5光学仪器的基本原理
光学仪器中的透镜组合与成像原理
光学仪器中的透镜组合与成像原理光学仪器是利用光学原理制造的工具，广泛应用于医学、天文学、企业测量、人机交互等领域。
在这些光学仪器中，透镜组合起着至关重要的作用，它们能够根据不同的需求实现对光的聚焦、分离、放大等功能。
本文将探讨透镜组合与成像原理。
1. 透镜的基本知识透镜是一种光学元件，具有曲面。
根据透镜的形状，可以分为凸透镜和凹透镜。
凸透镜是中间较薄，两边较厚；而凹透镜则是中间较厚，两边较薄。
透镜可以实现光的折射，使光线的传播发生弯曲。
对于凸透镜而言，当光线从凸透镜的一侧射入时，会发生向透镜中心的弯曲；而凹透镜则会将光线向远离透镜中心的一侧进行弯曲。
2. 透镜组合的原理透镜组合是由多个透镜组成的光学系统。
透镜组合的设置是为了实现特定的光学功能，比如放大、聚焦等。
透镜组合可分为串联和并联两种形式。
串联是指将透镜放在同一光路中，光线依次通过每个透镜。
而并联则是指将多个透镜并列放置，光线可以选择通过其中一个透镜。
串联透镜组合的原理是利用每个透镜的折射作用，使得光线按照特定方向进行聚焦。
具体来说，对于两个凸透镜而言，将它们按一定的间距摆放好，当光线从第一个透镜射入时，会被第一个透镜聚焦，并成为第二个透镜的入射光。
第二个透镜再次将光线聚焦，从而获得更强的放大效果。
并联透镜组合的原理是利用不同透镜的特性来实现特定的光学功能。
例如，在显微镜中，使用并联透镜来放大样本。
通过将多个透镜并联放置，可以逐级放大样本图像，使其更清晰，细节更加可见。
3. 透镜组合与成像原理透镜组合在成像中起着至关重要的作用。
透镜组合的不同布局可以改变光线的聚焦和分离，从而实现对图像的成像和观察。
例如，在望远镜中，通过凸透镜和凹透镜的组合，可以将远处的物体聚焦到一个点上。
望远镜的工作原理是利用凸透镜将光线聚焦，然后使用凹透镜将光线进行分离，形成清晰的放大图像。
类似地，在放大镜中使用透镜组合将光线聚焦，使得观察者能够看到更放大的图像。
放大镜的原理是将物体放置在透镜的远焦点处，使物体重新成像，从而放大图像。
基本助视光学仪器的基本原理和结构
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第二章光学仪器的基本原理
第二章光学仪器的基本原理§1 光阑透镜、反射镜和棱镜等光学元件的框架都有一定的尺寸大小。
它们必然限制成像光束的截面。
有些成像系统为了限制成像光束的截面，还特别附加有一定形状的开孔屏。
我们定义，凡是在光学系统中起拦光作用的光学元件的边框和特加的有一定形状的孔屏统称为光阑。
一、孔径光阑入射光瞳和出射光瞳在实际光学系统中，不论有多少个光阑，一般来说，其中只有一个为孔径光阑，它起着控制进入光学系统的光能量的多少、成像质量以及物空间的深度等作用，故有时也称有效光阑。
研究实际物体对光学系统的孔径光阑的问题十分复杂，很难普遍讨论。
下面仅对轴上物点分析光学系统中对成像起限制作用的孔径光阑。
图2-1中MN为薄透镜L的边缘，AB为开有圆孔的光阑。
在这一系统中，有两个光阑：透镜的框边和光阑AB。
依图2-1所示，这两个光阑中对光线起限制作用的是光阑AB，因此光阑AB是该光学系统的孔径光阑。
轴上物点的位置不同，也会影响孔径光阑，如图2-2所示的光学系统中包括透镜L和开孔屏D，它们都是光阑。
若轴上物点位于Q1点，系统中对成像光束起最大限制作用的是孔屏D。
因此，D是系统对Q1处的物点的孔径光阑。
同样是这个光学系统，若物点放在Q2处，则对成像光束起最大限制作用的是透镜L的边框，因此L是Q2物点的孔径光阑。
找到了孔径光阑，一般情况下还不能直接找出其成像光束通过光学系统的孔径角。
换句话说，给定的轴上物点对孔径光阑的张角并不是实际通过光学系统的光束的孔径角。
产生这种结果的原因是在孔径光阑前后可能还存在其它透镜，对光束起折射作用。
为此我们需要引入入射光瞳和出射光瞳两个新概念。
在图2-3中，有三个光阑：L1边框、AB孔径和L2边框。
对光线起有效控制的是AB光阑。
因此AB是孔径光阑。
A′B′是AB经前方透镜L1所成的像，显然物点Q发出的能够通过光学系统的光束，对L1的最大张角正是物点对A′B′的孔径角。
定义A′B′为入射光瞳。
同理，孔径光阑AB经后方透镜L2所成的像对像点Q′的孔径角为出射光束的最大孔径角，定义这个像A″B″为光学系统的出射光瞳。
光学基本仪器实验报告
实验报告实验名称：光学基本仪器实验实验日期：____年__月__日实验地点：____实验室实验人员：____（姓名）、____（姓名）、____（姓名）一、实验目的1. 熟悉光学基本仪器的构造、工作原理和使用方法；2. 掌握光学仪器的调节和操作技巧；3. 通过实验验证光学原理，加深对光学知识点的理解；4. 培养团队协作能力和实验技能。
二、实验原理光学基本仪器实验主要涉及以下几种光学原理：1. 光的直线传播：光在同一种均匀介质中沿直线传播；2. 光的反射：光线从一种介质射向另一种介质时，在界面处发生反射；3. 光的折射：光线从一种介质射向另一种介质时，在界面处发生折射；4. 光的干涉：两束相干光相遇时，光波叠加产生的现象；5. 光的衍射：光波遇到障碍物或通过狭缝时，在障碍物边缘或狭缝后发生弯曲的现象。
三、实验仪器1. 平行光管：产生平行光束，用于测量透镜焦距等实验；2. 透镜：具有会聚或发散光线的作用，用于成像、聚焦等实验；3. 双棱镜：利用光的折射和反射原理，产生分光现象；4. 干涉仪：利用光的干涉原理，测量光波波长、光程差等；5. 衍射光栅：利用光的衍射原理，进行光谱分析等；6. 光具座：用于放置光学仪器，保证实验过程中的稳定性；7. 读数显微镜：用于测量微小长度、角度等；8. 其他辅助工具：如光源、白屏、狭缝等。
四、实验内容1. 平行光管实验：测量透镜焦距、调节自准直方法等；2. 双棱镜实验：观察光的折射和反射现象，测量光程差等；3. 干涉实验：观察双光束干涉现象，测量光波波长；4. 衍射光栅实验：观察光的衍射现象，进行光谱分析；5. 光学显微镜实验：观察显微镜的成像原理，测量物体尺寸等。
五、实验步骤及结果1. 平行光管实验：（1）将平行光管放置在光具座上，调整光源使其发出平行光；（2）将待测透镜放置在平行光管的光路中，调整透镜位置，使光束聚焦在白屏上；（3）测量透镜到白屏的距离，即为透镜焦距；（4）重复实验，求平均值。
现代光学基础课件：第四章 光学仪器的基本原理
• 放大镜放大率的公式，通常采用以下形式
M 250 f'
• 放大镜的放大率仅由放大镜的焦距f ′ 所决定，焦 距越大则放大率越小。
§4-3 目 镜
放大镜是一种通过直接放大实物达到增大视角的助视仪器。下面将介绍 一种放大像的助视仪器——目镜。 一、目镜
• 由于场镜的物为虚物，所以这种目镜无法对物镜所成的像进行测量。
• 此目镜的视角较大（可达400），在250范围内像更清晰。而且结构 紧凑，适用于生物显微镜。
2、冉斯登目镜 1
Q 'Q
2
⑴ 结构：如图示 3
⑵ 特点：
F2 F
o1
• 场镜、视镜均为同种材
3
F1' 3
o2
2
2
料的平凸透镜，二镜凸 面相向，平面朝外。
网膜 脉络膜 黄斑中心凹
前室
晶状体
盲斑
总能将像成在网膜上。
后室
角膜和晶状体之间的空间称为前室；充满1.336的水状液；
晶状体和网膜所包围的空间称为后室;充满1.336的玻状体
人眼的构造剖视图
瞳孔 虹膜 角膜
1.376
前室
1.336
晶状体
巩膜
网膜 脉络膜 黄斑中心凹
视轴
光轴
盲斑
后室 1.336
眼睛的像方节点与中心凹的连线为眼睛的视轴, 在观察物 体时眼睛本能地把物体瞄准在这根轴上。
x'
f1' f1'
• 物镜的像被目镜放大，其放大率为
Me
250 f2 '
• 式中： f2' 为目镜的焦距。由此，显微镜系统的
光学仪器的基本原理 光度学的基本概念
正常眼明视距离为25cm
一.放大本领定义
l ' tgu' u '
M
l tgu u
二.简单放大镜的放大本领
M
y s
y 25
y f 25
y 25 f
以cm为单位
一般3~5×复式放大镜可达20× ,物放在焦点内侧，成一放大正立虚象
三.显微镜的放大本领
书上导出方法可得 M
1
2
三.光源较远时物镜的聚光本领·相对孔径
E
d ds
B0n2
sin 2
u
代换 sin u
sin u
d x
2 x p
x xp
f
x f
x p f
f
p
∵ x
f
为物象的横向放大率 E' B0n'2 sin 2 u' B0n'2
4
d pd
1 4
B0 n' 2
2 p
d
第四章 光学仪器的基本原理
教学目的：
本章围绕衡量光学仪器特性的三个本领进行教学。通过本章的 学习，使学生掌握仪器常用的放大本领。了解仪器的震光本领及其 相关因素。使学生了解光度学中的一些基本概念，了解相差的一些 类型及成因 .
重点：放大本领和分辨本领 难点：光度学中的概念 教学方法：课堂讲授、结合仪器演示
d/ f'
显微镜物镜：象分辨本领 y' 1.22 s'
d
yn sin u y'n'sin u'
y 1 0.61 小y小
n sin u
三.分光仪器的色分辨本领
1.棱镜光谱仪 角色散率
第4章光学仪器的基本原理(第1讲)
为f ’： 1 1 1 f ' 2(m)
f ' s' s
光焦度 ： 1 0.5(D)
f'
50度的近视眼镜。
§4.1 人的眼睛
第四章 光学仪器的基本原理
2、远视眼的矫正
方法：使放在明视距离处的物体经 凸透镜成像在被矫正眼的近点上。
例子 某人的近点为50cm。应戴 的凸透镜的焦距f ’ 为：
放大本领 、聚光本领、分辨本领
§4.1 人的眼睛
一、人眼的构造
1、从前到后，角膜前 房虹膜（中心为瞳 孔）晶状体玻璃 体视网膜。
2、眼睛有视觉暂留作用， 时间一般为简化眼模型
人眼可视为只有一个折射球面的简化眼。曲率半径为 5.7 mm；眼折射率为4/3；光焦度为58.48 m-1;物方焦距为17.1 mm；像方焦距为22.8 mm。
§4.1 人的眼睛
第四章 光学仪器的基本原理
三、非正常眼的矫正
睫状肌完全放松时，眼睛看清楚的最远点，称远点；肌 肉最紧张时看清的最近点，称近点。
远点为无穷远处，近点则为25 cm。
1、近视眼的矫正
方法：戴凹透镜，使无穷远处的
物体经凹透镜发散成一虚像在有限
远处，从而看清远物
例子 如某人近视眼的远点在2m，则应戴凹透镜，其焦距
1 1 1 f ' 50(cm) f ' s' s
光焦度： 1 2(D) 即200度的远视眼镜。
f'
3、散光眼
散光眼轴上的物点将成为两条像线，矫正的方法是戴一 柱状透镜，使其与眼的像散作用相反而相互抵消。
§4.1 人的眼睛
第四章 光学仪器的基本原理
第四章 光学仪器的基本原理
光学仪器的基本原理教学
光学仪器的基本原理教学光学仪器是一类广泛应用于光学实验和研究中的仪器设备，包括光学显微镜、光谱仪、干涉仪、激光仪等。
这些仪器的工作原理涉及光的传播、反射、折射、干涉等基本原理。
下面将分别介绍几种常见光学仪器的基本原理。
1.光学显微镜光学显微镜是一种基于光的成像原理实现对样品的观察和分析的仪器。
它包括物镜和目镜两个光学部件。
物镜负责放大样品的像，目镜负责将放大后的像再放大一次供观察者观察。
光学显微镜的基本原理是利用物镜收集的透过样品的光线，通过放大形成透射或反射样品的像。
物镜由一个或多个透镜组成，其中至少有一个透镜靠近样品。
物镜的工作距离决定了样品与物镜之间的距离。
在使用光学显微镜时，样品放置在物镜的焦点处，使得物镜成像距焦点最近。
光线通过样品后被物镜聚焦，形成实物像。
然后通过目镜观察这个实物像，再经过进一步放大，形成最终观察者所看到的虚拟像。
2.光谱仪光谱仪是一种用来分析和测量光的频率、波长和强度分布的仪器。
它是基于光的色散原理工作的，将光按波长分解成不同的光谱线。
光谱仪的基本原理是将出射光经过准直系统后，通过光栅、光晶体或玻璃棱镜将光分散成不同波长的光谱线，然后使用光电探测器测量不同波长的光的强度。
其中光栅是最常用的色散元件。
当入射平行光线通过光栅时，不同波长的光线会在光栅上发生衍射，形成交叉的光束。
测量仪器通过调整光栅的角度，可以使不同波长的光落在特定位置上，然后通过光电二极管等探测器测量光的强度，进而获取光的光谱信息。
3.干涉仪干涉仪是一种用来测量光路差和波长差的仪器。
它是基于干涉现象实现的，利用光的叠加作用实现干涉现象。
常见的干涉仪有马赫-曾德尔干涉仪和弗朗索瓦干涉仪。
它们的基本原理类似，在光路中引入一个光学路径差，使得途径不同路径的光线发生干涉，产生干涉条纹。
马赫-曾德尔干涉仪是通过将光源分成两束，经过不同路径后再重新叠加，观察干涉条纹来测量光程差的变化。
弗朗索瓦干涉仪则是利用分束器和反射镜使一束光经过不同路径后再次叠加，通过干涉条纹测量光波的相位差。
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• 成虚像的光学仪器 — 助视仪器。如放大镜、显微镜、 望远镜。
理论基础 • 主要：几何光学基本原理。 • 其它：衍射理论、加工工艺学、材料科学等。
实际光学仪器 1、理想成像的要求：
• 近轴：近轴物点、近轴光线 • 单色：物体所发光线是单色的
n′ 解⑴：已知n=1.0, n′=1.33, r=5.7mm
n n r
1.33 1.0 5.7 103
58.42
(D)
r
f n r 1.0 5.7 17.12 (mm) n n 1.331.0
f n r 1.33 5.7 22.82 (mm) n n 1.331.0
人眼的调节功能
矫正前
P
O
F
远点
O
F
远物
P O
远点
F
矫正后
例 一个远点为0.2m的近视眼戴上眼镜后远点可恢复到无穷 远。求所戴眼镜的光焦度。
[解] :已知
s s' 0.2m
由空气中的高斯公式
1 s'
1 s
1 f'
有:
1 f'
1 1 s' s
1 s'
1 5 (D) 500 (度) 0.2
② 远视眼：近点比正常眼远的人眼
1.巩膜：白色坚韧, 厚0.4~0.8mm
12.黄斑点 直径:2mm
13.中央窝:最 敏感直径 0.25mm
11.盲点:不 引起视觉
10.视网膜: 视神经网
9.后房
液—玻璃
●
体:含大量
水份胶状
物,折射率
1.336
14.视神经
6.水晶体—眼珠,折射率为1.42的胶 状物,前后曲面半径:10mm,6mm
特点：晶状体曲率半径比正常眼大；像方焦点在视网膜后，焦距长。
近点
O
明视距离
O
F 矫正前
F
近点 明视距离
O
F
矫正后
例 求一个近点为125cm的远视眼所戴眼镜的光焦度.
近点 明视距离
O
F
s' s
[解] : 对所戴凸透镜而言,已知 s 0.25m s' 1.25m
由空气中的透镜成像公式有 :
1 f'
④ 适当照明下，正常眼观察眼前25cm处的物体是轻松的，且能看清物体的 细节。称25cm为明视距离。 因此，在设计和使用助视仪器时一般都使虚像成于明视距离、无穷 远处或其间的某一位置处。
3、人眼的缺陷及矫正——被动调节：外加辅助仪器改变焦距的过程。 具备完善的自调节功能的人眼称为正常眼；反之，称为非正常眼。 ① 近视眼：远点在有限远处的人眼。 特点：晶状体曲率半径比正常眼小，外形凸出；像方焦点在视网膜 前，焦距短。
• 近点：人眼能看清楚的最近点。人眼看近点处的物体时，睫状肌处于 最紧张的状态，晶状体曲面的曲率半径最小。
② 人眼疲劳程度与睫状肌的松紧程度有关： 看远物时，肌肉松驰，不易疲劳；看近物时，肌肉紧张，容易疲劳。
③ 近点、远点和调节范围随年龄的增长而变化；
近点变远：幼年—7~8cm；中年—25cm；老年—1~2m。 远点变近：幼年—无限远；老年—数米。 随年龄的增长，肌肉老化，自调节范围变窄。
1 s'
1 1 1 3.2(D) 320(度) s 1.25 0.25
③ 散光眼：角膜为椭球面的人眼。也称为像散眼。
• 由于椭球有两个对称平面，分别包含长、短轴，因而具有两个不同的焦 距。主轴上的一个物点将成两条像线。——像散。
• 矫正方法：戴柱面透镜。利用其像散作用，与散光眼的像散相抵消。
y'
Q’
• 说明：
Q
A、在人眼的可调节范围内 y
U
s' const P F
B : y' U
s
C :当 s 一定时,U y
∴像的清晰度与像面亮度、分辨本领不能同时兼得，而矛盾不可避免。 因而，实际光学仪器要根据用途，权衡轻重，有针对性地进行设计制造。 Nhomakorabea构造
7.睫状肌 2.角膜：透明，
R:8mm
8.前房液— 水状体:淡盐 溶液,折射率
1.337
5.瞳孔：直径： 1.4~8mm 4.虹膜：带色的彩带
人眼
3.脉络膜： 黑色不透光
实际光学仪器情况：非近轴和复色光。会造成如下矛盾：
2、两大矛盾 ① 像的清晰度与像场能量聚集程度的矛盾
• 几何光学观点：必须满足单色、近轴条件 ∵ 复色→色差 非近轴→像差
• 能量观点：不宜限于近轴区域。 要得明亮像，必须使进入光学仪器的光束尽量宽。
② 成像清晰度与细节分辨程度的矛盾 • 几何光学观点：减小像差→满足近轴条件 • 波动光学观点：光线越近轴→光束受限越紧→衍射越明显→ 像的清晰度越低
• 近视（或远视）+散光：戴一付一面为球面、一面为柱面的透镜。球面 用于矫正 近（远）视，柱面用于矫正散光。
人眼的视角
定义：被观察物对人眼光心的张角称为人眼的视角。
• 人眼对物体大小的感觉是以 Q
该物体在视网膜上所成像对光 y
心所张角度的大小衡量的。
U
• 表达式：
P
F
U
y s
y' s'
s
O
s'
F‘ P‘
第四章 光学仪器的基本原理
• 助视仪器的放大本领 • 显微镜的放大本领 • 望远镜的放大本领 • 光阑 光瞳 • 光度学概要 • 物镜的聚光本领 • 助视仪器的像分辨本领 • 分光仪器的色分辨本领
概述
光学仪器及分类 1、定义：多种光学元件按一定的要求组成的系统。
2、分类：
• 按性能：显微镜、望远镜、照像机和分光镜 • 按成像性质：
1、定义：为使不同距离的物体都能在视网膜上成清晰像而改变眼睛的焦 距的过程。
人眼的调节方式有两种：自动调节（自调节）和被动调节（矫正）。
2、自调节：正常人眼靠睫状肌的松驰或紧张来改变晶状体的曲率半径，从 而改变人眼焦距的过程。是人眼自动完成的。
说明：
① 自调节有一定的限度：近点和远点之间。 • 远点：人眼能看清楚的最远点。人眼看远点处的物体时，睫状肌处于 完全松驰的状态，晶状体曲面的曲率半径最大。
高尔斯特兰简化眼
人眼是一个由角膜、水状液、晶状体和玻璃液所组成的， 物、像方折射率近似相等的，可变焦距的，共轴复杂光学系 统（光具组）。它能在视网膜上清晰成像。
它是一个能自动调节有精密的光学仪器。其结构相当复 杂。在许多情况下将其简化成如下的模型：
n=1.336
F
C
F′
17mm
17mm
5.7mm
例题:从几何光学的角度来看，人眼可简化为高尔斯特兰简化眼 模型。这种模型将人眼成像归结成一个曲率半径为5.7mm、 媒质折射率为1.33的单球面折射成像。试求这种简化眼的焦点 位置和焦度。