光学课件第四章.ppt

1、1,主 要 内 容,像的质量要求 光学仪器的分类 助视仪器的结构 分光仪器的结构 描述光学仪器成像性能的物理量：放大本领、聚光本领、分辨本领 光度学理论 像差及其校正,2,人的视觉： 人类从客观世界获得的信息90%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。 为了提高人的视觉能力，可借助于光学仪器（平面镜、球面镜、透镜等组成）使人眼能观察人眼不易直接观看的事物。,3,光学仪器成像要求： 成像清晰、像场明亮、物像相似 光学仪器的分类： 实像仪器-投影仪器：观察和记录所成的像，如照相机、幻灯机等； 虚像仪器-助视仪器：观察过小或过远的物体，如显微镜、望远

2、镜等 光学仪器成像性能的三大物理量： 放大本领 、聚光本领、分辨本领,4,光学仪器成像的矛盾-像差： 几何光学理想成像要求：近轴物、近轴光线。此时遇到以下矛盾： a. 像的清晰度与像场明亮广阔的矛盾； b.复色光入射，使焦点不唯一，像面不一的矛盾； c.成像清晰度与细节分辨程度的矛盾-衍射等。,5,4.1 人的眼睛,4.1.1、人眼的结构 瞳孔,6,4.1.2、简化眼. （睛珠） 共轴光具组只有一个折射球面（或一薄凸透镜）的简化眼。,7,4.1.3、人眼的调节功能 1、人眼不能区别单色光与复色光 人眼作为接收器，只能分辨而不能测量光能的大小，只能感觉约390nm760nm波长的光，而不能判别复

3、色光的成分。 2、人眼观看物体的特点 人眼通过进入人眼的光束的中心张角判断物体的大小，通过水晶体焦距的变化确定物体的远近。,8,3、人眼的调节范围（随年龄变化） 远点：无穷远；近点：10cm；明视距离：25cm、 4、非正常眼（近视眼、远视眼（老花眼）、散光眼）的校正：眼镜 远视眼（老花眼）：近点变远凸透镜；近视眼：远点变近凹透镜；散光眼：水晶体曲率半径不唯一柱透镜。,9,4.2 助视仪器的放大本领,4.2.1、放大本领的概念,10,注意： 和 、 和 不是共轭量。,11,4.2.2、放大镜（凸透镜） 放大倍数通 常用“”表示， 如放大3倍， 为“3”。,),(,s,y,U,-,Q,12,4.

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。,13,3. 设计要求： 放大本领； 矫正像差； 配备分划板（提高测量精度）； 使倒立像变成正立像。,14,4.3.2、 两种目镜 （1）、惠更斯目镜： 1）结构及光路图 两个同种玻璃的平凸透镜组成，凸面都向着物镜。,15,2）特点 只能观察像，不能观察物 对被观察的虚物具有放大作用 视场广大。视角达450，显微镜使用较多 不能测量大小，只能安装十字叉丝类分划板,16,（2）冉斯登目镜： 1）结构及光路图 两个同种玻璃的平凸透镜组成，凸面相向，平面向外。,17,2）

5、特点 既能观察像，也能观察物 能用于大小的测量，能单独使用 对被观察的物具有放大作用 （3）两种目镜的比较： 1）共同点： 对被观察的实像都有放大作用。 2）不同点： 前者只能观察像，后者还可以观察实物 后者能对物或像进行长度测量，前者则不能,18,4.4 显微镜的放大本领,最简单的显微镜是由两组透镜构成的： 物镜（焦距很短），目镜（惠更斯目镜）。 4.4.1、显微镜的光路图,19,4.4.2 、显微镜的放大本领 1、物镜的放大率 如图： 要尽可能放大， 且要获实像， 必有s=f1，故：,20,2、目镜的放大本领 最后的像要尽可能的大，则第一次成像位置尽可能靠近目镜的物方焦平面，最后进入人眼的

6、光线对人眼所张视角： 将前面结果带入：,21,又： ，则放大本领： 显而易见，要获得较大的放大本领，物镜和目镜的焦距都应较小，因此有：而： ，故： 显微镜的放大本领为：,22,另：可将显微镜的物镜和目镜组合 物镜和目镜所组成的复合光具组的焦距为： 整个显微镜（当作一个简单放大镜）的放大本领为： 电子显微镜扫描隧穿电子显微镜,.,23,4.5 望远镜的放大本领,望远镜是帮助人眼对远处的物体进行观察的光学仪器。其种类繁多，但其光学系统都是有物镜和目镜组成的，且都放在镜筒里。 按其镜筒数目分：单筒、双筒； 按其物镜形式分：反射式、折射式、折反射式； 按其目镜形式分：开普勒式(会聚透镜)、伽利略式(发

7、散透镜);,24,按其用途分： 天文望远镜：射电、红外、 紫外、 x光望远镜等； 普通望远镜：读数(实验用)、棱镜(双筒、军事、观剧、旅游、球赛等)； 特殊望远镜：天文、遥感、宇航、导弹跟踪、高空摄影、激光测距等。,25,4.5.1、开普勒望远镜,结构及光路图 两个会聚透镜（物镜、目镜），折射式。 物镜像方焦点F1和目镜物方焦点F2重合。,26,讨论： ，像是倒立的 。,-,放大本领：,27,结构及光路图 物镜是会聚透镜，目镜是发散透镜， 和 F2 重合。,4.5.2、伽利略望远镜,28,2,放大本领：,29,两种折射望远镜的异同： 1.共同点: 望远光具组： 光学间隔 特点：平行光束通过时，

8、透射出来的仍是平行光，但方向改变。整个光具组的焦点和主平面都是在无限远处。 二者的横向放大率都小于1（像是缩小的）.可见M与不同。,30,2.不同点： 开氏的视场较大，而伽氏的视场较小（伽氏的目镜是发散的）。 开氏的目镜物方焦平面上可放叉丝或刻度尺，伽氏则不能（前者在镜筒内）。 开氏的镜筒较长，而伽氏的镜筒较短（ 两个焦距的加与减）。,31,4.5.3 、反射式望远镜,1、优点： 反射不产生色差 反射镜具备一定形状能校正球差 大孔径反射镜容易制作 2、结构及光路图： -无焦系统,32,33,4.5.4、激光扩束器,使激光器发出的光束实现扩束的仪器称为激光扩束器。 通常是将望远镜倒过来使用，也可

9、用显微镜的物镜等。,34,4.13 助视仪器的分辨本领,当考察对象的线度很小时，就不能忽略光的波动性 光线通过系统成像时，其像点是光线传播路径上的有效光阑的衍射图样 圆形透镜成像的像点可看作夫琅和费圆孔衍射的中央艾里斑 人眼对光强的判别要求：光强差为相对光强的20%,4.13.1、分辨本领 (瑞利判据),35, 瑞利判据： 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，两个像点刚好能分辨开。,36, 分辨本领： 式中 u 是两个发光点在光具组入射中心所张的视角，1是各衍射图样第一暗环半径的衍射角，R是入射光阑的半径。 时，两点的像分辨得开； 时，则分辨不开。 时的这个极限角成为

10、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（l=f 1）来表示分辨极限。,37,4.13.2、人眼的分辨本领,（rad）,在明视距离处人眼恰能分开的两点间距为：,在人眼内部：,此为人眼内部视网膜上感光细胞的数量级,38,4.13.3、望远镜物镜的分辨本领,目镜不能产生新的细节，目镜的作用只是将物镜的分辨极限放大到人眼能观察的范围 望远镜物镜的分辨极限通常以物镜焦平面上刚刚能够分辨出的两个像点之间的直线距离来表示： 式中d/f为相对孔径。相对孔径越大，则分辨极限越小，分辨本领越大,39,显微镜的物体靠物镜很近，不能认为是夫琅和费衍射，但仍可由艾

11、里斑半径表示分辨极限 显微镜的制作要求满足正弦定理： 显微镜放置在空气中， 由图知：,4.13.4、显微镜物镜的分辨本领,40,则得显微镜的分辨极限： 显微镜物镜的分辨极限通常以被观察的物面上刚好能够分辨出的两物点之间的直线距离来表示。 式中 为数值孔径。 数值孔径越大，则分辨极限越小，分辨本领越大。显微镜使用油浸镜头增加数值孔径。 电子显微镜的入射波长仅10-1nm的数量级，可使分辨本领大大提高。,41,4.14 分光仪器的分辨本领,分光仪器： 观察由色散或衍射所引起的光谱结构的仪器 分光仪器的分类： 棱镜光谱仪：利用色散分光 光栅光谱仪：利用衍射分光,42,4.14.1、棱镜光谱仪,角色散

12、率和角距离： 角色散率： 角距离： 在最小偏向角 附近的角色散率的数值为：,43,而 即：,44, 波长相差为 的两谱线间的角距离,45, 色分辨本领 三棱镜的有效光阑对入射光为一矩形，此时的衍射可等效夫琅和费单缝衍射 即 又 为棱镜底边的宽度 色分辨本领为：,46,讨论： 1） 用指定材料（ 一定）制成的棱镜，折射棱角 A 越大，不论有效厚度大小如何，对一定的 所得 越大，即光谱展得越开。 2） 棱镜底面的宽度 越大，不论折射棱角 A 大小如何，色分辨本领 越高。 3）若入射光不能充满 三棱镜，棱镜未能充分运用， 则等效于棱镜底边变窄。,47, 线色散率 可见：光谱仪的线色散率L在不同的波段是不同 的（ ），即不同波段对应同一波长差的谱线间距不同。-非匀排（正比）光谱。,48,4.14.2、光栅光谱仪, 角色散率： 角距离： 线色散率：,49, 色分辨本领： 光栅谱线的半角宽度即为此时的分辨极限 故： 其色分辨本领为 ：,N,50,结论： 1） 对于给定的某一级光谱，波长相差 的两谱线间的角距离 反比于光栅常数d，即正比于光栅单位长度内狭缝条数 1/d ，狭缝条数越密，光谱展得越开，而与光栅的狭缝总数 N 无关。（ ） 2）对级次较小的谱线，谱线间距与波长差成正