典型光學系統(tǒng)演示文稿

1、典型光學系統(tǒng)演示文稿第一頁，共五十九頁。優(yōu)選典型光學系統(tǒng)第二頁，共五十九頁。調(diào)節(jié)肌5、虹彩膜：脈絡膜前方的 彩簾（水晶體前），眼 球前的顏色。8、后室：水晶體后、由視網(wǎng)膜包圍的空間，玻璃液n =1.336。4、脈絡膜：鞏膜內(nèi)側、視網(wǎng)膜外側包圍的黑色膜層，吸 收從視網(wǎng)膜透過的光線，把后室變?yōu)榘凳摇?、瞳孔(Pupil)：虹膜中央圓孔，孔徑光闌，限制進入人眼光通量，D 28mm.7、水晶體(Crystalline lens) ：雙凸透鏡 調(diào)節(jié)肌作用改變水晶體曲率(焦距)，不同距離物均成像于視網(wǎng)膜。 自外層至內(nèi)層的折射率 n 逐漸增大（1.371.41）校正像差第三頁，共五十九頁。(3)盲斑（點）：

2、視神經(jīng)的出口，無感光細胞，視網(wǎng)膜的像被 傳輸至大腦形成視覺。輻射接收器桿狀細胞：對光刺激極敏感， 感光（明暗視覺）.錐狀細胞：感色（色視覺）9、視網(wǎng)膜(Retina)：后室內(nèi)壁、連接脈絡膜的一薄膜，由神經(jīng) 細胞和神經(jīng)纖維構成。 感光和成像的位置。調(diào)節(jié)肌黃斑(Macula)：視網(wǎng)膜中部、黃色橢圓形區(qū)域。 中心凹：黃斑點中心D 0.25mm區(qū)域，密集感光細胞， 視覺最靈敏。第四頁，共五十九頁。二、眼睛共軸光學系統(tǒng)2、視軸：黃斑中心與眼睛光學系統(tǒng)像方節(jié)點的連線。 眼球轉動，使視軸對準觀察物體并成像于黃斑上，視覺最清晰。1、成像過程： 折射球面：外界光線經(jīng)角膜折射 孔徑光闌：瞳孔自動調(diào)節(jié)直徑控制入射光

3、能 變焦系統(tǒng)：水晶體自動調(diào)節(jié)，保證成像于視網(wǎng)膜上 成像面：視網(wǎng)膜3、 視場(角度)水平視場約達160垂直視場約達130最清晰的視場范圍：視軸周圍68第五頁，共五十九頁。3、簡化眼模型角膜頂點視網(wǎng)膜眼睛像方焦點與視網(wǎng)膜重合第六頁，共五十九頁。4、物體經(jīng)眼睛成像于視網(wǎng)膜 視角 ： 人眼對物體大小的感覺，取決于像在視網(wǎng)膜上的大?。?或，視網(wǎng)膜上的像對眼睛光心張角（視角）的大小。 視角取決于物的大小和物距，但是物距必須在近點之外。視角大小超過人眼極限分辨角的物體細節(jié)，才可被分辨。 眼睛的光心O0：眼睛節(jié)點、主點近似看做重合的位置。 （進一步簡化）第七頁，共五十九頁。三、眼睛的調(diào)節(jié)及校正 1、調(diào)節(jié)：眼睛

4、成像系統(tǒng)對任意距離物體成像時， 通過改變水晶體曲率達到自動調(diào)焦的過程。 能清晰調(diào)焦的極限距離：遠點(far point)距離 lr 近點(near point)距離 lp遠點lr(調(diào)節(jié)肌完全放松)近點lp(調(diào)節(jié)肌最大收縮，曲率半徑最小)幼年-7-8cm青中年-14 -40cm （ 明視距離-25cm）老年+200+40cm約-200cm第八頁，共五十九頁。 遠點發(fā)散度（會聚度）： 近點發(fā)散度（會聚度）： 眼睛的調(diào)節(jié)能力：眼睛的視度 眼睛的視度(diopter)： 通常所說的眼鏡度數(shù)對應視度數(shù)值100。第九頁，共五十九頁。2、非正常眼睛及其矯正1）近視眼：無窮遠物點成像于視網(wǎng)膜之前，遠點為有限遠

5、。加正透鏡將遠點校正到無窮遠2）遠視眼：無窮遠物點成像于視網(wǎng)膜之后； 近點變遠，非明視距離。加負透鏡將遠點校正到無窮遠50歲之后， 老花眼！Myopia/NearsightednessHyperopia/Farsightedness第十頁，共五十九頁。例：某60歲老人，裸眼看到的近點距離為-200cm，遠點距離+200mm，估算老人佩戴的遠視眼鏡的視度？ 遠視眼鏡的視度： 眼睛的調(diào)節(jié)能力：第十一頁，共五十九頁。例：已知遠視眼的近點lp=-400mm，需加校正透鏡的光焦度為多大，才能看清眼前250mm處的物體。第十二頁，共五十九頁。手術治療（4）白內(nèi)障：水晶體變?yōu)闇啙岫煌该?。?）散光眼(As

6、tigmatism)： 原因：角膜、或水晶體（兩表面）不對稱，是非球面造成. 此時，眼軸上的物點對應有兩條像線，眼睛在兩個 對稱主截面上的焦距不同，即遠點距離不同。像散 導致不同方向的線條不能同時看清。視度眼睛的散光度：圓柱面透鏡可校正散光第十三頁，共五十九頁。四、眼睛的適應能力 適應：眼睛對周圍空間光亮情況的自動適應程度。明適應：從暗處到亮處 瞳孔自動縮小暗適應：從亮處到暗處 瞳孔自動增大五、眼睛的分辨率 眼睛的分辨能力：人眼能分開最靠近兩個相鄰點的距離. 眼睛的極限分辨角 ：剛能分辨開的兩點對人眼的張角，即人眼最小的視角。 視角：物體對人眼的張角。1、概念第十四頁，共五十九頁。補充：根據(jù)瑞

7、利判據(jù)計算理想光學系統(tǒng)分辨率（波動性）2、人眼的分辨能力 極限分辨角：白天的瞳孔直徑D = 2mm 對應于視網(wǎng)膜上極限分辨距離：0.006mm 約為兩個視神經(jīng)細胞直徑，超過該距離的兩像點可被分辨. 通常認為，白天人眼的極限分辨角： 照明條件變差，瞳孔直徑增大，眼睛系統(tǒng)的像差增大， 分辨能力下降。第十五頁，共五十九頁。六、眼睛的對準精度 對準誤差（人眼的瞄準精度） 偏離置中或偏離重合的線距離或角距離。 對準：垂直于視軸方向上的重合或置中過程。 雙線端部對準單線誤差10叉線對準單線誤差10兩實線對準誤差60單線置中誤差10 20第十六頁，共五十九頁。七、眼睛的景深 2、遠景、近景平面上的物點視網(wǎng)膜

8、上的像為彌散斑對準近景遠景眼瞳Dp1、調(diào)焦（對準）平面上的物點視網(wǎng)膜上的點像若彌散斑可看作一像點，則要求其對人眼張角小于極限分辨角。第十七頁，共五十九頁。若設對準平面到人眼的距離為P，人眼的極限分辨角為，眼瞳直徑為Dp，則遠、近景深分別為：若眼睛調(diào)節(jié)在無限遠，P，則遠、近景深距離為：第十八頁，共五十九頁。四、雙目立體視覺 眼睛除能感受到物體的大小、形狀、亮暗及表面顏色外，還能產(chǎn)生遠近感覺及分辨不同物體在空間的相對位置，這種對物體遠近的估計稱空間深度感覺。 立體視覺-對物體位置的空間分布及對物體的體積感覺。1、雙眼視覺 用雙眼觀察物體時，物在兩眼中各自成像。然后，兩眼的視覺匯合到大腦中產(chǎn)生單一的

9、印象。 形成單一像須滿足一定條件，即：物在兩眼視網(wǎng)膜的像必須位于視網(wǎng)膜的對應點時(位于兩中心窩的同一側)。第十九頁，共五十九頁。2、雙目的立體視覺 雙目的立體視覺分辨兩個物體的相對位置，并可以估計空間物體的相對距離。這是雙眼視覺的重要特性。 兩眼節(jié)點的連線稱為視覺基線(眼基距)，用b表示，注視點A對眼睛兩節(jié)點的張角為立體視差角 1。L不同距離的物體有不同的立體視差角 ，兩者之差，稱立體視差。第二十頁，共五十九頁。體視銳度視差越小，兩物體的縱向相對距離越小。當視差小到某一值min時，眼睛正好能感到兩物體的距離分開，這一min稱為體視銳度(體視靈敏度)。通常人眼：min=3060, 經(jīng)過訓練可達1

10、0, 甚至3。一般情況下，定為10。 顯然：無限遠物體的視差角為0, 若有限距離的另一點的視差角為10, 即該點與無限遠物點的視差為 =10，為人眼的體視銳度，此時，人眼對該有限遠物點有深度感覺。即正好能分辨有限遠和無限遠。例：設人眼基線為65mm, 則此有限遠距離Lm, 稱為體視半徑：位于體視半徑以外的物體，眼睛無法分辨其遠近。第二十一頁，共五十九頁。立體視覺限(閥)-雙眼所能分辨的空間兩點的最短空間深度距離L。 觀察物體時，立體視覺限很大，即對于遠處物體，要有很大的距離差才能分辨出其遠近。 顯然：增大b和減小min，能增大體視半徑Lm，減小立體視覺限L，從而提高體視覺效果。如雙筒棱鏡望遠鏡

11、和某些軍用指揮儀就是為此目的設計的?？梢姡何矬w越遠, 立體視覺誤差越大: 8m100m, 0.7mm1m, 0.05mm250mm。第二十二頁，共五十九頁。設望遠鏡放大率為，儀器基線(兩物鏡中心距)為bi，則通過儀器觀察時，體視銳度：基線長度bi=Kbe，則：上兩式表明：體視半徑比肉眼直接觀察時擴大了倍，而立體視覺閾縮小了倍，從而大大提高了體視效果。第二十三頁，共五十九頁。小 結1、眼睛的結構：角膜、瞳孔、水晶體、視網(wǎng)膜2、簡化眼模型： 眼軸、成像界面、基點基面的位置、孔徑光闌、像平面3、眼睛的調(diào)節(jié)水晶體 遠、近點，調(diào)節(jié)能力，視度，近視、遠視、散光眼及校正4、眼睛的適應瞳孔：明適應、暗適應5、

12、眼睛的分辨率瞳孔 視角、極限分辨角、視網(wǎng)膜上最小的分辨距離6、眼睛的對準精度：對準（誤差），重合、置中7、眼睛的景深第二十四頁，共五十九頁。補充：目視光學儀器眼睛的光心O0：眼睛節(jié)點,主點近似看做重合的位置一、裸眼直接成像：二、眼睛+目視光學儀器： 視角 ： 視角 ： 目視光學系統(tǒng)的視覺放大率： 第二十五頁，共五十九頁。2、眼睛+目視光學儀器：視角可被目視光學儀器放大。 1、裸眼直接成像：視角取決于物的大小和物距(近點之外)， 視角大小超過人眼極限分辨角的物體細節(jié)才可被分辨。 不同的目視光學儀器，通常選擇的物距為：1）放大鏡、顯微鏡：觀察物位于明視距離附近；2）望遠鏡：觀察物位于遠處或無窮遠。

13、觀察物體所需分辨率目視光學儀器的放大率=眼睛分辨率第二十六頁，共五十九頁。焦距以內(nèi)成放大虛像一、放大鏡的成像原理 裸眼直接觀察的視角 ： 使用放大鏡的視角 : 視覺放大率：由垂軸放大倍率公式： 7.2放大鏡（The Magnifying Glass） 第二十七頁，共五十九頁。二、兩種特殊情況 當眼睛調(diào)焦在無限遠：物體放在放大鏡的前焦點上正常視力的眼睛一般調(diào)焦在明視距離，即 虛像位于眼前250mm處，若眼睛緊靠著放大鏡：注意：焦距一般用毫米作單位，式中mm不能漏掉。 原則上，焦距越短放大倍率越高；但因受限于像差并 考慮實用，倍率較大的放大鏡由組合透鏡組成。此視覺放大率作為放大鏡和目鏡的光學常數(shù)。

14、第二十八頁，共五十九頁。各虛線為對應像點成像光束最上沿的光線P1P P2 1、眼瞳孔徑光闌；放大鏡視場光闌、漸暈光闌三、眼睛與放大鏡聯(lián)用觀察近距離小物體 2、漸暈與光束限制第二十九頁，共五十九頁。3、50%漸暈的線視場 當物面放在放大鏡前焦平面上時，像平面在無限遠 線視場為：放大鏡的倍率越大，線視場越小。第三十頁，共五十九頁。 7.2 顯微鏡（Microscope） 顯微鏡系統(tǒng) 第三十一頁，共五十九頁。眼睛一、原理物直接對眼的張角：目鏡：放大物體經(jīng)物鏡所成的像 物鏡：放大實物像對眼的張角：物鏡的垂軸放大率：顯微鏡 視覺放大率：-L第三十二頁，共五十九頁。二、顯微鏡的視覺放大率1、定義：2、顯微

15、鏡的組合焦距： 顯微鏡的放大率與光學筒長成正比，且正比于物鏡與目鏡的焦距的倒數(shù)。與放大鏡的視覺放大率公式相同，故可把顯微鏡看成組合的放大鏡。第三十三頁，共五十九頁。 為得到不同的放大率，顯微鏡的物鏡和目鏡各有幾個組成一套，便于隨時調(diào)換，通常物鏡有4個：3、10 、40 、100 ;目鏡有3個：5、10、15，則顯微鏡的放大率可組成：15、30、45、 50、100、150等12種不同倍率。光學筒長為物鏡像方焦點到目鏡物方焦點間的距離。機械筒長tm指物鏡支承面間的距離，即把物鏡和目鏡取下后所剩鏡筒長度，是固定的，各國各有其標準。我國規(guī)定為160mm。光學筒長隨物鏡焦距不同而改變。其選擇應使顯微鏡

16、滿足齊焦條件：即調(diào)換物鏡時不需要重新調(diào)焦，就能看到物體的像。顯微鏡的機械筒長第三十四頁，共五十九頁。顯微鏡光學機械設計中須做到：不同倍率的物鏡，共軛距（物-像面距離） T相同；物體經(jīng)物鏡所成實像面應有固定位置；目鏡的鏡筒應保證的物方焦面與物鏡實像面重合。這是不同廠家生產(chǎn)的物鏡和目鏡能夠實現(xiàn)互換的前提。第三十五頁，共五十九頁。表1：上海光儀廠XPG偏光顯微鏡的基本參數(shù)物鏡目鏡倍率焦距數(shù)值孔徑NA=nsinu倍率焦距（1）339.5mm0.10（1）5 50mm（2）819.96mm0.25（2）10 25mm（3）454.12mm0.63（4）100（油浸）1.91mm1.32 NA：第三十六頁

17、，共五十九頁。顯微系統(tǒng)的光束限制顯微系統(tǒng)的光闌設置：孔徑光闌：一般情況下，設置為物鏡框；視場光闌：分劃板框。提問：入瞳、出瞳、入窗、出窗各在哪里？孔闌場闌出瞳物鏡目鏡第三十七頁，共五十九頁。 三、顯微鏡的線視場 視場光闌位于目鏡的物方焦平面，設直徑為D。視場光闌的大小應與目鏡的視場角一致顯微鏡的線視場：顯微鏡的線視場為：第三十八頁，共五十九頁。顯微鏡在選定目鏡后，顯微鏡的視覺放大率越大，其在物空間的線視場越小。物鏡因分辨率的要求，有很大的數(shù)值孔徑，因此成像光束很寬，其視場受軸外像差的限制，不能很大，通常，物鏡線視場不超過其焦距的1/20時，成像質(zhì)量是滿足的?？梢?，顯微鏡的視場很小。第三十九頁，

18、共五十九頁。四、顯微鏡的出瞳直徑 像方孔徑角：出瞳直徑D：1、孔徑光闌的位置：1）普通顯微鏡：孔徑光闌是物鏡框；2）測量顯微鏡：孔徑光闌在物鏡像方焦平面上（遠心光路）。2、物鏡的數(shù)值孔徑 正弦條件（消球差、近軸物以大孔徑光束成像的充要條件）孔闌場闌出瞳物鏡目鏡第四十頁，共五十九頁。表2：顯微鏡的視覺放大率、出瞳直徑，和物鏡數(shù)值孔徑 的參數(shù)對比。1.250.650.250.420.542.50刻在顯微鏡物鏡鏡框的參數(shù)：160mm/0.17；40/0.65第四十一頁，共五十九頁。五、顯微鏡的分辨率艾里斑角半徑： 無像差光學系統(tǒng)，物點經(jīng)該系統(tǒng)在像面上得到的不是一個點，而是一個衍射像斑，其光強分布即為

19、孔徑光闌的夫瑯和費衍射圖樣。1、成像系統(tǒng)的分辨本領 艾里斑半徑： 瑞利判據(jù):LS2S2S1S1S1S1第四十二頁，共五十九頁。2、顯微鏡的分辨率 極限線距離nS1S2S1S2顯微物鏡Dn一次實像面（1）剛能被分辨像點間距： 顯微鏡物鏡成像（小視場近軸物）：（2）剛能被分辨的物點間距： 提高分辨率的方法：例：電子束顯微鏡、浸液物鏡第四十三頁，共五十九頁。由瑞利判據(jù)得分辨率：3、道威判據(jù)：兩衍射斑的中心間距為0.85a時， 剛好能被光學系統(tǒng)分辨。物點間距像點間距光學系統(tǒng)的理想分辨率顯微鏡的分辨率主要取決于物鏡的數(shù)值孔徑，與目鏡無關！第四十四頁，共五十九頁。 明視距離觀測：顯微鏡像空間的線距離設眼睛

20、容易分辨的角距離：4、顯微鏡的分辨率與放大率近似: 取=555nm：顯微鏡的有效放大率范圍小結：能夠被物鏡分辨的細節(jié)，要同時被眼睛分辨，要求顯微鏡有 恰當?shù)姆糯舐剩欢@微鏡的有效放大率范圍，又取決于物鏡 的分辨率或數(shù)值孔徑。 道威判斷：顯微鏡物空間的線距離第四十五頁，共五十九頁。附：顯微鏡的分辨率參數(shù)示意圖第四十六頁，共五十九頁。第四十七頁，共五十九頁。1、結構2、視覺放大率3、線視場4、出瞳直徑 物鏡的數(shù)值孔徑：5、 物鏡 分辨率6、顯微鏡的分辨率與有效放大率七、小結波長 555nm1) 瑞利判據(jù)2) 道威判據(jù)：第四十八頁，共五十九頁。望遠系統(tǒng) 無焦系統(tǒng) 重合，光學間隔=0第四十九頁，共五十九頁。1）垂軸放大率2）角放大率 望遠系統(tǒng)放大率與位置無關！ 物理解釋：平行光束的方向變化第五十頁，共五十九頁。應用： 擴束器原理構造1：構造2：望遠系統(tǒng)倒置第五十一頁，共五十九頁。 重合， ，光學間隔=0 垂軸放大率： 角放大率：一、折射望遠鏡 無焦系統(tǒng)： 7.4 望遠鏡(Telescope)第五十二頁，共五十九頁。望遠鏡光路圖(光闌與物鏡重合)出瞳孔闌物鏡場闌目鏡fo-felzDDw-wFo (Fe)第五十三頁，共五十九頁。望遠鏡是目視儀器，其視覺放大率是人眼通過望遠鏡觀察