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1、1 现代光学现代光学 第四章第四章 光学仪器基本原理光学仪器基本原理 2 主主 要要 内内 容容 4.1 像差色差概述 4.2 人的眼睛 4.3 助视仪器的放大本领 4.4 目镜 4.5 显微镜的放大本领 4.6 望远镜的放大本领 4.7 光阑 光瞳 4.8 物镜的聚光本领 4.9 助视仪器的分辨本领 4.10 分光仪器的分辨本领 3 第四章第四章 4.1 4.1 像差色差概述像差色差概述 4 （一）球面像差（球差） 形状：弥漫圆斑。 成因：透镜表面为球面，宽光束经过透镜不同环带的 光线折射后与主轴交点不重合。 大小：球差的大小与透镜表面曲率半径r、折射率n等 有关。 5 消除方法： 加光阑限
2、制远轴光线 将会聚透镜和发散透镜结合起来使用。 采用菲涅耳螺纹透镜，如：电影和舞台 照明灯、汽车前灯、投影仪的聚光器等。 P （一）、球面像差（球差） 6 (二)、彗形像差 形状：形似彗星。 消除方法: 1）加光阑限制宽光束。 2）用粘合透镜。球、慧差要求条件不一,不易同 时消除.若一个透镜能消球差,则慧差也小。 7 （三）、像散（三）、像散 特征：远离光轴的特征：远离光轴的点物窄光束经透镜成为像散光束。横截面 是椭圆。 2.2.消除方法：适当选配系统各球面的曲率半径、各介质的折射消除方法：适当选配系统各球面的曲率半径、各介质的折射 率及合理确定有效光阑的位置。率及合理确定有效光阑的位置。 8
3、 （四）、像面弯曲（四）、像面弯曲 1.现象：对较大物平面经透镜后成的像是抛物面。 2. 消除方法：采用组合系统，适当的选配各透镜消除方法：采用组合系统，适当的选配各透镜 的焦距和折射率。的焦距和折射率。 9 ( (五五) )、畸变、畸变 1、现象：像和物不能保持几何相似。 2 2、成因：由于物点离主轴的距离不同，而使得横、成因：由于物点离主轴的距离不同，而使得横 向放大率不同所引起。向放大率不同所引起。 3 3、特点：畸变并不影响成像的清晰程度，而只改、特点：畸变并不影响成像的清晰程度，而只改 变像的几何形状。变像的几何形状。 4 4、消除、消除 两种畸变的组合。两种畸变的组合。 将光阑放在
4、一组相同对称透镜中间。将光阑放在一组相同对称透镜中间。 物平面 枕形畸变 桶形畸变 10 ( (六六) )、色差、色差 1、现象：白光入射，像的边缘呈现颜色. 2、原因：不同波长的光在介质中折射率不同。 P 消色差方法 粘和透镜。可对选定的两波长,用两个(多个) 材料反号光 焦度的,焦距适当的透镜粘和而成。 11 第四章第四章 4.2 4.2 人的眼睛人的眼睛 12 视神经 盲点 前房液 虹膜 角膜 巩膜 睫状肌 后房液( 玻璃体） 晶状体 脉络膜 中央窝 视网膜 一、人眼的结构 13 人眼的结构人眼的结构 14 三、人眼的调节功能 调节方式：自动调节和被动调节（矫正）。 2、自调节： 靠睫状
5、肌的松驰或紧张来改变晶状体的曲率 半径，从而改变人眼焦距。 自调节的限度：近点和远点之间。 远点：睫状肌完全松驰，晶状体曲率半径最大,晶状体变薄。 近点：睫状肌最大收缩，晶状体曲率半径最小,晶状体变厚。 15 近点、远点和调节范围随年龄的增长而变化； 幼年78cm；成年25cm；老年12m-近点变远： 幼年无限远；老年数米-远点变近： 正常眼眼前25cm处明视距离。 3、人眼的缺陷及矫正被动调节。 近视眼：远点在有限远处。 远视眼：近点比正常眼远。 三、人眼的调节功能 16 近视眼及其矫正 （1）成因： （2）矫正： 晶状体太厚，折光能 力太强，成像于视网 膜前。 配戴用凹透镜做成的 近视眼镜
6、。 三、人眼的调节功能 17 远视眼及其矫正 （1）成因： （2）矫正： 晶状体太薄，折光能力太 弱，成像于视网膜后。 配戴用凸透镜做成的远 视眼镜。（老花眼镜） 三、人眼的调节功能 18 散光眼：角膜为椭球面的人眼。(像散眼) （1）成因：椭球有两个 对称平面，包含长、短轴 ，有两个不同的焦距像 散。 (2) 矫正方法：戴柱面 透镜。与散光眼的像散 相抵消。 三、人眼的调节功能 19 近视眼的激光手术治疗 治疗前 治疗后 三、人眼的调节功能 20 第四章第四章 4.3 4.3 助视仪器的放大本领助视仪器的放大本领 21 定义：被观察物对人眼光心的张角。 F O F Q P Q P 视网膜上像
7、的长度由物体对光心所张角度的大 小来衡量（U）。 一切助视仪器设计的出发点就是增大人眼的视角 一、人眼的视角 22 23 二、放大本领 P O Q P Q HH U OP Q U 说明： 须将物放在同一特定位置比较两像大小。 放大镜和显微镜：明视距离处（25cm）； 望远镜：无穷远处。 24 三、放大镜 Q P y P Q y F L O -f -s U O y Q P U 使用放大镜的视角： 未用放大镜的视角： 最简单的放大镜-凸透镜: 放大镜的放大本领： 25 第四章第四章 4.4 4.4 目目 镜镜 26 27 一、目镜 1、定义：用于放大其它光具组所成像的助视仪器。 要求：A、放大本领
8、高； B、能校正像差、色差。 2、结构：场镜+视镜+分划板（刻度尺） 场镜： 面向物体的透镜（或透镜组） 视镜： 接近人眼的透镜（或透镜组） 分划板：包含透明刻度尺，用于提高测量精度。 28 1)惠更斯（Huygens）目镜 视角大（可达400），结构紧凑，适用于生物显微镜。 二镜凸面向物镜 二、两种目镜 F2F1 29 2）冉斯登（Ramsden）目镜 Ramsden目镜的成像 F1 Q Q 二镜凸面相向 冉镜可用于直接观察实物， 配上分划板可精确测 量实物和物镜所成的像的长度。 二、两种目镜 30 第四章第四章 4.5 4.5 显微镜的放大本领显微镜的放大本领 31 32 一、光路图 F1
9、 o1 F1 F2 o2 目镜系统 物镜系统 -U O -U P Q P Q y P Q 惠更斯目镜 明视距离 33 二、放大本领 整个系统像方焦距为： F1 o1 F1 F2 o2 目镜系统 物镜系统 - U O -U P Q P Q y P Q 明 视 距 离 镜筒长度 34 第四章第四章 4.6 4.6 望远镜的放大本领望远镜的放大本领 35 一、定义： 帮助人眼观察远处物体的放大镜。 像并不比原物大，只相当把远物移近，增大对人眼的视角。 1、结构：物镜系统+目镜系统 2、分类： 按物镜的种类分： A、反射式望远镜B、折射式望远镜 按目镜种类分： A、开普勒望远镜：目镜为会聚透镜； B、
10、伽利略望远镜：目镜为发散透镜。 36 数码 防水 反射式 折射式 37 二、开普勒望远镜 -U O -U 1.结构特点： 物镜目镜均为会聚透镜，物镜像方焦点与目镜物方焦点重合。 o1 F1F2 o2 物镜系统 目镜系统 U P Q P Q Q P 38 -U O -U o1 F1F2 o2 物镜系统 目镜系统 U P Q P Q Q P U -U 2、放大本领 Q对人眼的视角 Q对人眼的 视角 二、开普勒望远镜 39 三、伽利略望远镜 1.结构特点： 物镜会聚,目镜发散，物镜像方焦点与目镜物方焦 点重合。 UO1 O2F1 F2 U Q P Q U U Q 2、放大本领 O 40 物镜Lo 目
11、镜Le u u F1F2 物镜目镜 u -u O1O2 P F1 f1-f2 F2 物镜的横向放大率 Kepler望远镜：M 0 41 四、 反射式望远镜 （a）牛顿反射式望远镜 （b）格雷戈里反射式望远镜 （c）卡斯格伦反射式望远镜 （d）施密特反射式望远镜 牛顿反射式 42 抛物面 牛顿反射物镜 椭球面 抛物面 格雷戈里反射物镜 抛物面 双曲面 卡斯格伦反射物镜 几种望远镜光路图 F F 43 五、激光扩束器 1、定义： 激光扩束器将激光束横截面扩大的光学仪器。 2、装置 倒用的折射式望远镜是很好的激光扩束器 。 F1 F2 物镜系统 目镜系统 F1 F2 目镜 物镜 开氏伽氏 44 45
12、 第四章第四章 4.7 4.7 光阑光阑 光瞳光瞳 46 1、定义：光学系统中凡是对光能量具有限制作用 的元件。 （1） 保证近轴条件，改善成像质量（像的清晰 度）。 （2） 控制成像物空间的范围。 （3） 控制像面的亮度。 2 、光阑的作用： 一、光阑 如：透镜的外缘、开孔、光屏等。 47 有效光阑 有效光阑 F F 1、有效光阑：在所有各种光阑中，限制入射光 束最起作用的那个光阑。（孔径光阑） 二、有效光阑和光瞳二、有效光阑和光瞳 48 入瞳有效光阑经其前方光学系统所成的像（B）。 出瞳有效光阑经其后方光学系统所成的像（B） 。 有效光阑 入 瞳 出 瞳 二、有效光阑和光瞳二、有效光阑和光
13、瞳 49 A A B B 边缘光线 主光线 主光线-通过孔径光阑中心的光线; 边缘光线-通过孔径光阑边缘的光线; 三、有效光阑、入瞳和出瞳的确定方法 50 在这个系统中，孔径光阑同时也是出瞳 孔径光阑 入瞳- 孔径光阑对前 方系统成的像 入射孔径角 u uL P M N A B A B 三、有效光阑、入瞳和出瞳的确定方法 F 51 三、有效光阑、入瞳和出瞳的确定方法 对确定的物点： 1、求出系统中每一个光阑经其前方光学系统所 成的像。 2、由确定的物点对第一个透镜,以及各个像作张 角，寻找张角最小一个。 3、张角最小者对应的光阑为有效光阑。 4、张角最小的像为入瞳；将已确定的有效光阑 经其后方
14、光学系统成像，即可求得出瞳。 52在这个系统中，孔径光阑同时也是出瞳 孔径光阑 入瞳- 孔径光阑对前 方系统成的像 入射孔径角 u u uL P M N A B A B F 三、有效光阑、入瞳和出瞳的确定方法 53 四、讨论 1、若有效光阑在系统最前面，则有效光阑与入瞳重合； 若有效光阑在系统最后面，则有效光阑与出瞳重合。 2、入瞳、出瞳可能是实像，也可能是虚像； 3、入瞳并非一定在出瞳的前面； 4、通过有效光阑中心的光线称为主光线，由于共轭性，入 、出瞳的中心也在主光线上； 5、人眼的有效光阑就是瞳孔； 6、有效光阑、出瞳和入瞳均是对给定物点而言的。 三、有效光阑、入瞳和出瞳的确定方法 54
15、 例、直径为D=4cm，相距d=4cm的两个薄透镜 L1 （会聚透镜）和 L2（发散透镜），焦距分别为 5cm和10cm ， 求： a）哪一个透镜是有效光阑？ b）入瞳和出瞳的位置和大小？ 4cm 4cm P 6cm 4cm 三、有效光阑、入瞳和出瞳的确定方法 55 第四章第四章 4.84.8助视仪器的分辨本领助视仪器的分辨本领 56 清晰分辨 刚好能分辨 不能分辨 两物点距 离变小 一、分辨本领 物点所成像点就是衍射图样中的中央条纹或爱里斑。 57 1、瑞利据判： 当一个中央亮斑的最大值恰和另一个中央亮斑的最小值当一个中央亮斑的最大值恰和另一个中央亮斑的最小值 位置重合时，两个像点刚好能分辨开。位置重合时，两个像点刚好能分辨开。 2、分辨极限角： 刚好能分辨时，两物点对光具组入瞳中心的夹角(或两像点 对出瞳的夹角)为夫琅和费圆孔衍射中中央亮斑的角半径： 一、分辨本领 58 分析： ，两点的像分辨得开； ，则分辨不开。 的这个极限角成为光具组的分辨极限。 3、分辨本领： 分辨极限角的倒数，称为分辨本领： 一、分辨本领 59 二、人眼的分辨本领二、人眼的分辨本领 定义：人眼刚能分开靠近的两物点的能力 1、分辨极限角（ 最灵敏） 2、极限间距 瞳孔半径在14 可调。取：R1， = 550nm得 (物间距) (像间距) O
