1、第六章第六章 目視光學系統目視光學系統目視光學系統目視光學系統眼睛的特性眼睛的特性放大鏡放大鏡 顯微鏡系統顯微鏡系統望遠鏡系統望遠鏡系統6.1、 眼睛的結構及其特性眼睛的結構及其特性 人人 眼眼相機相機 水晶體水晶體鏡頭鏡頭: :f=-17mm f=23mm (在調焦范圍內，在調焦范圍內，-f=14.217.1mm , f=18.922.8mm) 視網膜視網膜底片底片 瞳瞳 孔孔光闌光闌 ：28mm 一、人眼的結構一、人眼的結構相當于自動調焦相當于自動調焦的透鏡系統的透鏡系統二、眼睛的調節二、眼睛的調節眼睛的調節眼睛的調節：眼睛對不同距離的物體的眼睛對不同距離的物體的自動調焦自動調焦的過程。的

2、過程。 視度：視度：與網膜共軛的物面到眼睛的距離的倒數，與網膜共軛的物面到眼睛的距離的倒數，SD1/l （單位：屈光度，其中（單位：屈光度，其中l以米為單位）以米為單位）遠（近）點遠（近）點：眼睛自動調焦所可能看清最遠（近）的點，：眼睛自動調焦所可能看清最遠（近）的點，遠（近）點距離遠（近）點距離：遠（近）點到眼物方主點的距離。：遠（近）點到眼物方主點的距離。正常眼正常眼：眼睛的遠點在無限遠，近點很近，水晶體的像方：眼睛的遠點在無限遠，近點很近，水晶體的像方焦點與視網膜重合。焦點與視網膜重合。明視距離明視距離：正常眼最方便和最習慣的工作距離，它等于：正常眼最方便和最習慣的工作距離，它等于 -2

3、50mm。人眼的最大調節范圍：人眼的最大調節范圍：近點和遠點所對應的視度之差近點和遠點所對應的視度之差（SD近近-SD遠遠） 。范圍隨年齡變化如表。范圍隨年齡變化如表61：問：老花眼和遠視是一回事嗎？問：老花眼和遠視是一回事嗎？三、眼睛的分辨率三、眼睛的分辨率眼睛的分辨率：眼睛的分辨率：眼睛剛能分辨的兩物點在網膜眼睛剛能分辨的兩物點在網膜上成的兩像點之間的距離。上成的兩像點之間的距離。人眼的生理結構決定這個距離至少要大于兩個人眼的生理結構決定這個距離至少要大于兩個神經細胞的直徑。神經細胞的直徑。視神經細胞直徑約視神經細胞直徑約0.003mm一般取人眼的分辨率一般取人眼的分辨率0.006mm視角

4、分辨率：視角分辨率：眼睛剛能分辨的兩物點對眼睛的張角眼睛剛能分辨的兩物點對眼睛的張角min。 在眼睛沒有調節的松弛狀態下，在眼睛沒有調節的松弛狀態下，f 16.68mm，可得，可得min60： 由由 可得可得minmin0.00616.680.006 18060 606016.86yradfmintanyf 提高人眼分辨率的方法：提高人眼分辨率的方法： 6.2 6.2 放大鏡放大鏡 一、工作原理一、工作原理物體對人眼的張角稱為視角。物體對人眼的張角稱為視角。人眼要看清物體，必須是物體對人眼的視角大人眼要看清物體，必須是物體對人眼的視角大于人眼分辨率。于人眼分辨率。二、視（角）放大率二、視（角）

5、放大率 目視光學儀器是幫助人眼目視光學儀器是幫助人眼擴大視角擴大視角功能的，它的作用大小用功能的，它的作用大小用視（角）放大率來描述。視（角）放大率來描述。 視網膜上像的大小和視角的正切成正比，因此，把同一目標視網膜上像的大小和視角的正切成正比，因此，把同一目標用儀器觀察的視角用儀器觀察的視角儀儀 ( () )和人眼直接觀察的視角和人眼直接觀察的視角 眼眼 ()二者二者正切之比正切之比稱為目視光學儀器的稱為目視光學儀器的“視角放大率視角放大率”。tgtgtgtg眼儀要使光學儀器有擴大視角功能，則要使光學儀器有擴大視角功能，則大于大于1 1f 2500一、放大鏡的一、放大鏡的視角視角放大率放大率

6、注：注：目視光學儀器目鏡的工作原理和目視光學儀器目鏡的工作原理和視角放大率視角放大率的計算與放大鏡完的計算與放大鏡完 全相同。全相同。二、放大鏡的光束限制和視場二、放大鏡的光束限制和視場 zzzlahtglhtglahtg21tgfy22zlhy05002注：注：放大鏡的視場與放大鏡的視場與視角放大率視角放大率、放大鏡放大鏡口徑口徑、觀察距離觀察距離有關。有關。眼瞳為孔闌，放大鏡為漸暈光闌，漸暈系數為眼瞳為孔闌，放大鏡為漸暈光闌，漸暈系數為1,0.5,0時，像方視時，像方視場角分別為：場角分別為：當物面放在放大鏡前焦面時，像面無限遠，當物面放在放大鏡前焦面時，像面無限遠，k0.5時的線視場時的

7、線視場6.3 顯微系統顯微系統主要內容：主要內容：1、顯微鏡的成像原理及顯微鏡的成像原理及視角放大率視角放大率 ；2、孔徑光闌與、孔徑光闌與出瞳直徑出瞳直徑；3、分辨率分辨率與與有效放大率有效放大率；放大鏡不能滿足對更細小的物體觀察，考慮可以先用放大鏡不能滿足對更細小的物體觀察，考慮可以先用一組透鏡把物體放大成像到放大鏡前焦面上，再通過一組透鏡把物體放大成像到放大鏡前焦面上，再通過放大鏡觀察；放大鏡觀察；這樣經過兩級放大形成的光學系統稱為這樣經過兩級放大形成的光學系統稱為顯微鏡系統顯微鏡系統；靠近物體，把物體尺寸放大的透鏡叫做靠近物體，把物體尺寸放大的透鏡叫做顯微物鏡顯微物鏡 靠近眼睛，用來擴

8、大視角的放大鏡叫做靠近眼睛，用來擴大視角的放大鏡叫做顯微目鏡顯微目鏡。一、一、顯微鏡的成像原理及顯微鏡的成像原理及視角放大率視角放大率 250ytg目fytg物物fyyyfytgtg 目250光學筒長光學筒長：FF物物 到到F F目目之間的距離。之間的距離。)6 . 6(250目物目物ff人眼直接觀察物視角人眼直接觀察物視角通過顯微鏡觀察視角通過顯微鏡觀察視角目物又ffff 250故顯微鏡可以看成一個組合放大鏡故顯微鏡可以看成一個組合放大鏡當當和和符號相反，符號相反，觀察到倒立的像觀察到倒立的像)6 . 6(250目物目物ff可得習題習題1：用兩個焦距都是：用兩個焦距都是50mm的正透鏡組成一

9、個的正透鏡組成一個10倍的顯倍的顯微鏡，問物鏡、目鏡的倍率及物鏡和目鏡之間的間隔？微鏡，問物鏡、目鏡的倍率及物鏡和目鏡之間的間隔？目物目物ff250-1050,50,目物ffmm100解：由公式解：由公式其中其中代入上式可得代入上式可得550250250目目f250100物物f1、衍射分辨率、衍射分辨率P123二、顯微鏡的二、顯微鏡的分辨率分辨率和和有效放大率有效放大率（像點中央亮斑直徑）（像點中央亮斑直徑）實驗證明，兩像點能分辨的最短距離等于中央亮斑直徑：實驗證明，兩像點能分辨的最短距離等于中央亮斑直徑：maxsin22. 12UnRmaxsin61. 0UnR 為光的波長，為光的波長， 為

10、像方折射率，為像方折射率， 為光束最大像方孔徑角為光束最大像方孔徑角nmaxU 由于衍射像有一定大小，如果兩個像點距離太小，就無法由于衍射像有一定大小，如果兩個像點距離太小，就無法分辨，把兩個衍射像間所能分辨的最小間隔稱為分辨，把兩個衍射像間所能分辨的最小間隔稱為衍射分辨率衍射分辨率。NAUn61. 0sin61. 0maxUnNAsinyunnuy由物像空間不變式maxsin61. 0Un2、顯微鏡、顯微鏡分辨率分辨率:用物面上可分辨最短距離用物面上可分辨最短距離表示表示1）兩個發光點的分辨率：）兩個發光點的分辨率：其中，其中， 稱為稱為數值孔徑數值孔徑兩像點能分辨的最短距離：兩像點能分辨的

11、最短距離：2）不發光物體的分辨率：）不發光物體的分辨率：NANA5 . 0垂直照明：垂直照明：傾斜照明：傾斜照明：NA NA ， 時，時， ，分辨率，分辨率提高顯微鏡分辨率的途徑：提高顯微鏡分辨率的途徑：1）增大數值孔徑）增大數值孔徑 NANA，即增大孔徑角或物方折射率，即增大孔徑角或物方折射率n，（采用浸液物鏡采用浸液物鏡）2）縮短工作波長）縮短工作波長；（；（采用紫光光源采用紫光光源）顯微鏡分辨率表征了顯微鏡能分辨近距物體細微結構能力顯微鏡分辨率表征了顯微鏡能分辨近距物體細微結構能力顯微鏡分辨率主要取決于顯微鏡分辨率主要取決于NA，與目鏡無關，目鏡放大率再大也無，與目鏡無關，目鏡放大率再大

12、也無法把物鏡不能分辨的細節看清。法把物鏡不能分辨的細節看清。3、有效放大率有效放大率（要使顯微鏡分辨的細節能被人眼所分辨要使顯微鏡分辨的細節能被人眼所分辨）便于眼睛分辨的角距離為便于眼睛分辨的角距離為 42該角距離在眼睛的明視距離該角距離在眼睛的明視距離250mm250mm處所對應的線距離處所對應的線距離眼眼，可表示為：，可表示為： 把把眼眼看成顯微鏡分辨率看成顯微鏡分辨率經顯微鏡所成的像經顯微鏡所成的像。則有。則有眼NA5 . 0設所用照明的平均波長為設所用照明的平均波長為0.000555mm， 有有近似為：近似為：25000029. 0425000029. 02眼)00029. 01806

13、011 (radrad NANA1046523，取取NANA1000500即眼00029. 0425000029. 02結論：結論：1.1.顯微鏡能分辨而眼睛不能分辨顯微鏡能分辨而眼睛不能分辨（當使用比（當使用比 500NA500NA更小的放大率時，不能看清物鏡已分辨出的某些細更小的放大率時，不能看清物鏡已分辨出的某些細節節受制于人眼分辨率）受制于人眼分辨率）放大不足；放大不足；2.2.顯微鏡不能分辨，導致眼睛不能分辨顯微鏡不能分辨，導致眼睛不能分辨（若用比（若用比1000NA1000NA更高的放大率，也不可能再提高顯微鏡的分更高的放大率，也不可能再提高顯微鏡的分辨率，即并不能使被觀察物體的細

14、節更清晰辨率，即并不能使被觀察物體的細節更清晰受受制于光學系統衍射分辨率）制于光學系統衍射分辨率）無效放大。無效放大。 習題習題2 2（T6T6）：一個顯微鏡物鏡的垂軸放大率為）：一個顯微鏡物鏡的垂軸放大率為-3-3，數值孔徑為，數值孔徑為0.10.1，共軛距共軛距L L（物鏡的物像間距）（物鏡的物像間距）為為180180毫米，物鏡框為孔闌，目鏡毫米，物鏡框為孔闌，目鏡焦距為焦距為2525毫米，求：毫米，求： 、顯微鏡的視角放大率；、顯微鏡的視角放大率； 、出瞳距離（鏡目距）出瞳距離（鏡目距）； 、斜入射光照明，波長為斜入射光照明，波長為0.55微米，求其分辨率微米，求其分辨率； 、物鏡通光孔

15、徑；、物鏡通光孔徑； 、出瞳直徑；、出瞳直徑； 、設物高、設物高2y2y6mm6mm，K=50K=50，求目鏡的通光口徑。，求目鏡的通光口徑。6.4 6.4 望遠鏡系統望遠鏡系統 主要內容：主要內容：1、工作原理；、工作原理；2、視放大率；、視放大率；3、分辨率及工作放大率；、分辨率及工作放大率；4、透鏡轉象系統；、透鏡轉象系統；一、工作原理一、工作原理目視光學儀器的兩個要求目視光學儀器的兩個要求n擴大視角擴大視角n出射平行光出射平行光顯微鏡是將近物成像于無限遠，望遠鏡使無限遠物體顯微鏡是將近物成像于無限遠，望遠鏡使無限遠物體成像在無限遠，所以望遠鏡是一個無焦系統成像在無限遠，所以望遠鏡是一個

16、無焦系統由于是無焦系統，物鏡的像方焦點和目鏡的物方焦點由于是無焦系統，物鏡的像方焦點和目鏡的物方焦點重合，重合，光學筒長光學筒長 0p望遠鏡有兩種基本型式：望遠鏡有兩種基本型式：伽利略望遠鏡、開普勒望遠鏡。伽利略望遠鏡、開普勒望遠鏡。開普勒望遠系統，物鏡和目鏡都是正透鏡，開普勒望遠系統，物鏡和目鏡都是正透鏡，中間有實像面，可在實像處中間有實像面，可在實像處加分劃板測量。加分劃板測量。問：伽利略望遠鏡能否放置分劃板？問：伽利略望遠鏡能否放置分劃板？答：由于伽利略望遠鏡沒有中間實像，不能安裝分劃板。也不能用來瞄答：由于伽利略望遠鏡沒有中間實像，不能安裝分劃板。也不能用來瞄準和定位。準和定位。伽利略

17、望遠鏡的物鏡是一塊正透鏡，目鏡是一塊負透鏡。伽利略望遠鏡的物鏡是一塊正透鏡，目鏡是一塊負透鏡。二、視放大率二、視放大率目物眼儀fftgtgtgtg tgftgfy目物 由于物體在無限遠，同一目標對人眼的張角和對儀器的張角（即望遠鏡由于物體在無限遠，同一目標對人眼的張角和對儀器的張角（即望遠鏡的物方視場角）完全可以認為是相等的，同為的物方視場角）完全可以認為是相等的，同為 ， 通過望遠鏡之后，物體的像對人眼的張角就是系統的像方視場角通過望遠鏡之后，物體的像對人眼的張角就是系統的像方視場角 1、D 為望遠鏡的入瞳直徑為望遠鏡的入瞳直徑 ；D 為望遠鏡的出瞳直徑為望遠鏡的出瞳直徑 ； 2、望遠鏡的視

18、覺放大率取決于望遠系統的結構（焦距）。、望遠鏡的視覺放大率取決于望遠系統的結構（焦距）。 目物則若要ff, 1問：望遠鏡的物鏡能否用負透鏡？問：望遠鏡的物鏡能否用負透鏡？11DDfftgtg目物目物fDfD22DD望遠鏡系統的特點：望遠鏡系統的特點：P148 1.可正可負，可正可負，0,0,、 同號，物像方向相同（同號，物像方向相同（伽利略望遠鏡伽利略望遠鏡） 0, 0,、 異號，物像方向相反（異號，物像方向相反（開普勒望遠鏡開普勒望遠鏡） 2.目鏡焦距不能太小，因此要提高放大率，目鏡焦距不能太小，因此要提高放大率，必須加長物鏡焦距必須加長物鏡焦距； 3.出瞳與人眼眼瞳直徑相匹配，為了得到高倍

19、率，出瞳與人眼眼瞳直徑相匹配，為了得到高倍率，要加大物鏡口徑要加大物鏡口徑。 三、分辨率及工作放大率三、分辨率及工作放大率1 1、望遠鏡的、望遠鏡的分辨率分辨率：以剛能分辨的兩發光點對望遠鏡的張角：以剛能分辨的兩發光點對望遠鏡的張角表示表示。入D014 取取0.000555mm,0.000555mm,則則問題：為什么天文望遠鏡物鏡口徑一般做得很大？問題：為什么天文望遠鏡物鏡口徑一般做得很大？分辨率只與入瞳口徑（物鏡口徑）有關，入瞳越大，分辨率只與入瞳口徑（物鏡口徑）有關，入瞳越大， 越越 小，分辨率越高小，分辨率越高物物fUnfR sin0.61代入上式得以物入1,2sinnfDU入D22.

20、1若設人眼的分辨率為若設人眼的分辨率為 60，則，則 眼3 . 201406入入DD 3 3、工作放大率工作放大率：是正常放大率的：是正常放大率的23倍。倍。 2 2、有效放大率有效放大率：滿足人眼分辨率要求的最小視角放大率。：滿足人眼分辨率要求的最小視角放大率。入工作D四、透鏡轉像系統四、透鏡轉像系統（開普勒望遠鏡成倒像，要獲得正像，中間要加倒像系統）（開普勒望遠鏡成倒像，要獲得正像，中間要加倒像系統）01212yyfffyfytgtg目物物目 轉像系統的垂直放大率一般在轉像系統的垂直放大率一般在1/21/2 -3 -3 之間，之間，1）位置位置：在物鏡的像方焦面和目鏡的物方焦面之間加入一垂

21、軸放大率：在物鏡的像方焦面和目鏡的物方焦面之間加入一垂軸放大率為負的透鏡組。為負的透鏡組。 2）加入倒像系統后）加入倒像系統后視角放大率視角放大率 選用的最多，實現倒像。選用的最多，實現倒像。 13）倒像系統的放置及垂軸放大率）倒像系統的放置及垂軸放大率1221ffyytgtgtgfytgfy211,ff則令通常采用兩個完全相同的透鏡組成倒像系統。通常采用兩個完全相同的透鏡組成倒像系統。F1F2y-y一般由兩個透鏡組組成，一般由兩個透鏡組組成，并使第一個透鏡組的物方并使第一個透鏡組的物方焦面和物鏡的像方焦面重焦面和物鏡的像方焦面重合；第二個透鏡組的像方合；第二個透鏡組的像方焦面與目鏡的物方焦面重焦面與目鏡的物方焦面重合。合。4）倒像系統斜光束漸暈）倒像系統斜光束漸暈 當斜光束的對稱軸線當斜光束的對稱軸線主光線和光軸的交點在兩透鏡中間時，斜主光線和光軸的交點在兩透鏡中間時，斜光束的寬度最大。光束的寬度最大。F1F2y-y6.4 視度調節視度調節一、眼睛的缺陷及校正一、眼睛的缺陷及校正正常眼：正常眼：遠點在無限遠遠點在無限遠，水晶體的像方焦點，水晶體的像方焦點F在視網膜上。在視網膜上。近視眼：近視眼：F在視網膜前，戴在視網膜前，戴負透鏡負透鏡校正。校正。遠視眼：遠視眼：F在視網膜后，戴在