第四章光学仪器基本原理2008(姚).ppt

第四章 光学仪器的基本原理,主 要 内 容,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 4.8 物镜的聚光本领 4.9 单色像差概述 4.10 正弦定理和正弦条件 4.11 近轴物近轴光线成像的色差 4.12 助视仪器的分辨本领 4.13 分光仪器的分辨本领 4.14 色度学简介,光学仪器遇到的两类矛盾：成象清晰度 象场光能成象清晰度 细节分辨,,,4.1 人的眼睛,作为接收器，感觉约390nm～760nm 只能辨别和比较，不能测量光强大小 视觉暂留时间：1/16秒,,一、人眼的结构,瞳孔→,1、巩膜（sclera） 是眼睛最外层一种白色强韧的膜，厚度约是0.4－1.1mm它由六根筋拉住，以维持眼睛的位置 作用：是保护眼睛内部，它由六根筋拉住，以维持眼睛的位置2、角膜（cornea） 巩膜正前方曲率较大的一部分――角膜，是透明的，折射率是1.376 作用： 光束进入眼的门户，是眼睛光学系统的第一个系统。

3、前房 角膜之后充满一种水样液（热溶液）的地方，即角膜与晶状体（水晶体）之间的部分――前房，折射率是1.336 作用：眼睛光学系统的第二个系统4、虹膜（iris） 前房之后有一中心带圆孔的彩色膜――虹膜，不透明的，虹膜与睫状体是相联接的 作用：是显示眼睛的颜色，调节瞳孔的直径变化5、瞳孔（pupil） 虹膜中心的圆孔――瞳孔，直径1.4－8mm，直径可以自动调节作用：起到孔径光阑的作用，控制进入眼睛的光能量和调节象的清晰度、景深6、水晶体（晶状体）（crystalline humor） 虹膜后面由胶性透明物质组成，且曲率随附近肌肉（睫状肌）的松紧而改变的一部分――水晶体，外层折射1.386，内层折射率1.406，类似分布不均的双凸透镜 作用：将人眼分成两部分（前房、后房），是光学系统的第三个系统，控制象的清晰调节7、后房 水晶球后面的空间――后房，有大量水分子的粘性透明物质（玻璃液），折射率1.336 作用：光学系统的第四个系统.,8、视网膜（retina） 玻璃液透明外膜与巩膜之间有一层不透光的黑色膜――视网膜，由视神经末梢组成 作用：接收信息，传递信息9、黄斑（yellow spot）在视网膜上有一较凹的部分――黄斑，直径约2mm，有大量的圆锥细胞和少量的圆柱细胞，细胞与神经末梢相联接。

视网膜上有约7百万个圆锥细胞，1亿多个圆柱细胞圆锥细胞，在明亮光线下起感光作用――明视细胞，对明暗、色彩有感觉圆柱细胞，在暗弱光线下起感光作用――暗视细胞，只对明暗有感觉 黄斑作用：只有物体的象落在黄斑处才能看清楚10、中央窝（fovea centralis） 黄斑中心有一直径约为0.25mm的区域――中央窝，仅含有圆锥细胞，且含量极大 作用：视觉最灵敏区，象落在此处最清晰11、盲斑（blind spot） 视网膜上的视神经入口处的区域――盲斑，没有圆锥和圆柱细胞 作用是象落在此处不能看到――瞎子 盲斑的验证：,11、视轴、光轴 视轴是球面系统的光心和中央窝的中心连线， 光轴是各球面系统的光心连线 视轴和光轴并不重合二、简化眼,人眼可视为只有一个折射球面的简化眼U ：视角极限小角：视场范围：1600 (水平)，1300 (竖直) 清晰成象: 20—60,,三、人眼的调节，远点、近点1、人眼的调节眼内的水晶体自动地本能地调节曲率半径，改变总的光焦度，以看清不同远近物体的能力――人眼的调节1)、视度调节——眼睛自动改变焦距的过程 (2)、瞳孔调节——眼睛自动改变瞳孔大小的过程（2mm~8mm）,2、远点（far point） 当睫状肌放松时，水晶体的曲率半径最大，能在视网膜上成清晰象的物点到眼的距离――远点。

正常眼的远点是无穷远（儿童、青年、中年） 老年的远点只有几米3、近点（near point） 人眼的肌肉紧缩时，水晶体的曲率半径最小，能在视网膜上看清象的物点到人眼的距离――近点 正常眼的近点约25cm，儿童一般是7－8cm 老人是1－2m（50－100lx）,4、明视距离 在合适的照度下（50－100lx），人眼能最方便、最习惯、最省力地观察物体的距离――明视距离 规定正常眼的明视距离为25cm，明视范围25cm－,五、非正常眼的校正 1、正常眼与非正常眼 正常眼是指人眼的明视范围为25－ 的眼，即象成在视网膜上（眼的第二焦点在视网膜上）.,非正常眼是第二焦点不在视网膜上，明视范围不在25— 范围的眼，分为： （1）近视眼――远点在有限距离处的眼，成象在视网膜前的眼 （2）远视眼――近点变远的眼，成象在视网膜后的眼 （3）散光眼――角膜曲面不对称的眼 （4）老化眼（老视眼）――调节能力减弱的眼2、近视眼（myopic eye）及校正 （1）定义：远点在有限距离处，即对较远的物体看不清楚的眼，远处物体成在视网膜前的眼2）原因：a、眼球长度变长 （先天的）b、角膜曲率半径变小（后天的）c、眼内介质折射率异常等 从几何光学看，远处物体成象在视网膜前，即远点太近。

3）校正 a、校正方法 远处物体成象在视网膜前说明眼球会聚（折射）太强，要使光线会聚变弱的办法是在眼前加一个凹透镜，把光线先发散一下，再经眼会聚则可刚好成象在视网膜上 校正的方法是配带凹透镜，把无穷远处的物体成象在远点处b、凹透镜度数的计算,由,物在无穷区处可得 ，成象在人眼的远点处,则,得,（ ）=屈光度（D）(diopter),所带眼镜的度数＝,“－”表示带凹透镜 单位m,例1、如果某人的远点是1m，则所带透镜是什么透镜，度数是多少？ 解：远点1m是近视眼，带凹透镜,得,例2、如果某人所带眼镜的度数是－500度，则他的远点是多少？ 解：眼是近视眼,由,得,即人眼的远点是20cm,3、远视眼（hyeperopic eye）及校正 （1）定义：近点变远的眼，25cm处的物体成象在视网膜之后的眼 （2）原因：a、眼球长度变短b、水晶体曲率半径过大 c、水晶体离视网膜太近d、眼内介质折射率异常,从几何光学观点看，近处物体（25cm处的物体）成象在视网膜之后，即近点变远了。

（3）校正 a、校正的方法25cm处的物体成象在视网膜后说明眼的会聚（折射）太弱，凸透镜起会聚作用，因此带凸透镜使25cm 处的物体成象在近点处，则象刚好成在视网膜上b、凸透镜度数的计算方法,由,,度数=,<,例1、某人近点是1m，则所带透镜的度数是多少？ 解：近点1m说明是远视眼，带凸透镜,度数,则,解:,带凸透镜，是远视眼,由,由,得,人眼的近点是在50cm处,例2、某人带200度的眼镜，则近点是多少？,4、散光眼及校正（astigmatic eye） 散光眼是由于角膜的曲面不对称形成的，因而不同截面上有不同的光焦度 如果具有最大光焦度的截面垂直于具有最小光焦度的截面，这种散光眼――正常散光眼如果角膜曲面无规则引起的散光――非正常散光眼 正常散光眼的校正是带柱面透镜，因而所带眼镜一般是球柱透镜5、老花眼（老视眼）（presbgopic eye） 老花眼是由于年龄的增长，眼的调节变弱引起的，特点是近点变远，远点变近一般用带凸透镜来校正，计算方法同远视眼二、放大镜,以凸透镜为例 凸透镜为最简单的放大镜：横向放大，增大视角,,不用透镜,放大倍数通常用“×”表示，如放大3倍，为“3×”以cm为单位,,4.3 目镜（复合放大镜）,一、目镜的作用 构成：由不相接触的两个薄透镜组成面向物体的称为场镜, 接近眼睛者称为接目镜 作用：用来放大其它光具组（物镜）所成的像特点：① 放大本领高；② 可矫正像差；③ 测量长度；④ 使倒立像变成正立像。

二、 两种目镜,（1）惠更斯目镜两个同种玻璃的平凸透镜组成，凸面都向着物镜,,,,,,,（2）冉斯登目镜,两个同种玻璃的平凸透镜组成，凸面相向，平面向外.两种目镜的比较:共同点：对被观察的实像都有放大作用不同点：①前者只能观察实像，后者还可以观察物；②后者能对物或像进行长度测量，前者则不能,此处可装刻度尺,4.4 显微镜的放大本领,一、光学结构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）为消除象差，物、目镜都是复杂的透镜组.物镜：横向放大目镜：视角放大,二、光路图,三、显微镜的放大本领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：也可写为其中: 为物镜的放大率 为目镜的放大本领电子显微镜——扫描隧道电子显微镜,,,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作用：移近远物, 放大视角, 以利观察 光学结构：光学间隔为零, 即物镜的象方焦点与目镜的 物方焦点重合, 系统的主点和焦点均在无限远处特点： 平行光进，平行光出物镜： 透镜（折射式），反射镜（反射式）目镜： 开普勒式(会聚透镜)、伽利略式(发散透镜),,一、开普勒望远镜,特点：镜筒长, 能放刻度尺（ 点处）, 视场大,,,,,,物镜和目镜均为会聚透镜,二、伽利略望远镜,特点：镜筒短，不能放刻度尺 , 视场小。

为负, 正立象,,,,说明： 两种望远镜物镜的横向放大率 可见M与β不同物镜是会聚透镜，目镜是发散透镜,三、反射镜望远镜,大型天文望远镜的物镜都用孔径大的反射镜,优点： （1）不产生色差； （2）形状合适校正球差；（3）较易制造大孔径的反射镜.,四、激光扩束器可使激光器发出的光束实现扩束的仪器,望远镜倒置即为激光扩束器,4.6 光阑、光瞳,一、光阑 光学元件的边缘，一定形状的开孔的屏,二、有效光阑1、最有效限制入射光的光阑,起限制光束大小作用的是L2的边缘,起限制光束 大小作用的 是L1的边缘,2、作用：（1）改正象差; （2）控制景深 3、入射光瞳有效光阑对其前部分光具组成的象 4、出射光瞳有效光阑对其后部分光具组成的象对同一系统，有效光阑与入瞳和出瞳三者共轭,P,三、有效光阑和光瞳的计算1、所有光阑对前部分光具组成象2、求出物点对所有“象”（1中所求）的张角中最小者，其对应的那“象”即为入瞳3、入瞳对应的物即为有效光阑4、有效光阑对其后部分成的象即为出瞳有效光阑总是对某一个指定的参考点而言的四、孔径角,有了光瞳，作图时可以不需要光阑,出射孔径角,入射孔径角,由物平面与主轴的交点对入射光瞳半径两端所张的角,由像平面与主轴的交点对出射光瞳半径两端所张的角,4.7 光能量的传播,一、辐射通量,辐射通量（瓦特）： 单位时间内面元 辐射出来的所有波长的光能量（辐射功率）,不同的波长的光，其辐射通量是不同的。

客观量,二、视见函数,主观量,人们感兴趣的只是其中引起视觉部分相同的 ，波长不同，人眼感觉不同仅考虑可见光，人眼对黄绿光最灵敏,光线充足的情况下，波长为,两者能量引起相同的亮暗视觉最灵敏光波,实验表明，人眼在明亮环境和昏暗环境中视见函数是不同的，由曲线知，在昏暗环境中，视见函数的极大值向短波方向（兰）移动，因此，在夜晚月光下，周围的一切物体笼罩了一层兰绿的色彩这是由于人眼视网膜上有两种细胞：圆柱细胞，圆锥细胞在明亮环境下圆锥细胞起作用，在昏暗环境下圆柱细胞起作用1、定义：即客观辐射通量对人眼引起的视觉强度等于 辐射通量 与视见函数（ ）的乘积,。