第三章.光学仪器的基本原理

.,1,第3章光学仪器的基本原理,应用近轴光学理论分析典型光学仪器的工作原理，,.,2,第3章光学仪器的基本原理,光学仪器分类物理光学仪器光谱仪、干涉仪.几何光学仪器助视仪器(视角放大，如放大镜、显微镜、望远镜等)成像仪器（摄影投影仪器，如照相机、摄影机、摄像机、放大机、投影仪、放影机等)分光仪器（分光计、单色仪、摄谱仪等）,.,3,观测对象尺度与相应的观测仪器,.,4,第3章光学仪器的基本原理,3.1眼睛3.2放大镜3.3显微镜3.4望远镜3.5摄影系统3.6现代光学系统(自学),.,5,3.1眼睛,眼睛是人的视觉器官，也是许多目视光学仪器的光能接收器。因此了解人眼的结构及其光学特性对目视光学仪器的设计非常必要。眼睛的结构,人眼本身就相当于一个摄影系统，外表大体呈球形，直径约为25mm，其内部结构如图所示。,.,6,3.1眼睛,眼睛的光学特性把标准眼近似简化为一个折射球面的模型，称为简约眼。其参数为折射面的曲率半径5.56mm像方介质的折射率431.333网膜的曲率半径9.7mm对应f=-16.70mmf=22.26mm=59.88D,.,7,3.1眼睛,眼睛的调节视度调节借助于使水晶体的曲率发生改变，使不同远近的物体都能清晰地成像在网膜上。当人眼在完全自然放松状态下，眼睛能看清楚的最远的点称为远点。正常人眼的远点在无限远；当睫状肌在最紧张时，眼睛能看清楚的最近的点称为近点。正常的眼睛在正常照明下最方便和最习惯的阅读和操作距离，称为明视距离。常规定明视距离为250mm。,.,8,3.1眼睛,视度描述眼睛的调节范围或调节能力。若以p表示近点到眼睛物方主点的距离(m)，以r表示远点到眼睛物方主点的距离(m)，,.,9,3.1眼睛,适应调节眼睛通过睫状肌改变曈孔大小对不同的亮度条件有适应的能力眼睛所能感受的光亮度的变化范围是非常大的，其比值可达1012：1。在黑暗处，瞳孔增大、灵敏度大为提高。在亮处，灵敏度大大降低、瞳孔也随之缩小。,.,10,3.1眼睛,眼睛的缺陷和矫正正常眼在肌肉完全放松的状态下，能够看清无限远处的物体，即其远点应该在无限远处（R=0），像方焦点正好和网膜重合，如图所示，若不符合这一条件就是非正常眼，或称为视力不正常。,.,11,.,12,3.1眼睛,近视眼会聚能力太强，应该配戴一块负透镜，使无限远物体通过发散透镜以后，正好成像在眼睛的远点上，再通过眼睛成像在视网膜；远视眼会聚能力不够，应该配戴一块正透镜，使无限远物体通过会聚透镜以后，正好成像在眼睛的远点上，再通过眼睛成像在视网膜。,.,13,3.1眼睛,眼睛的分辨率眼睛能分辨最近两点的能力，称为眼睛的分辨率。由物理光学可知，刚刚能分辨开的两点对眼睛物方节点所张的极限分辨角为,式中，D为瞳孔的直径，为光波波长。放大镜、显微镜、望远镜等助视仪器都是为增大物体对眼的视角为设计的。,.,14,3.2放大镜,放大镜是帮助眼睛观察细微物体或细节的光学仪器。凸透镜是一个最简单的放大镜。为了得到放大的像，物体应位于放大镜第一焦点F附近并且靠近透镜的一侧。放大镜的视角放大率应用牛顿公式得当物位于物方焦面上，,.,15,3.2放大镜,放大镜的光束限制和视场决定无渐晕成像范围的B1点、50%渐晕的B2点和可能成像的最边缘点B3，对应的视场角分别为1、2、3。由图可知当物平面位于物方焦点上时，像平面在无限远，则满足50%渐晕的视场为,.,16,3.3显微系统,显微镜用于观察近处微小物体的视角放大仪器。显微镜的成像原理显微镜由物镜和目镜组成。采用两级放大。物镜先把物体放大成像，目镜把像再放大。物体位于大于物镜焦距但小于两倍的物镜焦距处。人眼在目镜后面一定位置上。,.,17,3.3显微系统,显微镜的视角放大率物镜放大率目镜放大率总放大率为由组合焦距为得,.,18,3.3显微系统,齐焦条件当调换物镜后，不需重新调焦就能看到物体的像。为此，不同倍率的物镜需有不同的光学筒长，并在光学结构尺寸上满足如下要求：不同倍率的物镜有相同的物像共扼距。对于生物显微镜，我国规定为195mm。物镜的像面到镜筒的上端面即目镜的支承面的距离固定。我国规定为10mm。为在调换目镜后也不需重新调焦，目镜的物方焦面要与物镜的像面重合。,.,19,3.4望远系统,望远镜是用于观察远处物体的目视光学仪器。有折射式、反射式、折反式（主要区别在于物镜）。望远系统的结构形式由物镜和目镜组成。物镜的象方焦点和目镜的物方焦点应重合，光学间隔0（无焦系统）。,.,20,3.4望远系统,望远系统的视觉放大率由图可得式中，其中，f物，f目分别是物镜和目镜的焦距，D和D分别是入瞳和出瞳直径。,.,21,3.4望远系统,无焦系统的特点望远系统的各放大率仅仅取决于望远系统的结构参数，与物体的具体位置无关。利用这个结论，可以在望远镜前任意位置放置一物体，测量其垂轴放大率，它的倒数就是该望远系统的视放大率。,.,22,.,23,显微镜物镜的数值孔径,电子显微镜：电子波长0.16nm，120万倍放大倍率,.,24,不可选择，,望远镜：,世界上最大的射电,建在波多黎各岛的,到整个地球表面仅,Arecibo，,能探测射,10-12W的功率.,.,25,20世纪中期以后，很多著名天文台都安装有大口径的的反射望远镜。,1976年原苏联制造了口径6米的望远镜，安装在高加索山天体物理天文台。,我国最大的望远镜，是1989年安装在北京天文台兴隆观测站的2.16米反射望远镜，这是我国自己研制生产的。,1948年由美国制造的口径5.08米的反射望远镜，安装在帕洛玛天文台（位于智利），曾居世界领先地位。,.,26,哈勃空间望远镜（HubbleSpaceTelescope）1990年4月24日哈勃空间望远镜升上了太空，天文学家多年的梦想成为现实。,哈勃空间望远镜是由美国国家航空与航天局（NASA）和欧洲空间局（ESRO）联合研制的，其主体为长13米、直径4.3米的圆筒，望远镜主镜口径2.4米，总重量为12.5吨，研制历时13年，耗资21亿美元，由发现号航天飞机带到了高度为600公里的空间轨道，实现了天文学家从大气层以外空间观测天体的愿望。,.,27,美国空军武器实验室正在研制的超轻型折叠式合成孔径望远镜,.,28,Nodiscussionoftelescopeswouldbecompletewithoutafewprettypictures.,NGC6543-CatsEyeNebula-oneofthemostcomplexplanetarynebulaeeverseen,GalaxyMessier81,Uranusissurroundedbyitsfourmajorringsandby10ofits17knownsatellites,星云,天王星,.,29,(1)照相机（电影摄影机、电视摄象机）,结构组成：,照相物镜暗箱底片架,照相物镜：由几个单透镜或复合透镜组成，以消除单色像差和色差。大部分镜头多采用对称或亚对称镜头。,光圈：照相物镜中一个直径可变的光阑物镜的孔径光阑,视场光阑：靠近底片支架处用以限制成像的横向范围大小的一个矩形边框,.,30,.,31,照相机的结构特点：物体相距较远，入射孔径角u0一般很小，物、像方均位于空气中（n=n1），且物距、像距满足：,放大本领,2光学成像的几何学原理,2.7几何光学仪器原理,2.7.1成像仪器,xD：入射光瞳DD到物方焦点F的距离；VD：入射光瞳的横向放大率。,集光本领像面照度,.,32,照相物镜的相对孔径：入射光瞳直径D与物方焦距f的比值D/f。,结论：,相对孔径大小与照相物镜的光圈（孔径光阑）直径大小成正比，与物镜焦距成反比。对于给定焦距的物镜，其光圈孔径越大，像面照度越大。从而对同一种感光介质而言，所需要的曝光时间越短。,一般情况下，|V|1，上式可简化为,(2.7-6),物体相距较远时，照相物镜的像面照度正比于其相对孔径的平方，而与物体的位置及横向放大率无关。给定物体和照相物镜时，参数kB0唯一确定。改变照相物镜像面照度的有效途径是改变其相对孔径的大小。,.,33,光圈数：相对孔径的倒数，即f/D。所谓光圈数为5.6或F5.6，f/5.6，即表示相对孔径为1:5.6。光圈数越大，表明相对孔径越小，允许透过物镜的光通量越小，因而像面照度越小。,快门速度：曝光时间的倒数。由于像面照度正比于相对孔径的平方，故光圈数减小21/2倍，像面照度将增大1倍，所需曝光时间将减小一半（快门速度增大1倍）。,照相机物镜上刻度数字的含义：,数字：1、1.4、2、2.8、4、5.6、8、光圈数,数字：1、2、4、8、16(15)、32(30)、64(60)、125、250、快门速度,意义：相邻两档光圈数的比值等于21/2，而相邻两档快门速度的比值为2，或快门时间的比值为1/2。,2光学成像的几何学原理,2.7几何光学仪器原理,2.7.1成像仪器,光圈数与快门速度,.,34,光圈与景深的关系,光圈的大小控制着成像光束的入射及出射孔径角的大小。孔径角越小，系统的轴向放大率越小，因而物空间成像的纵向范围越大，即景深越大。此外，景深的大小还与被摄物的相对位置有关，物的位置越远，则景深越大。,注意：物距较小、横向放大率较大时，如V=-1，则,结论：相同光圈数条件下，拍摄近距离物时的像面照度小于拍摄远距离物时的像面照度，因而需要较长的快门时间。,.,35,结构组成：照明光源、聚光器和放大物镜,结构特点：倒置的照相机，sf，V-s/f=-s/f,(2)放大机（幻灯机、投影仪、电影放映机）,.,36,第4章光的电磁理论,内容框架,麦克斯韦方程组,波动方程,时谐平面波,时谐球面波,时谐柱面波,实际光波,光的电磁特性,.,37,第4章光的电磁理论,教学要求:了解光的电磁理论、电磁场的波动性；掌握光波在介质中的传播速率、介质折射率的物理意义及其表达式；理解时谐均匀平面光波场的时间、空间特性，以及描述平面简谐光波的数学表达式（实数和复数）中各项参数的物理意义；,.,38,第4章光的电磁理论,掌握光强的概念和计算相对光强的方法；理解菲涅耳公式的表达式以及它们所描述的物理内容，掌握利用菲涅