眼睛與顯微系統(tǒng)

1、第九章,典型光學(xué)系統(tǒng),本章學(xué)習(xí)目的：通過(guò)解剖典型光學(xué)系統(tǒng)，初步具備設(shè)計(jì)光學(xué)系統(tǒng)的能力,很久以前，人們就利用透鏡、反射鏡和棱鏡等制成各種儀器來(lái)達(dá)到一定的成像要求。,（1）幫助人眼觀察近處微小的物體——顯微鏡,（2）幫助人眼觀察遠(yuǎn)處的物體——望遠(yuǎn)鏡,（3）為了在屏上得到一個(gè)放大或縮小的像——投影儀和照相機(jī)。,（4）有些物體本身不發(fā)光，為了能清晰地觀察，必須研究照明系統(tǒng)。,現(xiàn)代光學(xué)儀器種類繁多，主要實(shí)現(xiàn)的無(wú)非是這些功能或者是這幾種功能的組合,

2、這類光學(xué)系統(tǒng)是直接擴(kuò)大人眼的視覺(jué)能力，稱為目視光學(xué)系統(tǒng)，它們補(bǔ)充和擴(kuò)大了人眼的功能。,然而最精巧、功能最強(qiáng)的光學(xué)系統(tǒng)是人眼，同時(shí)人眼是目視光學(xué)儀器的接收器。,了解人眼的結(jié)構(gòu)及光學(xué)性能有利于正確設(shè)計(jì)和使用儀器，對(duì)設(shè)計(jì)光學(xué)儀器有所啟發(fā)。,人獲取的外界信息80%~90%來(lái)自眼睛！,俗話說(shuō)：眼見(jiàn)為實(shí)！,§9-1 人眼的光學(xué)特性 (§3-1、3- 4),交叉點(diǎn)有黑點(diǎn)?,這些都是平行線?,中間是一個(gè)圓?,中間的圓是一樣大的

3、?,圖案是否在旋轉(zhuǎn)？,一、眼睛的結(jié)構(gòu),人眼的構(gòu)造剖視圖,,人眼本身相當(dāng)于攝影光學(xué)系統(tǒng)，直徑約25mm，重量：約7克,,,人眼的構(gòu)造剖視圖,鞏膜,*鞏膜是眼球的第一層保護(hù)膜，白色、不透明、堅(jiān)硬；,,角膜,,*角膜是鞏膜的最前端部分，無(wú)色而透明；,厚度：0.55mm, 折射率：1.3771,,,,人眼的構(gòu)造剖視圖,鞏膜,,角膜,前室：角膜后的空間，充滿了折射率為1.336的透明水狀液,脈絡(luò)膜,,前室,,,,人眼的構(gòu)造剖視圖,鞏膜,,角膜,,

4、,脈絡(luò)膜,,,虹膜,,*虹膜是脈絡(luò)膜的最前端部分，含有色素細(xì)胞，決定眼的顏色；,*瞳孔是虹膜中間的小孔，隨著外界明亮程度的不同，虹膜肌肉能使瞳孔的直徑在2~8mm范圍內(nèi)變化；它是人眼的孔徑光闌。,,,鞏膜,,角膜,,脈絡(luò)膜,,虹膜,,瞳孔,,,,鞏膜,,角膜,,脈絡(luò)膜,,虹膜,,瞳孔,,網(wǎng)膜,,網(wǎng)膜是眼球的第三層膜，上面布滿著微血管和感光元素，即錐狀細(xì)胞和桿狀細(xì)胞，錐狀細(xì)胞直徑約5微米，長(zhǎng)約35微米；桿狀細(xì)胞直徑約2微米，長(zhǎng)約60微米。

5、,,光敏細(xì)胞,,在黃斑處是錐狀細(xì)胞的密集區(qū)而沒(méi)有桿狀細(xì)胞，由中心向外，錐狀細(xì)胞逐漸減少桿狀細(xì)胞逐漸增多。,,,鞏膜,,角膜,,光,脈絡(luò)膜,,虹膜,,瞳孔,,網(wǎng)膜,,黃斑中心凹是人眼視覺(jué)最靈敏的地方。,視神經(jīng)細(xì)胞,黃斑中心凹,,,,神經(jīng)纖維,,,盲斑,大腦,盲斑,,晶狀體,,,,鞏膜,,角膜,,,脈絡(luò)膜,,眼睛的像方節(jié)點(diǎn)與中心凹的連線為眼睛的視軸,在觀察物體時(shí)眼睛本能地把物體瞄準(zhǔn)在這根軸上。,虹膜,,瞳孔,,網(wǎng)膜,,,,黃斑中心凹,,,,

6、盲斑,,晶狀體,,前室,,后室,,光軸,,,視軸,,眼睛的視場(chǎng)很大，可達(dá)150?，但只有黃斑附近才能清晰識(shí)別，其他部分比較模糊， 所以能看清物體的角度范圍為6 ~ 8?。,水晶體,,?,視網(wǎng)膜,瞳孔,鏡頭,底片,光圈,?,?,可以自動(dòng)對(duì)目標(biāo)調(diào)焦。,根據(jù)景物的亮暗自動(dòng)調(diào)節(jié)進(jìn)入眼睛的光能量。,在視網(wǎng)膜上成倒像,,人眼特點(diǎn)：,二、眼睛的調(diào)節(jié),實(shí)現(xiàn)：通過(guò)肌肉的放松與收縮改變晶狀體 前后面曲率實(shí)現(xiàn)。,定義：眼睛本能地改變晶

7、狀體的表面曲率使 遠(yuǎn)近不同的物體成像于網(wǎng)膜上的能力。,1．視度調(diào)節(jié),眼睛有兩類調(diào)節(jié)功能：視度調(diào)節(jié) 和瞳孔調(diào)節(jié)。,視度調(diào)節(jié)的過(guò)程即是眼睛自動(dòng)改變焦距的過(guò)程,明視距離：眼睛觀察近物時(shí)最適宜的距離是物體位于眼前250mm處，稱此距離為明視距離（M）。,當(dāng)肌肉完全放松時(shí)（通過(guò)調(diào)節(jié)），眼睛所能看清的最遠(yuǎn)的點(diǎn)稱為遠(yuǎn)點(diǎn)，其相應(yīng)的距離稱為遠(yuǎn)點(diǎn)距，以 r 表示（米）,當(dāng)肌肉在最緊張時(shí)（通過(guò)調(diào)節(jié)），眼睛所能看清的最近的點(diǎn)稱為近點(diǎn)，其

8、相應(yīng)的距離稱為近點(diǎn)距，以 p 表示（米）,正常眼睛的遠(yuǎn)點(diǎn)距為負(fù)的無(wú)限遠(yuǎn)，非正常眼睛（遠(yuǎn)視或近視）的遠(yuǎn)點(diǎn)距為一正/負(fù)的有限值。,人眼的調(diào)節(jié)能力是用遠(yuǎn)點(diǎn)距 r 的倒數(shù)和近點(diǎn)距p的倒數(shù)之差來(lái)描述，用A 來(lái)表示，即,遠(yuǎn)點(diǎn)視度：遠(yuǎn)點(diǎn)距的倒數(shù) R=1/r；,近點(diǎn)視度：近點(diǎn)距的倒數(shù) P=1/p；,A稱為眼睛的調(diào)節(jié)范圍或調(diào)節(jié)能力。,調(diào)節(jié)用視度表示，單位：m-1，稱為屈光度（D）。,與光焦度,一致,正常眼如觀察無(wú)限遠(yuǎn)的物體，對(duì)應(yīng)的視度為,屈光度,如觀察眼

9、前10米的物體，此時(shí)對(duì)應(yīng)的視度為,屈光度,在醫(yī)院和眼鏡店通常把1屈光度稱為100度。,人眼的調(diào)節(jié)能力隨年齡的增加而變化。,隨著年齡的增大，近點(diǎn)位置往遠(yuǎn)移，遠(yuǎn)點(diǎn)位置往近移，因而調(diào)節(jié)范圍減少。,2．瞳孔調(diào)節(jié)（適應(yīng)特性）,人眼還能在不同亮暗程度的條件下工作。,這就是人眼的另一個(gè)特性，具有根據(jù)周圍空間光亮情況自動(dòng)調(diào)節(jié)的過(guò)程 稱為適應(yīng)（即為瞳孔的調(diào)節(jié)）。,適應(yīng)是一種當(dāng)周圍照明條件發(fā)生變化是眼睛所產(chǎn)生的變態(tài)過(guò)程，可分為對(duì)暗適應(yīng)和對(duì)光適應(yīng)兩種，前者發(fā)

10、生在光亮處到黑暗處的時(shí)候，后者發(fā)生在自黑暗處到光亮處的時(shí)候。,眼睛的虹膜可以自動(dòng)改變瞳孔的大小，以控制眼睛的進(jìn)光亮（2mm~8mm)。在設(shè)計(jì)目視光學(xué)儀器時(shí)要充分考慮與眼瞳的配合。,三、眼睛的缺陷和矯正,正常眼在肌肉完全放松的自然狀態(tài)下，能夠看清楚無(wú)限遠(yuǎn)處的物體，即遠(yuǎn)點(diǎn)應(yīng)在無(wú)限遠(yuǎn)（R = 0），像方焦點(diǎn)正好和視網(wǎng)膜重合。,,,,,,,,,,F',,若不符合這一條件就是非正常眼，或稱視力不正常,最常見(jiàn)的有近視眼和遠(yuǎn)視眼,,所謂近視眼

11、就是其遠(yuǎn)點(diǎn)在眼睛前方有限距離處（r < 0）,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,由于眼球偏長(zhǎng)，像方焦點(diǎn)位于視網(wǎng)膜的前面。只有眼前有限距離處的物體才能成像在視網(wǎng)膜上。,近視眼為負(fù)視度,矯正方法：配戴適當(dāng)?shù)呢?fù)光焦度眼鏡。,使無(wú)限遠(yuǎn)物體成像于眼睛的遠(yuǎn)點(diǎn)上（虛像），然后再經(jīng)眼睛成像于網(wǎng)膜上,所謂遠(yuǎn)視眼就是其遠(yuǎn)點(diǎn)在眼睛之后（r > 0），,由于眼球偏短，像方焦點(diǎn)位于視網(wǎng)膜的之后所致。,只有匯聚光束才能在視網(wǎng)膜上成像，遠(yuǎn)點(diǎn)成為虛物點(diǎn)

12、。,遠(yuǎn)視眼為正視度,矯正方法：需以正光焦度透鏡來(lái)使其遠(yuǎn)點(diǎn)恢復(fù)到無(wú)限遠(yuǎn)，使像方焦點(diǎn)落在視網(wǎng)膜上。,近視眼或遠(yuǎn)視眼的遠(yuǎn)點(diǎn)視度可通過(guò)儀器來(lái)測(cè)得，知道此值后即可求得所需眼鏡的焦距。,例如：有一近視眼，通過(guò)驗(yàn)光得知其遠(yuǎn)點(diǎn)視度為-2個(gè)屈光度（－2D），眼鏡行業(yè)稱近視200度。,則其遠(yuǎn)點(diǎn)距,需配焦距為- 0.5m的近視眼鏡。,矯正時(shí)需將無(wú)限遠(yuǎn)物點(diǎn)移到其遠(yuǎn)點(diǎn)距上，即將無(wú)限遠(yuǎn)軸上點(diǎn)成像于r處,眼睛遠(yuǎn)點(diǎn)視度為多少屈光度就要配相應(yīng)屈光度的眼鏡。,目視光學(xué)儀器

13、視度調(diào)節(jié),人眼的視覺(jué)缺陷可以在眼前加以透鏡可以矯正目視光學(xué)儀器要適應(yīng)不同視力的人使用為此，目鏡可以改變其前后的位置，使儀器所成的像不再位于無(wú)限遠(yuǎn)，而位于目鏡的前方或后方一定的位置這就是目視光學(xué)儀器的視度調(diào)節(jié),,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,

14、,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,物鏡,目鏡,正常眼,近視眼,遠(yuǎn)視眼,F眼’,F眼’,F眼’,四、眼睛的分辨率（分辨本領(lǐng)）,1. 分辨本領(lǐng),定義：人眼的分辨本領(lǐng)是指眼睛區(qū)分接近的兩相鄰點(diǎn)的能力；,視角：眼睛看空間兩點(diǎn)時(shí)，該兩點(diǎn)對(duì)眼睛物方節(jié)點(diǎn)的張角；,,,,,,,人眼觀察物體的張角由物體的大小和距離的遠(yuǎn)近決定。,,極限分辨角：人眼能分辨的最小視角；在良好的照明條件下一般取 1’。,ε — 極限分辨角? — 視神經(jīng)細(xì)胞

15、直徑，?=5?mf‘ — 眼睛的像方焦距 ，f' =17.05mm,如果空間兩點(diǎn)的像分別落在被分隔開(kāi)的兩個(gè)視網(wǎng)膜細(xì)胞上，即得到兩個(gè)點(diǎn)的視覺(jué),由此可見(jiàn)，眼睛的分辨率與視網(wǎng)膜上兩像點(diǎn)距離及視覺(jué)細(xì)胞的直徑大小有關(guān)。,當(dāng)兩像點(diǎn)的間距大于（或等于）視覺(jué)細(xì)胞的直徑時(shí)，就認(rèn)為眼睛可以分辨。,在設(shè)計(jì)光學(xué)系統(tǒng)時(shí)就必須考慮眼睛的分辨率。,2.瞄準(zhǔn),定義：眼睛判斷一點(diǎn)與另一點(diǎn)是否重合的能力；,人眼的瞄準(zhǔn)精度一般用角度值來(lái)表示，即兩線的幾何中心線對(duì)

16、人眼的張角小于某一角度值α?xí)r，雖然還存在著不重合，但眼睛已經(jīng)認(rèn)為是完全重合的，這時(shí)的角度值即為人眼瞄準(zhǔn)精度。,,,瞄準(zhǔn)精度和分辨率是兩個(gè)概念，但二者又有一定的聯(lián)系，經(jīng)驗(yàn)證明，人眼的最高瞄準(zhǔn)精度約為分辨率的6倍至10倍。,人眼對(duì)于線條的變形或兩條線錯(cuò)開(kāi)造成的外形變化或比較兩條線寬的變化具有很高的靈敏度。,在精密儀器的設(shè)計(jì)中，盡量形成對(duì)眼睛瞄準(zhǔn)有利的條件。,1、兩實(shí)線瞄準(zhǔn) ±60",2、兩實(shí)線端部瞄準(zhǔn)±10~2

17、0 ",3、雙線平分或?qū)ΨQ瞄準(zhǔn)±5~10",4、虛線壓測(cè)件輪廓邊緣±20~30",眼睛在觀察物體時(shí)，除了一般的物體特征外，還能夠產(chǎn)生遠(yuǎn)近的感覺(jué)，被稱為“空間深度感覺(jué)”,§9-2 空間深度感覺(jué)和雙眼立體視覺(jué) (§3-5),單眼或雙眼都能產(chǎn)生這種感覺(jué),1）物體高度已知，它所對(duì)應(yīng)的視角大小來(lái)判斷其遠(yuǎn)近2）物體之間的遮蔽關(guān)系和陽(yáng)光的陰影來(lái)判斷它們相對(duì)位置3）對(duì)物

18、體細(xì)節(jié)的鑒別程度和空氣的透明度所產(chǎn)生的深度感覺(jué)4）眼睛的調(diào)節(jié)程度來(lái)判斷物體的遠(yuǎn)近。,單眼深度感覺(jué)來(lái)源：,雙眼觀察的深度感覺(jué)除上述因素外：,5）物體的距離越近，視軸之間的夾角越大，這種感覺(jué)使眼球發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)的肌肉緊張程度就不同，據(jù)此就能判斷物體的遠(yuǎn)近；,6）雙眼立體視覺(jué)（簡(jiǎn)稱體視）α稱為“視差角”,設(shè)人眼左右兩瞳孔距離為b，物體距離為l，由于通常α很小,則視差角為,則感覺(jué) A ，B 距眼睛距離相等,當(dāng)A、B兩點(diǎn)距離不等時(shí)，

19、 或產(chǎn)生了遠(yuǎn)近的感覺(jué) , 被稱為雙眼立體視覺(jué),當(dāng)物點(diǎn)對(duì)應(yīng)的視角差α等于 時(shí)，人眼剛能分辨出兩個(gè)物點(diǎn)之間的遠(yuǎn)近差別,即反映了人眼可能分辨出物點(diǎn)遠(yuǎn)近的最大距離,Lmax稱為立體視覺(jué)半徑,其極限值稱為“體視銳度”,約為10”，有可能達(dá)到5”或3”,通過(guò)光學(xué)儀器觀察物體時(shí)，放大率為物體像的視角ω’正切值與人眼直接觀察該物體時(shí)的視角ω正切之比。,這種放大率稱為視角放大率。用字母Γ表示,與眼睛一起使

20、用的目視光學(xué)儀器，其放大作用不能由橫向放大率來(lái)表征。,§9-3 雙眼觀察儀器 (§3-6),由于雙目觀察有立體感，因此許多目視儀器采用雙目結(jié)構(gòu)。,雙眼儀器不但可以保持人眼的體視能力，還可以提高人眼的體視能力,雙眼儀器的體視放大率,雙眼望遠(yuǎn)鏡，雙眼顯微鏡,人眼直接觀察時(shí)的視差角α眼為,,,,,,,,,,,,,B,A,αB眼,αA眼,Δα眼 ＝αA眼-αB眼,,人眼能否分辨兩個(gè)物點(diǎn)A 與B 的遠(yuǎn)近，取決于αA眼

21、－ αB眼,b,,,,lA,,,lB,假設(shè)雙眼觀察儀器的二個(gè)入射光軸之間為距離B,稱為該儀器的基線長(zhǎng)，則同一物體對(duì)儀器的二入射瞳孔所構(gòu)成的視差角α為,若系統(tǒng)的視（角）放大率為Г，則物方視差角α和像方視差角α’ 存在以下關(guān)系：,又因?yàn)椋?由體視放大率定義：,有：,取人眼兩瞳孔距離為b=62mm，則：,體視測(cè)距儀：利用人眼的立體視覺(jué)來(lái)測(cè)量目標(biāo)距離,為了提高測(cè)量精度，必須增大Π,（1）增大Γ,（2）增大B,一、放大鏡,物體對(duì)眼睛的視角，不僅取

22、決于物體的大小，還取決于該物體到眼睛的距離，距離越近視角越大,若在近處觀察細(xì)小物體其視角小于人眼極限分辨角,就需要借助放大鏡或顯微鏡將其放大，使像的視角大于人眼的極限分辨角,§9-4 放大鏡和顯微鏡的工作原理 (§3-2),放大鏡的放大率,眼睛通過(guò)放大鏡或顯微鏡等目視光學(xué)儀器來(lái)觀察物體時(shí)，所看到的是在物體通過(guò)光學(xué)儀器成的像的大小。,放大鏡的放大率為：,通過(guò)放大鏡

23、觀察物體時(shí)，其放大率為視角放大率。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,y',y,A,B,A',B',F,F',,ω’,P',,,,,,,,,,,,-f,f ’,,,,,-x’,a’,虛像A′B′ 對(duì)眼睛所張的視角的正切為（主光線）,眼睛直接去觀察物體時(shí)，是將其放在明視距離250mm處。此時(shí)物體對(duì)人眼張角的正切為,放大鏡的放大率?？捎上率角蟮?將橫向放大率

24、 代入上式得,由此可見(jiàn)，放大鏡的視角放大率并非常數(shù)，與物與放大鏡的距離、眼睛離開(kāi)放大鏡的距離有關(guān)。,在實(shí)際使用過(guò)程中，眼瞳大致位于放大鏡的像方焦點(diǎn)的附近,上式分母中的a′相對(duì)于x′而言，是一個(gè)很小的值，可以略去。,放大鏡的放大率僅由放大鏡的焦距 f ′ 所決定，焦距越大則放大率越小。,放大鏡放大率的公式，通常采用以下形式,,放大鏡與眼睛聯(lián)用，鏡框?yàn)橐晥?chǎng)光闌，眼瞳為

25、孔徑光闌。視場(chǎng)內(nèi)有漸暈。,二、顯微鏡的工作原理,顯微系統(tǒng),工具顯微鏡,金相顯微鏡,生物顯微鏡,主要應(yīng)用于精密機(jī)構(gòu)制造工業(yè)等方面進(jìn)行精密測(cè)量,主要應(yīng)用于生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、農(nóng)學(xué)等方面,主要應(yīng)用于冶金和機(jī)械制造工業(yè)，觀察研究金相組織結(jié)構(gòu),,世界上第一臺(tái)顯微鏡是荷蘭眼鏡商詹森（Hans Janssen）（左圖）在1604年發(fā)明的。（右圖）,1665年，英國(guó)的物理學(xué)家羅伯特·胡克（Robert Hooke, 1635～1703）（左圖）用自

26、己設(shè)計(jì)并制造的顯微鏡（右圖）第一次發(fā)現(xiàn)細(xì)胞。,1674年，荷蘭布商列文·虎克(Antonie van Leeuwenhoek,1632～1723) 為了檢查布的質(zhì)量，親自磨制透鏡，裝配了高倍顯微鏡（300倍左右），并觀察到了血細(xì)胞、池塘水滴中的原生動(dòng)物、人類和哺乳類動(dòng)物的細(xì)胞，這是人類第一次觀察到完整的活細(xì)胞。,顯微鏡是人眼的輔助工具，顯微鏡的光學(xué)系統(tǒng)由物鏡和目鏡兩個(gè)部分組成。,夜光蟲(chóng),太陽(yáng)蟲(chóng),顯微鏡下美麗的冰晶,1.顯微鏡系

27、統(tǒng)成像原理,此像在經(jīng)目鏡放大為虛像A”B” 后供眼睛觀察。目鏡和放大鏡起著同樣的作用,,,,,,物鏡,目鏡,,F1,F1’,F2,,B,A,,,,,A’,B’,,,,,,,,,,A”,B”,A’B’ 位于目鏡的物方焦點(diǎn) F2 上或在很靠近 F2 的位置上,,,,,,,物鏡,目鏡,,F1,F1’,F2,,B,A,,,,,A’,B’,,,,,,,,,,A”,B”,,目鏡的物方焦點(diǎn)與物鏡像方焦點(diǎn)的距離為Δ（物鏡和目鏡的光學(xué)間隔），在顯微鏡系統(tǒng)

28、中稱為光學(xué)筒長(zhǎng),設(shè)物鏡的焦距為f1′,則物鏡的放大率為,物鏡的像被目鏡放大，其放大率為,物體經(jīng)過(guò)物鏡和目鏡的兩次放大，所以顯微鏡系統(tǒng)總的放大率Γ應(yīng)該是物鏡橫向放大率β和目鏡視角放大率Γe的乘積。,可見(jiàn)顯微鏡系統(tǒng)的放大率與光學(xué)筒長(zhǎng)Δ成正比，和物鏡及目鏡的焦距成反比。,式中： f2' 為目鏡的焦距。,根據(jù)組合光組的焦距公式可知，整個(gè)顯微鏡的總焦距 f ’ 和物鏡及目鏡焦距之間符合以下關(guān)系：,,,將其代入上式中，則有,顯微鏡系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上

29、不就是個(gè)放大鏡么！,在顯微鏡系統(tǒng)中存在著中間像，故可以在物鏡的實(shí)像平面上放置分劃板，對(duì)被觀察物體進(jìn)行測(cè)量，并且在該處還可以設(shè)置視場(chǎng)光闌以消除漸暈現(xiàn)象。,精密測(cè)量用的顯微系統(tǒng)與一般觀察顯微鏡對(duì)物鏡橫向放大率的要求不同。,對(duì)生物顯微鏡物鏡的放大倍數(shù)較高(10?~100?)，但其值的精度要求不高，相對(duì)誤差一般為?5%，,對(duì)工具顯微鏡物鏡放大倍數(shù)較低(1?~5?)，但其值的精度要求較高，相對(duì)誤差一般為?0.1%，物鏡的成像面上裝有分劃板。,19

30、JA型萬(wàn)能工具顯微鏡的光學(xué)系統(tǒng)圖。,可變光闌位于聚光鏡的物方焦平面上,孔徑光闌位于物鏡的像方焦平面上（形成了什么光路？）,物鏡有四種放大倍率：1x、1.5 x、3 x和5 x；目鏡的放大率為10 x,在顯微鏡中，取下顯微物鏡和目鏡后，所剩下的鏡筒長(zhǎng)度即物鏡支撐面到目鏡支撐面之間的距離稱為機(jī)械筒長(zhǎng)，用tm表示。,對(duì)于一臺(tái)顯微鏡來(lái)說(shuō)，機(jī)械筒長(zhǎng)是固定的，機(jī)械筒長(zhǎng)各國(guó)標(biāo)準(zhǔn)是不同的，有160mm，170mm和190mm 等。

31、 我國(guó)規(guī)定機(jī)械筒長(zhǎng)為160mm。,三、顯微鏡的景深,當(dāng)顯微鏡調(diào)焦至某一物平面（稱為對(duì)準(zhǔn)平面）時(shí)，如果位于其前后的物平面仍能被觀察者看清楚，則該兩平面之間的距離稱為顯微鏡的景深。,,,AB是對(duì)準(zhǔn)平面，A1B1是位于對(duì)準(zhǔn)平面之前的物平面， A2B2是位于對(duì)準(zhǔn)平面之后的物平面。,,,A’1點(diǎn)的成像光束在景象平面上截出直徑為z′的彌散斑，從圖中可得,因?yàn)閤’ >>dx’，有,A

32、′B′是對(duì)準(zhǔn)平面的像（稱之為景象平面），A1′B1′是位于對(duì)準(zhǔn)平面之前的物平面的像。,若要Z′看起來(lái)是一個(gè)點(diǎn)，它對(duì)出瞳中心的張角ε′必須不大于眼睛的極限分辨角。,2dx′可認(rèn)為是在像方能同時(shí)看清楚的景像平面前后兩個(gè)平面之間的深度，由于tgε’≈ε’，有,將2dx′換算到物空間去，即可得到顯微鏡景深的表達(dá)式。這只要將2dx′除以軸向放大率α即可。,,,,,根據(jù)有關(guān)公式有,由此可得,由上式可見(jiàn)，顯微鏡的放大率越高、數(shù)值孔徑越大，景深越小。,

33、也可表示為,,-u,四、顯微鏡的分辨率和有效放大率,無(wú)窮遠(yuǎn)自身發(fā)光的物點(diǎn)，在透鏡焦平面上所成的像不是幾何點(diǎn)，而是一個(gè)由一系列光環(huán)組成的衍射圖樣。,1：顯微鏡的分辨率,其圖樣的光環(huán)能量分布曲線見(jiàn)圖所示。,中央亮斑稱為艾里斑其半徑為,其上集中了總能量的83%左右,接著是第一級(jí)暗環(huán)然后是第一級(jí)亮環(huán)，其能量是總能量的7%左右；,λ：光波波長(zhǎng)，用白光照明時(shí)，一般取λ=0.5μm,一般光學(xué)儀器成像，可以看成圓孔衍射。由于衍射現(xiàn)象，會(huì)使圖像邊緣變得模

34、糊不清，使圖像分辨率下降。,（1）    兩個(gè)點(diǎn)光源相距較遠(yuǎn)，能分辨。,（2）兩艾里斑中心距離為艾里斑的半徑時(shí)，恰能分辨。,θ0稱為最小分辨角,（3）當(dāng)θ<θ0時(shí)，不能分辨。,我們將兩艾里斑中心距離為艾里斑的半徑或θ=θ0時(shí)，恰能分辨像點(diǎn)的情況稱為瑞利判據(jù)。,D為入瞳直徑，這里為透鏡直徑,又定義：,為儀器分辨率,光學(xué)鏡頭入瞳直徑越大，分辨率越高。入射光波長(zhǎng)越短，分辨率越高。,根據(jù)瑞利判據(jù)的另外一種表述

35、，顯微鏡分辨率以能分辨的物方兩點(diǎn)間最短距離?表示：,光學(xué)鏡頭的數(shù)值孔徑越大，分辨率越高。入射光波長(zhǎng)越短，分辨率越高。,可見(jiàn)，顯微鏡作為光學(xué)系統(tǒng)，其分辨本領(lǐng)取決于所用照明光的波長(zhǎng)和物鏡的數(shù)值孔徑。,注意：顯微鏡的分辨率只與物鏡的數(shù)值孔徑有關(guān)，與目鏡無(wú)關(guān)，即使目鏡的放大率很高，由于它只是放大物鏡所成的像，因此它不能分辨物鏡所不能分辨的細(xì)節(jié)。,提高顯微鏡分辨本領(lǐng)的途徑：,①使用波長(zhǎng)短的光照明；,②加大物鏡的數(shù)值孔徑。,在鏡頭口徑不能太大的情況

36、下，可以提高物方折射率。,電子顯微鏡放大率60~80萬(wàn)倍，有效分辨率可達(dá)0.2nm,光學(xué)顯微鏡系統(tǒng)，最大放大倍數(shù)在1000~1500倍，超不過(guò)2000倍。目前光學(xué)顯微鏡系統(tǒng)的最高分辨本領(lǐng)可達(dá)0.2?m。,2：總放大率的確定,總放大率的確定原則：顯微系統(tǒng)能分辨的細(xì)節(jié)也應(yīng)能被接收器所分辨(對(duì)顯微系統(tǒng)而言，其接收器是人眼) 。,?接是接收器的分辨本領(lǐng)， ?是顯微系統(tǒng)分辨本領(lǐng)。,便于眼睛分辨的角度為2′~ 4′，則在明視距離250mm處能分辨

37、開(kāi)兩點(diǎn)之間的距離σ′為 ：,換算到顯微鏡的物方,設(shè)所使用照明光的波長(zhǎng)為550nm,稱為有效放大率,當(dāng),時(shí)，物鏡分辨能力沒(méi)有被充分利用,時(shí)，為無(wú)效放大,五、顯微系統(tǒng)的線視場(chǎng),其視場(chǎng)的大小用能看到的物方直徑表示，稱為物方線視場(chǎng)（簡(jiǎn)稱為線視場(chǎng)）。,線視場(chǎng)的大小與顯微系統(tǒng)放大率、數(shù)值孔徑NA以及結(jié)構(gòu)尺寸有關(guān)。,線視場(chǎng)是顯微系統(tǒng)光學(xué)性能之一。,物方線視場(chǎng)實(shí)際上就是系統(tǒng)的入窗。,顯微系統(tǒng)是用來(lái)觀察、分辨物體的細(xì)節(jié)（生物顯微鏡）或瞄準(zhǔn)（工具顯微鏡）的

38、。,要求視場(chǎng)內(nèi)的照度適宜、均勻、成像清晰、沒(méi)有漸暈，雜散光的干擾小,視場(chǎng)光闌應(yīng)安放在物鏡像平面處。,不同的顯微系統(tǒng)其孔徑光闌的位置也不同,生物顯微鏡的孔徑光闌就是物鏡框（軸上點(diǎn)成像）,工具顯微鏡孔徑光闌放在物鏡像方焦平面上構(gòu)成物方遠(yuǎn)心光路,使用顯微系統(tǒng)過(guò)程中，要求能方便更換物鏡和目鏡,同時(shí)，也要求一次調(diào)焦清晰后，在更換不同倍率的物鏡或目鏡時(shí)，不需要二次調(diào)焦。,即視場(chǎng)中心物象位置關(guān)系不發(fā)生變動(dòng),更換物鏡并能基本保持成像清晰是采用不同倍率物

39、鏡的物像共軛加上主面之間的距離相等的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)的，被稱為齊焦 。,更換物鏡的倍率（1X、1.5X、3X、5X），物方線視場(chǎng)的大小也隨之改變（21mm、14mm、7mm、4.2mm）,六、物鏡和目鏡,,1：物鏡概述,,,,,物鏡的工作距離：物鏡第一面頂點(diǎn)到物體之間的距離。,一般情況下，物鏡倍率越高，工作距離越小。,物鏡參數(shù)有以下關(guān)系式：,放大率,共軛距,結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度,如果物鏡為薄透鏡，可以不考慮HH’,焦距,數(shù)值孔徑,線視場(chǎng),顯微物鏡的特點(diǎn)：

40、大數(shù)值孔徑，小視場(chǎng)，短焦距。,顯微物鏡的主要用來(lái)觀察或測(cè)量，將近處微小物體放大到足夠大并且分辨清楚細(xì)節(jié)，就是顯微鏡的主要用途。,問(wèn)題：存在像差和色差，簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)物鏡無(wú)法克服。,那咋整？,顯微物鏡根據(jù)用途不同分為：,(1). 消色差顯微物鏡,2：物鏡分類,為了提高分辨率，物鏡的數(shù)值孔徑比較大。其結(jié)構(gòu)隨著數(shù)值孔徑的增大而趨向復(fù)雜。,只需校正軸上點(diǎn)球差和色差即可，邊緣像質(zhì)較差。但由于其視場(chǎng)很小，故能滿足一般的使用要求。,普通顯微物鏡大多數(shù)屬于消

41、色差型,按數(shù)值孔徑NA的大小有四種型式,a、雙膠合型 β=1~5x NA=0.1~0.15,b、李斯特型 （Leister） β=10~25x NA=0.22~0.40,3、阿米西型（Amici） β=40x NA=0.40~0.65,4、阿貝油浸型 β=90~100x NA=1.25~1.40,目的：提高數(shù)值孔徑。,(2).復(fù)消色差物鏡,嚴(yán)格校正軸上點(diǎn)像差和色差，同時(shí)還要校正二級(jí)光譜色差。主要用于研究用顯微鏡和顯微照相中。

42、,螢石,(3).平場(chǎng)消色差物鏡,b、中倍 β=10x NA=0.22,c、高倍 β=40x NA=0. 0.65,d、高倍 β=63x NA=0.85,a、低倍 β=4x NA=0.1,嚴(yán)格地校正像面彎曲，主要用于顯微照相和顯微投影。,40X平場(chǎng)復(fù)消色差顯微物鏡,(4).平場(chǎng)復(fù)消色差物鏡,在校正像面彎曲的同時(shí)，要校正二級(jí)光譜。,精密測(cè)量中的顯微鏡，使用高倍物鏡的不多。一般均采用低倍和中倍物鏡；但要求平像場(chǎng)；,所以與同倍其

43、它物鏡相比，其結(jié)構(gòu)形式比較復(fù)雜。,下圖是工具顯微鏡1X物鏡的兩種結(jié)構(gòu)。視場(chǎng)20mm，工作距離80mm，數(shù)值孔徑0.03。,孔徑光闌,,,工具顯微鏡要求有較大的視場(chǎng)和工作距，以容納有一定高度的工件,孔徑光闌,下圖是工具顯微鏡3X物鏡的結(jié)構(gòu)。視場(chǎng)為6.7mm，工作距離80mm，數(shù)值孔徑0.09。,,下圖是工具顯微鏡10X物鏡的結(jié)構(gòu)。視場(chǎng)2mm，工作距離20mm，數(shù)值孔徑0.16。,下圖是工具顯微鏡40X物鏡的結(jié)構(gòu)。視場(chǎng)0.5mm，工作距離1

44、0.5mm，數(shù)值孔徑0.35。,孔徑光闌,,孔徑光闌,,3：目鏡概述,目鏡的作用：對(duì)物鏡成的像再次放大。,顯微鏡的出瞳在目鏡之后的一定位置上，觀察時(shí)，眼睛放在出瞳處。,在選用或設(shè)計(jì)顯微目鏡時(shí)所考慮的主要光學(xué)性能：,(1)視場(chǎng)角(像方視場(chǎng)角)2?'：,總的來(lái)說(shuō)視場(chǎng)大的一般在40?~50 ?左右，小的到30 ? ，廣角目鏡可達(dá)120 ?,(2)焦距,一般20~30mm，小的可到4mm，大的可到50mm 。焦距過(guò)短：出瞳距小，人眼不易

45、與出瞳重合。焦距過(guò)長(zhǎng)：為保證一定的視場(chǎng)角，要加大目鏡口徑。,,,,,,,,,,f’目,(3)出瞳距P'：,一般在8mm左右，不得小于6mm，最長(zhǎng)可達(dá)100mm,,,,,,,,,,f’目,(4)相對(duì)孔徑,(5)放大率,目鏡前片頂點(diǎn)到目鏡物方焦點(diǎn)的距離。要保證目鏡在調(diào)焦中不能碰到分劃板。,攝影目鏡,觀察目鏡,約1/3~1/15,(6)工作距離,由于觀察者視力差異，目鏡應(yīng)能進(jìn)行視度調(diào)節(jié)。,總之，目鏡是一個(gè)出瞳在外的短焦距小孔徑大視場(chǎng)

46、系統(tǒng)，同時(shí)對(duì)工作距均有一定的要求。主要考慮的像差是軸外像差(像散、場(chǎng)曲、倍率色差、畸變等),設(shè)觀察者視力調(diào)節(jié)為N視度，則目鏡軸向移動(dòng)距離為：,視場(chǎng)角與視場(chǎng)光闌的關(guān)系可以表示為：,在設(shè)計(jì)目鏡時(shí)要求 lF ＞△x,N≤5m-1,目鏡的視場(chǎng)光闌在物方焦平面，即分劃板上。通常為φ18~25mm。,4：目鏡的分類,根據(jù)顯微鏡用途不同，目鏡分為：,普通目鏡,平場(chǎng)補(bǔ)償目鏡,攝像目鏡,⑴惠更斯目鏡由兩塊平凸透鏡組成，其間隔為d。,場(chǎng)鏡所產(chǎn)生的軸外像差很

47、大，很難予以補(bǔ)償。所以該目鏡結(jié)構(gòu)不宜在視場(chǎng)光闌平面上設(shè)置分劃板，因此惠更斯目鏡不宜用在測(cè)量?jī)x器中。,場(chǎng)鏡,接目鏡,物鏡像面,視場(chǎng)光闌,接目鏡物方焦平面,出射光瞳（眼瞳）,⑵冉斯登目鏡由兩塊凸面相對(duì)的平凸透鏡組成，其間隔d 小于惠更斯目鏡兩透鏡的間距。,在成像質(zhì)量上，冉斯登目鏡的間隔小，冉斯登目鏡的場(chǎng)曲小于惠更斯目鏡的場(chǎng)曲。,⑶對(duì)稱式目鏡,對(duì)稱式目鏡是應(yīng)用非常廣泛的中等視場(chǎng)目鏡。,它由兩個(gè)雙膠合鏡組構(gòu)成。,⑷廣角目鏡,廣角目鏡是為適應(yīng)大視

48、場(chǎng)系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的。,由于視場(chǎng)角增大，場(chǎng)曲也隨之增大。,為了保證像差的要求，目鏡的結(jié)構(gòu)必然復(fù)雜化，通常增加正透鏡組的數(shù)目，使光焦度分散。,下圖是兩種視場(chǎng)在60°以上的廣角目鏡，接目鏡用兩塊透鏡代替。,I 型,出瞳,II 型,出瞳,顯微鏡的照明系統(tǒng),顯微鏡的照明方法按其照明光束的形成，可分為“透射式照明”和“落射式照明”兩大類。,前者適用于透明或半透明的被檢物體，絕大數(shù)生物顯微鏡屬于此類照明法；,后者則適用于非透明的被檢物體，光源來(lái)

49、自上方，又稱“反射式或落射式照明。主要應(yīng)用與金相顯微鏡或熒光鏡檢法。,(一)照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則,照明系統(tǒng)要滿足以下要求：,1）保證有足夠的光能；,2）有足夠的照明范圍和均勻的亮度；,3）照明光束應(yīng)充滿物鏡的入瞳；,5）滿足儀器尺寸布局要求；,4）盡可能減少雜光進(jìn)入物鏡，以免降低像面的對(duì)比度；,根據(jù)上述要求，照明系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上應(yīng)滿足以下兩個(gè)原則：,1、光孔轉(zhuǎn)接原則,設(shè)照明系統(tǒng)的入瞳位置為光源的位置，則照明系統(tǒng)的出瞳應(yīng)與物鏡的入瞳重合；否則照

50、明光束不能充分利用（見(jiàn)圖）。,2、照明系統(tǒng)的拉赫不變量應(yīng)大于或等于物鏡的拉赫不變量，即,（二）透射式照明,1、直接照明,即利用自然光或燈泡直接照明。,在顯微鏡下部安放平面或者凹面反射鏡，反射鏡框起孔徑光闌作用。,保持一定的數(shù)值孔徑,縮小光源面積,減小電消耗,利用凹面反射鏡與用平面反射鏡相比，優(yōu)點(diǎn)為：,2：臨界照明,定義：光源發(fā)光面通過(guò)聚光鏡成像在物面上或其附近的照明方式。,特點(diǎn)：,⑴照明系統(tǒng)的視場(chǎng)光闌在光源的位置。,⑵照明系統(tǒng)的孔徑光闌

51、在聚光鏡或附近。,⑶物面視場(chǎng)范圍內(nèi)有最大亮度，沒(méi)有雜光。,缺點(diǎn)：,⑴光源亮度不均勻性直接反映在物面上。,⑵不滿足光孔轉(zhuǎn)接原則。,即：聚光鏡出瞳與物鏡的入瞳位置不重合。,應(yīng)用：電影放映機(jī)大多采用這種照明方式，讀數(shù)顯微鏡中刻線尺或度盤(pán)的照明也常采用。,3：柯勒照明,目的：克服臨界照明不均勻的特點(diǎn).,結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：,⑴發(fā)光面(光源)經(jīng)集光鏡成實(shí)像。,缺點(diǎn)：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，光能損失大。,（2）集光鏡框或其后面附近可安放可變的視場(chǎng)光闌，控制照明視場(chǎng)的大

52、小，避免雜光射入物鏡。,柯勒照明可分為非遠(yuǎn)心照明和遠(yuǎn)心照明。,遠(yuǎn)心柯勒照明特點(diǎn)：,孔徑光闌位于聚光鏡的物方焦面上，組成像方遠(yuǎn)心光路；視場(chǎng)光闌的位置根據(jù)需要選定,集光鏡,視場(chǎng)光闌,孔徑光闌,聚光鏡,物面,觀察時(shí)，可改變聚光鏡孔徑光闌的大小，使光源充滿不同物鏡的入射光瞳，而使聚光鏡的數(shù)值孔徑與物鏡的數(shù)值孔徑匹配。同時(shí)改變視場(chǎng)光闌的大小可控制照明范圍。此外，這種照明的熱源遠(yuǎn)離被檢物體的平面，即使長(zhǎng)時(shí)間的照明，也不致?lián)p傷被檢物體。,應(yīng)用：要求像