1、第六章第六章 光学系统设计光学系统设计v第一节第一节 光学系统的组成与特点光学系统的组成与特点 v第二节第二节 人眼和光电探测器人眼和光电探测器 v第三节第三节 光源及照明系统光源及照明系统v第四节第四节 放大镜放大镜 v第五节第五节 显微系统显微系统 v第六节第六节 望远系统望远系统 v第七节第七节 投影系统和照相系统投影系统和照相系统 v第八节第八节 光电系统光电系统 参数参数v第九节第九节 相干变换与检测系统设计相干变换与检测系统设计v第十节第十节 光电系统设计举例光电系统设计举例激光干涉仪的设计激光干涉仪的设计第一节第一节 光学系统光学系统 的组成与特点的组成与特点v光学系统本质上是一
2、种传递信息的工具，其光学系统本质上是一种传递信息的工具，其目标就是观察的标本或欲测试的零件。如果目标就是观察的标本或欲测试的零件。如果目标不是自放光体，则必须进行人工照明。目标不是自放光体，则必须进行人工照明。v按照功能，主要分成按照功能，主要分成3类：类：v1 1、照相系统、照相系统v2 2、显微系统显微系统v3 3、望远系统望远系统被测对象光学系统光学系统光电探测器调理电路光源控制电路计算机显示与控制现代光学仪器构成框图作用：将光束变成平行光束、发散光束、会聚光束或其他形式结构的光束作用：利用显微系统、照相系统、望远系统及调制器、滤波器将来自被测对象的光变成光电传感器能接收的光v光学系统的
3、特点：光学系统的特点：v1 1、信息加载于光波，非接触、不破坏、信息加载于光波，非接触、不破坏v2 2、光波传播速度快，可实时测量控制光波传播速度快，可实时测量控制v3 3、波长短，测量精度高波长短，测量精度高v4 4、具有很高的空间分辨率、具有很高的空间分辨率v5 5、可进行图像处理、可进行图像处理第二节第二节 人眼和光电探测器人眼和光电探测器 v人眼是一个完整的成像光学系统，同时又是人眼是一个完整的成像光学系统，同时又是目视光学系统的接收器，可以看成是整个光目视光学系统的接收器，可以看成是整个光学系统的一个组成部分。学系统的一个组成部分。v一、人眼结构一、人眼结构v二、人眼的调节和适应二、
4、人眼的调节和适应 v三、人眼的分辨率和瞄准精度三、人眼的分辨率和瞄准精度 v四、人眼的屈光度误差及其校正四、人眼的屈光度误差及其校正人眼的结构人眼的结构 v 人眼的生理结构人眼的生理结构v人眼的光学结构简约眼人眼的光学结构简约眼v人眼相当于照相机人眼相当于照相机人眼的结构黄斑盲点角膜前室虹彩视轴后室水晶体巩膜脉络膜网膜简约眼简约眼眼睛简化成一个折射球面的模型，即简约眼眼睛简化成一个折射球面的模型，即简约眼 折射面的曲率半径折射面的曲率半径像方介质的折射率像方介质的折射率网膜的曲率半径网膜的曲率半径物方焦距物方焦距像方焦距像方焦距光焦度光焦度5.56mm1.3339.7 mm-16.70mm22
5、.26 mm59.88D屈光度屈光度D=1/f， f表示焦距表示焦距。一般以焦距。一般以焦距1米的透镜屈光度为米的透镜屈光度为1 D(即即1焦度焦度)。简约眼模型简约眼模型n=1.33n=1.0R =5.56R =9.7人眼与照相机人眼与照相机 眼睛如同一只自动变焦和自动眼睛如同一只自动变焦和自动改变光圈大小的照相机。从光学角改变光圈大小的照相机。从光学角度看，眼睛中三个最重要的部分是度看，眼睛中三个最重要的部分是水晶体、瞳孔和网膜，它们分别对水晶体、瞳孔和网膜，它们分别对应与照相机中的镜头、光阑和底片。应与照相机中的镜头、光阑和底片。人眼的调节人眼的调节调节：调节：眼睛通过睫状肌作用改变光焦
6、度的大小眼睛通过睫状肌作用改变光焦度的大小 以看清不同距离物体的过程称为调节。以看清不同距离物体的过程称为调节。远点：远点：眼睛能看清的最远点称为远点，用眼睛能看清的最远点称为远点，用r r表示表示近点近点：眼睛能看清的最近点称为近点，用：眼睛能看清的最近点称为近点，用p p表示表示调节范围调节范围：调节范围：调节范围A A表示为远点距和近点距的表示为远点距和近点距的 倒数之差倒数之差 A、R、P的单位是屈光度的单位是屈光度（D），）， 。 pRprA11111 mD眼睛在不同年龄时的调节能力和调节范围眼睛在不同年龄时的调节能力和调节范围年年 龄龄1020304050607080近点距近点距(
7、cm)-7-10-14-22-40-200100 40远点距远点距（cm)2008040A=R-P(屈光度)141074.52.510.250人眼的适应人眼的适应 眼睛能适应不同亮暗环境的能力称为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；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，适应时间大后者发生在由亮处到暗处时，适应时间大约约30-6030-60分钟分钟。 人眼的分辨力人眼的分辨力v明视距离明视距离：人眼在近距离工作时的通常：人眼在近距离工作时的通常距离距离 25
8、0 mm.250 mm.v分辨力分辨力：眼睛能分辩两个很靠近的点的：眼睛能分辩两个很靠近的点的能力称为眼睛的分辨率。能力称为眼睛的分辨率。D D为瞳孔直径。为瞳孔直径。v最小分辨角：最小分辨角：能够分辩的最近两点对眼能够分辩的最近两点对眼睛的张角称为眼睛的最小分辩角：睛的张角称为眼睛的最小分辩角：6060秒秒v最小分辨距离：最小分辨距离：在明视距离处（在明视距离处（250mm250mm）最小分辨角对应的线量：最小分辨角对应的线量：0.0725mm0.0725mm。D22. 1人眼的屈光度误差及其校正人眼的屈光度误差及其校正 v正常人眼完全放松时，眼睛的远点在无限正常人眼完全放松时，眼睛的远点在
9、无限 远，则称其为正常眼，反之，称为非正常远，则称其为正常眼，反之，称为非正常眼。非正常眼主要有以下三种类型：眼。非正常眼主要有以下三种类型：v 近视眼近视眼：远点距为负值，有限远：远点距为负值，有限远 v 远视眼远视眼：远点距为正值，有限远远点距为正值，有限远 v 散光眼散光眼： 两个垂直子午面的远点距不同两个垂直子午面的远点距不同近视眼近视眼 -r远视眼远视眼： r光电探测器真空光电器件固体光电器件光电管光电倍增管真空摄像管变像管像增强管光敏电阻光电池光电二极管光电三极管光电耦合器光中断器位置传感器PSD自扫描光电二极管阵列SSPD电荷耦合器件CCD互补型金属氧化物半导体晶体管CMOS由于
10、人眼的局限性（频率高于24Hz，波长在0.4-0.79m之外，有害环境均无法工作），发展了各种光电器件，大大扩展了人眼的感受范围。光电探测器的选择原则v探测器输出电信号大小与测量光信号大小的关系；v探测器的光谱响应范围与测量光信号的光谱范围是否一致；v探测器能探测的最小信号功率；v探测调制信号或脉冲光信号时，响应时间是否一致。第第三三节节 光源及照明系统光源及照明系统 光电测量中，光是信息的载体，光源及照明系统的质量对光电测量往往起着关键的作用。本节将对光源的特性、光源的种类、照明光学系统及光源选用等问题加以介绍。 注：应用中宜采用发光效率高的光源以节省能源。一、光源的基本参数1发光效率 在给
11、定的波长范围内，某一光源所发出的光通量 与产生该光通量所需要的功率 之比，称为该光源的发光效率，表示为:VP 21VdPP（68）式中， 为该光电测量系统的光谱范围。212光谱功率谱分布光谱功率谱分布 光源输出的功率与光谱有关，即与光的波长 有关，称为光谱的功率分布。常见的有四种典型的分布，如图6-6所示。 图6-6 典型光源功率谱分布a )线状光谱 b )带状光谱 c )连续光谱 d )复合光谱a如低压汞灯光谱；b如高压汞灯光谱；c 如白炽灯、卤素灯光谱；d如荧光灯光谱。 注： 在选择光源的时候，应选择光谱功率分布的峰值波长与光电器件的灵敏波长相一致；目视测量，可选用可见光谱辐射比较丰富的光
12、源；目视瞄准，宜选用绿光光源；彩色摄像应采用白炽灯、卤素灯作光源。紫外和红外测量，宜选用相应的紫外灯（氙灯、紫外汞灯）和红外灯。3空间光强分布特征空间光强分布特征 由于光源发光的各向异性，许多光源的发光强度在各个方向是不同的。若在光源辐射光的空间某一截面上，将发光强度相同的点连线，就得到该光源在该截面的发光强度曲线，称为配光曲线，如图6-7所示为HG500型发光二极管的配光曲线。 为提高光的利用率，一般选择发光强度高的方向作为照明方向。为了充分利用其他方向的光，可以用反光罩，反光罩的焦点应位于光源的发光中心。 图6-7 HG500发光二极管的配光曲线 4光源的温度和颜色光源的温度和颜色 任何物
13、体，只要其温度在绝对零度以上，就向外界发出辐射，称为温度辐射。黑体是一种完全的温度辐射体，其辐射本领 表示为：式中， 为辐射本领； 为吸收率，当 时的物体称为绝对黑体。 b,MTb,MTMTT e,d dAdMT,T ,1T 黑体的温度决定了它的光辐射特性。对于一般的光源，它的某些特征常用黑体辐射特征近似地表示，其温度常用色温或相关色温表示。色温：色温：辐射源发射光的颜色与黑体在某一温度下辐射光的颜色相同，则黑体的这一温度称为该辐射源的色温。相关色温：相关色温：光源的色坐标点与某一温度下的黑体辐射的色坐标点最近，则该黑体的温度称为该光源的相关色温。注：在光电测量中为了减少光源温度对测量的影响，
14、应采用冷光源或者设法减少热辐射的影响。 二、光电测量中的常用光源二、光电测量中的常用光源 物体温度大于绝对零度时就会向外辐射能量，辐射以光子形式进行，我们就会看到光。 1太阳光太阳光 太阳向地球辐射热我们称之为阳光。阳光是复色光，太阳光源是很好的平行光源。 2白炽灯白炽灯 白炽灯靠灯泡中的钨丝被加热而发光，它发出连续光谱。发光特性稳定、简单、可靠、寿命比较长，得到广泛的应用。 真空钨丝灯是将玻璃灯泡油成真空，充气灯泡是灯泡内充氩、氮等惰性气体，卤素灯是灯泡内充有卤族元素（氯化碘、溴化硼等）。 白炽灯的供电电压对灯的参数（电流、功率、寿命和光通量）有很大的影响，其关系如下所示：000.50.27
15、8V00V0nVVVIVI3气体放电光源气体放电光源 利用气体放电原理来发光的光源称为气体放电光源。 特点：特点： 1）发光效率高，比白炽灯高210倍，可节省能源。 2）结构紧凑，耐震、耐冲击。 3）寿命长，大约是白炽灯的210倍，可节省能源。 4）光色范围大，如晋通高压汞灯发光波长大约为400500nm，低压汞灯则为紫外灯，钠灯呈黄色（589 nm），氙灯近日色，而水银荧光灯为复色。 由于以上特点气体放电光源经常被用于工程照明和光电测量之中。 4半导体发光器件半导体发光器件 在电场的作用下使半导体的电子与空穴复合而发光的器件称为半导体发光器件，又称为注入式场致发光光源，通常称为LED。 图6
16、-8 半导体发光二级管a)原理图 b)外观图 c)器件符号常用发光二级管材料及性能如表6-1所示。 /nm1/(lm W)0.6 0.4GaAsP0.15 0.85GaAsPGaP:NGaAsGaAsSi材料光色 峰值波长 光谱光视效能红65070黄589450绿565610红外910红外940表6-1 发光二级管性能 半导体发光二极管既是半导体器件也是发光器件，因此其工作参数有电学参数和光学参数。5激光光源激光光源 激光又称为受激发射光，能激发出激光并能实现激光的持续发射的器件称为激光器。激光特点：激光特点：单色性好，相干能力强，方向性好、亮度高，在光电测量中 常用作相干光源。激光器三大要素
17、：激光器三大要素：激光工作物质，激励能源和光学谐振腔。激光器分类：激光器分类：固体激光器、气体激光器和半导体激光器。激励系统：激励系统：光激励、电激励、核激励和化学反应激励等。 光学揩振腔用以提供光的反馈，以实现光的自激振荡，对弱光进行放大，并对振荡光束方向和频率进行限制，实现选频，保证光的单色性和方向性。 在光电测量中应用最多的是He-Ne气体激光器，因为He-Ne激光器发出的激光单色性和方向性好。 He-Ne激光器的光振幅分布如图6-9的高斯分布，其表达式为： （610） 222000000, ,xyzEx y zA Eez02/ f激光束的发散角：os01/22L 在球面镜表面上，光斑半
18、径为 ：0Z 0f处的光斑半径最小，称为束腰半径：图6-9 高斯光束及束腰半径 在选择和使用在选择和使用He-Ne激光器时应注意以下几点：激光器时应注意以下几点：（1）要注意激光的模态。 在用He-Ne激光器作光电测量的光源时，一般都选用单模激光。激光的模态记作 ，其中 为纵模序数， 、 为横模序数。对于单模激光，其模态为 。mnqTEMqmn00TEM 观察激光输出的光斑形状发现，光斑形状较为复杂，如图6-10所示。图6-10 激光的横模a）TEM00模 b）TEM10模 c）TEM13模 d）TEM11模 在光电测量中选用的激光光斑形状应为均匀的圆形光斑，即选TEM00横模。（2）功率。
19、光电测量中所用的He-Ne激光光源功率一般在十几之间。（3）稳功率和稳频。 He-Ne激光器输出的功率变化较大，在精度较高的光电测量中，应对He-Ne激光器稳功率。此外，在相干测量中光的波长是测量基准，因此要求波长很稳定，而波长与光频率的关系为： （614） 由 ，上式可写为： （615） 因此，稳波长实质就是稳光频，即要采用稳频技术。另，稳频对稳功率也有作用。 cv2cvvvv v （4）激光束的漂移。 虽然He-Ne激光具有很好的方向性和单色性，但它也是有漂移的，当作用精密尺寸测量和准直测量时尤应注意。半导体激光器： 简称LD，它是用半导体材料制成的面结型的二极管。 原理图如图6-11、6
20、-12所示 在使用半导体激光器时，应注意以下几点：（1）作为平行光照明时应该用柱面镜将光束整形，再用准直镜准直。（2）频率稳定性。 LD光的单色性、相干性较差，因此用LD作相干光源且测量距离又较大时，必须对LD稳频。LD的稳频法主要有吸收法和电控法。（3）调频。 改变LD的注入电流 会使LD的输出频率产生 的变化。如果注入电流是按某一频率变化规律来变化，那么输出的激光将被调频。这种调频是在LD内部实现的，故称为内调制。由此原理制成的半导体激光器可用于外差测量。iv图6-11 半导体发光原理图 图6-12 半导体激光器的工作原理图三、照明系统三、照明系统 照明对光学系统的成像质量起着非常重要的作
21、用，照明的种类繁多，用途也非常广泛。本节只介绍光电系统中常用的照明方式。 （一）、照明系统的设计原则（一）、照明系统的设计原则 照明系统的设计应满足下列要求： 1）保证足够的光能。 2）有足够的照明范围，照明均匀。 3）照明光束应充满物镜的入瞳。 4）应尽量减少杂光进入物镜，以保证像面的对比度。 5）合理安排布局，避免光源高温的有害影响。根据这些要求，照明系统设计应满足两个原则：1）光孔转接原则。即照明系统的出瞳应该与物镜的入瞳重合，否则照明光束不能充分利用。如图6-13所示，由于光瞳不重合，成像光束仅为照明光束的一部分，光束的阴影部分被物镜的入瞳遮挡，不能参与成像。图6-13 光孔转接示意图
22、 2）照明系统的拉赫不变量应大于或等于物镜的拉赫不变量。 拉赫不变量:表示光学系统在近轴区成像时，在物像共轭面上，物体的大小 、成像光束的孔径角 、物空间介质的折射率 的乘积为一常数。是表征光学系统性能的一个重要参数,如图6-14所示。yun 图6-14 拉赫来变量示意图 在显微光学系统的照明系统设计中，按照要求2），可得 ，如图6-15所示。000n y unuyn y u 图6-15 显微光学系统拉赫不变量示意图 由于显微镜的放大倍率很高，成像光束的像方孔径很小，并且被观察的物体通常是不发光的，为了获得清晰的图像，必须保证充足的照明。（二）照明的种类（二）照明的种类1直接照明直接照明 直接
23、照明按照明方法分为透射光亮视场照明，反射光亮视场照明，透射光暗视场照明，反射光暗视场照明，分别如图6-16a、b、c、d所示，图中阴影部分为照明光场。按光源类型分为白炽灯照明、光纤照明等。 图6-16直接照明四种类型a）透射光亮视场照明 b）反射光亮视场照明 c）透射光暗视场照明 d）反射光暗视场照明2临界照明临界照明 光源所出的光通过聚光镜成像在物面上或其附近的照明方式称为临界照明。如图6-17所示： 图6-17 临界照明 照明光源灯丝成像到物平面上，这种照明在视场范围内有最大的亮度，而且没有杂光。缺点是光源亮度的不均匀性将直接反映在物面上，并且不满足光孔转接原则。3远心柯勒照明远心柯勒照明
24、 如图6-18所示，集光镜将光源成像到聚光镜的前焦面上，孔径光阑位于聚光镜的物方焦面上，组成像方远心光路，视场光阑被聚光镜成像到物面上。 图6-18 远心柯勒照明 缺点：临界照明中物平面照度不均匀的；优点：孔径光阑大小可调，经聚光镜成像于物镜的入瞳位置，满足光孔转接原则，又充分利用了光能。孔径光阑大小决定了照明系统的孔径角、分辨力和对比度，视场光阑控制照明视场的大小，避免杂光进入物镜。 4光纤照明光纤照明 光纤照明因照明均匀、亮度高、光源热影响小而得到广泛应用。根据照明光线端部排列形式和光束出射方向，分为环形光纤照明和同轴光纤照明等。 图6-19所示是一环形光纤照明光源，光源发出的光经过聚光镜
25、耦合进入光纤束，光纤束在另一端分束，形成一环形光纤排。光纤照明光能集中，能获得较均匀的高亮度照明区域。并且照明部分远离光源，解决了光源散热对被测物体的影响。图6-19 光纤照明 1-光源 2-聚光镜阑 3-光纤束 4-环形光纤排 5同轴反射照明同轴反射照明 如图6-20所示，光源发出的光经过物镜7投射到物体8上，物镜本身兼做聚光镜。物镜将物面成像到CCD9的光敏面上。 这种照明系统可以检测反射镜面上的缺陷。如果被测表面是镜面，则镜面的反射光线全部进入物镜成像，因此整个图像都是白色。当镜面上有腐蚀斑点或者污渍时，所产生的漫反射光线进入物镜的甚少，因此图像上将产生黑色的斑点。 图6-20 同轴照明
26、 1-光源 2-集光镜 3-孔径光 4-视场光阑 5-聚光镜 6-分光镜 7-物镜 8-物面 9-CCD 四、光源及照明系统的选择四、光源及照明系统的选择 正确地选用光源是充分而又有效地满足仪器使用要求的必要条件。在选择光源时，一般应考虑以下几方面的问题。 1光源的光谱能量分布特性光源的光谱能量分布特性 光源的光谱能量分布首先应满足仪器使用上的要求。例如在干涉仪中，光源的波长是仪器的标准器，因此其单色性应满足测量精度及测量范围的要求。在非相干照明中，光源的光谱分布应与接收器的光谱响应相匹配，可节省能量，提高检测信号的信噪比。在目视仪器中，视场的背景最好是适宜人眼的黄绿色，而将有害的红外辐射（它
27、可能引起仪器的热变形）用滤色片滤去。若仪器中有几个不同的接收器共用一个光源，则光源的光谱分布要能兼顾各接收器的响应。 2光度特性光度特性 在精密测量中，被测对象一般都不是发光体，所以必须进行人工照明，使被测物体达到一定的照度。在以光电元件为接收器的仪器中，被测物体光照强度有利于提高信噪比及后继电路的处理；而在目视仪器中，视场应有足够的照度，这在大屏幕投影测量系统中问题较为突出。 总之，应根据使用要求及接收器的性能来考虑对光源的光强要求。 3发光面的形状、尺寸及光源的结构发光面的形状、尺寸及光源的结构 在临界照明系统中是将灯丝（发光体）成像在被测物面上，因此灯丝发光面的形状与被测物相似才能获得均
28、匀而又有效的照明。在柯勒照明中，灯丝的像成在系统的入瞳上，若使灯丝（发光面）的形状与入瞳相似，就能充分利用入瞳的孔径而传递更多的光能。因此设计时应根据被测物面的形状和入瞳形状来选择光源的发光面形状。至于发光面的尺寸及光源的结构尺寸，还与仪器的结构尺寸有关，应按仪器总体要求的尺寸来选用合适的光源结构尺寸。4满足光电系统的功能要求满足光电系统的功能要求 对于直接检测系统，主要检测的是信息的光功率，这时要求光源稳定性要好，因为光源的功率波动是影响系统精度的主要因素。 对于测距系统除了要求光源稳定性外，还对光源的光功率有严格要求，因为测距系统的光功率直接影响作用距离。 对于相干检测系统，除了要求用相干
29、光源外还对光源的单色性、稳频性能、平行性及光源尺寸等有要求。 在光电仪器的设计中，光源及照明系统有着十分重要的地位，设计者应根据使用要求选择合适的光源和照明系统。 在选用光源时还应考虑光源的供电系统复杂与否、是否需要人工冷却、使用寿命、更换方便程度以及价格等因素。 设计时可采取一定措施来改变光源的某些性能，例如对普通的钨丝灯，改变灯丝电压后，电流、温度、光通量、发光效率以及寿命等均随之变化。光学系统总体设计原则v光孔转接原则光孔转接原则：多组基本光学系统组成的复杂光学系统，前组基本光学系统的光瞳应与后组基本光学系统的光瞳统一。v物像空间不变式原则物像空间不变式原则：由多个基本光学系统组成的共轴
30、系统，物方的介质折射率、物高和物方孔径角三者的乘积等于像方的介质折射率、像高、像方孔径角三者的乘积，总是一个常数J。第四节第四节 放大镜放大镜v放大镜概述放大镜概述v放大镜的工作原理放大镜的工作原理v放大镜的视放大率放大镜的视放大率v放大镜的光束限制放大镜的光束限制放大镜概述放大镜概述v放大镜又称助视镜，放大镜又称助视镜，当被观察物体的细当被观察物体的细节对眼睛的张角小于最小分辩角（节对眼睛的张角小于最小分辩角（1 1）时，眼睛便无法分辩其细节，只能借助时，眼睛便无法分辩其细节，只能借助于目视光学仪器将其放大后再去观察。于目视光学仪器将其放大后再去观察。由此引入由此引入视觉放大率视觉放大率。放
31、大镜的工作原理图放大镜的工作原理图视觉放大率视觉放大率 v定义：定义：通过目视光学仪器观察物体时，其像对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角的正切之比 v视放大率是一种主观放大率（用人眼测量像的视放大率是一种主观放大率（用人眼测量像的大小），不同于前面介绍的三种客观放大率。大小），不同于前面介绍的三种客观放大率。tgtg 放大镜的视放大率放大镜的视放大率 v当人眼直接观察物体时，一般把物体放当人眼直接观察物体时，一般把物体放在明视距离处（在明视距离处（D=250 mm）v当人眼通过放大镜观察物体时当人眼
32、通过放大镜观察物体时v视放大率视放大率DylytgfylPlflPytgfDlPlftgtgyflfyfxy其中其中一般有一般有当当 时（物体放在放大镜的物方焦点上）时（物体放在放大镜的物方焦点上）当当 时（正常眼一般把观察点调焦到明视时（正常眼一般把观察点调焦到明视距离处）距离处）当当 时时 l250ffD fDfP 0P1250ffDlPlftgtg目镜v放大镜不仅可以直接对物体放大成像，放大镜不仅可以直接对物体放大成像， 而且而且也可以对一组光学系统的实像放大成像，用也可以对一组光学系统的实像放大成像，用于这种场合的放大镜又称作目睛。于这种场合的放大镜又称作目睛。放大镜的光束限制放大镜的
33、光束限制v放大镜与人眼组合成一个组合系统放大镜与人眼组合成一个组合系统v孔径光阑：人眼瞳孔，又是出瞳孔径光阑：人眼瞳孔，又是出瞳v视场光阑：放大镜，又是出、入窗视场光阑：放大镜，又是出、入窗v视场光阑与物（像面）不重合，必产生渐晕视场光阑与物（像面）不重合，必产生渐晕放大镜的光束限制图放大镜的光束限制图提高放大镜放大率的可能性提高放大镜放大率的可能性v一般说，我们将一般说，我们将 确定为确定为放大镜的视放大率。放大镜的视放大率。v放大率取决于焦距，与焦距成反比。放大率取决于焦距，与焦距成反比。当单透镜的焦距不能减小时，放大率当单透镜的焦距不能减小时，放大率受到限制，于是，有了显微镜。受到限制，
34、于是，有了显微镜。250 f第五节第五节 显微系统显微系统 v显微系统的构成显微系统的构成v显微镜的成像原理显微镜的成像原理v显微镜的视放大率显微镜的视放大率v显微镜的分辨力显微镜的分辨力v显微镜的有效放大率显微镜的有效放大率v显微镜中的光束限制显微镜中的光束限制显微系统的构成显微系统的构成v照明系统成像系统照明系统成像系统v成像系统成像系统= = 物镜目镜物镜目镜 显微镜成像系统显微镜成像系统工作原理工作原理显微镜成像系统工作原理显微镜成像系统工作原理显微镜的视放大率（一）显微镜的视放大率（一）v人眼直接观察物体人眼直接观察物体v人眼观察显微镜的像人眼观察显微镜的像v显微镜的视放大率显微镜的
35、视放大率Dylytg显目物目物目目fyfyffyfxfyfytg显显fDDyfytgtg显微镜的视放大率（二）显微镜的视放大率（二） v显微镜为两次放大，放大率为两次放大的乘积显微镜为两次放大，放大率为两次放大的乘积v显微镜实质上就是一个组合的放大镜显微镜实质上就是一个组合的放大镜 目目目目fDDyfyDyfytgtg物物ffx目目 fD显目物目物 fDffDfDf显微镜的视放大率公式显微镜的视放大率公式目物物ffx目目 fD显 fD显 f目物ff=对显微镜成像的几点分析对显微镜成像的几点分析v物平面应位于物镜的物方焦点到两倍焦物平面应位于物镜的物方焦点到两倍焦距之间，以实现物镜的一级放大。距
36、之间，以实现物镜的一级放大。v物平面应位于整个显微镜组合物方焦点物平面应位于整个显微镜组合物方焦点以外，并十分靠近物方焦点处，以使得以外，并十分靠近物方焦点处，以使得物体经显微镜成像于物体经显微镜成像于250mm250mm以外至以外至处。处。v显微镜可以通过调换不同倍率的物镜和显微镜可以通过调换不同倍率的物镜和目镜，方便迅速地获得显微镜的多种放目镜，方便迅速地获得显微镜的多种放大率。大率。 v显微镜因为有中间实像，可以在中间实显微镜因为有中间实像，可以在中间实像处放置分划板，能实现对物体的瞄准像处放置分划板，能实现对物体的瞄准和测量和测量。例例6-16-1：如果要求读数显微镜的瞄准精：如果要求
37、读数显微镜的瞄准精度为度为0.001mm0.001mm，求显微镜的放大率。，求显微镜的放大率。v解解 人眼直接观察人眼直接观察0.001mm的物体所对应的物体所对应的视角为的视角为 人眼的视角分辨力为人眼的视角分辨力为60，因此要求显因此要求显微镜的视放大率为微镜的视放大率为6104250001. 0etg73104606tgtgtg分析v如果使用如果使用10的目镜，则根据公式可以求得的目镜，则根据公式可以求得物镜的放大倍数为物镜的放大倍数为v由此可知，使用一个由此可知，使用一个8的显微物镜即能满足的显微物镜即能满足要求。要求。3 . 71073目显微镜的光束限制显微镜的光束限制孔径光阑孔径光
38、阑 v低倍物镜为单组透镜，物镜框为孔径光阑低倍物镜为单组透镜，物镜框为孔径光阑v高倍物镜为多组透镜，后组透镜框为孔径光阑高倍物镜为多组透镜，后组透镜框为孔径光阑v测量显微镜用物方远心光路，孔径光阑设置在测量显微镜用物方远心光路，孔径光阑设置在物镜的像方焦平面上物镜的像方焦平面上v孔径光阑经目镜所成的像即为显微镜的出瞳孔径光阑经目镜所成的像即为显微镜的出瞳 ，观察时，眼瞳要与出瞳重合观察时，眼瞳要与出瞳重合 。v显微镜的光束大小常用显微镜的光束大小常用NA表示表示v出瞳直径与入射光束的大小及放大率有关出瞳直径与入射光束的大小及放大率有关NAD500出NA：数值孔径：数值孔径显微镜的光束限制显微镜
39、的光束限制视场光阑视场光阑v显微镜要求无渐晕成像，因而视场显微镜要求无渐晕成像，因而视场光阑须设置在物镜实像平面上光阑须设置在物镜实像平面上 。显显微镜的线视场为微镜的线视场为/22yye/50022tgtgfyetgy5002 显微镜属于小视场系统。显微镜属于小视场系统。显微镜的分辨力显微镜的分辨力 v显微镜的分辨力取决于光学系统对光的衍显微镜的分辨力取决于光学系统对光的衍射状况。射状况。 根据根据瑞利判断瑞利判断，两个相邻像点之，两个相邻像点之间的间隔等于艾里斑的半径时，则能被光间的间隔等于艾里斑的半径时，则能被光学系统分辨学系统分辨。v显微镜的分辨力用所能分辨的物方最小距显微镜的分辨力用
40、所能分辨的物方最小距离表示离表示v道威判断：道威判断：NAuna61. 0sin61. 00.61 / sin anuununsinsinNAuna5 . 0sin5 . 085. 0提高显微镜分辨力的可能性提高显微镜分辨力的可能性v显微镜的分辨力主要取决于显微物镜的显微镜的分辨力主要取决于显微物镜的数值孔径数值孔径NAv提高数值孔径的方法是增大孔径角，物提高数值孔径的方法是增大孔径角，物方孔径角方孔径角U最大可达最大可达6070，因此，因此，显微物镜属于大孔径系统。显微物镜属于大孔径系统。v提高数值孔径的另一方法是提高物方空提高数值孔径的另一方法是提高物方空间的折射率，间的折射率，“油浸物镜
41、油浸物镜”便是用于这便是用于这一目的。（如杉木油或二碘甲烷等），一目的。（如杉木油或二碘甲烷等），可使数值孔径达到可使数值孔径达到1.51.5v光学显微镜的极限分辨距约为光学显微镜的极限分辨距约为/3/3。提高显微镜分辨力的可能性提高显微镜分辨力的可能性v提高显微镜分辨率的另一途径就是用电子束提高显微镜分辨率的另一途径就是用电子束来代替光。根据德布罗意的物质波理论，运来代替光。根据德布罗意的物质波理论，运动的电子具有波动性，而且速度越快，它的动的电子具有波动性，而且速度越快，它的“波长波长”就越短。就越短。v电子显微镜是电子显微镜是2020世纪最重要的发明之一。由世纪最重要的发明之一。由于电子
42、的速度可以加到很高，电子显微镜的于电子的速度可以加到很高，电子显微镜的分辨率可以达到纳米级（分辨率可以达到纳米级（1010-9-9m m）。）。显微镜的有效放大率显微镜的有效放大率 v有效放大率是对设计显微镜提出的技术有效放大率是对设计显微镜提出的技术要求要求v有效放大率的确定原则：有效放大率的确定原则： 被显微镜分辨的细节经显微镜放大后被显微镜分辨的细节经显微镜放大后也要能被人眼所分辨也要能被人眼所分辨。 NANADDtgtg25061. 00725. 0/0725. 0显微镜的实际放大率显微镜的实际放大率 取人眼观察取人眼观察2 4时时NANA1000500显微镜应用的拓展显微镜应用的拓展
43、 v从对物体成像的特点来分，对近距离成像的从对物体成像的特点来分，对近距离成像的光学系统都可以归类于显微镜，近代显微镜光学系统都可以归类于显微镜，近代显微镜常在系统中加入其它镜组，以扩大显微镜的常在系统中加入其它镜组，以扩大显微镜的功能。功能。筒长无限的显微物镜筒长无限的显微物镜 v优点：物镜和辅助物镜之间是平行光，有利优点：物镜和辅助物镜之间是平行光，有利于装配和调整，可以在其间加入棱镜、滤光于装配和调整，可以在其间加入棱镜、滤光片和偏振片，而不会引起像点位置的变化及片和偏振片，而不会引起像点位置的变化及产生双像、叠影等。产生双像、叠影等。 物镜物镜 辅助物镜辅助物镜12ffyy显微摄影系统
44、显微摄影系统显微镜与摄影系统组合显微镜与摄影系统组合v摄影物镜直接置于目镜的后方，使目镜摄影物镜直接置于目镜的后方，使目镜所成的虚像，成像在照相底片或所成的虚像，成像在照相底片或CCDCCD上。上。v摄影物镜直接代替目镜，该目镜称为摄摄影物镜直接代替目镜，该目镜称为摄影目镜，为使整个共轭物像距不致于太影目镜，为使整个共轭物像距不致于太大，目镜应设计成负光组。大，目镜应设计成负光组。 数字显微镜数字显微镜v显微物镜的像面上，直接放置显微物镜的像面上，直接放置CCDCCD接收器，连接到接收器，连接到计算机上，还可以对显微镜的图像进行测量和实时计算机上，还可以对显微镜的图像进行测量和实时处理，图像的
45、大小也可以通过处理，图像的大小也可以通过CCDCCD靶面上的象素面靶面上的象素面积计算出来积计算出来 第六节第六节 望远系统望远系统v望远系统的组成望远系统的组成v望远系统的放大率望远系统的放大率v望远系统的分类及特点望远系统的分类及特点v望远系统的分辨力望远系统的分辨力v望远系统的有效放大率望远系统的有效放大率v望远系统的光束限制望远系统的光束限制v望远镜的辅助系统望远镜的辅助系统v目镜目镜望远系统的组成及工作原理望远系统的组成及工作原理v组成：物镜组成：物镜+ +目镜目镜v特点：物镜的像方焦点重合于目镜的物方焦特点：物镜的像方焦点重合于目镜的物方焦点。无焦系统点。无焦系统望远镜的工作原理图
46、望远镜的工作原理图改变目镜位置可以观察近距离物体改变目镜位置可以观察近距离物体望远系统的放大率望远系统的放大率v人眼直接观察事物体对人眼的张角与物体对仪器人眼直接观察事物体对人眼的张角与物体对仪器的张角相等的张角相等v望远系统的视放大率等于仪器的角放大率望远系统的视放大率等于仪器的角放大率v视放大率还可以表示为视放大率还可以表示为 目物fftgtgtgtg1DD望远系统的分类望远系统的分类v柯普勒型柯普勒型 特点：目镜焦距为正光组特点：目镜焦距为正光组 有中间实像，成倒像有中间实像，成倒像 结构长结构长v伽利略型伽利略型 特点：目镜焦距为负光组特点：目镜焦距为负光组 无中间实像，成正立像无中间
47、实像，成正立像 结构短结构短开普勒型开普勒型伽利略型伽利略型望远镜的分辨力望远镜的分辨力v理论极限分辨角理论极限分辨角 v望远镜的分辨力取决于入瞳直径望远镜的分辨力取决于入瞳直径D（mm）Dfunfa22. 1sin61. 000140/D有效放大率和工作放大率有效放大率和工作放大率 v有效放大率有效放大率是指望远系统的分辨角经放大后也是指望远系统的分辨角经放大后也恰能被人眼极限分辨角的放大率，即望远系统恰能被人眼极限分辨角的放大率，即望远系统的分辨率与人眼分辨率相匹配的放大率的分辨率与人眼分辨率相匹配的放大率。 =60/=D/2.3v工作放大率工作放大率是指满足人眼极限分辨率是指满足人眼极限
48、分辨率2 23 3倍时倍时的放大率的放大率. =Dv相对孔径相对孔径：D/f 。 f 为物镜焦距，为物镜焦距， D为为入瞳直径入瞳直径例题例题 经纬仪望远镜视觉放大率，使用经纬仪望远镜视觉放大率，使用夹线瞄准形式，求望远镜的瞄准精度夹线瞄准形式，求望远镜的瞄准精度。解解 夹线瞄准形式下眼睛的瞄准精度夹线瞄准形式下眼睛的瞄准精度 则望远镜的瞄准精度则望远镜的瞄准精度01 a11001 望远系统的光束限制望远系统的光束限制v孔径光阑孔径光阑 ：望远镜的物镜框就是孔径光阑，：望远镜的物镜框就是孔径光阑，也是入瞳，出瞳位于目镜像方焦点外侧附近。也是入瞳，出瞳位于目镜像方焦点外侧附近。v视场光阑视场光阑
49、 ：物镜像方焦面上的分划板是视场：物镜像方焦面上的分划板是视场光阑，直径为：光阑，直径为： 或或tgfyo22tgfye22开普勒型和伽利略型开普勒型和伽利略型光束限制的比较光束限制的比较 孔径光阑：孔径光阑： 物镜框物镜框 眼瞳眼瞳视场光阑：视场光阑： 分划板分划板 物镜框（有渐晕）物镜框（有渐晕）渐晕光阑：渐晕光阑： 目镜目镜 视场大小视场大小： 0fytg )(22zlLDtg 类型：类型： 开普勒型开普勒型 伽利略型伽利略型望远镜中的辅助系统望远镜中的辅助系统转像系统转像系统v 透镜转像透镜转像 一般有两种形式，单组正透镜和双组正透镜一般有两种形式，单组正透镜和双组正透镜 v棱镜转像棱
50、镜转像透镜转像系统透镜转像系统单透镜组转像单透镜组转像双透镜组转像双透镜组转像棱镜转像系统棱镜转像系统望远镜中的辅助系统望远镜中的辅助系统场镜场镜v场镜是一个正透镜组，将其放置在物镜的焦面场镜是一个正透镜组，将其放置在物镜的焦面上，可以在不改变系统放大率的前提下，改变上，可以在不改变系统放大率的前提下，改变轴外光束的走向，降低其在目镜上的高度，或轴外光束的走向，降低其在目镜上的高度，或让更多的光线通过系统，让更多的光线通过系统， 场镜场镜物镜物镜目镜目镜目镜v目镜的放大率目镜的放大率v目镜的孔径与视场目镜的孔径与视场v目镜的视度调节目镜的视度调节目镜的放大率目镜的放大率v目镜相当于放大镜目镜相
