1、第八章典型光学系统2022-7-28第七章 光度学基础28.1 眼镜的光学成像特性8.2 放大镜8.3 显微镜系统8.4 望远镜系统2022-7-28第七章 光度学基础38.1眼镜的光学成像特性8.1.1 眼镜的结构角膜巩膜前室(1.336)虹膜瞳孔水晶体脉络膜后室(1.336)盲斑黄斑视网膜感光：视网膜上的锥状细胞和杆状细胞。对光感应最灵敏处称为黄斑，仅有锥状细胞。在视神经入口处两种感光细胞皆无，若物恰好成像于此处，则看不到，称该处为盲斑。怎样验证盲斑的存在？2022-7-28第七章 光度学基础4瞳孔水晶体角膜巩膜前室(1.336)虹膜脉络膜后室(1.336)盲斑黄斑视网膜瞳孔水晶体视网膜从
2、光学角度，人眼中最重要的三样是什么？mm70瞳孔光阑；水晶体镜头；视网膜感光底片；2022-7-28第七章 光度学基础58.1.2 标准眼和简约眼1.标准眼：根据大量测试结果，定出了眼睛的各项光学常数，包括各透光部分的折射率、各光学表面的曲率半径以及有关距离。称满足这些光学数值的眼镜为标准眼。2.简约眼：为了近似计算的方便，可把标准眼简化为一个折射球面的模型来代替，称为简约眼。简约眼的参数为：mmrnmmr7.93/456.5视网膜的曲率半径像方介质的折射率折射面的曲率半径屈光度光焦度像方焦距物方焦距88.5926.227.16mmfmmf3/4 n2022-7-28第七章 光度学基础68.1
3、.3 眼睛的调节远点：当眼睛处于肌肉完全放松时所能看清最远的点称为远点。屈光度lSD1pPrR11眼睛通过自动调焦以实现看清不同距离物体的过程称为眼睛的调节。近点：当眼睛处于肌肉最紧张时所能看清的最近点称为近点。视度：与视网膜相共轭的物面到人眼距离的倒数称为视度。远点距r：远点到眼睛物方主点之间的距离。近点距p：近点到眼睛物方主点之间的距离。PRA眼睛的调节范围明视距离是指正常的眼睛在正常照明(50lx)下的工作距离，为250mm正常人眼的明视距离？2022-7-28第七章 光度学基础7正常眼和非正常眼在视网膜上。，正常眼：FRr0FFF不在视网膜上。，非正常眼：正常年龄内FR 0远点在眼前有
4、限远处。，在视网膜前，眼球偏长）近似眼：（F1像于眼前有限远。点成加负透镜，使无限远物矫正：远点在眼后有限远处。，在视网膜后，眼球偏短）远视眼：（F2像于眼后有限远。点成加正透镜，使无限远物矫正：向不能会聚。个方一个方向能会聚，另一）散光：（3加光楔。）斜视：（4加柱面透镜。矫正：2022-7-28第七章 光度学基础88.1.4 眼睛的适应对各种光亮环境的适应能力，亮度比可达1012:1光谱光效率函数曲线4005006007008000.00.20.40.60.81.0光谱光效率l(nm)亮适应：暗处到明处，过程很快，几分钟；暗适应：明处到暗处，过程较慢，极限60分钟。为什么暗环境下能做饭、洗
5、衣，但不能描龙绣凤？锥状细胞：感受强光，对555nm最灵敏；杆状细胞：感受微光敏锐，对510nm最灵敏，但分辨细节能力差因此，在黄昏视觉下，光谱敏感度曲线向短波方向偏移，称波涅金效应2022-7-28第七章 光度学基础9（1）与物体的亮度及对比度有关：当照度大于50lx时，分辨率达到极 值。对比度大时分辨率高；（2）与照明光谱成份有关：单色光分辨率高（眼睛有色差）；（3）与视网膜上成像位置有关，黄斑处分辨率最高。8.1.5 眼睛的分辨率眼睛刚能分辨开二个很靠近点的能力称为眼睛的分辨率。刚能分辨的二个点对眼睛物方节点的张角称为极限分辨角。二者成反比是极限分辨角。是入射光瞳直径，式中：对于理想光学
6、系统lDD22.1眼睛的分辨本领与哪些因素有关？对眼睛张角小物体的要借助望远镜或显微镜等仪器，仪器应有适当的放大率，使能被仪器分辨的也能被眼睛分辨。106140206265000555.022.1555 良好光照条件下，认为为瞳孔直径，取波长而言，用秒表示得对于mmDDDnm2022-7-28第七章 光度学基础108.1.6 眼睛的瞄准精度测量工作中，为了读数，常常采用某种标志对目标进行对准或重合，这种重合或对准的过程，就称为瞄准。而由于受人眼分辨率的限制，把两根线完全重合是不可能的，偏离于完全重合的程度就称为瞄准精度。瞄准精度随所选取的瞄准标志而异，最高精度可达人眼分辨率的1/6到1/10。
7、瞄准精度和前面讲到的分辨率是不是一个概念？06 二实线重合）（二直线端部对准0201 01 叉线对准单线）（双线对称夹单线015 2022-7-28第七章 光度学基础118.1.7 眼睛的立体视觉眼睛观察空间物体时，能区别它们的相对远近而具有立体视觉。简称体视。1.单眼视觉产生体视较近物体：（5m以内）眼球肌肉收缩（调节）。较远物体：（5m以外）物对眼睛的张角的大小。1a2aA2.双眼视觉 成像于双眼中心凹的同侧的对应点时产生单像，否则产生双像。2o1o在中心凹注视21aaA在中心凹的外侧注视21bbB2b1bB在中心凹的内侧注视21ccC1dD2dC1c2c成单像在中心凹的同侧注视21ddD
8、其外不一定。内成双像，21Aoo成双像2022-7-28第七章 光度学基础123.体视估计距离，眼睛的调节，视线转向被观察物时肌肉用力。辨别相对远近，利用两眼视线之间的夹角。Lb基线长度，人眼均值62mm观察点到基线的距离AALb1a2aA2o1o2b1bBbABALBLBBLbAB立体视差体视锐度：人眼所能察觉到的最小立体视差，大约为10，经训练可达到35。立体视觉半径：存在立体视觉的范围mbL120020626501062.0minmax 2022-7-28第七章 光度学基础13Lb体视阈值：能分辨不同远近二点间的最小距离LLb2mLbLL4221046.7206265062.001 0t
9、tKbb则，二物镜中心距双筒望远镜：放大率为倍扩大到仪KLKKbbLttmax0倍缩小到仪KLKKbLbLLtt/110022应用实例：讨论：1.增大立体视觉半径，要求基线b长，体视锐度值小；2.减小体视阈值，要求基线b长，体视锐度值小，立体视觉半径大。一致2022-7-28第七章 光度学基础148.2 放大镜8.2.1 视觉放大率FFff 250tanyW 距离处直接观察时，物在明视xaAy眼瞳AByWWBaxyW通过放大镜tan物经放大镜所成像对人眼张角的正切和人眼直接看物体时物对人眼张角的正切之比称为放大镜的放大率，也称视觉放大率。用来表示。WWtantanyaxyWW250tantan
10、fxyyfaxx250方焦点附近方焦点附近，眼瞳在像使用放大镜时，物在物f 2502022-7-28第七章 光度学基础15无明显边界。合，视场外围有渐晕而由于入射窗和物面不重dF眼瞳h2a28.2.1 光束限制和线视场f FFf眼瞳By3B3W1W1BdahWB11tan线视场内无渐晕2B2WdhWB22tan50渐晕线视场内dahWB成像边缘点33tanW孔径光阑、视场光阑？B视场光阑、出瞳眼瞳视场光阑、入窗、出窗放大镜y250视场渐晕点为界来决定线若以22tan22WfFBydhf f 250dhy50022022-7-28第七章 光度学基础16讨论：逢年过节，要买放大镜孝敬老人，该如何选
11、择其放大倍率？dhy5002线视场放大镜半径放大倍率人眼与放大镜的距离hy 2视场越大放大镜的直径越大，线12y场越大放大镜的倍率小，线视dy12 近，线视场越大人眼与放大镜的距离越常用的放大镜，倍率在2.525。单透镜作放大镜，通常不超过3。2022-7-28第七章 光度学基础178.3 显微镜系统8.3.1 显微镜概述1.成像原理oF1O2OeFeFoF物镜目镜ABAB在物镜前焦面稍前处AB（放大倒立的实像）物镜BA在目镜前焦面稍后处BAA B 处位于无穷远或明视距离（放大虚像）目镜BA 眼睛通过目镜看到的不是物体本身，而是物体被物镜所成的像。因此，目镜的成像光束是被物镜限制了的。2022
12、-7-28第七章 光度学基础18oF1O2OeFeFoFABABA B 2.放大倍率eoeFFFBA上，显微镜光学筒长为位于对于正常眼，ooooffxeef 250eoeooeeoffff250250eoff1,eoffff 250系统的组合焦距显微镜是一个复杂的放大镜2022-7-28第七章 光度学基础192.显微镜的机构物镜：通过旋转式转换器接到镜筒的下端面 目镜：插入式 满足齐焦要求：调换物镜后，不需要调焦就能看到像。什么是齐焦要求？设计显微镜时的要求：（1）物镜调换后，像面不动，物面不动 物镜共轭距不变（195mm)；（2）物镜像面即目镜前焦面不动在上端面以下10mm处；（3）机械筒长
13、：上下端面 之间的距离（160mm），有的显微镜机械筒长可调 调换物镜（目镜）后微调焦不可避免，故还必须有微动机构 2022-7-28第七章 光度学基础202022-7-28第七章 光度学基础213.显微镜与放大镜的比较（1）具有更大的放大率，二次放大；（2）人眼离物面较远，使用方便；（3）物镜和目镜可调换，从而得到多种放大率；（4）具有中间实像面，可放置分划板，用于测量（构成测微目镜）（5）通过目镜的离焦，可把微小物体经二次放大以后的实像显示出来。oF1O2OeFeFoFABABA B 2022-7-28第七章 光度学基础228.3.2 显微镜的光束限制1.孔径光阑oF1O2OeFeFoFA
14、BABA B 低倍物镜：为单组物镜框本身。高倍物镜：多组物镜框的最后一组镜框，或在物镜像方焦点处专设。2.出瞳位置位置差不多，孔径光阑相对于目镜或eFex故可认为整个显微镜像方焦面所在位置，所以在作显微镜观察时，眼瞳能与之重合，接收所有成像光，且在更换物镜时不需改变眼瞳位置。2eeefxffx2022-7-28第七章 光度学基础233.出瞳的大小x出瞳Fa2ABUy，则角焦面重合，设像方孔径出瞳和整个系统的像方UxaU)tan(1sinsinnUynUny空气中满足正弦条件像差理论中fxyyUxUxasintanUxUf nUxnUf nsinsinsinsinxUnfUsinsinAfUnf
15、Uxasinsinf 250重要参数数值孔径:AAAfa250Aa5002出瞳大小/122aAa显微镜的出瞳大小主要被焦距和放大率决定2022-7-28第七章 光度学基础244.视场光阑在中间实像面上专设视场光阑。oF1O2OeFeFoFABABA B y2假定物面上的线视场为:视场光阑上的直径FDoy2越大。越大，则理论上，yDF2，才能获得满意像质。，仅当很小，从像差理论上讲实际上显微镜ofyy10122设置视场光阑是为了使入射窗和物面相重合，这样通过目镜观察时，能同时看清视场光阑的边缘和物体的像。2022-7-28第七章 光度学基础258.3.3 显微镜的景深1.显微镜本身的景深出瞳Fa
16、2Axxd 1AZ景像平面B包含显微镜本身的景深和眼睛的调节xxdxdaZ2aZxxdxxd 2aZxxdxxd 2xZ角张角不大于眼睛的分辨若弥散圆对出瞳中心的axxdxd22面的深度清景像平面前后二像平的二倍是像方能同时看将其换算到物空间，得到景深的表达式。222f nxnndxxdaf nxf naxxddx222222AAfa250Andx25022022-7-28第七章 光度学基础262.人眼的调节景深的物空间深度。空间的调节范围所对应调节景深是指人眼在像。和面的距离为远点到眼瞳所在的出瞳设在像空间中，近点和rp空间距离是：点重合，与之对应的物出瞳和显微镜的像方焦出瞳Fa2Axxd
17、1AZ景像平面Brf nrf frpf npf fp22：眼睛可调节的深度范围Af nprf npr22)11(眼睛的调节范围:A3.总的景深)(2prdx显微镜的倍率越高，物镜的数值孔径越大，景深越小。250f22250Anpr2022-7-28第七章 光度学基础278.3.4 显微镜的分辨率与有效放大率1.分辨率用显微镜能看清多么细小的细节？是否想多大就可多大?像面的衍射，有：理论，考虑物镜出瞳到根据夫琅和费圆孔衍射Dl22.1出瞳1OABAB1P2PPU像面上最近的能分辨的两点对出瞳的张角出瞳直径APUUUPPDUPPAP sin61.0tan61.0tan22.1tan11lllUnU
18、nsinsin考虑正弦条件AUnnUnUnll61.0sin61.0sinsin最小分辨距数值孔径而提高分辨本领随波长的减小l)1(大大，而提高，要求增大分辨本领随数值孔径的nUA1)2(2022-7-28第七章 光度学基础282.有效放大率为有效放大率。被眼睛分辨的放大率称能被显微镜分辨的也能Al5.0为被照明时，最小分辨距根据阿贝研究，当物面为：，则眼睛最小分辨距应到人眼的最小分辨角取4200029.0425000029.02250emm处能分辨开的间距人眼在明视距离250AAmm100050000055.0计算，得：按主色光波长有效放大率15005.1maxmaxAA要相互匹配和2022
19、-7-28第七章 光度学基础298.4 望远镜系统8.4.1 望远镜概述伽利略望远镜1O2OeFoF物镜目镜1O2OeFoF开普勒望远镜oF1O2OeFeFoFA显微镜系统2022-7-28第七章 光度学基础308.4.2 视觉放大率1O2OeFoF出瞳DW目镜视场光阑物镜（入瞳）Dof efWWW。物体对眼睛的正切之比时，切与眼睛直接看该物体，物体对眼睛张角的正眼睛通过望远镜观察时定义为：望远镜的放大率WWtantaneoeoeoffWWWfWfWfWftantantantantan)tan(DDffDfDfeoeo系：焦距和光瞳的直径的关DDffWWeotantan望远镜的放大率可表示为物
20、镜焦距与目镜焦距之比；入射光瞳直径与出射光瞳直径之比，放大率的正负表示像的正倒。2022-7-28第七章 光度学基础31DDffWWeotantan关于视觉放大率的讨论，与需要矛盾一定时，当望远镜长度）（LffffLoee02，视觉放大）（eoff1矛盾一定时，当）（WW3矛盾小。越大，出射光瞳直径越入射光瞳直径一定时，）（4 望远镜的诸光学参数之间存在相互矛盾的抑制关系。总的来说，要增大望远镜的倍率，或者导致长度的增大，或者减小了视场，或者降低了光强度。所以，望远镜的倍率要考虑各个因素，综合确定。首先要联系物镜的分辨率。2022-7-28第七章 光度学基础328.4.3 望远镜的分辨率及工作
21、放大率为入瞳的直径光学仪器的最小分辨角DD014 06 人眼的极限分辨率为：06140 DDmm5.0正常放大率倍。大率的常工作放大率为正常放为了防止眼睛疲劳，通32为眼睛的瞄准精度望远镜的瞄准误差aaa 略小观察用望远镜略大瞄准用望远镜望远镜的倍率选择原则2022-7-28第七章 光度学基础338.4.4 望远镜的视场1O2OeFoF出瞳DW目镜视场光阑物镜（入瞳）Dof efWWWFDWfDoFtan2 开普勒望远镜的视场一般不超过15。人眼通过开普勒望远镜观察时，必须使眼睛位于系统的出瞳处，才能观察到望远镜的全视场。2022-7-28第七章 光度学基础34zlD2tanzlD2tan17
22、7page图参考教材)(22222zczzeozzzzllllffllll是一对共轭线段和LffLffffLfLfLloeeeoeeec)(2根据高斯公式像距物镜被目镜所成的像的镜目距:22czll)()(222zzzlLlLl带入上式得：)(2)(22tan22zeozzlffDlLDlD2022-7-28第七章 光度学基础35的眼睛？的物看不清，需配怎样以内人对多少度的眼睛？另一个以外的物看不清，需配某人对例mm15.2.1以外的物看不清某人对解：m5.2近视眼mR5.21处。体成像于配发散镜，使无穷远物m5.2mf5.2度眼镜度数为：404.05.2111Df以外的物看不清另一人对 m1
23、远视眼mP11处。的物体成像于配会聚镜，使明视距离mm125.0fll111f 125.0111mf312度眼镜度数为：30033/1112Df2022-7-28第七章 光度学基础36多少？，显微镜的总放大率是处。如果目镜是焦点后面，中间像成在物镜像方为一架显微镜，物镜焦距例201604.2mmmm201604eommxmmf已知条件解：eo404160ooofx8002040eo2022-7-28第七章 光度学基础37）显微镜的总放大率；（）物镜的垂轴放大率；（离；）被观察物到物镜的距（是薄透镜，求：。把物镜和目镜都看成，目镜焦距，物镜焦距镜相距一架显微镜的物镜和目例3210.50.7200
24、.3mmmmmmmmfmmfmmLeo57200已知条件解：mmfLleoo1955200)1(ooofll1117111951lmml26.786.2626.7195)2(ooolleeell)3(mmlmme250250明视距离505250eeell134350)86.26(5027eo2022-7-28第七章 光度学基础38。）镜目距（；镜的像方视场角）目镜的视场角或望远（；）出射光瞳直径（；板的通光孔径）视场光阑直径或分划（；）物镜的通光孔径（）物镜和目镜的焦距；求（入射光瞳与物镜重合。的开普勒望远镜。设，视场角为，放大率为镜筒长度为例pFlWDDDmm625432184124250.445841224250WWmmL已知条件解：24250)1(eoeoffmmffL率来决定：的通光孔径由正常放大睛要匹配，则物镜虑到物镜的分辨率和眼也就是入瞳的直径。考，物镜得通光孔径径光阑，也为入射光瞳开普勒望远镜物镜为孔)2(FD的通光孔径视场光阑直径或分划板)3(mmDD4825.0mmfmmfeo10240解之得：mmWfDoF6.745tan2402tan2
