典型光学系统与设计共53页文档

立体视
觉半径
L m a b x m i6 nm 2 2 m 01 6 '' 0 1 22 m 60 50 式(7-9)
★ 立体视觉半径以外的物体，人眼不能分辨其远近。 ★ 在某些情况下，观察点虽在体视半径以内，仍有可能不产生 或难于产生立体视觉。 （1）若两物体（例如线）位于两眼基线的垂直平分线上，由于 此时的像不位于视网膜的对应点，在目视点以外的点产生双 像，破坏立体视觉。此时只要把头移动一下,便可恢复立体视觉.
第二节 放大镜
一、视觉放大率
★ 人眼感觉的物体大小取决于其像在视网膜上的大小，由于 眼睛光学系统的焦距是一定的，故也取决于物体对人眼所张的 视角大小。
★ 被观察的物体细节对眼睛节点的张角大于眼睛的分辨率 60″时，眼睛才能分辨。
★ 目视光学仪器的基本工作原理：物体通过这些仪器后，其 像对人眼的张角大于人眼直接观察物体时对人眼的张角。
▲ 散光
若水晶体两表面不对称，则使细光束的两个主截面的光线不
交于一点，即两主截面的远点距也不相同，视度Rl≠R2，其差作 为人眼的散光度AST 。
ASTR1R2
式（7-3）
散光的校正——为校正散光可用柱面或双心柱面透镜。
用两正交的黑白线条图案可 以检验散光眼。由于存在像散， 不同方向的线条不能同时看清。 具 有 0.5D 的 像 散 不 足 为 奇 ， 不 必校正。
六、眼睛的景深
眼睛的景深：当眼睛调焦在某一对准平面时，眼睛不必调节 能同时看清对准平面前和后某一距离的物体,称作眼睛的景深。
远景平面
对准平面
近景平面
对准平面P上物点A在视网膜上形成点像A’，在远景平面Pl和 近景平面P2上的A1和A2在视网膜上形成弥散斑，弥散斑的大小 对应人眼的极限分辨角ε。所以A1和A2在视网膜上形成的像等 效于对准平面上ab两点在视网膜上形成的像a’b’，因节点处的

• 相对孔径：D/F ’。 F ’为物镜焦距，
第67页D/共为94页入 瞳 直 径
【例题】 经纬仪望远镜满足视觉放大率，使用夹线瞄 准形式，求望远镜的瞄准精度。
近点距 (cm)
-7 -10 -14 -22 -40 -200 100 40
远点距 （cm)
200 80 40
A=R-P (屈光度)
14
107ຫໍສະໝຸດ 4.5 2.510.2 5
0
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人眼的适应
眼睛能适应不同亮暗环境的能力称为适应。
适应可分为明适应和暗适应。前者发生在由暗 处到亮处时，适应时间大约几分钟；后者发生在 由亮处到暗处时，适应时间大约30-60分钟。
• 人眼的生理结构 • 人眼的光学结构——简约眼 • 人眼相当于照相机
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简约眼
眼睛简化成一个折射球面的模型，即简约眼
折射面的曲率半径 像方介质的折射率 网膜的曲率半径 物方焦距 像方焦距 光焦度
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5.56mm 1.333 9.7 mm -16.70mm 22.26 mm 59.88D
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• 定义：通过目视光学仪器观察物体时，其像 对眼睛张角的正切与直接看物体时物体对眼 睛张角的正切之比
• 视放大率是一种主观放大率，不同于前面介 绍的三种客观放大率。
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放大镜的视放大率
• 当人眼直接观察物体时
通常D=250mm
• 当人眼通过放大镜观察物体时
• 视放大率
近视眼
-r
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远视眼：
r
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散光眼
-r -r

0＝D/f '＝250/f '
＝2501 P' f' f'
第七章典型光学系统_工程光学
3
4. 关于显微镜系统：
1）组成（光学结构特点）、成像关系、
光束限制（生物显微镜和测量显微镜）
2）视觉放大率公式： ttg g' f2'05f '0 e e Г＝250/f '
3）线视场公式：
50tg0' 50tg0'
4）有效分辨率和第七工章典作型光分学系辨统_工率程光：学
6
7. 关于摄影系统：
1）组成（光学结构特点）、成像关系、
光束限制
2）摄影物镜的3个主要参数及其影响作用：
焦距f ’（像的大小）、相对孔径D/f ’（像面照度、分 辨率）和视场角2（成像的范围）
3）分辨率公式：1/N＝1/NL＋1/Nr
NL＝1/σ＝D/1.22λf ’
第七章典型光学系统_工程光学
7
4）光圈的定义及其与孔径光阑、分辨率、 像面照度、景深的关系： 光圈数：F＝f’/D， 光圈F, 光圈2a,光圈
分辨率，光圈像面照度 ，光圈 景深
5）景深公式及其影响因素：
2a, P, f’
6）摄影物镜的种类：（5种）
普通、大孔径、广角、远摄、变焦距
第七章典型光学系统_工程光学
第七章典型光学系统_工程光学
第七章 典型光学系统
1.正常眼、近视眼和远视眼的定义和特征是什 么？应如何校正非正常眼？调节能力的计算 公式是什么？
2.什么是视觉放大率？表达式及其意义？它与
光学系统的角放大率有何异同？
y'i l'tg' tg' y'e l'tg tg

物镜
分划板 目镜
当物体在有限远时，移动物镜中的一块负透镜，使物镜所成的像 仍然在固定的分划板处。这种系统就称为内调焦系统。该系统尺 寸小，携带方便，密封性能好，在大堤测量仪器中多采用此光路
（二）反射式望远物镜
• 天文望远镜常用反射式物镜。
❖目前，多采用双反射系统来做为天文望远镜的物镜。
❖比较著名的双反射系统由两种：卡塞格林系统和格列果 里系统。 ❖卡塞格林系统是由两个反射镜组成，主镜是抛物面，副 镜是双曲面，所成的是倒像，这种结构的筒长比较短。
5、广角目镜
• 广角目镜是为适应大视场系统而设计的。 ❖由于视场角增大，场曲也随之增大。
❖为了保证像差的要求，目镜的结构必须复杂化，
❖或在系统中加入负光焦度的透镜；
❖或增加正透镜组的数目，是光焦度分散。
❖下图是两种视场在60°以上的广角目镜，接目镜用两块 透镜代替。
I型
出瞳
II 型
出瞳
• 所以与同倍其它物镜相比，其结构形式比较复杂。
❖下图是工具显微镜1X物镜的两种结构。视场20mm，工作距离 80mm，数值孔径0.03。 孔径光阑
❖下图是工具显微镜3X物镜的结构。视场分别为6.7mm，工作距 离80mm，数值孔径0.09。
孔径光阑
下图是工具显微镜10X物镜的结构。视场2mm，工作距离20mm， 数值孔径0.16。
副镜
F’ 主镜
格列果里系统也是有两个反射面组成，主镜仍为抛物面，副镜 改为椭球面，所成的像正像,这种结构的筒长比较长。
主镜
副镜 F’
（三）折反射系统
反射系统对轴外像差的校正是很困难的。 理想的折反射系统中反射镜应该是非球面型的，但加工 比较困难。
折反射型望远物镜比较典型的有施密特物镜和马克苏托夫物镜

D' l'z D lz
[例7-4] 有一显微镜，物镜的放大率β=-40×，目镜的倍率 为Γe=15（均为薄透镜），物镜的共轭距为195mm，求物 镜和目镜的焦距、物体的位置、光学筒长、物镜和目镜的间 距、系统的等效焦距和总倍率。
解： 已知物镜的共轭距L=195mm和放大率β=-40×
11 1
l' l f0'
眼睛的视角分辨率相适应，即光学系统的放大率和被观察物体所
需的分辨率的乘积等于眼睛的分辨率。
五、眼睛的对准精度
对准：是指在垂直于视轴方向上的重合或置中过程； 对准误差：对准后，偏离置中或重合的线距离或角距离。
六、眼睛的景深
当眼睛调焦在某一对准平面时，眼睛不必调节 能同时看清对准平面前和后某一距离的物体， 称作眼睛的景深。
设艾里斑的半径为 a,则 :
a 0.61 n'sin u'
道威判断：两个相邻像点之间的两衍射斑中心距为 0.85a 时，则能被光学系统分辨。
设显微镜能分辨的物方两点间最短距离为
由瑞利判断可得：
a 0.61 0.61 n sin u NA
（7-28）
由道威判断或得：
0.85a 0.5 NA
眼睛的调节能力：用能清晰调焦的极限距离表示， 即远点距离lr和近点距离lp。以远点距离lr和近点 距离lp的倒数差来度量：
1 1 RP A lr lp
(7-1)
正常眼：眼睛的像方焦点F’与视网膜重合； 远点位于人眼前无限远处。
近视眼：眼睛的像方焦点F’位于视网膜前方； 远点位于人眼前有限距离处。
开普勒望远镜746三望远镜的视场孔径光阑渐晕光阑y为分划板半径2一般在1015伽利略望远镜孔径光阑视场光阑例76有一架开普勒望远镜视觉放大率为6物方视场角28出瞳直径d5mm物镜和目镜之间距离l140mm假定孔径光阑与物镜框重合系出瞳距离目镜口径分划板直径物镜口径和目镜焦距物镜焦距目镜的作用类似于放大镜把物镜所成的像放大在人眼的远点或明视距离供人眼观察其光学特性参数有

视角分辨率；D’<2.3mm，衍射分辨率低于视角分辨率； • 仪器的使用条件也对出瞳直径有要求，例如：震动的时
候出瞳直径更大。
4
出瞳距离
l
' z
• 为了避免观察眼睫毛碰到镜面，要求不小于6mm • 军用的不小于20mm
二、技术条件
分辨率： 视差角：
K 140" D
(K一般在1.05-2之间)
• 当像方视场角一定时，放大率越大物方视场越小。
• 出瞳要与眼瞳匹配，当放大率大时入瞳增大导致镜筒增大。
①、视放大率和分辨率的关系 α＝60″/ Г ， α＝ 140”/D
②、有效放大率（正常放大率）：望远镜的正常放大率 应使望远镜能分辨的眼睛也能分辨 60″/Г＝ 140”/D, Г效＝D/2.3
四、望远镜的转像系统
开普勒望远镜成倒像，用于观察时要加转像系统。
1.棱镜转像系统：一般要求偶数个棱镜，利于减小筒长。
解：
7.54 120
D1 D’1
D2 D’2
l1
l2
l3
240
2. 透镜转像系统：
在物镜的实像平面后面，使倒像再一次倒转成为正像的透 镜系统。有单组和双组两种形式。 适用于筒长较长时 单组透镜转像系统，对于1倍单组转像透镜，筒长加长 了4倍转像透镜的焦距。
⑤出瞳(看作薄透镜处理)
lF' xF'
⑥目镜直径 设无渐晕 ，
f2'
f2' f2 f1'
f2'
10.42mm
De D'2lF' tg' 9.86mm
⑦视差调节，设调节 ±5屈光度，
b 5 f2'2 0.5mm 1000

典型光学系统与设计
11、用道德的示范来造就一个人，显然比用法律来约束他更有价值。—— 希腊
12、法律是无私的，对谁都一视同仁。在每件事上，她都不徇私情。—— 托马斯
13、公正的法律限制不了好的自由，因为好人不会去做法律不允许的事 情。——弗劳德
14、法律是为了保护无辜而制定的。——爱略特 15、像房子一样，法律和法律都是相互依存的自命不凡。——邓拓 12、越是无能的人，越喜欢挑剔别人的错儿。——爱尔兰 13、知人者智，自知者明。胜人者有力，自胜者强。——老子 14、意志坚强的人能把世界放在手中像泥块一样任意揉捏。——歌德 15、最具挑战性的挑战莫过于提升自我。——迈克尔·F·斯特利

f1 tg
f 2 tg
f1 tg tg f 2 D D D 2 f1 2 f 2 D
1、D 为望远镜的入射光瞳直径 ；D‘ 为望远镜的出射光瞳直径 ； 2、望远镜的视觉放大率决定于望远系统的结构。
三、分辨率及工作放大率
2y
4、显微镜的景深
2 y
物
nf 250 mm n 2dx NA NA
显微镜的放大率越高，数值孔径越大，景深越小。
三、显微镜的分辨率和有效放大率
1、分辨率（用分辨距离σ 表示）
1）两个发光点的分辨率：
1.22 0.61 2n sin U NA
这些特性参数决定了望远镜的分辨率，像的主观亮度，和系统的 外形尺寸。
2）物镜的焦距 f1 ：在目镜焦距 f 2 选定后，由视觉放大率决定； 3）望远物镜需校正的主要象差：有球差、色差和正弦差； 4）物镜后有 透镜转象系统时，二者可分别校正象差； 棱镜转象系统时，必须用物镜和棱镜的象差互相补偿。
2、望远目镜
五、显微目镜
主要光学特性参数有： 1、视觉放大率：
250 0 f目
2、目镜的线视场（由视场光阑的大小决定）
3、镜目距（出瞳距离）： l Z 6mm
4、目镜的通光口径： 由渐晕系数及几何关系决定。
习题2：一个显微镜物镜的垂轴放大倍率为-3倍，数值孔径为
0.2，共轭距L为180毫米，物镜框为孔阑，目镜焦距为30毫米，求：
0.5 NA
设所用照明的平均波长为0.00055mm， 有
近似为： 显微镜的放大率取决于物镜的分辨率或数值孔径。当使用比有效 放大率下限(500NA)更小的放大率时，不能看清物镜已分辨出的某些 细节。若用比有效放大率上限(1000NA)更高的放大率，是无效放大， 并不能使被观察物体的细节更清晰。