光学仪器的基本原理_教学课件.pdf

第二章 光学仪器的基本原理第二章 光学仪器的基本原理?摘要、教学要求、教学重点?*2-1 光阑（STOP）?*22、像差（aberation）?23 眼睛及校正?24、助视光学仪器?25、投影仪器26、分光仪器?27、光度学基础?*28、色度学基础例题下一页第二章 光学仪器的基本原理第二章 光学仪器的基本原理?摘要：摘要：?简单讨论光阑、像差、眼睛、助视光学仪器、光度学、色度学的基本概念。?教学要求：教学要求：?（1）了解光阑的概念及物理意义和确定方法。?（2）了解象差的概念及产生的原因，特别是球差和色差。?（3）了解眼睛的构造，掌握非正常眼的校正方法。?（4）掌握助视光学仪器的光学系统结构及放大本领的确定和物理意义。?（5）了解物镜的聚光本领的物理意义。?（6）了解光学度学的基本概念及单位。?（7）了解色度学的基本概念及简单应用。上一页下一页返回第二章目录引言一、光学仪器需要解决的矛盾：影响象的清晰度的因素影响象的清晰度的因素色差（色散）色差（色散）象差（非近轴区域光束）象差（非近轴区域光束）衍射（光束受近轴区域约束）衍射（光束受近轴区域约束）影响象场能量聚集程度影响象场能量聚集程度物体限于近轴范围物体限于近轴范围光束限于近轴区域光束限于近轴区域?放大本领?聚光本领?分辩本领二、光学仪器的指标二、光学仪器的指标第二章 光学仪器的基本原理第二章 光学仪器的基本原理?几何光学中讨论了单色光照射及近轴条件下的理想成象系统。但实际光学仪器的使用中不一定满足单色光和近轴条件，因而形成色差和单色象差，从而影响成象的清晰度。上一页下一页返回第二章目录衡量光学仪器的质量必须考虑光学仪器的放大本领、聚光本领、分辨本领。其中分辨本领在光的衍射一章中已经讨论，聚光本领只作介绍，本章着重讨论放大本领。三、光学仪器的分类三、光学仪器的分类光学仪器：为了弥补人眼视觉的局限性和改善、扩展人眼视觉的要求，利用光学原理制成的仪器。光学仪器：为了弥补人眼视觉的局限性和改善、扩展人眼视觉的要求，利用光学原理制成的仪器。1、助视光学仪器：能直接帮助人眼观察近处微小物体或远处物体的光学仪器。（放大镜、显微镜、望远镜等）、助视光学仪器：能直接帮助人眼观察近处微小物体或远处物体的光学仪器。（放大镜、显微镜、望远镜等）2、投影光学仪器：能在屏幕上得到一个缩小或放大象的光学仪器。（照相机、幻灯机、投影仪、摄像机、电影放映机、印相放大机等）、投影光学仪器：能在屏幕上得到一个缩小或放大象的光学仪器。（照相机、幻灯机、投影仪、摄像机、电影放映机、印相放大机等）上一页下一页返回第二章目录3、分光光学仪器：能起分光作用的光学仪器。（棱镜、分光镜、摄谱仪、单色仪、光谱仪等）、分光光学仪器：能起分光作用的光学仪器。（棱镜、分光镜、摄谱仪、单色仪、光谱仪等）4、波动光学和量子光学仪器：利用波动光学和量子光学原理制成的光学仪器，有干涉仪、衍射仪、摄谱仪、偏振仪、旋光仪、激光器、光谱仪、单色仪等。、波动光学和量子光学仪器：利用波动光学和量子光学原理制成的光学仪器，有干涉仪、衍射仪、摄谱仪、偏振仪、旋光仪、激光器、光谱仪、单色仪等。*2-1 光阑（STOP）?一、光阑?凡能限制成象光束和成象范围的带孔的屏或光学器件的边缘、边框都称为光阑。上一页下一页返回第二章目录光阑有限制光束孔径和限制视场两方面的作用。它影响象的象差、象的亮暗、景深、分辨本领等。一个实际光学系统有多个光阑，但因其大小及位置不同它们的作用和性质也不同。分为孔径光阑(aperture stop)和视场光阑(field stop)。例题：两透镜组成的光学系统，间距和直径相同。1、物点在的之内时1L1FP2.物点 在 的之外时上一页下一页返回第二章目录P1FPP1FP1L2L1F1LP二、孔径光阑1、概念凡是对成象光束的截面积的大小（或立体角的大小）最起着限制作用的光阑称为孔径光阑。影响象的亮度、清晰度、景深等。上一页下一页返回第二章目录2、确定光学系统中每一个光阑都对它前面的光学系统成象，把所有这些象对轴上物点P所张的角进行比较，得最小张角所对应的光阑象，这个光阑象所对应的光阑就是此光学系统的孔径光阑（也称有效光阑）。上一页下一页返回第二章目录练习：通过作图确定孔径光阑PF1F 1F2F2光阑PF1F1F2F2光阑上一页下一页返回第二章目录PFF光阑上一页下一页返回第二章目录3、注意事项(1)孔径光阑随物点 的不同而不同，即孔径光阑是相对于某一指定的物点 而言的。上一页下一页返回第二章目录(2)对于光学系统最前面的光阑,它的象就是它的边缘.(3)对于单个透镜或球面,孔径光阑就是它的边缘,并且与物点的位置无关.PP三、入射光瞳和出射光瞳1、入射光瞳(entrance pupil)孔径光阑被它前面的光学系统(光具组)所成的象称为入射光瞳.入射光瞳对轴上物点所张的角的一半称为入射孔径角.入射光瞳限制入射光束的截面积或立体角的大小,超过入射光瞳的光线不能进入光学系统.入射光瞳随物点的不同而不同.上一页下一页返回第二章目录2、出射光瞳(exit pupil)孔径光阑被它后而面的光学系统所成的象称为出射光瞳.出射光瞳对轴上物点的象点所张的角的一半称为出射孔径角.出射光瞳限制成象光束的截面积或立体角的大小.进入光学系统的光束,要成象,必须通过出射光瞳.出射光瞳随物点的不同而不同.3、孔径光阑、入射光瞳、出射光瞳三者之间的关系孔径光阑和入射光瞳对于孔径光阑前面的光学系统是共轭的；孔径光阑和出射光瞳对于孔径光阑后面的光学系统是共轭的；入射光瞳和出射光瞳对于整个光学系统是共轭的。上一页下一页返回第二章目录上一页下一页返回第二章目录上一页下一页返回第二章目录上一页下一页返回第二章目录四、主光线、边缘光线1、主光线（chief ray）轴外物点发出的通过入射光瞳中心的光线称为主光线。特点：经过入射光瞳中心的主光线，经光学系统后主光线必通过孔径光阑（有效光阑）的中心，也必通过出射光瞳的中心。上一页下一页返回第二章目录2、边缘光线（marginal ray）轴上物点发出的入射光线沿入射光瞳的边缘入射，此光线称为边缘光线。特点：沿入射光瞳边缘入射的入射光线，经光学系统后，必通过孔径光阑的边缘，也必通过出射光瞳的边缘。上一页下一页返回第二章目录3 、主光线、边缘光线是入射光瞳、孔径光阑、出射光瞳相互共轭的结果。主光线、边缘光线对于给定的物点各只有一条，不同的物点主光线和边缘光线也不同。2、视场光阑的确定把光学系统中所有光阑都对它前面的光学系统成象，这些象对入射光瞳中心所张的角中最小的那个象所对应的光阑称为视场光阑。上一页下一页返回第二章目录五、视场光阑（field stop）1、概念对成象范围最起限制作用的光阑称为视场光阑。即最能限制通过光学系统的主光线的光阑。3、注意的问题(1)视场光阑随入射光瞳即孔径光阑也即物点的不同而不同.上一页下一页返回第二章目录(2)对于单透镜,入射光瞳、孔径光阑、出射光瞳、视场光阑、入射窗、出射窗就是透镜边缘.(3)孔径光阑和视场光阑是两个互不相干的光阑.如照相机的光阑是孔径光阑,成象的片框是视场光阑.六、入射窗、出射窗1、入射窗（entrance window）视场光阑被它前面的光学系统所成的象为入射窗。在入射光瞳中心看物体被入射窗所限制。2 出射窗（exit window）视场光阑被它后面的光学系统所成的象为出射窗。在出射光瞳中心看物体的象被出射窗所限制。上一页下一页返回第二章目录3、视场光阑、入射窗、出射窗之间的关系视场光阑和入射窗对视场光阑前面的光学系统是共轭的。视场光阑和出射窗对视场光阑后面的光学系统是共轭的。入射窗和出射窗对整个光学系统是共轭的。上一页下一页返回第二章目录上一页下一页返回第二章目录*22、像差（aberration）?一、概述?1、理想共轴光组的性能：?（1）物方每点发生的同心光束在像方仍保持为同心光束。?（2）垂直于光轴的物平面上各点的像仍在垂直于光轴的一个平面上?（3）在每个像平面内横向放大率是常数，从而保持物、象之间的几何相似性。上一页下一页返回第二章目录2、象差实际光学系统所成的象和理想光学系统所成的象之间的差异现象象差。掌握各种象差的规律，并设法把它们减少到最低限度，是设计各种成象光学仪器的中心问题。（1）单色象差）畸变（）象场弯曲（）象散（）慧形象差彗差（）球面象差球差（distortionfieldofcrvatureomastigmatisaberrationcomaaberrationspherical 上一页下一页返回第二章目录3、象差分类分两大类，单色象差和色差。是大孔径引起的是大视场引起的破坏了光束的同心性使象面弯曲破坏了物象的相似性色差）（横向色差（放大率色差）（轴向色差（位置色差）aberrotionchromaticlateralaberrationchromaticaxial 4、象差理论1856年 Van Seidel(V.赛德尔)首先求得像差的严格理论。在近轴的情况下：?+=!5!3sin53iiii上一页下一页返回第二章目录（2）色差（chromatic aberration）(1)考虑第一项，能理想成象，不存在象差，高斯光学（一级学说）(2)考虑第一、二项，成象存在象差三级学说（初级像差，三级像差理论）。(3)高质量的光学系统考虑第一、二、三项五级学说。(4)象差和色差都属于几何象差，但由于光的波动性，同时存在衍射象差。二、球面像差1、概念当孔径较大时，由光轴上一物点发出的光束，经光学系统（球面）折射后不再交于一点球差。2、球差的表示球差大小与光线的孔径角有关，孔径用孔径角u或入射高度h来表征。上一页下一页返回第二章目录上一页下一页返回第二章目录Quhoh0QhhQhQ0Qh0=ohhohQQQQ之右，球差在（正球差）凹透镜。透镜的球差与透镜的，曲率半径、有关。h1r2r3、减少球差的方法配曲法对给定的选择这个比值，可使球差的值达到最小，但不能使之完全消除；这种方法配曲法。由凹、凸透镜的球差相反，因此把凸、凹两个透镜粘合起来，组成一个复合透镜。可使某个高度上的球差完全抵消，但其它高度不能消除，只能减少。,21rrnL有不同的曲率比，同样焦距的透镜可以上一页下一页返回第二章目录nh例：上一页下一页返回第二章目录三、彗形象差近轴物点发出的宽阔光束经光具组后在像平面上不再交于一点，而是形成状如彗星的亮斑，这种像差彗形像差（彗差）。上一页下一页返回第二章目录经过透镜各个圆周的光线在像平面上仍将落在一系列圆周上，但圆不是同心的。球差和彗差往往混在一起，只有当轴上物点的球差已消除时，才能明显地观察到近轴物点的彗差。利用配曲法可消除单个透镜的彗星，也可利用粘合透镜来消除彗差，但球差和彗差二者不容易同时消除。1879年，阿贝提出在轴上已消除球差的条件下，近轴物点以大孔径光束成象的条件是：uynuny=sinsin阿贝正弦条件n、y、u分别是物点折射率、物高、物方孔径角，分别是象方折射率，象高，象高孔径角。满足以上条件且光轴上已消除球差的一对共轭点齐明点（一对等光程点）。uyn、上一页下一页返回第二章目录四、象散、象场弯曲1、象散远轴物点，光束倾角较大，入射到透镜上是不对称的。经透镜后也得不到点象，而得到一条子午焦线，一条弧矢焦线，一个明晰图的现象象散。上一页下一页返回第二章目录因经透镜后的光束一般呈椭圆形，但在两处退化为直线散焦线，两散焦线相互垂直子午焦线，弧矢焦线。在两焦线之间某个地方光束的截面呈圆形明晰图。此处光束聚焦最清晰，是放置底片或屏幕的最佳位置。象散消除通过透镜组来消除。上一页下一页返回第二章目录2、象场弯曲远轴平面物体，即使系统的象散已消除，象面是曲面，象场弯曲。由于象场弯曲，在平面屏幕上观察不到整个平面物体的清晰的象，只有部分是清晰的。象场弯曲也要通过透镜组来消除，对于单透镜在透镜前适当位置上放一光阑来矫正。上一页下一页返回第二章目录上一页下一页返回第二章目录五、畸变当物体发出的光线与光轴成较大角度时，即使狭窄光束，所成的象与原物也不相似畸变。畸变是由于透镜对不同高度物体的横向放大率不同而引起的，破坏了象和物的几何相似性，并不破坏光束的同心性，不影响象的清晰度。上一页下一页返回第二章目录若远光轴区域的放大率比光轴附近大，在象平面内出现枕形象枕形畸变（pin-cushion distortion)若远光轴区域的放大率比光轴附近小，在象平面内出现桶形象桶形畸变。（barrel distortion）上一页下一页返回第二章目录对于凸透镜，光圈放在前面，产生桶形畸变。对于凸透镜，光圈放在后面，产生枕形畸变。对于凹透镜则相反，畸变的消除是在一对相同的透镜中间放一光圈。上一页下一页返回第二章目录六、色差1、色差分类由于折射率随波长不同，不同波长的光所成的像，无论位置和大小都可能不同，这种现象色差。如所成的象的位置不同，这种色差位置色差（轴向色差）)11)(1(121rrnf=1+=+=fssfsf ss大大小大sffn)(上一页下一页返回第二章目录?+=42CBAnf fxx=如所成的象的大小不同，这种色差放大率色差（横向色差）由柯西公式：小小大小sffn)(ss=上一页下一页返回第二章目录?B?As?As?Cs小对应的小小对应的大对应的大大对应的一定时2、色差的消除单个透镜的色差无法消除。（1）用不同材料的凸透镜和凹透镜粘合起来可以对设定的两波长消色差。光焦度)11(,)1(12111111rrKKnf=)11(,)1(13222222rrKKnf=粘合起来的光焦度为：221121)1()1(KnKn+=+=上一页下一页返回第二章目录在人眼敏感的波长5550两侧各选一波长来消除色差，如氢光谱中的 线（6563）和线（48614861）2211)1(1KnKncCC+）（2211)1(1KnKnFFF+）（选择，使321rrr、0)()(222111=+=KnnKnnCFCFCF即消除线和线的焦距色差，同时可消除球差和彗差。（2）目镜和色差消除对于目镜只需消除焦距色差，无需消除位置色差，上一页下一页返回第二章目录CFFC目镜一般由两种相同材料的 透镜，相距 组成的。dKKnKKnd212212121)1()(1(+=0)1(22121=+=dKKnKKdnd2)11(21)1(221212121ffnKnKKKnKKd+=+=+=这样的目镜对波长在附近的光来说是清除了焦距色差（视角色差）0上一页下一页返回第二章目录d例：惠更斯目镜：:d3:1:2冉斯登目镜：:d1:1:1或：:d1:1:（消除视场模糊，牺牲一些消色差的性能）。1f 1f 1f 2f 2f 2f 上一页下一页返回第二章目录23 眼睛及校正?一、眼睛的构造和作用?眼球结构图参见下页1、巩膜（sclera）是眼睛最外层一种白色强韧的膜，厚度约是0.41.1mm。它由六根筋拉住，以维持眼睛的位置。作用：是保护眼睛内部，它由六根筋拉住，以维持眼睛的位置。上一页下一页返回第二章目录2、角膜（cornea）巩膜正前方曲率较大的一部分角膜，是透明的，折射率是1.376。作用：光束进入眼的门户，是眼睛光学系统的第一个系统。上一页下一页返回第二章目录眼睛FLASH3、前房角膜之后充满一种水样液（热溶液）的地方，即角膜与晶状体（水晶体）之间的部分前房，折射率是1.336。作用：眼睛光学系统的第二个系统。上一页下一页返回第二章目录4、虹膜（iris）前房之后有一中心带圆孔的彩色膜虹膜，不透明的，虹膜与睫状体是相联接的。作用：是显示眼睛的颜色，调节瞳孔的直径变化。5、瞳孔（pupil）虹膜中心的圆孔瞳孔，直径1.48mm，直径可以自动调节。作用：起到孔径光阑的作用，控制进入眼睛的光能量和调节象的清晰度、景深。上一页下一页返回第二章目录6、水晶体（晶状体）（crystalline humor）虹膜后面由胶性透明物质组成，且曲率随附近肌肉（睫状肌）的松紧而改变的一部分水晶体，外层折射1.386，内层折射率1.406，类似分布不均的双凸透镜。作用：将人眼分成两部分（前房、后房），是光学系统的第三个系统，控制象的清晰调节。7、后房水晶球后面的空间后房，有大量水分子的粘性透明物质（玻璃液），折射率1.336作用：光学系统的第四个系统.8、视网膜（retina）玻璃液透明外膜与巩膜之间有一层不透光的黑色膜视网膜，由视神经末梢组成。作用：接收信息，传递信息。上一页下一页返回第二章目录9、黄斑（yellow spot）在视网膜上有一较凹的部分黄斑，直径约2mm，有大量的圆锥细胞和少量的圆柱细胞，细胞与神经末梢相联接。视网膜上有约7百万个圆锥细胞，1亿多个圆柱细胞。圆锥细胞，在明亮光线下起感光作用明视细胞，对明暗、色彩有感觉。圆柱细胞，在暗弱光线下起感光作用暗视细胞，只对明暗有感觉。黄斑作用：只有物体的象落在黄斑处才能看清楚。10、中央窝（fovea centralis）黄斑中心有一直径约为0.25mm的区域中央窝，仅含有圆锥细胞，且含量极大。作用：视觉最灵敏区，象落在此处最清晰。上一页下一页返回第二章目录11、盲斑（blind spot）视网膜上的视神经入口处的区域盲斑，没有圆锥和圆柱细胞。作用是象落在此处不能看到瞎子。盲斑的验证：11、视轴、光轴视轴是球面系统的光心和中央窝的中心连线，光轴是各球面系统的光心连线。视轴和光轴并不重合。上一页下一页返回第二章目录当闭左眼，右眼盯住看，在25cm处，都能看到；当眼靠近时，首先看不到，再靠近也 看不到，再下看又能看到。随它们间距的不同，看不到时眼与纸面的间距也不同，原因是眼球不动的缘故。二、示意眼（选讲）把角膜、前房、水晶体、后房组成的共轴光学系统简化看成只有一个光学系统组成的，这种眼示意眼r d n7.7mm 0.5mm 1.376 角膜6.8 3.1 1.336 前房10.0 3.6 1.386 水晶体-0.6 17.2 1.336 后房-9.7求出的示意眼的光学常数：H HF上一页下一页返回第二章目录光焦度：58.64（D）第一主点距：1.348mm第二主点距：1.602mm物方焦距：-17.05mm象方焦距：22.785mm入瞳距：3.047mm出瞳距：3.607mm三、简化眼示意眼在计算过程中还是太复杂，把眼睛只看成有一个曲面组成的，这种眼睛简化眼。曲面的曲率半径5.7mm 上一页下一页返回第二章目录折射率1.336第一焦距-17.1mm第二焦距22.8mm光焦度58.48D视网膜的半径 9.8mm HHFF四、人眼的调节，远点、近点1、人眼的调节眼内的水晶体自动地本能地调节曲率半径，改变总的光焦度，以看清不同远近物体的能力人眼的调节。上一页下一页返回第二章目录(1)、视度调节眼睛自动改变焦距的过程(2)、瞳孔调节眼睛自动改变瞳孔大小的过程（2mm8mm）2、远点（far point）当睫状肌放松时，水晶体的曲率半径最大，能在视网膜上成清晰象的物点到眼的距离远点。正常眼的远点是无穷远（儿童、青年、中年）老年的远点只有几米。上一页下一页返回第二章目录3、近点（near point）人眼的肌肉紧缩时，水晶体的曲率半径最小，能在视网膜上看清象的物点到人眼的距离近点。正常眼的近点约25cm，儿童一般是78cm。老人是12m（50100lx）4、明视距离在合适的照度下（50100lx），人眼能最方便、最习惯、最省力地观察物体的距离明视距离。规定正常眼的明视距离为25cm，明视范围25cm上一页下一页返回第二章目录五、非正常眼的校正1、正常眼与非正常眼正常眼是指人眼的明视范围为25的眼，即象成在视网膜上（眼的第二焦点在视网膜上）.非正常眼是第二焦点不在视网膜上，明视范围不在25范围的眼，分为：（1）近视眼远点在有限距离处的眼，成象在视网膜前的眼（2）远视眼近点变远的眼，成象在视网膜后的眼（3）散光眼角膜曲面不对称的眼（4）老化眼（老视眼）调节能力减弱的眼。上一页下一页返回第二章目录2、近视眼（myopic eye）及校正（1）定义：远点在有限距离处，即对较远的物体看不清楚的眼，远处物体成在视网膜前的眼。（2）原因：a、眼球长度变长（先天的）b、角膜曲率半径变小（后天的）c、眼内介质折射率异常等从几何光学看，远处物体成象在视网膜前，即远点太近。（3）校正a、校正方法远处物体成象在视网膜前说明眼球会聚（折射）太强，要使光线会聚变弱的办法是在眼前加一个凹透镜，把光线先发散一下，再经眼会聚则可刚好成象在视网膜上。校正的方法是配带凹透镜，把无穷远处的物体成象在远点处。上一页下一页返回第二章目录上一页下一页返回第二章目录b、凹透镜度数的计算由fss=111物在无穷区处可得，成象在人眼的远点处=s）（0 f上一页下一页返回第二章目录=度f解:带凸透镜，是远视眼由msff25.0,21,2001001=由ssf111=得225.012111=+=+=sfscmms505.021=人眼的近点是在50cm处上一页下一页返回第二章目录4、散光眼及校正（astigmatic eye）散光眼是由于角膜的曲面不对称形成的，因而不同截面上有不同的光焦度。如果具有最大光焦度的截面垂直于具有最小光焦度的截面，这种散光眼正常散光眼。上一页下一页返回第二章目录如果角膜曲面无规则引起的散光非正常散光眼。正常散光眼的校正是带柱面透镜，因而所带眼镜一般是球柱透镜。5、老花眼（老视眼）（presbgopic eye）老花眼是由于年龄的增长，眼的调节变弱引起的，特点是近点变远，远点变近。一般用带凸透镜来校正，计算方法同远视眼。上一页下一页返回第二章目录24、助视光学仪器?人眼借助光学仪器提高观察能力，这类光学仪器称为助视光学仪器（如放大镜、显微镜、望远镜）。上一页下一页返回第二章目录一、放大本领的概念助视光学仪器的主要指标有放大本领、分辨本领、聚光本领。分辨本领在chapter-4中讲，聚光本领在27中讲，放大本领是在理想光学系统的条件下研究的。1、概念眼睛通过助视仪器观察物体，物体在视网膜上的象的长度和没有配备助视仪器时同一物体在视网膜上的象的长度之比，称为助视光学仪器的放大本领。ABHOAlyABUOBAly25cm上一页下一页返回第二章目录B lUHlM由图得放大本领llBABAM=图中O近似为眼睛的节点（假定第一、二节点重合的），U是眼直接观察物体时所张的视角，U是通过助视仪器后观察物体时所张的视角，U、U实际都是很小的，因为眼球能活动的。由图知：UUtgUUtgllM=因此放大本领通常也称视角放大本领。2、注意点（1）U、U是视角，u,u是光线的倾角；u,u是共轭的，U、U是不共轭的，上一页下一页返回第二章目录rM UUM=视角放大本领uur=角放大率（2）为了比较方便，一般直接观察物体都放在明视距离25cm处。二、放大镜（magnifieor）1、放大镜的放大本领上一页下一页返回第二章目录fABHHUOBAlyAByFF-f-xaOAUOBAly25cm上一页下一页返回第二章目录由图：axyUtgytgU+=25则放大镜的放大本领：yaxyyaxytgUUtgM)(2525+=+=axfxaxaxyyM+=+=+=252525fxyy=因上一页下一页返回第二章目录（1）当a0，在象方焦点上观察物体的象时，fxfxM=2525（2）当，象成在距眼25cm处，cmax25=+=fxfxM2525即放大本领和横向放大率相等。（4）单放大镜，由于象差的存在，M一般只有3；复合放大镜，M可达到几十。上一页下一页返回第二章目录2、M与，M与r的区别（1）M与，（M）yyll=，M是人眼通过助视光学仪器观察时的放大本领，是物体经过光学系统后的横向放大率，M与一般不相等。是相互共轭的物象的横向放大率，M是不共轭的物象视角放大率。只有当物体的象成在眼的明视距离处时，M=，并且当眼紧贴助视仪器时，125max+=fMM上一页下一页返回第二章目录（2）M与rM是物象对眼节点所张的视角放大率，r是共轭光线所对应的倾角放大率。，M总是不等于r。uurUUM=,3、放大镜、眼睛系统的孔径光阑，视场光阑。（选讲）ABHHUOBAlyAByFFO出射光瞳孔径光阑入射光瞳上一页下一页返回第二章目录（1）确定孔径光阑将光阑对它前面的光学系统成象，比较光阑象对物点A所张角的大小，知眼的象所张的角最小，因而眼是孔径光阑。孔径光阑对它前面的光学系统所成的象是入射光瞳，即眼的象。孔径光阑对它后面的光学系统所成的象是出射光瞳，即眼本身。上一页下一页返回第二章目录（2）确定视场光阑比较所有光阑的象对入射光瞳中心所张的角的大小，知放大镜所张的角最小，则放大镜是视场光阑，也是入射窗，出射窗是放大镜经眼所成的象。*三、目镜（eyepiece）放大镜是用来直接用来观察物体的，目镜是用来观察物体由物镜或光组所成的象。复杂助视光学仪器总是由物镜和目镜两部分组成的；而目镜也一般有两个透镜组成的，面向物体的透镜称为场镜，面向眼睛的透镜称为视镜，目镜设计时应注意：有较高的放大率和较大的视场角，尽可能校正象差和色差等。上一页下一页返回第二章目录1、惠更斯目镜（1）组成由两个同种玻璃的平凸薄透镜组成的，两者都凸面向着物，场镜的焦距是视镜的三倍，且两者间隔的距离是视镜焦距的二倍。（2）光路图上一页下一页返回第二章目录（3）用途、作用在H处配备叉丝或刻度尺，则可以测量象的大小，这是因为叉丝或刻度和H同时被视镜放大成象于视网膜上的同一处。特点：只能用来观察和测量象的大小用途：用于测微目镜，高斯目镜。2、冉斯登目镜（1）组成由两个同种玻璃的平凸透镜组成的，两者焦距相等，凸面相向，两者间距 是焦距的三分之二。2、光路图：上一页下一页返回第二章目录上一页下一页返回第二章目录（3）用途可作一般放大镜使用，可观察和测量象的大小，用于阿贝目镜。3、目镜的种类（选讲）（1）对称型目镜：视角40，如惠更目镜，冉斯登目镜(（a)（2）无畸变目镜：视角40(b)（3）开尔纳目镜：视角45(c)（4）伊尔福目镜：视角60(d)上一页下一页返回第二章目录上一页下一页返回第二章目录4、目镜的放大本领：（眼在目镜的象方焦点处观察）fM25F 2121ffdfff+=四、显微镜（microscope）显微镜是帮助人眼观察细小物体的助视光学仪器。1、组成上一页下一页返回第二章目录由物镜和目镜组成，物镜和目镜都是组合透镜，物镜的焦距小于目镜的焦距。2、光路图物体应放在物镜物方焦点外侧附近，经物镜成象在目镜的物方焦距内，再经目镜得到放大倒立的虚像。1f 2f 3、放大本领设物镜和目镜的焦距，光学间隔。直接观察时物和眼的间距为25cm，物对眼的张角为U，21,ff21FFl=上一页下一页返回第二章目录显微镜原理FLASH上一页下一页返回第二章目录则25ytgU=间接观察时虚象对眼的张角为ULyUtgLyUtg =,)(则02PF由于物PQ经物镜所成的象PQ离目镜物方焦点很近，则虚象PQ对眼的张角近似认为是象PQ对目镜的张角（即）显微镜的放大本领yyfyfytgUUtgM=222525上一页下一页返回第二章目录yy0（1），是物体对物镜的横向放大率225fMe=是目镜的放大本领eMM0=则（2）由=2111110FFPFxfx则eMfxM11=21212525ffffffM显微镜的物方焦距因此显微镜是复合放大镜上一页下一页返回第二章目录（3）21ff、都很小，12ff且lsx11则则eeeeeMfsMflMfMfxMM1111110=*4、显微镜类型（选读）（1）纯透镜型的显微镜一般生物显微镜，读数显微，金相显微镜，测量显微镜属于这一类，物镜是由透镜组成的，对紫外光、红外光不适用。上一页下一页返回第二章目录（2）纯反射型显微镜物镜是有反射镜组成的。这种类型的显微镜也适用于紫外光、红外光。上一页下一页返回第二章目录（3）折反型显微镜物镜由反射镜和透镜组成的。上一页下一页返回第二章目录5、提高放大本领的方法由25210ffMMe21FF=（1）增加光学间隔（2）较小的物镜、目镜焦距。*6、显微镜的应用读数显微镜在力、热、光学中是常用仪器。生物显微镜在生物学、化学、植物学中应用广泛。x射线、电子显微镜等在晶体学、矿物学等应用广泛。上一页下一页返回第二章目录*7、显微镜的发展（参考文献）（选读）（1）光学显微镜的最新发展（物理93.2）（2）x射线显微镜（科学91.6）浅谈x射线显微镜（现代物理知识95.5）（3）显微镜的最新突破（物理93.5）（4）扫描探针显微镜的基础知识（现代物理知识97.2）近场光学扫描显微术（现代物理知识97.2）（5）物理学和显微镜技术（现代物理知识98.3）上一页下一页返回第二章目录（6）显微镜的研制新动向具有成象能力的显微镜系统有：共焦扫描显微镜、扫描隧道显微镜，扫描力显微镜，环境扫描电子显微镜。共焦扫描显微镜能产生样品的三维图像，包括内外特征，而不会切破或损坏样品。共焦的设想依据是光源穿过高数值孔径透镜聚焦到样品上的原理，由样品反射的光往回穿过光学系统，再由光学系统把光束通过针孔孔径聚焦到一台探测器上，从而产生对比度和分辨高的图象。扫描隧道显微镜（含原子力显微镜）上一页下一页返回第二章目录用于模拟晶体表面结构。扫描力显微镜是将一根尖尖的悬臂式探针以原子距离在样品上扫描，它是根据引力、弹力、静电力、导电特性、摩擦力、声学特性和近场光学原理工作的。环境扫描电子显微（ESEM）采用差功泵激系统和气体放电探测器在20乇下观察样品。上一页下一页返回第二章目录扫描探针显微镜电子显微镜用加速的电子束代替光束，其波长约电子显微镜用加速的电子束代替光束，其波长约 0.1nm，用它来观察分子结构。，用它来观察分子结构。电子显微镜拍摄的照片电子显微镜拍摄的照片由物镜、目镜组成；物镜目镜，且重合（望远镜的光学间隔）2、特点平行光入射，平行光出射1f2f 21FF 与021=FF所成象是放大的虚象镜筒长度3、望远镜的分类（1）从用途分：测量用和观察用望远镜。（2）从光的形式分：2121ffffL+=上一页下一页返回第二章目录五、望远镜（telescope）望远镜是帮助人眼观察远处物体的助视光学仪器。1、组成：折射型望远镜（开普勒、伽利略望远镜）反射型望远镜（格雷戈里、牛顿、卡斯格伦望远镜）折反型望远镜（施密特望远镜）（3）从波的形式分：光学望远镜射电望远镜4、折射式望远镜（1）开普勒望远镜（1611年）组成：0,0,021122121=FFFFffff重合与上一页下一页返回第二章目录21ffL+=（镜筒较长）光路图-UAAABBBOMM-UABF1F2U UNMOF2上一页下一页返回第二章目录入射窗，出射窗都在无穷远处。放大本领无限远的物体对人眼的视角和对望远镜物镜中心的张角近似相等。则由图知：212112fffffBAfBAtgUUtgM=因2121,0,0ffff故1,0入D021ffL+=（镜筒较短）光路图上一页下一页返回第二章目录上一页下一页返回第二章目录放大本领由定义：=212112fffffQPfQPtgUUtgM由几何关系：出入DDM=由0,0,021Mff得说明象是放大的正立的虚象。伽利略望远镜是观察用望远镜军用双筒望远镜，观剧镜上一页下一页返回第二章目录*5、反射型望远镜（选读）折射型望远镜的物镜孔径不能很大（不能很大，M不是很大），且光谱适用范围窄，具有球差和色差。折射型的物镜孔径1m多。物镜由反射镜组成，光谱范围广且无色差，同时孔径较大，现已建成6m，计划建成11m的天文望远镜。反射镜由牛顿、格雷戈里、卡斯格伦类型。入D上一页下一页返回第二章目录将抛物面换成球面作望远镜的物镜赫歇耳反射物镜，但相对孔径较小。上一页下一页返回第二章目录6、折反型望远镜（选讲）1930年，施密特提出的，由非球面透镜和球面镜组成望远镜的折反物镜。40年代初，马克苏托夫一包沃斯提出负透镜和凹球面组成折反物镜。上一页下一页返回第二章目录F上一页下一页返回第二章目录地面观测地面观测用哈勃望远镜观测用哈勃望远镜观测哈勃望远镜观察到新星的诞生哈勃望远镜观察到新星的诞生25、投影仪器能在屏幕上得到一个缩小或放大实象的仪器投影仪器?一、透射式投影仪?1、幻灯机?由光源、聚光镜、投影镜头组成条件：（1）聚光镜的孔径比物镜的孔径大，使光源发出的光能量尽可能多地通过幻灯片。上一页下一页返回第二章目录（2）合理布置聚光镜、幻灯片、物镜间的相对位置，使象面亮度均匀，幻灯片尽可能地靠近聚光镜，且在物镜一倍焦距外侧附近。上一页下一页返回第二章目录2、电影放映机结构与幻灯机相似，不同的是它的幻灯片是动的，速度是24幅/秒。3、书写投影仪L1、L2是菲涅耳透镜上一页下一页返回第二章目录二、反射式投影仪（实物投影仪）PML屏P实物或透明投影片M平面反射镜L物镜（可调节）上一页下一页返回第二章目录*三、液晶投影机（选读）所谓实物投影功能是指将需要展示的物品不需经过加工处理直接通过投影设备进行大屏幕投影的功能。实物投影的实现原理一般是这样的：通过一个专门设计的CCD摄像头将物件的影象直接摄取下来，通过大规模集成电路做模数转换后将模拟信号直接变成数字信号。将数字信号快速输入投影机的信号输入系统，通过投影机完成投影过程。上一页下一页返回第二章目录照相机目前的实物投影设备一般分成两类：专业的实物投影展示平台和数据、实物投影2合1的袖珍实物展示台。专业实物展示台的优点是功能强大，可以实现对实物、胶片、胶卷、幻灯片等的投影，具有电子聚焦和无级放大等实用功能，可以实现多路信号的输入输出,可以做为简单的中央控制器使用。缺点是体积庞大，重量比较重（一般在6公斤以上），使用时一般需要另外配合数据投影机一起使用，品质好的产品一般价格较高。袖珍展台的优点是体积小巧，同数据投影机浑然一体，折叠后非常小巧，重量一般不超过1公斤，除了不能对胶卷和幻灯片进行投影外，在其他功能上完全可以和专业实物展台相媲美,在图象分辨率上甚至大大超过一般专业实物展示台。CRT是英文Cathode Ray Tube的缩写，译作阴极射线管。作为成像器件，它是实现最早、应用最为广泛的一种显示技术。这种投影机可把输入信号源分解成R（红）、G（绿）B（蓝）三个CRT管的荧光屏上，荧光粉在高压作用下发光系统放大、会聚、在大屏幕上显示出彩色图像。上一页下一页返回第二章目录CRT三枪投影机光学系统与RT管组成投影管，通常所说的三枪投影机就是由三个投影管组成的投影机，由于使用内光源，也叫主动式投影方式。CRT技术成熟，显示的图像色彩丰富，还原性好，具有丰富的几何失真调整能力；但其重要技术指标图像分辨率与亮度相互制约，直接影响CRT投影机的亮度值，到目前为止，其亮度值始终徘徊在300lm以下。另外CRT投影机操作复杂，特别是会聚调整繁琐，机身体积大，只适合安装于环境光较弱、相对固定的场所，不宜搬动。上一页下一页返回第二章目录LCD是Liquid Cristal Display 的英文缩写。LCD投影机分为液晶板和液晶光阀两种。液晶是介于液体和固体之间的物质，本身不发光，工作性质受温度影响很大，其工作温度为-55oC+77oC。投影机利用液晶的光电效应，即液晶分子的排列在电场作用下发生变化，影响其液晶单元的透光率或反射率，从机时影响它的光学性质，产生具有不同灰度层次及颜色的图像。下面分别说明两种LCD投影机的原理。液晶光阀投影机它采用CRT管和液晶光阀作为成像器件，是CRT投影机与液晶与光阀相结合的产物。为了解决图像分辨率与亮度间的矛盾，它采用外光源，也叫被动式投影方式。一般的光阀主要由三部分组成：光电转换器、镜子、光调制器，它是一种可控开关。通过CRT输出的光信号照射到光电转换器上，将光信号转换为持续变化的电信号；外光源产生一束强光，投射到光光阀上，由内部的镜子反射，能过光调制器，改变其光学特性，紧随光阀的偏振滤光片，将滤去其它方向的光，而只允许与其光学缝隙方向一致的光通过，这个光与CRT信号相复合，投射到屏幕上。它是目前为止亮度、分辨率最高的投影机，亮度可达6000ANSI流明，分辨率为25002000，适用于环境光较强，观众较多的场合，如超大规模的指挥中心、会议中心及大型娱乐场所，但其价格高，体积大，光阀不易维修。主要品牌有：休斯-JVC、Ampro等。