光学仪器基本原理课件

1、1,现代光学,第四章 光学仪器基本原理,2,主 要 内 容,4.1 像差色差概述 4.2 人的眼睛 4.3 助视仪器的放大本领 4.4 目镜 4.5 显微镜的放大本领 4.6 望远镜的放大本领 4.7 光阑 光瞳 4.8 物镜的聚光本领 4.9 助视仪器的分辨本领 4.10 分光仪器的分辨本领,3,第四章,4.1 像差色差概述,4,（一）球面像差（球差）,形状：弥漫圆斑。 成因：透镜表面为球面，宽光束经过透镜不同环带的光线折射后与主轴交点不重合。 大小：球差的大小与透镜表面曲率半径r、折射率n等有关。,5,消除方法： 加光阑限制远轴光线 将会聚透镜和发散透镜结合起来使用。 采用菲涅耳螺纹透镜，

2、如：电影和舞台照明灯、汽车前灯、投影仪的聚光器等。,（一）、球面像差（球差）,6,(二)、彗形像差,形状：形似彗星。 消除方法: 1）加光阑限制宽光束。 2）用粘合透镜。球、慧差要求条件不一,不易同时消除.若一个透镜能消球差,则慧差也小。,7,（三）、像散,特征：远离光轴的点物窄光束经透镜成为像散光束。横截面是椭圆。 2.消除方法：适当选配系统各球面的曲率半径、各介质的折射率及合理确定有效光阑的位置。,8,（四）、像面弯曲,1.现象：对较大物平面经透镜后成的像是抛物面。 2. 消除方法：采用组合系统，适当的选配各透镜的焦距和折射率。,9,(五)、畸变,1、现象：像和物不能保持几何相似。 2、成

3、因：由于物点离主轴的距离不同，而使得横向放大率不同所引起。 3、特点：畸变并不影响成像的清晰程度，而只改变像的几何形状。 4、消除 两种畸变的组合。 将光阑放在一组相同对称透镜中间。,10,(六)、色差,1、现象：白光入射，像的边缘呈现颜色. 2、原因：不同波长的光在介质中折射率不同。,消色差方法 粘和透镜。可对选定的两波长,用两个(多个) 材料反号光焦度的,焦距适当的透镜粘和而成。,11,第四章,4.2 人的眼睛,12,视神经,一、人眼的结构,13,人眼的结构,14,三、人眼的调节功能,调节方式：自动调节和被动调节（矫正）。,2、自调节：,靠睫状肌的松驰或紧张来改变晶状体的曲率半径，从而改变

4、人眼焦距。, 自调节的限度：近点和远点之间。,远点：睫状肌完全松驰，晶状体曲率半径最大,晶状体变薄。,近点：睫状肌最大收缩，晶状体曲率半径最小,晶状体变厚。,15,近点、远点和调节范围随年龄的增长而变化；,幼年78cm；成年25cm；老年12m-近点变远： 幼年无限远；老年数米-远点变近：,正常眼眼前25cm处明视距离。,3、人眼的缺陷及矫正被动调节。,近视眼：远点在有限远处。 远视眼：近点比正常眼远。,三、人眼的调节功能,16,近视眼及其矫正,（1）成因：,（2）矫正：,晶状体太厚，折光能力太强，成像于视网膜前。,配戴用凹透镜做成的近视眼镜。,三、人眼的调节功能,17,远视眼及其矫正,（1）

5、成因：,（2）矫正：,晶状体太薄，折光能力太弱，成像于视网膜后。,配戴用凸透镜做成的远视眼镜。（老花眼镜）,三、人眼的调节功能,18, 散光眼：角膜为椭球面的人眼。(像散眼),（1）成因：椭球有两个对称平面，包含长、短轴，有两个不同的焦距像散。,(2) 矫正方法：戴柱面透镜。与散光眼的像散相抵消。,三、人眼的调节功能,19,近视眼的激光手术治疗,治疗前,治疗后,三、人眼的调节功能,20,第四章,4.3 助视仪器的放大本领,21,定义：被观察物对人眼光心的张角。,视网膜上像的长度由物体对光心所张角度的大小来衡量（U）。,一切助视仪器设计的出发点就是增大人眼的视角,一、人眼的视角,22,23,二、

6、放大本领,说明：, 须将物放在同一特定位置比较两像大小。, 放大镜和显微镜：明视距离处（25cm）； 望远镜：无穷远处。,24,三、放大镜,使用放大镜的视角：,未用放大镜的视角：,最简单的放大镜-凸透镜:,放大镜的放大本领：,25,第四章,4.4 目 镜,26,27,一、目镜,1、定义：用于放大其它光具组所成像的助视仪器。,要求：A、放大本领高； B、能校正像差、色差。,2、结构：,场镜+视镜+分划板（刻度尺）,场镜： 面向物体的透镜（或透镜组）,视镜： 接近人眼的透镜（或透镜组）,分划板：包含透明刻度尺，用于提高测量精度。,28,1)惠更斯（Huygens）目镜,视角大（可达400），结构紧

7、凑，适用于生物显微镜。,二镜凸面向物镜,二、两种目镜,29,2）冉斯登（Ramsden）目镜,二镜凸面相向,冉镜可用于直接观察实物， 配上分划板可精确测量实物和物镜所成的像的长度。,二、两种目镜,30,第四章,4.5 显微镜的放大本领,31,32,一、光路图,P,Q,P,Q,y,惠更斯目镜,明视距离,33,二、放大本领,整个系统像方焦距为：,镜筒长度,34,第四章,4.6 望远镜的放大本领,35,一、定义：,帮助人眼观察远处物体的放大镜。,像并不比原物大，只相当把远物移近，增大对人眼的视角。,1、结构：物镜系统+目镜系统,2、分类：, 按物镜的种类分：,A、反射式望远镜,B、折射式望远镜, 按

8、目镜种类分：,A、开普勒望远镜：目镜为会聚透镜；,B、伽利略望远镜：目镜为发散透镜。,36,数码,防水,反射式,折射式,37,二、开普勒望远镜,1.结构特点：,物镜目镜均为会聚透镜，物镜像方焦点与目镜物方焦点重合。,38,2、放大本领,Q对人眼的视角,Q对人眼的视角,二、开普勒望远镜,39,三、伽利略望远镜,1.结构特点：,物镜会聚,目镜发散，物镜像方焦点与目镜物方焦点重合。,2、放大本领,O,40,物镜的横向放大率,Kepler望远镜：M 0,Galilei望远镜：M 0,41,四、 反射式望远镜,（a）牛顿反射式望远镜,（b）格雷戈里反射式望远镜,（c）卡斯格伦反射式望远镜,（d）施密特反

9、射式望远镜,牛顿反射式,42,椭球面,几种望远镜光路图,43,五、激光扩束器,1、定义：,激光扩束器将激光束横截面扩大的光学仪器。,2、装置,倒用的折射式望远镜是很好的激光扩束器 。,开氏,伽氏,44,45,第四章,4.7 光阑 光瞳,46,1、定义：光学系统中凡是对光能量具有限制作用的元件。,（1） 保证近轴条件，改善成像质量（像的清晰 度）。 （2） 控制成像物空间的范围。 （3） 控制像面的亮度。,2 、光阑的作用：,一、光阑,如：透镜的外缘、开孔、光屏等。,47,有效光阑,有效光阑,F,F,1、有效光阑：在所有各种光阑中，限制入射光束最起作用的那个光阑。（孔径光阑）,二、有效光阑和光瞳

10、,48,入瞳有效光阑经其前方光学系统所成的像（B）。,出瞳有效光阑经其后方光学系统所成的像（B） 。,有效光阑,入瞳,出瞳,二、有效光阑和光瞳,49,边缘光线,主光线,主光线-通过孔径光阑中心的光线;,边缘光线-通过孔径光阑边缘的光线;,三、有效光阑、入瞳和出瞳的确定方法,50,在这个系统中，孔径光阑同时也是出瞳,孔径光阑,入瞳- 孔径光阑对前方系统成的像,入射孔径角,u,P,M,N,A,B,A,B,三、有效光阑、入瞳和出瞳的确定方法,F,51,三、有效光阑、入瞳和出瞳的确定方法,对确定的物点：,1、求出系统中每一个光阑经其前方光学系统所成的像。,2、由确定的物点对第一个透镜,以及各个像作张角

11、，寻找张角最小一个。,3、张角最小者对应的光阑为有效光阑。,4、张角最小的像为入瞳；将已确定的有效光阑经其后方光学系统成像，即可求得出瞳。,52,在这个系统中，孔径光阑同时也是出瞳,孔径光阑,入瞳- 孔径光阑对前方系统成的像,入射孔径角,u,u,uL,P,M,N,A,B,A,B,F,三、有效光阑、入瞳和出瞳的确定方法,53,四、讨论,1、若有效光阑在系统最前面，则有效光阑与入瞳重合；若有效光阑在系统最后面，则有效光阑与出瞳重合。,2、入瞳、出瞳可能是实像，也可能是虚像；,3、入瞳并非一定在出瞳的前面；,4、通过有效光阑中心的光线称为主光线，由于共轭性，入、出瞳的中心也在主光线上；,5、人眼的有

12、效光阑就是瞳孔；,6、有效光阑、出瞳和入瞳均是对给定物点而言的。,三、有效光阑、入瞳和出瞳的确定方法,54,例、直径为D=4cm，相距d=4cm的两个薄透镜 L1（会聚透镜）和 L2（发散透镜），焦距分别为5cm和10cm ， 求： a）哪一个透镜是有效光阑？ b）入瞳和出瞳的位置和大小？,4cm,4cm,P,6cm,4cm,三、有效光阑、入瞳和出瞳的确定方法,55,第四章,4.8助视仪器的分辨本领,56,清晰分辨,刚好能分辨,不能分辨,一、分辨本领,物点所成像点就是衍射图样中的中央条纹或爱里斑。,57,1、瑞利据判：,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重合时，两个像点刚好能

13、分辨开。,2、分辨极限角：,刚好能分辨时，两物点对光具组入瞳中心的夹角(或两像点对出瞳的夹角)为夫琅和费圆孔衍射中中央亮斑的角半径：,一、分辨本领,58,分析： ，两点的像分辨得开； ，则分辨不开。 的这个极限角成为光具组的分辨极限。,3、分辨本领：,分辨极限角的倒数，称为分辨本领：,一、分辨本领,59,二、人眼的分辨本领,定义：人眼刚能分开靠近的两物点的能力,1、分辨极限角（ 最灵敏）,2、极限间距,瞳孔半径在14 可调。取：R1， = 550nm得,60,极限分辨角:,d ：物镜直径 两个像点极限距：,三、望远镜物镜的分辨本领, 增大相对孔径（d/ f）或 用短波光束。,要增大望远镜的分辨

14、本领，要求：,61,四、显微镜物镜的分辩本领,是物方的数值孔径，要求：,增大数值孔径（nsinu）。 用短波光束（如电子显微镜）。,正弦定理,62,第四章,4.8 分光仪器的分辨本领,63,一、棱镜光谱仪,角色散率： 在最小偏向角 附近的角色散率为：,64,一、棱镜光谱仪,65,而 即：,一、棱镜光谱仪,66,一、棱镜光谱仪, 波长相差为 的两谱线间的角距离,67,一、棱镜光谱仪,2 线色散率 （ ）。,68,3 色分辨本领 即 又 为棱镜底面的宽度 色分辨本领为：,一、棱镜光谱仪,69,1、角色散率,2、线色散率,二、光栅光谱仪,70,谱线的半角宽度,Nd愈大， 愈小， 谱线愈窄，锐度愈好。

15、,二、光栅光谱仪,71,二、光栅光谱仪,3光栅的色分辨本领,由Rayleigh判据， 分辨率极限：,色分辨本领,72,例题 一个棱角为 500 的棱镜由某种玻璃制成，它的色散特性由 确定。其中 。当其对 550nm 的光处于最小偏向角位置时，试求： (1)这棱镜的角色散率为多少 ？ (2)若该棱镜的底面宽度为 2.7cm 时，对该波长的光的色分辨本领为多少？ (3)若该棱镜的焦距为 50cm ，这系统的线色散率为多少?,二、光栅光谱仪,73,解：(1) 最小偏向角附近的角色散率为 其中,二、光栅光谱仪,74,(2) 色分辨本领为 (3) 线色散率为,二、光栅光谱仪,75,二、光栅光谱仪,例 用一个宽度为 5cm的平面透射光栅分析钠光谱，钠光垂直投射在光栅上。若需要在第一级分辨波长为589nm和589.6nm 的钠双线，试求： (1)平面光栅所需的最少缝数为多少？ (2)钠双线第一级最大之间的角距离为多少？ (3)若会聚透镜焦距为 1m ，其第一级线色散率为多少?,76,本章小结,放大本领： 放大镜： 显微镜： 物镜的横向放大率目镜的放大本领 望远镜：,77,2、物镜与目镜 显微镜： A、惠更斯目镜 B、冉斯登目镜 折射式望远镜 反射式望远镜,A、开普勒望远镜,B、伽利略望远镜,（a）牛顿反射式,（b）格雷戈里反射式,（c