光学教程04[1]1.ppt

光学仪器的基本原理 第四章 BasicPrinciplesofOpticalInstrument 4 1人的眼睛 一 人眼结构 前房 淡盐溶液后房 玻璃液 胶性透明液体 折射率均为宏膜二 简化眼人眼是一共轴光具组 这一光具组能在视网膜上形成清晰的象 由于这一共轴光具组结构很复杂 因此在许多情况下 往往将人眼简化为只有一个折射球面的简化眼 简化眼结构的光学常数为折射面曲率半径网膜曲率半径 4 2助视仪器的放大本领 一 放大本领定义 正常眼明视距离为25cm 助视仪器 用以改善和扩展视觉的光学仪器 放大本领 即像对眼的张角与物体直接对眼的张角之比 1 放大镜的放大本领 提高放大本领的途径减小焦距 2 目镜的放大本领 1 惠更斯目镜 Huygenseyepiece 2 冉斯登目镜 Ramsdeneyepiece 2 显微镜的放大本领 最简单的显微镜是由两组透镜构成的 一组为焦距很短的物镜 另一组是目镜 1 显微镜的光路图 2 显微镜的放大本领 方法二 用复合光具组法导出 分别在目镜和物镜上刻有10 20 等 0 M 0 像倒立 提高放大本领的途径减小两者焦距 观察远处的物体 要用望远镜来增大视角 望远镜和显微镜相似 也是由物镜和目镜两个透镜构成的 但是跟显微镜相反 望远镜中物镜的焦距长 而目镜的焦距短 根据物镜的不同分为反射式和透射式望远镜 物镜和目镜同是凸透镜的望远镜叫做开普勒望远镜 目镜是凹透镜的望远镜叫做伽利略望远镜 我们这里主要讨论开普勒望远镜 3 望远镜的放大本领 讨论 1 M 0 成倒立的像 2 提高放大本领需缩小目镜焦距 增大物镜焦距 必然增大物镜口径 开普勒望远镜 伽利略望远镜伽利略于1609年创制的这种望远镜的特点 是用发散透镜来做目镜 物镜的象方焦点仍和目镜的物方焦点相重合 不同点 开氏的视场较大 而伽氏的视场较小 开氏的目镜物方焦平面上可放叉丝或刻度尺 伽氏则不能 开氏的镜筒较长 而伽氏的镜筒较短 反射式望远镜 大型天文望远镜的 消色差 校正球差 物镜是用孔径大的反射镜制成的 类型和光路图 Newton AB 抛物面 CD 平面 目镜 Gregory AB 抛物面 CD 椭球面 目镜 Cassegarain AB 抛物面 CD 双曲面 目镜 Schmidt CD 校正镜 AB 凹球面 Hubble 主镜 双曲面 副镜 双曲面 反射望远镜的优点1 消色差任何可见光均聚焦于一点 2 镜筒短通常镜筒长度只有主镜直径八倍 所以比折射镜筒约短两倍 短的镜筒操作力便 又容易制造稳定性高的脚架 3 价钱便宜光线只在主镜表面反射 制镜者可以购买较经济的普通玻璃去制造反射镜的主要部份 像差与球差 像差 偏离理想成像的现象 色差 有不正确色彩出现的像差 光源为复色光 色差产生的原因 不同波长的光对光学仪器的折射率不同 像差产生的原因 由于成像时光线不满足近轴光线条件或者物点不满足近轴物点的条件 导致了所成像的清晰程度受到的破坏 实际应用的几种望远镜 折射望远镜 反射望远镜 折反射望远镜 双筒望远镜 常见的望远镜大多是开普勒结构 即目镜和物镜都是凸透镜 组 这种望远镜结构导致成像是倒立的 所以在中间还有正像系统 8x30 8就是俗称的放大倍率 指的是物体通过望远镜后在视网膜上成像的角放大率 30是指物镜的直径 单位是毫米 这是望远镜最主要的指标 假货为了迎合大众追求高倍的心理 大多在这里做文章 例如300 x80这样违背基本光学原理的标注 还有的标为8x21倍 这算是比较老实的 但也显然意图进行误导 很多人问这样的问题 望远镜能看多远 答案是无限远 选择望远镜有很多比倍数重要的东西 例如出瞳直径 视场 并不能以倍数为唯一标准 因为倍数超过望远镜规格所允许的标准的话清晰度反而会下降 例如物镜直径为50毫米的望远镜 一般来说倍数也不应该超过50倍 事实上 一台10倍左右的望远镜足以满足我们大多数使用要求了 哈勃太空望远镜 哈勃太空望远镜是美国宇航局1990年由发现号航天飞机送入太空的 光学系统为反射式望远镜 由两个双曲面反射镜 主镜和副镜 组成 两者相距4 5m 主镜直径2 4m 副镜直径0 3m 优点 避免了地面杂光和天气等的影响 克服了大气湍流带来的干扰及地球复杂运动的影响 激光扩束器 4 3光阑 光瞳 一 光阑的概念 diaphragm 对通过光学系统的光束起限制作用的光学元件 如透镜 反射镜等本身的边框 也可以是另外设置的带孔的不透光屏等 二 有效光阑和光瞳 1 有效光阑 在所有各光阑中 限制入射光束最起作用的光阑称为有效光阑 也称为孔径光阑 对没有其他光阑的单透镜 透镜本身的边框就是孔径光阑 孔径光阑可遮掉光束中偏离傍轴光线较多的光线 对像的清晰度 亮度和景深等有直接影响 有效光阑总是对某一个指定的参考点而言 有效光阑在物空间中的等效孔径 有效光阑在像空间中的等效孔径 入射光瞳 入瞳 是限制入射光束的有效孔径 是有效光阑对前方光学系统所成的像 出射光瞳 出瞳 是限制出射光束的有效孔径 有效光阑对后方光学系统所成的像 2 光瞳 pupil 入射光瞳与出射光瞳统称为光瞳 入射光瞳与出射光瞳对整个光具组来讲是共轭的 有效光阑与光轴上物点位置有关 欲确定有效光阑 必须首先明确是对光轴上哪个物点 将系统所有的通光孔成像于光学系统的物空间 其中对轴上物点张角最小者 称为入瞳 入瞳对应的物叫做有效光阑 有效光阑对其后光学系统所成的像 为出射光瞳 简称出瞳 三 怎样确定有效光阑 如图所示 以薄透镜L和光阑AB为例 设物点在F点 光阑AB为有效光阑 例 求有效光阑 在这个系统中 有效光阑同时也是出瞳 有效光阑 入瞳 有效光阑对前方系统成的像 入射孔径角 出射孔径角 在这个系统中 有效光阑同时也是入瞳 有效光阑 出瞳 有效光阑对后方系统成的像 入射孔径角 出射孔径角 u u 孔径光阑 关于有效光阑 有效光阑是成像系统中限制入射光束最厉害的光阑 即入射孔径角最小的光阑 与物点的位置有关 有效光阑与物点位置的关系 例 相距d 5cm的两个薄透镜L1和L1 焦距分别为f1 9cm和f2 3cm 直径分别为D1 6cm和D2 4cm 直径D 3cm的圆孔光阑A放在透镜间距L22cm处 当轴上一物点在L1左方12cm处时 求 a 孔径光阑 b 光瞳的位置和大小 解 已知 先求出各光阑的入瞳位置和大小 和 L1 入瞳即为透镜边缘本身 P点到L1入瞳的距离 D 入瞳即为对透镜L1成的像D L2 入瞳即为对透镜L1成的像D2 光阑为孔径光阑 4 4光度学概要 光能量的传播 光度学 是对可见光的能量的计量研究 在光度学中 把光看作是沿光线进行的能量流 并且遵从能量守恒定律 即光束的任一截面在单位时间内所通过的能量为一常数 但光度学并不是几何光学的一部分 只是因为在许多实际情况下 几何光学的模型可以作为研究光度学的基础 主要内容 一 辐射通量 辐射功率 二 视见函数 光见度函数 三 光通量四 发光强度五 照度六 亮度七 三原色原理 一 辐射通量 辐射功率 面积元ds的辐射通量单位时间内面积元ds辐射出来的所有波长的光能量 分布函数 谱辐射通量密度 在单位时间内通过光源面积元的某一波长附近的单位波长间隔内的光能量 用e 表示 总辐射通量从光源面积元ds辐射出来的波长在 d 间的辐射通量为从光源面积元ds发出的各种波长光的总辐射通量为 二 视见函数 光见度函数 因为人眼对不同波长的光有不同的灵敏度 并且 不同人的眼睛对各种波长的光亦有不同的灵敏度 所以要根据对许多正常人眼的研究 求出对各种波长的平均相对灵敏度 表征此平均相对灵敏度的函数就称为视见函数 平均来说 人眼对黄绿色光最灵敏 对红色光和紫色光较差 而对红外光和紫外光则无视觉反应 这说明 人眼对黄绿色光的视见函数值大 对红光和紫光的视见函数值小 而对红外光和紫外光的视见函数为0 明暗视觉视觉分为明视觉 暗视觉和中间视觉 明视觉主要由眼球视网膜上的锥状细胞起作用 通常要求的亮度至少为每平方米几个坎德拉 cd 暗视觉主要由视网膜的杆状细胞起作用 所需的亮度一般低于每平方米百分之几坎德拉 cd 中间视觉介于上述两种视觉之间 杆状细胞不能起分辨颜色的作用 只有锥状细胞感受光刺激时才有颜色的感觉 杆状细胞对波长为510纳米的光最敏感 而锥状细胞对波长550纳米的光最敏感 三 光通量 主观和客观的结合 光通量表示光源表面的客观辐射通量对人眼所引起的视觉强度 它正比于辐射通量和视觉函数 为最大光视效能 也称最大光效率 光通量的单位是流明 lumen 简称流 符号 lm 四 发光强度I 发光强度是表征光源在一定方向范围内发出的光通量的空间分布的物理量 在数值上等于点光源在单位立体角中发出的光通量 点光源所发出的总光通量 对于均匀发光体 I不随而变化 图4 16 四 发光强度I 长度质量时间电流强度热力学温度物质的量发光强度 mkgsAKmolcd 在国际单位制中 发光强度的单位是坎德拉 candela 符号是坎 cd 1979年第16届国际计量大会规定坎德拉的定义为 坎德拉是一光源在给定方向上的发光强度 该光源发出频率为的单色辐射 而且在此方向上的辐射强度为 Sr 球面度 坎德拉是国际单位制中七个基本单位之一 光度学中其它单位都是导出单位 照度是表征受照面被照明程度的物理量 它可用落在受照物体单位面积上的光通量的数值来量度 即 点光源的照度E 照度的单位 勒克斯 lux 代号 勒 lx 五 照度E 是受照物体的面元 五 照度E 2 面光源的出射度M单位面积的面元发出的总光通量 即 注意 出射度M和照度E有相同的单位 量纲及相似的定义 照度E中的光通量是面元所接收的光通量 而出射度M中的光通量是面元所辐射的光通量 六 亮度L 朗伯定律 在立体角中发射出的光通量正比于和发光体表观面积的大小 即 比例系数L和发光面的性质有关 称为亮度 单位 cd m2 七 三原色原理 在人眼的视网膜上 分布着圆锥和圆柱两种视神经细胞 主要分辨颜色的是圆锥视神经细胞 在人的眼睛里 只有三种辨色的圆锥细胞 它们对所有波长的光都能发生程度不同的反应 但是每一种细胞还擅长接受一种颜色的光 三种细胞就接受三种颜色的光 即红 绿 蓝三种色光 它们又叫做色光三原色 人的色视觉有这样一个特点 不管你看到的是多么复杂的混合光 最后在你的脑子里所产生的 只是一个单一颜色的色视觉 在眼睛接收了混合光以后 三种色觉细胞都要按自己的规律兴奋起来 这时出现了三种视觉信号 它们经过视神经传递到大脑 大脑对每一个单独的信号并不感兴趣 而是把它们综合在一起 形成一个综合的色视觉 这就是人感觉到的混合光的颜色 七 三原色原理 根据实验 强度相同的原色组合起来以后 所引起的色视觉可以用下面的公式表示 红 绿 蓝 白 蓝 红 紫 绿 红 黄 蓝 绿 青 彩色电视机的屏幕象人眼的视网膜一样 有三种感觉颜色的物质 这就是三种荧光涂料 它们分别对三原色之一感光 感光后分别发出这三种彩色的荧光 这样以来 屏幕上就出现了三色图像 人眼感觉到的是它们的叠加色 因为它们是按不同的强度比例混合起来的 所以造成的色彩很丰富 于是 原来的彩色景物就复现出来了 注意 人们常把黄色 紫色 青色叫做颜料三原色 它们两两混合可以配出红色 绿色和蓝色 如果把这颜料三原色等量地混在一起 就会配出黑色 一 显微镜的聚光本领数值孔径 4 5物镜的聚光本领 物镜的聚光本领是描述物镜聚集光通量能力的物理量 可以用像面的照度来量度 1 面元dS对应的入射光通量 由亮度的定义 则对整个入射光瞳的光通量 设物镜不吸收光通量 若发光体遵从朗伯定律 L不随u1改变 2 像面照度 数值孔径 numericalaperture 令 提高像面照度的途径 增大数值孔径 显微镜的聚光本领 代换 为物象的横向放大率 二 望远镜的聚光本领相对孔径 式中为相对孔径 望远镜的聚光本领 d必须很大 讨论 对于足够远的物体 可认为 四 照相机的聚光本领 照相机的光圈总是作为有效光阑 拍摄远物时 拍摄近物时 照相机的聚光本领通常不用相对孔径而用它的倒数来衡量 称为F数或光圈数 显然 F数越大 就是相对孔径越小 聚光本领越弱 照像机的光圈数是等比数列 其公比为 即 1 4 2 2 8 4 5 6 8 4 6助视仪器的分辨本领 一 分辨本领瑞利判据 二 人眼的分辨本领 三 望远镜物镜的分辨本领 四 显微镜物镜的分辨本领 如果仅从几何光学的定律来考虑 只要适当选择透镜焦距并且适当安排多个透镜的组合 总可能用提高放大率的办法 把任何微小物体或远处物体放大到清晰可见的程度 从波动光学的观点来看 由于衍射现象 光源上一个点所发出的光波经过仪器中的圆孔或狭缝后 并不能聚焦成为一个点 而是形成一个衍射图样 例如 望远镜的物镜相当于一个通光圆孔 一个点光源发的光经过物镜后所形成的像不是一个点 而是形成一个衍射图样 其主要部分就是爱里斑 爱里斑 点光源透过圆孔衍射图样中心由第一暗环所围的中央光斑 光学仪器的分辨本领 能分辨 恰能分辨 不能分辨 一 瑞利判据分辨本领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相重合时 两个像点刚好能被分辨开 当两个像点刚好能被分辨开时 对应的两个发光点对光具组入射光瞳中心所张视角U等于各衍射图样第一暗环半径的衍射角 1 分辨极限 U 1的这个极限角称为光具组的分辨极限 它的倒数称为分辨本领 二 人眼