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1、本章学习目的：通过解剖典型光学系统，本章学习目的：通过解剖典型光学系统，初步具备设计光学系统的能力初步具备设计光学系统的能力很久以前，人们就利用透镜、反射镜和棱镜等制成很久以前，人们就利用透镜、反射镜和棱镜等制成各种仪器来达到一定的成像要求。各种仪器来达到一定的成像要求。（1）帮助人眼观察近处微小）帮助人眼观察近处微小的物体的物体显微镜显微镜（2）帮助人眼观察远处的物）帮助人眼观察远处的物体体望远镜望远镜（3）为了在屏上得到一个）为了在屏上得到一个放大或缩小的像放大或缩小的像投影投影仪和照相机。仪和照相机。（4）有些物体本身不发光，为）有些物体本身不发光，为了能清晰地观察，必须研究照了能清晰地
2、观察，必须研究照明系统。明系统。现代光学仪器种类繁多，现代光学仪器种类繁多，主要实现的无非是这些主要实现的无非是这些功能或者是这几种功能功能或者是这几种功能的组合的组合这类光学系统是直接这类光学系统是直接的的，称为，称为它们它们补充和扩大了人眼的功能。补充和扩大了人眼的功能。然而然而、的光学系的光学系统是统是，同时，同时人眼是目视光学人眼是目视光学仪器的仪器的
了解人眼的结构及光学性能有利了解人眼的结构及光学性能有利于正确于正确和和仪器，对设计仪器，对设计光学仪器有所光学仪器有所。人获取的外界信息人获取的外界信息80%90%来自眼睛！来自眼睛！俗话说：眼见为实！俗话说：眼见为实！ 9-1 人眼
3、的光学特性人眼的光学特性 (3-1、3-
4)交叉点有黑点交叉点有黑点?这些都是平行线这些都是平行线?中间是一个圆中间是一个圆?中间的圆是一样大的中间的圆是一样大的?图案是否在旋转？v一、眼睛的结构一、眼睛的结构人眼的构造剖视图v人眼本身相当于摄影光学系统，直径约人眼本身相当于摄影光学系统，直径约25mm，重量：约重量：约7克克人眼的构造剖视图巩膜巩膜*巩膜巩膜是眼球的第一层保护膜，白色、不透明、坚硬；是眼球的第一层保护膜，白色、不透明、坚硬；角膜角膜*角膜角膜是巩膜的最前端部分，无色而透明；是巩膜的最前端部分，无色而透明；厚度：厚度：0.55mm,
折射率：折射率：1.3771人眼的构造剖视
4、图巩膜巩膜角膜角膜前室：前室：角膜后的空间，充满了折射角膜后的空间，充满了折射率为率为1.的透明水状液的透明水状液脉络膜脉络膜前室前室人眼的构造剖视图巩膜巩膜角膜角膜脉络膜脉络膜虹膜虹膜* *虹膜虹膜是脉络膜的最前端部分，含有色素细胞，决是脉络膜的最前端部分，含有色素细胞，决定眼的颜色；定眼的颜色；*
*瞳孔瞳孔是虹膜中间的小孔，随着外界明亮程度的不同，是虹膜中间的小孔，随着外界明亮程度的不同，虹膜肌肉能使瞳孔的虹膜肌肉能使瞳孔的直径在直径在28mm28mm范围内变化范围内变化；它是它是人眼的人眼的孔径光阑孔径光阑。巩膜巩膜角膜角膜脉络膜脉络膜虹膜虹膜瞳孔瞳孔巩膜巩膜角膜角膜脉
5、络膜脉络膜虹膜虹膜瞳孔瞳孔网膜网膜网膜是眼球的第三层膜，上面布满着微血管和感网膜是眼球的第三层膜，上面布满着微血管和感光元素，即锥状细胞和杆状细胞，锥状细胞直径光元素，即锥状细胞和杆状细胞，锥状细胞直径约约5微米，长约微米，长约35微米；杆状细胞直径约微米；杆状细胞直径约2微米，微米，长约长约60微米。微米。光敏细胞光敏细胞锥状细胞锥状细胞（主司白昼视（主司白昼视力和色觉）力和色觉）杆状细胞杆状细胞（主司夜间视力）（主司夜间视力）红红绿绿蓝蓝在在黄斑黄斑处是锥状细胞的密集区而没有杆状细胞，处是锥状细胞的密集区而没有杆状细胞，由中心向外，锥状细胞逐渐减少杆状细胞逐渐由中心向外，锥状细胞逐渐减少杆
6、状细胞逐渐增多。增多。巩膜巩膜角膜角膜 光光脉络膜脉络膜虹膜虹膜瞳孔瞳孔网膜网膜黄斑中心凹是人眼视觉最灵敏的地方。黄斑中心凹是人眼视觉最灵敏的地方。视神经细胞视神经细胞黄斑中心凹黄斑中心凹神经纤维神经纤维盲斑盲斑大脑大脑盲斑盲斑晶状体晶状体巩膜巩膜角膜角膜 脉络膜脉络膜眼睛的像方节点与中心凹的连线为眼睛的眼睛的像方节点与中心凹的连线为眼睛的视轴视轴,
,在观在观察物体时眼睛本能地把物体瞄准在这根轴上。察物体时眼睛本能地把物体瞄准在这根轴上。虹膜虹膜瞳孔瞳孔网膜网膜 黄斑中心凹黄斑中心凹 盲斑盲斑晶状体晶状体前室前室后室后室光轴光轴视轴视轴 眼睛的视场很大，可达眼睛的视场很大，可达150，但只有
7、黄斑，但只有黄斑附近才能清晰识别，其他部分比较模糊，附近才能清晰识别，其他部分比较模糊， 所以能看清物体的角度范围为所以能看清物体的角度范围为6 8。 水晶体水晶体视网膜视网膜瞳孔瞳孔镜头镜头底片底片光圈光圈 可以自动对目标调焦。可以自动对目标调焦。
根据景物的亮暗自动调节进入根据景物的亮暗自动调节进入眼睛的光能量。眼睛的光能量。在视网膜上成倒像在视网膜上成倒像人眼特点：人眼特点：二、眼睛的调节二、眼睛的调节实现实现：通过肌肉的放松与收缩改变晶状体：通过肌肉的放松与收缩改变晶状体 前后面曲率实现。前后面曲率实现。定义定义：眼睛本能地改变晶状体的表面曲率使：眼睛本能地改变晶状体的表面曲率使 远近
8、不同的物体成像于网膜上的能力。远近不同的物体成像于网膜上的能力。1 眼睛有两类调节功能：眼睛有两类调节功能：视度调节视度调节 和和瞳孔瞳孔调节调节。
视度调节的过程即是视度调节的过程即是眼睛自动改变焦距眼睛自动改变焦距的过程的过程：眼睛观察近物时最适宜的：眼睛观察近物时最适宜的距离是物体位于眼前距离是物体位于眼前250mm处，称处，称此距离为明视距离（此距离为明视距离（M）。）。当肌肉完全放松时当肌肉完全放松时（通过调节），（通过调节），眼睛所眼睛所能看清的能看清的最远的点最远的点称为称为远点远点，其相应的距，其相应的距离称为离称为远点距远点距，以，以
r 表示（米）表示（米） 当肌肉在最紧张
9、时（通过调节），眼睛所当肌肉在最紧张时（通过调节），眼睛所能看清的能看清的最近的最近的点称为点称为近点近点，其相应的距，其相应的距离称为离称为近点距近点距，以，以 p 表示（米）表示（米） 正常眼睛的远点距为正常眼睛的远点距为负的负的无限远无限远，非正常，非正常眼睛（远视或近视）的远点距为一眼睛（远视或近视）的远点距为一正正/负负的有限值。的有限值。
人眼的调节能力是用远点距人眼的调节能力是用远点距 r 的倒数和近点的倒数和近点距距p的倒数之差来描述，用的倒数之差来描述，用A 来表示，即来表示，即PRprA11：远点距的倒数远点距的倒数 R=1/r；：近点距的倒数近点距的倒数 P=1/p；A称
10、为称为眼睛的调节范围或调节能力。眼睛的调节范围或调节能力。 调节用视度表示，单位：调节用视度表示，单位：m-1，称为，称为屈光度（屈光度（D）。与光焦度与光焦度一致一致ff11 正常眼如观察无限远的物体，对应的视度为正常眼如观察无限远的物体，对应的视度为01l屈光度屈光度如观察眼前如观察眼前10米的物体，此时对应的视度为米的物体，此时对应的视度为101.l屈光度屈光度
在医院和眼镜店通常把在医院和眼镜店通常把1屈光度屈光度称为称为100度度。 人眼的调节能力随年龄的增加而变化。人眼的调节能力随年龄的增加而变化。 随着年龄的增大，近点位置往远移，远点随着年龄的增大，近点位置往远移，远点位置往近移
11、，因而调节范围减少。位置往近移，因而调节范围减少。 2瞳孔调节（适应特性）瞳孔调节（适应特性）人眼还能在不同亮暗程度的条件下工作。人眼还能在不同亮暗程度的条件下工作。这就是人眼的另一个特性这就是人眼的另一个特性，具有根据周围具有根据周围空间光亮情况自动调节的过程空间光亮情况自动调节的过程
称为称为适应适应（即为（即为瞳孔的调节瞳孔的调节）。）。适应是一种当周围照明条件发生变化是眼适应是一种当周围照明条件发生变化是眼睛所产生的变态过程，可分为睛所产生的变态过程，可分为对暗适应对暗适应和和对光适应对光适应两种，两种，前者发生在光亮处到黑暗前者发生在光亮处到黑暗处的时候，处的时候，后者发生在自黑暗处
12、到光亮处后者发生在自黑暗处到光亮处的时候。的时候。
眼睛的虹膜可以自动改变瞳孔的大小，眼睛的虹膜可以自动改变瞳孔的大小，以控制眼睛的进光亮（以控制眼睛的进光亮（2mm8mm)。在设计目视光学仪器时要充分考虑与眼在设计目视光学仪器时要充分考虑与眼瞳的配合瞳的配合。三、眼睛的缺陷和矫正三、眼睛的缺陷和矫正正常眼在肌肉完全放松的自然状态下，能够看清楚无正常眼在肌肉完全放松的自然状态下，能够看清楚无限远处的物体，即远点应在无限远（限远处的物体，即远点应在无限远（R
R = 0= 0），像），像方焦点正好和视网膜重合。方焦点正好和视网膜重合。FF 若不符合这一条件就是非正常眼，或称若不符合这一条件就是非
13、正常眼，或称视视力不正常力不正常 F 最常见的有最常见的有近视眼近视眼和和远视眼远视眼F所谓近视眼就是其远点在眼睛前方有限所谓近视眼就是其远点在眼睛前方有限距离处（距离处（r 0），）， 由于眼球偏短，像方焦点位于视网膜的之后所致。由于眼球偏短，像方焦点位于视网膜的之后所致。虚物点虚物点只有汇聚光束才能在视网膜上成像，远点成为虚物点。只有汇聚光束才能在视网膜上成像，远点成为虚物点。
远视眼为远视眼为正视度正视度矫正方法：需以矫正方法：需以正光焦度透镜正光焦度透镜来使其远点来使其远点恢复到无限远，使像方焦点落在视网膜上。恢复到无限远，使像方焦点落在视网膜上。 近视眼或远视眼的远点视度可通过仪器来
14、测得，知近视眼或远视眼的远点视度可通过仪器来测得，知道此值后即可求得所需眼镜的焦距。道此值后即可求得所需眼镜的焦距。 例如：有一近视眼，通过验光得知其远点视度为例如：有一近视眼，通过验光得知其远点视度为- -2个屈光度（个屈光度（2D），眼镜行业称近视），眼镜行业称近视200度。度。 则其远点距则其远点距 需配需配焦距为焦距为- 0.5- 0.5m的近视眼镜。的近视眼镜。r = -
0.5 m，r=1/ R 矫正时需将无限远物点移到其远点距上，即将无限矫正时需将无限远物点移到其远点距上，即将无限远轴上点成像于远轴上点成像于r处处 眼睛远点视度为多少屈光度就要配相应眼睛远点视度为多少屈光度就要配
15、相应屈光度的眼镜。屈光度的眼镜。ff11目视光学仪器视度调节目视光学仪器视度调节 人眼的视觉缺陷可以在眼前加以透镜可以人眼的视觉缺陷可以在眼前加以透镜可以矫正矫正 目视光学仪器要适应不同视力的人使用目视光学仪器要适应不同视力的人使用
为此，目镜可以改变其前后的位置，使仪为此，目镜可以改变其前后的位置，使仪器所成的像不再位于无限远，而位于目镜器所成的像不再位于无限远，而位于目镜的前方或后方一定的位置的前方或后方一定的位置 这就是目视光学仪器的视度调节这就是目视光学仪器的视度调节物镜物镜目镜目镜正常眼正常眼近视眼近视眼远视眼远视眼F眼眼F眼眼F眼眼四、眼睛的分辨率（分辨本领）四、眼睛的分辨率（分辨
16、本领）1. ：人眼的分辨本领是指眼睛区分接：人眼的分辨本领是指眼睛区分接近的两相邻点的能力；近的两相邻点的能力；：眼睛看空间两点时，该：眼睛看空间两点时，该对眼对眼睛睛的的；人眼观察物体的张角由物体的大小和人眼观察物体的张角由物体的大小和距离的远近决定。距离的远近决定。：人眼能分辨的最小视角；：人眼能分辨的最小视角；在良好的照明条件下一般取在良好的照明条件下一般取 1。mmmftg
极限分辨角极限分辨角 视神经细胞直径，视神经细胞直径， =5 mf 眼睛的像方焦距眼睛的像方焦距 ，f =17.05mmf 如果空间两点的像分别落在被分隔开的两如果空间两点的像分别落在被分隔开的两
17、个视网膜细胞上，即得到个视网膜细胞上，即得到两个点的视觉两个点的视觉
由此可见，眼睛的分辨率与视网膜上两由此可见，眼睛的分辨率与视网膜上两像点像点距离距离及视觉细胞的及视觉细胞的直径直径大小有关。大小有关。当两像点的间距大于（或等于）视觉细胞当两像点的间距大于（或等于）视觉细胞的直径时，就认为眼睛可以分辨。的直径时，就认为眼睛可以分辨。在设计光学系统时就必须考虑眼睛的分辨率。在设计光学系统时就必须考虑眼睛的分辨率。
2.瞄准瞄准：眼睛判断一点与另一点是否重合的能力；：眼睛判断一点与另一点是否重合的能力；人眼的瞄准精度一般用角度值来表示，即两人眼的瞄准精度一般用角度值来表示，即两线的几何中心线对
18、人眼的张角小于某一角度线的几何中心线对人眼的张角小于某一角度值值时，虽然还存在着不重合，但眼睛已经认时，虽然还存在着不重合，但眼睛已经认为是完全重合的，这时的角度值即为是完全重合的，这时的角度值即为为人眼瞄人眼瞄准精度。准精度。是两个概念，但二者又有是两个概念，但二者又有一定的联系，经验证明，人眼的最高瞄准一定的联系，经验证明，人眼的最高瞄准精度约为分辨率的精度约为分辨率的6倍至倍至10倍。倍。人眼对于人眼对于线条的变形线条的变形或或两条线错开两条线错开造成的造成的外形变化或外形变化或比较两条线宽的变化比较两条线宽的变化具有很高具有很高的灵敏度。的灵敏度。
在精密仪器的设计中，尽量形成对眼睛在
19、精密仪器的设计中，尽量形成对眼睛瞄准有利的条件。瞄准有利的条件。 1、两实线瞄准、两实线瞄准 6060 2、两实线端部瞄准、两实线端部瞄准、双线平分或对称瞄准、双线平分或对称瞄准5 51010 4、虚线压测件轮廓边缘、虚线压测件轮廓边缘
眼睛在观察物体时，除了一般的眼睛在观察物体时，除了一般的物体特征外，还能够产生远近的物体特征外，还能够产生远近的感觉，被称为感觉，被称为“空间深度感觉空间深度感觉” 9-2 空间深度感觉和双眼空间深度感觉和双眼立体视觉立体视觉 (3-5)单眼或双眼都能产生这种感觉单眼或双眼都能产生这种感觉1）物体高度已知，它所对应的视角大小
20、来判断其）物体高度已知，它所对应的视角大小来判断其远近远近2）物体之间的遮蔽关系和阳光的阴影来判断它们）物体之间的遮蔽关系和阳光的阴影来判断它们相对位置相对位置3）对物体细节的鉴别程度和空气的透明度所产生）对物体细节的鉴别程度和空气的透明度所产生的深度感觉的深度感觉4）眼睛的调节程度来判断物体的远近。）眼睛的调节程度来判断物体的远近。单眼深度感觉来源：单眼深度感觉来源：
双眼观察的深度感觉除上述因素外：双眼观察的深度感觉除上述因素外：5）物体的距离越近，视轴之间的夹角越）物体的距离越近，视轴之间的夹角越大，这种感觉使眼球发生转动的肌肉紧大，这种感觉使眼球发生转动的肌肉紧张程度就不同，据此就能判
21、断物体的远张程度就不同，据此就能判断物体的远近；近；6）双眼立体视觉（简称体视）双眼立体视觉（简称体视）称为称为“视差角视差角”A a2a1lb设人眼左右两瞳孔距离为设人眼左右两瞳孔距离为b，物体距离为，物体距离为l，由于通由于通常常很小很小lb则则视差角视差角为为BABAa2b2a1b1BA2211baba则感觉则感觉 A ，B 距眼睛距离相等距眼睛距离相等
当当A、B两点距离不等时，两点距离不等时， 或或 产生了远近的感觉产生了远近的感觉 , 被称为被称为双眼立体视觉双眼立体视觉 BA2211babaABABb2a2a1b1ABABb2a2a1b1lAblB 当物点对应的视角差当物点对应的
22、视角差等于等于 时，人眼刚能时，人眼刚能分辨出两个物点之间的远近差别分辨出两个物点之间的远近差别min10minmbl62.
0minmax即反映了人眼可能分辨出物点远近的最大距离即反映了人眼可能分辨出物点远近的最大距离Lmax称为称为立体视觉半径立体视觉半径BA其极限值称为其极限值称为“体视锐度体视锐度”minmin约为约为10”，有可能达到，有可能达到5”或或3”通过通过光学仪器光学仪器观察物体时，放大率为观察物体时，放大率为物体像的视物体像的视角角正切值正切值与与人眼直接观察该物体时的视角人眼直接观察该物体时的视角正正切切之比之比。
这种放大率称为这种放大率称为视
23、角放大率视角放大率。 用字母用字母表示表示 与眼睛一起使用的目视光学仪器，其放大作用与眼睛一起使用的目视光学仪器，其放大作用不不能能由由横向放大率横向放大率来表征。来表征。tgtgtgtg眼仪 9-3 双眼观察仪器双眼观察仪器 (3-6)
由于双目观察有立体感，因此许多目视由于双目观察有立体感，因此许多目视仪器采用双目结构。仪器采用双目结构。双眼仪器不但可以保持人眼的体视能力，还双眼仪器不但可以保持人眼的体视能力，还可以提高人眼的体视能力可以提高人眼的体视能力双眼仪器的双眼仪器的体视放大率体视放大率眼仪双眼望远镜，双眼显微镜双眼望远镜，双眼显微镜lb眼人眼直接观察时的视差角人眼直接观察时的视差
24、角眼眼为为BAB眼眼A眼眼眼眼 A眼眼-B眼眼人眼能否分辨两个物点人眼能否分辨两个物点A 与与B 的远近，取决的远近，取决于于A眼眼
B眼眼blAlB假设双眼观察仪器的二个入射光轴之间为距离假设双眼观察仪器的二个入射光轴之间为距离B,称称为该仪器的为该仪器的基线基线长，则同一物体对仪器的二入射瞳长，则同一物体对仪器的二入射瞳孔所构成的视差角孔所构成的视差角为为lB若系统的若系统的视（角）放大率为视（角）放大率为，则物方视差角，则物方视差角和像和像方视差角方视差角
存在以下关系：存在以下关系：lB仪又因为：又因为：lB仪眼仪由体视放大率定义：由体视放大率定义：lb眼lB仪将：将：和和代入上式代入
25、上式有：有：bB眼仪取人眼两瞳孔距离为取人眼两瞳孔距离为b=62mm，则：，则：B16体视测距仪：利用人眼的立体视觉来测量目标距离体视测距仪：利用人眼的立体视觉来测量目标距离为了提高测量精度，必须增大为了提高测量精度，必须增大（1）增大）增大（2）增大）增大B一、放大镜一、放大镜
物体对眼睛的视角，不仅取决于物体的大小，还物体对眼睛的视角，不仅取决于物体的大小，还取决于该物体到眼睛的距离，距离越近视角越大取决于该物体到眼睛的距离，距离越近视角越大 若在近处观察细小物体其若在近处观察细小物体其视角视角小于小于人眼极限分辨角人眼极限分辨角就需要借助放大镜或显微镜将其放大，使就需要借助放大镜或显微镜
26、将其放大，使像的视角像的视角大于人眼的极限分辨角大于人眼的极限分辨角9-4 放大镜和显微镜的工作原理放大镜和显微镜的工作原理 (3-2)放大镜的放大镜的放大率放大率 眼睛通过放大镜或显微镜等目视光学仪眼睛通过放大镜或显微镜等目视光学仪器来观察物体时，所看到的是在物体通器来观察物体时，所看到的是在物体通过光学仪器成的像的大小。过光学仪器成的像的大小。
放大镜的放大率为：放大镜的放大率为：通过通过放大镜放大镜观察物体时，观察物体时，其放大率为视角其放大率为视角放大率。放大率。tgtgtgtg眼仪yyABABFFP-ff -xa a x ytg 虚像虚像AB 对眼睛所张的视角的正切对眼睛所张的视角的
27、正切为（主光线）为（主光线） 眼睛直接去观察物体时，是将其放在明视眼睛直接去观察物体时，是将其放在明视距离距离250mm处。此时物体对人眼张角的正处。此时物体对人眼张角的正切为切为250ytg 放大镜的放大率放大镜的放大率可由下式求得可由下式求得y a x yy a x ytgtg250250 f xy y a x x f250 将横向放大率将横向放大率
代入上式得代入上式得由此可见，放大镜的视角放大率并非常数，与物由此可见，放大镜的视角放大率并非常数，与物与放大镜的距离、眼睛离开放大镜的距离有关。与放大镜的距离、眼睛离开放大镜的距离有关。yyABABFFP-ff -xa a x x f250
28、 在实际使用过程中，在实际使用过程中，眼瞳大致位于放大眼瞳大致位于放大镜的像方焦点的附近镜的像方焦点的附近 上式分母中的上式分母中的a相对于相对于x而言，是一个很小的值，而言，是一个很小的值，可以略去。可以略去。yyABABFFP-ff -xa a x x f250 f250 放大镜的放大率仅由放大镜的焦距放大镜的放大率仅由放大镜的焦距 f
所所决定，焦距越大则放大率越小。决定，焦距越大则放大率越小。 放大镜放大率的公式，通常采用以下形式放大镜放大率的公式，通常采用以下形式 a x x f250放大镜与眼睛联用，镜框为视场光阑，放大镜与眼睛联用，镜框为视场光阑，眼瞳为孔径光阑。视场内有渐晕。眼
29、瞳为孔径光阑。视场内有渐晕。二、显微镜的工作原理二、显微镜的工作原理显微系统显微系统工具显微镜工具显微镜金相显微镜金相显微镜生物显微镜生物显微镜主要应用于精密机构制造工主要应用于精密机构制造工业等方面进行精密测量业等方面进行精密测量主要应用于生物学、医学、主要应用于生物学、医学、农学等方面农学等方面主要应用于冶金和机械制主要应用于冶金和机械制造工业，观察研究金相组造工业，观察研究金相组织结构织结构按用途按用途世界上第一台显微镜是荷兰眼镜商詹森（世界上第一台显微镜是荷兰眼镜商詹森（Hans
Janssen）（左图）在）（左图）在1604年发明的。（右图）年发明的。（右图） 1665年，英国的物理
30、学家罗伯特年，英国的物理学家罗伯特胡克（胡克（Robert Hooke, ）（左图）用自己设计并制造的）（左图）用自己设计并制造的显微镜（右图）第一次发现细胞。显微镜（右图）第一次发现细胞。 1674年，荷兰布商列文年，荷兰布商列文虎克虎克(Antonie van Leeuwenhoek,)
为了检查布的质为了检查布的质量，亲自磨制透镜，装配了高倍显微镜（量，亲自磨制透镜，装配了高倍显微镜（300倍倍左右），并观察到了血细胞、池塘水滴中的原生左右），并观察到了血细胞、池塘水滴中的原生动物、人类和哺乳类动物的细胞，这是人类第一动物、人类和哺乳类动物的细胞，这是人类
31、第一次观察到完整的活细胞。次观察到完整的活细胞。 显微镜是人眼的辅助工具，显微镜的光学系显微镜是人眼的辅助工具，显微镜的光学系统由统由物镜和目镜物镜和目镜两个部分组成。两个部分组成。夜光虫太阳虫显微镜下美丽的冰晶 1.显微镜系统成像原理显微镜系统成像原理此像在经目镜放大为虚像此像在经目镜放大为虚像A”B”
后供眼睛后供眼睛观察。观察。目镜和放大镜起着同样的作用目镜和放大镜起着同样的作用 物镜物镜目镜目镜F1F1F2BAABA”B”AB 位于目镜的物位于目镜的物方焦点方焦点 F2 上或在很上或在很靠近靠近 F2 的位置上的位置上 物镜物镜目镜目镜F1F1F2BAABA”B” 目镜的物方焦点目镜的
32、物方焦点与与物镜像方焦点物镜像方焦点的距离的距离为为（物镜和目镜的光学间隔），（物镜和目镜的光学间隔），在显在显微镜系统中称为微镜系统中称为光学筒长光学筒长 设物镜的焦距为设物镜的焦距为f1,则物镜的放大率为则物镜的放大率为 f f x11fe2250 物镜的像被目镜放大，其放大率为物镜的像被目镜放大，其放大率为
物体经过物镜和目镜的两次放大，所以显微镜系物体经过物镜和目镜的两次放大，所以显微镜系统总的放大率统总的放大率应该是应该是物镜横向放大率物镜横向放大率和目镜视和目镜视角放大率角放大率e的乘积。的乘积。ffe21250 可见显微镜系统的放大率与光学筒长可见显微镜系统的放大率与光学筒长成成
33、正比，和物镜及目镜的焦距成反比。正比，和物镜及目镜的焦距成反比。 式中：式中： f2 为目镜的焦距。为目镜的焦距。 根据组合光组的焦距公式可知，整个显微镜的总根据组合光组的焦距公式可知，整个显微镜的总焦距焦距 f 和物镜及目镜焦距之间符合以下关系：和物镜及目镜焦距之间符合以下关系： ff f21
f250将其代入上式中，则有将其代入上式中，则有显微镜系统实质上不显微镜系统实质上不就是个放大镜么！就是个放大镜么！在显微镜系统中存在着在显微镜系统中存在着中间像中间像，故可以在物镜的，故可以在物镜的实像平面上实像平面上放置分划板，对被观察物体进行测量，放置分划板，对被观察物体进行测量，并且在该处还可
34、以并且在该处还可以设置视场光阑以消除设置视场光阑以消除渐晕现象渐晕现象。精密测量用的显微系统精密测量用的显微系统与与一般观察显微镜一般观察显微镜对物对物镜横向放大率的要求不同。镜横向放大率的要求不同。对生物显微镜物镜的放大倍数较高对生物显微镜物镜的放大倍数较高(10 100 )，但，但其值的精度要求不高，相对误差一般为其值的精度要求不高，相对误差一般为
5%，对工具显微镜物镜放大倍数较低对工具显微镜物镜放大倍数较低(1 5 )，但其值，但其值的精度要求较高，相对误差一般为的精度要求较高，相对误差一般为 0.1%，物镜的，物镜的成像面上装有分划板。成像面上装有分划板。l19JA型万能工具显微型万
35、能工具显微镜的光学系统图。镜的光学系统图。 照明光源照明光源集光镜集光镜滤色片滤色片可变光阑可变光阑平面反射镜平面反射镜聚光镜聚光镜保护玻璃保护玻璃工作台工作台物镜物镜工件工件光阑（孔径光阑）光阑（孔径光阑）斯密特棱镜斯密特棱镜保护玻璃保护玻璃分划板分划板目镜测角分划板测角分划板测角光源测角光源滤色片滤色片读读数数显显微微镜镜
可变光阑位于聚光镜的可变光阑位于聚光镜的物方焦平面上物方焦平面上孔径光阑位于物镜的像方孔径光阑位于物镜的像方焦平面上（形成了什么光焦平面上（形成了什么光路？）路？）物镜有四种放大倍率：物镜有四种放大倍率：1x、1.5 x、3 x和和5 x；目镜的放大率为目镜的放大率为1
在显微镜中，取下显微在显微镜中，取下显微物镜和目镜后，所剩下物镜和目镜后，所剩下的镜筒长度即物镜支撑的镜筒长度即物镜支撑面到目镜支撑面之间的面到目镜支撑面之间的距离称为机械筒长，用距离称为机械筒长，用tm表示。表示。对于一台显微镜来说，机械对于一台显微镜来说，机械筒长是固定的，机械筒长各筒长是固定的，机械筒长各国标准是不同的，有国标准是不同的，有160mm，170mm和和190mm
等。等。 我国规定机械筒长为我国规定机械筒长为160mm。三、显微镜的景深三、显微镜的景深 当显微镜调焦至某一物平面（称为对准平面）时，当显微镜调焦至某一物平面（称为对准平面）时，如果位于其前后的物平面仍能
37、被观察者看清楚，则如果位于其前后的物平面仍能被观察者看清楚，则该两平面之间的距离称为该两平面之间的距离称为显微镜的景深显微镜的景深。AB是对准平面，是对准平面，A1B1是位于对准平面之前的物平面，是位于对准平面之前的物平面， A2B2是位于对准平面之后的物平面。是位于对准平面之后的物平面。1ADzA2Al入瞳1B2BB A1B1AB出瞳出瞳FZ-dx-x2adx xdx a z2
a z xdx2A1点的成像光束在景象平面上截出直径为点的成像光束在景象平面上截出直径为z的弥散斑，从图的弥散斑，从图中可得中可得因为因为x dx，有，有AB是对准平面的像（称之为景象平面），是对准平面的像（称之为景
38、象平面），A1B1是位于是位于对准平面之前的物平面的像。对准平面之前的物平面的像。 若要若要Z看起来是一个点，它对出瞳中心的张角看起来是一个点，它对出瞳中心的张角必必须不须不大大于眼睛的极限分辨角。于眼睛的极限分辨角。 a x a z
xdx222dx可认为是在像方能同时看清楚的景像平面前后可认为是在像方能同时看清楚的景像平面前后两个平面之间的深度两个平面之间的深度，由于，由于tg，有，有将将2dx换算换算到物空间去，即可得到显微镜景深的表到物空间去，即可得到显微镜景深的表达式。这只要将达式。这只要将2dx除以除以轴向放大率轴向放大率即可。即可。A1B1AB出瞳出瞳FZ-dx-x2a22222
39、222nf xnf x nff xf f f xf fdxdx222anfdxdx根据有关公式有根据有关公式有由此可得由此可得NAnNAnfdx2502由上式可见，显微镜的放大率越高、数值由上式可见，显微镜的放大率越高、数值孔径越大，景深越小。孔径越大，景深越小。也可表示为也可表示为tguxa sinutgu
uynunysinsin1xfyyunfasinA1B1AB出瞳出瞳FZ-dx-x2a-u222anfdxdx四、显微镜的分辨率和有效放大率四、显微镜的分辨率和有效放大率无穷远自身发光的物点，在透镜焦平面上无穷远自身发光的物点，在透镜焦平面上所成的像不是几何点，而是一个由一系列所成的像不
40、是几何点，而是一个由一系列光环组成的衍射图样。光环组成的衍射图样。1：显微镜的分辨率：显微镜的分辨率其图样的光环能量分布曲线见图所示。其图样的光环能量分布曲线见图所示。中央亮斑称为中央亮斑称为艾里斑艾里斑其半径为其半径为其上集中了总能量的其上集中了总能量的83%左右左右接着是第一级暗环然后是第一级亮环，其能量是接着是第一级暗环然后是第一级亮环，其能量是总能量的总能量的7%左右；左右；maxsin61.
0Una：光波波长，用白光照明时，一：光波波长，用白光照明时，一般取般取=0.5m2a一般光学仪器成像，可以看成圆孔衍射。由于衍射一般光学仪器成像，可以看成圆孔衍射。由于衍射现象，会使图像边缘变
41、得模糊不清，使图像分辨率现象，会使图像边缘变得模糊不清，使图像分辨率下降。下降。1S2S（1） 两个点光源相距较远，能分辨。两个点光源相距较远，能分辨。 （2）两艾里斑中心距离为艾里斑的半径时，恰能分辨。）两艾里斑中心距离为艾里斑的半径时，恰能分辨。00称为最小分辨角称为最小分辨角 （3）当）当0时，不能分辨。时，不能分辨。
我们将两艾里斑中心距离为艾里斑的半径我们将两艾里斑中心距离为艾里斑的半径或或=0时，恰能分辨像点的情况称为时，恰能分辨像点的情况称为瑞利瑞利判据判据。 D1.220D为入瞳直径，这里为透镜直径为入瞳直径，这里为透镜直径又定义：又定义：22. 110D为仪器为仪器分辨率分辨
42、率光学镜头入瞳直径越大，分辨率越高。入射光波光学镜头入瞳直径越大，分辨率越高。入射光波长越短，分辨率越高。长越短，分辨率越高。 根据瑞利判据的另外一种表述，显微镜分辨率以能根据瑞利判据的另外一种表述，显微镜分辨率以能分辨的分辨的物方物方两点间最短距离两点间最短距离 表示表示：sin61. 0unauynunysinsinyyNAun61. 0sin61. 0sin61.
0unamaxsinUnNA为物镜的数值孔径为物镜的数值孔径其中其中光学镜头的数值孔径越大，分辨率越高。入光学镜头的数值孔径越大，分辨率越高。入射光波长越短，分辨率越高。射光波长越短，分辨率越高。 可见，显微镜作为光学系统，其
43、分辨本领可见，显微镜作为光学系统，其分辨本领取决于所用照明光的波长和物镜的数值孔取决于所用照明光的波长和物镜的数值孔径。径。注意：注意：显微镜的分辨率只与物镜的数值孔显微镜的分辨率只与物镜的数值孔径有关，与目镜无关，即使目镜的放大率径有关，与目镜无关，即使目镜的放大率很高，由于它只是放大物镜所成的像，因很高，由于它只是放大物镜所成的像，因此它不能分辨物镜所不能分辨的细节。此它不能分辨物镜所不能分辨的细节。提高显微镜分辨本领的途径：提高显微镜分辨本领的途径：使用波长短的光照明；使用波长短的光照明；加大物镜的数值孔径。加大物镜的数值孔径。在镜头口径不能太大的情况下，可以提高物方折射率。在镜头口径不
44、能太大的情况下，可以提高物方折射率。电子显微镜放大率电子显微镜放大率6080万倍，有效万倍，有效分辨率可达分辨率可达0.2nm 光学显微镜系统，最大放大倍数在光学显微镜系统，最大放大倍数在倍，倍，超不过超不过2000倍。倍。目前光学显微镜系统的最高分辨本目前光学显微镜系统的最高分辨本领可达领可达0.2
m。2：总放大率的确定：总放大率的确定总放大率的确定原则：总放大率的确定原则：显微系统能分辨的显微系统能分辨的细节也应能被接收器所分辨细节也应能被接收器所分辨(对显微系统而对显微系统而言，其接收器是人眼言，其接收器是人眼) 。接 接接是接收器的分辨本领，是接收器的分辨本领， 是显
45、微系统分辨本领。是显微系统分辨本领。便于眼睛分辨的角度为便于眼睛分辨的角度为2 4，则在明视距离，则在明视距离250mm处能分辨开两点之间的距离处能分辨开两点之间的距离为为 ：0换算到显微镜的物方换算到显微镜的物方01. 000029.
02250NA设所使用照明光的波长为设所使用照明光的波长为550nmNANA900450称为有效放大率称为有效放大率当当NA450时，物镜分辨能力没有被充分利用时，物镜分辨能力没有被充分利用NA900时，为无效放大时，为无效放大五、显微系统的线视场五、显微系统的线视场 其视场的大小用能看到的
46、其视场的大小用能看到的物方直径物方直径表示，称表示，称为为物方线视场（物方线视场（简称为简称为线视场）。线视场）。 线视场的大小与线视场的大小与显微系统放大率显微系统放大率、数值孔径数值孔径NA以及以及结构尺寸结构尺寸有关。有关。 线视场是显微系统光学性能之一。线视场是显微系统光学性能之一。 物方线视场实际上就是系统的物方线视场实际上就是系统的入窗入窗。
显微系统是用来观察、分辨物体的细节（生显微系统是用来观察、分辨物体的细节（生物显微镜）或瞄准（工具显微镜）的。物显微镜）或瞄准（工具显微镜）的。要求视场内的照度适宜、均匀、成像要求视场内的照度适宜、均匀、成像清晰、没有渐晕，杂散光的干扰小清晰
47、、没有渐晕，杂散光的干扰小 视场光阑应安放在物镜像平面处。视场光阑应安放在物镜像平面处。 不同的显微系统其孔径光阑的位置也不同不同的显微系统其孔径光阑的位置也不同 生物显微镜的孔径光阑就是物镜框（轴上生物显微镜的孔径光阑就是物镜框（轴上点成像）点成像）
工具显微镜孔径光阑放在物镜像方焦平面上工具显微镜孔径光阑放在物镜像方焦平面上构成构成物方远心光路物方远心光路使用显微系统过程中，要求能方便更换物镜使用显微系统过程中，要求能方便更换物镜和目镜和目镜 同时，也要求一次调焦清晰后，在更换不同同时，也要求一次调焦清晰后，在更换不同倍率的物镜或目镜时，不需要二次调焦。倍率的物镜或目镜时，不需要二次调焦。
48、 即视场即视场中心物象位置中心物象位置关系不发生变动关系不发生变动 更换物镜并能基本保持成像清晰是采用更换物镜并能基本保持成像清晰是采用不不同倍率物镜同倍率物镜的的物像共轭加上主面之间的距物像共轭加上主面之间的距离相等离相等的方法来实现的，被称为的方法来实现的，被称为齐焦齐焦 。
更换物镜的倍率（更换物镜的倍率（1X、1.5X、3X、5X），），物方线视场的大小也随之改变（物方线视场的大小也随之改变（21mm、14mm、7mm、4.2mm）六、物镜和目镜六、物镜和目镜1：物镜概述：物镜概述maxU ymaxUHH工作距离y物镜的工作距离：物镜的工作距离：物镜第一面顶点到物体之间的距离。物镜第一
49、面顶点到物体之间的距离。一般情况下，物镜倍率越高，工作距离越小。一般情况下，物镜倍率越高，工作距离越小。物镜参数有以下关系式：物镜参数有以下关系式：maxUHHM 工作距离 ymaxUHH lyll l放大率放大率共轭距共轭距llM结构长度结构长度HHMS如果物镜为薄透镜，如果物镜为薄透镜，可以不考虑可以不考虑HHmaxUHHM 工作距离 ymaxUHH
lyl焦距焦距21MfmaxUsinnNA 数值孔径数值孔径 yy22线视场线视场显微物镜的特点：显微物镜的特点：大数值孔径，小视场，短焦距大数值孔径，小视场，短焦距。显微物镜的主要用来观察或测量，将近处微小物体显微物镜的主要用来观察或测量，
50、将近处微小物体放大到足够大并且分辨清楚细节，就是显微镜的主放大到足够大并且分辨清楚细节，就是显微镜的主要用途。要用途。问题：问题：存在存在像差和色差像差和色差，简单结构物镜无法克服。，简单结构物镜无法克服。那咋整？ 显微物镜根据用途不同分为：显微物镜根据用途不同分为：(1).(1). 消色差显微物镜消色差显微物镜2：物镜分类：物镜分类
为了提高分辨率，物镜的数值孔径比较大。其结为了提高分辨率，物镜的数值孔径比较大。其结构随着数值孔径的增大而趋向复杂。构随着数值孔径的增大而趋向复杂。只需校正轴上点球差和色差即可，边缘像质较差。只需校正轴上点球差和色差即可，边缘像质较差。但由于其视场很小，故能满足
51、一般的使用要求。但由于其视场很小，故能满足一般的使用要求。普通显微物镜大多数属于消色差型普通显微物镜大多数属于消色差型按数值孔径按数值孔径NA的大小有四种型式的大小有四种型式a、双胶合型、双胶合型 =15x NA=0.10.15b、李斯特型、李斯特型 （Leister） =1025x NA=0.220.403、阿米西型（、阿米西型（Amici） =40 x
NA=0.400.654、阿贝油浸型、阿贝油浸型 =90100 x NA=1.251.40目的：提高数值孔径。目的：提高数值孔径。(2).(2).复消色差物镜复消色差物镜严格校正轴上点像差和色差，严格校正轴上点像差和色差，同时还要校正二级光
52、谱色差。同时还要校正二级光谱色差。主要用于研究用显微镜和显主要用于研究用显微镜和显微照相中。微照相中。v40X复消色显微物镜复消色显微物镜萤石（萤石（CaF2）萤石萤石(3).(3).平场消色差物镜平场消色差物镜b、中倍、中倍 =10 x NA=0.22c、高倍、高倍 =40 x NA=0. 0.65d、高倍、高倍 =63x NA=0.85a、低倍、低倍 =4x
NA=0.1严格地校正像面弯曲，主要用于显微照相和显微严格地校正像面弯曲，主要用于显微照相和显微投影。投影。v40X平场复消色差显微物镜平场复消色差显微物镜(4).(4).平场复消色差物镜平场复消色差物镜在校正像面弯曲的同时，要校正二
53、级光谱。在校正像面弯曲的同时，要校正二级光谱。精密测量中的显微镜，使用高倍物镜的不多。一般均精密测量中的显微镜，使用高倍物镜的不多。一般均采用低倍和中倍物镜；但要求平像场；采用低倍和中倍物镜；但要求平像场；
所以与同倍其它物镜相比，其结构形式比较复杂。所以与同倍其它物镜相比，其结构形式比较复杂。v下图是工具显微镜下图是工具显微镜1X物镜的两种结构。视场物镜的两种结构。视场20mm，工作距离，工作距离80mm，数值孔径，数值孔径0.03。孔径光阑孔径光阑工具显微镜要求有较大的视场和工作距，以容纳有工具显微镜要求有较大的视场和工作距，以容纳有一定高度的工件一定高度的工件孔径光阑孔径光阑v下图是工具
54、显微镜下图是工具显微镜3X物镜的结构。视场为物镜的结构。视场为6.7mm，工作距离，工作距离80mm，数值孔径，数值孔径0.09。下图是工具显微镜下图是工具显微镜10X物镜的结构。视场物镜的结构。视场2mm，工作距离工作距离20mm，数值孔径，数值孔径0.16。
下图是工具显微镜下图是工具显微镜40X物镜的结构。视场物镜的结构。视场0.5mm，工作距离工作距离10.5mm，数值孔径，数值孔径0.35。孔径光阑孔径光阑孔径光阑孔径光阑3：目镜概述：目镜概述目镜的作用：对物镜成的像再次放大。目镜的作用：对物镜成的像再次放大。显微镜的出瞳在目镜之后的一定位置上，观察时，眼显微镜的出瞳在目镜之后的一定
55、位置上，观察时，眼睛放在出瞳处。睛放在出瞳处。kOHH1O1u1y出DFl目fP出瞳在选用或设计显微目镜时所考虑的主要光学性能：在选用或设计显微目镜时所考虑的主要光学性能：(1)视场角视场角(像方视场角像方视场角)2 ：总的来说视场大的一般在总的来说视场大的一般在40 50 左右，小左右，小的到的到30 ，广角目镜可达，广角目镜可达120
kOHH1O1u1y出DFl目fP出瞳出瞳(2)焦距焦距目f一般一般2030mm，小的可到，小的可到4mm，大的可到，大的可到50mm 。焦距过短：出瞳距小，人眼不易与出瞳重合。焦距过短：出瞳距小，人眼不易与出瞳重合。焦距过长：为保证一定的视场角，要加大目镜
56、口径。焦距过长：为保证一定的视场角，要加大目镜口径。kOHH1O1u1y出DFl目fP出瞳f目(3)出瞳距出瞳距P：一般在一般在8mm左右，不得小于左右，不得小于6mm，最长可达，最长可达100mmkOHH1O1u1y出DFl目fP出瞳f目(4)相对孔径相对孔径(5)放大率放大率目镜前片顶点到目镜物方焦点的距离。要保证目目镜前片顶点到目镜物方焦点的距离。要保证目镜在调焦中不能碰到分划板。镜在调焦中不能碰到分划板。摄影目镜摄影目镜观察目镜观察目镜约约1/31/15
目出fD250目目f被摄中间像像高摄影目镜成像高度目(6)工作距离工作距离Fl由于观察者视力差异，目镜应能进行视度调节。由于观察者视
57、力差异，目镜应能进行视度调节。总之，目镜是一个出瞳在外的短焦距小孔径大总之，目镜是一个出瞳在外的短焦距小孔径大视场系统，同时对工作距均有一定的要求。主视场系统，同时对工作距均有一定的要求。主要考虑的像差是轴外像差要考虑的像差是轴外像差(像散、场曲、倍率色像散、场曲、倍率色差、畸变等差、畸变等)设观察者视力调节为设观察者视力调节为N视度，则目镜轴向移动距离为：视度，则目镜轴向移动距离为：视场角与视场光阑的视场角与视场光阑的关系关系可以表示为：可以表示为：2目视场光阑直径ftg在设计目镜时要求在设计目镜时要求
lF xN5m-1mmfNx10002 目目镜的视场光阑在物方焦平面，即分划板上。目镜的
58、视场光阑在物方焦平面，即分划板上。通常为通常为1825mm。4：目镜的分类：目镜的分类根据显微镜用途不同，目镜分为：根据显微镜用途不同，目镜分为：v普通目镜普通目镜v平场补偿目镜平场补偿目镜v摄像目镜摄像目镜 惠更斯目镜由两块平凸透镜组成，其间隔为惠更斯目镜由两块平凸透镜组成，其间隔为d。 4523目fP
v场镜所产生的轴外像差很大，很难予以补偿。场镜所产生的轴外像差很大，很难予以补偿。所以该目镜结构不宜在视场光阑平面上设置分划所以该目镜结构不宜在视场光阑平面上设置分划板，因此惠更斯目镜不宜用在测量仪器中。板，因此惠更斯目镜不宜用在测量仪器中。场镜接目镜物镜像面视场光阑接目镜物方焦平面出射光瞳
59、（眼瞳）d冉斯登目镜冉斯登目镜由两块凸面相对的平凸透镜组成，由两块凸面相对的平凸透镜组成，其间隔其间隔d 小于惠更斯目镜两透镜的间距。小于惠更斯目镜两透镜的间距。 在成像质量上，冉斯登目镜的间隔小，冉斯登在成像质量上，冉斯登目镜的间隔小，冉斯登目镜的场曲小于惠更斯目镜的场曲。目镜的场曲小于惠更斯目镜的场曲。场镜接目镜视场光阑出瞳（眼瞳）d， 402)4131(目fP
对称式目镜对称式目镜v对称式目镜是应用非常广泛的中等视场目镜。对称式目镜是应用非常广泛的中等视场目镜。v它由两个双胶合镜组构成。它由两个双胶合镜组构成。 50243目fP 广角目镜广角目镜 广角目镜是为适应大视场系统而设计的。广角
60、目镜是为适应大视场系统而设计的。v由于视场角增大，场曲也随之增大。由于视场角增大，场曲也随之增大。v为了保证像差的要求，目镜的结构必然复杂化，为了保证像差的要求，目镜的结构必然复杂化，通通常增加正透镜组的数目，使光焦度分散。常增加正透镜组的数目，使光焦度分散。v下图是两种视场在下图是两种视场在60以上的广角目镜，接目镜以上的广角目镜，接目镜用两块透镜代替。用两块透镜代替。I
型出瞳II 型出瞳显微镜的照明系统显微镜的照明系统显微镜的照明方法按其照明光束的形成显微镜的照明方法按其照明光束的形成，可分为，可分为“透射式照明透射式照明”和和“落射式照落射式照明明”两大类。两大类。前者适用于透明或半透
