工程光學(xué)4課件

第四章典型成像光學(xué)系統(tǒng)一個光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計大致分為兩個步驟：(如光學(xué)性能、外形、重量及有關(guān)技術(shù)條件)擬定光學(xué)系統(tǒng)原理圖，并確定系統(tǒng)中各透鏡組的焦距，各光學(xué)部件和零件的尺寸，相互間的間隔等，稱為初步設(shè)計，亦即外形尺寸計算。第二步，進(jìn)行像差設(shè)計，通過大量的光線追跡和人工或利用程序?qū)Y(jié)構(gòu)參數(shù)的修改確定保證成像質(zhì)量優(yōu)良的各種透鏡的半徑r、厚度和間隔d以及透鏡的材料等。本章學(xué)習(xí)目的：通過解剖典型光學(xué)系統(tǒng)，初步具備設(shè)計光學(xué)系統(tǒng)的能力很久以前，人們就利用透鏡、反射鏡和棱鏡等制成各種儀器來達(dá)到一定的成像要求。（1）幫助人眼觀察近處微小的物體——顯微鏡（2）幫助人眼觀察遠(yuǎn)處的物體——望遠(yuǎn)鏡（3）為了在屏上得到一個放大或縮小的像——投影儀和照相機。（4）有些物體本身不發(fā)光，為了能清晰地觀察，必須研究照明系統(tǒng)。顯微鏡、望遠(yuǎn)鏡、放大鏡等光學(xué)系統(tǒng)是直接擴大人眼的視覺能力的，稱為目視光學(xué)系統(tǒng)

4.1眼睛4.1.1眼睛的結(jié)構(gòu)——成像光學(xué)系統(tǒng)

人眼本身相當(dāng)于攝影光學(xué)系統(tǒng)

在角膜和視網(wǎng)膜之間的生物構(gòu)造均可以看作成像元件。人眼是與目視光學(xué)系統(tǒng)配合使用的，所以眼睛應(yīng)該看成是整個光學(xué)系統(tǒng)的一個部分。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、堅硬；角膜*角膜是鞏膜的最前端部分，無色而透明；脈絡(luò)膜*脈絡(luò)膜是眼球的第二層膜，上面有供給眼睛營養(yǎng)的網(wǎng)狀微血管；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，隨外界明亮程度的不同，虹膜肌肉能使瞳孔的直徑在2~8mm范圍內(nèi)變化；是人眼的孔徑光闌。網(wǎng)膜黃斑中心凹盲斑晶狀體前室后室視軸1.3761.3361.336

光

盲斑是網(wǎng)膜上沒有感光元素的地方，不能引起光刺激。黃斑中心凹是人眼視覺最靈敏的地方。視神經(jīng)細(xì)胞晶狀體（水晶體）在虹膜后面，是由兩個不同曲率的面組成的透明體，似雙凸透鏡，是眼睛光學(xué)系統(tǒng)的成像元件，其密度和折射率都是不均勻的，由里層到外層逐漸減少，有利于提高成像質(zhì)量。晶狀體的平均折射率為1.40，其周圍是毛狀肌能改變晶狀體的表面曲率，使人眼在看遠(yuǎn)近不同的物體時，總能將像成在網(wǎng)膜上。神經(jīng)纖維盲斑大腦

*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（形）和桿狀細(xì)胞（色）。它們在網(wǎng)膜上的分布是不均勻的。在黃斑中心凹處是錐狀細(xì)胞的密集區(qū)而沒有桿狀細(xì)胞，由中心向外，逐漸相對變化；

晶狀體和網(wǎng)膜所包圍的空間稱為后室;充滿1.336的玻狀體眼睛的像方節(jié)點與中心凹的連線為眼睛的視軸,在觀察物體時眼睛本能地把物體瞄準(zhǔn)在這根軸上。

眼睛的視場很大，可達(dá)150?，但只有黃斑附近才能清晰識別，其他部分比較模糊，所以能看清物體的角度范圍為6～8?。

角膜和晶狀體之間的空間稱為前室；充滿1.336的水狀液；4.1.2眼睛的調(diào)節(jié)能力要想看清遠(yuǎn)近不同的物體，人眼就要自動地調(diào)節(jié)眼睛中水晶體的焦距，使像落在視網(wǎng)膜上。眼睛自動改變焦距的過程稱為眼睛的調(diào)節(jié)。當(dāng)肌肉完全放松時（通過調(diào)節(jié)），眼睛所能看清的最遠(yuǎn)的點稱為遠(yuǎn)點，其相應(yīng)的距離稱為遠(yuǎn)點距，以r表示（米）

當(dāng)肌肉在最緊張時（通過調(diào)節(jié)），眼睛所能看清的最近的點稱為近點，其相應(yīng)的距離稱為近點距，以p表示（米）正常眼睛的遠(yuǎn)點距為負(fù)的無限遠(yuǎn)。非正常眼睛（遠(yuǎn)視或近視）的遠(yuǎn)點距為一正/負(fù)的有限值。

調(diào)節(jié)能力隨年齡增大而減少年齡1020304050607080p(cm)-7-10-14-22-40-20010040r(cm)-∞-∞-∞-∞-∞2008040(D)141074.52.510.250人眼的調(diào)節(jié)能力隨年齡的增加而變化。隨著年齡的增大，近點位置往遠(yuǎn)移，遠(yuǎn)點位置往近移，因而調(diào)節(jié)范圍減少。所謂遠(yuǎn)視眼就是其遠(yuǎn)點在眼睛之后（r>0），這是由于眼球偏短，像方焦點位于視網(wǎng)膜之后所致。因此，射入眼睛的光束只有是會聚時，才能正好聚焦在視網(wǎng)膜上。對應(yīng)著正視度，需以正透鏡來使其遠(yuǎn)點恢復(fù)到無限遠(yuǎn)。散光眼：由于水晶體或角膜表面的不對稱，散光眼的光焦度在不同方向上不同，造成物點發(fā)出的光束經(jīng)眼睛不能相交于一點。散光眼需用柱面透鏡矯正。4.1.4眼睛對光強變化的適應(yīng)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特性，具有對周圍空間光亮情況適應(yīng)的過程稱為適應(yīng)（即為瞳孔的調(diào)節(jié)）。眼睛的虹膜可以自動改變瞳孔的大小，以控制眼睛的進(jìn)光量（2mm~8mm)。在設(shè)計目視光學(xué)儀器時要充分考慮與眼瞳大小的配合。適應(yīng)是一種當(dāng)周圍照明條件發(fā)生變化時眼睛所產(chǎn)生的狀態(tài)變化過程，可分為對暗適應(yīng)和對亮適應(yīng)兩種，前者發(fā)生在光亮處到黑暗處的時候，后者發(fā)生在自黑暗處到光亮處的時候。4.1.5眼睛的分辨率和瞄準(zhǔn)精度眼睛能分辨出兩個非常近的點的能力稱為眼睛的分辨率（分辨本領(lǐng)）人眼的分辨率是眼睛的重要光學(xué)特性，同時也是目視光學(xué)儀器設(shè)計的重要依據(jù)之一。人眼剛能將兩點分開的視角稱為眼睛的極限分辨角眼睛在看物空間兩點時，這兩點對眼睛物方節(jié)點的張角稱為兩點間的角距離或稱為視角在良好的照明條件下，一般認(rèn)為人眼的極限分辨角為1′。眼睛發(fā)現(xiàn)一個平面上兩根平行直線不重合能力的限度稱為人眼的瞄準(zhǔn)精度。人眼的瞄準(zhǔn)精度一般用角度值來表示，即兩線寬的幾何中心線對人眼的張角小于某一角度值α?xí)r，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α角度值即為人眼瞄準(zhǔn)精度。瞄準(zhǔn)精度瞄準(zhǔn)精度和分辨率是兩個概念。又有一定的聯(lián)系，ε=Kα經(jīng)驗證明，人眼的最高瞄準(zhǔn)精度約為極限分辨角的1/6至1/10。4.1.6目視光學(xué)儀器視度調(diào)節(jié)人眼的視覺缺陷可以在眼前加以透鏡矯正目視光學(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)N≤5m-1設(shè)觀察者視力調(diào)節(jié)為N視度，則目鏡軸向移動距離為：物鏡目鏡正常眼近視眼遠(yuǎn)視眼F眼’F眼’F眼’BAαBαAa2b2a1b1雙眼立體視覺（簡稱體視）α稱為“視差角”Aαa2a1lb其極限值稱為“體視銳度”當(dāng)A、B兩點距離不等時，或產(chǎn)生了遠(yuǎn)近的感覺被稱為雙眼立體視覺ABαAαBb2a2a1b1lbABαAαBb2a2a1b1約為10”，有可能達(dá)到5”或3”立體視差雙眼觀察儀器利用儀器觀察物體時，必須采用雙眼儀器來保持人眼的體視能力，這種儀器稱為體視儀器，如“雙眼望遠(yuǎn)鏡”和“雙眼顯微鏡”利用體視儀器可以提高人眼的體視能力雙眼儀器的體視放大率人眼直接觀察時的視角差α眼為BAαBαAαA-αB假設(shè)雙眼望遠(yuǎn)鏡的二個入射光軸之間為距離B,稱為該儀器的基線長，則同一物體對儀器的二入射瞳孔所構(gòu)成的視角差α為若系統(tǒng)的視覺放大率為Г，則物方視角差α和像方視角差α’存在以下關(guān)系

4.2目視光學(xué)系統(tǒng)物體對眼睛的視角，不僅取決于物體的大小，還取決于該物體到眼睛的距離，距離越近視角越大若在近點處觀察細(xì)小物體其視角仍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

—擴大視角是目視光學(xué)儀器的作用。

y'yABA'B'FF'ω’P'-ff’-x’a’眼睛直接觀察物體時，是將其放在明視距離250mm處。此時物體對人眼張角的正切為-l’P’二、放大鏡的工作原理y'yABA'B'FF'ω’P'-ff’-x’a’P’-l’1）當(dāng)物體放在其物方焦點上，l’=∞,有Γ0＝250/f’，稱為放大鏡的光學(xué)常數(shù)，標(biāo)注在鏡筒上。2）實際使用一般把像調(diào)焦在明視距離，則P'-l'＝250mm，眼瞳大致位于放大鏡的像方焦點的附近，P'=f’，

僅由放大鏡的焦距f′所決定，f′越大則放大率越小。

三、光束限制和線視場①孔徑光闌（出瞳）②視場光闌（出窗）③漸暈與視場角由圖可知，當(dāng)漸暈系數(shù)K＝100%，K＝

50%和K＝

0tgω'1＝(h-a')/P'tgω'＝h/P'tgω'2＝(h+a')/P'

時，像方視場角分別為：④線視場:目視光學(xué)儀器視場的大小用能看到的物方直徑表示，被稱為物方線視場（簡稱為線視場）。用2y來表述線視場：入射眼瞳時，其k值為50%。當(dāng)光束以放大鏡倍率越大，其線視場越小。物鏡目鏡F1F1’F2BAA’B’A”B”

A’B’

位于目鏡的物方焦點F2上或在很靠近F2的位置上

此像再經(jīng)目鏡放大為虛像A”B”

后供眼睛觀察。這說明目鏡與放大鏡的作用一樣。

一、顯微鏡的工作原理Δ：光學(xué)筒長4.2.2顯微鏡

經(jīng)過物鏡和目鏡的兩次放大，所以顯微鏡系統(tǒng)總的視覺放大率Γ應(yīng)該是物鏡橫向放大率β和目鏡視覺放大率Γe的乘積。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，設(shè)目鏡焦距為f2‘，其視覺放大率為顯微鏡系統(tǒng)的總放大率為：根據(jù)組合光組焦距公式知，顯微鏡總焦距f’

在顯微鏡系統(tǒng)中存在著中間像，故可以在物鏡的實像平面上放置分劃板，對被觀察物體進(jìn)行測量，并且在該處還可以設(shè)置視場光闌以消除漸暈現(xiàn)象。將其代入中，則有顯微鏡系統(tǒng)實質(zhì)上不就是個復(fù)雜化了的放大鏡么！19JA型萬能工具顯微鏡的光學(xué)系統(tǒng)圖。照明光源集光鏡濾色片可變光闌平面反射鏡聚光鏡保護(hù)玻璃工作臺物鏡工件光闌（孔徑光闌）斯密特棱鏡保護(hù)玻璃分劃板目鏡測角分劃板測角光源濾色片讀數(shù)顯微鏡

可變光闌位于聚光鏡的物方焦平面上孔徑光闌位于物鏡的像方焦平面上（形成了什么光組？）物鏡有四種放大倍率：1x、1.5x、3x和5x；目鏡的放大率為10x

顯微鏡物鏡物平面到像平面的距離稱為共軛距，大約等于180mm,我國規(guī)定生物顯微鏡共軛距為195mm。在顯微鏡中，取下顯微物鏡和目鏡后，所剩下的鏡筒長度，即物鏡支撐面到目鏡支撐面之間的距離稱為機械筒長。使用顯微系統(tǒng)過程中要求一次調(diào)焦清晰后，在更換不同倍率的物鏡或目鏡時，不需要二次調(diào)焦，即視場中心物象位置關(guān)系不發(fā)生變動。不同倍率物鏡的物像共軛加上主面之間的距離相等，稱為齊焦更換物鏡的倍率（1X、1.5X、3X、5X），物方線視場的大小也隨之改變（21mm、14mm、7mm、4.2mm）不同的顯微系統(tǒng)其孔徑光闌的位置也不同：小倍率生物顯微鏡，物鏡框是孔徑光闌，大倍率顯微鏡具有復(fù)雜物鏡，以最后鏡組的鏡框為孔徑光闌用于測量的工具顯微鏡孔徑光闌一般放在物鏡像方焦平面上,構(gòu)成物方遠(yuǎn)心光路。孔徑光闌經(jīng)目鏡所成的像即為出瞳。二、顯微鏡的光束限制顯微鏡的出瞳位置與大小？孔徑光闌

因為孔徑光闌在F1’面上，而F1’的像在F’上，所以出瞳一般在焦平面。

若孔徑光闌在無窮遠(yuǎn)，經(jīng)目鏡成像為出瞳，則出瞳在F2’處。故孔徑光闌由無窮遠(yuǎn)向F1’移動，出瞳在F2’和F’間移動，靠近F’。F1'F2D22-f2F2'F'觀點一：顯微鏡像方焦平面設(shè)出瞳與顯微鏡像方焦平面重合，A’B’是AB被顯微鏡所成像，則出瞳半徑為顯微物鏡設(shè)計要求光軸附近接近理想成像，于是出瞳直徑數(shù)值孔徑

顯微鏡物鏡和目鏡的間隔比他們各自的焦距大得多，因此出瞳在目鏡像方焦點以外附近處，接近目鏡像方焦平面觀點二：目鏡像方焦面顯微物鏡設(shè)計要求光軸附近接近理想成像，于是設(shè)出瞳直徑為D’，有出瞳直徑數(shù)值孔徑顯微系統(tǒng)是用來觀察、分辨物體的細(xì)節(jié)（生物顯微鏡）或瞄準(zhǔn)（工具顯微鏡）的，要求視場內(nèi)的照度適宜、均勻、成像清晰、沒有漸暈、雜散光的干擾小，所以視場光闌應(yīng)安放在物鏡像平面處，即目鏡前焦平面上。分劃板（視場光闌）直徑越大，線視場越大。設(shè)分劃板（視場光闌）直徑為D，則物鏡垂軸放大率為：線視場:目視光學(xué)儀器視場的大小用能看到的物方直徑表示，被稱為物方線視場（簡稱為線視場）。視場光闌代入得顯微鏡線視場線視場與視覺放大率的關(guān)系：在選定目鏡后，顯微鏡的視覺放大率越大，線視場越小。視場光闌位于目鏡的物方焦平面上或附近，其大小應(yīng)與目鏡（放大鏡）的物方線視場相等顯微鏡的景深

當(dāng)顯微鏡調(diào)焦至某一物平面（稱為對準(zhǔn)平面）時，如果位于其前后的物平面仍能被觀察者看清楚，則該兩平面之間的距離稱為顯微鏡的景深。A1’B1’A’B’出瞳F’Z’ε’-dx’-x’2a’顯微鏡的放大率越高、數(shù)值孔徑越大，景深越小。顯微鏡景深由顯微鏡的幾何景深、物理景深和眼睛的調(diào)節(jié)能力帶來的景深構(gòu)成幾何景深10.8r暗1瑞利判據(jù)：光學(xué)系統(tǒng)能對無限遠(yuǎn)兩點的像分辨得開的最小距離即愛里斑半徑。三、顯微系統(tǒng)分辨率和有效放大率λ—波長，D—孔徑光闌直徑。顯微系統(tǒng)的分辨率是以剛能分辨的兩物點之間的距離來表示的，稱為最小分辨距孔徑光闌P1’P2’z-Umaxσ′θU’maxA’-σ相應(yīng)地

因U’max角一般很小，所以有由式中n′=1，為空氣折射率，σ就是顯微物鏡的最小分辨距即分辨率。道威判斷：考慮部分相干情況，兩個相鄰像點之間兩衍射斑中心距為0.85愛里斑半徑時，則能被光學(xué)系統(tǒng)分辨。表明:顯微鏡的分辨本領(lǐng)取決于所用光波波長和物鏡的數(shù)值孔徑，與目鏡無關(guān)。對于測量顯微鏡，有其中δ為瞄準(zhǔn)精度，K為系數(shù)。顯微系統(tǒng)的分辨率或瞄準(zhǔn)精度決定了數(shù)值孔徑大小。δ’為眼睛瞄準(zhǔn)精度在明視距離處的線距離，K值大小由瞄準(zhǔn)形式?jīng)Q定，δ為所要求的顯微鏡瞄準(zhǔn)精度的線距離。ε’為眼睛的最小分辨角，ε為要求分辨的細(xì)節(jié)σ在明視距離R處對眼睛的張角。觀察顯微鏡測量顯微鏡顯微鏡放大率的確定或由和推出這是顯微鏡應(yīng)具備的最小視覺放大率，即有效放大率。實際放大率應(yīng)為有效放大率2倍左右。四、顯微系統(tǒng)的物鏡在選用或設(shè)計顯微物鏡時所考慮的光學(xué)性能主要有：數(shù)值孔徑放大率NA的大小直接影響分辨本領(lǐng)和成像亮度，它是物鏡的主要性能指標(biāo)。要得到較大的視覺放大率和較高的分辨率，必須選用數(shù)值孔徑較大的物鏡。對于不同倍率的物鏡，像方視場2y’為一定值，所以高倍物鏡視場小。線視場顯微物鏡的特點：大數(shù)值孔徑，小視場，短焦距。顯微物鏡主要用來觀察或測量，將近處微小物體放大到足夠大并且分辨清楚細(xì)節(jié).問題：存在像差和色差，簡單結(jié)構(gòu)物鏡無法克服。那就整點復(fù)雜的？顯微物鏡的分類消色差顯微物鏡復(fù)消色差物鏡平場消色差物鏡平場復(fù)消色差物鏡折反射顯微物鏡1、消色差物鏡：普通顯微物鏡大多數(shù)屬于消色差型，只需校正球差、正弦差、軸向色差即可，但邊緣像質(zhì)較差。按數(shù)值孔徑NA的大小有四種型式：1）、低倍物鏡：β=3~6×，NA=0.1~0.15一般雙膠合可以了，可以看出Γ不大，NA也不大。2）、中倍物鏡（里斯特物鏡）：β=8~10×，NA=0.25~0.3，由雙組雙膠合構(gòu)成。3）、高倍物鏡（阿米西物鏡）：β

=25~40xNA=0.40~0.65

它是在里斯特前加一半球形透鏡又稱為前片。它是利用齊明點的特性來增大孔徑角的。4）、阿貝油浸型β

=90~100xNA=1.25~1.40。是通過在物及物鏡之間加以高折射率的介質(zhì)，此種介質(zhì)的折射率與載波片、前片的折射率接近，故可以認(rèn)為在同一介質(zhì)中。40X0.95復(fù)消色差顯微物鏡40X0.85平場復(fù)消色差顯微物鏡2、復(fù)消色差物鏡：嚴(yán)格校正軸上點色差、球差、正弦差，且應(yīng)校正二級光譜。物鏡結(jié)構(gòu)復(fù)雜。且有些透鏡使用特殊材料制造，如：螢石等。3、平場消色差和復(fù)消色差物鏡:消場曲，物鏡結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜?？刹捎谜?fù)透鏡分離、厚透鏡等方法消場曲1、無限筒長物鏡對近距離成像的光學(xué)系統(tǒng)都可以歸類于顯微系統(tǒng)。五顯微鏡應(yīng)用舉例物體處于物鏡物方焦面，易于裝配和調(diào)整，兩透鏡間可加入濾光片、偏振片等，不引起像的位置變化。待測鏡片屈光度為焦度計：鏡片檢查儀1、分劃板置于1的物方焦面，在3的像方焦面成像。2、鏡片2置于1像方焦點，調(diào)節(jié)分劃板，在3的像方焦面成像。激光共聚焦顯微鏡點光源聚焦于物點，物點發(fā)出的光被物鏡1，2成像于針孔處，只有與針孔共軛物面上該點光信號被探測器接收。加以掃描可以探測樣品三維結(jié)構(gòu)。4.2.3望遠(yuǎn)系統(tǒng)一、望遠(yuǎn)鏡的工作原理物鏡（入瞳）視場光闌目鏡出瞳F1’(F2)使入射的平行光束仍能保持平行地射出的光學(xué)系統(tǒng)稱為望遠(yuǎn)系統(tǒng)或望遠(yuǎn)鏡。把遠(yuǎn)距離物體的視角放大：如經(jīng)緯儀、水準(zhǔn)儀、望遠(yuǎn)鏡、測距儀、自準(zhǔn)直儀等?！?0開普勒望遠(yuǎn)鏡視覺放大率：通過望遠(yuǎn)鏡觀察時，物體的像對眼睛視角ω′的正切與眼睛直接觀察該物體時的視角ω0

正切之比。

由于物體到眼睛的距離相對于望遠(yuǎn)鏡的長度來說要大得多，ω0與物體對入射光瞳中心的張角ω可認(rèn)為相等,ω′即為望遠(yuǎn)鏡對物體成像的像方視場角（主光線與光軸夾角），因此:視覺放大率僅僅取決于望遠(yuǎn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)。由正物鏡和負(fù)目鏡按光學(xué)間隔△=0的方式組合而成。F1’F2出瞳df1’d<f1′,具有筒長短、體積小、重量輕等特點；這種望遠(yuǎn)鏡沒有中間實像面，無法安置分劃板，不能直接作為瞄準(zhǔn)和精確定位之用。伽利略望遠(yuǎn)鏡若物鏡框為孔徑光闌，出瞳位于目鏡前，無法與后一光學(xué)系統(tǒng)入瞳銜接。入瞳中心對入窗的張角即系統(tǒng)視角2ω。當(dāng)K=50％，二、望遠(yuǎn)鏡放大率的確定α’和δ’分別為眼睛瞄準(zhǔn)精度的角距離和線距離，大小與瞄準(zhǔn)形式有關(guān)，α和δ分別為所要求的望遠(yuǎn)鏡瞄準(zhǔn)精度的角距離和線距離。（一）根據(jù)望遠(yuǎn)鏡的用途確定視覺放大率。ε’為眼睛的最小分辨角，ε為要求分辨的細(xì)節(jié)對眼睛的張角。

觀察望遠(yuǎn)鏡測量望遠(yuǎn)鏡這是望遠(yuǎn)鏡應(yīng)該具備的最小視覺放大率。也是有效放大率。為了減輕操作人員的疲勞，設(shè)計望遠(yuǎn)系統(tǒng)時實際放大率應(yīng)為有效放大率的兩倍左右。若取2.3倍，則Г=D。(二)根據(jù)物鏡口徑確定視覺放大率望遠(yuǎn)系統(tǒng)的分辨率是以遠(yuǎn)處能分辨的兩點對物鏡入瞳中心的張角φ來表示的，稱為最小分辨角。按照衍射理論和 瑞 利判據(jù)，有：D為入瞳直徑，單位為mm。為充分利用望遠(yuǎn)鏡的分辨率，有三、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和場鏡若開普勒望遠(yuǎn)鏡需要得到正像，需在系統(tǒng)內(nèi)安放轉(zhuǎn)像系統(tǒng)分類：棱鏡式轉(zhuǎn)像系統(tǒng)和透鏡式轉(zhuǎn)像系統(tǒng)

（一）棱鏡式轉(zhuǎn)像系統(tǒng)加上轉(zhuǎn)像系統(tǒng)后，物鏡的像方焦平面和目鏡的物方焦平面是分開的轉(zhuǎn)像的物面是物鏡的像方焦平面，其像面是目鏡的物方焦平面增加了光學(xué)長度。當(dāng)物象分別處于轉(zhuǎn)向透鏡2倍物象方焦距處時，增加的光學(xué)長度最小，為4f’F’1F2（二）透鏡式轉(zhuǎn)像系統(tǒng)

單透鏡轉(zhuǎn)像焦平面F’1F2目鏡物鏡雙透鏡轉(zhuǎn)像3的物方焦面與物鏡像方焦面重合，4的像方焦面與目鏡物方焦面重合，則構(gòu)成前后兩個望遠(yuǎn)鏡。當(dāng)f3’=f4’=f’時，不改變望遠(yuǎn)鏡視覺放大率，增加光學(xué)長度2f’+d（三）場鏡具有轉(zhuǎn)像系統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)，為使通過物鏡后的軸外光束折向轉(zhuǎn)像系統(tǒng)，減少轉(zhuǎn)像系統(tǒng)的橫向尺寸在物鏡的像平面上或附近增設(shè)一塊透鏡——場鏡像與主平面重合，放大率為1根據(jù)像差理論知：場鏡不產(chǎn)生球差、彗差、像散和色散，只產(chǎn)生較小的場曲和畸變四、望遠(yuǎn)系統(tǒng)的物鏡望遠(yuǎn)物鏡的光學(xué)特性都用相對孔徑D/f

′、焦距f

′和視場角2ω表示。物鏡這些性能參數(shù)決定了它的分辨能力、像的亮度和結(jié)構(gòu)尺寸。望遠(yuǎn)物鏡可分為三種結(jié)構(gòu)型式：即折射式、反射式和折反射式望遠(yuǎn)物鏡。當(dāng)目鏡焦距確定以后，物鏡焦距由系統(tǒng)視覺放大率決定。望遠(yuǎn)物鏡相對孔徑一般小于1/5，為了滿足分辨率的要求，焦距和孔徑較大，視場角較小，一般小于10度。結(jié)構(gòu)較簡單。（一）折射式望遠(yuǎn)物鏡(1)雙膠合物鏡：結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，光能損失少?？梢酝瑫r校正球差、正弦差和色差。因為膠合面上產(chǎn)生比較大的正高級球差，且大孔徑時透鏡重量過大，膠合不牢，故相對孔徑要受到限制。這種物鏡不能消除像散、場曲和畸變，所以視場角2ω不得超過8~10°，一般在焦距不長，相對孔徑不大的系統(tǒng)中采用。（2）雙分離物鏡

相對孔徑可稍大些，視場角達(dá)12o，與雙膠合物鏡相比，其可以在更大的范圍內(nèi)選擇玻璃對，使球差、色差和正弦差同時得到校正（但不能校正色球差），只是裝配校正比較困難，共軸性不易保證。（3）三分離物鏡透鏡的彎曲比較自由，可以使之成為校正色球差的有利形狀。它適于長焦距平行光管使用。物鏡分劃板目鏡若以目鏡相對于物鏡的位置變化實現(xiàn)調(diào)焦稱外調(diào)焦系統(tǒng)。外調(diào)焦系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)比較簡單，像質(zhì)也比較好。但外形尺寸較大，密封性能很差。用光學(xué)零件位置的變化，實現(xiàn)調(diào)焦作用的光學(xué)系統(tǒng)稱為調(diào)焦系統(tǒng)。調(diào)焦系統(tǒng)分為外調(diào)焦和內(nèi)調(diào)焦。（4）內(nèi)調(diào)焦望遠(yuǎn)物鏡

當(dāng)物體在有限遠(yuǎn)時，移動物鏡中的一塊負(fù)透鏡，使物鏡所成的像仍然在固定的分劃板處。這種系統(tǒng)就稱為內(nèi)調(diào)焦系統(tǒng)。該系統(tǒng)尺寸小，攜帶方便，密封性能好，在大堤測量儀器中多采用此光路（二）反射式望遠(yuǎn)物鏡完全沒有色差；可以在紫外到紅外很大波長范圍內(nèi)工作；反射鏡的材料比透鏡的材料容易制造，特別對大口徑零件更是如此。天文望遠(yuǎn)鏡常用反射式物鏡。目前，多采用雙反射系統(tǒng)來做為天文望遠(yuǎn)鏡的物鏡。比較著名的雙反射系統(tǒng)有兩種：卡塞格林系統(tǒng)格列果里系統(tǒng)?？ㄈ窳窒到y(tǒng)是由兩個反射鏡組成，主鏡是拋物面，副鏡是雙曲面，所成的是倒像，這種結(jié)構(gòu)的筒長比較短。主鏡副鏡F’格列果里系統(tǒng)也是有兩個反射面組成，主鏡仍為拋物面，副鏡改為橢球面，所成的像正像,這種結(jié)構(gòu)的筒長比較長。（三）折反射系統(tǒng)主鏡由于非球面的加工困難，且很難校正軸外像差，因此為了獲得較大視場，出現(xiàn)了折反射系統(tǒng)。F’副鏡折反射型望遠(yuǎn)物鏡比較典型的有施密特物鏡和馬克蘇托夫物鏡施密特物鏡由球面主鏡和在球心的施密特校正板組成。校正板是個透射元件，其中一個面是平面，另一個面是非球面。

非球面的面型能夠使中央的光束略有會聚，而使邊緣的光束略有發(fā)散，這樣球差得到很好校正。F’施密特校正板馬克蘇托夫物鏡由球面主鏡和副彎月型厚透鏡組成。彎月形厚透鏡的結(jié)構(gòu)若滿足下面條件就可以不產(chǎn)生色差，所以可用它來補償主鏡產(chǎn)生的球差dr2r1F’五、目鏡目鏡是望遠(yuǎn)鏡和顯微鏡的重要組成部分。目鏡的作用：對物鏡成的像再次放大。

目鏡的光學(xué)特性由它的視場角2ω′、焦距

f′、相對鏡目距l(xiāng)z’/f′和工作距l(xiāng)2來決定。鏡目距l(xiāng)z’是目鏡后表面到出瞳的距離。(1)視場角(像方視場角)2'：總的來說視場大的一般在40~50左右，小的到30

，廣角目鏡可達(dá)120（一）目鏡概述(2)焦距一般20~30mm，小的可到4mm，大的可到50mm。焦距過短：出瞳距小，人眼不易與出瞳重合。焦距過長：為保證一定的視場角，要加大目鏡口徑。出瞳(3)出瞳距：一般在8mm左右，不得小于6mm，最長可達(dá)100mm(4)相對孔徑(5)放大率目鏡前片頂點到物方焦點的距離。要保證目鏡在調(diào)焦中不能碰到分劃板。攝影目鏡觀察目鏡約1/3~1/15(6)工作距離由于觀察者視力差異，目鏡應(yīng)能進(jìn)行視度調(diào)節(jié)?！?.3攝影系統(tǒng)

定義：由攝影物鏡及感光器件（感光膠片、CCD、電視攝像管等）組成的光學(xué)系統(tǒng)。例如軍事上的高、低空偵察攝影、航空測量攝影、科學(xué)研究中的記錄攝影和高速攝影、生物學(xué)中的顯微攝影、印刷業(yè)中的照相制版、文藝方面的電影電視攝影等儀器。照相物鏡的光學(xué)特性一般用焦距f'、相對孔徑D/f'、視場角2ω表示。此外還提出分辨率的要求，作為保證產(chǎn)品質(zhì)量的技術(shù)條件。4.3.1攝影物鏡的光學(xué)特性①f’:決定像的大小。遠(yuǎn)處：y'=?f'tgω近處：焦距大則像大，一般十幾毫米~1米以上；照相機：一般20毫米~幾百毫米②D/f’：攝影系統(tǒng)的像面照度取決于相對孔徑的大小。

D/f’大：強光鏡頭D/f’中：普通鏡頭D/f’?。喝豕忡R頭D/f’1:1.41:21:2.81:4……1:161:22F1.422.84……1622③2ω:能攝入底片的視場角，由攝影物鏡焦距和接收器尺寸決定。D：接收器對角線尺寸遠(yuǎn)物：近物：常見攝像底片及CCD規(guī)格：

按照視場的大小，或者按焦距的長短，攝影物鏡可分為：

標(biāo)準(zhǔn)鏡頭、廣角鏡頭、長焦鏡頭。

在焦距與底片對角線長度近似相等時，鏡頭的視場角為30°左右，稱為標(biāo)準(zhǔn)鏡頭。焦距在35~75mm.

長焦距鏡頭的焦距為85~300mm,視場角比較小，最大為十幾度。廣角鏡頭視角可達(dá)120度，焦距為15~35mm.4.3.2攝影系統(tǒng)分辨率1、定義：以像平面上每毫米內(nèi)能分辨的線對數(shù)N來表示。由于衍射的影響，點物成像為彌散斑，艾里斑的半徑為其倒數(shù)：2、物鏡分辨率NL現(xiàn)設(shè)接收器的分辨率為：Nr物鏡的分辨率為：NL

由于存在較大像差，物鏡實際分辨率大大低于理論分辨率，且與被攝物體對比度有關(guān)。不同接收器的分辨率有很大差別，膠片很容易達(dá)到200線/mm，CCD或CMOS的分辨率取決于像素大小。4.3.3攝影物鏡的景深看圖片時，一般把圖片放在明視距離處，R=250mm，若彌散斑在明視距離對眼睛的張角小于分辨角，看上去就是一點.ε—人眼的分辨率

代入得：

投影儀是將一定大小的物體，用光源照明以后成像在屏幕上進(jìn)行觀察或測量的一種光學(xué)儀器。電影放映機、幻燈機、計量用投影儀等都屬投影儀§4.4投影系統(tǒng)影屏上刻有瞄準(zhǔn)線，工作臺上有精密的直角坐標(biāo)刻尺或度盤，可以用比較法測量各種形狀復(fù)雜的高精度零件的長度、角度及坐標(biāo)位置。投影像，要求成像清晰，物像相似，還要求有足夠的像面光照度，且整個像面光照度盡可能一致，決定了投影系統(tǒng)的主要特點。投影系統(tǒng)一般由兩部分構(gòu)成，一部分是照明系統(tǒng);另一部分是投影物鏡。一、投影物鏡的作用及光學(xué)特性投影物鏡的光學(xué)特性，通常用