工程光學(xué) 典型光學(xué)系統(tǒng)

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1、2022-7-11第七章第七章 典型光學(xué)系統(tǒng)典型光學(xué)系統(tǒng)2022-7-122022-7-13 由于成像理論的逐步完善，構(gòu)成了許多在科技由于成像理論的逐步完善，構(gòu)成了許多在科技和經(jīng)濟中得到廣泛應(yīng)用的光學(xué)系統(tǒng)，例如放大和經(jīng)濟中得到廣泛應(yīng)用的光學(xué)系統(tǒng)，例如放大鏡、顯微鏡、望遠(yuǎn)鏡、攝影儀器和投影儀器等。鏡、顯微鏡、望遠(yuǎn)鏡、攝影儀器和投影儀器等。 本章主要學(xué)習(xí)這些光學(xué)系統(tǒng)的本章主要學(xué)習(xí)這些光學(xué)系統(tǒng)的成像特性和設(shè)計成像特性和設(shè)計要求要求，組成這些光學(xué)系統(tǒng)的，組成這些光學(xué)系統(tǒng)的物鏡和目鏡的結(jié)構(gòu)物鏡和目鏡的結(jié)構(gòu)型式及其主要光學(xué)參數(shù)型式及其主要光學(xué)參數(shù)等。等。2022-7-14已學(xué)過：折射定律已學(xué)過：折射定律單

2、個折射球面單個折射球面理想光理想光組組平面系統(tǒng)平面系統(tǒng)光束限制光束限制像差像差根據(jù)光學(xué)基本理論，根據(jù)光學(xué)基本理論，將光學(xué)元件合理組合將光學(xué)元件合理組合，得到，得到光學(xué)儀器。光學(xué)儀器。由使用要求決定成像要求，由使用要求決定成像要求，根據(jù)成像要求根據(jù)成像要求設(shè)計光設(shè)計光學(xué)系統(tǒng)。學(xué)系統(tǒng)。設(shè)計過程就是合理的組合過程設(shè)計過程就是合理的組合過程。目的：組成儀器，得到實際應(yīng)用的光學(xué)系統(tǒng)目的：組成儀器，得到實際應(yīng)用的光學(xué)系統(tǒng)2022-7-15 7-1 人眼及其光學(xué)系統(tǒng)人眼及其光學(xué)系統(tǒng)一、眼睛的結(jié)構(gòu)一、眼睛的結(jié)構(gòu)成像光學(xué)系統(tǒng)成像光學(xué)系統(tǒng) 人眼本身相當(dāng)于攝影光學(xué)系統(tǒng)，在角膜和視人眼本身相當(dāng)于攝影光學(xué)系統(tǒng)，在角膜和

3、視網(wǎng)膜之間的生物構(gòu)造均可以看作成像元。網(wǎng)膜之間的生物構(gòu)造均可以看作成像元。人眼的構(gòu)造剖視圖2022-7-16人眼的構(gòu)造剖視圖* *鞏膜是眼球的第一層保護膜，白色、不透明、堅硬；鞏膜是眼球的第一層保護膜，白色、不透明、堅硬；* *角膜是鞏膜的最前端部分，無色而透明；眼睛內(nèi)的折射主要發(fā)角膜是鞏膜的最前端部分，無色而透明；眼睛內(nèi)的折射主要發(fā)生在角膜上；生在角膜上；鞏膜鞏膜角膜角膜脈絡(luò)膜脈絡(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；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；7人眼的構(gòu)造剖視圖* *虹膜是脈絡(luò)膜的最前端部分，含有色素細(xì)胞，決定眼的虹膜是脈絡(luò)膜的最前端部

4、分，含有色素細(xì)胞，決定眼的顏色；顏色；鞏膜鞏膜角膜角膜脈絡(luò)膜脈絡(luò)膜虹膜虹膜瞳孔瞳孔* *瞳孔是虹膜中間的小孔，隨著外界明亮程度的不同，虹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膜肌肉能使瞳孔的直徑在直徑在28mm28mm范圍內(nèi)變化范圍內(nèi)變化；它是人眼的孔徑光闌孔徑光闌。2022-7-18人眼的構(gòu)造剖視圖細(xì)胞，錐狀細(xì)胞直徑約細(xì)胞，錐狀細(xì)胞直徑約5 5微米，長約微米，長約3535微米；桿狀細(xì)胞直徑約微米；桿狀細(xì)胞直徑約2 2微米微米，長約，長約6060微米。它們在網(wǎng)膜上的分布式不均勻的。在微米。它們在網(wǎng)膜上的分布式不均勻的。在黃斑中心凹黃斑中心凹處處*網(wǎng)膜是眼球的第三層膜，

5、上面布滿著感光元素，即錐狀細(xì)胞和桿狀網(wǎng)膜是眼球的第三層膜，上面布滿著感光元素，即錐狀細(xì)胞和桿狀是錐狀細(xì)胞的密集區(qū)而沒有桿狀細(xì)胞是錐狀細(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；由中心向外，逐漸相對變化；鞏膜鞏膜角膜角膜脈絡(luò)膜脈絡(luò)膜虹膜虹膜瞳孔瞳孔網(wǎng)膜網(wǎng)膜黃斑中心凹黃斑中心凹9人眼的構(gòu)造剖視圖鞏膜鞏膜角膜角膜 光光脈絡(luò)膜脈絡(luò)膜 盲斑是網(wǎng)膜上沒有感光元素的地方，不能引起光刺激。盲斑是網(wǎng)膜上沒有感光元素的地方，不能引起光刺激。虹膜虹膜瞳孔瞳孔網(wǎng)膜網(wǎng)膜黃斑中心凹是人眼視覺最靈敏的地方。黃斑中心凹是人眼視覺最靈敏的地方。視神經(jīng)細(xì)胞視神經(jīng)細(xì)胞晶狀體在虹膜后面，是由兩個不同曲率的面組成的透明體，晶

6、狀體在虹膜后面，是由兩個不同曲率的面組成的透明體， 黃斑中心凹黃斑中心凹神經(jīng)纖維神經(jīng)纖維盲斑盲斑大腦大腦盲斑盲斑晶狀體晶狀體10人眼的構(gòu)造剖視圖鞏膜鞏膜角膜角膜脈絡(luò)膜脈絡(luò)膜晶狀體的平均折射率為，其周圍是毛狀肌能改變晶狀體的表面曲晶狀體的平均折射率為，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)近不同的物體率，使人眼在看遠(yuǎn)近不同的物體總能將像成在網(wǎng)膜上。總能將像成在網(wǎng)膜上。虹膜虹膜瞳孔瞳孔網(wǎng)膜網(wǎng)膜晶狀體似雙凸透鏡晶狀體似雙凸透鏡，是眼睛光學(xué)系統(tǒng)的成像元件，其密度和折，是眼睛光學(xué)系統(tǒng)的成像元件，其密度和折 射射率都是不均勻的，由里層到外層逐漸減少，有利于提高成像質(zhì)量。率都是不均勻的，由里層到

7、外層逐漸減少，有利于提高成像質(zhì)量。黃斑中心凹黃斑中心凹 盲斑盲斑晶狀體晶狀體人眼的構(gòu)造剖視圖鞏膜鞏膜角膜角膜角膜和晶狀體之間的空間稱為前室；充滿的水狀液；角膜和晶狀體之間的空間稱為前室；充滿的水狀液；脈絡(luò)膜脈絡(luò)膜 晶狀體和網(wǎng)膜所包圍的空間稱為后室晶狀體和網(wǎng)膜所包圍的空間稱為后室; ;充滿的玻狀體充滿的玻狀體虹膜虹膜瞳孔瞳孔網(wǎng)膜網(wǎng)膜黃斑中心凹黃斑中心凹 盲斑盲斑晶狀體晶狀體前室前室后室后室12人眼的構(gòu)造剖視圖鞏膜鞏膜角膜角膜 脈絡(luò)膜脈絡(luò)膜眼睛的像方節(jié)點與中心凹的連線為眼睛的眼睛的像方節(jié)點與中心凹的連線為眼睛的視軸視軸, , 在觀察物在觀察物虹膜虹膜瞳孔瞳孔網(wǎng)膜網(wǎng)膜 體時眼睛本能地把物體瞄準(zhǔn)在這根

8、軸上。體時眼睛本能地把物體瞄準(zhǔn)在這根軸上。 黃斑中心凹黃斑中心凹 盲斑盲斑晶狀體晶狀體前室前室后室后室光軸光軸視軸視軸2022-7-113 眼睛的視場很大，可達眼睛的視場很大，可達150150，但只有，但只有黃斑附近黃斑附近才能清才能清晰識別，其他部分比較模糊，晰識別，其他部分比較模糊， 所以能看清物體的角度所以能看清物體的角度范圍為范圍為6 86 8。 從光學(xué)角度看，眼睛中最主要的是：從光學(xué)角度看，眼睛中最主要的是：水晶體、視網(wǎng)膜和水晶體、視網(wǎng)膜和瞳孔。瞳孔。 人眼人眼 水晶體水晶體 視網(wǎng)膜視網(wǎng)膜 瞳孔瞳孔 眼睛和照相機很相似，如果對應(yīng)起來看：眼睛和照相機很相似，如果對應(yīng)起來看： 照相機照相

9、機 鏡頭鏡頭 底片底片 光闌光闌2022-7-114人眼相當(dāng)于一架照相機，它可以自人眼相當(dāng)于一架照相機，它可以自動對目標(biāo)調(diào)焦動對目標(biāo)調(diào)焦照相機中，正立的人在底片上成倒像，人眼照相機中，正立的人在底片上成倒像，人眼也是成倒像也是成倒像但我們感覺為什么還是正立的？但我們感覺為什么還是正立的？這是視神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)部作用的結(jié)果。這是視神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)部作用的結(jié)果。2022-7-115標(biāo)準(zhǔn)眼標(biāo)準(zhǔn)眼：根據(jù)大量的測量結(jié)果，定出了眼睛的各項光學(xué)常數(shù)，根據(jù)大量的測量結(jié)果，定出了眼睛的各項光學(xué)常數(shù)，包括角膜、水狀液、玻狀液和水晶體的折射率、各光學(xué)包括角膜、水狀液、玻狀液和水晶體的折射率、各光學(xué)表面的曲率半徑、以及各有關(guān)距離

10、。稱滿足這些光學(xué)常表面的曲率半徑、以及各有關(guān)距離。稱滿足這些光學(xué)常數(shù)值的眼睛為標(biāo)準(zhǔn)眼。數(shù)值的眼睛為標(biāo)準(zhǔn)眼。 簡約眼簡約眼：把標(biāo)準(zhǔn)眼簡化為一個折射球面的模型。：把標(biāo)準(zhǔn)眼簡化為一個折射球面的模型。 簡約眼參數(shù)簡約眼參數(shù)： 2022-7-116二、眼睛的調(diào)節(jié)二、眼睛的調(diào)節(jié) 眼睛有兩類調(diào)節(jié)功能：眼睛有兩類調(diào)節(jié)功能：視度調(diào)節(jié)視度調(diào)節(jié) 和和瞳孔瞳孔調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)。 1 1視度調(diào)節(jié)視度調(diào)節(jié) 遠(yuǎn)近不同的物體，物距不同，則不會成像在視遠(yuǎn)近不同的物體，物距不同，則不會成像在視網(wǎng)膜上，這樣我們就看不清。網(wǎng)膜上，這樣我們就看不清。 要想看清其他的物體，人眼就要自動地調(diào)節(jié)眼要想看清其他的物體，人眼就要自動地調(diào)節(jié)眼睛中水晶體的

11、焦距，使像落在視網(wǎng)膜上。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眼睛自動改變焦距的過程稱為稱為眼睛的調(diào)節(jié)眼睛的調(diào)節(jié)。2022-7-117 正常人眼在完全放松的自然狀態(tài)下，無限遠(yuǎn)目正常人眼在完全放松的自然狀態(tài)下，無限遠(yuǎn)目標(biāo)成像在視網(wǎng)膜上，即標(biāo)成像在視網(wǎng)膜上，即眼睛的像方焦點在視網(wǎng)膜上。眼睛的像方焦點在視網(wǎng)膜上。 在觀察近距離物體時，人眼水晶體周圍肌肉收在觀察近距離物體時，人眼水晶體周圍肌肉收縮，使水晶體前表面半徑變小縮，使水晶體前表面半徑變小 眼睛光學(xué)系統(tǒng)的焦距變短眼睛光學(xué)系統(tǒng)的焦距變短，后焦點前移，后焦點前移，從而使該物體的像成在視網(wǎng)膜上。從而使該物體的像成在視網(wǎng)膜上。20

12、22-7-118 當(dāng)肌肉在最緊張時（通過調(diào)節(jié)），眼睛所能看清當(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的最近的點稱為近點近點，其相應(yīng)的距離稱為，其相應(yīng)的距離稱為近點距近點距離離，以，以 表示（米）表示（米） 正常眼睛的遠(yuǎn)點距為正常眼睛的遠(yuǎn)點距為負(fù)的負(fù)的無限遠(yuǎn)，非正常眼睛無限遠(yuǎn)，非正常眼睛（遠(yuǎn)視或近視）的遠(yuǎn)點距為一（遠(yuǎn)視或近視）的遠(yuǎn)點距為一正正/ /負(fù)負(fù)的有限值。的有限值。 這里這里必須指出必須指出，近點距離，近點距離并不是并不是明視距離明視距離 rlpl 當(dāng)肌肉在最放松時（通過調(diào)節(jié)），眼睛所能看清當(dāng)肌肉在最放松時（通過調(diào)節(jié)），眼睛所能看清的最遠(yuǎn)的點稱為的最遠(yuǎn)的點稱為遠(yuǎn)點遠(yuǎn)點，其相

13、應(yīng)的距離稱為，其相應(yīng)的距離稱為遠(yuǎn)點距遠(yuǎn)點距離離，以，以 表示（米）表示（米） 2022-7-119明視距離明視距離 是指正常的眼睛在正常照明（約是指正常的眼睛在正常照明（約5050勒克斯）勒克斯）下下最方便和最習(xí)慣的工作距離最方便和最習(xí)慣的工作距離，它等于，它等于250mm250mm。 11rpARPll它不同于人眼的近點距，兩者不能混淆它不同于人眼的近點距，兩者不能混淆 人眼的人眼的調(diào)節(jié)能力調(diào)節(jié)能力是用遠(yuǎn)點距離的倒數(shù)和近點距是用遠(yuǎn)點距離的倒數(shù)和近點距離的倒數(shù)之差來描述，用離的倒數(shù)之差來描述，用A A來表示，即來表示，即A A稱為稱為眼睛的調(diào)節(jié)范圍或調(diào)節(jié)能力。眼睛的調(diào)節(jié)范圍或調(diào)節(jié)能力。 202

14、2-7-120 10.1Dl 當(dāng)人眼觀察在調(diào)解范圍內(nèi)的某一距離當(dāng)人眼觀察在調(diào)解范圍內(nèi)的某一距離l l 處的物處的物體時，它總能清晰地成像在視網(wǎng)膜上。體時，它總能清晰地成像在視網(wǎng)膜上。 l l 的單位為米，則其的單位為米，則其倒數(shù)倒數(shù)稱為稱為視度視度，單位為，單位為屈光度屈光度如觀察眼前如觀察眼前1010米的物體，對應(yīng)的視度為米的物體，對應(yīng)的視度為 屈光度。屈光度。 1Dl近點距倒數(shù)近點距倒數(shù) 稱為稱為近點視度近點視度。 1pPl在醫(yī)院和眼鏡店通常把在醫(yī)院和眼鏡店通常把1 1屈光度屈光度稱為稱為100100度度。 人眼的調(diào)節(jié)能力隨年齡的增加而變化。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

15、，遠(yuǎn)點位置往近移，近點位置往遠(yuǎn)隨著年齡的增大，遠(yuǎn)點位置往近移，近點位置往遠(yuǎn)移，因而調(diào)節(jié)范圍減少。移，因而調(diào)節(jié)范圍減少。 遠(yuǎn)點距倒數(shù)遠(yuǎn)點距倒數(shù) 稱為稱為遠(yuǎn)點視度遠(yuǎn)點視度， 1rRl2022-7-122正常眼在不同年齡時的調(diào)節(jié)能力：正常眼在不同年齡時的調(diào)節(jié)能力：年 齡(歲) 近點距p(米) (屈光度) 遠(yuǎn)點距r(米) (屈光度) (屈光度) 10 -0.071 -14 0 14 20 -0.100 -10 0 10 30 -0.143 -7 0 7 40 -0.222 -4.5 0 4.5 50 -0.40 -2.5 0 2.5 60 -2.00 -0.5 2.0 0.5 1.00 70 1.00

16、 1.00 0.80 1.25 0.25 80 0.40 2.50 0.40 2.5 0.00 2022-7-1232 2、眼睛的缺陷和矯正、眼睛的缺陷和矯正F正常眼在肌肉完全放松的自然狀態(tài)正常眼在肌肉完全放松的自然狀態(tài)下，能夠看清楚無限遠(yuǎn)處的物體，下，能夠看清楚無限遠(yuǎn)處的物體，即遠(yuǎn)點應(yīng)在無限遠(yuǎn)，像方焦點正好即遠(yuǎn)點應(yīng)在無限遠(yuǎn)，像方焦點正好和視網(wǎng)膜重合和視網(wǎng)膜重合 FF 若不符合這一條件就是若不符合這一條件就是非正常眼，或稱非正常眼，或稱視力不正常視力不正常 F 最常見的有近視眼和遠(yuǎn)視眼最常見的有近視眼和遠(yuǎn)視眼2022-7-124F 所謂所謂近視眼近視眼就是其遠(yuǎn)點在眼睛前方就是其遠(yuǎn)點在眼睛前方有

17、限有限距離處（距離處（r r 0 0 0），近點在），近點在明視距離以外，即明視距離以外，即近點變遠(yuǎn)近點變遠(yuǎn)。 這是由于眼球偏短這是由于眼球偏短晶狀晶狀體曲率太大體曲率太大，像方焦點，像方焦點位于視網(wǎng)膜的之后所致。位于視網(wǎng)膜的之后所致。因此，射入眼睛的光束因此，射入眼睛的光束只有是會聚時，才能正只有是會聚時，才能正好聚焦在視網(wǎng)膜上。好聚焦在視網(wǎng)膜上。 對應(yīng)著正視度，需以對應(yīng)著正視度，需以正透鏡正透鏡來使其遠(yuǎn)點恢復(fù)到無限遠(yuǎn)。來使其遠(yuǎn)點恢復(fù)到無限遠(yuǎn)。 遠(yuǎn)點距遠(yuǎn)點距 的倒數(shù)，表示近視眼或遠(yuǎn)視眼的的倒數(shù)，表示近視眼或遠(yuǎn)視眼的視度視度，單位，單位為屈光度為屈光度D D，醫(yī)院把，醫(yī)院把1D1D稱為稱為10

18、0100度。度。rl 統(tǒng)一思想：先將無限遠(yuǎn)物體成像于遠(yuǎn)點，再經(jīng)遠(yuǎn)點成統(tǒng)一思想：先將無限遠(yuǎn)物體成像于遠(yuǎn)點，再經(jīng)遠(yuǎn)點成像于視網(wǎng)膜：像于視網(wǎng)膜：所需透鏡（即眼鏡）的焦距為：所需透鏡（即眼鏡）的焦距為：rfl 例題例題1 1：一個年齡：一個年齡5050歲的人，近點距離為，遠(yuǎn)點距離為歲的人，近點距離為，遠(yuǎn)點距離為無限遠(yuǎn)，試求他的眼睛的調(diào)節(jié)范圍。無限遠(yuǎn)，試求他的眼睛的調(diào)節(jié)范圍。 例題例題2 2：某人對其眼前：某人對其眼前2m2m遠(yuǎn)的物體看不清，另一人對遠(yuǎn)的物體看不清，另一人對其眼前以內(nèi)的物體看不清，問分別需要配上怎樣光焦其眼前以內(nèi)的物體看不清，問分別需要配上怎樣光焦度的眼鏡才能恢復(fù)正常？度的眼鏡才能恢復(fù)正

19、常？ 例題例題2 2解：解：第一個為近視，所需眼鏡的光焦度為第一個為近視，所需眼鏡的光焦度為10.52D 第二個為遠(yuǎn)視，所需眼鏡的光焦度為第二個為遠(yuǎn)視，所需眼鏡的光焦度為1120.250.5D2022-7-1272022-7-128目視光學(xué)儀器視度調(diào)節(jié)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可以矯正人眼的視覺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不再位于無限遠(yuǎn)，而位于目鏡的前方或后

20、方一定的位置置 這就是目視光學(xué)儀器的視度調(diào)節(jié)這就是目視光學(xué)儀器的視度調(diào)節(jié)2022-7-129物鏡物鏡目鏡目鏡正常眼正常眼近視眼近視眼遠(yuǎn)視眼遠(yuǎn)視眼F眼眼F眼眼F眼眼2022-7-130三眼睛三眼睛輻射接收器輻射接收器人眼還能在不同亮暗程度的條件下工作。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這就是人眼的另一個特性，具有對周圍空間光亮情具有對周圍空間光亮情況適應(yīng)的過程況適應(yīng)的過程 稱為稱為適應(yīng)適應(yīng)（即為（即為瞳孔的調(diào)節(jié)瞳孔的調(diào)節(jié)）。）。適應(yīng)有暗適應(yīng)和亮適應(yīng)兩種，前者發(fā)生在自亮處到適應(yīng)有暗適應(yīng)和亮適應(yīng)兩種，前者發(fā)生在自亮處到暗處時，過程較慢，極限為暗處時，過程較慢，極限為6060分

21、鐘；后者發(fā)生在自分鐘；后者發(fā)生在自暗處到亮處時，過程較快，只需要幾分鐘。暗處到亮處時，過程較快，只需要幾分鐘。 人眼最敏感的波長為，人眼最敏感的波長為，555nm555nm。2022-7-131四、眼睛的分辨率（分辨本領(lǐng)）四、眼睛的分辨率（分辨本領(lǐng)）?人眼的分辨率一般用人眼的分辨率一般用極限分辨角極限分辨角來表示。來表示。 人眼的分辨率是眼睛的重要光學(xué)特性，同時也是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。目視光學(xué)儀器設(shè)計的重要依據(jù)之一。 用其它觀測設(shè)備（如照相機、用其它觀測設(shè)備（如照相機、CCDCCD等）替代人眼等）替代人眼時也可據(jù)此作為參考。時也可據(jù)此作為參

22、考。?眼睛能分辨出兩個非常近的點的能力眼睛能分辨出兩個非常近的點的能力稱為眼睛的分稱為眼睛的分辨率（分辨本領(lǐng)）辨率（分辨本領(lǐng)）2022-7-132四、眼睛的分辨率（分辨本領(lǐng)）四、眼睛的分辨率（分辨本領(lǐng)）?人眼的分辨率一般用人眼的分辨率一般用極限分辨角極限分辨角來表示。來表示。 人眼的分辨率是眼睛的重要光學(xué)特性，同時也是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。目視光學(xué)儀器設(shè)計的重要依據(jù)之一。 用其它觀測設(shè)備（如照相機、用其它觀測設(shè)備（如照相機、CCDCCD等）替代人眼等）替代人眼時也可據(jù)此作為參考。時也可據(jù)此作為參考。?眼睛能分辨出兩個非常近的點的能力眼睛能分辨

23、出兩個非常近的點的能力稱為眼睛的分稱為眼睛的分辨率（分辨本領(lǐng)）辨率（分辨本領(lǐng)）2022-7-133?人眼剛能將兩點分開的視角人眼剛能將兩點分開的視角稱為眼睛的極限分辨角稱為眼睛的極限分辨角?人眼分辨率人眼分辨率與與極限分辨角極限分辨角成反比成反比關(guān)系關(guān)系 現(xiàn)在從現(xiàn)在從兩個不同的角度兩個不同的角度來分析眼睛的極限分辨角的大來分析眼睛的極限分辨角的大小。小。 首先從人眼的視網(wǎng)膜結(jié)構(gòu)上來分析：首先從人眼的視網(wǎng)膜結(jié)構(gòu)上來分析： ?眼睛在看物空間兩點時，這兩點對眼睛眼睛在看物空間兩點時，這兩點對眼睛物方節(jié)點物方節(jié)點的張的張角成為兩點間的角成為兩點間的角距離角距離或稱為或稱為視角視角2022-7-134

24、如果兩個點的像分別落在被如果兩個點的像分別落在被分隔開的兩個視網(wǎng)膜細(xì)胞上，分隔開的兩個視網(wǎng)膜細(xì)胞上，即得到即得到兩個點的視覺兩個點的視覺 由此可見，眼睛的分辨率與視由此可見，眼睛的分辨率與視網(wǎng)膜上兩像點網(wǎng)膜上兩像點距離距離及視覺細(xì)胞及視覺細(xì)胞的的直徑直徑大小有關(guān)大小有關(guān) 當(dāng)兩像點的間距大于（或等于）視覺當(dāng)兩像點的間距大于（或等于）視覺細(xì)胞的直徑時，就認(rèn)為眼睛可以分辨。細(xì)胞的直徑時，就認(rèn)為眼睛可以分辨。 人眼的極限分辨角人眼的極限分辨角可表示為可表示為 1.221.22 0.00055DD2022-7-135 可以看出，極限分辨角不僅與入射光線的波長有可以看出，極限分辨角不僅與入射光線的波長有關(guān)

25、，而且還與眼睛的瞳孔直徑有關(guān)。關(guān)，而且還與眼睛的瞳孔直徑有關(guān)。 = 50 120” = 50 120”； 在在良好的照明條件良好的照明條件下，一般認(rèn)為下，一般認(rèn)為 = 60= 60” = 1 = 1為為人人眼的極限分辨角為眼的極限分辨角為。 在設(shè)計光學(xué)系統(tǒng)時就必須考慮眼睛的分辨率。在設(shè)計光學(xué)系統(tǒng)時就必須考慮眼睛的分辨率。1.221.22 0.00055DD 例題：迎面而來的汽車的兩個頭燈，相距例題：迎面而來的汽車的兩個頭燈，相距1m1m。問，汽。問，汽車在離多遠(yuǎn)時，它們剛能為人眼所分辨？假定人眼瞳車在離多遠(yuǎn)時，它們剛能為人眼所分辨？假定人眼瞳孔直徑為孔直徑為3mm3mm，光在空氣中的波長為，光

26、在空氣中的波長為500nm500nm。作業(yè)：作業(yè)：求人眼可分辨明視距處的最小線距離為多少？求人眼可分辨明視距處的最小線距離為多少？已知人眼已知人眼瞳孔瞳孔直徑直徑D D為為5mm5mm，人眼最敏感的波長為，人眼最敏感的波長為550nm550nm，人眼的明視距離為人眼的明視距離為25cm25cm，視網(wǎng)膜至瞳孔的距離為，視網(wǎng)膜至瞳孔的距離為22mm22mm。解：人眼的極限分辨角為：解：人眼的極限分辨角為：9331.221.22 500 100.2033 103 10radD設(shè)汽車在設(shè)汽車在 遠(yuǎn)時剛能被人眼所分辨，則兩車燈對人眼遠(yuǎn)時剛能被人眼所分辨，則兩車燈對人眼的張角為：的張角為：l1/ 2tan

27、22l得得4918.8lm2022-7-137 經(jīng)常需要將一條直線重合到另一經(jīng)常需要將一條直線重合到另一條直線，但是，條直線，但是，要使兩條直線完要使兩條直線完全重合是不可能的全重合是不可能的 眼睛雖具有發(fā)現(xiàn)一個平面上兩根眼睛雖具有發(fā)現(xiàn)一個平面上兩根平行直線的不重合能力，但也有平行直線的不重合能力，但也有一定的限度一定的限度 這個不重合限度的極限值稱為這個不重合限度的極限值稱為人人眼的瞄準(zhǔn)精度眼的瞄準(zhǔn)精度。 人眼的瞄準(zhǔn)精度一般用人眼的瞄準(zhǔn)精度一般用角度值角度值來表示來表示 五、眼睛的瞄準(zhǔn)精度五、眼睛的瞄準(zhǔn)精度2022-7-138 即即兩線寬的兩線寬的幾何中心線幾何中心線對人眼對人眼的的張角張角

28、小于某一角度值小于某一角度值 時，時，雖然還存在著不重合，但眼睛雖然還存在著不重合，但眼睛已經(jīng)認(rèn)為是完全重合的，這時已經(jīng)認(rèn)為是完全重合的，這時 角度值即為人眼瞄準(zhǔn)精度。角度值即為人眼瞄準(zhǔn)精度。 人眼對于人眼對于線條的變形線條的變形或或兩條線錯開兩條線錯開造成的外形變化或造成的外形變化或比較兩條線寬的比較兩條線寬的變化變化具有很高的靈敏度。形成對眼具有很高的靈敏度。形成對眼睛瞄準(zhǔn)有利的條件。睛瞄準(zhǔn)有利的條件。2022-7-139 瞄準(zhǔn)精度瞄準(zhǔn)精度和和分辨率分辨率是兩個概念。是兩個概念。 又有一定的聯(lián)系，經(jīng)驗證明，又有一定的聯(lián)系，經(jīng)驗證明，人眼的最高瞄準(zhǔn)人眼的最高瞄準(zhǔn)精度約為分辨率的精度約為分辨率

29、的1/61/6至至1/101/10。 1 1、兩實線瞄準(zhǔn)、兩實線瞄準(zhǔn) 60 60 2 2、兩實線端部瞄準(zhǔn)、兩實線端部瞄準(zhǔn)1020 1020 4 4、雙線平分或?qū)ΨQ瞄準(zhǔn)、雙線平分或?qū)ΨQ瞄準(zhǔn)510 510 3 3、叉線瞄準(zhǔn)精度、叉線瞄準(zhǔn)精度510 510 2022-7-140 眼睛在觀察物體時，除了一般的物體特征外，還能夠眼睛在觀察物體時，除了一般的物體特征外，還能夠產(chǎn)生遠(yuǎn)近的感覺，被稱為產(chǎn)生遠(yuǎn)近的感覺，被稱為“空間深度感覺空間深度感覺”六、空間深度感覺和雙眼立體視覺六、空間深度感覺和雙眼立體視覺 單眼或雙眼都能產(chǎn)生這種感覺單眼或雙眼都能產(chǎn)生這種感覺 單眼深度感覺來源：單眼深度感覺來源： 1 1）

30、物體高度已知，它所對應(yīng)的視角大小來判斷其遠(yuǎn)近）物體高度已知，它所對應(yīng)的視角大小來判斷其遠(yuǎn)近 2 2）物體之間的遮蔽關(guān)系和陽光的陰影來判斷它們相對）物體之間的遮蔽關(guān)系和陽光的陰影來判斷它們相對位置位置 3 3）對物體細(xì)節(jié)的鑒別程度和空氣的透明度所產(chǎn)生的深）對物體細(xì)節(jié)的鑒別程度和空氣的透明度所產(chǎn)生的深度感覺度感覺 4 4）眼睛的調(diào)節(jié)程度來判斷物體的遠(yuǎn)近。）眼睛的調(diào)節(jié)程度來判斷物體的遠(yuǎn)近。2022-7-141 雙眼觀察雙眼觀察的深度感覺除上述因素外：的深度感覺除上述因素外： 5 5）物體的距離越近，視軸之間的夾角越大，這種）物體的距離越近，視軸之間的夾角越大，這種感覺使眼球發(fā)生轉(zhuǎn)動的肌肉緊張程度就不

31、同，據(jù)感覺使眼球發(fā)生轉(zhuǎn)動的肌肉緊張程度就不同，據(jù)此就能判斷物體的遠(yuǎn)近；此就能判斷物體的遠(yuǎn)近； 6 6）雙眼立體視覺（簡稱體視）雙眼立體視覺（簡稱體視） 稱為稱為“視差角視差角”ABBABAa2b2a1b1Aa1a22211bababbll2022-7-142其極限值其極限值 稱為稱為“體視銳度體視銳度” 當(dāng)當(dāng)A、B兩點距離不等時，兩點距離不等時， 或或 產(chǎn)生了遠(yuǎn)近的感覺產(chǎn)生了遠(yuǎn)近的感覺 被稱為雙眼立體視覺被稱為雙眼立體視覺 ABmin2211babaABABb2a2a1b1lbABABb2a2a1b1ABmin約為約為10”，有可能達到，有可能達到5”或或3”2022-7-143 當(dāng)物點對應(yīng)的

32、視角差當(dāng)物點對應(yīng)的視角差 等于等于 時，人眼剛時，人眼剛能分辨出它和無限遠(yuǎn)物點之間的距離差別能分辨出它和無限遠(yuǎn)物點之間的距離差別 即反映了人眼可能分辨出物點遠(yuǎn)近的最大距即反映了人眼可能分辨出物點遠(yuǎn)近的最大距離離 人眼瞳孔之間的平均距離為人眼瞳孔之間的平均距離為b b=62mm=62mm，L Lmaxmax稱為稱為立體視覺半徑立體視覺半徑minmin10maxmin0.06220600120010blm2022-7-144 利用儀器觀察物體時，必須采用雙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，這眼儀器來保持人眼的體視能力，這種儀器稱為種儀器稱為“雙眼望遠(yuǎn)鏡雙眼望遠(yuǎn)鏡”和和“雙雙

33、眼顯微鏡眼顯微鏡” 利用體視儀器可以提高人眼的體視利用體視儀器可以提高人眼的體視能力能力 雙眼儀器的體視放大率雙眼儀器的體視放大率 人眼直接觀察時的視角差人眼直接觀察時的視角差眼眼為為 儀眼BABAA-Bbl眼2022-7-145視覺錯覺2022-7-1462022-7-1472022-7-1482022-7-149 7.2 放大鏡放大鏡 物體對眼睛的視角，物體對眼睛的視角，不僅取決于物體的大小不僅取決于物體的大小，還取決，還取決于該于該物體到眼睛的距離物體到眼睛的距離，距離越近視角越大，距離越近視角越大 在近處觀察細(xì)小物體其在近處觀察細(xì)小物體其視角視角小于小于人眼極限分辨角人眼極限分辨角 在

34、遠(yuǎn)處觀察相鄰物體其在遠(yuǎn)處觀察相鄰物體其視角視角小于小于人眼極限分辨角人眼極限分辨角 就需要借助放大鏡、顯微鏡或望遠(yuǎn)鏡將其放大，使就需要借助放大鏡、顯微鏡或望遠(yuǎn)鏡將其放大，使像像的視角的視角大于人眼的極限分辨角大于人眼的極限分辨角 擴大視角是目視光學(xué)擴大視角是目視光學(xué)儀器的第一個要求儀器的第一個要求一、放大鏡的工作原理一、放大鏡的工作原理2022-7-150 因為眼睛通過因為眼睛通過放大鏡放大鏡或或顯微鏡顯微鏡等目視光學(xué)儀器來觀察物等目視光學(xué)儀器來觀察物體時，所看到的是體時，所看到的是在眼睛視網(wǎng)膜上的物體像的大小在眼睛視網(wǎng)膜上的物體像的大小。 放大鏡的放大率應(yīng)為：放大鏡的放大率應(yīng)為： 通過通過放

35、大鏡放大鏡觀察物體時，觀察物體時，物體像的視角物體像的視角 正切正切與與人眼直接觀察該物體時的視角人眼直接觀察該物體時的視角 正切正切之比之比。 這種放大率稱為這種放大率稱為視角放大率視角放大率。 用字母用字母 表示表示tgtgtgtg眼儀 放大鏡的放大鏡的放大率放大率 與眼睛一起使用的目視光學(xué)儀器，其放大作用與眼睛一起使用的目視光學(xué)儀器，其放大作用不能不能由由橫橫向放大率向放大率來表征。來表征。2022-7-151 物體經(jīng)放大鏡成像的簡圖物體經(jīng)放大鏡成像的簡圖 yyABABFFP-ff -xa a x ytg250ytg 虛像虛像AB AB 對眼睛所張的對眼睛所張的視角的正切為視角的正切為

36、眼睛直接去觀察物體時，是將其放眼睛直接去觀察物體時，是將其放在明視距離在明視距離250mm250mm處。此時物體對處。此時物體對人眼張角的正切為人眼張角的正切為2022-7-152 放大鏡的放大率放大鏡的放大率 可由下式求得可由下式求得y a x yy a x ytgtg250250 f xy y a x x f250 將橫向放大率將橫向放大率 代入上式得代入上式得2022-7-153 由此可見，放大鏡的放大率，除了和其由此可見，放大鏡的放大率，除了和其焦距有關(guān)焦距有關(guān)之外，之外，還和還和眼睛離開放大鏡眼睛離開放大鏡的距離有關(guān)的距離有關(guān) f250 在實際使用過程中，在實際使用過程中，眼瞳大致位

37、于放大鏡的像眼瞳大致位于放大鏡的像方焦點的方焦點的附近附近 放大鏡的放大率僅由放大鏡的焦距放大鏡的放大率僅由放大鏡的焦距f f 所決定，所決定，焦距越大則放大率越小。焦距越大則放大率越小。 上式分母中的上式分母中的a a相對于相對于x x而言，是一個很小的值，而言，是一個很小的值，可以略去?？梢月匀ァ?放大鏡放大率的公式，通常采用以下形式放大鏡放大率的公式，通常采用以下形式2022-7-154 一般情況下，眼瞳為孔闌也是出瞳，放大鏡是漸暈一般情況下，眼瞳為孔闌也是出瞳，放大鏡是漸暈光闌。本系統(tǒng)沒有實像面，因此沒有視場光闌。光闌。本系統(tǒng)沒有實像面，因此沒有視場光闌。 2tan/h d 漸暈系數(shù)漸

38、暈系數(shù)K=50%K=50%時，時， 因為放大鏡用于觀察近距離小因為放大鏡用于觀察近距離小物體，故放大鏡的視場通常用物體，故放大鏡的視場通常用物方線視場物方線視場2y2y表示。表示。2022-7-155以以 50% 50% 時的線視場為例，有時的線視場為例，有2050022tanhyfmmd2yh放大鏡直徑大，則視場大放大鏡直徑大，則視場大 12yd人眼離放大鏡距離近，則視場大人眼離放大鏡距離近，則視場大 012y 放大鏡倍率小，則視場大放大鏡倍率小，則視場大 2022-7-156例題：有一焦距為例題：有一焦距為50mm50mm，口徑為，口徑為50mm50mm的放大鏡，眼睛到的放大鏡，眼睛到它的

39、距離為它的距離為125mm125mm，求放大鏡的視放大率和視場，求放大鏡的視放大率和視場250250550f 例題解：視放大率例題解：視放大率500220hymmd線視場為：線視場為：角視場為：角視場為：21022arctan2arctan22.62250yf 2022-7-1577.3 7.3 顯微鏡系統(tǒng)顯微鏡系統(tǒng) 對于工作在對于工作在可見光波長范圍可見光波長范圍的光學(xué)顯微鏡的光學(xué)顯微鏡 按用途區(qū)分按用途區(qū)分，使用量較大的有，使用量較大的有三種三種： 工具顯微鏡工具顯微鏡（主要應(yīng)用于精密機構(gòu)制造工業(yè)等方（主要應(yīng)用于精密機構(gòu)制造工業(yè)等方面進行精密測量）；面進行精密測量）； 生物顯微鏡生物顯微鏡

40、（主要應(yīng)用于生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、農(nóng)學(xué)等（主要應(yīng)用于生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、農(nóng)學(xué)等方面）；方面）； 金相顯微鏡金相顯微鏡（主要應(yīng)用于冶金和機械制造工業(yè)，（主要應(yīng)用于冶金和機械制造工業(yè)，觀察研究金相組織結(jié)構(gòu)）。觀察研究金相組織結(jié)構(gòu)）。 顯微鏡是人眼的輔助工具，顯微鏡是人眼的輔助工具，顯微鏡的顯微鏡的光學(xué)系統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)由由物物鏡和目鏡鏡和目鏡兩個部分組成。兩個部分組成。2022-7-158 一、顯微鏡系統(tǒng)成像原理顯微鏡系統(tǒng)成像原理 顯微鏡和放大鏡顯微鏡和放大鏡起著同樣的作用起著同樣的作用 物鏡物鏡目鏡目鏡F1F1F2BAABA”B”2022-7-159 物鏡物鏡目鏡目鏡F1F1F2BAABA”B” A AB B 位于

41、目鏡的物方焦位于目鏡的物方焦點點F F2 2 上或在很靠近上或在很靠近 F F2 2 的位置上的位置上 此像在經(jīng)目鏡放大為虛像此像在經(jīng)目鏡放大為虛像A A”B B” 后供眼睛觀后供眼睛觀察。察。這說明目鏡與放大鏡的作用一樣。這說明目鏡與放大鏡的作用一樣。 位位于無窮遠(yuǎn)處或明視距離處。于無窮遠(yuǎn)處或明視距離處。2022-7-160 經(jīng)過物鏡和目鏡的兩次放大，所以顯微鏡系統(tǒng)經(jīng)過物鏡和目鏡的兩次放大，所以顯微鏡系統(tǒng)總總的放大率的放大率 應(yīng)該是應(yīng)該是物鏡橫向放大率物鏡橫向放大率 和和目鏡放大率目鏡放大率 e e的乘積。的乘積。 f f x11 物體關(guān)于物體關(guān)于物鏡物鏡成的像成的像A A B B 位于位于

42、目鏡目鏡的物方焦點的物方焦點上或附近，此像相對于物鏡像方焦點的距離為上或附近，此像相對于物鏡像方焦點的距離為 （物鏡和目鏡的光學(xué)間隔），（物鏡和目鏡的光學(xué)間隔）， 設(shè)物鏡的焦距為設(shè)物鏡的焦距為f f1 1, , 則物鏡的放大率為則物鏡的放大率為2022-7-161 物鏡的像被目鏡放大，其放大物鏡的像被目鏡放大，其放大率為率為 fe2250ffe21250 式中：式中： f f2 2 為目鏡的焦距。由此，為目鏡的焦距。由此，顯微鏡系統(tǒng)的顯微鏡系統(tǒng)的總放大率為總放大率為 可見顯微鏡系統(tǒng)的放大率與可見顯微鏡系統(tǒng)的放大率與光學(xué)筒長光學(xué)筒長 成正比成正比，和和物鏡及目鏡的焦距成反比物鏡及目鏡的焦距成反比

43、。 式中有式中有負(fù)號負(fù)號，即當(dāng)顯微鏡系統(tǒng)具有正物鏡，即當(dāng)顯微鏡系統(tǒng)具有正物鏡和正目鏡時（常用這種結(jié)構(gòu)），則整個顯和正目鏡時（常用這種結(jié)構(gòu)），則整個顯微鏡系統(tǒng)給出微鏡系統(tǒng)給出倒像倒像。 2022-7-162 根據(jù)組合光組的焦距公式可知，整個顯微鏡的總根據(jù)組合光組的焦距公式可知，整個顯微鏡的總焦距焦距f f 和物鏡及目鏡焦距之間符合以下關(guān)系：和物鏡及目鏡焦距之間符合以下關(guān)系： ff f21 f250將其代入上式中，則有將其代入上式中，則有它與放大鏡公式具有它與放大鏡公式具有完全相同完全相同的形式。顯微的形式。顯微鏡系統(tǒng)實質(zhì)上就是一個鏡系統(tǒng)實質(zhì)上就是一個復(fù)雜化了的放大鏡復(fù)雜化了的放大鏡2022-7-

44、163二、顯微鏡的機構(gòu)二、顯微鏡的機構(gòu) 物鏡通過轉(zhuǎn)換器旋轉(zhuǎn)物鏡通過轉(zhuǎn)換器旋轉(zhuǎn) 式接到鏡筒的下端面式接到鏡筒的下端面目鏡以插入式接鏡筒的目鏡以插入式接鏡筒的上端面上端面應(yīng)滿足應(yīng)滿足齊焦要求齊焦要求：調(diào)換物：調(diào)換物鏡后，不需再調(diào)焦就能看鏡后，不需再調(diào)焦就能看到像。到像。a. a. 物鏡調(diào)換后，像面不動，物鏡調(diào)換后，像面不動，物面不動物面不動 物鏡共軛距物鏡共軛距不變（不變（195mm) 195mm) b. b. 物鏡像面即目鏡前焦面物鏡像面即目鏡前焦面不動不動在上端面以下在上端面以下10mm10mm處處 c. c. 機械筒長機械筒長上下端面上下端面 之間的距離（之間的距離（160mm160mm），

45、），有的顯微鏡機械筒長可調(diào)有的顯微鏡機械筒長可調(diào) 調(diào)換物鏡（目鏡）后微調(diào)調(diào)換物鏡（目鏡）后微調(diào)焦不可避免，故還必須有焦不可避免，故還必須有微動機構(gòu)微動機構(gòu)2022-7-164雙目鏡筒是通過加反射棱鏡和平行平板實現(xiàn)的，要使兩條光路雙目鏡筒是通過加反射棱鏡和平行平板實現(xiàn)的，要使兩條光路光程相同光程相同 金相顯微鏡的物鏡常用前置物鏡和鏡筒透鏡構(gòu)成，前置物鏡金相顯微鏡的物鏡常用前置物鏡和鏡筒透鏡構(gòu)成，前置物鏡為無窮遠(yuǎn)共軛距的為無窮遠(yuǎn)共軛距的 2022-7-1652022-7-166顯微鏡和放大鏡的比較顯微鏡和放大鏡的比較 具有更大的放大率，二次放大具有更大的放大率，二次放大 人眼離物面較遠(yuǎn)，使用方便人

46、眼離物面較遠(yuǎn)，使用方便 物鏡和目鏡可調(diào)換，從而得到多種放大率物鏡和目鏡可調(diào)換，從而得到多種放大率 具有中間實像面，可放置分劃板，用于測量具有中間實像面，可放置分劃板，用于測量（構(gòu)成測微目鏡）（構(gòu)成測微目鏡） 當(dāng)中間實像當(dāng)中間實像A A位于位于 FeFe之前時，之前時，A A”為實像，可投為實像，可投影到屏上影到屏上。也可用圖像傳感器接收實像，構(gòu)成電。也可用圖像傳感器接收實像，構(gòu)成電子目鏡子目鏡三、顯微鏡三、顯微鏡的光束限制的光束限制 1. 1. 孔徑光闌孔徑光闌 低倍物鏡的孔徑光闌低倍物鏡的孔徑光闌為單組物鏡框本身為單組物鏡框本身高倍物鏡的孔徑光闌高倍物鏡的孔徑光闌多組物鏡的最后一組鏡框，或在

47、多組物鏡的最后一組鏡框，或在 F Fo o處處專設(shè)孔闌專設(shè)孔闌2. 2. 出瞳位置出瞳位置 2effefexx相對于目鏡或相對于目鏡或F Fe e位置差不多，可認(rèn)為位置差不多，可認(rèn)為 x 位置在位置在F F總總上，人眼瞳有可能與之重合，接收所有成像光上，人眼瞳有可能與之重合，接收所有成像光2022-7-1683 3、出瞳大小、出瞳大小出瞳與整個系統(tǒng)的像方焦面重合，設(shè)像方孔徑角出瞳與整個系統(tǒng)的像方焦面重合，設(shè)像方孔徑角U U，則，則tansinaxUxU 滿足正弦條件：滿足正弦條件：sin sinnyUn yU即即 sinsinsinxn anUnUnUff1n 因為因為故故 2 2 sin2D

48、af nUf NA2502500/DNANAsinNAnu2022-7-1694、顯微系統(tǒng)的視場光闌、顯微系統(tǒng)的視場光闌顯微鏡的線視場取決于放在目鏡前焦平面上的視場光闌的大顯微鏡的線視場取決于放在目鏡前焦平面上的視場光闌的大小，物體經(jīng)物鏡就成像在視場光闌上。小，物體經(jīng)物鏡就成像在視場光闌上。2/yD理論上，理論上，D D越大，則越大，則2y2y越大，實際上越大，實際上2y2y很小。因為僅當(dāng)很小。因為僅當(dāng)1210oyf時，才能給出滿意的像質(zhì)。時，才能給出滿意的像質(zhì)。設(shè)視場光闌直徑為設(shè)視場光闌直徑為D，則顯微鏡的線視場為：，則顯微鏡的線視場為：-無漸暈光闌，視場有清晰邊界無漸暈光闌，視場有清晰邊界

49、四、顯微鏡的分辨率和有效放大率四、顯微鏡的分辨率和有效放大率光學(xué)儀器的分辨率受光學(xué)系統(tǒng)中孔徑光闌的光學(xué)儀器的分辨率受光學(xué)系統(tǒng)中孔徑光闌的衍射影響，點光源經(jīng)任何光學(xué)系統(tǒng)形成的像都衍射影響，點光源經(jīng)任何光學(xué)系統(tǒng)形成的像都不可能是一個幾何點，而是一個衍射斑。不可能是一個幾何點，而是一個衍射斑。其圖樣的光環(huán)能量分布曲其圖樣的光環(huán)能量分布曲線見圖所示。線見圖所示。中央亮斑稱為中央亮斑稱為愛里斑愛里斑其上集中了總能量的其上集中了總能量的83.78%接著是第一級暗環(huán)然后是第一級亮環(huán)，其能量是接著是第一級暗環(huán)然后是第一級亮環(huán)，其能量是總能量的總能量的7.22%； 因為光環(huán)的能量主要集中在因為光環(huán)的能量主要集中

50、在愛里斑愛里斑上，上，所以可以把它看作理想系統(tǒng)的點像；所以可以把它看作理想系統(tǒng)的點像；當(dāng)兩個獨立的光強度相當(dāng)兩個獨立的光強度相等的發(fā)光點逐漸靠近時，等的發(fā)光點逐漸靠近時，其在系統(tǒng)像面上的愛里其在系統(tǒng)像面上的愛里斑也逐漸靠近，并開始斑也逐漸靠近，并開始有重疊的部分。有重疊的部分。這就引出光學(xué)系統(tǒng)對相鄰兩物點的分辨問題。這就引出光學(xué)系統(tǒng)對相鄰兩物點的分辨問題。2022-7-172 當(dāng)相鄰兩點的間隔，正當(dāng)相鄰兩點的間隔，正好使一個衍射圖樣中的好使一個衍射圖樣中的愛里斑中心愛里斑中心和另一個圖和另一個圖樣的樣的第一暗環(huán)第一暗環(huán)重合時，重合時，兩個衍射圖樣的光強分兩個衍射圖樣的光強分布曲線相加而得到的合

51、布曲線相加而得到的合成光強分布曲線，兩個成光強分布曲線，兩個極大值之間存在的一個極大值之間存在的一個極小值，能量約為極大極小值，能量約為極大值的值的80%80%。1r暗1瑞利指出：瑞利指出：這種這種合成的衍射圖樣合成的衍射圖樣還是可以看出是還是可以看出是由兩個發(fā)光點構(gòu)由兩個發(fā)光點構(gòu)成的。成的。2022-7-1731r暗1從圖中可看出，兩個從圖中可看出，兩個愛里斑的中心距正好愛里斑的中心距正好是愛里斑的半徑。是愛里斑的半徑。瑞利就以愛里斑半徑或瑞利就以愛里斑半徑或衍射圖樣的衍射圖樣的第一暗環(huán)半第一暗環(huán)半徑徑（r暗暗1）作為）作為 光學(xué)系光學(xué)系統(tǒng)能對無限遠(yuǎn)兩點的像統(tǒng)能對無限遠(yuǎn)兩點的像分辨得開的分辨

52、得開的最小距離最小距離稱稱之為之為瑞利判據(jù)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)。按此判據(jù)，即可確定光學(xué)系統(tǒng)的分辨本領(lǐng)。0.61sinnu2022-7-174顯微系統(tǒng)顯微系統(tǒng)的分辨率是以剛能分辨的兩物點之間的分辨率是以剛能分辨的兩物點之間的距離來表示的，稱為的距離來表示的，稱為最小分辨距最小分辨距?？讖焦怅@（出瞳）P1P2z-Umax1UmaxA-UsinnUsin n由于顯微物鏡滿足正弦條件，即有由于顯微物鏡滿足正弦條件，即有 式中，式中，n像方介質(zhì)的折射率，總是空氣，像方介質(zhì)的折射率，總是空氣，n=1，而，而是是在物空間與在物空間與共軛的線量共軛的線量 2022-7-175 式中，

53、式中， 即為前面所提的顯微即為前面所提的顯微物鏡的物鏡的數(shù)值孔徑（數(shù)值孔徑（NA） NA.Usinn.max610610NAUsinnmax它就是顯微物鏡的它就是顯微物鏡的最小分辨距最小分辨距即即分辨率分辨率，故有，故有 表明表明:顯微鏡的顯微鏡的分辨本領(lǐng)分辨本領(lǐng)取決于所用的取決于所用的光波波長光波波長和和物鏡的數(shù)值孔徑物鏡的數(shù)值孔徑。上式的得出是假設(shè)物點本身發(fā)光，并且兩個發(fā)光點是獨立上式的得出是假設(shè)物點本身發(fā)光，并且兩個發(fā)光點是獨立的（即非相干光源）。的（即非相干光源）。這種情況與實際情況不相符這種情況與實際情況不相符。若考慮部分相干情況，被照明物點所產(chǎn)生的衍射圖樣，若考慮部分相干情況，被照

54、明物點所產(chǎn)生的衍射圖樣，在在滿足瑞利判據(jù)滿足瑞利判據(jù)時，上式中的系數(shù)一般要時，上式中的系數(shù)一般要加以修正加以修正。2022-7-176F這種修正是以這種修正是以道威道威(Dawas)(Dawas)判斷判斷為依據(jù)的。為依據(jù)的。 NA.NA.50610850道威判斷道威判斷：兩個相鄰像點之間的兩衍射斑中心距兩個相鄰像點之間的兩衍射斑中心距為愛里斑半徑時，則能被光學(xué)系統(tǒng)分辨為愛里斑半徑時，則能被光學(xué)系統(tǒng)分辨。應(yīng)應(yīng)充分利用充分利用物鏡的分辨率，使以被顯微鏡物鏡分物鏡的分辨率，使以被顯微鏡物鏡分辨出來的細(xì)節(jié)能同時被眼睛所看清，辨出來的細(xì)節(jié)能同時被眼睛所看清，顯微鏡必須顯微鏡必須有恰當(dāng)?shù)姆糯舐视星‘?dāng)?shù)姆糯?/p>

55、率 便于眼睛分辨的角距離為便于眼睛分辨的角距離為2 4。2022-7-177 設(shè)所使用光線的波長設(shè)所使用光線的波長為為550nm，上式成為，上式成為00029042500002902250.580290.NA.取取2為分辨角的為分辨角的下限下限， 4為為上限上限，則在，則在明視距離明視距離250mm處能分辨開兩點之間的距離處能分辨開兩點之間的距離為為 是顯微鏡像空間被人眼所能分辨的線距離是顯微鏡像空間被人眼所能分辨的線距離換算到換算到顯微鏡的物方顯微鏡的物方，相當(dāng)于顯微鏡的，相當(dāng)于顯微鏡的分辨率分辨率乘乘以以視覺放大率視覺放大率，得到，得到NANA1000500滿足上式的放大率滿足上式的放大率

56、稱為顯微鏡的稱為顯微鏡的有效放大率有效放大率2022-7-178五、顯微鏡的照明系統(tǒng)五、顯微鏡的照明系統(tǒng)(一一)照明系統(tǒng)的設(shè)計原則照明系統(tǒng)的設(shè)計原則照明系統(tǒng)要照明系統(tǒng)要滿足以下滿足以下要求要求：1）保證有足夠的光能；）保證有足夠的光能；2）有足夠的照明范圍和均勻的亮度；）有足夠的照明范圍和均勻的亮度；3）照明光束應(yīng)充滿物鏡的入瞳；）照明光束應(yīng)充滿物鏡的入瞳；4）盡可能減少雜光進入物鏡，以免降低像面）盡可能減少雜光進入物鏡，以免降低像面的對比度；的對比度；5）滿足儀器尺寸布局要求；）滿足儀器尺寸布局要求；2022-7-1792、照明系統(tǒng)的拉赫不變量應(yīng)大于或等于物鏡的、照明系統(tǒng)的拉赫不變量應(yīng)大于或

57、等于物鏡的拉赫不變量，拉赫不變量，即即 根據(jù)上述要求，照明系統(tǒng)在設(shè)計上應(yīng)滿足根據(jù)上述要求，照明系統(tǒng)在設(shè)計上應(yīng)滿足以下兩個以下兩個原則原則： y u nnuyyun0001、光瞳銜接原則、光瞳銜接原則設(shè)照明系統(tǒng)的入瞳位置為光源的位置，則照明系統(tǒng)的出瞳設(shè)照明系統(tǒng)的入瞳位置為光源的位置，則照明系統(tǒng)的出瞳應(yīng)與物鏡的入瞳重合應(yīng)與物鏡的入瞳重合；（二）亮視場的照明方式（二）亮視場的照明方式1、直接照明、直接照明 利用自然光或燈泡照明利用自然光或燈泡照明。2022-7-180 其其缺點缺點是光源亮度的不均勻性將直接反映在物面上，同是光源亮度的不均勻性將直接反映在物面上，同時也不滿足光瞳銜接原則，即聚光鏡的出

58、瞳位置和物鏡時也不滿足光瞳銜接原則，即聚光鏡的出瞳位置和物鏡的入瞳位置不重合。的入瞳位置不重合。電影放映機大多采用這種照明方式。電影放映機大多采用這種照明方式。讀數(shù)顯微鏡中刻線尺或度盤的照明也常采用。讀數(shù)顯微鏡中刻線尺或度盤的照明也常采用。2、臨界照明、臨界照明-光源發(fā)光面通過聚光鏡成像在物面上或其附近的照明方式光源發(fā)光面通過聚光鏡成像在物面上或其附近的照明方式2022-7-181 3、柯勒照明、柯勒照明集光鏡視場光闌孔徑光闌聚光鏡物面這種照明方式克服了臨界照明不均勻的缺點。這種照明方式克服了臨界照明不均勻的缺點。它的構(gòu)成有以下兩個特點：它的構(gòu)成有以下兩個特點：（1）發(fā)光面通過集光鏡成實像。發(fā)

59、光面通過集光鏡成實像。該像面上可安放可調(diào)的孔徑光闌，再經(jīng)聚光鏡成像于物鏡該像面上可安放可調(diào)的孔徑光闌，再經(jīng)聚光鏡成像于物鏡的入瞳位置。因此充分利用了光能并滿足光孔轉(zhuǎn)接原則。的入瞳位置。因此充分利用了光能并滿足光孔轉(zhuǎn)接原則。2022-7-182 柯勒照明系統(tǒng)分為遠(yuǎn)心照明和非遠(yuǎn)心照明?？吕照彰飨到y(tǒng)分為遠(yuǎn)心照明和非遠(yuǎn)心照明。 遠(yuǎn)心柯勒照明特點：遠(yuǎn)心柯勒照明特點：孔徑光闌位于聚光鏡的物方焦面上，組成像方孔徑光闌位于聚光鏡的物方焦面上，組成像方遠(yuǎn)心光路；視場光闌的位置根據(jù)需要選定。遠(yuǎn)心光路；視場光闌的位置根據(jù)需要選定。（2）集光鏡框或其后面附近可安放可變的視場光集光鏡框或其后面附近可安放可變的視場光闌，

60、控制照明視場的大小，避免雜光射入物鏡。闌，控制照明視場的大小，避免雜光射入物鏡。2022-7-183六、顯微鏡的物鏡六、顯微鏡的物鏡 由于顯微鏡要求分辨率高，則數(shù)值孔徑由于顯微鏡要求分辨率高，則數(shù)值孔徑NANA大，放大率要與之大，放大率要與之相適應(yīng)，因而物鏡的放大率也要相應(yīng)匹配，并在規(guī)定機械筒長相適應(yīng)，因而物鏡的放大率也要相應(yīng)匹配，并在規(guī)定機械筒長下使用（例如，下使用（例如，160mm160mm）。生物顯微鏡的標(biāo)本放在載玻片上，）。生物顯微鏡的標(biāo)本放在載玻片上，上面蓋上蓋玻片，在設(shè)計時必須考慮蓋玻片。物鏡的參數(shù)標(biāo)明上面蓋上蓋玻片，在設(shè)計時必須考慮蓋玻片。物鏡的參數(shù)標(biāo)明在外殼上。在外殼上。 隨著

61、放大倍數(shù)由低到高，其結(jié)構(gòu)也相應(yīng)復(fù)雜。低倍物隨著放大倍數(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。雙膠合前片，數(shù)值孔徑更大的阿貝物鏡則需要浸油。 光學(xué)系統(tǒng)的主要參數(shù)是光學(xué)系統(tǒng)的主要參數(shù)是焦距、孔徑和視場焦距、孔徑和視場，在此與，在此與 有關(guān)。有關(guān)。 ,2NAy2022-7-1842022-7-185七、顯微鏡的目鏡七、顯微鏡的目鏡 相當(dāng)于放大鏡，其入瞳就是物鏡的出瞳，其出瞳在相當(dāng)于放大鏡，其入瞳就是物鏡的出瞳，其出瞳在 FeFe稍后處，稍后處，與與 F F重合重合 一

62、般有二片一般有二片( (組組) )：朝向物方的稱：朝向物方的稱向場鏡向場鏡，朝向眼睛的稱，朝向眼睛的稱接目鏡接目鏡。 由 ，要有一定的放大倍率應(yīng)取較小的焦距 250eef 由于物鏡的放大作用，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)。 2022-7-186目鏡還有兩個重要參數(shù)：目鏡還有兩個重要參數(shù)： 1. 1.鏡目距鏡目距接目鏡最后一面到眼瞳（出瞳）的距離，一般要接目鏡最后一面到眼瞳（出瞳）的距離，一般要求求 2. 2.工作距離工作距離向場鏡第一面到目鏡前焦面（物鏡像面）的距向場鏡第一面到目鏡前焦面（物鏡像面）的距離。由于物鏡的像面要安裝分劃板，工作距離應(yīng)保證近視眼觀離。由于物鏡

63、的像面要安裝分劃板，工作距離應(yīng)保證近視眼觀察時不能因調(diào)焦而使目鏡碰到分劃板。察時不能因調(diào)焦而使目鏡碰到分劃板。10倍目鏡倍目鏡 10倍高眼點目鏡倍高眼點目鏡 10倍大視場目鏡倍大視場目鏡 20倍目鏡倍目鏡 顯微鏡和放大鏡的比較 具有更大的放大率，二次放大具有更大的放大率，二次放大 人眼離物面較遠(yuǎn)，使用方便人眼離物面較遠(yuǎn)，使用方便 物鏡和目鏡可調(diào)換，從而得到多種放大率物鏡和目鏡可調(diào)換，從而得到多種放大率 具有中間實像面，可放置分劃板，用于測量具有中間實像面，可放置分劃板，用于測量（構(gòu)成測微目鏡）（構(gòu)成測微目鏡） 當(dāng)中間實像當(dāng)中間實像A位于位于 Fe之前時，之前時，A”為實像，為實像，可投影到屏上

64、。也可用圖像傳感器接收實像，構(gòu)可投影到屏上。也可用圖像傳感器接收實像，構(gòu)成電子目鏡成電子目鏡兩個發(fā)光點兩個發(fā)光點的分辨率的分辨率NAuna61. 0sin61. 0NA50.NA不發(fā)光物體的不發(fā)光物體的分辨率分辨率垂直照射：垂直照射：傾斜照射：傾斜照射：要使已被顯微鏡分辨開的細(xì)節(jié)也能同時被人眼睛所分辨，要使已被顯微鏡分辨開的細(xì)節(jié)也能同時被人眼睛所分辨，必須使顯微鏡的最小分辨距離必須使顯微鏡的最小分辨距離的像的像對人眼構(gòu)成的視對人眼構(gòu)成的視角不小于人眼的視角分辨率。角不小于人眼的視角分辨率。設(shè)設(shè)眼睛容易分辨的角距離為眼睛容易分辨的角距離為2 244，則在明視距離上對，則在明視距離上對應(yīng)的線距離應(yīng)

65、的線距離 為：為：mmmm，得：得：滿足上式的視覺放大率稱為顯微鏡的滿足上式的視覺放大率稱為顯微鏡的有效放大率有效放大率。mmmm00029. 0250400029. 02502mmNAmm00029. 025045 . 000029. 02502:,則值按道威判斷取換算到顯微鏡的物空間把的像，離即為顯微鏡最小分辨距NANANANA1000500:1046523近似寫作（7-30） 例例7-1 7-1 要求分辨相距的兩點，用波長的可見光斜要求分辨相距的兩點，用波長的可見光斜照明，試求此顯微鏡的數(shù)值孔徑。若要求此兩點放照明，試求此顯微鏡的數(shù)值孔徑。若要求此兩點放大后的視角為大后的視角為22，則顯

66、微鏡的視放大率等于多少？，則顯微鏡的視放大率等于多少？-6-40.50.5 550 10=0.7333.75 10NA-4-63.75 10tan1.5 10250人眼放在明視距離處直接觀察這兩點時，張角4-6-6tantan22 2.9 10386.7tan1.5 101.5 10 例例7-2 7-2 一顯微鏡的光學(xué)筒長為一顯微鏡的光學(xué)筒長為150mm150mm，如果物鏡的，如果物鏡的焦距為焦距為20mm,20mm,目鏡的視放大率為目鏡的視放大率為, ,求：求： （1 1）總的視覺放大率；）總的視覺放大率； （2 2）如果數(shù)值孔徑為，問該視放大率是否在適用）如果數(shù)值孔徑為，問該視放大率是否在適用范圍內(nèi)？范圍內(nèi)？ mme150512.5 . 7201500f 牛頓公式：75.935 .125 . 7e 100501 . 01000500帶入上式，得帶入上式，得把把NANANA 例例7-3 7-3 顯微鏡顯微鏡=-200=-200的目鏡焦距為的目鏡焦距為25mm25mm，求顯，求顯微物鏡的垂軸放大率等于多大？如果出瞳直徑微物鏡的垂軸放大率等于多大？如果出瞳直徑D D=1mm=1mm，顯微