光学仪器的基本原理课件

*光学仪器*

一方面要求成象清晰，尽可能消除象差和色差，另一方面又要求象场广阔而明亮，这些常常是不可兼得的；成象清晰度与细节分辨程度的关系问题。

光学仪器的基本原理

只有在物点和光线都限制在近轴区域的条件下，才能实现理想成象色差

象差*光学仪器*

权衡光学仪器的放大本领、聚光本领和分辨本领各方面的得失，可以根据某些指标和具体条件来选配仪器元件，实现仪器的既定目的。*光学仪器*第四章光学仪器的基本原理§4-1

人的眼睛§4-2

助视仪器的放大本领

§4-3

目镜§4-4

显微镜的放大本领§4-5

望远镜的放大本领§4-6

光阑光瞳§4-7

光能量的传播§4-8物镜的聚光本领§4-13

助视仪器的分辨本领§4-14分光仪器的分辨本领*光学仪器*§4-1人的眼睛一、人眼的结构睫状肌角膜瞳孔水晶体玻璃液脉络膜巩膜视网膜中央窝盲点返回*光学仪器*二、简化眼

人眼简化为只有一个折射球面的简化眼表4-1简化眼结构的光学常数*光学仪器*三、人眼的调节功能

人眼作为接收器，只能辨别而不能测量光能的大小，也不能判别复色光的组分

眼的自调节——主要借助于水晶体的作用

近点——眼前7-8cm

远点——

明视距离——在适当的照明下，通常的眼观察眼前25cm处的物体是不费力的，而且能看清楚物体的细节。*光学仪器*§4-2助视仪器的放大本领

一、放大本领的概念注意：助视仪器的放大本领=物体通过助视仪器在视网膜上造成的象的长度为l’用肉眼直接观察在视网膜上所成象的长度为l这里将物体经助视仪器所成之象与肉眼观察的物体于同一特定位置来比较象与物的大小。返回*光学仪器*

上述的特定位置，对放大镜或显微镜而言，是指被观察物离人眼的明视距离；对望远镜而言，是指被观察物放在远处或无穷远处。

仪器的放大本领为l和l’、U和U’并不是共轭量，它们是两个不同条件下物体在网膜上的象高或视角。*光学仪器*二、放大镜

凸透镜是一个最简单的放大镜，是帮助眼睛观察微小物体或细节的简单的光学仪器。*光学仪器*对眼的视角近似为若不用透镜而将物置于明视距离处时，从瞳孔看物的视角为(y以cm为单位)透镜的放大本领为(以cm为单位)*光学仪器*一、目镜的作用

目镜也是放大视角用的仪器。通常放大镜用来直接放大实物，而目镜则用来放大其它光具组(称为物镜)所成的象。复杂的助视光学仪器总是包括物镜和目镜两部分。目镜通常由不相接触的两个薄透镜组成。面向物体的透镜称为向场镜(或简称场镜)，接近眼睛者称为接目镜(或简称视镜)。§4-3目镜返回*光学仪器*二、两种目镜

(1)惠更斯目镜惠更斯目镜的视场相当广大，视角可达40

，在25

范围以内更见清晰，而且结构简单。因此显微镜中经常采用这种目镜。*光学仪器*

(2)冉斯登目镜

冉斯登目镜可作一般放大镜观察实物，而惠更斯目镜却只能用采观察象。在冉斯登目镜的物平面上加一分划板，可对被观察的物体或来自物镜的实象进行长度的测量，然而惠更斯目镜则不能。*光学仪器*§4-4显微镜的放大本领一、显微镜的光路图返回*光学仪器*显微镜的放大本领为设显微物镜和目镜的焦距为和物镜象方焦点到目镜物方焦点F2之间的距离(即光学间隔)为

。物镜的横向放大率为二、显微镜的放大本领*光学仪器*

望远镜是帮助人眼对远处物体进行观察的光学仪器。观察者是以对望远镜象空间的观察代替物空间的观察；而所观察的象，实际上并不比原物大，只是相当于把远处的物体移近，增大视角，以利观察。§4-5望远镜的放大本领

望远镜也是由物镜和目镜组成的。物镜用反射镜的称反射式望远镜，物镜用透镜的称折射式望远镜；目镜是会聚透镜的称为开普勒望远镜，目镜是发散透镜伪称为伽利略望远镜。返回*光学仪器*一、开普勒望远镜

由两个会聚薄透镜分别作为物镜和目镜所构成的天文望远镜*光学仪器*二、伽利略望远镜

用发散透镜来做目镜*光学仪器*望远镜的放大本领为

望远镜的物镜和目镜的间隔等于零——望远光具组，它的特点是平行光束通过时，透射出来的仍是平行光束，但方向改变。

伽利略望远镜的视场较小，开普勒望远镜的视场则较大。*光学仪器*

不论那一种望远镜，物镜的横向放大率都小于1，可见放大本领与横向放大率是有区别的。

开普勒望远镜可以放置叉丝或刻度尺。伽利略望远镜则不能配这种装置。

伽利略望远镜镜筒较短，开普勒望远镜的镜筒较长。*光学仪器*三、反射式望远镜*光学仪器*四、激光扩束器

如果使激光器发出的光束经过一个高质量的望远镜，便可以实现扩束。这个望远镜就是激光扩束器；它的构造如图所示。*光学仪器*一、光阑的概念

光学元件的边缘，或者—个有一定形状的开孔的屏(称为光阑)§4-6光阑光瞳二、有效光阑和光瞳在所有各光阑中，限制入射光束最起作用的那个光阑，叫做孔径光阑或有效光阑。三、有效光阑和光瞳的计算返回*光学仪器*

有效光阑被自己前面部分的光具组所成的象叫做入射光瞳；它被自己后面部分的光具组所成的象叫做出射光瞳；入射光瞳与出射光瞳对整个光具组来讲是共轭的。*光学仪器*一、辐射通量和视见函数

单位时间内该面积元dS辐射出来的所有波长的光能量(也就是通过该面积的辐射功率)来表示，这就是面积元dS的辐射通量。可用

来表示，单位为瓦特。§4-7光能量的传播返回*光学仪器*

为了表示光源面积元所辐射的不同波长的光的相对辐射通量，引入分布函数e(

)的概念。它就是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。e(

)是波长

的函数，它又称谱辐射通量密度。*光学仪器*

从光源面积元dS辐射出来的波长在

到

+d

间的光辐射通量为

从面积元dS发出的各种波长光的总辐射通量为*光学仪器*二、视见函数

人眼对黄绿色光最灵敏；对红色和紫色光较差；而对红外光和紫外光，则无视觉反应。在引起强度相等的视觉情况下，若所需的某一单色光的辐射通量愈小，则说明人眼球该单色光的视觉灵敏度愈高。设任一波长为

入射光和波长为555nm的光，产生相同亮暗视觉所需的辐射通量分别为和，则比值称为视见函数。*光学仪器**光学仪器*三、光通量

在某一波长

附近对于波长间隔为d

的单色光来讲，其光通量为式中km为最大光视效能，简称最大光效率。称为光谱光视效能*光学仪器*

光通量和辐射通量具有相同的量纲，但在国际单位制中，辐射通量的单位为瓦；而光通量的单位为流明，单位代号：流（lm）。*光学仪器*

光谱光视效能其实是波长为

的辐射的功光当量。换言之波长为

的1W辐射通量，相当于(lm)的光通量。而最大光谱光视效能km是指波长为555nm辐射的功光当量，即km为最大功光当量。在国际单位制中km=683lm/W。*光学仪器*单色光的光通量复色光光通量*光学仪器*四、发光强度

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，它可用点光源在单位立体角中发出的光通量的数值来量度，可表达为式中d

是点光源在某一方向上所张的立体角元。*光学仪器*点光源所发出的总通量为

如果I不随

和

而变化(均匀发光体)，则得总光通量*光学仪器*

在国际单位制中，发光强度的单位为坎德拉，单位代号：坎(cd)。1979年第16届国际计量大会(决议3)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5.4

1014Hz的单色辐射，而且在此方向上的辐射强度为(1／683)W／sr。”此处sr为球面度。*光学仪器*

值得指出的是，在国际单位制中，发光强度的单位是国际单位制中七个基本单位之一，光度学中其它单位均为导出单位。

空气中波长为555nm(明视觉的视见函数为1)的辐射对应的频率为5.400086

1014Hz。略去尾数，则坎德拉新定义中的频率实际上就是明视觉最灵敏谱线的频率。*光学仪器*五、照度

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数值来量度，如果照射在物体面元d

上的光通量为d

，则照度E可表达为*光学仪器*式中R为点光源距至受光照物体元面积d

中心的距离

照度的单位称为勒克斯，单位代号；勒(lx)。它是1lm的光通量均匀分布在1m2的表面上所产生的照度。照度的另一单位辐透(ph)。

1ph=1041x

对点光源来说d

=Id

，因而照度*光学仪器*

单位面积的面元发出的总光通量称为面光源的出射度，以M计之。对于面光源，考察其的面元dS，如果dS沿各方向发出的总光通量为d

，则它的单位也是勒克斯或辐透。*光学仪器*六、亮度

光源的亮度，它是表征发光面发光强弱并与发光表面特性有关的物理重，可以用单位面积的光源表面在法线方向的单位立体角内传送出的光通量数值来量度。于是d

=BdScos

d

，因此亮度单位为1m／(m2·sr)，或1m／(cm2·sr)，前者称为尼特(nt)；后者称为熙提(sb)。换算关系为：1sb=104nt。*光学仪器*

由发光强度的定义，

通常扩展光源上每一面元的亮度B随方向而变。如果扩展光源的发光强度dI

cos

，从而亮度B不随

角而变，这类光源称为遵从朗伯定律的光源，也叫余弦发射体或朗伯光源。太阳辐射的规律相当接近于朗伯定律。*光学仪器*

[例4-2]一发光强度为60cd的点光源O置于水平地板上方4m处，而一直径为3m的圆形平面镜水平放置，平面镜的圆心位于点光源正上方4m处，若光投射于平面镜时，将80%的光反射，试求光源斜下方6m地板上P点处的照度。*光学仪器*

助视光学仪器所配有的目镜，可以将物镜所成的象加以放大；但不能增加聚光本领。对于物镜的要求，除放大被观察的物体外，还要增加稀象照度。在其它条件相同时，任何光学仪器物镜的入射光瞳面积越大，能够进入物镜的光通量越多，象的照度也就越强。

物镜的聚光本领是描述物镜聚集光通量能力的物理量，可以用象面的照度来量度。§4-8物镜的聚光本领返回*光学仪器*一、光源在较近距离时的聚光本领数值孔径

二、显微镜的聚光本领

三、光源在远距离时的聚光本领相对孔径

四、照相机的聚光本领*光学仪器*一、分辨本领

中央亮斑的范围由第一个暗环的角半径

1决定§4-13助视仪器的分辨本领返回*光学仪器*

如果两组花样中央亮斑的中心距离比较远，而中央亮斑的范围又比较小，那么“象”还是分开成两个亮斑；如果中心靠得很近，每一亮斑的范围又比较大，那么原来两个发光点的“象”将有所重叠而难以分开；这时两个发光点在光具组入射光瞳中心所张的视角U等于各衍射花样第一暗环的角半径

1，即*光学仪器**光学仪器**光学仪器*#视角U>1时，两点的“象”能分辨得开

#U<1则不能分辨开

#U=1则刚刚能够分辨开

这个极限角U=1称为光具组的分辨极限，它的倒数称为分辨本领。对于给定的单色光，光具组的分辨本领正比于入射光瞳的半径R。

此外，也可用象面上或物面上能够分辨的两点间的最小距离来表示分辨极限。*光学仪器*例题5：一会聚透镜的直径D=3.0cm，焦距f’=20cm，问（1）刚好能够分辨开来的两个距透镜遥远的点状物的角距离是多少？假定入射光波长

=500nm。（2）在透镜焦平面上两物点衍射图样中心相隔多远？

解：（1）=2.210-5rad(2)从几何关系可知，两衍射图样中心间距为：

=4.410-3mm*光学仪器*二、人眼和助视仪器的分辨本领

人眼的分辨本领是描述人眼刚刚能区分非常靠近的两个物点的能力的物理量。瞳孔的分辨极限角为：

在明视距离(25cm)处，对应于这个极限视角的两个发光点之间的距离约为：25U00.1mm，也就是说，对物面上比这个距离更小的细节，人眼就分辨不开。*光学仪器*三、望远镜物镜的分辨本领

望远镜物镜的分辨极限常以物镜焦平面上刚刚能够分辨开的两个象点之间的直线距离来表示，这极限值为式中f’为物镜的象方焦距，d为物镜的孔径。由此可见，望远镜物镜的分辨极限和它的相对孔径d/成反比，与波长成正比。*光学仪器*四、显微镜物镜的分辨本领

显微镜物镜分辨极限通常就以被观察的物面上刚刚能够分辨开的两物点之间的直线距离

y来表示。*光学仪器*

对于望远镜和显微镜的目镜，将物镜放大后能对眼约成的视角就行了。由于物镜所成的象上只有既定程度的细节，目镜无论怎样把它放大，也丝毫增添不了更多的细节，反而会放大了衍射亮斑，所以望远镜和显微镜的分辨本领完全取决于其物镜。*光