500mm的近視眼鏡。,缺陷：,近視眼和遠(yuǎn)視眼（先天、后天） 斜視（光楔） 散光（水晶體曲率半徑不等，柱面鏡，） 老花眼屬自然生理現(xiàn)象，不是缺陷,3、目視光學(xué)儀器視度調(diào)節(jié),人眼的視覺(jué)缺陷可以在眼前加以透鏡可以矯正 目視光學(xué)儀器要適應(yīng)不同視力的人使用 為此，目鏡可以改變其前后的位置，使儀器所成的像不再位于無(wú)限遠(yuǎn)，而位于目鏡的前方或后方一定的位置 這就是目視光學(xué)儀器的視度調(diào)節(jié),物

12、鏡,目鏡,正常眼,近視眼,遠(yuǎn)視眼,F眼,F眼,F眼,四眼睛的輻射接收器（適應(yīng)特性）,人眼還能在不同亮暗程度的條件下工作。,這就是人眼的另一個(gè)特性，具有對(duì)周?chē)臻g光亮情況適應(yīng)的過(guò)程 稱(chēng)為適應(yīng),適應(yīng)是一種當(dāng)周?chē)彰鳁l件發(fā)生變化是眼睛所產(chǎn)生的變態(tài)過(guò)程，可分為對(duì)暗適應(yīng)和對(duì)光適應(yīng)兩種，前者發(fā)生在光亮處到黑暗處的時(shí)候，后者發(fā)生在自黑暗處到光亮處的時(shí)候。,人眼的適應(yīng),適應(yīng)：眼睛對(duì)周?chē)臻g光亮情況的自動(dòng)適應(yīng)程度。 明適應(yīng)：由暗處進(jìn)入亮處，瞳孔自動(dòng)縮??；快 暗適應(yīng)：由亮處進(jìn)入暗處，瞳孔自動(dòng)放大。慢,10,12,：,1,10,12,：,10,12,12,12,10,12,輻射接收器視網(wǎng)膜,視網(wǎng)膜：由錐狀細(xì)胞和桿狀

13、細(xì)胞組成，兩種細(xì)胞各有不同的任務(wù)； 桿狀細(xì)胞：對(duì)光刺激極敏感，但完全不感色； 明視覺(jué)、弱照明 錐狀細(xì)胞：感光能力差，但它們能對(duì)各色光有不同的感受。 暗（色）視覺(jué)、亮照明,錐狀細(xì)胞:色視覺(jué),桿狀細(xì)胞:光視覺(jué),五、眼睛的分辨率（分辨本領(lǐng)）,眼的分辨能力：眼能夠分辨最靠近兩相鄰點(diǎn)的能力稱(chēng)為眼的分辨能力，或視覺(jué)敏銳度。指的是成像在中央凹區(qū)時(shí)的分辨能力。,人眼的分辨率一般用極限分辨角來(lái)表示。,人眼的分辨率是眼睛的重要光學(xué)特性，同時(shí)也是目視光學(xué)儀器設(shè)計(jì)的重要依據(jù)之一。 用其它觀測(cè)設(shè)備（如照相機(jī)、CCD等）替代人眼時(shí)也可據(jù)此作為參考。,人眼剛能將兩點(diǎn)分開(kāi)的視角稱(chēng)為眼睛的極限分辨角,人眼分辨率與極限分辨角成反

14、比關(guān)系,眼睛在看物空間兩點(diǎn)時(shí)，這兩點(diǎn)對(duì)眼睛物方節(jié)點(diǎn)的張角成為兩點(diǎn)間的角距離或稱(chēng)為視角,從人眼的視網(wǎng)膜結(jié)構(gòu)上來(lái)分析：,如果這兩點(diǎn)的像分別落在被分隔開(kāi)的兩個(gè)視網(wǎng)膜細(xì)胞上，即得到兩個(gè)點(diǎn)的視覺(jué),由此可見(jiàn)，眼睛的分辨率與視網(wǎng)膜上兩像點(diǎn)距離及視覺(jué)細(xì)胞的直徑大小有關(guān),當(dāng)兩像點(diǎn)的間距大于（或等于）視覺(jué)細(xì)胞的直徑時(shí)，就認(rèn)為眼睛可以分辨。,人眼的極限分辨角可表示為,（rad）,眼睛的分辨率（分辨本領(lǐng)）,眼能夠分辨兩個(gè)像點(diǎn)間的最小距離=兩視覺(jué)神經(jīng)細(xì)胞的直徑（瑞利判據(jù)） 在眼睛沒(méi)有調(diào)節(jié)的松弛狀態(tài)下，f 23mm，可得最小分辨角60（視角鑒別率） 60。 視角：物體對(duì)人眼的張角稱(chēng)作視角。（對(duì)物方節(jié)點(diǎn)的張角） 視角敏銳度

15、1/ 光學(xué)系統(tǒng)的放大率與的關(guān)系 系統(tǒng).系統(tǒng)=人眼,眼睛雖具有發(fā)現(xiàn)一個(gè)平面上兩根平行直線的不重合能力，但也有一定的限度 這個(gè)不重合限度的極限值稱(chēng)為人眼的瞄準(zhǔn)精度。,人眼的瞄準(zhǔn)精度一般用角度值來(lái)表示,六、眼睛的對(duì)準(zhǔn)精度,即兩線寬的幾何中心線對(duì)人眼的張角小于某一角度值時(shí)，雖然還存在著不重合，但眼睛已經(jīng)認(rèn)為是完全重合的，這時(shí)角度值即為人眼瞄準(zhǔn)精度。,人眼對(duì)于線條的變形或兩條線錯(cuò)開(kāi)造成的外形變化或比較兩條線寬的變化具有很高的靈敏度。 人眼通過(guò)兩物的比較發(fā)現(xiàn)它們外形變化的能力比分辨它們要強(qiáng)得多。,瞄準(zhǔn)精度和分辨率是兩個(gè)概念。,又有一定的聯(lián)系，經(jīng)驗(yàn)證明，人眼的最高瞄準(zhǔn)精度約為分辨率的1/6至1/10。,1、

16、兩實(shí)線瞄準(zhǔn) 60,2、兩實(shí)線端部瞄準(zhǔn)1020 ,3、雙線平分或?qū)ΨQ(chēng)瞄準(zhǔn)510,4、虛線壓測(cè)件輪廓邊緣2030,眼睛在觀察物體時(shí)，除了一般的物體特征外，還能夠產(chǎn)生遠(yuǎn)近的感覺(jué)，被稱(chēng)為“空間深度感覺(jué)” 單眼或雙眼都能產(chǎn)生這種感覺(jué) 單眼深度感覺(jué)來(lái)源： 1）物體高度已知，它所對(duì)應(yīng)的視角大小來(lái)判斷其遠(yuǎn)近 2）物體之間的遮蔽關(guān)系和陽(yáng)光的陰影來(lái)判斷它們相對(duì)位置 3）對(duì)物體細(xì)節(jié)的鑒別程度和空氣的透明度所產(chǎn)生的深度感覺(jué) 4）眼睛的調(diào)節(jié)程度來(lái)判斷物體的遠(yuǎn)近。,七 空間深度感覺(jué)和雙眼立體視覺(jué),雙眼觀察的深度感覺(jué)除上述因素外： 5）物體的距離越近，視軸之間的夾角越大，這種感覺(jué)使眼球發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)的肌肉緊張程度就不同，據(jù)此就能

17、判斷物體的遠(yuǎn)近； 6）雙眼立體視覺(jué)（簡(jiǎn)稱(chēng)體視） 稱(chēng)為“視差角”,其極限值 稱(chēng)為“體視銳度”,當(dāng)A、B兩點(diǎn)距離不等時(shí)， 或 產(chǎn)生了遠(yuǎn)近的感覺(jué) 被稱(chēng)為雙眼立體視覺(jué),約為10”，有可能達(dá)到5”或3”,7-2 放大鏡,物體對(duì)眼睛的視角，不僅取決于物體的大小，還取決于該物體到眼睛的距離，距離越近視角越大,在近處觀察細(xì)小物體其視角小于人眼極限分辨角,就需要借助放大鏡或顯微鏡將其放大，使像的視角大于人眼的極限分辨角 擴(kuò)大視角是目視光學(xué)儀器的第一個(gè)要求,人眼在觀察物體時(shí)完全放松的自然狀態(tài)，即無(wú)限遠(yuǎn)目標(biāo)成像到視網(wǎng)膜上.在利用儀器觀察時(shí)，目標(biāo)通過(guò)儀器后應(yīng)成像在無(wú)限遠(yuǎn)處，即要求儀器出射平行光束 對(duì)目視光學(xué)儀器的第二

18、個(gè)要求,7.2放大鏡,單個(gè)正透鏡（f0），與物的位置有關(guān) 一、視覺(jué)放大率 1、目視光學(xué)儀器的基本工作原理（基本設(shè)計(jì)要求）： 物體通過(guò)儀器，其像對(duì)人眼的張角大于人眼直接觀察物體時(shí)對(duì)人眼的張角。,因?yàn)檠劬νㄟ^(guò)放大鏡或顯微鏡等目視光學(xué)儀器來(lái)觀察物體時(shí)，所看到的是在眼睛視網(wǎng)膜上的物體像的大小。,放大鏡的放大率應(yīng)為：,通過(guò)放大鏡觀察物體時(shí)，物體像的視角正切與人眼直接觀察該物體時(shí)的視角正切之比。,這種放大率稱(chēng)為視角放大率。 用字母 表示,放大鏡的放大率,與眼睛一起使用的目視光學(xué)儀器，其放大作用不能由橫向放大率來(lái)表征。,2、視覺(jué)放大作用,2）、明視距離 正常視力的眼睛一般把像調(diào)焦在明視距離D，則P-l D，

19、此時(shí)， 這個(gè)公式適于小放大倍率（長(zhǎng)焦距）的放大鏡，即看書(shū)用的放大鏡。若眼睛緊靠著放大鏡，即P0，則有式(7-16) 3）倍率范圍：2.5X25X,1）、光學(xué)常數(shù) 當(dāng)眼睛調(diào)焦在無(wú)限遠(yuǎn)，即l時(shí)，物體放在放大鏡的前焦點(diǎn)上，則有 D/f 250/f ,物體經(jīng)放大鏡成像的簡(jiǎn)圖,虛像AB 對(duì)眼睛所張的視角的正切為,眼睛直接去觀察物體時(shí)，是將其放在明視距離250mm處。此時(shí)物體對(duì)人眼張角的正切為,放大鏡的放大率，除了和其焦距有關(guān)之外，還和眼睛離開(kāi)放大鏡的距離有關(guān),在實(shí)際使用過(guò)程中，眼瞳大致位于放大鏡的像方焦點(diǎn)的附近,經(jīng)放大鏡后,成一個(gè)正立放大的虛像,放大鏡放大率的公式，通常采用以下形式,二、光束限制和線視場(chǎng)

20、,孔徑光闌眼瞳（放大鏡+眼睛=目視光學(xué)儀器） 視場(chǎng)光闌放大鏡框 漸暈光闌放大鏡框 漸暈與視場(chǎng)角： 由圖可知，當(dāng)漸暈系數(shù)K100%，50%和0時(shí)，像方視場(chǎng)角分別為 tg1(h-a)/P tgh/P tg2(h+a)/P,二、光束限制和線視場(chǎng),線視場(chǎng),k值為50% 用2y來(lái)表述視場(chǎng)角： 線視場(chǎng)：,結(jié)論：放大鏡倍率越大，其線視場(chǎng)越小。 與漸暈系數(shù)有關(guān),7-3 顯微鏡的工作原理,對(duì)于工作在可見(jiàn)光波長(zhǎng)范圍的光學(xué)顯微鏡,按用途區(qū)分，使用量較大的有三種：,工具顯微鏡（主要應(yīng)用于精密機(jī)構(gòu)制造工業(yè)等方面進(jìn)行精密測(cè)量）；,生物顯微鏡（主要應(yīng)用于生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、農(nóng)學(xué)等方面）；,金相顯微鏡（主要應(yīng)用于冶金和機(jī)械制造工業(yè)

21、，觀察研究金相組織結(jié)構(gòu)）。,顯微鏡是人眼的輔助工具，顯微鏡的光學(xué)系統(tǒng)由物鏡和目鏡兩個(gè)部分組成。,一、顯微鏡像原理及其視覺(jué)放大率,1、成像原理,1）系統(tǒng)組成：成像系統(tǒng)（物鏡+目鏡+眼睛）+ 照明系統(tǒng) 2）物鏡的像平面在目鏡的焦平面以?xún)?nèi)或重合（此處設(shè)置視闌） 3）光學(xué)筒長(zhǎng)=F1F2機(jī)械筒長(zhǎng)共軛距（國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)）,顯微鏡系統(tǒng)成像原理,顯微鏡和放大鏡起著同樣的作用,物鏡,目鏡,F1,F1,F2,B,A,A,B,A”,B”,AB 位于目鏡的物方焦點(diǎn) F2 上或在很靠近 F2 的位置上,此像在經(jīng)目鏡放大為虛像A”B” 后供眼睛觀察。這說(shuō)明目鏡與放大鏡的作用一樣。,2、視覺(jué)放大率,1）總放大率,2）組合放大鏡

22、3）極限倍率：100*15=1500,經(jīng)過(guò)物鏡和目鏡的兩次放大，所以顯微鏡系統(tǒng)總的放大率應(yīng)該是物鏡橫向放大率和目鏡放大率e的乘積。,物體被物鏡成的像A B 位于目鏡的物方焦點(diǎn)上或附近，此像相對(duì)于物鏡像方焦點(diǎn)的距離為（物鏡和目鏡的光學(xué)間隔），在顯微鏡系統(tǒng)中稱(chēng)為光學(xué)筒長(zhǎng),設(shè)物鏡的焦距為f1, 則物鏡的放大率為,物鏡的像被目鏡放大，其放大率為,式中： f2 為目鏡的焦距。由此，顯微鏡系統(tǒng)的總放大率為,可見(jiàn)顯微鏡系統(tǒng)的放大率與光學(xué)筒長(zhǎng)成正比，和物鏡及目鏡的焦距成反比。,式中有負(fù)號(hào)，即當(dāng)顯微鏡系統(tǒng)具有正物鏡和正目鏡時(shí)（常用這種結(jié)構(gòu)），則整個(gè)顯微鏡系統(tǒng)給出倒像。,根據(jù)組合光組的焦距公式可知，整個(gè)顯微鏡的總

23、焦距f 和物鏡及目鏡焦距之間符合以下關(guān)系：,將其代入上式中，則有,它與放大鏡公式具有完全相同的形式。顯微鏡系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上就是一個(gè)復(fù)雜化了的放大鏡,顯微鏡物鏡物平面到像平面的距離稱(chēng)為共軛距,在顯微鏡中，取下顯微物鏡和目鏡后，所剩下的鏡筒長(zhǎng)度即 物鏡支撐面到目鏡支撐面之間的距離稱(chēng)為機(jī)械筒長(zhǎng)，用tm表示。,對(duì)于一臺(tái)顯微鏡來(lái)說(shuō)，機(jī)械筒長(zhǎng)是固定的機(jī)械筒長(zhǎng)各國(guó)標(biāo)準(zhǔn)是不同的，有160mm，170mm和190mm 等。 我國(guó)規(guī)定機(jī)械筒長(zhǎng)為160mm。,物平面光學(xué)系統(tǒng)第一個(gè)物鏡的球面頂點(diǎn)的距離稱(chēng)為“工作距”,顯微鏡設(shè)計(jì)中的規(guī)定參數(shù)：,共軛距：顯微鏡物鏡從物平面到像平面的距離。（大約等于180mm） 機(jī)械筒長(zhǎng)：把顯微

24、鏡的物鏡和目鏡取下后，所剩的鏡筒長(zhǎng)度。（我國(guó)規(guī)定為160mm） 常用的物鏡倍率：4x、 10 x、 40 x和100 x 常用的目鏡倍率：5x、10 x和15x,二、光束限制與景深,1、光闌的設(shè)置 1）孔闌 觀察用 低倍：物鏡框（入瞳），出瞳位于眼瞳處 高倍：最后一組透鏡框 測(cè)量用 在物鏡像方焦平面上，形成物方遠(yuǎn)心光路。 2）視闌：均設(shè)置在物鏡像平面處(分化板) 入窗在物平面上，出窗在最后像平面上 3）漸暈 觀察用：2 測(cè)量用：0 4）一般沒(méi)有消雜光光闌,二、光束限制與景深,2、線視場(chǎng) 線視場(chǎng)與視覺(jué)放大率的關(guān)系：在選定目鏡后，顯微鏡的視覺(jué)放大率越大，線視場(chǎng)越小 3、出瞳直徑 出瞳直徑D：D50

25、0NA/（小于眼瞳） 顯微鏡的數(shù)值孔徑：NAnsinu，與配合選用的重要光學(xué)參數(shù) 4、景深 定義：人眼通過(guò)顯微鏡調(diào)焦在某一平面（對(duì)準(zhǔn)平面）上時(shí)，在對(duì)準(zhǔn)平面前和后一定范圍內(nèi)物體也能清晰成像，能清晰成像的遠(yuǎn)、近物平面之間的距離稱(chēng)作顯微鏡的景深。,三、顯微鏡的分辨率和有效放大率,1、受孔闌衍射效應(yīng)的影響（點(diǎn)斑） 2、瑞利判斷比道威判斷保守，由此給出理想分辨率 顯微鏡的分辨率：以能分辨的物方兩點(diǎn)間最短距離來(lái)表示 0.85a/0.5/NA 兩者關(guān)系：瑞利分辨率標(biāo)準(zhǔn)是比較保守的，因此通常以道威判斷給出的分辨率值作為光學(xué)系統(tǒng)的目視衍射分辨率，或稱(chēng)作理想分辨率。 附： 自發(fā)光：0.61/NA； 光源照明：/N

26、A； 斜照明：0.5/NA,三、顯微鏡的分辨率和有效放大率,3、有效放大率： 概念：滿足下式的視覺(jué)放大率 500NA1000NA 依據(jù)：眼睛容易分辨而不易疲勞24 偽分辨超過(guò)上限（無(wú)效放大，虛放大） 4、越小，顯微物鏡的質(zhì)量越好，影響因素有 1）NAnsinu 油浸物鏡提高n 2）波長(zhǎng) 3）不能無(wú)限制的提高分辨率 5、參數(shù)標(biāo)注意義： 170mm/0.17；40/0.65,當(dāng)兩個(gè)獨(dú)立的光強(qiáng)度相等的發(fā)光點(diǎn)逐漸靠近時(shí)，其在系統(tǒng)像面上的愛(ài)里斑也逐漸靠近，并開(kāi)始有重疊的部分。,這就引出光學(xué)系統(tǒng)對(duì)相鄰兩物點(diǎn)的分辨問(wèn)題。,光學(xué)儀器的分辨率,當(dāng)相鄰兩點(diǎn)的間隔，正好使一個(gè)衍射圖樣中的愛(ài)里斑中心和另一個(gè)圖樣的第一

27、暗環(huán)重合時(shí)，兩個(gè)衍射圖樣的光強(qiáng)分布曲線相加而得到的合成光強(qiáng)分布曲線，兩個(gè)極大值之間存在的一個(gè)極小值，能量約為極大值的80%。,1,0.8,r暗1,瑞利指出：這種合成的衍射圖樣還是可以看出是由兩個(gè)發(fā)光點(diǎn)構(gòu)成的。,1,0.8,r暗1,從圖中可看出，兩個(gè)愛(ài)里斑的中心距正好是愛(ài)里斑的半徑。,瑞利就以愛(ài)里斑半徑或衍射圖樣的第一暗環(huán)半徑（r暗1）作為 光學(xué)系統(tǒng)能對(duì)無(wú)限遠(yuǎn)兩點(diǎn)的像分辨得開(kāi)的最小距離稱(chēng)之為瑞利判據(jù)；,按此判據(jù)，即可確定光學(xué)系統(tǒng)的分辨本領(lǐng)。,按照夫瑯和費(fèi)衍射理論，無(wú)限遠(yuǎn)的發(fā)光點(diǎn)在望遠(yuǎn)系統(tǒng)焦平面上所形成的衍射圖樣，其第一暗環(huán)的半徑（即愛(ài)里斑半徑）可表示為,式中，波長(zhǎng)，D入射光瞳直徑。,顯微系統(tǒng)的分辨率是以剛能分辨的兩物點(diǎn)之間的距離來(lái)表示的，稱(chēng)為最小分辨距。,孔徑光闌（出瞳）,P1,P2,z,-Umax,1,Umax,A,-,上述公式是從無(wú)窮遠(yuǎn)物點(diǎn)的衍射而得的。,原則上顯微系統(tǒng)并不滿足這一條件。,注意到物鏡的像距要比它的出瞳直徑大得多。,像方光束接近于平行光束，公式,還是可以應(yīng)用于顯微物鏡的。,D P1P2,以1表示像面上能分辨的兩點(diǎn)對(duì)出瞳中心的張角，可得,相應(yīng)地,因Umax角一般很小，所以,由于顯微物鏡滿足正弦條件，即有,式中，n像方介質(zhì)的折射率，總是空氣，n=1，而是在物空間與共軛的線量,式中， 即為前面所提的顯微物鏡的數(shù)值孔徑（NA）,它就