1、工程光學工程光學第第7章章-1典型光學系統典型光學系統第一節第一節 眼睛及其光學系統眼睛及其光學系統第二節第二節 放大鏡放大鏡第三節第三節 顯微鏡系統顯微鏡系統第四節第四節 望遠鏡系統望遠鏡系統第五節第五節 目鏡目鏡第六節第六節 攝影系統攝影系統第七節第七節 投影系統投影系統第八節第八節 變焦距光學系統變焦距光學系統第九節第九節 光學系統的外型尺寸計算光學系統的外型尺寸計算3n由于成像理論的逐步完善，構成了許多在由于成像理論的逐步完善，構成了許多在科學技術和國民經濟中得到廣泛應用的光科學技術和國民經濟中得到廣泛應用的光學系統，例如放大鏡、顯微鏡、望遠鏡、學系統，例如放大鏡、顯微鏡、望遠鏡、攝影

2、儀器和投影儀器等。本章主要介紹上攝影儀器和投影儀器等。本章主要介紹上述光學系統的成像特性和設計要求，組成述光學系統的成像特性和設計要求，組成上述光學系統的物鏡和目鏡的結構型式及上述光學系統的物鏡和目鏡的結構型式及其主要光學參數等。其主要光學參數等。4已學過：已學過：折射定律折射定律單個折射球面單個折射球面理理想光組想光組平面系統平面系統光束限制光束限制像差像差目的：目的：組成儀器，得到實際應用的光學系統組成儀器，得到實際應用的光學系統根據光學基本理論，將光學元件合理組合，根據光學基本理論，將光學元件合理組合，得到光學儀器。得到光學儀器。由使用要求決定成像要求，根據成像要求設由使用要求決定成像要

3、求，根據成像要求設計光學系統。計光學系統。設計過程就是合理的組合過程。設計過程就是合理的組合過程。7.1 眼睛及其光學系統眼睛及其光學系統一、眼睛的結構一、眼睛的結構1、結構與主要組成：、結構與主要組成： 角膜、前室角膜、前室（水狀液）、水晶體（水狀液）、水晶體和后室（玻璃體）和后室（玻璃體）、視網膜、瞳孔、視網膜、瞳孔、黃斑、視軸與眼軸。黃斑、視軸與眼軸。 水晶體的水晶體的曲率半徑曲率半徑： 40mm70mm孔徑直徑孔徑直徑變化：變化： 2mm8mm眼軸視軸6人眼的構造剖視圖人眼的構造剖視圖* *鞏膜鞏膜是眼球的第一層保護膜，白色、不透明、堅硬；是眼球的第一層保護膜，白色、不透明、堅硬；*

4、*角膜角膜是鞏膜的最前端部分，無色而透明；眼睛內的折射主要發是鞏膜的最前端部分，無色而透明；眼睛內的折射主要發生在角膜上；生在角膜上；鞏膜鞏膜角膜角膜脈絡膜脈絡膜* *脈絡膜脈絡膜是眼球的第二層膜，上面有供給眼睛營養的網狀微血管；是眼球的第二層膜，上面有供給眼睛營養的網狀微血管；7人眼的構造剖視圖人眼的構造剖視圖* *虹膜虹膜是脈絡膜的最前端部分，含有色素細胞，決定眼的是脈絡膜的最前端部分，含有色素細胞，決定眼的顏色；顏色；鞏膜鞏膜角膜角膜脈絡膜脈絡膜虹膜虹膜瞳孔瞳孔* *瞳孔瞳孔是虹膜中間的小孔，隨著外界明亮程度的不同，虹是虹膜中間的小孔，隨著外界明亮程度的不同，虹膜肌肉能使瞳孔的膜肌肉能使

5、瞳孔的直徑在直徑在28mm范圍內變化范圍內變化；它是人眼它是人眼的孔徑光闌的孔徑光闌。8人眼的構造剖視圖人眼的構造剖視圖細胞，錐狀細胞直徑約細胞，錐狀細胞直徑約5微米，長約微米，長約35微米；微米；桿狀細胞直徑約桿狀細胞直徑約2 2微米微米，長約，長約60微米。它們在網膜上的分布式不均勻的。在微米。它們在網膜上的分布式不均勻的。在黃斑中心凹黃斑中心凹處處*網膜網膜是眼球的第三層膜，上面布滿著感光元素，即錐狀細胞和桿狀是眼球的第三層膜，上面布滿著感光元素，即錐狀細胞和桿狀是錐狀細胞的密集區而沒有桿狀細胞是錐狀細胞的密集區而沒有桿狀細胞，由中心向外，逐漸相對變化；由中心向外，逐漸相對變化；鞏膜鞏膜

6、角膜角膜脈絡膜脈絡膜虹膜虹膜瞳孔瞳孔網膜網膜黃斑中心凹黃斑中心凹9人眼的構造剖視圖鞏膜鞏膜角膜角膜 光光脈絡膜脈絡膜 盲斑盲斑是網膜上沒有感光元素的地方，不能引起光刺激。是網膜上沒有感光元素的地方，不能引起光刺激。虹膜虹膜瞳孔瞳孔網膜網膜黃斑中心凹是人眼視覺最靈敏的地方。黃斑中心凹是人眼視覺最靈敏的地方。視神經細胞視神經細胞晶狀體晶狀體在虹膜后面，是由兩個不同曲率的面組成的透明體，在虹膜后面，是由兩個不同曲率的面組成的透明體， 黃斑中心凹黃斑中心凹神經纖維神經纖維盲斑盲斑大腦大腦盲斑盲斑晶狀體晶狀體10人眼的構造剖視圖人眼的構造剖視圖鞏膜鞏膜角膜角膜率都是不均勻的，由里層到外層逐漸減少，有利于

7、提高率都是不均勻的，由里層到外層逐漸減少，有利于提高脈絡膜脈絡膜 成像質量。晶狀體的平均折射率為成像質量。晶狀體的平均折射率為1.40，其周圍是毛狀肌，其周圍是毛狀肌虹膜虹膜瞳孔瞳孔網膜網膜似雙凸透鏡，是眼睛光學系統的成像元件，其密度和折射似雙凸透鏡，是眼睛光學系統的成像元件，其密度和折射 能改變晶狀體的表面曲率，使人眼在看遠近不同的物體時，能改變晶狀體的表面曲率，使人眼在看遠近不同的物體時，黃斑中心凹黃斑中心凹 盲斑盲斑晶狀體晶狀體11人眼的構造剖視圖人眼的構造剖視圖鞏膜鞏膜角膜角膜角膜和晶狀體之間的空間稱為前室；充滿角膜和晶狀體之間的空間稱為前室；充滿1.336的水狀液；的水狀液；脈絡膜脈

8、絡膜 晶狀體和網膜所包圍的空間稱為后室晶狀體和網膜所包圍的空間稱為后室;充滿充滿1.336的玻狀體的玻狀體虹膜虹膜瞳孔瞳孔網膜網膜總能將像成在網膜上。總能將像成在網膜上。 黃斑中心凹黃斑中心凹 盲斑盲斑晶狀體晶狀體前室前室后室后室12人眼的構造剖視圖人眼的構造剖視圖鞏膜鞏膜角膜角膜 脈絡膜脈絡膜眼睛的像方節點與中心凹的連線為眼睛的眼睛的像方節點與中心凹的連線為眼睛的視軸視軸, 在觀察物在觀察物虹膜虹膜瞳孔瞳孔網膜網膜 體時眼睛本能地把物體瞄準在這根軸上。體時眼睛本能地把物體瞄準在這根軸上。 黃斑中心凹黃斑中心凹 盲斑盲斑晶狀體晶狀體前室前室后室后室1.3761.3361.336光軸光軸視軸視軸

9、13 眼睛的視場很大，可達眼睛的視場很大，可達150150，但只有，但只有黃斑附近黃斑附近 才能清晰識別，其他部分比較模糊，才能清晰識別，其他部分比較模糊， 所以能看所以能看清物體的角度范圍為清物體的角度范圍為6 6 8 8。 從光學角度看，眼睛中最主要的是：從光學角度看，眼睛中最主要的是：水晶體、視水晶體、視網膜和瞳孔。網膜和瞳孔。 人眼人眼 水晶體水晶體 視網膜視網膜 瞳孔瞳孔 眼睛眼睛和和照相機照相機很相似，如果對應起來看：很相似，如果對應起來看： 照相機照相機 鏡頭鏡頭 底片底片 光闌光闌142、眼睛的成像：、眼睛的成像： 人眼是一個類似的攝影系統，角膜相當于一個凸凹鏡，前室亦人眼是一

10、個類似的攝影系統，角膜相當于一個凸凹鏡，前室亦如此，水晶體相當于一個雙凸鏡。物點在視網膜上形成一個倒立的如此，水晶體相當于一個雙凸鏡。物點在視網膜上形成一個倒立的實像，但這一倒像的感覺經神經系統的作用，給人以正像的視覺。實像，但這一倒像的感覺經神經系統的作用，給人以正像的視覺。 眼睛的物方和像方焦距不相等眼睛的物方和像方焦距不相等: f = -17.1mm f =22.8mm 眼睛的調焦范圍眼睛的調焦范圍: -f =14.217.1mm f =18.922.8mm 瞳孔起著孔徑光闌的作用，自動調節進入人眼的光能，它有一瞳孔起著孔徑光闌的作用，自動調節進入人眼的光能，它有一定范圍，定范圍，( 2

11、8mm)若外界光很強，即使若外界光很強，即使=2mm時仍然使人無法適時仍然使人無法適應，就很容易使視網膜造成傷害。應，就很容易使視網膜造成傷害。 3、眼睛的光學參數：、眼睛的光學參數： 介質折射率：介質折射率：n=1.3333 折射面半徑：折射面半徑：r1=5.77mm 物方焦距：物方焦距：f-17mm 像方焦距：像方焦距：f 23mm 光焦度：光焦度：D=58.48(1/m) 網膜半徑：網膜半徑：r2=9.7mm二、眼睛的調節及校正二、眼睛的調節及校正1、眼睛的調節：、眼睛的調節：眼睛成像系統對任意距離的物體自動調焦的過程。眼睛成像系統對任意距離的物體自動調焦的過程。 f 的變化范圍的變化范

12、圍: 18mm23mm2、眼睛的調節能力：、眼睛的調節能力：眼睛的調節能力表示為能清晰調焦的極限距離范圍。眼睛的調節能力表示為能清晰調焦的極限距離范圍。 該調節能力的數學描述如下：該調節能力的數學描述如下： 設人眼能調節清晰成像的極限距離分別為：設人眼能調節清晰成像的極限距離分別為： l r遠點距離遠點距離, 遠點遠點 發散度（或會聚度）發散度（或會聚度）; l p近點距離，近點距離，近點近點 發散度（或會聚度）；發散度（或會聚度）； 單位為（單位為（D）屈光度）屈光度 （屈光度（屈光度1D=1m-1） 眼睛的調節能力用眼睛的調節能力用rlR1plP1prllPRA11a.影響因素影響因素：調

13、節能力隨年齡增大而減少調節能力隨年齡增大而減少b.明視距離：明視距離：在閱讀時，或眼睛通過目視光學儀器觀測物像時，為了工作在閱讀時，或眼睛通過目視光學儀器觀測物像時，為了工作舒適，習慣上把物或像置于眼前舒適，習慣上把物或像置于眼前250mm處，稱作處，稱作明視距離明視距離。3、非正常眼及其校正：、非正常眼及其校正：正常眼和反常眼：正常眼和反常眼：正常眼：眼睛的遠點在無限遠，眼睛光學系統的正常眼：眼睛的遠點在無限遠，眼睛光學系統的后焦點在視網膜上。后焦點在視網膜上。反常眼：眼睛光學系統的后焦點不在視網膜上。反常眼：眼睛光學系統的后焦點不在視網膜上。近視眼和遠視眼：近視眼和遠視眼：近視眼：遠點位于

14、眼前有限距離。近視眼：遠點位于眼前有限距離。年齡1020304050607080l p (cm)-7-10-14-22-40-20010040l r (cm)2008040A(D)141074.52.510.250遠視眼：遠點位于眼后有限距離遠視眼：遠點位于眼后有限距離校正方法校正方法; 視度：視度： 遠點距離遠點距離l r(單位為單位為m)的倒數的倒數表示近視眼或遠視眼的程度，稱為表示近視眼或遠視眼的程度，稱為視度，單位為屈光度，通常醫院和視度，單位為屈光度，通常醫院和眼鏡店把一屈光度稱作眼鏡店把一屈光度稱作100度。度。三、眼睛的輻射接收作用三、眼睛的輻射接收作用視網膜：由錐狀細胞和桿狀細

15、胞組視網膜：由錐狀細胞和桿狀細胞組成，兩種細胞各有不同的任務；成，兩種細胞各有不同的任務；桿狀細胞：對光刺激極敏感，但完桿狀細胞：對光刺激極敏感，但完全不感色；（引起視覺）全不感色；（引起視覺）錐狀細胞：感光能力差，但它們能錐狀細胞：感光能力差，但它們能對各色光有不同的感受。（分辨顏色）對各色光有不同的感受。（分辨顏色）適應：眼睛對周圍空間光亮情況的自動適應程度。適應：眼睛對周圍空間光亮情況的自動適應程度。明適應和暗適應：由暗處進入亮處，瞳孔自動縮小；由亮處進入暗處，瞳孔自明適應和暗適應：由暗處進入亮處，瞳孔自動縮小；由亮處進入暗處，瞳孔自動放大。動放大。fff=Lr四、眼睛的分辨率四、眼睛的

16、分辨率1、眼的分辨能力：眼的分辨能力：眼能夠分辨最靠近兩相鄰點的能力稱為眼的分眼能夠分辨最靠近兩相鄰點的能力稱為眼的分辨能力，或視覺敏銳度。辨能力，或視覺敏銳度。2、視角：視角：物體對人眼的張角稱作視角。物體對人眼的張角稱作視角。3、視角鑒別率視角鑒別率： 當兩像點落在同一視覺細胞上時，人眼無法分辨，但當兩當兩像點落在同一視覺細胞上時，人眼無法分辨，但當兩像點距離大于等于像點距離大于等于細胞直徑細胞直徑D時，兩像點可能落在相鄰細胞上，時，兩像點可能落在相鄰細胞上，則眼睛就可分辨。則眼睛就可分辨。 Dmin=0.006mm ，當，當 時，時， 視角鑒別率視角鑒別率minDD min 602062

17、6523006.0tg五、眼睛的對準精度五、眼睛的對準精度 眼睛雖具有發現一個平面上兩根平行直線的不眼睛雖具有發現一個平面上兩根平行直線的不重合能力，但也有一定的限度重合能力，但也有一定的限度 這個不重合限度的極限值這個不重合限度的極限值稱為稱為人眼的對準精度人眼的對準精度。 六、眼睛的景深六、眼睛的景深 設設Dp為人眼的直徑，為人眼的直徑，為節點處的人眼分辨角為節點處的人眼分辨角 由圖可知：由圖可知：ab = - p abA2A2cd pDpDpppppDppp222 ; cd由由A1abA1cd遠景深遠景深 近景深近景深 若眼睛調節在無限遠，若眼睛調節在無限遠，P，遠、近景深距離為，遠、近

18、景深距離為P1+DP/P2DP/ pDpDppppDppp1p ; 11 pDpppp211 pDpppp222 七七. 雙目立體視覺雙目立體視覺對物體位置在空間分布以及對物體對物體位置在空間分布以及對物體體積的感覺體積的感覺立體視覺。立體視覺。1. 單眼觀察單眼觀察2雙眼觀察雙眼觀察雙像雙像單一像單一像物在兩眼視網膜上的像必須位于視物在兩眼視網膜上的像必須位于視網膜的對應點，即相對于黃斑中心網膜的對應點，即相對于黃斑中心的同一側時，才有單像的印象的同一側時，才有單像的印象23n物體對眼睛的視角，物體對眼睛的視角，不僅取決于物體的大小不僅取決于物體的大小，還取決，還取決于該于該物體到眼睛的距離

19、物體到眼睛的距離，距離越近視角越大，距離越近視角越大 在近處觀察細小物體其在近處觀察細小物體其視角視角小于小于人眼極限分辨角人眼極限分辨角 就需要借助放大鏡或顯微鏡將其放大，使就需要借助放大鏡或顯微鏡將其放大，使像的視角像的視角大大于人眼的極限分辨角于人眼的極限分辨角 擴大視角是目視光學儀器的擴大視角是目視光學儀器的第一個要求第一個要求 人眼在觀察物體時完全放松的自然狀態，即無限遠目人眼在觀察物體時完全放松的自然狀態，即無限遠目標成像到視網膜上標成像到視網膜上 在利用儀器觀察時，目標通過儀器后應成像在無限遠在利用儀器觀察時，目標通過儀器后應成像在無限遠處，即要求儀器出射平行光束處，即要求儀器出射平行光束 對目視光學儀器的對目視光學儀器的第二個要求。第二個要求。第二節第二節 放大鏡放大鏡 tgtgtgltglyyeeei 250yLytg 人眼直接觀察時：人眼直接觀察時：lPyflflPytg 通過放大鏡觀察時：通過放大鏡觀察時：-L- -yAByey yy y-lfPF 一、視覺放大率一、視覺放大率 - -yyi 通過通過