《典型光學系統(tǒng)》PPT課件.ppt

《《典型光學系統(tǒng)》PPT課件.ppt》由會員分享，可在線閱讀，更多相關《《典型光學系統(tǒng)》PPT課件.ppt（95頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

1、第八章 典型光學系統(tǒng),眼睛及其光學系統(tǒng) 放大鏡 顯微系統(tǒng) 望遠系統(tǒng) 投影系統(tǒng)和照相系統(tǒng) 照明系統(tǒng),8.1 人眼光學系統(tǒng),眼睛是一個完整的成像光學系統(tǒng)，同時又是目視光學系統(tǒng)的接收器，可以看成是整個光學系統(tǒng)的一個組成部分。 1、眼睛結構 2、人眼的調節(jié)和適應 3、人眼的屈光度誤差及其校正 4、人眼的分辨率和瞄準精度 5、雙眼的立體視覺,8.1.1 人眼的結構,人眼的生理結構 人眼的光學結構簡約眼 人眼相當于照相機,,,眼睛簡化成一個折射球面的模型，即簡約眼,簡約眼,簡約眼,,,,n=1.33,n=1.0,,,R =5.56,,,R =9.7,人眼與照相機,眼睛如同一只自動變焦和自動改變光圈大小的照

2、相機。從光學角度看，眼睛中三個最重要的部分是水晶體、瞳孔和網(wǎng)膜，它們分別對應與照相機中的鏡頭、光闌和底片。,8.2 人眼的調節(jié),調節(jié)：眼睛通過睫狀肌作用改變光焦度的大小 以看清不同距離物體的過程稱為調節(jié)。 遠點：眼睛能看清的最遠點稱為遠點，用R表示 近點：眼睛能看清的最近點稱為近點，用P表示 調節(jié)范圍：調節(jié)范圍A表示為遠點距和近點距的倒數(shù)之差 A、R、P的單位是屈光度（D）。,,,眼睛在不同年齡時的調節(jié)能力和調節(jié)范圍,人眼的適應,眼睛能適應不同亮暗環(huán)境的能力稱為適應。 適應可分為明適應和暗適應。前者發(fā)生在由暗處到亮處時，適應時間大約幾分鐘；后者發(fā)生在由亮處到暗處時，適應時間大約30-60分

3、鐘。,p141，表8-3,8.3 人眼的屈光度誤差及其校正,正常人眼完全放松時，眼睛的遠點在無限遠，則稱其為正常眼，反之，稱為非正常眼。非正常眼主要有以下三種類型： 近視眼：遠點距為負值，有限遠 遠視眼：遠點距為正值，有限遠 散光眼： 兩個垂直子午面的遠點距不同,近視眼,遠視眼：,,,,r,散光眼,-r,,,,,,,,,,,第一子午面,第二子午面,8.4 人眼的分辨力,明視距離：人眼在近距離工作時的通常距離 250 MM. 分辨力：眼睛能分辯兩個很靠近的點的能力稱為眼睛的分辨率。 最小分辨角：能夠分辯的最近兩點對眼睛的張角稱為眼睛的最小分辯角：60秒 最小分辨距離：在明視距離處（250MM）

4、最小分辨角對應的線量：0.0725MM。,人眼的瞄準精度,人眼認為標志對目標重合而實際未重合的最大誤差 。 瞄準精度與分辨力成正比，但不等于分辨力。,K與對準方式有關：p143 表8-4,,分辯力和瞄準精度,兩個不同的概念 分辨力是對靜止的兩個點的分辨能力 瞄準精度是對兩個相對運動點重合的判斷。 兩個概念又是相互聯(lián)系的，高的瞄準精度不僅取決于高的分辯力，同時也取決合適的瞄準方式。,8.5 雙眼的立體視覺,8.2 放大鏡,放大鏡概述 放大鏡的工作原理 放大鏡的視放大率 放大鏡的光束限制 放大鏡用作目鏡,8.2.1 放大鏡概述,放大鏡又稱助視鏡，當被觀察物體的細節(jié)對眼睛的張角小于最小分辯角（1）時

5、，眼睛便無法分辯其細節(jié)，只能借助于目視光學儀器將其放大后再去觀察。由此引入視覺放大率。,8.2.2 放大鏡的工作原理圖,,8.2.3 視覺放大率,定義：通過目視光學儀器觀察物體時，其像對眼睛張角的正切與直接看物體時物體對眼睛張角的正切之比 視放大率是一種主觀放大率，不同于前面介紹的三種客觀放大率。,,放大鏡的視放大率,當人眼直接觀察物體時 當人眼通過放大鏡觀察物體時 視放大率,,通常D=250mm,一般有：,當 時 當 時 當 時,,,,,,,（標稱放大率）,（眼睛緊貼放大鏡）,8.2.4 放大鏡的光束限制,放大鏡與人眼組合成一個組合系統(tǒng) 孔徑光闌：人眼瞳孔 視場光闌：放大鏡 視場

6、光闌與物（像面）不重合，必產(chǎn)生漸暈,放大鏡的光束限制圖,,A1,A2,A3,放大鏡的像方視場角,,,,K=1.0,K=0.5,K=0,根據(jù)像方視場角可計算出物方視場的大小。 當像平面在無限遠時，y=ftgw,8.2.5 放大鏡用作目鏡,提高放大鏡放大率的可能性,一般說，我們將 確定為放大鏡的視放大率。 放大率取決于焦距，與焦距成反比。當單透鏡的焦距不能減小時，放大率受到限制，于是，有了顯微鏡。,8.3 顯微系統(tǒng),顯微系統(tǒng)的構成 顯微鏡的成像原理 顯微鏡的視放大率 顯微鏡中的光束限制 顯微鏡的分辨力 顯微鏡的有效放大率 照明系統(tǒng),8.3.1 顯微系統(tǒng)的構成,照明系統(tǒng)成像系統(tǒng) 成像系統(tǒng)= 物鏡

7、目鏡,8.3.2 顯微鏡成像系統(tǒng)工作原理,8.3.3 顯微鏡的視放大率（一）,人眼直接觀察物體 人眼觀察顯微鏡的像 顯微鏡的視放大率,顯微鏡的視放大率（二）,顯微鏡為兩次放大，放大率為兩次放大的乘積 顯微鏡實質上就是一個組合的放大鏡,,對顯微鏡成像的幾點分析,物平面應位于物鏡的物方焦點到兩倍焦距之間，以實現(xiàn)物鏡的一級放大。 物平面應位于整個顯微鏡組合物方焦點以內，并十分靠近物方焦點處，以使得物體經(jīng)顯微鏡成像于250MM以外至處。 顯微鏡可以通過調換不同倍率的物鏡和目鏡，方便迅速地獲得顯微鏡的多種放大率。 顯微鏡因為有中間實像，能實現(xiàn)對物體的瞄準和測量。,8.3.4 顯微鏡的光束限制孔徑光闌,

8、低倍物鏡為單組透鏡，物鏡框為孔徑光闌 高倍物鏡為多組透鏡，后組透鏡框為孔徑光闌 測量顯微鏡用物方遠心光路，孔徑光闌設置在物鏡的像方焦平面上 孔徑光闌經(jīng)目鏡所成的像即為顯微鏡的出瞳，觀察時，眼瞳要與出瞳重合 。 顯微鏡的光束大小常用NA表示,,,,,出瞳直徑與入射光束的大小及放大率有關,顯微鏡的光束限制視場光闌,顯微鏡要求無漸暈，故視場光闌須設置在物鏡實像平面上。,帶入8-24，得：,8.3.5 顯微鏡的分辨力,顯微鏡的分辨力取決于光學系統(tǒng)對光的衍射狀況。 根據(jù)瑞利判斷，兩個相鄰像點之間的間隔等于艾里斑的半徑時，則能被光學系統(tǒng)分辨。 顯微鏡的分辨力用所能分辨的物方最小距離表示 NA：數(shù)值孔徑 是

9、光學系統(tǒng)的重要參數(shù),,,提高顯微鏡分辨力的可能性,顯微鏡的分辨力主要取決于顯微物鏡的數(shù)值孔徑NA 提高數(shù)值孔徑的方法是增大孔徑角，物方孔徑角U最大可達6070，因此，顯微物鏡屬于大孔徑系統(tǒng)。 提高數(shù)值孔徑的另一方法是提高物方空間的折射率，“油浸物鏡”便是用于這一目的。（如杉木油或二碘甲烷等），可使數(shù)值孔徑達到1.5 光學顯微鏡的極限分辨距約為 。,/3,提高顯微鏡分辨力的可能性,提高顯微鏡分辨率的另一途徑就是用電子束來代替光。根據(jù)德布羅意的物質波理論，運動的電子具有波動性，而且速度越快，它的“波長”就越短。 電子顯微鏡是20世紀最重要的發(fā)明之一。由于電子的速度可以加到很高，電子顯微鏡的分辨率可

10、以達到納米級（10-9M）。,8.3.6 顯微鏡的有效放大率,【例題8-1】：如果要求讀數(shù)顯微鏡的瞄準精度為0.001MM，求顯微鏡的放大率。,解： 人眼直接觀察0.001MM的物體所對應的視角為 人眼的視角分辨力為60，因此要求顯微鏡的視放大率為,,,分析,如果使用10的目鏡，則根據(jù)公式可以求得物鏡的放大倍數(shù)為 由此可知，使用一個8的顯微物鏡即能滿足要求。,,為了輕松觀察，可將實際放大倍率取150 ，若目鏡放大倍率15 ，則應選擇物鏡10 ,8.3.7 照明系統(tǒng),臨界照明 柯勒照明,臨界照明（阿貝照明）,光源 物面（特點：窗對窗）不均勻 優(yōu)點：亮度高，結構簡單 缺點：照度不均勻,,把光

11、源的像成在物平面上，可使物體最大程度的接收到光源的照明。,柯勒照明,柯勒鏡：照明系統(tǒng)的入瞳（瞳對窗） 聚光鏡：把孔徑光闌成像在顯微鏡物面上，把視場光闌成像在顯微鏡入瞳處 物面：顯微鏡的入窗（窗對瞳） 優(yōu)點：照度均勻 缺點：結構復雜,兩組鏡頭構成：,照明系統(tǒng)與成像系統(tǒng)的匹配,照明系統(tǒng)與成像系統(tǒng)的配合應注意兩點： 瞳窗要銜接，這樣既能保證物體的照明范圍又可以充分利用光能 照明系統(tǒng)必須提供被照物體有足夠的孔徑角，能滿足成像系統(tǒng)的數(shù)值孔徑，以確保成像系統(tǒng)的性能。,8.3.8 顯微鏡應用的拓展,從對物體成像的特點來分，對近距離成像的光學系統(tǒng)都可以歸類于顯微鏡，近代顯微鏡常在系統(tǒng)中加入其它鏡組，以擴大

12、顯微鏡的功能。,無限筒長的顯微物鏡,優(yōu)點：物鏡和輔助物鏡之間是平行光，有利于裝配和調整，可以在其間加入棱鏡、濾光片和偏振片，而不會引起像點位置的變化及產(chǎn)生雙像、疊影等。,,,,,,,,,,,物鏡 輔助物鏡,,,,,焦度計,激光共聚焦顯微鏡,顯微攝影系統(tǒng)顯微鏡與攝影系統(tǒng)組合,攝影物鏡直接置于目鏡的后方，使目鏡所成的虛像，成像在照相底片或CCD上。 攝影物鏡直接代替目鏡，該目鏡稱為攝影目鏡，為使整個共軛物像距不致于太大，目鏡應設計成負光組。,數(shù)字顯微鏡,顯微物鏡的像面上，直接放置CCD接收器，連接到計算機上，還可以對顯微鏡的圖像進行測量和實時處理，圖像的大小也可以通過CCD靶面上的象素面積計算出

13、來,,,,,,,,,,,,,習題（P.174頁第5題）,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,100,8.4 望遠系統(tǒng),望遠系統(tǒng)的組成 望遠系統(tǒng)的放大率 望遠系統(tǒng)的分類及特點 望遠系統(tǒng)的分辨力 望遠系統(tǒng)的有效放大率 望遠系統(tǒng)的光束限制 望遠鏡的輔助系統(tǒng) 目鏡,8.4.1 望遠系統(tǒng)的組成及工作原理,組成：物鏡+目鏡 特點：物鏡的像方焦點重合于目鏡的物方焦點。無焦系統(tǒng),改變目鏡位置可以觀察近距離物體,望遠系統(tǒng)的分類,開普勒型 特點：目鏡焦距為正光組，有中間實像，成倒像 結構長 伽利略型 特點：目鏡焦距為負光組，無中間實像，成正立像 結構短,開普勒型,伽利略型,8.4.2 望遠系統(tǒng)的視覺放大

14、率,人眼直接觀察時物體對人眼的張角與物體對儀器的張角相等 望遠系統(tǒng)的視放大率等于儀器的角放大率 視放大率還可以表示為,8.4.3 望遠鏡的分辨力,理論極限分辨角（瑞利判據(jù)） 望遠鏡的分辨力取決于入瞳直徑D（MM）,=120/D,(道威判據(jù)）,有效放大率和工作放大率,有效放大率：是指望遠系統(tǒng)的分辨角經(jīng)放大后也恰能被人眼極限分辨角分辨的放大率，即望遠系統(tǒng)的分辨率與人眼分辨率相匹配的放大率。 工作放大率：是指滿足人眼極限分辨率23倍時的放大率. 相對孔徑：D/F 。 F 為物鏡焦距， D為入瞳直徑,=60/=D/2.3,=D,【例

15、題】 經(jīng)緯儀望遠鏡滿足視覺放大率，使用夾線瞄準形式，求望遠鏡的瞄準精度。,解：夾線瞄準形式下眼睛的瞄準精度 則望遠鏡的瞄準精度,,,8.4.4 望遠系統(tǒng)的光束限制,孔徑光闌 ：望遠鏡的物鏡框就是孔徑光闌，也是入瞳，出瞳位于目鏡像方焦點外側附近。 視場光闌 ：物鏡像方焦面上的分劃板是視場光闌，直徑為： 或：,,,開普勒型和伽利略型光束限制的比較,孔徑光闌： 物鏡框 眼瞳 視場光闌： 分劃板 物鏡框（有漸暈） 漸暈光闌： 目鏡 視場大小：,,,,,,,,,,類型： 開普勒型 伽利略型,8.4.5 望遠鏡中的輔助系統(tǒng)轉像系統(tǒng),透鏡轉像 一般有兩種形式，單組正透鏡和雙組正透鏡 棱鏡轉像,

16、透鏡轉像系統(tǒng),,,,,,,,,,,,,單透鏡組轉像,,,,,,,,,,,,,,,,雙透鏡組轉像,棱鏡轉像系統(tǒng),8.4.6 望遠鏡中的輔助系統(tǒng)場鏡,場鏡是一個正透鏡組，將其放置在物鏡的焦面上，可以在不改變系統(tǒng)放大率的前提下，改變軸外光束的走向，降低其在目鏡上的高度，或讓更多的光線通過系統(tǒng)，,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,場鏡,物鏡,目鏡,目鏡,目鏡的放大率 目鏡的孔徑與視場 目鏡的視度調節(jié),目鏡的放大率,目鏡相當于放大鏡 將位于焦點附近的物體成像于無限遠至250MM處。,目鏡的孔徑和視場,目鏡用反向光路來分析 入瞳即為望遠系統(tǒng)的出瞳，略大于人眼的瞳孔直徑，焦距為25MM左右。 目鏡相

17、對孔徑 較小，屬小孔徑系統(tǒng) 目鏡視場為 較大，屬大視場系統(tǒng),目鏡的視度調節(jié),目鏡的調節(jié)是為了適應不同視度的人眼需要 目鏡的前后調節(jié)可以讓物體的物距發(fā)生變化而獲得不同遠近距離的像，與人眼的遠點距相匹配。 目鏡的調節(jié)量,8.5 照相和投影系統(tǒng),攝影（照相）系統(tǒng) 包括光學照相機、電視攝像機、CCD攝像機和數(shù)碼照相機等 投影系統(tǒng) 幻燈機、書寫投影儀、液晶投影儀、放映機等,8.5.1 照相系統(tǒng),組成 由攝影物鏡和感光器件組成 感光器件：感光膠片、CCD、電子光學變像管、 電視攝像管 物鏡 主要參數(shù)：焦距：F ； 視場： ； 相對孔徑： 或光圈數(shù)：,攝影物鏡（一）,焦距 焦距

18、決定成像的大小比例 拍攝遠處物體 拍攝近處物體 航攝鏡頭的焦距可達數(shù)百毫米甚至數(shù)米,,,攝影物鏡（二）,相對孔徑 相對孔徑?jīng)Q定像面照度 中心 邊緣 光圈分值的方法：每增大一擋光圈值，對應的像平面照度依次減半。光圈值按公比 的等比級數(shù)變化,,,,,攝影物鏡（三）,視場 視場決定攝影系統(tǒng)成像的范圍，視場的大小由物鏡的焦距和接收器的尺寸決定。 長焦距和短焦距物鏡分別稱作遠攝物鏡和廣角物鏡。普通照相機標準鏡頭的焦距介于兩者之間,,,,,,,常用接收器規(guī)格,同一視場采用不同的接收器，要求的物鏡焦距也不相同。膠片的尺寸大，要求物鏡的焦距也大。CCD接收器小，鏡頭焦距也小。使用 6-1

19、5MM 鏡頭和一定大小CCD的數(shù)碼相機與使用 28-72MM鏡頭的傳統(tǒng)膠卷相機的視場范圍可以是完全一樣的。使問題更復雜化的是，數(shù)碼相機中使用的CCD 大小并非完全一樣。一般人使用 135MM 膠卷的相機時，很容易根據(jù)視場要求選擇鏡頭的類型。為使數(shù)碼相機的此參數(shù)也容易識別，許多制造商都將CCD鏡頭的焦距用等價135MM膠片的焦距來標稱，稱作等價135MM典型的值。,普通相機與數(shù)碼相機鏡頭的等價焦距,分辨力,攝影系統(tǒng)的分辨率是以像平面上每毫米內能分辨開的線對數(shù)來表示，其大小取決于物鏡的分辨率和接收器的分辨率。 攝影膠片的分辨力很容易達到200L/MM，CCD的分辨力取決于象素的大小，目前CCD的

20、象素尺寸為614微米，對應的線對數(shù)為8535L/MM。,,,,,攝影物鏡的調焦,對不同距離的物體成像時，要保證像面位置不變，需要改變物鏡位置，這一過程稱為調焦 外調焦 整組調焦 前組調焦 內調焦,例題,有一照相物鏡，焦距為50 MM，拍攝不同距離時需進行調焦。當拍攝距離為1M時，計算物鏡相對于拍攝距離時的調焦距離和方向。,例題,上例中 若整組物鏡由前片和后片組成，采用物鏡中的前片進行調焦，設前片的焦距為 MM 。計算相對于拍攝距離時的調焦距離和方向 。,,例題,兩透鏡組成的系統(tǒng)，F(xiàn)1=500MM， F2=-400MM ，兩透鏡間距D =300MM，求組合透鏡的焦距。若用透鏡觀察200M處的物體，負透鏡應如何移動調焦才能使得像面的位置不變，此時透鏡組的焦距又為多少,8.5.2 投影系統(tǒng),組成 照明系統(tǒng)投影物鏡 照明系統(tǒng)：大多數(shù)采用柯拉照明方式 投影物鏡： 主要參數(shù)：放大率 焦距 相對孔徑 視場,投影物鏡的光學參數(shù),垂軸放大率由銀幕尺寸對圖片尺寸之比確定 焦距 視場 相對孔徑,,,,,