【工程光学】典型光学系统

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1.眼

  • 人眼
    • 人眼本身相当于摄影光学系统, 角膜与视网膜之间的生物组织可视为像元, 物体经成像元成像在视网膜, 神经受刺激产生视觉. 人眼可通过肌肉调节改变等效光学系统的焦距, 使不同距离的物体自动清洗成像于视网膜.
    • 人眼瞳孔为孔径光阑, 可调节进入眼睛的光能.
  • 调节
    • 眼睛成像系统对任意距离的物体自动调焦过程
    • 1 l r − 1 l p = R − P = A \frac{1}{l_r}-\frac{1}{l_p}=R-P=A lr1lp1=RP=A
      • l r l_r lr: 远点距离
      • l p l_p lp: 近点距离
      • 单位: 屈光度(D), 1D=100度
    • 明视距离: 为工作舒适,通常把物像置于眼前250mm处
  • 正常眼: 眼睛远点在无限远/眼光学系统后焦点在视网膜
  • 反常眼
    在这里插入图片描述
  • 感光&感色: 视网膜是由锥状细胞与杆状细胞组成的辐射接收器
    • 杆状细胞: 对光刺激敏感, 不感色
    • 锥状细胞: 感光能力<杆, 感色, 决定分辨颜色的能力
    • 亮照明锥状细胞主导, 弱照明杆状细胞主导
    • 适应: 眼睛对周围空间亮度情况自动适应:明适应/暗适应
  • 分辨率: 眼睛能分辨最靠近的两个相邻点的能力(视觉敏锐度)
    • 视角: 物体对人眼张角
    • 视觉鉴别率 ε \varepsilon ε: 良好照明条件下, 人眼能分辨物点间的最小视角, 松弛时 ε = 6 0 ′ ′ \varepsilon=60'' ε=60′′
  • 对准: 垂直于视轴方向上的置中或重合能力
    • 对准误差: 对准后偏离置中/重合的线距离/角距离
  • 景深: 眼睛调节到某一对准平面时, 眼睛不必调节即可同时看清对准平面前后某距离物体的范围
    • Δ 1 = P 2 ε D p + P ε \Delta_1=\frac{P^2\varepsilon}{D_p+P\varepsilon} Δ1=Dp+P2ε
    • Δ 2 = P 2 ε D p − P ε \Delta_2=\frac{P^2\varepsilon}{D_p-P\varepsilon} Δ2=DpP2ε
    • P P P: 对准距离
    • D P D_P DP: 眼瞳直径
    • ε \varepsilon ε: 人眼极限分辨角
  • 立体视觉: 双目观察远近不同物体, 视差角 θ A \theta_A θA不同, 肌肉紧张程度不同, 可分辨物体远近 L L L
    • θ A = b L \theta_A=\frac{b}{L} θA=Lb
    • 视差 Δ θ \Delta\theta Δθ: 不同距离的物体, 人眼对应不同视差角, 据其大小感觉两物体纵向深度
    • 体视锐度 Δ θ min ⁡ \Delta\theta_{\min} Δθmin: 人眼能感觉到的 Δ θ \Delta\theta Δθ最小值, 常为 1 0 ′ ′ 10'' 10′′
    • 立体视觉半径 L max ⁡ = b / Δ θ min ⁡ L_{\max}=b/\Delta\theta_{\min} Lmax=bθmin: 人眼能分辨远近的最大距离
    • 立体视觉阈 Δ L = Δ θ L 2 b \Delta L=\frac{\Delta \theta L^2}{b} ΔL=bΔθL2: 双眼能分辨两点间的最小距离

3.放大镜

在这里插入图片描述

  • 能将放在焦点上/焦点附近的物体成放大虚像的目视透镜/透镜系统
  • 视觉放大率 Γ \Gamma Γ: 放大镜观察物体在视网膜的像高 y i ′ y_i' yi / 人眼直接观察物体时视网膜的像高 y e ′ y_e' ye
    • Γ = y i ′ y e ′ = l ′ tan ⁡ ω ′ l ′ tan ⁡ ω = tan ⁡ ω ′ tan ⁡ ω \Gamma=\frac{y_i'}{y_e'}=\frac{l'\tan\omega'}{l'\tan\omega}=\frac{\tan\omega'}{\tan\omega} Γ=yeyi=ltanωltanω=tanωtanω
      • ω ′ \omega' ω: 仪器观察物体时, 物体像对人眼张角
      • ω \omega ω: 人眼直接观察物体时, 物体对人眼张角
    • 放大率公式: 视觉放大率取决于观察条件
      • Γ = f ′ − l ′ P ′ − l ′ D f ′ \Gamma=\frac{f'-l'}{P'-l'}\frac{D}{f'} Γ=PlflfD
      • 眼睛调焦到无限远 l ′ = ∞ l'=\infty l=, 即物体位于物方焦面
        • Γ 0 = 250 f ′ \Gamma_0=\frac{250}{f'} Γ0=f250
      • 像调焦到明视距离处, P ′ − l ′ = D P'-l'=D Pl=D
        • Γ = 250 f ′ + 1 − P ′ f ′ \Gamma=\frac{250}{f'}+1-\frac{P'}{f'} Γ=f250+1fP
      • 人眼紧靠放大镜, P ′ ≈ 0 P'\approx 0 P0
        • Γ = 250 f ′ + 1 \Gamma=\frac{250}{f'}+1 Γ=f250+1
  • 眼睛=孔径光阑,出瞳
  • 放大镜=视场光阑,入窗,出窗,渐晕光阑

4.显微镜系统

在这里插入图片描述

  • 物镜,目镜焦距端, 光学间隔 Δ \Delta Δ较大
  • 成放大, 倒立实像
    • 物镜框=孔径光阑, 在像方焦平面形成物方远心光路
    • 一次实像面的分划板=视场光阑
    • 目镜=渐晕光阑
  • 视觉放大率
    • Γ = tan ⁡ ω ′ tan ⁡ ω = − ( 250 m m ) Δ f o ′ f e ′ = β Γ e \Gamma=\frac{\tan\omega'}{\tan\omega}=-\frac{(250mm)\Delta}{f_o'f_e'}=\beta\Gamma_e Γ=tanωtanω=fofe(250mm)Δ=βΓe
    • 物镜焦距 f o ′ f_o' fo, 目镜焦距 f e ′ f_e' fe, 显微系统焦距 f ′ = − f o ′ f e ′ / Δ f'=-f_o'f_e'/\Delta f=fofe
  • 线视场
    • 2 y = D β 2y=\frac{D}{\beta} 2y=βD
    • 视场光阑大小 D D D
    • 为保持视场内成像良好, 视场光阑大小=目镜视场角 2 ω ′ 2\omega' 2ω
      • 2 y = 500 tan ⁡ ω ′ Γ 2y=\frac{500\tan\omega'}{\Gamma} 2y=Γ500tanω
  • 分辨率: 能分辨近处两点的最小距离 σ \sigma σ表示
    • 取决于数值孔径 N A = n sin ⁡ u NA=n\sin u NA=nsinu, 与目镜无关
    • 瑞利判断 σ = 0.61 λ N A \sigma=\frac{0.61\lambda}{NA} σ=NA0.61λ
    • 道威判断 σ = 0.5 λ N A \sigma=\frac{0.5\lambda}{NA} σ=NA0.5λ
    • 波长 ↑ \uparrow 分辨率 ↓ \downarrow ; 数值孔径 ↑ \uparrow 分辨率 ↑ \uparrow
    • 有效放大率 500 N A ≤ Γ ≤ 1000 N A 500NA\leq\Gamma\leq1000NA 500NAΓ1000NA
  • 景深
    • 数值孔径 ↑ \uparrow 放大倍率 ↑ \uparrow 景深 ↓ \downarrow
    • 决定使用显微镜纵向调节的调焦误差
  • 视度调节
    • 临界照明: 光能利用率高,照明不均
      • 在这里插入图片描述
    • 柯勒照明: 照明均匀,光能利用率低
      • 在这里插入图片描述

5.望远系统

在这里插入图片描述

  • 物镜焦距>目镜焦距, 光学间隔 Δ = 0 \Delta=0 Δ=0
    • 物镜框=孔径光阑
    • 一次实像面=视场光阑
    • 目镜=渐晕光阑, 影响轴外点成像的渐晕系数
  • 视觉放大率
    • Γ = tan ⁡ ω ′ tan ⁡ ω = − f 1 ′ f 2 ′ = − D D ′ \Gamma=\frac{\tan\omega'}{\tan\omega}=-\frac{f_1'}{f_2'}=-\frac{D}{D'} Γ=tanωtanω=f2f1=DD
    • 获取大 Γ \Gamma Γ, ++物镜焦距 / --目镜焦距
    • 开普勒望远镜: f 1 ′ > 0 , f 2 ′ > 0 , Γ < 0 f_1'>0, f_2'>0, \Gamma<0 f1>0,f2>0,Γ<0
    • 伽利略望远镜: f 1 ′ > 0 , f 2 ′ < 0 , Γ > 0 f_1'>0, f_2'<0, \Gamma>0 f1>0,f2<0,Γ>0
  • 分辨率 ψ \psi ψ
    • 瑞利判断 ψ = 14 0 ′ ′ D \psi=\frac{140''}{D} ψ=D140′′, 道威判断 ψ = 12 0 ′ ′ D \psi=\frac{120''}{D} ψ=D120′′
      • D D D望远系统入瞳的直径
    • 望远镜视觉放大率&分辨率 ψ Γ = 6 0 ′ ′ \psi\Gamma=60'' ψΓ=60′′(人眼视觉分辨率), 一般视觉放大率取大2~3倍

6.摄影系统

  • 组成
  • 成像关系
  • 光束限制
  • 物镜主要参数
    • 焦距 f ′ f' f像的大小
    • 相对孔径 D / f ′ D/f' D/f
      • 像面照度,分辨率
    • 视场角 2 ω 2\omega 2ω
      • 成像范围
  • 分辨率
    • 1 / N = 1 / N L + 1 / N r 1/N=1/N_L+1/N_r 1/N=1/NL+1/Nr, N L = 1 / σ = D / 1.22 λ f ′ N_L=1/\sigma=D/1.22\lambda f' NL=1/σ=D/1.22λf
  • 光圈
    • 光圈数 F f ′ / D Ff'/D Ff/D
    • 光圈 ↑ \uparrow F ↓ \downarrow , 光圈 ↑ \uparrow 2a ↑ \uparrow , 光圈 ↑ \uparrow 分辨率 ↑ \uparrow , 光圈 ↑ \uparrow 像面照度 ↑ \uparrow , 光圈 ↑ \uparrow 景深 ↓ \downarrow
  • 景深
    • 2a ↑ \uparrow Δ \Delta Δ ↓ \downarrow , P ↑ \uparrow Δ \Delta Δ ↑ \uparrow , f ′ f' f ↑ \uparrow Δ \Delta Δ ↓ \downarrow
  • 摄影物镜种类
    • 普通, 大孔径, 广角, 远摄, 变焦距

投影系统

  • 系统基本要求
    • 像差,照明
  • 主要光学参数
    • β = y ′ / y \beta=y'/y β=y/y
    • f ′ ≈ l ′ 1 − β f'\approx \frac{l'}{1-\beta} f1βl
    • tan ⁡ ω ′ = y ′ l ′ = β y f ′ ( 1 − β ) \tan\omega'=\frac{y'}{l'}=\frac{\beta y}{f'(1-\beta)} tanω=ly=f(1β)βy
    • D f ′ = 2 ( 1 − β ) E 0 τ π L \frac{D}{f'}=2(1-\beta)\sqrt{\frac{E_0}{\tau\pi L}} fD=2(1β)τπLE0
  • 照明系统衔接条件
    • 照明系统拉赫不变量>投影系统拉赫不变量
    • 保证光瞳衔接与成像关系

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