光学仪器的基本原理 光度学的基本概念
第4章 光学仪器的基本原理
L2
RD
P
1
y
1
f
1
0.61
R
1.22
D
中央明纹的半角宽度
I
b
1
o
f
sin
中央明条纹的半角宽度
b
∴ 在像面上清晰地反映物面的细节是不可能的。
1.瑞利判据
（2） f1'
越长,
f
' 2
越短,
M越大。
开普勒望远镜与伽利略望远镜的比较
（1）开普勒望远镜目镜的物方焦平面在镜筒内，可以放置 分划板，叉丝进行测量；伽利略望远镜则不能。 （2）开普勒望远镜，眼睛的位置O在镜筒之外，望远镜的 视场较大。伽利略望远镜，眼睛的位置O理论上位于镜筒之 内，实际进入眼睛的光束范围受到限制，故视场较小； （3）开普勒望远镜，镜筒长度 L= f1’+ f2’，镜筒较长。伽 利略望远镜，镜筒长度 L = f1’+f2’= f1’-f2 ，镜筒较短。
sin i2
2
2
2.单缝衍射条纹角宽度
中央明纹
0
2
b
其他明纹
b
中央明纹半角宽度
3.光栅衍射谱线半角宽度
Nd cos
4.瑞利判据
对于两个衍射光斑，当一个中央亮斑的最大值位置恰 和另一个中央亮斑的最小值位置重合时，两个像刚好能被 分辨开。
§4.11 分光仪器的色分辨本领
零、相关概念
1.角色散率
3.总结
在实际的光学仪器中，像的清晰度与像面亮度、细节分 辨程度的矛盾是不可避免。
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。
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
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
大学《光学》复习要点
,R kN kN
15、光学仪器的像分辨本领：
艾里斑：
1.22
D
, D 2a
D
瑞利判据： m 1.22
16、马吕斯定律： E E E0 cos
I I 0 cos
2
IM Im I P IP 17、偏振度： P IM Im Fra bibliotek In IP
18、巴比涅原理 19、瑞利判据 20、马吕斯定律 21、布儒斯特定律 22、光的偏振态：自然光、线偏振光、 部分偏振光、圆偏振光、椭圆偏振光 23、双折射：o光和e光 24、光的本性
二、基本公式及知识点
sin i1 n2 n12 1、折射定律： sin i2 n1 n i c arcsin 2 , n1 n 2 n 2、全反射： 1 min sin 2 n
2f
暗纹条件：sin
14、多缝夫琅和费衍射和光栅： 多缝衍射的强度公式：
d sin N 2 a sin ， I I0 ( ) ( ) sin ， sin
2
sin
暗纹条件：
m d sin ( k ) N
k 0, 1, 2, 3, m 1, 2,3, , N 1
2
L
4 nh cos i
I0 IR (1 R)2 1 4 R sin 2 ( / 2)
半角宽的具体计算:
1 R ik 4 nh sin ik 2 nh sin ik R
12、菲涅耳圆孔衍射和圆屏衍射： 1 半波带法： A( P0 ) [ A1 (1)( n 1) An ] 2 矢量图解法：
光学仪器的基本基本原理
1、近点、远点、明视距离
幼年 中年 老年
近点 7—8厘米 25厘米 1—2米
远点 无限远
几米
明视距离：25厘米
第四章光学仪器的基本基本原理
2、人眼的矫正
近视眼：远点不在∞，变近了 远视眼（老花眼）：近点大于明视距离
矫正：戴一凹透镜将∞处的物 矫正：戴一凸透镜将明视距离上
成像于其能看到的远点。
的物成像于其能看到的近点上。
电子： 0.1A 1A （10 -2 10 -1 nm）
所以电子显微镜分辨本领很高，可观察物质 的结构。
1981年联邦德国宾尼格和瑞士罗雷尔 发明了遂道效应电子显微镜，并获1986年 诺贝尔物理奖。
第四章光学仪器的基本基本原理
例题
1、在迎面驶来的汽车上，两盏前灯相 120cm。 试问汽车离人多远的地方，眼睛恰能分辩这 两盏前灯？设夜间人眼瞳孔直径为 5.0mm ， 入射光波长为 550nm，而且仅考虑人眼瞳孔的 衍射效应。
Q 1、物 Q距 F1很近，从而得到尽量大的实像 Q 。
2、目镜最后成的像 Q（ 虚像）处于明视距离上。
因为f1′ 、f2′要求第很四章小光学， 仪器的故基s本′基≈本原x理′≈ ≈l（镜筒长）
二、显微镜的放大本领
s ≈ f1 、
y y
s s
≈
s f1
（ -sf1）
s -
f1
y
≈- y
s f1
、f1要尽量小
（-U′′）= -
fy1′sf′2′、M
U U
25s f1 f2
s ≈x ≈ ≈l（镜筒长）
M
≈（- 25l）（f1 f2
xf1第四）章光（学仪2器f5的2基）本≈基本原物理 M目
工程光学笔记总结
工程光学笔记总结一、几何光学基本定律与成像概念。
1. 直线传播定律。
- 光在均匀介质中沿直线传播。
例如小孔成像现象，就是光直线传播的体现。
- 应用：针孔相机的原理就是基于光的直线传播，光线通过小孔在成像面上形成倒立的实像。
2. 独立传播定律。
- 不同光线在空间相遇后互不干扰，各自沿原方向传播。
- 例如多束光在空间交叉时，每束光的传播路径不会因为其他光线的存在而改变。
3. 反射定律。
- 反射光线位于入射光线和法线所决定的平面内；反射光线和入射光线分别位于法线的两侧；反射角等于入射角，即i = i'。
- 在平面镜成像中，像与物关于镜面对称，这是反射定律的重要应用。
4. 折射定律。
- n_1sinθ_1=n_2sinθ_2，其中n_1、n_2分别是两种介质的折射率，θ_1是入射角，θ_2是折射角。
- 全反射现象：当光线从光密介质射向光疏介质，且入射角大于临界角θ_c=arcsin(n_2)/(n_1)时，发生全反射。
光纤通信就是利用了全反射原理，光在光纤内部通过不断全反射来传输信号。
5. 成像概念。
- 物点发出的光线经光学系统后，重新会聚于一点（实像）或光线的反向延长线会聚于一点（虚像）。
- 像的大小、正倒、虚实等性质取决于光学系统的特性和物像之间的相对位置。
二、理想光学系统。
1. 基点和基面。
- 焦点（F,F'）：平行于光轴的光线经光学系统后会聚（或其反向延长线会聚）的点。
- 主点（H,H'）：物方主点和像方主点，通过主点的光线方向不变。
- 节点（N,N'）：通过节点的光线，其出射光线与入射光线平行。
- 焦平面：过焦点且垂直于光轴的平面。
- 主平面：过主点且垂直于光轴的平面。
2. 成像公式。
- 高斯成像公式(1)/(l')+(1)/(l)=(1)/(f)，其中l为物距，l'为像距，f为焦距。
- 牛顿成像公式xx' = f f'，其中x为物点到物方焦点的距离，x'为像点到像方焦点的距离。
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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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
D d d dn d dn d
2sin A
在最小偏向角时 n
2 sin A
2
d 用上式求出最后得 D d 2sin A 2 dn
二.单色象差
1.球面象差：由于光学面为球面，对宽光束而言，入射光束落在不 同处， 合聚点不同，凹凸透镜球差相反，组合起来能消除球差。
2、惠形象差：不在主轴上物点所发宽光束形成。 3.象散：远离主轴的物点发出的光束经透镜后成为象散光束。 4.相面弯曲 5.畸变
§4-6 仪器的分辨本领
一.助视仪器的分辨本领
若B不随u变及朗伯光源
则 d sin 2 uds
同理 d Bsin 2 uds
∵
B
n 2
B n
∵ ∵
B B B0
n2 n2 1
真空中
d E
d d ds
B sin 2
B0
uds B0n
n 2 sin 2 u
2 sin ds
ds
2
uds
B0 n sin u 2
nsin u 称数值孔径
2
f' p
2
d '2
x'
x
' p
2
4
B0n'2
d f'
2
p
p
2
d
式 中为相对孔径.
f'
E'
d f
'
2
§4-5 象差概述
一.象差的意义：
(可让学生自学)
所有偏离理想成象的现象——象差 理想成象：1.物象点点对应；2.物平面主轴象平面也应主轴;
3.各点放大率应为常数 4.象各部分应有同样的颜色 破坏第4条出现色差
1.定义：两物点所成的象点中心与透镜中心所长之角。
u
1u
2.人眼和助视仪器的分辨本领
分辨本领=1/分辨极限
人眼 5500A0 瞳孔半径 R 0.1cm
1
0.61
R
1'
分辨极限物 y 25 1 0.1mm
物镜分辨本领。
望远镜
y'
f '1
f '0.61
R
1.22
用复合光具组法导出：
系统 f
f1
f
2
l 25
f1
f1ff22
物
M目
l
简单放大率 M 25 f
四.望远镜的放大本领
望远镜无焦系统：放大视角
l f1
M
25
f
2
物 M目
f
1
f 2
§4-2 光度学的基本概念
一.辐射光与辐射能量的分布函数
发光面上向所有方向上辐射包含的波长在单位时间内
d e d 单位时间内辐射的波长在 到 d 内的能量
e d 称分布函数
d
则总通量 e d 0 二.视见函数 人眼对不同波长的光的灵敏度不一样（引起亮度反映）可见光定
义就是从这而来：在3900~7600A0之间人眼有亮度反应5500A0的 绿光人眼最敏感
∴ v 5500
0v 1
引起同样视觉宽度所需通量
三.光通量——主观和客观的结合
六.照度
E d 单位面积受到的光通量
d
I cos
R2
单位：勒克斯lx
4-3 光阑和光瞳 (学生自学)
4-4 物镜的聚光本领
一.聚光本领的描述：用象面照度来定量描述。 二、光源较近时物镜的聚光本领 数值孔径
已知入射孔径角u, 出射孔径角u`,设物镜不吸收光通量
d d
2
u
d 0 d 0 Bds cosu1 sin u1du1
d kmv d k d k 为光谱光视效能。 单位为流明（lm）。km 683lm /W
四.发光强度
I d 单位立体角内辐射的光通量。
d
已知时可求
d Id
Id
单位为坎德拉，基本单位之一。
五.亮度
d B dscosd
d
ds cosd
单位：尼特（nit）
对余选辐射体 I cos ,则 B cos 与 角无关
b d
2.光栅光谱仪 d sin j
光色散率 D d
j
d d cos
j 等于谱线的半角宽度
d cos
Nd cos
P
jN
只与N缝数有关（j一定时）j大级次高，分辨本领大
返回
dn
d 1 n2 sin A 2 d
D 2sin A2 dn 1 n sin 2 d
则可分辨时
1
b
色分辨本领 P 2bsin A 2 dn dn
1 n2 sin 2 A 2 d
d
为棱镜底边长度
dn
讨论：P与A无关，只与
线色散 L
d
Df
'
和
d
有关
f ' dn