1、第四章,光學(xué)儀器的基本原理,主要內(nèi)容,本章圍繞衡量光學(xué)儀器的三個(gè)本領(lǐng)進(jìn)行教學(xué)，其中著,重介紹望遠(yuǎn)鏡、顯微鏡的放大本領(lǐng)和分辨本領(lǐng)，扼要介紹,聚光本領(lǐng)。簡單介紹光度學(xué)、像差的基本概念,教學(xué)目的,牢固掌握助視儀器的放大本領(lǐng)、分辨本領(lǐng)的概念及望,遠(yuǎn)光路的特點(diǎn)；掌握放大本領(lǐng)、分辨本領(lǐng)、有效光闌,入瞳、出瞳的計(jì)算；理解物鏡聚光本領(lǐng)、數(shù)值孔徑,相對孔徑的意義；了解人眼的結(jié)構(gòu)和光學(xué)儀器的象差,內(nèi)容分析,第一單元,1,5,：助視儀器的放大本領(lǐng),第二單元,6,9,：光度學(xué)的基本概念；聚光本領(lǐng),第三單元,10,12,：象差概述,第四單元,13,14,：助視儀器的分辨本領(lǐng),重、難點(diǎn),全章以放大本領(lǐng)、分辨本領(lǐng)為重點(diǎn)，強(qiáng)

2、調(diào)儀器參數(shù)的,相互影響關(guān)系,4.0,概,述,一、光學(xué)儀器及分類,1,定義：多種光學(xué)元件按一定的要求組成的系統(tǒng),2,分類,按性能：顯微鏡、望遠(yuǎn)鏡、照像機(jī)和分光鏡,按成像性質(zhì),成實(shí)像的光學(xué)儀器。如,照像機(jī)、幻燈機(jī)、電影放映機(jī)、投影儀等,成虛像的光學(xué)儀器,助視儀器。如放大鏡,顯微鏡、望遠(yuǎn)鏡,二、理論基礎(chǔ),主要：幾何光學(xué)基本原理,其它：衍射理論、加工工藝學(xué)、材料科學(xué)等,三、實(shí)際光學(xué)儀器,1,理想成像的要求,近軸,近軸物點(diǎn)、近軸光線,單色,物體所發(fā)光線是單色的,實(shí)際光學(xué)儀器情況：非近軸和復(fù)色光。會造成如下矛盾,2,兩大矛盾,像的清晰度與像場能量聚集程度的矛盾,幾何光學(xué)觀點(diǎn)：必須滿足單色、近軸條件,復(fù)色,

3、色差,非近軸,象差,能量觀點(diǎn)：不宜限于近軸區(qū)域,要得明亮像，必須使進(jìn)入光學(xué)儀器的光束盡量寬,成像清晰度與細(xì)節(jié)分辨程度的矛盾,波動光學(xué)觀點(diǎn)：光線越近軸,光束受限越緊,衍射越明顯,像的清晰度越低,幾何光學(xué)觀點(diǎn),減小象差,滿足,近軸條件,像的清晰度與像面亮度、分辨本領(lǐng)不能同時(shí)兼得，而矛盾不可避免,因而，實(shí)際光學(xué)儀器要根據(jù)用途，權(quán)衡輕重，有針對性地進(jìn)行設(shè)計(jì)制造,4.1,人,眼,一、構(gòu)造,1,鞏膜：白色堅(jiān)韌,厚,0.40.8mm,2,角膜：透明,R:8mm,14,視神經(jīng),3,脈絡(luò)膜,黑色不透光,8,前房液,水狀體,淡鹽,溶液,折射率,1.337,9,后房,液,玻璃,體,含大量,水份膠狀,物,折射率,1.

4、336,4,虹膜：帶色的彩帶,5,瞳孔：直徑,1.48mm,6,水晶體,眼珠,折射率為,1.42,的膠,狀物,前后曲面半徑,10mm,6mm,7,睫狀肌,10,視網(wǎng)膜,視神經(jīng)網(wǎng),11,盲點(diǎn),不,引起視覺,12,黃斑點(diǎn),直徑,2mm,13,中央窩,最,敏感直徑,0.25mm,二、簡化眼,從上頁圖看出：人眼是一個(gè)由角膜、水狀液、晶狀體和玻璃液所組,成的，物、像方折射率近似相等的，可變焦距的，共軸復(fù)雜光學(xué)系統(tǒng),光具組）。它能在視網(wǎng)膜上清晰成像,它是一個(gè)能自動調(diào)節(jié)有精密的光學(xué)儀器。其結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜。在許多,情況下將其簡化成如下的模型,3,4,n,mm,f,8,22,mm,f,1,17,mm,R,8,9,

5、mm,R,7,5,D,48,58,高爾斯特蘭簡化眼,F,O,F,光心,三、人眼的調(diào)節(jié)功能,1,定義：為使不同距離的物體都能在視網(wǎng)膜上成清晰像而改變眼睛的,焦距的過程,人眼的調(diào)節(jié)方式有兩種：自動調(diào)節(jié)（自調(diào)節(jié)）和被動調(diào)節(jié)（矯正,2,自調(diào)節(jié)：正常人眼靠睫狀肌的松馳或緊張來改變晶狀體的曲率半徑,從而改變?nèi)搜劢咕嗟倪^程。是人眼自動完成的,說明,自調(diào)節(jié)有一定的限度：近點(diǎn)和遠(yuǎn)點(diǎn)之間,遠(yuǎn)點(diǎn)：人眼能看清楚的最遠(yuǎn)點(diǎn)。人眼看遠(yuǎn)點(diǎn)處的物體時(shí)，睫狀肌處于,完全松馳的狀態(tài)，晶狀體曲面的曲率半徑最大,近點(diǎn)：人眼能看清楚的最近點(diǎn)。人眼看近點(diǎn)處的物體時(shí)，睫狀肌處于,最緊張的狀態(tài)，晶狀體曲面的曲率半徑最小,人眼疲勞程度與睫狀肌的

6、松緊程度有關(guān),看遠(yuǎn)物時(shí)，肌肉松馳，不易疲勞；看近物時(shí)，肌肉緊張，容易疲勞,近點(diǎn)、遠(yuǎn)點(diǎn)和調(diào)節(jié)范圍隨年齡的增長而變化,近點(diǎn)變遠(yuǎn)：幼年,78cm,中年,25cm,老年,12m,遠(yuǎn)點(diǎn)變近：幼年,無限遠(yuǎn)；老年,數(shù)米,隨年齡的增長，肌肉老化，自調(diào)節(jié)范圍變窄,適當(dāng)照明下，正常眼觀察眼前,25cm,處的物體是輕松的，且能看清物體,的細(xì)節(jié)。稱,25cm,為明視距離,因此，在設(shè)計(jì)和使用助視儀器時(shí)一般都使虛像成于明視距離、無窮,遠(yuǎn)處或其間的某一位置處,3,人眼的缺陷及矯正,被動調(diào)節(jié)：外加輔助儀器改變焦距的過程,具備完善的自調(diào)節(jié)功能的人眼稱為正常眼；反之，稱為非正常眼,近視眼：遠(yuǎn)點(diǎn)在有限遠(yuǎn)處的人眼,特點(diǎn)：晶狀體曲率半

7、徑比正常眼小，外形凸出；像方焦點(diǎn)在視網(wǎng)膜,前，焦距短,P,O,F,O,F,遠(yuǎn)點(diǎn),矯正前,P,O,F,遠(yuǎn)點(diǎn),遠(yuǎn)物,矯正后,例,4-1,一個(gè)遠(yuǎn)點(diǎn)為,0.2m,的近視眼戴上眼鏡后遠(yuǎn)點(diǎn)可恢復(fù)到無窮遠(yuǎn),求所戴眼鏡的光焦度,500,5,2,0,1,1,1,1,1,1,1,1,2,0,屈光度,有,由空氣中的高斯公式,已知,解,D,s,s,s,f,f,s,s,m,s,s,遠(yuǎn)視眼：近點(diǎn)比正常眼遠(yuǎn)的人眼,特點(diǎn)：晶狀體曲率半徑比正常眼大；像方焦點(diǎn)在視網(wǎng)膜后，焦距長,O,F,明視距離,O,F,近點(diǎn),矯正前,明視距離,O,F,近點(diǎn),矯正后,明視距離,O,F,近點(diǎn),例,4-2,求一個(gè)近點(diǎn)為,125cm,的遠(yuǎn)視眼所戴眼鏡的

8、光焦度,s,s,320,2,3,25,0,1,25,1,1,1,1,1,25,1,25,0,屈光度,式有,由空氣中的透鏡成像公,已知,對所戴凸透鏡而言,解,D,s,s,f,m,s,m,s,散光眼：角膜為橢球面的人眼。也稱為像散眼,由于橢球有兩個(gè)對稱平面，分別包含長、短軸，因而具有兩個(gè)不同的焦,距。主軸上的一個(gè)物點(diǎn)將成兩條像線,像散,矯正方法：戴柱面透鏡。利用其像散作用，與散光眼的像散相抵消,近視（或遠(yuǎn)視,散光：戴一付一面為球面、一面為柱面的透鏡。球面用于矯,正,近（遠(yuǎn)）視，柱面用于矯正散光,四、人眼的視角,定義：被觀察物對人眼光心的張角稱為人眼的視角,F,O,F,Q,P,Q,P,U,y,y,s

9、,s,人眼對物體大小的感覺是以,該物體在視網(wǎng)膜上所成像對光,心所張角度的大小衡量的,表達(dá)式,s,y,s,y,U,F,O,F,Q,P,Q,P,U,y,y,s,s,說明,A,在人眼的可調(diào)節(jié)范圍內(nèi),const,s,U,y,B,y,U,s,C,一定時(shí),當(dāng),s,U,y,D,一定時(shí),當(dāng),人眼對物體大小的感覺取決于其在視網(wǎng)膜上像的大小，因而取決于視角,U,的大小，當(dāng),U,1,時(shí)，人眼已無法區(qū)分了,一切助視儀器設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)就是增大人眼的視角,4.2,助視儀器的放大本領(lǐng),助視儀器：幫助人眼（正常、非正常）看清物體（遠(yuǎn)、近、大、小）的光學(xué)儀器,一、放大本領(lǐng),1,定義：如右圖示,l,l,M,P,O,Q,P,Q,H,

10、H,U,l,O,P,Q,U,l,物體,PQ,經(jīng)助視儀器成虛像,P,Q,再經(jīng)人眼成像于視網(wǎng)膜上，其像,長為,去掉助視儀器后將同,一物體置于原虛像所在處，對人,眼直接所成像長為,則兩個(gè),像長的比值稱為該助視儀器的放,大本領(lǐng)。用,M,表示,l,l,2,說明,必須將物放在,同一特定位置,比較兩像大小,放大鏡和顯微鏡：明視距離處,25cm,；望遠(yuǎn)鏡：無窮遠(yuǎn)處,由上式可看出：助視儀器的作用就是增大人眼視角，從而改善和擴(kuò)展視野,注意放大本領(lǐng),與角放大率,的區(qū)別,U,U,M,u,u,不是共軛量,無助視儀器時(shí)的視角,是對有,是一對共軛量,出射線的傾角,是對一個(gè)光具組的入,U,U,u,u,在近軸條件下,U,U,l

11、,l,M,U,s,tgU,s,l,U,s,tgU,s,l,即,M,等于兩視角之比,S,P,O,Q,P,Q,H,H,U,l,O,P,Q,U,l,二、放大鏡,1,定義：幫助人眼看清微小物體及其細(xì)節(jié)的助視儀器,2,放大本領(lǐng),Q,P,y,P,Q,y,F,L,O,f,s,l,U,O,l,y,Q,P,U,cm,25,使用放大鏡的視角,f,y,f,y,s,y,U,未用放大鏡的視角,25,y,U,以最簡單的放大鏡,凸透鏡為例,簡單放大鏡的放大本領(lǐng),為單位,以,cm,f,25,f,U,U,M,作用：將被觀察物體成一放大虛像，從而增大其對人眼的視角,并非將物體移近,例,f,10cm,則,M=2.5,倍，記為,2.

12、5,M,與,f,成反比。由于短焦距透鏡像差大，所以,M,很大的放大鏡沒有實(shí)用,價(jià)值。常用的放大鏡,M3,若采用復(fù)合透鏡，可使,M,達(dá)到,20,作業(yè),P,300,1,2,4.3,目,鏡,一、目鏡,從上節(jié)知，放大鏡是一種通過直接放大實(shí)物達(dá)到增大視角的助視儀器,下面將介紹一種放大像的助視儀器,目鏡,1,定義：用于觀察其它光學(xué)系統(tǒng)所成像的放大鏡,性質(zhì)：放大鏡。由復(fù)合透鏡組構(gòu)成的放大光具組,作用：放大其它光具組的像，從而增大視角,要求,A,具有較高的放大本領(lǐng)和較大的視角,B,具有一定的校正像差和色差的能力,目鏡通常由兩個(gè)或多個(gè)透鏡組合而成,復(fù)雜的助視儀器總是由物鏡和目鏡組成，靠近物體的稱為物鏡；靠近人,

13、眼的稱為目鏡。目鏡通過放大物鏡所成的像達(dá)到磁大人眼視角的目的,2,結(jié)構(gòu),場鏡,視鏡,分劃板或稱刻度尺,場鏡,面向物體（即物鏡的像）的透鏡（或透鏡組,視鏡,接近人眼的透鏡（或透鏡組,分劃板：包含可移動叉絲的透明刻度尺，用于提高測量精度,二、常用目鏡：惠更斯目鏡和冉斯登目鏡,1,惠更斯目鏡,結(jié)構(gòu)：如圖示,Q,特點(diǎn),場鏡、視鏡均為同種,材料的平凸透鏡，且均,以凸面朝向物體,場鏡焦距為視鏡焦距的,3,倍，兩透鏡光心之間的距離為視鏡焦距的,2,倍，所以場鏡視鏡的象方焦點(diǎn)重合,光路圖：如上圖示。可適當(dāng)調(diào)節(jié)物鏡和目鏡的距離，使,Q,剛好在視,鏡的物方焦平面上，使出射光束為平行光束,由于場鏡的物為虛物，所以這

14、種目鏡無法對物鏡所成的象進(jìn)行測量,分劃板應(yīng)配置于,F,2,Q,處，用于測量場鏡的像的大小。由于分劃板僅,對視鏡成像，場鏡的消像差作用未起作用，因而，視鏡的像差將使分,劃板的像僅在中央部分清晰，測量誤差較大,此目鏡的視角大（可達(dá),40,0,，結(jié)構(gòu)緊湊，適用于生物顯微鏡,1,o,2,o,F,1,F,2,F,2,F,Q,2,冉斯登目鏡,結(jié)構(gòu)：如圖示,特點(diǎn),1,o,2,o,F,1,F,2,F,Q,3,1,2,1,2,3,Q,3,2,1,場鏡、視鏡均為同種,材料的平凸透鏡，二鏡,凸面相向，平面朝外,場鏡、視鏡焦距相同，兩鏡光心的距離為焦距值的,2/3,光路圖：如上圖示。可適當(dāng)調(diào)節(jié)物鏡和目鏡的距離，使,Q

15、,剛好在視,鏡的物方焦平面上，使出射光束為平行光束,由于場鏡的物為實(shí)物，所以可用其對物鏡所成的象進(jìn)行測量。分劃板應(yīng)配置于,FQ,處，由于分劃板同物,FQ,一樣既對場鏡，也對視鏡成像，所以，場鏡的消像差,作用起作用，因而，可在大范圍內(nèi)清晰成像，測量精度高,此目鏡既可用于觀察象，也可用于觀察物，并可由配備的分劃板對物,鏡所成的象進(jìn)行測量，適用于測微目鏡,注：兩種目鏡均能放大像，增大人眼視角；但冉鏡還可用于直接觀察實(shí)物,配上分劃板可精確測量實(shí)物和物鏡所成的像的長度,4.4,顯微鏡的放大本領(lǐng),幫助人眼觀察微小物體的放大鏡，稱為顯微鏡。其物鏡和目鏡均由共軸,光具組構(gòu)成。其放大本領(lǐng)遠(yuǎn)大于簡單放大鏡和目鏡,

16、一、結(jié)構(gòu),F,1,o,1,F,1,F,2,o,2,目鏡系統(tǒng),物鏡系統(tǒng),U,O,U,P,Q,P,Q,y,y,P,Q,特點(diǎn)：物體,PQ,置于物鏡系統(tǒng)（焦距很短）的物方焦平面,F,1,附近，成實(shí)象,PQ,PQ,位于目鏡系統(tǒng),焦距很短,物方焦平面,F,2,附近，成放大的虛,象,PQ,整個(gè)顯微鏡系統(tǒng)最終成放大倒立虛象于明視距離處,二、光路圖,惠更斯目鏡,明視,距離,三、放大本領(lǐng),整個(gè)系統(tǒng)的像方焦距為,2,1,f,f,f,顯微鏡作為一個(gè)放大鏡，其放大本領(lǐng)為,2,1,25,25,f,f,f,M,F,1,o,1,F,1,F,2,o,2,目鏡系統(tǒng),物鏡系統(tǒng),U,O,U,P,Q,P,Q,y,y,P,Q,明視,距離

17、,l,2,f,1,f,鏡筒長度,1,s,l,為保證成盡量大的像，物鏡和目鏡焦距均很小,2,1,2,1,25,25,f,f,l,f,f,M,1,表達(dá)式,2,1,2,1,25,25,f,f,l,f,f,M,2,討論,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,f,x,f,s,f,l,x,s,l,O,F,幾乎重合,與,由于,即為物鏡的橫向放大率，其中，,號表示物鏡成倒立像,2,2,25,M,f,為目鏡的放大本領(lǐng),2,1,M,M,200,5,40,2,1,M,M,則,目鏡,物鏡,例,顯微鏡也是將物體直接放大，達(dá)到增大視角的目的,顯微鏡放大本領(lǐng)等于物鏡橫向放大率與,目鏡放大本領(lǐng),的乘積,顯微鏡將微小物體成放

18、大的象，常用于觀察近距離處肉眼難以看清的,細(xì)小物體,4.5,望遠(yuǎn)鏡的放大本領(lǐng),一、定義,幫助人眼觀察遠(yuǎn)處物體的放大鏡,作用：將遠(yuǎn)物從物空間移至望遠(yuǎn)鏡的像空間，從而增大對人眼的視角,人眼以對望遠(yuǎn)鏡像空間的觀察代替了對物空間的觀察,性質(zhì)：是一種放大鏡。只是不是將物體直接放大，而是將遠(yuǎn)物移近,從而增大視角,二、結(jié)構(gòu)及分類,1,結(jié)構(gòu)：物鏡系統(tǒng),目鏡系統(tǒng),2,分類,按物鏡的種類分,A,反射式望遠(yuǎn)鏡：物鏡為反射鏡,B,折射式望遠(yuǎn)鏡：物鏡為透鏡,按目鏡種類分,A,開普勒望遠(yuǎn)鏡：目鏡為會聚透鏡,B,伽利略望遠(yuǎn)鏡：目鏡為以散透鏡,三、開普勒望遠(yuǎn)鏡,U,O,U,1,結(jié)構(gòu)特點(diǎn),物鏡和目鏡均為會聚透鏡，且物鏡像方焦點(diǎn)

19、與目鏡物方焦點(diǎn)重合,o,1,F,1,F,2,o,2,物鏡系統(tǒng),目鏡系統(tǒng),U,P,Q,y,2,原理,光路如圖示,無窮遠(yuǎn)處的物體,PQ,發(fā)出的平行光入射于物鏡系統(tǒng)，成實(shí)象,P,Q,于象方,焦平面上；因?yàn)槲镧R系統(tǒng)的象方焦平面與目鏡系統(tǒng)的物方焦平面重合，故,最終由目鏡系統(tǒng)出射的光為平行光，成倒立象于無窮遠(yuǎn)處。（望遠(yuǎn)鏡的結(jié),構(gòu)都這樣,P,Q,Q,P,U,O,U,o,1,F,1,F,2,o,2,物鏡系統(tǒng),目鏡系統(tǒng),U,P,Q,y,P,Q,Q,P,U,U,1,f,2,f,3,放大本領(lǐng),2,f,y,U,U,Q,P,對人眼的視角,最后像,由于遠(yuǎn)物不能任意移近，但卻有一定的視角,U,當(dāng)人眼前后移動距離不大時(shí),U,

20、不變；即,當(dāng)去掉望遠(yuǎn)鏡而將人眼移至,P,1,處觀察遠(yuǎn)物時(shí)，人眼的視角,1,f,y,U,2,1,2,1,f,f,f,f,U,U,M,開普勒放大本領(lǐng),注,0,0,0,2,1,故成倒立像,M,f,f,A,2,1,越大,越短,越長,M,f,f,B,C,目鏡的物方焦平面在鏡筒內(nèi)，可以放置分劃板叉絲進(jìn)行測量,D,眼睛的位置,O,在鏡筒之外，望遠(yuǎn)鏡的視場較大,E,鏡筒長度,L= f,1,f,2,鏡筒較長,四、伽利略望遠(yuǎn)鏡,1,結(jié)構(gòu)特點(diǎn),物鏡為會聚透鏡和目鏡為發(fā)散透鏡，且物鏡像方焦點(diǎn)與目鏡物方焦點(diǎn)重合,U,O,1,O,2,F,1,F,2,O,U,Q,P,Q,U,U,2,原理,光路如圖示,無窮遠(yuǎn)處的物體,PQ,

21、發(fā)出的平行光入射于物鏡系統(tǒng)，原應(yīng)成實(shí)象,P,Q,于,象方焦平面上；但成像前遇目鏡，故作虛物對目鏡成像；又因物鏡系統(tǒng)的,象方焦平面與目鏡系統(tǒng)的物方焦平面重合，故最終由目鏡系統(tǒng)出射的光為,平行光，成正立象于無窮遠(yuǎn)處,Q,y,1,f,2,f,1,f,y,U,2,2,f,y,f,y,U,U,2,1,f,f,U,U,M,3,放大本領(lǐng),使用望遠(yuǎn)鏡后，無窮遠(yuǎn)處的象對眼睛的張角為,未使用望遠(yuǎn)鏡時(shí)，無窮遠(yuǎn)處物體對眼睛的張角為,伽利略望遠(yuǎn)鏡的放大本領(lǐng),鏡筒長度,L = f,1,f,2,筒長較短,f,1,為正值,f,2,為負(fù)值，故放大本領(lǐng),M,為正值，望遠(yuǎn)鏡成,正立的象,說明,目鏡的物方焦平面在鏡筒之外，無法放置分

22、劃板,眼睛的位置,O,理論上位于鏡筒之內(nèi)，實(shí)際進(jìn)入眼睛的光束的范圍因此,而受限制，故視場較小,注：望遠(yuǎn)鏡不是將物直接放大，而是將物移近，從而增大視角,五、激光擴(kuò)束器,1,定義,擴(kuò)束器,將光束橫截面擴(kuò)大的光學(xué)儀器,激光擴(kuò)束器,將激光束橫截面擴(kuò)大的光學(xué)儀器,2,裝置,倒用的折射式望遠(yuǎn)鏡是很好的激光擴(kuò)束器,F,1,F,2,物鏡系統(tǒng),目鏡系統(tǒng),F,1,F,2,目鏡,目鏡,開氏,伽氏,顯微鏡的物鏡,40,100,也可作簡單的激光擴(kuò)束器,作業(yè),P,300,4,5,6,4.6,光闌,光瞳,從本節(jié)開始，對光能量的傳播所涉及的基本概念進(jìn)行介紹,一、光闌,1,定義：光學(xué)系統(tǒng)中凡是對光能量具有限制作用的元件,如：光

23、學(xué)系統(tǒng)中的透鏡的外緣、開孔、光屏等,2,有效光闌：在光學(xué)系統(tǒng)中，對整個(gè)系統(tǒng)光能量的傳播范圍起決定性,限制作用的那一個(gè)光闌,1,F,2,o,1,o,P,P,1,F,2,o,1,o,P,P,有效光闌,有效光闌,注意,有效光闌的確定是以成象物體的確定為前提的，即同一系統(tǒng)中,當(dāng)物體的位置不同時(shí)，有效光闌可能會不同,1,u,u,2,u,2,u,u,1,u,二、光瞳,入射光瞳（入瞳,有效光闌經(jīng)其前方光學(xué)系統(tǒng)所成的象,出射光瞳（出瞳,有效光闌經(jīng)其后方光學(xué)系統(tǒng)所成的象,1,F,2,o,1,o,B,B,P,P,B,B,B,B,有效光闌,入,瞳,出,瞳,u,u,入射孔徑角,出射孔徑角,三、有效光闌、入瞳和出瞳的確

24、定方法,對一個(gè)確定的物點(diǎn),1,求出系統(tǒng)中每一個(gè)光闌經(jīng)其前方光學(xué)系統(tǒng)所成的象,2,由確定的物點(diǎn)對各個(gè)象作張角，通過比較確定其中張角最小的象,3,張角最小的象對應(yīng)的物（光闌）即為有效光闌,4,張角最小的象為入瞳；將已確定的有效光闌經(jīng)其后方光學(xué)系統(tǒng)成,象，即可求得出瞳,四、討論,1,若有效光闌在整個(gè)系統(tǒng)最前面，則有效光闌與入瞳重合,若有效光闌在整個(gè)系統(tǒng)最后面，則有效光闌與出瞳重合,2,入瞳、出瞳可能是實(shí)像，也可能是虛像,3,入瞳并非一定在出瞳的前面,4,通過有效光闌中心的光線稱為主光線，由于共軛性，入、出瞳的中心也在主,光線上,5,人眼的有效光闌就是瞳孔,6,有效光闌、出瞳和入瞳均是對給定物點(diǎn)而言的

25、,4.7,光度學(xué)概要,光能量的傳播,1,定義：單位時(shí)間、單位面積元上輻射的,所有波長,的能量,即：光源表面上單位面積的,輻射功率,2,意義：描述光源發(fā)射輻射的能力,S,ds,e,4,分布函數(shù),一,輻射通量,定義：單位時(shí)間、單位面積元在某波長附近單位波長間隔內(nèi)輻射的能量,意義：描述不同波長的光波在輻射通量中所占的比例,5,與,的關(guān)系,e,d,e,d,e,d,d,0,單位,1,nm,W,3,單位,W,人眼對不同波長（或顏色）的光波具有不同的敏感程度，即使接收到,相同的輻射通量，不同波長的光給人眼的感覺也不一樣。如正常人眼對黃,綠光最敏感，紅光和紫光較差，而對紅外和紫外載無反應(yīng),在引起相同視覺的情況

26、下，若所需某單色的輻射通量越小，則說明人,眼對該光敏感度越高；反之，越低。為描述這一敏感度，引入視見函數(shù),二、視見函數(shù),1,定義,人眼對各種單色光的平均敏感度,555,555,555,則,和,所需的輻射通量分別為,產(chǎn)生相同的亮暗視覺,的黃綠光,的單色光和,設(shè)波長為,nm,2,意義,描述在輻射通量相同的情況下，人的眼睛對各種不同波長的,輻射產(chǎn)生的主觀感覺,3,實(shí)驗(yàn)曲線,人眼對波長為,555nm,的黃綠光最敏感，光度學(xué)中規(guī)定其視見函數(shù)為,1,則視見函數(shù)的實(shí)驗(yàn)曲線如下圖示,400,500,600,790,nm,1,700,暗視覺,555,明視覺,三、光通量,1,定義,輻射通量與視見函數(shù)的乘積,0,0

27、,683,683,683,683,d,e,d,d,d,最大功光當(dāng)量,其中,2,意義,描述客觀輻射通量在人的眼睛中引起的主觀視覺強(qiáng)度,3,單位,流明,lm,功光當(dāng)量,對其它單色光,最大功光當(dāng)量,對黃綠光,lm,w,lm,w,683,1,683,1,四、發(fā)光強(qiáng)度,I,1,定義,點(diǎn)光源在單位立體角內(nèi)發(fā)出的光通量,d,d,I,S,d,d,2,意義,描述光源發(fā)出的光通量在空間一定范圍內(nèi)的分布值,3,單位,坎德拉,cd,球面度,對綠黃光,sr,sr,cd,lm,1,1,通常,隨方向而異。當(dāng),不隨方向變化時(shí)，發(fā)光物體稱均勻發(fā)光體,I,I,一般均假設(shè)點(diǎn)光源表征的物體為均勻發(fā)光體，故點(diǎn)光源輻射的光通量,I,4,

28、五、照度,E,1,定義,入射在受照物體單位面積上的光通量,ds,d,E,2,意義,描述受照物體被照明的程度,3,單位,勒克斯,lx,2,1,1,m,lm,lx,4,點(diǎn)光源的照度,d,O,ds,2,2,cos,cos,r,I,ds,Id,ds,d,E,r,ds,d,輻透,ph,lx,ph,4,10,1,六、亮度,L,1,定義,單位面積的發(fā)光表面，在其法線方向單位立體角內(nèi)發(fā)出的,光通量,d,ds,d,L,cos,2,意義,描述發(fā)光表面發(fā)光能力的強(qiáng)弱,2,1,1,m,cd,sb,3,單位,熙提,sb,d,N,S,4,朗伯光源,L,dI,ds,dI,L,毛玻璃等,如太陽,體或朗伯光源,此類光源稱為余弦

29、發(fā)射,無關(guān),與,時(shí),當(dāng),由定義可得,cos,cos,七、三原色原理,將紅,綠,藍(lán),三種色光按不同的光通量比例混合發(fā)出時(shí)，可以讓人眼感受到自然界絕大,多數(shù)顏色的光,700,nm,8,435,nm,1,546,nm,4.8,物鏡的聚光本領(lǐng),在光學(xué)儀器中，目鏡的作用主要是將物鏡所成的像的視角放大；而物鏡除了承,擔(dān)將物放大之外，還要承擔(dān)校正像差和增大像面照度的任務(wù)。所以，光學(xué)儀器的聚,光本領(lǐng)是針對物鏡而言的,一、定義,描述物鏡聚集光通量能力的物理量，稱為物鏡的聚光本領(lǐng)。它通過,像面的照度來度量,顯而易見：光學(xué)儀器入瞳面積越大，能夠進(jìn)入物鏡的光通量就越多，像面,照度就越大，物鏡的聚光本領(lǐng)就越強(qiáng),二、光源

30、在較近距離時(shí)的聚光本領(lǐng),數(shù)值孔徑,ds,A,B,C,D,d,R,u,u,1,du,1,d,1,設(shè)：光具組的入瞳（園形,ABCD,大小一定,ds,為垂直于主軸的近軸,物面積元，它在物方折,射率為,n,的介質(zhì)中的亮,度為,L,設(shè)：物面為朗伯光源且光在經(jīng)過整個(gè)光具組時(shí)不被吸收,則：像面照度為（計(jì)算過程略,物方折射率,物鏡橫向放大率,入射孔徑角,真空中物面照度,其中,n,u,L,u,n,L,ds,ds,u,n,L,ds,d,E,1,sin,sin,0,2,2,0,2,2,0,說明,當(dāng),一定時(shí),2,sin,u,n,E,u,n,sin,稱為數(shù)值孔徑，記為,R,N.A,提高聚光本領(lǐng)的方法,A,增大入射孔徑角

31、,B,增大物空間折射率,結(jié)論,光源在較近距離時(shí)，物鏡的聚光本領(lǐng),取決于數(shù)值孔徑,顯微鏡的聚光本領(lǐng),顯微鏡的使用條件屬于光源在近距離的情況,由于放大本領(lǐng)的要求，顯微鏡物鏡系統(tǒng)的焦距較小，因此其孔徑有限，要,提高顯微鏡的聚光本領(lǐng)，單靠增大孔徑,u,是不夠的，而且,u,的增大會受到全反,射臨界角的限制。有效的辦法是提高數(shù)值孔徑,R,N.A,因此設(shè)計(jì)了顯微鏡的,油浸,式鏡頭,三、光源在遠(yuǎn)距離時(shí)的聚光本領(lǐng),相對孔徑,A,B,C,D,F,u,ds,x,P,x,2,d,圖中,ABCD,為出瞳，其直徑為,d,F,為,物鏡系統(tǒng)象方焦點(diǎn),ds,為物面元,ds,的象,則：像面照度為（計(jì)算過程略,真空中物面亮度,物鏡

32、像方焦距,像方折射率,其中,0,2,2,2,0,2,2,2,0,4,1,4,L,f,d,d,f,d,n,L,f,d,n,L,E,p,p,p,p,n,光瞳橫向放大率,說明,在其它條件相同時(shí),2,f,d,E,f,d,相對孔徑,結(jié)論,光源在較遠(yuǎn)距離時(shí)，物鏡的聚光本領(lǐng)取決于,相對孔徑,望遠(yuǎn)鏡屬于光源在較遠(yuǎn)距離時(shí)的情況。望遠(yuǎn)鏡中相對孔徑值的增大，通,常需要制造孔徑很大的物鏡才能實(shí)現(xiàn)，這在制造上有一定困難。因此，反,射式望遠(yuǎn)鏡在大型望遠(yuǎn)鏡中占主流,對無窮無處物體，物鏡所成像大大縮小，即,0,2,2,0,4,f,d,n,L,E,四、照相機(jī)的聚光本領(lǐng),1,照相機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),有效光闌：光圈。成象物距：遠(yuǎn)近均可,

33、象面：膠片。象距：確定,物鏡系統(tǒng)前后對稱，光圈位于中間位置，所以入瞳、出瞳大小相等,P,1,且有,n= n 1,2,2,0,1,1,4,f,d,L,E,2,象面照度,2,0,4,f,d,L,E,對近處物體成象,1,2,0,16,f,d,L,E,同等條件下，遠(yuǎn)物的照度是近物的,4,倍,3,照度調(diào)節(jié),對遠(yuǎn)處物體成象,0,通過光圈和暴光時(shí)間的配合調(diào)節(jié)，可獲得理想的象面照度,4.10,像差概述,采用復(fù)色光成象時(shí)的象差為色差,4.12,對于一個(gè)位于垂軸平面內(nèi)的物體，理想成象時(shí)應(yīng)滿足以下四點(diǎn),1,物面上每一物點(diǎn)均成一清晰象點(diǎn),2,所有象點(diǎn)均位于同一垂軸平面上,3,各對物象共軛點(diǎn)的橫向放大率均為同一常數(shù),4

34、,象的各部分應(yīng)保持與物的對應(yīng)部分有相同的色彩,如果以上任何一點(diǎn)不滿足，都不能成為理想象,實(shí)際所成象與理想象之間的差異稱為象差,采用單色光成象時(shí)的象差有：球差、彗差、象散、場曲、畸變,結(jié)果,象面上出現(xiàn)頂部明亮、尾部暗淡的彗星狀光斑，無法獲得清晰的象,二、彗差（近軸物寬光束,產(chǎn)生原因,當(dāng)系統(tǒng)消除球差后，各象點(diǎn)可位于同一平面內(nèi)，但不交于一點(diǎn),結(jié)果,空間離散象點(diǎn)不能形成清晰的整體象,三、像散（遠(yuǎn)軸物窄光束,產(chǎn)生原因,折射后的光束在空間交于兩條互相垂直的線段子午象線和,弧矢象線上，不能形成理想象點(diǎn),結(jié)果,在任何位置得到的均為大小不同、照度不勻的彌散光斑,無法獲得清晰的象,一、球差（近軸物寬光束,產(chǎn)生原因

35、,折射、反射面為球面，象點(diǎn)非唯一確定,結(jié)果,物點(diǎn)位于軸上時(shí)，不同波長的近軸光成象于軸上不同點(diǎn),產(chǎn)生縱向色差；物點(diǎn)位于軸外時(shí)，因距軸遠(yuǎn)近不同而具,有不同的橫向放大率，產(chǎn)生橫向色差,六、色差,產(chǎn)生原因,介質(zhì)的折射率隨波長不同而發(fā)生變化,結(jié)果,象屏在任意位置均只能使一部分為清晰象，其余部分模糊,四、彎曲（遠(yuǎn)軸物窄光束,產(chǎn)生原因,較大發(fā)光平面成象后象面不為一垂軸平面，而為一回轉(zhuǎn)平面,結(jié)果,物象不能保持幾何相似，雖然清晰但不是理想象,五、畸變（遠(yuǎn)軸物窄光束,產(chǎn)生原因,距主軸不同位置的物體成象時(shí)的橫向放大率不同,4.13,助視儀器的分辨本領(lǐng),一、分辨本領(lǐng),幾何光學(xué)觀點(diǎn)：對無像差系統(tǒng)，由于物像共軛性，每一個(gè)物點(diǎn)都能成一,個(gè)清晰的像點(diǎn)，即,物面上任何微小的細(xì)節(jié)都能在像面上,清晰反映出來,波動光學(xué)觀點(diǎn)：光束總會受到系統(tǒng)的有限大小的有效光闌的限制，像點(diǎn),應(yīng)是物點(diǎn)的衍射花樣。所以,在像面上清晰地反映物面,的細(xì)節(jié)是不可能的,物點(diǎn)所成像點(diǎn)就是衍射圖樣中的中央條紋或愛里斑,光斑重疊部分的光強(qiáng)度將是兩衍射光斑各自光強(qiáng)度的簡單相加,非相干疊加），如下圖示,設(shè)：有兩個(gè)發(fā)光強(qiáng)度相等的獨(dú)立發(fā)光點(diǎn)，經(jīng)無像差系統(tǒng)成像,當(dāng)兩發(fā)光點(diǎn)較遠(yuǎn)時(shí)，像面上兩像點(diǎn)（即愛里斑）可清晰區(qū)分,隨著距離的縮小，兩像點(diǎn)（即愛里斑）將逐慚發(fā)生重疊,P,Q,L,P,Q,U,1,U,P,Q,L,P,Q,1,U,P,Q,L,