显微镜的分辨力
• 显微镜的分辨力取决于光学系统对光的衍 射状况。 根据瑞利判断，两个相邻像点之 间的间隔等于艾里斑的半径时，则能被光 学系统分辨。
a 0.61 / n ' sin u '
• 显微镜的分辨力用所能分辨的物方最小距 离表示 n ' sin u ' a 0 . 61 0 . 61
r
散光
散光眼
第一子午面
-r
第二子午面 -r
第二节 放大镜
• • • • 放大镜概述 放大镜的工作原理 放大镜的视放大率 放大镜的光束限制
放大镜概述
• 放大镜又称助视镜，当被观察物体 的细节对眼睛的张角小于最小分辩 角（1’）时，眼睛便无法分辩其细 节，只能借助于目视光学仪器将其 放大后再去观察。由此引入视觉放
第三节 显微系统
• • • • • • • 显微系统的构成 显微镜的成像原理 显微镜的视放大率 显微镜的分辨力 显微镜的有效放大率 显微镜中的光束限制 照明系统
显微系统的构成
• 照明系统＋成像系统
• 成像系统= 物镜＋目镜
显微镜成像系统 工作原理
显微镜成像系统工作原理
显微镜的视放大率（一）
人眼的结构
• 人眼的生理结构 • 人眼的光学结构－简约眼 • 人眼相当于照相机
简约眼
眼睛简化成一个折射球面的模型，即简约眼
折射面的曲率半径 像方介质的折射率 网膜的曲率半径 物方焦距 像方焦距 光焦度
5.56mm 1.333 9.7 mm -16.70mm 22.26 mm 59.88D
简约眼
临界照明
• 光源 物面（特点：窗对窗）
• 优点：亮度高，结构简单 • 缺点：照度不均匀
柯勒照明
• 光源
• 集光镜
成像系统的入瞳（窗对瞳） 物面（瞳对窗）
• 优点：照度均匀 • 缺点：结构复杂
照明系统与成像系统的匹配
照明系统与成像系统的配合应注意两点 • 瞳窗要衔接，这样既能保证物体的照明 范围又可以充分利用光能 • 照明系统必须提供被照物体有足够的孔 径角，能满足成像系统的数#39; h / P '
tg ' 2 ( h a ') / P '
K=0
提高放大镜放大率的可能性
• 一般说，我们将 250 f ' 确定为 放大镜的视放大率。 • 放大率取决于焦距，与焦距成反比。 当单透镜的焦距不能减小时，放大率 受到限制，于是，有了显微镜。
提高显微镜分辨力的可能性
• 提高显微镜分辨率的另一途径就是用电 子束来代替光。根据德布罗意的物质波 理论，运动的电子具有波动性，而且速 度越快，它的“波长”就越短。 • 电子显微镜是20世纪最重要的发明之一。 由于电子的速度可以加到很高，电子显 微镜的分辨率可以达到纳米级（10-9m）。
例题：如果要求读数显微镜的瞄准精 度为0.001mm，求显微镜的放大率。

其中K >1，与瞄准方式有关
K
人眼的屈光度误差及其校正
•正常人眼完全放松时，眼睛的远点在无限 远，则称其为正常眼，反之，称为非正常 眼。非正常眼主要有以下三种类型： • 近视眼：远点距为负值，有限远 • 远视眼：远点距为正值，有限远 • 散光眼： 两个垂直子午面的远点距不 同
近视眼
-r
远视眼：

时

D f'
f '时

D f'
当 P' 0 时

D l
放大镜的光束限制
• • • • 放大镜与人眼组合成一个组合系统 孔径光阑：人眼瞳孔 视场光阑：放大镜 视场光阑与物（像面）不重合，必产生 渐晕
放大镜的光束限制图
放大镜的像方视场角
K=1.0
tg '1 ( h a ') / P '
显微摄影系统－
显微镜与摄影系统组合
• 摄影物镜直接臵于目镜的后方，使目镜 所成的虚像，成像在照相底片或CCD上。
• 摄影物镜直接代替目镜，该目镜称为摄 影目镜，为使整个共轭物像距不致于太 大，目镜应设计成负光组。
数字显微镜
• 显微物镜的像面上，直接放臵CCD接收器，连 接到计算机上，还可以对显微镜的图像进行测 量和实时处理，图像的大小也可以通过CCD靶 面上的象素面积计算出来
• 当人眼通过放大镜观察物体时
tg ' y' P ' l ' f ' l ' P ' l ' y f'
• 视放大率

tg ' tg

f ' l ' P ' l '

D f'
一般有

tg ' tg

f ' l ' P ' l '

D f'
当 l' 当 P'
望远镜的工作原理图
改变目镜位臵可以观察近距离物体
望远系统的放大率
• 人眼直接观察事物体对人眼的张角与物体对仪器 的张角相等
• 望远系统的视放大率等于仪器的角放大率
tg ' tg tg ' tg f '物 f '目
• 视放大率还可以表示为
1
显微镜应用的拓展
• 从对物体成像的特点来分，对近距离成 像的光学系统都可以归类于显微镜，近 代显微镜常在系统中加入其它镜组，以 扩大显微镜的功能。
筒长无限的显微物镜
物镜
辅助物镜

y' y

f2' f1 '
• 优点：物镜和辅助物镜之间是平行光，有利 于装配和调整，可以在其间加入棱镜、滤光 片和偏振片，而不会引起像点位臵的变化及 产生双像、叠影等。
显微镜的视放大率（二）
• 显微镜为两次放大，放大率为两次放大的乘积
tg ' tg y ' f '目 y D
y f '目
y D

D f '目
目

x' f '物

f '物
目
D f 物 f目
D f '目
D f '显
7

4.5 2.5
200
80
40
1
0.25
0
人眼的适应
眼睛能适应不同亮暗环境的能力称为适应。
适应可分为明适应和暗适应。前者发生 在由暗处到亮处时，适应时间大约几分钟； 后者发生在由亮处到暗处时，适应时间大 约30-60分钟。
人眼的分辨力
• 明视距离：人眼在近距离工作时的通常 距离 250 mm. • 分辨率：眼睛能分辩两个很靠近的点的 能力称为眼睛的分辨率。 • 最小分辨角：能够分辩的最近两点对眼 睛的张角称为眼睛的最小分辩角：60秒 • 最小分辨距离：在明视距离处（250mm） 最小分辨角对应的线量：0.0725mm。
第七章 典型光学系统
• • • • • 眼睛及其光学系统 放大镜 显微系统 望远系统 投影系统和照相系统
第一节 眼睛及其光学系统
•眼睛是一个完整的成像光学系统，同时 又是目视光学系统的接收器，可以看成 是整个光学系统的一个组成部分。 •一、眼睛结构 •二、人眼的调节和适应 •三、人眼的分辨率和瞄准精度 •四、人眼的屈光度误差及其校正
A R p r p
1
1 A、R、P的单位是屈光度（D）， D 1 m 。
眼睛在不同年龄时的调节能力和调节范围
年 龄
10 -7
20
30
40
50
60
70
80
近点距 (cm)
远点距 （cm) A=R-P (屈光度)
-10 -14 -22 -40 -200 100 40

14

10

D出 500 NA
显微镜的光束限制－视场光阑
• 显微镜要求无渐晕成像，因而视场光 阑须设臵在物镜实像平面上 。显微 镜的线视场为
2 y 2 y/
2y
2 y 2 f etg
500 tg
照明系统
• • • • 直接照明 反射式照明 透射照明 聚光镜照明 临界照明 柯勒照明
习题（p.140页第5题）
100
望远系统
• • • • • • • • 望远系统的组成 望远系统的放大率 望远系统的分类及特点 望远系统的分辨力 望远系统的有效放大率 望远系统的光束限制 望远镜的辅助系统 目镜
望远系统的组成及工作原理
• 组成：物镜+目镜 • 特点：物镜的像方焦点重合于目镜的物 方焦点。无焦系统
人眼的瞄准精度
• 人眼认为标志对目标重合而实际未 重合的最大误差 。 • 瞄准精度与分辨力成正比，但不等 于分辨力。
分辩力和瞄准精度
两个不同的概念
• 分辨力是对静止的两个点的分辨能力 • 瞄准精度是对两个相对运动点重合的判断。 • 两个概念又是相互联系的，高的瞄准精度 不仅取决于高的分辩力，同时也取决合适的 瞄准方式。一般有


D D'
望远系统的分类
• 柯普勒型 特点：目镜焦距为正光组 有中间实像，成倒像 结构长 • 伽利略型 特点：目镜焦距为负光组 无中间实像，成正立像 结构短
刻普勒型
伽利略型
望远镜的分辨力
• 理论极限分辨角
• 人眼直接观察物体
tg y l y D
• 人眼观察显微镜的像
tg ' y' f '目