1、眼睛的分辨角我们的眼睛要能很好的分辨细节，就必须使细节对眼睛的视角比眼睛的极限分辨角大。在照明充足的条件下，人眼的极限分辨角一般为 1。如果照明条件不好，或者眼睛能舒适的观察的情况下，则一般物体对人眼睛的分辨角为 2一 4物体对眼睛视角与物体到眼睛的距离有以下关系，如图:2.1图 2.1 中物体大小一定时，当物体距离眼睛越近，物体对眼睛的视角越大。AB 与A尸高度一样，物体 AB 距离人眼较远，对人眼张角为只，才 B物体距离人眼睛比较近，对人眼张角为久，很明显，典拭，物体距离人眼越近，物体对眼睛的张角越大，但是物体距离人眼也不能无限近，必须位于眼睛的近点之外，才能被看清。正常人眼的近点距离一般
2、是 250Inm 左右，所以当物体位于最近距离而其对眼睛的视角还小于极限分辨角 1时，则必须借助放大镜或者显微镜使其分辨角大于极限分辨角，人眼才能看清楚物体的细微结构。视放大率由于眼睛作为接收单位，所以通过光学仪器来观察物体时，仪器的放大作用不能使用高斯理论中的光学系统本身的放大率刀来表示。此时有意义的是物体经过眼睛在是视网膜上所成像的大小。所以目视系统的放大率是:通过光学系统观察物体时，所成的像对眼睛所成张角的正切，以 tgW来表示，其与眼睛直接观察物体时，物体对眼睛所张角度的正切 tgW 之比。称做视放大率 f4 。我们这里用 r 来表示视觉放大率。即: 下面以单个放大镜为例，说明视放大率
3、的概念。如图 2.2 是物体经过放大镜的光路图:物体 AB 位于放大镜物方焦点附近，设 AB=y，其放大虚象 AB=y，对眼睛张角的正切为:从图中，我们可以得到:由高斯公式:将式(2.4)变形后代入式(2.3) 我们得到:再把式(2.5)代入式(2.2) 得到如果我们用眼睛直接观察，物体对人眼睛的张角为:根据前面对视觉放大率的定义，我们可以得到，视觉放大率为上式中，一 l+f，+ 乃是眼瞳到观察物体的距离，这里我们用 D 表示该距离，f+乃是眼瞳到放大镜的距离，我们用 S 来表示，8) 改写成如下形式:当物体在无穷远处时，正常人眼是处于放松状态，所以，当借助放大镜观察时，一般会使物体成像在无穷
4、远处，使眼睛处于最舒服。这时，矛=ao，上面的式子可以简化为:有时人眼为了能观察到更细微的结构，则调整放大镜与物体之间的距离，使物体经过放大镜成像在距离人眼睛 25OInln 处，即眼睛的明视距离，这时能最大限度的使用放大镜观察物体的细微结构。取 D=250，上式可写成:上面这个式子，我们称其为放大镜的视放大率。视放大率仅仅决定于放大镜的焦距。2.1.3 视度调节正常人的眼睛在没有调节的自然状态下，无限远物体所成的象正好位于网膜上。近视眼的人对无穷远物体的成像点则位于网膜前方，所以近视眼不能看清无穷远物体，而只能看清一定距离的物体。为了能看清远处的物体，就要求从目视光学仪器的目镜射出的光束是发
5、放光束:而对于远视眼，在自然状态下对无穷远物体成像点位于视网膜的后方，因此，为便于远视眼接受，则要求从目视光学仪器射出的光束为会聚光束。图 2.3 是近视眼和远视眼裸视无穷远是光线的会聚情况。目视光学仪器为了适应视力不同的人使用，是利用改变目镜的前后位置使仪器所成的象，位于前方、位于无穷远和位于后方的一定距离上来适应近视眼、正常眼和远视眼的需要的。目视光学仪器的目镜前后移动的过程就叫做目视光学仪器的视度凋节5由目视光学仪器目镜射出的光束对出射光瞳的会聚度，称为目视光学仪器的视度，通常用 N 表示。用非正常眼远点距离的倒数 (R 一与表示近视或远视眼的程度，称为视度。若远点距离的单位为米，则视度
6、的单位为折光度。例如远点距离尹=0.5m的近视眼，其近视的程度为一 2 光折度。(医院和眼镜店通常把 1 个折光度6作为100度。一 2 折光度就是 200 度)，图 2.4 是使用眼镜对近视和远视眼进行矫正的原理。对于近视眼必须将仪器的目镜向里调，由目视光学仪器物镜成的象必然落在目镜前焦面以内，所以由目镜射出的光束是发散光束，相当于近视眼戴上了一块负透镜的眼镜，以适合近视眼观察。对远视眼，就必须将目镜往外调，以使物镜所成的象落在目镜的前焦面以外，这样由目镜射出的光束是会聚光束，其作用与远视眼戴上正透镜的眼镜一样。可见，不同视力的人眼对物镜成像光线有不同的要求。由于这个原因，使得目镜系统必须有
7、一定的工作距离以便调节适应不同视力的人眼。目镜概论工程硕士学位论文是出射光瞳，它限制成象光束的孔径。其通过放大镜的共扼象为入射光瞳。可在物或象平面设有视场光阑。放大镜本身是渐晕光阐又是入射窗和出射窗。因为有渐晕存在，在线渐晕系数为零处，即 BZ 点，限定了可见视场。图 2.5 放大镜系统的光阑2.2 放大镜的孔径光阑和视场光阑目镜系统从原理上一说其实就是一个复杂化的放大镜，所以了解其特点可以先从最简单的单片式放大镜的原理说起。由单透镜构成的低倍放大镜，其光束限制的问题往往和眼瞳结合起来考虑。人的眼瞳作为这个光学系统的一个光孔。系统中有两个光孔:放大镜的镜框，设直径是 Za;眼睛的瞳孔，设直径是
8、 2 口。这个时候眼瞳是整个系统的出瞳，就是孔径光阑。另外，因为整个系统中只有两个光孔，所以另一个光孔，就是放大镜框，所以它本身必然起着限制视场的作用，充当了系统中视场光阑的作用。同时，也是入射窗和出射窗。由于系统的入射窗于物平面不重合，所以，该系统必定会有渐晕的现象。物平面上成像范围(线视场的大小)，与放大镜框，眼瞳直径，以及它们之间的距离所决定。如图 2.5 所示。物平面置于放大镜的前焦面附近，眼睛处于放大镜的后焦面附近，假设在眼球光轴和放大镜光轴处于共线的情况下来考虑的。此时眼瞳是孔径光阑，也是出射光瞳，它限制成象光束的孔径。其通过放大镜的共扼象为入射光瞳。可在物或象平面设有视场光阑。放
9、大镜本身是渐晕光阐又是入射窗和出射窗。因为有渐晕存在，在线渐晕系数为零处，即 BZ 点，限定了可见视场。图 2.5 放大镜系统的光阑。其中，角度为 2 记，的视场内没有渐晕，在这个范围内每点均以充满眼瞳的全光束成像7 ，由 2w所决定的 50%的则是有渐晕的视场。 ，而由 2w2 所决定的则是放大镜所可能成像的最大视场。由上图我们可以得出，三种情况的视场与镜头参数的关系如下:公式中可以看出，放大镜镜框的直径与视场成正比，眼睛与放大镜距离与视场成正比。我们用物平面上的圆的直径或者线视场 2Y8来表示视场的大小。当物平面位于放大镜的物方焦点上时，此时，像平面必定在无限远处.如下图 2.7 所示:公
10、式中可以看出，放大镜的视放大率与视场成反比。显微镜的光学原理2.1 折射和折射率光线在均匀的各向同性介质中，两点之间以直线传播，当通过不同密度介质的透明物体时，则发生折射现象，这是由于光在不同介质的传播速度不同造成的。2.2 凸透镜的五种成象规律(1) 当物体位于透镜物方二倍焦距以外时，则在象方二倍焦距以内、焦点以外形成缩小 倒立实象；(2) 当物体位于透镜物方二倍焦距上时，则在象方二倍焦距上形成同样大小的倒立实象；(3) 当物体位于透镜物方二倍焦距以内，焦点以外时，则在象方二倍焦距以外形成放的倒立实象；(4) 当物体位于透镜物方焦点上时，则象方不能成象；(5) 当物体位于透镜物方焦点以内时，
11、则象方也无象的形成，而在透镜物方的同侧比物体远的位置形成放大的直立虚象。2.3 显微镜的成像原理普通光学显微镜的构造主要分为 3 部分: 机械部分、照明部分和光学部分, 显微镜的光学部分是由物镜和目镜两个凸透镜组成的. 如图 1 所示,当待测物体 A B 放在物镜 Lo 焦点外侧时, 在物镜 Lo 后所成的实像 A1 B1 恰在目镜 Le 焦点内侧靠近焦点处, 经目镜再次放大成一虚像 A2 B2 . 这样观察者看到的是经两次放大后的倒立的虚像, 这就是显微镜放大成像的基本过程.图 1 普通光学显微镜成像原理图对于一个成品显微镜来说, 我们需要应用一些光学技术参数来描述它的工作性能, 其中一个重
12、要的参数就是显微镜的放大率 M, 它可以描述显微镜的放大本领 . 利用几何关系, 可以计算得到它的放大率 M 约为 5式( 1) 中, D 是明视距离 ; = L - f e- f o , 称为显微镜的光学距离; L 是显微镜的镜筒长; f e、f o 分别是物镜和目镜的焦距; e , o 分别是目镜和物镜的放大率.普通光学显微镜虽然实现了放大物体的目的, 但是由于它所成的像是倒立的 , 因此, 在实际操作过程中会不方便, 主要是不符合人们的一般习惯, 比如说在操作过程中定位所观察的标本时,操作的过程会和观察者看到的方向相反, 对于没有经过长时间训练的操作者或者不常使用显微镜的观察者来说会产生
13、很多不必要的麻烦,为了解决这一问题, 我们设计了成正立像的光学显微镜.显微镜和放大镜起着同样的作用，就是把近处的微小物体成一放大的像，以供人眼观察。只是显微镜比放大镜可以具有更高的放大率而已。物体位于物镜前方，离开物镜的距离大于物镜的焦距，但小于两倍物镜焦距。所以，它经物镜以后，必然形成一个倒立的放大的实像 AB。 AB靠近 F2 的位置上。再经目镜放大为虚像 AB后供眼睛观察。目镜的作用与放大镜一样。所不同的只是眼睛通过目镜所看到的不是物体本身，而是物体被物镜所成的已经放大了一次的像。 一、显微镜光学系统及其放大率 显微镜是由物镜和目镜组成（图 1.3） 。物镜先将物体 AB 形成一个倒立的
14、放大的实像AB，此像成在目镜的焦面内侧附近。然后通过目镜又形成一个放大的虚像 A“B“，按人眼观看物体的习惯，此虚像成在眼睛的明视距离处。由光学理论知道，显微镜的放大率是由物镜的放大率 （或称为放大倍数、线放大率、垂轴放大率）乘以目镜的视角放大率 。这里请注意 与 的区别。：光学筒长，物镜后焦点到目镜前焦点之间的距离。式（1.4）中 x为焦像距，物镜后焦点到像点之间的距离。显微物镜将像成在目镜前焦点附近，x 近似等于（见图 1.3） 。式（1.6）中的“- ”表示所成的像是倒立的。二、显微镜的机械筒长和光学筒长绝大多数显微镜的物镜和目镜各有数个组成一套，以便通过调换获得各种放大率。物镜的放大率
15、通常有：3、10、40 和 100 倍，目镜：6、10 和 16 倍。为了使用方便，多个物镜组装在一个可旋转的盘上，而目镜采用分个插入式。取下物镜和目镜所剩的镜筒壳，其长度称为机械筒长。为了能使物镜通用，我国规定显微镜的机械筒长为 160mm 和无穷大二种。适用机械筒长无穷大的物镜意味经物镜折射后的光线是平行光。光学筒长 为物镜后焦点到目镜前焦点之间的距离，此数据在式（1.4）中得到应用。物镜的物平面到像平面之间距离称为共轭距, 我国规定为 T=195mm。通常，显微物镜的放大率、数值孔径、机械筒长和所用盖玻片的厚度等 4 个数值标注在物镜的镜筒外壳上。例如某一物镜标注如下数据：40/0.65
16、 、 160/0.17，其含义是：物镜的放大率 40 倍、数值孔径 0.65，适用于机械筒长 160mm 的显微镜中，所用盖玻片的厚度为 0.17mm。三、物镜基本类型由于光学系统会产生各种像差，所以物镜与目镜大采用多片镜片组成来校正像差，以保证对成像质量的要求。像差分二类 7 种，它们是单色光类：球差、慧差、像散、场曲（像面弯曲）和畸变；复色光类：位置色差和倍率色差。根据显微物镜校正像差的情况不同，在通常消除球差和慧差等基本像差情况下，以消除色差和场曲的程度再分为消色差物镜、复消色差物镜和平视场物镜。消色差物镜是应用最广泛的一类显微物镜，它的特点是对红色光和蓝色光消除色差。 复消色差物镜主要
17、用于科学研究用显微镜及显微照相中，它的特点是对红色光、蓝色光及黄色光三种色光消除色差。平视场物镜是严格要求校正像面弯曲，使成像平面平直。2物镜的标志（1）物镜类别国产物镜，用物镜类别的汉语拼音字头标注，如平面消色差物镜标以“PC。西欧各国产物镜多标有物镜类别的英文名称或字头，如平面消色差物镜标以 “Planarchromatic 或 Pl”， 消色差物镜标以“Achromatic”，复消色差物镜标以 “Apochromatic” 。（2）物镜的放大倍数和数值孔径标在镜筒中央位置，并以斜线分开，如 10X/0.30， 45X/0.63，斜线前如 10X，45X 为放大倍数，其后为物镜的数值孔径如
18、 0.30，0.63。（3）适用的机械镜筒长度如 170，190，/0，表示机械镜筒长度（即物镜座面到目镜筒顶面的距离）为 170，190，无限长。0 表示无盖波片。（4）油浸物镜标有特别标注，刻以 HI,oil，国产物镜标有油或 Y。物镜的标志如图 7 所示。3目镜的类型目镜的作用是将物镜放大的象再次放大，在观察时于明视距离处形成一个放大的虚象，而在显微摄影时，通过投影目镜在承影屏上形成一个放大的实象。按象差分类的常用的几种物镜如下：（1）消色差及平面消色差物镜消色差物镜对象差的校正仅为黄、绿两个波区，使用时宜以黄绿光作为照明光源，或在入射光路中插入黄绿色滤色片，以使象差大为减少，图象更为清
19、晰。而平面消色差物镜还对象域弯曲进行了校正，使图象平直，边缘与中心能同时清晰成象。适用于金相显微摄影。（2）复消色差及平面复消色差物镜复消色差物镜色差的校正包括可见光的全部范围，但部分放大率色差仍然存在。而平面复消色差物镜还进一步作了象域弯曲的校正。（3）半复消色差物镜象差校正介于消色差和复消色差物镜之间，其它光学性质与复消色差物镜接近。但价格低廉，常用来代替复消色差物镜。Achromatic40X/0.65170（a） （b）图 7 物镜的性能标志（a）国产物镜 （b）Zeiss 公司物镜PC平场 Achromatic消色差10X放大倍数 40X放大倍数 0.30数值孔径 0.65数值孔径机械镜筒长度 170机械镜筒长度0无盖波片PC10X/0.30/0
