光學(xué)儀器的基本原理課件VIP

*光學(xué)儀器*

一方面要求成象清晰，盡可能消除象差和色差，另一方面又要求象場(chǎng)廣闊而明亮，這些常常是不可兼得的；成象清晰度與細(xì)節(jié)分辨程度的關(guān)系問(wèn)題。

光學(xué)儀器的基本原理

只有在物點(diǎn)和光線都限制在近軸區(qū)域的條件下，才能實(shí)現(xiàn)理想成象色差

象差*光學(xué)儀器*

權(quán)衡光學(xué)儀器的放大本領(lǐng)、聚光本領(lǐng)和分辨本領(lǐng)各方面的得失，可以根據(jù)某些指標(biāo)和具體條件來(lái)選配儀器元件，實(shí)現(xiàn)儀器的既定目的。*光學(xué)儀器*第四章光學(xué)儀器的基本原理§4-1

人的眼睛§4-2

助視儀器的放大本領(lǐng)

§4-3

目鏡§4-4

顯微鏡的放大本領(lǐng)§4-5

望遠(yuǎn)鏡的放大本領(lǐng)§4-6

光闌光瞳§4-7

光能量的傳播§4-8物鏡的聚光本領(lǐng)§4-13

助視儀器的分辨本領(lǐng)§4-14分光儀器的分辨本領(lǐng)*光學(xué)儀器*§4-1人的眼睛一、人眼的結(jié)構(gòu)睫狀肌角膜瞳孔水晶體玻璃液脈絡(luò)膜鞏膜視網(wǎng)膜中央窩盲點(diǎn)返回*光學(xué)儀器*二、簡(jiǎn)化眼

人眼簡(jiǎn)化為只有一個(gè)折射球面的簡(jiǎn)化眼表4-1簡(jiǎn)化眼結(jié)構(gòu)的光學(xué)常數(shù)*光學(xué)儀器*三、人眼的調(diào)節(jié)功能

人眼作為接收器，只能辨別而不能測(cè)量光能的大小，也不能判別復(fù)色光的組分

眼的自調(diào)節(jié)——主要借助于水晶體的作用

近點(diǎn)——眼前7-8cm

遠(yuǎn)點(diǎn)——

明視距離——在適當(dāng)?shù)恼彰飨拢ǔ５难塾^察眼前25cm處的物體是不費(fèi)力的，而且能看清楚物體的細(xì)節(jié)。*光學(xué)儀器*§4-2助視儀器的放大本領(lǐng)

一、放大本領(lǐng)的概念注意：助視儀器的放大本領(lǐng)=物體通過(guò)助視儀器在視網(wǎng)膜上造成的象的長(zhǎng)度為l’用肉眼直接觀察在視網(wǎng)膜上所成象的長(zhǎng)度為l這里將物體經(jīng)助視儀器所成之象與肉眼觀察的物體于同一特定位置來(lái)比較象與物的大小。返回*光學(xué)儀器*

上述的特定位置，對(duì)放大鏡或顯微鏡而言，是指被觀察物離人眼的明視距離；對(duì)望遠(yuǎn)鏡而言，是指被觀察物放在遠(yuǎn)處或無(wú)窮遠(yuǎn)處。

儀器的放大本領(lǐng)為l和l’、U和U’并不是共軛量，它們是兩個(gè)不同條件下物體在網(wǎng)膜上的象高或視角。*光學(xué)儀器*二、放大鏡

凸透鏡是一個(gè)最簡(jiǎn)單的放大鏡，是幫助眼睛觀察微小物體或細(xì)節(jié)的簡(jiǎn)單的光學(xué)儀器。*光學(xué)儀器*對(duì)眼的視角近似為若不用透鏡而將物置于明視距離處時(shí)，從瞳孔看物的視角為(y以cm為單位)透鏡的放大本領(lǐng)為(以cm為單位)*光學(xué)儀器*一、目鏡的作用

目鏡也是放大視角用的儀器。通常放大鏡用來(lái)直接放大實(shí)物，而目鏡則用來(lái)放大其它光具組(稱為物鏡)所成的象。復(fù)雜的助視光學(xué)儀器總是包括物鏡和目鏡兩部分。目鏡通常由不相接觸的兩個(gè)薄透鏡組成。面向物體的透鏡稱為向場(chǎng)鏡(或簡(jiǎn)稱場(chǎng)鏡)，接近眼睛者稱為接目鏡(或簡(jiǎn)稱視鏡)?！?-3目鏡返回*光學(xué)儀器*二、兩種目鏡

(1)惠更斯目鏡惠更斯目鏡的視場(chǎng)相當(dāng)廣大，視角可達(dá)40

，在25

范圍以內(nèi)更見(jiàn)清晰，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。因此顯微鏡中經(jīng)常采用這種目鏡。*光學(xué)儀器*

(2)冉斯登目鏡

冉斯登目鏡可作一般放大鏡觀察實(shí)物，而惠更斯目鏡卻只能用采觀察象。在冉斯登目鏡的物平面上加一分劃板，可對(duì)被觀察的物體或來(lái)自物鏡的實(shí)象進(jìn)行長(zhǎng)度的測(cè)量，然而惠更斯目鏡則不能。*光學(xué)儀器*§4-4顯微鏡的放大本領(lǐng)一、顯微鏡的光路圖返回*光學(xué)儀器*顯微鏡的放大本領(lǐng)為設(shè)顯微物鏡和目鏡的焦距為和物鏡象方焦點(diǎn)到目鏡物方焦點(diǎn)F2之間的距離(即光學(xué)間隔)為

。物鏡的橫向放大率為二、顯微鏡的放大本領(lǐng)*光學(xué)儀器*

望遠(yuǎn)鏡是幫助人眼對(duì)遠(yuǎn)處物體進(jìn)行觀察的光學(xué)儀器。觀察者是以對(duì)望遠(yuǎn)鏡象空間的觀察代替物空間的觀察；而所觀察的象，實(shí)際上并不比原物大，只是相當(dāng)于把遠(yuǎn)處的物體移近，增大視角，以利觀察。§4-5望遠(yuǎn)鏡的放大本領(lǐng)

望遠(yuǎn)鏡也是由物鏡和目鏡組成的。物鏡用反射鏡的稱反射式望遠(yuǎn)鏡，物鏡用透鏡的稱折射式望遠(yuǎn)鏡；目鏡是會(huì)聚透鏡的稱為開(kāi)普勒望遠(yuǎn)鏡，目鏡是發(fā)散透鏡偽稱為伽利略望遠(yuǎn)鏡。返回*光學(xué)儀器*一、開(kāi)普勒望遠(yuǎn)鏡

由兩個(gè)會(huì)聚薄透鏡分別作為物鏡和目鏡所構(gòu)成的天文望遠(yuǎn)鏡*光學(xué)儀器*二、伽利略望遠(yuǎn)鏡

用發(fā)散透鏡來(lái)做目鏡*光學(xué)儀器*望遠(yuǎn)鏡的放大本領(lǐng)為

望遠(yuǎn)鏡的物鏡和目鏡的間隔等于零——望遠(yuǎn)光具組，它的特點(diǎn)是平行光束通過(guò)時(shí)，透射出來(lái)的仍是平行光束，但方向改變。

伽利略望遠(yuǎn)鏡的視場(chǎng)較小，開(kāi)普勒望遠(yuǎn)鏡的視場(chǎng)則較大。*光學(xué)儀器*

不論那一種望遠(yuǎn)鏡，物鏡的橫向放大率都小于1，可見(jiàn)放大本領(lǐng)與橫向放大率是有區(qū)別的。

開(kāi)普勒望遠(yuǎn)鏡可以放置叉絲或刻度尺。伽利略望遠(yuǎn)鏡則不能配這種裝置。

伽利略望遠(yuǎn)鏡鏡筒較短，開(kāi)普勒望遠(yuǎn)鏡的鏡筒較長(zhǎng)。*光學(xué)儀器*三、反射式望遠(yuǎn)鏡*光學(xué)儀器*四、激光擴(kuò)束器

如果使激光器發(fā)出的光束經(jīng)過(guò)一個(gè)高質(zhì)量的望遠(yuǎn)鏡，便可以實(shí)現(xiàn)擴(kuò)束。這個(gè)望遠(yuǎn)鏡就是激光擴(kuò)束器；它的構(gòu)造如圖所示。*光學(xué)儀器*一、光闌的概念

光學(xué)元件的邊緣，或者—個(gè)有一定形狀的開(kāi)孔的屏(稱為光闌)§4-6光闌光瞳二、有效光闌和光瞳在所有各光闌中，限制入射光束最起作用的那個(gè)光闌，叫做孔徑光闌或有效光闌。三、有效光闌和光瞳的計(jì)算返回*光學(xué)儀器*

有效光闌被自己前面部分的光具組所成的象叫做入射光瞳；它被自己后面部分的光具組所成的象叫做出射光瞳；入射光瞳與出射光瞳對(duì)整個(gè)光具組來(lái)講是共軛的。*光學(xué)儀器*一、輻射通量和視見(jiàn)函數(shù)

單位時(shí)間內(nèi)該面積元dS輻射出來(lái)的所有波長(zhǎng)的光能量(也就是通過(guò)該面積的輻射功率)來(lái)表示，這就是面積元dS的輻射通量。可用

來(lái)表示，單位為瓦特?！?-7光能量的傳播返回*光學(xué)儀器*

為了表示光源面積元所輻射的不同波長(zhǎng)的光的相對(duì)輻射通量，引入分布函數(shù)e(

)的概念。它就是在單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)光源面積元的某一波長(zhǎng)附近的單位波長(zhǎng)間隔內(nèi)的光能量。e(

)是波長(zhǎng)

的函數(shù)，它又稱譜輻射通量密度。*光學(xué)儀器*

從光源面積元dS輻射出來(lái)的波長(zhǎng)在

到

+d

間的光輻射通量為

從面積元dS發(fā)出的各種波長(zhǎng)光的總輻射通量為*光學(xué)儀器*二、視見(jiàn)函數(shù)

人眼對(duì)黃綠色光最靈敏；對(duì)紅色和紫色光較差；而對(duì)紅外光和紫外光，則無(wú)視覺(jué)反應(yīng)。在引起強(qiáng)度相等的視覺(jué)情況下，若所需的某一單色光的輻射通量愈小，則說(shuō)明人眼球該單色光的視覺(jué)靈敏度愈高。設(shè)任一波長(zhǎng)為

入射光和波長(zhǎng)為555nm的光，產(chǎn)生相同亮暗視覺(jué)所需的輻射通量分別為和，則比值稱為視見(jiàn)函數(shù)。*光學(xué)儀器**光學(xué)儀器*三、光通量

在某一波長(zhǎng)

附近對(duì)于波長(zhǎng)間隔為d

的單色光來(lái)講，其光通量為式中km為最大光視效能，簡(jiǎn)稱最大光效率。稱為光譜光視效能*光學(xué)儀器*

光通量和輻射通量具有相同的量綱，但在國(guó)際單位制中，輻射通量的單位為瓦；而光通量的單位為流明，單位代號(hào)：流（lm）。*光學(xué)儀器*

光譜光視效能其實(shí)是波長(zhǎng)為

的輻射的功光當(dāng)量。換言之波長(zhǎng)為

的1W輻射通量，相當(dāng)于(lm)的光通量。而最大光譜光視效能km是指波長(zhǎng)為555nm輻射的功光當(dāng)量，即km為最大功光當(dāng)量。在國(guó)際單位制中km=683lm/W。*光學(xué)儀器*單色光的光通量復(fù)色光光通量*光學(xué)儀器*四、發(fā)光強(qiáng)度

發(fā)光強(qiáng)度是表征光源在一定方向范圍內(nèi)發(fā)出的光通量的空間分布的物理量，它可用點(diǎn)光源在單位立體角中發(fā)出的光通量的數(shù)值來(lái)量度，可表達(dá)為式中d

是點(diǎn)光源在某一方向上所張的立體角元。*光學(xué)儀器*點(diǎn)光源所發(fā)出的總通量為

如果I不隨

和

而變化(均勻發(fā)光體)，則得總光通量*光學(xué)儀器*

在國(guó)際單位制中，發(fā)光強(qiáng)度的單位為坎德拉，單位代號(hào)：坎(cd)。1979年第16屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)(決議3)規(guī)定坎德拉的定義為：“坎德拉是一光源在給定方向上的發(fā)光強(qiáng)度，該光源發(fā)出頻率為5.4

1014Hz的單色輻射，而且在此方向上的輻射強(qiáng)度為(1／683)W／sr?！贝颂巗r為球面度。*光學(xué)儀器*

值得指出的是，在國(guó)際單位制中，發(fā)光強(qiáng)度的單位是國(guó)際單位制中七個(gè)基本單位之一，光度學(xué)中其它單位均為導(dǎo)出單位。

空氣中波長(zhǎng)為555nm(明視覺(jué)的視見(jiàn)函數(shù)為1)的輻射對(duì)應(yīng)的頻率為5.400086

1014Hz。略去尾數(shù)，則坎德拉新定義中的頻率實(shí)際上就是明視覺(jué)最靈敏譜線的頻率。*光學(xué)儀器*五、照度

照度是表征受照面被照明程度的物理量，它可用落在受照物體單位面積上的光通量數(shù)值來(lái)量度，如果照射在物體面元d

上的光通量為d

，則照度E可表達(dá)為*光學(xué)儀器*式中R為點(diǎn)光源距至受光照物體元面積d

中心的距離

照度的單位稱為勒克斯，單位代號(hào)；勒(lx)。它是1lm的光通量均勻分布在1m2的表面上所產(chǎn)生的照度。照度的另一單位輻透(ph)。

1ph=1041x

對(duì)點(diǎn)光源來(lái)說(shuō)d

=Id

，因而照度*光學(xué)儀器*

單位面積的面元發(fā)出的總光通量稱為面光源的出射度，以M計(jì)之。對(duì)于面光源，考察其的面元dS，如果dS沿各方向發(fā)出的總光通量為d

，則它的單位也是勒克斯或輻透。*光學(xué)儀器*六、亮度

光源的亮度，它是表征發(fā)光面發(fā)光強(qiáng)弱并與發(fā)光表面特性有關(guān)的物理重，可以用單位面積的光源表面在法線方向的單位立體角內(nèi)傳送出的光通量數(shù)值來(lái)量度。于是d

=BdScos

d

，因此亮度單位為1m／(m2·sr)，或1m／(cm2·sr)，前者稱為尼特(nt)；后者稱為熙提(sb)。換算關(guān)系為：1sb=104nt。*光學(xué)儀器*

由發(fā)光強(qiáng)度的定義，

通常擴(kuò)展光源上每一面元的亮度B隨方向而變。如果擴(kuò)展光源的發(fā)光強(qiáng)度dI

cos

，從而亮度B不隨

角而變，這類光源稱為遵從朗伯定律的光源，也叫余弦發(fā)射體或朗伯光源。太陽(yáng)輻射的規(guī)律相當(dāng)接近于朗伯定律。*光學(xué)儀器*

[例4-2]一發(fā)光強(qiáng)度為60cd的點(diǎn)光源O置于水平地板上方4m處，而一直徑為3m的圓形平面鏡水平放置，平面鏡的圓心位于點(diǎn)光源正上方4m處，若光投射于平面鏡時(shí)，將80%的光反射，試求光源斜下方6m地板上P點(diǎn)處的照度。*光學(xué)儀器*

助視光學(xué)儀器所配有的目鏡，可以將物鏡所成的象加以放大；但不能增加聚光本領(lǐng)。對(duì)于物鏡的要求，除放大被觀察的物體外，還要增加稀象照度。在其它條件相同時(shí)，任何光學(xué)儀器物鏡的入射光瞳面積越大，能夠進(jìn)入物鏡的光通量越多，象的照度也就越強(qiáng)。

物鏡的聚光本領(lǐng)是描述物鏡聚集光通量能力的物理量，可以用象面的照度來(lái)量度?！?-8物鏡的聚光本領(lǐng)返回*光學(xué)儀器*一、光源在較近距離時(shí)的聚光本領(lǐng)數(shù)值孔徑

二、顯微鏡的聚光本領(lǐng)

三、光源在遠(yuǎn)距離時(shí)的聚光本領(lǐng)相對(duì)孔徑

四、照相機(jī)的聚光本領(lǐng)*光學(xué)儀器*一、分辨本領(lǐng)

中央亮斑的范圍由第一個(gè)暗環(huán)的角半徑

1決定§4-13助視儀器的分辨本領(lǐng)返回*光學(xué)儀器*

如果兩組花樣中央亮斑的中心距離比較遠(yuǎn)，而中央亮斑的范圍又比較小，那么“象”還是分開(kāi)成兩個(gè)亮斑；如果中心靠得很近，每一亮斑的范圍又比較大，那么原來(lái)兩個(gè)發(fā)光點(diǎn)的“象”將有所重疊而難以分開(kāi)；這時(shí)兩個(gè)發(fā)光點(diǎn)在光具組入射光瞳中心所張的視角U等于各衍射花樣第一暗環(huán)的角半徑

1，即*光學(xué)儀器**光學(xué)儀器**光學(xué)儀器*#視角U>1時(shí)，兩點(diǎn)的“象”能分辨得開(kāi)

#U<1則不能分辨開(kāi)

#U=1則剛剛能夠分辨開(kāi)

這個(gè)極限角U=1稱為光具組的分辨極限，它的倒數(shù)稱為分辨本領(lǐng)。對(duì)于給定的單色光，光具組的分辨本領(lǐng)正比于入射光瞳的半徑R。

此外，也可用象面上或物面上能夠分辨的兩點(diǎn)間的最小距離來(lái)表示分辨極限。*光學(xué)儀器*例題5：一會(huì)聚透鏡的直徑D=3.0cm，焦距f’=20cm，問(wèn)（1）剛好能夠分辨開(kāi)來(lái)的兩個(gè)距透鏡遙遠(yuǎn)的點(diǎn)狀物的角距離是多少？假定入射光波長(zhǎng)

=500nm。（2）在透鏡焦平面上兩物點(diǎn)衍射圖樣中心相隔多遠(yuǎn)？

解：（1）=2.210-5rad(2)從幾何關(guān)系可知，兩衍射圖樣中心間距為：

=4.410-3mm*光學(xué)儀器*二、人眼和助視儀器的分辨本領(lǐng)

人眼的分辨本領(lǐng)是描述人眼剛剛能區(qū)分非常靠近的兩個(gè)物點(diǎn)的能力的物理量。瞳孔的分辨極限角為：

在明視距離(25cm)處，對(duì)應(yīng)于這個(gè)極限視角的兩個(gè)發(fā)光點(diǎn)之間的距離約為：25U00.1mm，也就是說(shuō)，對(duì)物面上比這個(gè)距離更小的細(xì)節(jié)，人眼就分辨不開(kāi)。*光學(xué)儀器*三、望遠(yuǎn)鏡物鏡的分辨本領(lǐng)

望遠(yuǎn)鏡物鏡的分辨極限常以物鏡焦平面上剛剛能夠分辨開(kāi)的兩個(gè)象點(diǎn)之間的直線距離來(lái)表示，這極限值為式中f’為物鏡的象方焦距，d為物鏡的孔徑。由此可見(jiàn)，望遠(yuǎn)鏡物鏡的分辨極限和它的相對(duì)孔徑d/成反比，與波長(zhǎng)成正比。*光學(xué)儀器*四、顯微鏡物鏡的分辨本領(lǐng)

顯微鏡物鏡分辨極限通常就以被觀察的物面上剛剛能夠分辨開(kāi)的兩物點(diǎn)之間的直線距離

y來(lái)表示。*光學(xué)儀器*

對(duì)于望遠(yuǎn)鏡和顯微鏡的目鏡，將物鏡放大后能對(duì)眼約成的視角就行了。由于物鏡所成的象上只有既定程度的細(xì)節(jié)，目鏡無(wú)論怎樣把它放大，也絲毫增添不了更多的細(xì)節(jié)，反而會(huì)放大了衍射亮斑，所以望遠(yuǎn)鏡和顯微鏡的分辨本領(lǐng)完全取決于其物鏡。*光