《光学仪器基本原理》由会员分享，可在线阅读，更多相关《光学仪器基本原理（7页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第二章光学仪器基本原理光学仪器分为：助视仪器、投影仪器、分光仪器。本章主要研究常见光学仪器的放大本领、聚光本领、分辨本领。1人眼一、结构与特性结构如图所示，人眼主要由角膜、前房、瞳孔、水晶体、后房、视网膜等组成。曲率半径r(mm)轴线厚度d(mm)折射率n角膜前表面7.7后表面6.80.51.376前房液前表面6.8后表面10.03.11.336水晶体前表面10.0后表面-6.63.61.386后房液前表面-6.6后表面-9.717.21.336简化眼高尔斯特兰(A.Gullstrand)模型：特性：a. 适应过程：瞳孔大小调整需要时间，由视近到视远调整需要时间。1b. 视觉暂留：人眼看见的画
2、面会在大脑记忆中停留一段时间(丄秒)。16c. 立体视觉：用双眼(或单眼转动眼球时)可感觉物体的空间位置。二、人眼的调节远点Sfo:眼肌松驰，水晶体两曲面曲率半径最大时，能在视网膜上成清晰像的物到眼的距离。近点Sno:眼肌收缩，水晶体两曲面曲率半径最小时，能在视网膜上成清晰像的物到眼的距离。明视距离Sms:在合适照明下，一般人眼看眼前25cm处的物不费力，很舒适,且能看清物体的细节，这个距离称为明视距离。正常眼：Sfo；心，Sno25cm成因是眼球变短等，老年人多半是远视眼(也称老花眼)三、非常眼的校正1. 近视眼：眼前加凹透镜，使有限远的远点恢复到无限远。例：一近视眼的远点为1m问需配多少度
3、的眼镜。解由题设可知：S=二,SJ1m111故1D二-100度css2. 远视眼：眼前加凸透镜，使近点移近到离眼为明视距离处。例：一近视眼的近点为1.5m，问看近物时需戴多少度的眼镜。解由题设可知：S=-0.25m,SQ1.5m111故3.3D二330度rss若Sn。：，则G-5=4D=400度，故理论上无高度远视眼3*.校正后调节范围的变化A.近视眼（设Sf。=1m,Sn。=01m）:设眼球的折射率为n，眼球的长度为S，视近物时眼球的光焦度为no，则不戴镜时：一=门NOSSnon*1戴镜时：一一：NOsSNo11故，Sno-0.11mSNosno即近视眼戴眼镜后也可看近处的物，调节范围变大。
4、B.远视眼（设Sfo=，Sno1.5m）:设眼球的折射率为n，眼球的长度为不戴镜时：弄圭oS，视远物时眼球的光焦度为“FO，则戴镜时：伙1SFO=FO：J故=11s，SFOSfoSfo戴镜时：伙1SFO=FO：J故=11s，SFOSfoSfo10.3m即远视眼戴眼镜后不再可看远处的物，调节范围变小。4.散光眼及其校正成因：角膜或水晶体的曲面是椭球面（或其他球面）。正规散光眼：角膜或水晶体的曲面的最大曲率的截面垂直于最小曲率的截面，可用柱面透镜校正。非正规散光眼：角膜或水晶体的曲面无规则，一般无法校正。近视散光或远视散光眼：可用球-柱透镜（或椭球面透镜）校正。另外，配戴眼镜要注意选择适当的镜架，
5、以便瞳距（5664mm）适合；戴镜时镜到眼的距离应适当（15.6mm），以便近似不变。2助视仪器的放大本领1.放大本领M:用助视仪器观察物时像对人眼的张角U，与不用助视仪器且物在像的位置时物对人眼的张角U之比。注意式中U、u并非共轭量。2.放大镜的放大本领从图可得,从图可得,-Sy-fU0.25Uf3目镜为了提高放大本领而又不产生过大的像差，可采用目镜装置。常见的目镜有惠更斯目镜和冉斯登目镜。1. 惠更斯目镜结构：由两块平凸透镜构成，凸面向物方，fi丄3a，fa，两透镜的间隔1df2很小，人列-ff2S:l，故“-”号表示显微镜放大后的像是倒立的。实际上，也可将物镜和目镜组成一复合光具组，并将
6、它视为一简单的放大镜，则5望远镜的放大本领常见的望远镜有开普勒望远镜和伽利略望远镜。也分别称为天文望远镜和景物望远镜。一、开普勒望远镜结构和光路：物镜和目镜均为凸透镜，物镜的F1与目镜的F2重合。光路如图所示。放大本领：U-，-U=U-flf2二、伽利略望远镜结构和光路：物镜为凸透镜，目镜为凹透镜，物镜的F与目镜的F2重合。光路如图所示。放大本领：同（一）得，6光瞳一、光栏及其分类光栏：光学系统中限制光束的屏的开口，以及光学元件的边缘。光栏分为有效光栏和视场光栏。二、有效光栏1. 定义：在光学系统在限制入射光束最起作用的光栏称为有效光栏。2例：（1）P在F右侧的两透镜L2起限制光束的作用是有效
7、光栏。如图所示。（2）P在F左侧的两透镜Li起限制光束的作用是有效光栏。如图所示。（3）人眼的瞳孔；像机的光圈；望远镜的物镜孔经是有效光栏。3.有效光栏的作用（1）限制光能流；（2）改变景深；（3）减小像差。4.有效光栏的确定法每一个光栏对其前面的光学系统成像，找出各像中对物平面与主轴的交点的张角最小的像，其相应的光栏即为有效光栏。三、光瞳a. 入射光瞳：有效光栏对其前面的光学系统所成的像；如图所示。b. 出射光瞳：有效光栏对其后面的光学系统所成的像；如图所示。c. 光瞳的性质：光瞳可能是实像，也可能是虚像；若有效光栏在整个光学系统的最前面，则它和入射光瞳重合；若有效光栏在整个光学系统的最后面
8、，则它和出射光瞳重合；若光学系统是一简单的薄透镜则有效光栏、入射光瞳、出射光瞳同为透镜边缘。d. 入射孔径角：物平面与主轴的交点对入射光瞳半径两端所张的角。e. 出射孔径角：像平面与主轴的交点对出射光瞳半径两端所张的角。6光能量的传播一、辐射通量和视见函数辐射通量：单位时间内，面光源dS向所有方向辐射出来的所有波长的光能量，即辐射功率:.dS辐射出来的波长在小间的光的辐射功率总辐射通量其中e,是单位时间内、面光源dS辐射的波长附近单位波长间隔内的光能量，称为分布函数，它表征了光源的发光特性。1. 视见函数V.:人眼对各种波长的光的平均相对灵敏度函数。实验证明：在较亮环境中，人眼对波长为5550
9、几的黄绿光最敏感，对其它波长的光敏感性较差，对红外光和紫外光则无感觉。定义：其中，；5550为产生同样亮暗感觉，波长为的光所需要的辐射通量。V般不能用初等函数表示，右图给出了它的图线。V.也可从数值表中查到。在较暗环境中，视见函数的极大值向短波（蓝色）方向移动。如图中虚线所示。二、光通量辐射通量与视见函数的乘积G.它表征了光源表面的客观辐射通量对人眼所引起的视觉强度。在某一波长，附近、d波长间隔内的光，其光通量总光通量三、发光强度点光源在单位立体角内发出的光通量的数值II表征光源在一定方向范围内发出的可见光辐射的强弱。I随空间方向而异,II于:.在球坐标（r,v,：:）中总光通量对均匀发光体I
10、=constant,故=4二I.四、照度落在受照物体单位面积上的光通量的数值EE表征受照面被照明的程度。对点光源，d二Id，故其中，R为点光源距d二中心的距离，：为光束的轴线与d二的法线的夹角五、亮度郎伯定律：发光体S在立体角d1中发射出的光通量正比于d1和发光体的表观面积dScosvdScosM其中，二为dS的法线与光束轴线间的夹角；比例系数B称为亮度，它表征发光面的发光强弱，即单位表观面积的光源表面在法线方向的单位立体角内辐射出的光通亮郎伯光源（余弦辐射体）：遵循郎伯定律的光源。多数光源是郎伯光源，但定向辐射体（如激光）是例外。若B随空间方向而异，B二贝U8物镜的聚光本领聚光本领：光学系统
11、聚集个通量的能力。物镜的聚光本领可用像面上的照度来度量。一、光源较近时的聚光本领如图所示，dS:亮度为B的发光体，光通量为dG，入射光瞳对dS所张的角为2u.在与主轴成ui角的方向上dr内的光通量若dS为郎伯光源，则物空间的光通量同样，像空间的光通量其中，dS是与dS共轭的像面兀，也是郎伯光源为2u.其中，Bo为物或像在真空中时的亮度。设光具组不吸收光能量，则像面上的照度即聚光本领将“nsinu”称为光具组的数值孔由此可见，若：一定，贝UE与“nsinu”成正比。径，记为N.A.（即：NumericalAperture的缩写）二、显微镜的聚光本领在实际观测中，存在临界角ic二sin匹，当半入射
12、孔径角uiC时，物光不能n进入显微镜，为增大u，可在物镜L与盖物片D间加入与L、D相同的油均匀油浸法。此时，三、光源较近时的聚光本领相对孔径在这种情况下，入时孔径角u很小，sinu”constant，:难确定，需另设法计算E.如图所示，AF=BK=d由d：-二BsiAudS得：E=dBsinudS令：p为出瞳直径的横向放大率，则pd从上式可见，E与df2成正比，称d为相对孔径，记为RA（即:RelativeAperture的缩写）望远镜物镜的焦距较大，要求孔径较大方能有较强的聚光本领。若物离物镜很远，则可认为、0,此时四、照像机的聚光本领1. 特性：A.光圈可调，是像机的有效光栏；B.光圈在复
13、合物镜的中间，可认为前后透镜对称，d=d:pdd1故2. 聚光本领拍摄远物时一：:0拍摄近物时1拍摄远物时一：:0拍摄近物时1在同等条件下，拍摄远物时应当用小光圈，而拍摄近物时应当用大光圈。3. F数：相对孔径的倒数F=f.d,通常的像机F=1.4,2,2.8,4,5.6,8,11，16.F增大一档，E减小一倍。4. 景深x如图所示，主体物P前后的物体R、P2所成的像P1、P2，在像面PQ上不是点此时P、P2间的距离称为景深，用x表示。由牛顿公式xx，二ff丄f，22、x二-电x此时P、P2间的距离称为景深，用x表示。由牛顿公式xx，二ff丄f，22、x二-电x得:而是圆斑。若圆斑的尺寸大于像片的分辨率，则像是模糊的；若圆斑的尺寸小于像片的分辨率，则像是清晰的。若圆斑的尺寸恰好等于像片的分辨率，则像还是清晰的，因对一定的像片而言，x为一确定值，固：a. 拍摄远
