成像儀器與光譜儀

§1成像儀器和助視儀器主要內(nèi)容1.成像儀器

2.眼睛3.放大鏡4.顯微鏡5.望遠鏡§1成像儀器和助視儀器幾何光學(xué)儀器分類：成像儀器、助視儀器、分光儀器

①成像儀器（橫向放大儀器）：照相機（攝影機、攝像機）投影機（放大機、放映機、投影儀、幻燈機）主要用途：像的記錄、縮放及顯示②助視儀器（視角放大儀器）：放大鏡、顯微鏡、望遠鏡主要用途：放大視場角、測量角度或長度③分光儀器：分光計、單色儀、攝譜儀描述幾何光學(xué)儀器的三個要素：放大本領(lǐng)、分辨本領(lǐng)、色散本領(lǐng)主要用途：光譜分析§1成像儀器和助視儀器(1)照相機（電影攝影機、電視攝像機）

結(jié)構(gòu)組成：圖6.1-1照相機結(jié)構(gòu)P1'QP1P2Q'P2'物鏡暗箱底片架

照相物鏡暗箱底片架照相物鏡：由幾個單透鏡或復(fù)合透鏡組成，以消除單色像差和色差。大部分鏡頭多采用對稱或亞對稱鏡頭。光圈：照相物鏡中一個直徑可變的光闌——物鏡的孔徑光闌

視場光闌：靠近底片支架處用以限制成像的橫向范圍大小的一個矩形邊框

1.成像儀器§1成像儀器和助視儀器圖6.1-2典型的單反鏡頭照相機快門速度單反鏡變焦范圍調(diào)焦范圍光圈數(shù)UV鏡偏振鏡§1成像儀器和助視儀器光通過透鏡(1)，被反光鏡(2)反射到取景屏(5)中。通過一塊凸透鏡(6)并在五棱鏡(7)中反射，最終圖像出現(xiàn)在取景框(8)中。當(dāng)按下快門，反光鏡沿箭頭所示方向移動，反光鏡(2)被拾起，圖像被被攝在底片(4)上，與取景屏上所看到的一致。§1成像儀器和助視儀器照相機的結(jié)構(gòu)特點：物體相距較遠，入射孔徑角u0一般很小，物、像方均位于空氣中（n=n'≈1），且物距、像距滿足：①

放大本領(lǐng)

圖6.1-3照相機的入射光瞳-xDQFDDD/2xu0入射光瞳照相物鏡的相對孔徑：入射光瞳直徑D與物方焦距f的比值D/f

。改變照相物鏡像面照度的有效途徑是改變其相對孔徑的大小。

圖6.1-1照相機結(jié)構(gòu)P1'QP1P2Q'P2'物鏡暗箱底片架§1成像儀器和助視儀器光圈數(shù)：相對孔徑的倒數(shù)，即f/D。所謂光圈數(shù)為5.6或F5.6，f/5.6，即表示相對孔徑為1:5.6。光圈數(shù)越大，表明相對孔徑越小，允許透過物鏡的光通量越小，因而像面照度越小。

快門速度：曝光時間的倒數(shù)。由于像面照度正比于相對孔徑的平方，故光圈數(shù)減小21/2倍，像面照度將增大1倍，所需曝光時間將減小一半（快門速度增大1倍）。

照相機物鏡上刻度數(shù)字的含義：

數(shù)字：1、1.4、2、2.8、4、5.6、8、···→光圈數(shù)

數(shù)字：1、2、4、8、16(15)、32(30)、64(60)、125、250、···→快門速度

意義：相鄰兩檔光圈數(shù)的比值等于21/2，而相鄰兩檔快門速度的比值為2，或快門時間的比值為1/2。

②

光圈數(shù)與快門速度§1成像儀器和助視儀器結(jié)構(gòu)組成：照明光源、聚光器和放大物鏡結(jié)構(gòu)特點：倒置的照相機，s≈f

，V≈-s'/f

'=-s'/f圖6.1-4放大機結(jié)構(gòu)反光鏡聚光器光源物鏡P2P1'P2'P1Q'投影屏(2)放大機（幻燈機、投影儀、電影放映機）§1成像儀器和助視儀器（1）人眼的結(jié)構(gòu)特點：從生物醫(yī)學(xué)角度：一個極為復(fù)雜的生物組織，包括虹膜、瞳孔、角膜、晶狀體、鞏膜、脈絡(luò)膜、視網(wǎng)膜等。從仿生學(xué)角度：一架結(jié)構(gòu)極為復(fù)雜而又能夠理想成像的變焦距攝像機。角膜+晶狀體——成像物鏡；虹膜+瞳孔——孔徑光闌、入射和出射光瞳；鞏膜+脈絡(luò)膜——暗箱；視網(wǎng)膜——感光芯片。

2.眼睛圖6.1-1眼睛的結(jié)構(gòu)睫狀肌前房虹膜鞏膜視網(wǎng)膜晶狀體角膜瞳孔后房玻璃狀液黃斑視神經(jīng)盲點F'§1成像儀器和助視儀器通過睫狀肌壓縮水晶體，以改變折射球面的曲率半徑，從而改變其焦距f。觀察無限遠處的物體（將無限遠處物體成像于視網(wǎng)膜上）時，睫狀肌處于最松弛狀態(tài)，折射球面的曲率半徑約為5.7mm，物像方焦距分別為17.1mm和22.8mm。欲看清楚近處物體，須張緊睫狀肌以壓縮水晶體，使折射球面曲率半徑縮小，焦距變短。

一個大小可變的孔徑光闌，用以調(diào)節(jié)進入眼睛的光通量。明亮的環(huán)境中，瞳孔較小；較暗的環(huán)境中，瞳孔將變大。

圖6.2-1眼睛的結(jié)構(gòu)睫狀肌前房虹膜鞏膜視網(wǎng)膜晶狀體角膜瞳孔后房玻璃狀液黃斑視神經(jīng)盲點F'人眼的成像原理瞳孔的機能§1成像儀器和助視儀器簡化眼模型：眼睛——折射球面或位于眼的節(jié)點處的會聚透鏡。物方為空氣，像方為折射率近似等于4/3的水晶體。物方焦距為f=-17.1mm，像方焦距為f’=22.8mm。像落在視網(wǎng)膜上。從眼睛光心到視網(wǎng)膜的距離恒定，約等于眼球的直徑，即2.2cm。

wy-y’-pp’簡化眼模型§1成像儀器和助視儀器遠點：睫狀肌處于完全松弛狀態(tài)時，眼睛能看到的最遠點。近點：睫狀肌處于最緊張狀態(tài)時，眼睛能看到的最近點。明視距離：眼睛在正常狀態(tài)下能十分清楚地看清物體時，物到眼睛之距離。正常人的眼睛：遠點在無限遠處，明視距離約為25cm。由于肌肉的收縮總有一定的限度，近點到眼睛尚有一段距離,兒童在10cm以內(nèi)，青年人在10cm左右，中老年人則在100cm左右。圖6.2-2(a)正視眼(2)遠點、近點及明視距離§1成像儀器和助視儀器①近視：眼睛的遠點位于有限遠處，以至于當(dāng)睫狀肌完全松弛時，無限遠處的物只能成像在視網(wǎng)膜之前。起因：眼球長時間處于緊張狀態(tài)，以至于使眼球的折射球面變形，曲率增大，焦距變短。矯正：在眼前加一個焦距約等于眼睛遠點到眼球間距離的負(fù)透鏡或負(fù)透鏡組，將無限遠處的物先成一個正立的虛像于眼睛的遠點處。相當(dāng)于將有限遠的遠點調(diào)整到無限遠處。

圖6.2-2(b)近視及其矯正遠點遠點(3)近視、遠視、散光及其矯正§1成像儀器和助視儀器②遠視：眼睛的近點太遠，以至于當(dāng)睫狀肌完全松弛時，無限遠處物只能成像于視網(wǎng)膜之后。并且當(dāng)眼球最緊張時，近于25cm處的物也只能成像于視網(wǎng)膜后。只有有限遠物點才能成像于視網(wǎng)膜上。

起因：睫狀肌收縮范圍縮小，以至于眼球變平，折射球面曲率減小，從而焦距增大。矯正：在眼前加一適當(dāng)焦距的正透鏡，使得近處物體先成一正立的虛像于眼睛的近點處。相當(dāng)于將太遠的近點調(diào)整到明視距離以內(nèi)。圖6.2-2(c)遠視及矯正§1成像儀器和助視儀器③散光：眼睛角膜的曲面不對稱，使得折射球面變?yōu)榉乔蛎妫已夭煌鹘孛嫔系慕咕啻笮〔煌瑢?dǎo)致不同方向的成像清晰度不同。散光的矯正：正規(guī)散光可用一個柱面透鏡進行矯正，非正規(guī)散光因角膜曲面的不規(guī)則而無法進行矯正。

說明：無論是近視、遠視，還是散光，所配眼鏡的位置以眼球的物方焦平面處為最佳。因為當(dāng)眼鏡位于眼睛物方焦平面處時，戴與不戴眼鏡所看到的物體大小相同。§1成像儀器和助視儀器人眼的特點：作為一種成像光學(xué)儀器，具有高度的準(zhǔn)確性、極高的靈敏度、精密的分辨能力以及高度的自適應(yīng)性和簡潔的結(jié)構(gòu)。

人眼的局限性：對于發(fā)生在瞬間的事件不能留下長久的記錄，對太近或太遠的物體看不清楚，對物的大小、遠近及形狀不能作出數(shù)量上的精確比較或計量。

助視的意義：物體對眼睛瞳孔中心所張的視角越大，在眼睛視網(wǎng)膜上的成像就越大，眼睛也就越容易分辨其微小細節(jié)。因此，如果能夠通過某種途徑使得被觀察物對眼睛所張視角得到放大，即達到助視的目的。(4)助視儀器§1成像儀器和助視儀器助視儀器的放大本領(lǐng)（視角放大率）：w'：物體經(jīng)助視儀器所成像對眼睛瞳孔中心所張視角。w：物體直接放在經(jīng)助視儀器所成像的位置時，對眼睛瞳孔中心所張視角。助視光學(xué)儀器的主要作用：通過對所觀察物體的預(yù)放大，以增大其對眼睛瞳孔中心所張的視角。§1成像儀器和助視儀器由幾何關(guān)系及橫向放大率定義可得3.簡單放大鏡簡單放大鏡：正透鏡QP：物體y：物高Q'P'：物體經(jīng)放大鏡所成像y'：物體經(jīng)放大鏡所成像高圖6.2-3簡單放大鏡FLF'f

'OQ'P'PQyy'-x-w

'xo'lo-x'-w§1成像儀器和助視儀器物QP直接放置在Q'P'平面處時對眼睛瞳孔中心O所張角度為放大鏡的視角放大率：眼睛瞳孔中心O與透鏡像方焦點F'重合時（xo'=0）：眼睛緊靠透鏡時（xo'=-f

'）：說明：眼睛緊靠透鏡時，放大鏡的視角放大率最大。實際中，由于像差的存在，簡單放大鏡的放大本領(lǐng)，一般最大為3倍左右。圖6.2-4簡單放大鏡FLF'f

'OQ'P'PQyy'-x-w

'xo'lo-x'-w§1成像儀器和助視儀器顯微鏡：用來觀察近處微小物體的視角放大儀器顯微鏡結(jié)構(gòu)：物鏡LO+目鏡LE（均為復(fù)合透鏡組）圖6.2-5顯微鏡成像原理FO'FOLOLEFEFE'QPQ'P'Q''P''Ddlox1'物（目）鏡的作用：聚光、放大（放大測量）待觀察物體QP放在物鏡的物方焦平面FO的外側(cè)附近，經(jīng)物鏡在目鏡的物方焦平面FE內(nèi)側(cè)附近成一放大的實像Q'P'。然后再經(jīng)目鏡于眼睛的明視距離lo處或其外側(cè)附近二次成一放大的虛像Q''P''。4.顯微鏡§1成像儀器和助視儀器顯微鏡的像方焦距f

'：顯微鏡的放大本領(lǐng)：視角放大率M。若眼睛瞳孔位于像方焦點F'處，可得

①顯微鏡的視角放大率M與物鏡和目鏡的像方焦距成反比，與兩鏡的光學(xué)間隔成正比。因而，提高顯微鏡放大本領(lǐng)的有效途徑是，盡可能減小物鏡LO及目鏡LE的像方焦距fO'和fE'并增大其光學(xué)間隔Δ。§1成像儀器和助視儀器圖6.2-5顯微鏡成像原理FO'FOLOLEFEFE'QPQ'P'Q''P''Ddlox1'②一般情況下，由于顯微鏡物鏡和目鏡的焦距較小，且物體經(jīng)物鏡所成像總是位于目鏡的物方焦點（內(nèi)側(cè)）附近，故有：D≈d,

d為筒長。故可得：

§1成像儀器和助視儀器圖6.2-5顯微鏡成像原理FO'FOLOLEFEFE'QPQ'P'Q''P''Ddlox1'③顯微鏡的數(shù)值孔徑：N.A.=nsinu

要使顯微鏡有較大的放大本領(lǐng)，唯一的途徑是增大數(shù)值孔徑。顯微鏡的分辨本領(lǐng)：當(dāng)顯微鏡接近于要觀察的物體表面時，顯微鏡能夠分辨的兩點之間的距離為：u為軸上點對物鏡邊緣所張角度的一半§1成像儀器和助視儀器望遠鏡：用來觀察遠處物體的助視儀器

圖6.2-6望遠鏡成像原理(a)開普勒望遠鏡FO'LOLEFEFE'-w'wP'y'w-w'fO'fE(b)伽利略望遠鏡FO'LOLEFEw'wP'y'ww'fO'fEFE'5.望遠鏡由此得放大本領(lǐng)：故提高望遠鏡放大本領(lǐng)的有效途徑是增大物鏡的焦距fO或fO'，減小目鏡的焦距fE或fE'。§1成像儀器和助視儀器開普勒望遠鏡伽利略望遠鏡目鏡性質(zhì)會聚透鏡，fE=fE'>0發(fā)散透鏡，fE=fE'<0視角放大率

M<0，倒像M>0，正像筒長鏡筒較長鏡筒較短視場視場較大（目鏡會聚）視場較小（目鏡發(fā)散）分劃板FE位于鏡筒內(nèi)，可在該平面處放置分劃板用于測量基準(zhǔn)

FE位于鏡筒外，無法放置分劃板，故不能用于測量表6.2-1兩種望遠鏡的性能比較§1成像儀器和助視儀器§2光譜儀器§2光譜儀器主要內(nèi)容1.光譜儀器的分類2.棱鏡光譜儀3.光柵光譜儀4.法布里-珀羅干涉儀1.光譜儀器的分類①按分光原理分：棱鏡光譜儀，光柵光譜儀，干涉光譜儀。②按用途分：分光計，攝譜儀，單色儀分光計§2光譜儀器棱鏡攝譜儀§2光譜儀器多功能光柵光譜儀（單色儀）當(dāng)光柵轉(zhuǎn)動時，出射的光由短波到長波依次出現(xiàn)§2光譜儀器棱鏡光譜儀的基本原理：棱鏡的色散原理

棱鏡光譜儀組成結(jié)構(gòu)：圖6.2-1棱鏡光譜儀原理aL2平行光管藍綠紅白光L1SnP平行光管+色散棱鏡+望遠鏡2.棱鏡光譜儀§2光譜儀器棱鏡光譜儀分類：分光計、單色儀、攝譜儀分光計：望遠鏡帶有目鏡；單色儀：望遠鏡不帶目鏡，物鏡像方焦平面上放置一狹縫光闌，用以分離單色譜線；攝譜儀：望遠鏡不帶目鏡，物鏡像方焦平面上放置感光底片或CCD光敏面，用以記錄光源的光譜分布。①光譜儀的色散本領(lǐng)：光譜分光儀器通常關(guān)心的是其色散本領(lǐng)，用色散率來表征。角色散率定義為使波長相差一個單位的兩條譜線在空間上所分開的角度，用Dq表示，對應(yīng)的線距離定義為線色散率，用Dl來表示，即§2光譜儀器棱鏡光譜儀的角色散率：棱鏡光譜儀中的棱鏡P總是調(diào)整在接近于產(chǎn)生最小偏向角的方位，故其角色散本領(lǐng)D等于其最小偏向角dmin對波長l的導(dǎo)數(shù)，即圖6.2-1棱鏡光譜儀原理aL2平行光管藍綠紅白光L1Snta為棱鏡頂角，n為棱鏡材料的折射率§2光譜儀器②色分辨本領(lǐng)

λmin:在λ附近,可分辨的最小波長差色分辨本領(lǐng)：A=λ/

λmin：表征儀器能分辨波長極為靠近的光譜線的能力棱鏡光譜儀的色分辨本領(lǐng)：A=tdn/d