【正文】 光學(xué)系統(tǒng)－顯微鏡與照明系統(tǒng) 本節(jié)要點 顯微鏡及照明系統(tǒng)1. 顯微鏡的成像原理、放大倍率2. 顯微鏡的基本結(jié)構(gòu)和齊焦條件3. 顯微鏡的光束限制4. 顯微鏡的景深及相關(guān)因素5. 顯微鏡的分辨率，數(shù)值孔徑，有效放大率與數(shù)值孔徑關(guān)系6. 顯微鏡的物鏡和目鏡，鏡目距和工作距離7. 顯微鏡的臨界照明與柯拉照明，兩對共軛關(guān)系，照明系統(tǒng)應(yīng)滿足的條件引言 典型光學(xué)系統(tǒng)包括 眼睛放大鏡顯微鏡望遠(yuǎn)鏡攝影系統(tǒng)投影與放映系統(tǒng)167。 73 顯微鏡與照明系統(tǒng) ? 顯微鏡的成像原理 顯微鏡由物鏡和目鏡組成。 物體AB在物鏡前焦面稍前處，經(jīng)物鏡成放大、倒立的實像A39。B39。，它位于目鏡前焦面或稍后處，經(jīng)目鏡成放大的虛像，該像位于無窮遠(yuǎn)或明視距離處。? 顯微鏡的放大率 　　對正常眼，位于上，顯微鏡光學(xué)筒長為?！　　★@微鏡是復(fù)雜的放大鏡 ?顯微鏡的機(jī)構(gòu)　　 物鏡通過轉(zhuǎn)換器旋轉(zhuǎn)式接到鏡筒的下端面 目鏡以插入式接鏡筒的上端面應(yīng)滿足齊焦要求：調(diào)換物鏡后，不需再調(diào)焦就能看到像。a. 物鏡調(diào)換后，像面不動，物面不動 ——物鏡共軛距不變（195mm) b. 物鏡像面即目鏡前焦面不動——在上端面以下10mm處 c. 機(jī)械筒長——上下端面 之間的距離（160mm），有的顯微鏡機(jī)械筒長可調(diào) 調(diào)換物鏡（目鏡）后微調(diào)焦不可避免，故還必須有微動機(jī)構(gòu)　雙目鏡筒是通過加反射棱鏡和平行平板實現(xiàn)的，要使兩條光路光程相同金相顯微鏡的物鏡常用前置物鏡和鏡筒透鏡構(gòu)成，前置物鏡為無窮遠(yuǎn)共軛距的。問題：顯微鏡與放大鏡有什么異同？① 具有更大的放大率，二次放大 ② 人眼離物面較遠(yuǎn)，使用方便③ 物鏡和目鏡可調(diào)換，從而得到多種放大率④ 具有中間實像面，可放置分劃板，用于測量（構(gòu)成測微目鏡）⑤ 當(dāng)中間實像A’位于 Fe之前時，A”為實像，可投影到屏上。也可用圖像傳感器接收實像，構(gòu)成電子目鏡?顯微鏡的光束限制　　 　1. 孔徑光闌低倍物鏡的孔徑光闌——為單組物鏡框本身高倍物鏡的孔徑光闌——多組物鏡的最后一組鏡框，或在 Fo’處專設(shè)孔闌 2. 出瞳位置在目鏡像方焦點 Fe’稍后處，考慮到出瞳在總的像方焦點上，人眼瞳有可能與之重合，接收所有成像光。3. 出瞳的大小與數(shù)值孔徑 因為出瞳與整個系統(tǒng)的像方焦面重合，設(shè)像方孔徑角為，則有因系統(tǒng)滿足正弦條件即因故即其中稱數(shù)值孔徑由放大率公式4. 視場光闌通常在中間實像面上專設(shè)視場光闌，因此顯微鏡系統(tǒng)無漸暈，視場有清晰邊界。假設(shè)物面上線視場為,則視闌直徑為。理論上視闌直徑越大，則物方線視場越大。實際上顯微鏡的視場都很小，因為大了以后不能給出滿意的像質(zhì)。 5. 顯微鏡的景深 顯微鏡的景深包括顯微鏡本身的景深和眼睛的調(diào)節(jié)，不能用第五章導(dǎo)出的景深公式（想想為什么）。由圖可得,設(shè)為眼睛的極限分辨角， 要求經(jīng)推導(dǎo)得利用并結(jié)合公式得所以。想一想，這意味著什么？以上是顯微鏡本身的景深，而人眼的調(diào)節(jié)可以允許顯微鏡的像在到之間。由于出瞳與系統(tǒng)的像方焦點重合，在物方允許的所以由于眼睛調(diào)節(jié)所允許的景深范圍為，即顯微鏡的總的景深為，經(jīng)計算可知是很小的。? 顯微鏡的分辨率與有效放大率　　1. 顯微鏡的分辨率根據(jù)夫瑯和費圓孔衍射理論，考慮物鏡出瞳到像面的衍射，像面上相距最近的兩點對出瞳的張角，其中D為出瞳直徑?？紤]正弦條件得可見，分辨本領(lǐng)隨波長的減小而提高，隨數(shù)值孔徑的增大而提高。 想一想：數(shù)值孔徑大要求n大和U大，而U總是小于90度的，還有什么辦法可以提高數(shù)值孔徑？ 2. 顯微鏡的有效放大率 想一想：顯微鏡的放大率是否越大越好？用顯微鏡可以看清怎樣細(xì)小的細(xì)節(jié)？ 如果不能被顯微鏡分辨導(dǎo)致眼睛不能分辨，放得再大也沒有用，稱無效放大。顯微鏡能分辨而眼睛不能分辨，稱為放大不足。取當(dāng)物面被照明時的最小分辨距為 人眼最小分辨角取 2分到 4分，則眼睛最小分辨距應(yīng)為 所以，得 這稱為顯微鏡的有效放大率?？梢姅?shù)值孔徑與放大率要匹配，顯微鏡的最高有效放大率為1500倍。 ? 顯微鏡的物鏡　　 　　光學(xué)系統(tǒng)的主要參數(shù)是，即焦距、孔徑和視場，在此與有關(guān)。 　　由于顯微鏡要求分辨率高，則數(shù)值孔徑A大，放大率M要與之相適應(yīng)，因而物鏡的放大率也要相應(yīng)匹配，并在規(guī)定機(jī)械筒長下使用（例如，160mm）。生物顯微鏡的標(biāo)本放在載玻片上，上面蓋上蓋玻片，在設(shè)計時必須考慮蓋玻片。物鏡的參數(shù)標(biāo)明在外殼上。隨著放大倍數(shù)由低到高，其結(jié)構(gòu)也相應(yīng)復(fù)雜。低倍物鏡可以用雙膠合，中倍物鏡用雙雙膠合，高倍物鏡用雙膠合＋前片，數(shù)值孔徑更大的阿貝物鏡則需要浸油。1020406010050　 ? 顯微鏡的目鏡　　 　　相當(dāng)于放大鏡，其入瞳就是物鏡的出瞳，其出瞳在 Fe’稍后處，與 F’重合 一般有二片(組)：朝向物方的稱向場鏡，朝向眼睛的稱接目鏡。 由，要有一定的放大倍率應(yīng)取較小的焦距。 由于物鏡的放大倍率作用，目鏡的視場較大而相對孔徑較小，是短焦距小孔徑大視場系統(tǒng)。 目鏡還有兩個重要參數(shù)： ——接目鏡最后一面到眼瞳（出瞳）的距離，一般要求 ——向場鏡第一面到目鏡前焦面（物鏡像面）的距離。由于物鏡的像面要安裝分劃板，工作距離應(yīng)保證近視眼觀察時不能因調(diào)焦而使目鏡碰到分劃板。 10倍目鏡10倍高眼點目鏡10倍大視場目鏡20倍目鏡? 顯微鏡的照明系統(tǒng)　　 對于不發(fā)光的透明物面，采用透射光照明，有臨界照明和柯拉照明兩種。 光源通過聚光鏡與物面共軛，聚光鏡前焦面上的可變光闌與顯微物鏡后焦面上的孔徑光闌共軛。 照明系統(tǒng)應(yīng)滿足：聚光鏡的像方孔徑角大于等于顯微物鏡的物方孔徑角。 由于光源像通過聚光鏡成在物面上，臨界照明是一種不均勻照明。 由于被光源均勻照明的J1成像在物面上，柯拉照明是一種均勻照明。 　　物面不發(fā)光、不透明時，需要利用反射、散射光照明?？梢圆捎眯闭彰鳎饕蒙⑸涔?，規(guī)則反射光不能進(jìn)入視場。也可采用垂直照明，這時物鏡同時起聚光鏡作用，也分為臨界照明和柯拉照明兩種。 臨界照明柯拉照明如果要觀察小于分辨極限的微小質(zhì)點，應(yīng)采用暗視場照明。 第七章 典型光學(xué)系統(tǒng)－望遠(yuǎn)鏡與轉(zhuǎn)像系統(tǒng) 本章要點 望遠(yuǎn)鏡與轉(zhuǎn)像系統(tǒng)1. 望遠(yuǎn)鏡的成像原理與放大率2. 望遠(yuǎn)鏡的分辨率與正常放大率3. 望遠(yuǎn)鏡的瞄準(zhǔn)精度4. 望遠(yuǎn)鏡的主觀亮度5. 望遠(yuǎn)鏡的光束限制6. 望遠(yuǎn)鏡的物鏡和目鏡，視度調(diào)節(jié)7. 望遠(yuǎn)鏡的棱鏡轉(zhuǎn)像系統(tǒng)、單組透鏡轉(zhuǎn)像系統(tǒng)和雙組透鏡轉(zhuǎn)像，場鏡的作用8. 光學(xué)系統(tǒng)外形尺寸計算（含棱鏡展開及空氣平板法）引言 典型光學(xué)系統(tǒng)包括 眼睛放大鏡顯微鏡望遠(yuǎn)鏡攝影系統(tǒng)投影與放映系統(tǒng)167。 74 望遠(yuǎn)鏡與轉(zhuǎn)像系統(tǒng) ? 望遠(yuǎn)鏡的成像原理 望遠(yuǎn)鏡由物鏡和目鏡組成，光學(xué)筒長△=0。 筒長較長，有實像面，可加分劃板測量，用于觀察要加轉(zhuǎn)像系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。物鏡框為望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的孔闌，當(dāng)出瞳大于眼瞳時，眼瞳為孔闌，當(dāng)出瞳小于眼瞳時物鏡框為孔闌。筒長較短，無實像面，不能用于測量。 眼瞳為孔闌，物鏡為漸暈光闌，有漸暈。它在系統(tǒng)像方的像位于物鏡與目鏡之間某處? 望遠(yuǎn)鏡的放大率 　　望遠(yuǎn)鏡是目視光學(xué)系統(tǒng)，其放大率為視覺放大率：可見，當(dāng)物鏡的焦距大于目鏡的焦距時視覺放大。筒長。當(dāng)目鏡焦距一定時，視覺放大率大要求物鏡焦距長，導(dǎo)致筒長增大。當(dāng)像方視場角一定時，放大率越大物方視場越小。出瞳要與眼瞳匹配，當(dāng)放大率大時入瞳增大導(dǎo)致鏡筒增大。?望遠(yuǎn)鏡的分辨率與正常放大率　　 望遠(yuǎn)鏡的正常放大率應(yīng)使望遠(yuǎn)鏡能分辨的眼睛也能分辨。 光學(xué)儀器的極限分辨角為，要求（眼睛的極限分辨角）得即為正常放大率。此時出瞳與眼瞳相當(dāng)。 ?望遠(yuǎn)鏡的瞄準(zhǔn)精度　　 因為望遠(yuǎn)鏡有視覺放大作用，如果眼睛直接觀察時的瞄準(zhǔn)精度為，則通過望遠(yuǎn)鏡觀察時的瞄準(zhǔn)精度為。想一想：實際上望遠(yuǎn)鏡的放大率不一定都是正常放大率，針對不同的用途應(yīng)如何選擇其大??？?望遠(yuǎn)鏡的主觀亮度　　 想一想，孩子的愿望能實現(xiàn)嗎？ 主觀亮度指眼睛觀察到的像的明亮程度。望遠(yuǎn)鏡的主觀亮度對點光源和擴(kuò)展光源具有不同的特征。：指引起視網(wǎng)膜上一個細(xì)胞感應(yīng)的光源，這時感覺到的明亮程度取決于光通量。設(shè)點光源發(fā)光強(qiáng)度為，觀察距離為，是眼睛的透過率，是望遠(yuǎn)鏡的透過率。眼睛直接觀察時接收的光通量為眼睛通過望遠(yuǎn)鏡觀察時接收的光通量為①當(dāng)，進(jìn)入望遠(yuǎn)鏡的光通量全部進(jìn)入眼瞳②當(dāng)，進(jìn)入望遠(yuǎn)鏡的光通量全部進(jìn)入眼瞳③當(dāng)，進(jìn)入望遠(yuǎn)鏡的光通量不全進(jìn)入眼瞳應(yīng)取，有所以，高倍望遠(yuǎn)鏡具有增大點光源主觀亮度的作用。當(dāng)望遠(yuǎn)鏡入瞳一定時，隨倍數(shù)增大出瞳逐漸減小，至出瞳與眼瞳相當(dāng)時，繼續(xù)增大放大倍數(shù)不再影響主觀亮度。眼睛通過望遠(yuǎn)鏡觀察擴(kuò)展光源的主觀亮度取決于網(wǎng)膜上的照度。由照度公式,眼睛直接觀察時用望遠(yuǎn)鏡觀察時望遠(yuǎn)鏡像的亮度于是所以因為實際的出瞳總不大于眼瞳，所以星星作為點光源，主觀亮度增大；天空是擴(kuò)展光源，主觀亮度減小。當(dāng)望遠(yuǎn)鏡倍數(shù)足夠高時，可能在白天看見星星。?望遠(yuǎn)鏡的光束限制　　伽利略望遠(yuǎn)鏡開普勒望遠(yuǎn)鏡眼瞳為孔徑光闌，物鏡為漸暈光闌物鏡為孔闌，目鏡如攔光則為漸暈光闌50%漸暈成像的物方半視場角為W，則想一想，伽利略望遠(yuǎn)鏡倍數(shù)為什么不大？目鏡直徑由漸暈系數(shù)決定，視場光闌直徑為? 望遠(yuǎn)鏡的物鏡　　 　　望遠(yuǎn)鏡的物鏡屬于長焦距中等孔徑小視場系統(tǒng)，主要校正軸上點像差，有折射式、反射式、折反射式三種。折射式有雙膠合物鏡、雙分離物鏡、三片式物鏡、內(nèi)調(diào)焦物鏡等。當(dāng)物鏡直徑大于60mm時不宜膠合。反射式可以做到很大的入瞳直徑，對材料無嚴(yán)格要求，筒長較短，完全無色差，但對表面質(zhì)量要求更高，通常用非球面。折反射式以球面或非球面反射鏡為基礎(chǔ)，再加上用于校正像差的折射元件，可以做到很高的成像質(zhì)量。 雙膠合望遠(yuǎn)物鏡CASSEGRAIN望遠(yuǎn)物鏡SCHMIDT望遠(yuǎn)物鏡Maksutov望遠(yuǎn)物鏡離軸反射物鏡離軸三反望遠(yuǎn)物鏡　 ? 望遠(yuǎn)鏡的目鏡　　 　　屬于短焦距中等孔徑大視場系統(tǒng)。 對于瞄準(zhǔn)、測量用望遠(yuǎn)鏡，為能使非正常眼亦能觀察，目鏡應(yīng)能作視度調(diào)節(jié)。 設(shè)調(diào)節(jié)量為,則,其中為遠(yuǎn)點距。若需要調(diào)節(jié)屈光度。例如目鏡焦距25mm，調(diào)節(jié)屈光度， 要求工作距離不小于。注意工作距離不是焦距！ ? 望遠(yuǎn)鏡的轉(zhuǎn)像系統(tǒng)　　 伽利略望遠(yuǎn)鏡成正像但放大倍率小，開普勒望遠(yuǎn)鏡放大倍率可以大但成倒像，用于觀察時要加轉(zhuǎn)像系統(tǒng)。 ：要求偶次反射，有利于減小筒長。 ：適用于筒長較長時 請看單組透鏡轉(zhuǎn)像系統(tǒng)，對于－1倍單組轉(zhuǎn)像透鏡，筒長加長了4倍轉(zhuǎn)像透鏡的焦距。 想一想：場鏡K對總光焦度有貢獻(xiàn)嗎？其焦距應(yīng)該怎樣計算？ 雙組透鏡轉(zhuǎn)像系統(tǒng)使筒長加長更多。如果兩個轉(zhuǎn)像透鏡焦距相等，距離為d，則筒長增加了。 轉(zhuǎn)像系統(tǒng)的孔徑光闌設(shè)在其內(nèi)部，對稱結(jié)構(gòu)使垂軸像差自動為零。 也需要加場鏡使O1與P共軛。 ? 光學(xué)系統(tǒng)的外形尺寸計算　　 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計時，首先從高斯光學(xué)角度出發(fā)，作外形尺寸計算，即已知焦距、孔徑、視場，初步確定各獨立光組的焦距、間隔、口徑；若用到棱鏡，須確定棱鏡尺寸。為了便于計算，對棱鏡的計算采用等效空氣平板簡化計算方法，即（玻璃）棱鏡（玻璃）平板等效空氣平板 展開成等效空氣平板的實質(zhì)是在外形尺寸計算時不必考慮光線經(jīng)棱鏡的折射。 由圖可知，等效空氣平板的厚度又因為，其中是棱鏡的通光口徑，故如果分劃板比物鏡通光口徑小，如右圖，根據(jù)得，其中外形尺寸計算舉例：某放大倍率為－24的開普勒望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)物鏡到目鏡的長度為250mm，物方視場角2W＝1度48分，入瞳與物鏡重合，其放大率是正常放大率，試作外形尺寸計算。①求兩焦距由得②入瞳和出瞳大小根據(jù)正常放大率得③分劃板直徑④像方視場角由得⑤出瞳距⑥目鏡直徑設(shè)無漸暈，由得⑦視度調(diào)節(jié)設(shè)調(diào)節(jié)5屈光度第七章 典型光學(xué)系統(tǒng)－攝影與投影光學(xué)系統(tǒng) 本章要點 攝影光學(xué)系統(tǒng)1. 攝影光學(xué)系統(tǒng)的焦距、相對孔徑（與光圈數(shù)的關(guān)系）和視場2. 攝影物鏡的光束限制，相對孔徑與照度關(guān)系3. 攝影物鏡的景深和幾何焦深4. 攝影物鏡的分辨率5. 攝影物鏡與各種鏡頭效果投影及放映光學(xué)系統(tǒng)1. 像面照度均勻時投影系統(tǒng)和照明系統(tǒng)的位置關(guān)系，對照明系統(tǒng)的要求2. 寬銀幕鏡頭簡介引言 典型光學(xué)系統(tǒng)包括 眼睛放大鏡顯微鏡望遠(yuǎn)鏡攝影系統(tǒng)投影與放映系統(tǒng)167。 75 攝影光學(xué)系統(tǒng) ? 攝影光學(xué)系統(tǒng)的焦距、相對孔徑與視場 返回 焦距決定像的大小：遠(yuǎn)處近處大視場?。禾貙戠R頭，遠(yuǎn)攝鏡頭小視場大：全景鏡頭，廣角鏡頭相對孔徑與像面照度有關(guān) 焦距長時球差大，相對孔徑要小些大：強(qiáng)光鏡頭中等：普通鏡頭?。喝豕忡R頭視場角能攝入接收面的視場角，由接收面大小決定是接收面的對角線長? 攝影系統(tǒng)中的光束限制 返回 　　　　是特設(shè)的可變光闌，一般在鏡頭內(nèi)部對稱面附近。光圈數(shù)像面照度F數(shù)通常以為公比排列成等比級數(shù)：2　　4　　8　11　16　22　32曝光量攝影時選擇光圈數(shù)和快門速度有兩種方式：光圈優(yōu)先：取決于被攝物是全景還是特定，根據(jù)景深要求選擇光圈數(shù)?？扉T優(yōu)先：取決于被攝物是靜止的還是運(yùn)動的運(yùn)動速度如何?！　　　z影光學(xué)系統(tǒng)的視場光闌就是接收面，如底片框或圖像傳感器成像面。　　　　由于攝影光學(xué)系統(tǒng)視場、