第4章 光学仪器的基本原理
光学第四章
Chap.4 Basic Principles of Optical Instrument目的要求：通过本章的学习，使学生：1 、了解人眼的结构和重要性注意保护视力；2、掌握望远镜和显微镜的放大本领，熟悉数值孔径和相对孔径；3、理解入射光瞳、光通量、亮度和照度等概念及物镜的聚光本领；4、了解球差和色差及其矫正方法；5、掌握助视仪器的成象分辨本领和分光仪器的色分辨本领。
重点：望远镜和显微镜的放大本领、助视和分光仪器的分辨本领。
注意：本章与前两章有紧密的联系，它既可以与Chap.2配合出题，又可以和Chap.3配合出题，并可单独出题。
且引入的新知识又很难理解，实际上是前两章的综合应用，在科研、生产等实践中有重要意义。
难点：光栅、光瞳及光度基本概念。
一些知识：1.人的感觉：视觉，听觉，嗅觉，味觉，平衡，运动，机体感觉等。
2.感觉的规律性：韦伯比，常数布格尔-→=∆kIII∆:此时的差别感觉阈限，I:最初刺激物的强度，原刺激量。
重量感觉：k=0.03=3%,即只有当重量增加到3g以上上时，才能感觉到100g的变化。
听觉：k=0.1，味觉：k=0.25，视觉：k=0.01.如：电视机的灰度：8种，实际256种，可见光：7种颜色，实际HZ 1414105.7~109.3⨯⨯ 3.人的视觉：人类从观察世界获得信息70%来自于视觉。
但人的视觉是有限的。
空间分辨能力、时间分辨能力、光谱响应范围、强度感受能力。
4.光学仪器：为了提高人的视觉能力，借助于光学仪器：平面镜、球面镜、透镜等组成。
其基本概念前面已用过，条件限制（近轴物、近轴光线）。
此时遇到两类矛盾：a. 成象放大后的清晰度与象场能量聚集程度之间的关系、色差、相差等。
b. 成象清晰度与细节分辨程度的关系。
如衍射与相差等。
放大本领、聚光本领、分辨本领。
§4-1 人的眼睛一、人眼的结构≈球形，D ≈2.4cm 外：巩膜 二、 简化眼. 眼珠共轴光具组——只有一个折射球面的简化眼。
第四章-光学仪器
第四章-光学仪器第四章 光学仪器的基本原理1 眼睛的构造简单地可用一折射球面来表示，其曲率半径为 5.55mm ，内部为折射率等于4/3的液体，外部是空气，其折射率近似等于1，试计算眼球的两个焦距。
用肉眼来观察月球时，月球对眼睛的张角为10，问视网膜上月球的象有多大？解：(1)根据单球面折射系统焦距的计算公式：r n n n f -''=' r nn n f -'-= 已知：n=1、n ＇=4/3、r=5.55mm ，代入公式，得：象方焦距：f ＇=22.2mm 物方焦距：f=-16.7mm（2）月球对眼睛的张角：U=10，在眼睛内，张角为U ＇ 在角度不太大时，折射定律：nsinU=n ＇sinU ＇可近似写为：nU=n ＇U ＇视网膜上的象长：cm n n Uf U f L 031.01801432.2200=⨯⨯⨯=''=''='π附：若简单计算，cm U f L 029.018012.2200=⨯⨯='='π2 把人眼的晶状体看成距视网膜2cm 的一个简单透镜，有人能看清距离在100cm 到300cm 间的物体。
试问：（1）此人看清远点和近点时，眼睛透镜的焦距是多少？（2）为看清25cm 远的物体，需配戴怎样的眼镜？解：（1）设看清近点100cm 处的物体，眼睛的焦距为f 1＇， 此时，物距：s=-100cm 、象距：s ＇=2cm由：f s s '=-'111 解出：f 1＇=1.961cm 设看清远点300cm 处的物体，眼睛的焦距为f 2＇， 此时，物距：s=-300cm 、象距：s ＇=2cm65.1655.51341-=⨯--=-'-=r nn n f 毫米=-1.665厘米20.255.513434=⨯-=-''-='r nn n f 毫米=2.22厘米若月球的张角为10，考虑到折射定律，则θθn nd d y '⋅='⋅='将2.2,34,1,1801=='==︒=d n n πθ厘米代入上式，得 29.01803412.2=⋅='πy 毫米8 冉斯登目镜由两个同种玻璃的平凸透镜组成，两者焦距均为36毫米，若两透镜间的距为28毫米。
光学教程第四章复习
P
f
s
Q
y
U
O l
凸透镜的放大本领：
U 25cm M U f
P
25cm
11:15
7
3.两种主要目镜的介绍
• 作用：放大其它光具组的像，从而增大视角。
Q
3
Q
3.1 惠更斯目镜
1
2
3
O1 F2
F
2 1
O2 F2 F1
3 2 1
场镜
视镜
3.2 冉斯登目镜
1 2 3
d
jN
-6
-5
-4
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
5
6
sin
11:15
21
近点
O
F‘
矫正前
明视距离 F‘
O
近点
明视距离
O
F‘
矫正后
11:15
5
二.助视仪器的放大本领 1.放大本领的定义
在眼睛前配备助视仪器 时，若线状物体通过光 学仪器和眼睛构成的光 具组在视网膜上面形成 的像长度为 l 。而没有 配备这种仪器时，通过 眼睛观察放在助视仪器 原来所成虚像平面上的 同一物，在视网膜上面 所成像的长度为 l 。那 么 l 与 l 之比称为助视 仪器的放大本领。
11:15
{
远物 E
'
' 4 f 2 L0 d ' ' 近物 E 16 f
L0 d
2
16
四、分辨本领
4.1助视仪器的分辨本领
U 1
Q
P
U
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。
第四章光学仪器
解:因最后形成的象在无穷远处，说明
物镜成的象在目镜的物方焦平面上。
已知：f2＇=2cm、f１'＝0．5cm、L=22ｃm
物镜所成象的象距:s１'= L-ｆ２＇=20cm
第四章-光学仪器
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第四章光学仪器的基本原理
１ 眼睛的构造简单地可用一折射球面来表示，其曲率半径为5.55mm，内部为折射率等于４/3的液体,外部是空气，其折射率近似等于1,试计算眼球的两个焦距。用肉眼来观察月球时,月球对眼睛的张角为１０,问视网膜上月球的象有多大？
毫米
(２)显微镜的放大本领
由 和 及物镜的横向放大率公式可得
而目镜的放大本领为
所以显微镜的放大本领为
12 一架伽利略望远镜,物镜和目镜之间距离为1２厘米。若该望远镜的放大本领为４,试求物镜和目镜的焦距各是多少？
解:伽里略望远镜是用发散透镜来做目镜的，且物镜的象方焦点和目镜的物方焦点相重合。故由已知条件可得
附:若简单计算，
2 把人眼的晶状体看成距视网膜2cm的一个简单透镜，有人能看清距离在１00cm到300cm间的物体。试问:（1)此人看清远点和近点时，眼睛透镜的焦距是多少?（2)为看清2５cm远的物体,需配戴怎样的眼镜?
解:（1）设看清近点100cｍ处的物体，眼睛的焦距为f1'，
此时,物距：s=-100ｃm、象距：s'=2cm
由: 解出：ｆ1＇=1.961cm
第四章光学仪器2011
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4.11.1 棱镜光谱仪
• (1). 角色散率：
• 或 D • 在最小偏向角 附近的角色散率的数值为： d d d dn D d d dn d
0
0 0
d D lim 0 d
• 而
n
sin
A
0
2 A sin 2
• (2). 分辨本领：u 0.610 1
R
• 式中 u 是两个发光点在光具组入射光瞳中心 所张的视角，θ 1 是各衍射图样第一暗环半径 的衍射角，R是入射光瞳的半径。 u 1 时，两点的像分辨得开； • u 1 时，则分辨不开。 • u 1 时的这个极限角成为光具组的分辨 • 极限，而它的倒数称为分辨本领。 • 此外，也可用像面上或物面上能够分辨的 两点之间的距离来表示分辨极限。
4.3
目 镜
4.3.1 目镜的作用 • (1). 作用： • 用来放大其它光具组（物镜）所成的像。 • (2). 构成： • 由不相接触的两个薄透镜组成。
场镜：面向物体的透镜 视镜：接近眼睛者
4.3.2 两种目镜
2 U 30 （
）
（1）惠更斯目镜： 两个同种玻璃的平凸透镜组成， 凸面都向着物镜。
• 视网膜上分布着视网膜上分布着光敏细胞， 光敏细胞分为两种: 圆柱细胞和圆锥细胞。 • 视锥细胞（core,C）： 6.5百万/单眼，光敏 感度低，强光刺激才能引起兴奋，但具有 分辨颜色的能力。鸽子只有视锥细胞。 • 视杆细胞(rod, R)：1.25亿/单眼，对弱光敏 感，不能分辨颜色。猫头鹰只有视杆细胞。
y 0.610
• •
n sin u
1932年，鲁斯卡—电子显微镜； 1982年，宾尼希、罗雷尔—扫描 隧穿电子显微镜； • 1986年，三人同获诺贝尔奖。
光学第四章
8·4 照相机的聚光本领
1 照相机的结构特点 有效光阑：光圈。 成象物距：远近均可。 象面：胶片。 象距：确定。 照相机中，物镜系统前后对称，光圈位于中间
随着年龄的增长，正常眼的近点由近变远，而 远点由远变近。
正常眼视物的最佳距离为25㎝，光学中将这个 距离称为明视距离。
1·4 简化眼模型
物象介质：物方为空气，n≈1；象方为玻璃液， n`≈1·33。
水晶体前球面曲率半径：R≈5·7㎜。 眼焦距：f =－17·1㎜，f `=22·8㎜。
§2 助视仪器的放大本领
为标准，得出其余波长的 v`值。
7·2 光通量
意义：描述客观辐射通量在人的眼睛中引起的主观 视觉强度。
定义：在波长 附近 d 波长间隔内：
d vd ved
各波长的总光通量：
0
d
单位：流明（lm）
7·3 发光强度 I
意义：描述光源发出的光通量在空间一定范围内的 分布值。
定义：点光源在单位立体角内发出的光通量。
§4 显微镜的放大本领
4·1 显微镜光路图
P``
Q P F1
o1
F1`
F2 P` U`
o2
Q`
物镜系统
-
O
U``
Q``
目镜系统
特点：
物体PQ置于物镜系统物方焦平面F1附近，成实象P`Q`； P`Q`位于目镜系统物方焦平面F2附近，成放大的虚象 P``Q``。整个显微镜系统最终成放大倒立虚象。
4·2 显微镜的放大本领
④张角最小的象为入瞳；将已确定的有效光阑经其 后方光学系统成象，即可求得出瞳。
光学第4章
透镜组之间的间隔保持不变。
o1
o1
o2
o2
2、共轴球面系统与棱镜系统组合
a、如果系统中有棱镜，则相当于除了平面镜外，在 系统中另外加入了一块平行玻璃板； b、必须考虑平行玻璃板产生的像面位移； c、各透镜组之间的间隔应等于共轴球面系统的原有 间隔加上棱镜所引起的像平面位移；
A’ A”
§4.5 折射棱镜与光楔
成镜像，光轴转45度，大大缩小筒长，结构紧凑
4、屋脊棱镜
• 当反射次数为奇数时成镜像，为获得一致像，又不再增加反射 面，就用两个相互垂直的反射面代替其中一个反射面，称为屋 脊面，其交线平行于原反射面，且在主截面上
两屋脊面间的夹角必须严格为90°，否则易引起双像。
垂直
非垂直
三 棱镜的成像方向判断
二、 双面镜
P1 P2
θ
1、双面镜成像的性质：
a.对于夹角为θ的双平面镜系统：
– θ =0 时，像有无数个 – θ = π时，单平面镜，像有一个 – θ为任意角时成像若干个
b. 两个反射面各成像一次的情况 – 两次反射像也是右手坐标系，是与原物一致的像 – 物的位置一定，则像与物的夹角只与双平面镜的夹角有关 – 当双平面镜转动时，二次反射像是不会动的
¾[]只是像空间转动状态的一个代号，并不是向量； ¾上述公式对任意的平面镜棱镜系统都成立； ¾θ不能过大，否则不能成像。
七、 棱镜的色散
八、棱镜的偏差
• 光学平行差
－棱镜展开成玻璃板后，入射和出射表面的不平行度误 差，破坏系统的共轴性、对称性。
分类： – 第一光学平行差－主截面方面的不平行度(内角误差) – 第二光学平行差－垂直主截面方向的不平行度(棱的 几何位置误差)
上式可写为1sinsin22mni1i2i1??i2??n二最大顶角max当第一折射表面入射角i1小到某一数值时光线在第二表面的入射角可能大于临界角而发生全反射在第二表面上无出射光线光线反射到第三表面上去了小到某一数值时光线在第二表面的入射角可能大于临界角而发生全反射在第二表面上无出射光线光线反射到第三表面上去了sinsin1min1cini??只有入射角大于imin的光线才能通过棱镜折射当入射光线和出射光线都分别同两个折射面平行时对应着棱镜的最大顶角的光线才能通过棱镜折射当入射光线和出射光线都分别同两个折射面平行时对应着棱镜的最大顶角所以当时将没有光通过棱镜ci2应用?通过测量m来计算材料的折射率n将被测玻璃作成棱镜顶角取60左右然后用测角仪测出角的精确值