光学仪器的基本原理课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,光学仪器的基本原理课件,*,第四章,光学仪器的基本原理,光学仪器的基本原理课件,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,光度学概要光能量的传播,光学仪器的基本原理课件,4.8,物镜的聚光本领,*,4.9,幻灯机的聚光和成象,*,4.10,单色象差概述,*,4.11,正弦定理和正弦条件,*,4.12,近轴物近轴光线成象的色差,4.13,助视仪器的分辨本领,4.14,分光仪器 的分辨本领,光学仪器的基本原理课件,4.8,物镜的聚光本领,4.9,幻灯机的聚光和成象,4.10,单色象差概述,4.11,正弦定理和正弦条件,4.12,近轴物近轴光线成象的色差,4.13,助视仪器的分辨本领,4.14,分光仪器 的分辨本领,光学仪器的基本原理课件,*,4.1,人的眼睛,一、,人眼的结构,（从光学仪器的角度来讲）,图,从,几何光学,的角度，,人眼,照相机,是一个精密成象的,光学仪器,瞳孔,控制进入人眼的光通量。,几个名词：,晶状体,可调焦距的凸透镜。,视网膜,接收象。,光学仪器的基本原理课件,二、,简化眼,从几何光学的观点来看，,人眼是一个由不同介质,构成的共轴光具组,，因而可以简化成单折射球面,的,简化眼,。,F,n=1,n,=4/3,f,=22.8mm,三、,人眼的调节功能,正常眼,远点,近点（随年龄变化）,明视距离,25,cm,光学仪器的基本原理课件,非正常眼,近视眼,远点不在,，凹透镜矫正。,远视眼,近点,变远，凸透镜矫正。,散 光,角膜曲率不均匀。,光焦度：,单位：屈光度=1/米,度数=100,屈光度,光学仪器的基本原理课件,4.2,助视仪器的放大本领,一、,放大本领的 概念,1. 眼睛对物体大小的感觉,u,物体对人眼张开的视角,u,2. 放大本领,-l,u,P,Q,P,Q,-l,Q,P,光学仪器的基本原理课件,l,：不用助视仪器在视网膜上的象长。,l,：用助视仪器在视网膜上的象长。,u,：经助视仪器后的象对人眼张开的视角。,u,远物,：对人眼张开的视角。,近物,：放在明视距离处，对人眼张开的视角。,光学仪器的基本原理课件,二、,放大镜,25 cm,F,u,u,透镜的放大本领：,y,y,y,-s,光学仪器的基本原理课件,4.3,目镜,一、,目镜的作用,目镜是复杂的放大镜，其特点：,M大，视场大，,可以校正象差。,目镜一般由两个或,几个薄透镜组成,接目镜（视镜）,向场镜（场镜）,二、,两种目镜,1. 惠更斯目镜,H,H,F,L,1,L,2,光学仪器的基本原理课件,组合：,消色差,特点：,（1）,消色差；,（2）,只能接在物镜后，使成象在明视距离，,起放大作用；,（3）,视场大。,2. 冉斯登目镜,H,H,F,光学仪器的基本原理课件,组合：,特点：,（1）,直接可当放大镜使用；,（2）,与惠更斯目镜比较，,可直接作放大镜,观察实物,，惠更斯目镜只能观察象；,（3）,整个系统比较长。,光学仪器的基本原理课件,4.4,显微镜的放大本领,显微镜,物镜一组透镜，焦距,f,1,短,目镜一组透镜，焦距,f,2,简化为,单个透镜,F,1,F,2,物镜,目镜,光学间隔,= F,1,F,2,l,（筒长）,f,1, f,2,很短,-u,-y,1,y,光学仪器的基本原理课件,显微镜的放大本领：,光学仪器的基本原理课件,4.5,望远镜的放大本领,望远镜,物镜,，,f,1,长,目镜,反射镜反射式望远镜,透镜折射式望远镜,会聚,开普勒望远镜,发散,伽利略望远镜,一、,开普勒望远镜,无穷远的物,物镜,目镜,F,1,F,2,u,-u, = 0,-y,1,远物，小视角,光学仪器的基本原理课件,放大本领：,有限远的物,物镜,目镜,F,1,F,2,放大本领：,M0, 正立虚象,放大本领：,三、,反射式望远镜（天文望远镜）,牛顿式反射望远镜,格雷戈里式望远镜,卡斯格伦式望远镜,近代，采用,施密特物镜,哈勃太空望远镜,目镜,F,2,F,1,u,u,光学仪器的基本原理课件,四、,激光扩束器,会聚产生,电 离,倒装的伽利略望远镜,补充,：,设开普了勒望远镜和伽利略望远镜的物镜和目镜之间的距离均为10cm，视角放大率均为3倍，分别求它们的,f,1,， f,2,。,光学仪器的基本原理课件,4.6,光阑 光瞳,一、,光阑的概念,光阑,光学系统中具有,透光孔,的屏。,作用：,1. 限制孔径角大小,2. 限制轴外成象光束,3. 控制光通量,4. 挡掉杂散光,以作用分类：,有效光阑,限制轴上物点孔径角,视场光阑,限制轴外成象,光学仪器的基本原理课件,二、,有效光阑和光瞳,有效光阑,在所有各光阑中，,限制入射光束,最起作用,的那个光阑。,是针对轴上某一点而言。,P,Q,P,点“,1,”有效光阑,Q,点“,2,”有效光阑,1,2,（1）对指定某一物点而言；,特点：,光学仪器的基本原理课件,P,P,A,B,B,A,A,B,为,P,点,的有效光阑,入射光瞳,限制入射光线，,有效光阑被它前面,的光学系统成的象,。,出射光瞳,限制出射光线，,有效光阑被它后面,的光学系统成的象,。,既可以为,实物,，也可以为,象,。,（2）对象方光束的限制也可看成对物方光束的限制。,光学仪器的基本原理课件,分析有效光阑、入射光瞳、出射光瞳的思路：,（1）明确考虑的物点P；,（2）所有光阑（包括透镜）对它前面透镜成象；,（或者将光阑作为象，求对其左方的光学系统,而言的对应的物）,（3）比较，求所得到的象对P点张开的孔径角，其,最小者所对应的光阑是有效光阑；,（4）最小的象即是入射光瞳；,（5）有效光阑对其右边的光学系统成象得到,出射光瞳。,入射光瞳、出射光瞳共轭,光学仪器的基本原理课件,4.7,光度学概要光能量的传播,一、,辐射通量,辐射通量,单位时间内，某一面积发射,出来的全部辐射能量。,谱辐射通量密度,e(,),单位波长范围间隔内,的辐射通量。,二、,视见函数,（1）因人而异,（2）背景亮度,（背景暗，向短波方向移动）,特点：,光能量传递辐射度学,可见光范围光度学,555nm,（单位：,瓦特,）,v(,),1.0,光学仪器的基本原理课件,三、,光通量,光通量,客观辐射通量对,人眼引起视觉的有效通量,。,K,m,最大光视效能,K,m,=,683,lm/W,单色光光通量：,复色光光通量：,发光效率：,单位：,流明,（,lm,）,光学仪器的基本原理课件,四、,发光强度,发光强度,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。,单位：,坎德拉,（,cd,）,如果各个方向发光强度相同，则,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,5.40,10,14,H,z,的单色辐射，,而且在此方向上的辐射强度为,1/683,W/sr,。,（,sr,为球面度,）,SI中，七个基本单位之一,光学仪器的基本原理课件,五、,照度和出射度,照度,E,单位面积上,接收,的光通量。,点光源,面光源,出射度,M,单位面积上,辐射出来,的光通量。,单位：,勒克斯,(,lux,),lm/m,2,单位：,勒克斯,(,lux,),lm/m,2,dS,R,光学仪器的基本原理课件,六、,亮度,亮度,L,辐射面上单位投影面积，在单位,立体角内辐射的光通量。,S,dS,d,单位：,cd/m,2,由发光强度定义，,L,可写为：,扩展光源,dI,cos,L,与,无关,朗伯定律,漫反射,朗伯反射体,朗伯光源,光学仪器的基本原理课件,七、三原色原理,红光,R,(,=700 nm,),绿光,G,(,=546.1 nm,),蓝光,B,(,=435.8 nm,),光通量按不同比例,混合,可得到,自然界,大多数颜色的光。,拍摄：,分光系统分解,R,G,B,光电转换,E,R,E,G,E,B,传输,或,储存,图像,显示,E,R,E,G,E,B,加到彩色显象管,红色图像,绿色图像,兰色图像,彩色图像,光学仪器的基本原理课件,4.8,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。,一、,显微镜的聚光本领 数值孔径,象面照度,L,0,成象的物在真空中的亮度,横向放大率,R,N.A.,数值孔径,n,物方折射率,u,孔径角,u,光学仪器的基本原理课件,二、,望远镜的聚光本领 相对孔径,象面照度,d,望远镜物镜孔径,d/f,相对孔径,反射式,望远镜相对孔径,1/3.33,折射式,望远镜相对孔径,1/18.9,三、,照相机的聚光本领,象面照度,远物,近物,光学仪器的基本原理课件,F数,(,光圈数,）,相对孔径的倒数，,即,f,/d,通常用,F 1:K,表示,物镜的相对孔径.,如国产海鸥DF型照相机,F 1:2,F数,f,/d,1 1.4 2 2.8 4 5.6 8 11 16,相对,孔径,d/f,1/1 1/1.4 1/2 1/2.8 1/4 1/5.6 1/8 1/11 1/16,象面,照度,光学仪器的基本原理课件,*,4.10(12),象差,单色象差,轴上点,（宽光束）,球,差,轴外点,轴外近点,（宽光束）,彗,差,轴外远点,（细光束）,象,场,弯,曲,象,散,畸,变,枕,形,畸,变,桶,形,畸,变,象差的分类,色差,由于透镜对,不同波长光,会聚能力不同,引起的,光学仪器的基本原理课件,图,光学仪器的基本原理课件,色差：,阿贝数（V数）,n,D,黄色折射率,n,F,蓝色折射率,n,C,红色折射率,消色差,1. 两种不同材料胶合,2. 同种材料组合,满足,则，,光学仪器的基本原理课件,4.13,助视仪器的分辨本领,前,言,衍射作用不容忽视,光学系统中，,透镜相当于圆孔,理想成象,点物,点象,考虑衍射现象,点物, 爱里斑,圆孔衍射,爱里斑,分辨不清,光学仪器的基本原理课件,2. 瑞利判据,观察屏上,甲亮斑,（衍射图样）的,主极大,正好落在,乙亮斑,（衍射图样）的,第一极小处,，两个亮斑,刚,好能被分辨,。,一、,分辨本领,1. 定义,光学系统,分辨细微结构的能力,。,光学仪器的基本原理课件,两发光点对光具组入射光瞳中心所张视角：,R,：透镜半径,D,：透镜直 径（孔径）,u,二、,人眼的分辨本领,人眼瞳孔半径,=555 nm,波长,瞳孔的分辨极限角：,明视距离，,两发光点距离：,u,光学仪器的基本原理课件,视网膜上：,视网膜与瞳孔间距离约为,2.2,cm,三、,望远镜物镜的分辨本领,物镜,有效光阑、入射光瞳,D/f,相对孔径,能够分辨两象点间的距离,分辨两物点间的距离为,光学仪器的基本原理课件,四、,显微镜物镜的分辨本领,物镜,有效光阑、入射光瞳,物离物镜很近，,R,l,u,分辨两物点间的极限距离：,物在介质中（,如,油浸,）,数值孔径,n,sin,u,，,y,光学仪器的基本原理课件,书P.293， 例4.3,（1）显微镜用波长为250nm的紫外光照射比用波长为500nm的,可见光照射时，其分辨本领增大多少倍？,（2）它的物镜在空气中的数值孔径约为0.75，用紫外光所能,分辨的两线之间的距离是多少？,（3）用折射率为1.56的油浸系统时，这个最小距离为多少？,（4）若照相底片上的感光微粒的大小约为0.45mm，问油浸,系统紫外光显微镜的物镜横向放大率为多少时，在底片上刚,好能分辨出这个最小距离。,解：,（1）,用紫外光照射，分辨本领增至2倍，即增大1倍。,光学仪器的基本原理课件,（2）,用紫外光照射时分辨的极限距离：,（3）,（4）,物镜的横向放大率：,光学仪器的基本原理课件,4.14,分光仪器 的分辨本领,分光仪器的分辨本领：衡量,分开光谱中两波长,很接近的谱线的能力。,图,如：,棱镜、光栅、法布里珀罗干涉仪,一、,棱镜,（,A,b,）,0,）,i,2,i,1,）,光学仪器的基本原理课件,通过棱镜的光束是,限制在一定宽度,b,以内，因此,要发生,单缝衍射。,由,由,A,棱镜顶角,0,最小偏向角,两边微分，整理得，,第一衍射极小,且，,且,i,2,=A/2,则，,光学仪器的基本原理课件,波长相差,的两谱线间的色散角：,1. 角色散,2. 色分辨本领,刚好分辨,讨论,A,，,光谱展得越开,P,，色分辨本领越高,3. 线色散,光学仪器的基本原理课件,二、,光栅光谱仪,对光栅方程,两边微分，得,或,*,线色散,角色散,光学仪器的基本原理课件,且,谱线半角宽度,当,=,时，两谱线,刚好分辨。,色分辨本领,光学仪器的基本原理课件,例4.4,一个棱角为50,的棱镜由某种玻璃制成，它的色散特性,由,决定，其中,a,=1.53974，,b,=4.6528,10,3,nm,3,.,当其对550nm的光处于最小偏向角时，试求：,（1）这个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）若会聚透镜的焦距为50cm，这个系统的线色散率为多少？,解：,（1）,已知：,光学仪器的基本原理课件,（2）,色分辨本领：,已知：,（3）,线色散率：,角色散率：,光学仪器的基本原理课件,例4.5,用一宽度为5cm的平面透射光栅分析钠光谱，钠光垂直,投射在光栅上，若需在第一级分辨波长分别为589nm和,589.6nm的钠双线，试求：,（1）平面光栅所需的最小缝数应为多少？,（2）钠双线第一级最大之间的角距离为多少？,（3）若会聚透镜的焦距为1m，其第一级线色散率为多少？,解：,由光栅的色分辨本领,可得：,（1）,光学仪器的基本原理课件,（2）,由光栅方程,k=1,角距离：,（3）,线色散率为：,第四章结束,光学仪器的基本原理课件,