大學(xué)工程光學(xué)第七章1

第七章典型光學(xué)系統(tǒng)眼睛放大鏡顯微鏡望遠(yuǎn)鏡攝像機(jī)投影儀第一節(jié)眼睛及其光學(xué)系統(tǒng)1.眼睛的結(jié)構(gòu)2.標(biāo)準(zhǔn)眼和簡約眼3.眼睛的調(diào)節(jié)4.正常眼和非正常眼5.眼睛的適應(yīng)

6.眼睛的立體視覺1.眼睛的結(jié)構(gòu)眼睛像個能自動對焦、變焦、自動改變光圈的照相機(jī)。人眼照相機(jī)水晶體鏡頭網(wǎng)膜底片瞳孔光闌◆

眼睛的直徑約25mm◆物體在視網(wǎng)膜上成倒像◆感光最靈敏處稱為黃斑◆在盲斑處無錐狀細(xì)胞和桿狀細(xì)胞◆節(jié)點(diǎn)與中心凹的連線稱視軸。怎樣驗(yàn)證盲斑的存在？2.標(biāo)準(zhǔn)眼和簡約眼標(biāo)準(zhǔn)眼：滿足眼睛光學(xué)常數(shù)值的眼睛。簡約眼：把標(biāo)準(zhǔn)眼簡化為一個折射球面的模型。3.眼睛的調(diào)節(jié)物體遠(yuǎn)近變化水晶體曲率半徑變化觀察遠(yuǎn)物觀察近物眼睛放松，半徑增大。眼睛緊張，半徑減小。遠(yuǎn)點(diǎn)：眼睛所能看清的最遠(yuǎn)點(diǎn)；近點(diǎn)：眼睛所能看清的最近點(diǎn)；、前為正號表示該點(diǎn)在眼前，負(fù)號表示該點(diǎn)在眼后近點(diǎn)距離：近點(diǎn)到眼睛的距離，用表示；遠(yuǎn)點(diǎn)距離：遠(yuǎn)點(diǎn)到眼睛的距離，用表示；明視距離:正常眼觀察物體最舒服的距離，為250mm。眼睛的調(diào)節(jié)范圍:單位：屈光度（D）1D=1m-1年齡(歲)

(m)R(D)

(m)P(D)ā

(D)10-∞0-0.071-141420-∞0

-0.100-101030-∞0-0.143-7740-∞0-0.222-4.54.550-∞

0-0.40-2.52.5602.00.5-2.00-0.51.00800.402.50.402.500.004.正常眼和非正常眼正常眼的遠(yuǎn)點(diǎn)在無窮遠(yuǎn)，像方焦點(diǎn)在視網(wǎng)膜上。近視眼的特點(diǎn):

眼球偏長像方焦點(diǎn)在視網(wǎng)膜前遠(yuǎn)點(diǎn)在眼前有限遠(yuǎn)處矯正前矯正后A’AA’近視眼的矯正：鏡片的焦距，為負(fù)透鏡視度:近視眼或遠(yuǎn)視眼的程度。（D）通常醫(yī)院和眼鏡店把1D稱為100度。◆視度為-1D的同學(xué)需配戴屈光度為-1D的眼鏡,也就是100度的近視眼鏡，鏡片焦距為-1m。眼鏡的屈光度（D）例1：某人的視度為-2D，調(diào)節(jié)范圍是8D,求（1）其遠(yuǎn)點(diǎn)距離；（2）其近點(diǎn)距離；（3）佩戴100度的近視眼鏡，求該鏡的焦距；（4）帶上該近視眼鏡后，求看清的遠(yuǎn)點(diǎn)距離；A’A’’A（1）（2）（3）遠(yuǎn)視眼的特點(diǎn)：1.眼球偏短2.像方焦點(diǎn)在視網(wǎng)膜后3.遠(yuǎn)點(diǎn)在眼后有限遠(yuǎn)矯正前矯正后A’AA’遠(yuǎn)視眼的矯正：例2：媽媽不能看清1m以內(nèi)的物體，如想在明視距離處讀書看報，則需配戴多少度的眼鏡？其中,所以媽媽需配戴300度的遠(yuǎn)視眼鏡。5.眼睛的適應(yīng)眼睛的適應(yīng)：指對各種光亮環(huán)境的適應(yīng)能力。變化范圍可達(dá)絕對暗閾值：約為勒克斯。它相當(dāng)于蠟燭在30公里遠(yuǎn)處所產(chǎn)生的照度。

暗適應(yīng)：發(fā)生在自亮處到暗處時，瞳孔自動縮小，過程較慢，極限為30分鐘；亮適應(yīng)：發(fā)生在自暗處到亮處時，瞳孔自動增大，過程較快，只需要幾分鐘。錐狀細(xì)胞桿狀細(xì)胞感色（亮照明時起作用）感光（弱照明時起作用）為什么黃昏時能看清洗衣做飯而不能看清描龍繡鳳？人眼對555nm（綠光）的光最敏感。眼睛的分辨本領(lǐng)剛能分辨開的二個點(diǎn)對眼睛物方節(jié)點(diǎn)的張角稱為眼睛的極限分辨角。人眼的極限分辨角為60”

眼睛能分辨開兩個很靠近的點(diǎn)的能力稱為眼睛的分辨率，這個距離不小于0.006mm。

6.眼睛的立體視覺：辨別物體距離，區(qū)分相對遠(yuǎn)近。雙眼體視：物體成像于雙眼中心凹的同側(cè)對應(yīng)點(diǎn)時產(chǎn)生單像，否則產(chǎn)生雙像。注視A時，成像a1和a2,在中心凹

這時B成像為b1和b2，產(chǎn)生雙像

C成像為c1和c2，也產(chǎn)生雙像

D成像為d1和d2，產(chǎn)生單像

眼睛估計(jì)距離是利用眼睛轉(zhuǎn)動時肌肉的緊張程度不同。辨別相對遠(yuǎn)近是利用兩眼視線的夾角，即立體視差角。

b為基線長，成人為65mm。L為觀察點(diǎn)到眼睛的距離

立體視差角

立體視差

體視銳度：人眼能覺察的最小立體視差，約10"，經(jīng)訓(xùn)練可以小到3"

立體視覺半徑：人眼存在立體視覺的范圍

體視閾值：

能分辨不同遠(yuǎn)近兩點(diǎn)間的最小距離

例如：在100m距離上，人眼的體視閾值為要有更好的立體視覺，即增大體視圈半徑，減小體視閾值，怎樣實(shí)現(xiàn)？雙眼觀察時有明顯的立體視覺，因此為了在使用儀器觀察時仍能保持人眼的體視能力，必須采用雙眼儀器，如“雙目望遠(yuǎn)鏡”，“雙目顯微鏡”。雙眼儀器左右兩個光學(xué)系統(tǒng)必須滿足以下條件：1.雙眼儀器左右兩個光學(xué)系統(tǒng)的光軸要平行。2.兩個光學(xué)系統(tǒng)的視放大率應(yīng)該一致。3.兩個光學(xué)系統(tǒng)之間不應(yīng)該有相對的像傾斜。第二節(jié)放大鏡放大鏡的放大率

W’f’y目視系統(tǒng)的視角放大率：遠(yuǎn)處物體經(jīng)系統(tǒng)所成的像對眼睛張角w‘的正切與該物體直接對眼睛張角w的正切之比。第三節(jié)顯微鏡系統(tǒng)物體AB在物鏡前焦面稍前處，經(jīng)物鏡成放大、倒立的實(shí)像A'B'，它位于目鏡前焦面或稍后處，經(jīng)目鏡成放大的虛像，該像位于無窮遠(yuǎn)或明視距離處。

顯微鏡的放大率

對正常眼，A’B’位于Fe上，顯微鏡光學(xué)筒長Δ=FO’Fe。例題：用兩個焦距都是50mm的正透鏡組成一個10倍的顯微鏡，問物鏡的倍率、目鏡的倍率以及物鏡和目鏡之間的間隔各是多少？顯微鏡的機(jī)構(gòu)物鏡通過轉(zhuǎn)換器旋轉(zhuǎn)式接到鏡筒的下端面

目鏡以插入式接鏡筒的上端面

應(yīng)滿足齊焦要求：調(diào)換物鏡后，不需再調(diào)焦就能看到像。物鏡調(diào)換后，像面不動，物面不動——物鏡共軛距不變（195mm)

b.物鏡像面即目鏡前焦面不動——在上端面以下10mm

處

c.機(jī)械筒長——上下端面之間的距離（160mm），有的顯微鏡機(jī)械筒長可調(diào)

d.調(diào)換物鏡（目鏡）后微調(diào)焦不可避免，故還必須有微動機(jī)構(gòu)

雙目鏡筒是通過加反射棱鏡和平行平板實(shí)現(xiàn)的，要使兩條光路光程相同

顯微鏡與放大鏡比較的優(yōu)點(diǎn)：①具有更大的放大率，二次放大

②人眼離物面較遠(yuǎn)，使用方便

③物鏡和目鏡可調(diào)換，從而得到多種放大率

④具有中間實(shí)像面，可放置分劃板，用于測量（構(gòu)成測微目鏡）

⑤當(dāng)中間實(shí)像A’位于Fe之前時，A”為實(shí)像，可投影到屏上。也可用圖像傳感器接收實(shí)像，構(gòu)成電子目鏡

望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)

望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)是以平行光入射，再以平行光出射的系統(tǒng)系統(tǒng)特點(diǎn)△=0最簡單的望遠(yuǎn)鏡至少有兩個獨(dú)立光組，第一光組的像方焦點(diǎn)與第二光組的物方焦點(diǎn)重合開普勒望遠(yuǎn)鏡伽利略望遠(yuǎn)鏡開普勒望遠(yuǎn)鏡（目鏡為正透鏡）：1.成倒像，觀察不方便2.若需成正像，則要加轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。3.有實(shí)像面，可以加分劃板，可用于測量。伽利略望遠(yuǎn)鏡（目鏡為負(fù)透鏡）：1.成正像。2.有虛像面，不可用于測量。3.放大倍數(shù)有限，一般做觀劇鏡。望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的視角放大率：例：用望遠(yuǎn)鏡觀察時要鑒別5公里處200毫米的間距，應(yīng)選用多大倍率的望遠(yuǎn)鏡。顯微鏡的光束限制1.孔徑光闌低倍物鏡的孔徑光闌——為單組物鏡框本身

高倍物鏡的孔徑光闌——多組物鏡的最后一組鏡框，或在Fo’處專設(shè)孔闌2.出瞳位置

出瞳在總的像方焦點(diǎn)上，人眼瞳有可能與之重合，接收所有成像光。3.出瞳的大小與數(shù)值孔徑因?yàn)槌鐾c整個系統(tǒng)的像方焦面重合，設(shè)像方孔徑角為，則有因系統(tǒng)滿足正弦條件

稱數(shù)值孔徑顯微鏡的景深

設(shè)

為眼睛的極限分辨角

顯微鏡的數(shù)值孔徑A越大，要求放大倍率越高，其景深越小。顯微鏡的景深是很小的，所以需要微調(diào)裝置。顯微鏡的分辨率與有效放大率1.顯微鏡的分辨率

分辨本領(lǐng)隨波長的減小而提高，隨數(shù)值孔徑的增大而提高。

數(shù)值孔徑大要求n大和U大，而U總是小于90度的，還有什么辦法可以提高數(shù)值孔徑？

2.顯微鏡的有效放大率

想一想：顯微鏡的放大率是否越大越好？用顯微鏡可以看清怎樣細(xì)小的細(xì)節(jié)？

如果不能被顯微鏡分辨導(dǎo)致眼睛不能分辨，放得再大也沒有用，稱無效放大。顯微鏡能分辨而眼睛不能分辨，稱為放大不足。

取當(dāng)物面被照明時的最小分辨距為

人眼最小分辨角取2分到4分，則眼睛最小分辨距應(yīng)為

按主色光波長0.00055mm計(jì)算，得

這稱為顯微鏡的有效放大率?？梢姅?shù)值孔徑與放大率要匹配，如最大的數(shù)值孔徑取1.5的話，顯微鏡的最高有效放大率為1500倍。顯微鏡的物鏡光學(xué)系統(tǒng)的主要參數(shù)是

孔徑和視場。即焦距、相對由于顯微鏡要求分辨率高，則數(shù)值孔徑A大，放大率M要與之相適應(yīng)，因而物鏡的放大率也要相應(yīng)匹配，并在規(guī)定機(jī)械筒長下使用（例如，160mm）。物鏡的參數(shù)標(biāo)明在外殼上。隨著放大倍數(shù)由低到高，其結(jié)構(gòu)也相應(yīng)復(fù)雜。低倍物鏡可以用雙膠合，中倍物鏡用雙雙膠合，高倍物鏡用雙膠合＋前片，數(shù)值孔徑更大的阿貝物鏡則需要浸油。顯微鏡的目鏡相當(dāng)于放大鏡，其入瞳就是物鏡的出瞳，其出瞳在Fe’稍后處，與F’重合

一般有二片(組)：朝向物方的稱向場鏡，朝向眼睛的稱接目鏡。

要有一定的放大倍率應(yīng)取較小的焦距。

由于物鏡的放大倍率作用，目鏡的視場較大而相對孔徑較小，是短焦距小孔徑大視場系統(tǒng)。

目鏡還有兩個重要參數(shù)：

1.鏡目距——接目鏡最后一面到眼瞳（出瞳）的距離，一般要求不小于6mm

2.工作距離——目鏡第一面到目鏡前焦面（物鏡像面）的距離。顯微鏡分為光學(xué)顯微鏡和電子顯微鏡光學(xué)顯微鏡的放大倍數(shù)是2000倍，分辨率為0.1um電子顯微鏡的放大倍數(shù)是300萬倍，分辨率為0.25nm