第三章.光学仪器的基本原理PPT课件.ppt

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1、第第3章章 光学仪器的基本原理光学仪器的基本原理 应用近轴光学理论分析典型光学仪器的工作原理，2021/6/71第第3章章 光学仪器的基本原理光学仪器的基本原理n光学仪器分类光学仪器分类n物理光学仪器物理光学仪器n光谱仪、干涉仪.n几何光学仪器几何光学仪器n助助视视仪仪器器(视角放大，如放大镜、显微镜、望远镜等)n成成像像仪仪器器（摄影投影仪器，如照相机、摄影机、摄像机、放大机、投影仪、放影机等)n分光仪器分光仪器（分光计、单色仪、摄谱仪等）2021/6/72n观测对象尺度与相应的观测仪器观测对象尺度与相应的观测仪器2021/6/73第第3章章 光学仪器的基本原理光学仪器的基本原理n3.1眼睛

2、n3.2放大镜n3.3显微镜n3.4望远镜n3.5摄影系统n3.6现代光学系统(自学)2021/6/743.1 3.1 眼睛眼睛n眼睛是人的视觉器官眼睛是人的视觉器官，也是许多目视光学仪器的光能接收器。因此了解人眼的结构及其光学特性对目视光学仪器的设计非常必要。n眼睛的结构眼睛的结构人眼本身就相当于一个摄影系统，外表大体呈球形，直径约为25 mm，其内部结构如图所示。2021/6/753.1 3.1 眼睛眼睛n眼睛的光学特性眼睛的光学特性把标准眼近似简化为一个折射球面的模型，称为简约眼简约眼。其参数为n折射面的曲率半径 5.56 mmn像方介质的折射率431.333n 网膜的曲率半径9.7 m

3、m对应f=-16.70mm f=22.26mm =59.88D2021/6/763.1 3.1 眼睛眼睛n眼睛的调节眼睛的调节 n视度调节视度调节借助于使水晶体的曲率发生改变，使不同远近的物体都能清晰地成像在网膜上。n当人眼在完全自然放松状态下，眼睛能看清楚的最远的点称为远远点点。正常人眼的远点在无限远；n当睫状肌在最紧张时，眼睛能看清楚的最近的点称为近点近点。n正常的眼睛在正常照明下最方便和最习惯的阅读和操作距离，称为明明视视距距离离。常规定明视距离为250 mm。2021/6/773.1 3.1 眼睛眼睛n视度描述眼睛的调节范围或调节能力。若以p表示近点到眼睛物方主点的距离(m)，以r表示

4、远点到眼睛物方主点的距离(m)，2021/6/783.1 3.1 眼睛眼睛n适应调节适应调节 眼睛通过睫状肌改变曈孔大小对不同的亮度条件有适应的能力 眼睛所能感受的光亮度的变化范围是非常大的，其比值可达1012：1。在黑暗处，瞳孔增大、灵敏度大为提高。在亮处，灵敏度大大降低、瞳孔也随之缩小。2021/6/793.1 3.1 眼睛眼睛n眼睛的缺陷和矫正眼睛的缺陷和矫正 正正常常眼眼在肌肉完全放松的状态下，能够看清无限远处的物体，即其远点应该在无限远处（R=0），像方焦点正好和网膜重合，如图所示，若不符合这一条件就是是非非正正常常眼眼，或称为视力不正常。2021/6/710图图2.7-6(b)近视

5、及其矫正近视及其矫正远点远点远点远点图图2.7-6(c)远视及矫正远视及矫正2021/6/7113.1 3.1 眼睛眼睛n近视眼近视眼会聚能力太强，应该配戴一块负透镜负透镜，使无限远物体通过发散透镜以后，正好成像在眼睛的远点上，再通过眼睛成像在视网膜；n远视眼远视眼会聚能力不够，应该配戴一块正透镜正透镜，使无限远物体通过会聚透镜以后，正好成像在眼睛的远点上，再通过眼睛成像在视网膜。2021/6/7123.1 3.1 眼睛眼睛n眼睛的分辨率眼睛的分辨率 n眼睛能分辨最近两点的能力，称为眼睛的分辨率。n由物理光学可知，刚刚能分辨开的两点对眼睛物方节点所张的极限分辨角为 式中，D为瞳孔的直径，为光波

6、波长。n 放大镜、显微镜、望远镜等助视仪器都是为增大物体对眼的视角为设计的。2021/6/7133.2 放大镜放大镜n放大镜放大镜是帮助眼睛观察细微物体或细节的光学仪器。凸透镜是一个最简单的放大镜。n为了得到放大的像，物体应位于放大镜第一焦点F附近并且靠近透镜的一侧。n放大镜的视角放大率放大镜的视角放大率 应用牛顿公式得当物位于物方焦面上，2021/6/7143.2 放大镜放大镜n放大镜的光束限制和视场放大镜的光束限制和视场 决定无渐晕成像范围的B1点、50%渐晕的B2点和可能成像的最边缘点B3，对应的视场角分别为1、2、3。由图可知 当物平面位于物方焦点上时，像平面在无限远，则满足50%渐晕

7、的视场为2021/6/7153.33.3显微系统显微系统n显微镜用于观察近处微小物显微镜用于观察近处微小物体的视角放大仪器。体的视角放大仪器。n显微镜的成像原理显微镜的成像原理n显微镜由物镜和目镜组成。采用两级放大。物镜先把物体放大成像，目镜把像再放大。n物体位于大于物镜焦距但小于两倍的物镜焦距处。人眼在目镜后面一定位置上。2021/6/7163.33.3显微系统显微系统n显微镜的视角放大率显微镜的视角放大率物镜放大率目镜放大率 总放大率为由组合焦距为得2021/6/7173.3 3.3 显微系统显微系统n齐焦条件齐焦条件当调换物镜后，不需重新调焦就能看到物体的像。为此，不同倍率的物镜需有不同

8、的光学筒长，并在光学结构尺寸上满足如下要求：n不同倍率的物镜有相同的物像共扼距。对于生物显微镜，我国规定为195 mm。n物镜的像面到镜筒的上端面即目镜的支承面的距离固定。我国规定为10 mm。n为在调换目镜后也不需重新调焦，目镜的物方焦面要与物镜的像面重合。2021/6/7183.4 望远系统望远系统 n望远镜是用于观察远处物体的目视光学仪望远镜是用于观察远处物体的目视光学仪器。器。有折射式、反射式、折反式（主要区别在于物镜）。n望远系统的结构形式望远系统的结构形式由物镜和目镜组成。物镜的象方焦点和目镜的物方焦点应重合，光学间隔0（无焦系统）。2021/6/7193.4 望远系统望远系统n望

9、远系统的视觉放大率望远系统的视觉放大率由图可得 式中，其中，f物，f目分别是物镜和目镜的焦距，D和D分别是入瞳和出瞳直径。2021/6/7203.4 望远系统望远系统n无焦系统的特点无焦系统的特点n望远系统的各放大率仅仅取决于望远系统的结构参数，与物体的具体位置无关。n利用这个结论，可以在望远镜前任意位置放置一物体，测量其垂轴放大率，它的倒数就是该望远系统的视放大率。2021/6/7212021/6/722显微镜物镜的数值孔径显微镜物镜的数值孔径 电子显微镜：电子波长电子显微镜：电子波长0.16nm，120万倍放大倍率万倍放大倍率扫描探针显微术扫描探针显微术(SPM):Scanning Pro

10、be Microscopy扫描隧道显微镜扫描隧道显微镜:0.01nmScanning Tunneling Microscope(STM)IBM公司公司1981研制成功研制成功,分享了分享了1986年诺贝年诺贝尔物理学奖尔物理学奖2021/6/723 不可选择，不可选择，望远镜：望远镜：世界上最大的世界上最大的射电射电建在波多黎各岛的建在波多黎各岛的到整个地球表面仅到整个地球表面仅 世界上最大的世界上最大的光学光学望远镜：望远镜：D=8 m，建在夏威，建在夏威夷山顶，夷山顶，1999年建成年建成望远镜：望远镜：D=305 mArecibo，能探测射能探测射10-12W的功率的功率.2021/6/

11、724 20世纪中期以后，很多著名天文台都安装世纪中期以后，很多著名天文台都安装有大口径的的反射望远镜。有大口径的的反射望远镜。1976年原苏联制造了口径年原苏联制造了口径6米的望远镜，米的望远镜，安装在高加索山天体物理天文台。安装在高加索山天体物理天文台。我国最大的望远镜，是我国最大的望远镜，是1989年安装在北年安装在北京天文台兴隆观测站的京天文台兴隆观测站的2.16米反射望远镜，米反射望远镜，这是我国自己研制生产的。这是我国自己研制生产的。1948年由美国制造的口径年由美国制造的口径5.08米的反射米的反射望远镜，安装在帕洛玛天文台（位于智利），望远镜，安装在帕洛玛天文台（位于智利），曾

12、居世界领先地位。曾居世界领先地位。2021/6/725哈勃空间望远镜（哈勃空间望远镜（Hubble Space Telescope）1990年年4月月24日哈勃空间望远镜升上了太空，天日哈勃空间望远镜升上了太空，天文学家多年的梦想成为现实。文学家多年的梦想成为现实。哈哈勃勃空空间间望望远远镜镜是是由由美美国国国国家家航航空空与与航航天天局局（NASA）和欧洲空间局（）和欧洲空间局（ESRO）联合研制的，）联合研制的，其其主主体体为为长长13米米、直直径径4.3米米的的圆圆筒筒，望望远远镜镜主主镜镜口口径径2.4米米，总总重重量量为为12.5吨吨，研研制制历历时时13年年，耗耗资资21亿亿美美元

13、元，由由发发现现号号航航天天飞飞机机带带到到了了高高度度为为600公公里里的的空空间间轨轨道道，实实现现了了天天文文学学家家从从大大气气层层以以外外空空间间观观测测天体天体的愿望。的愿望。2021/6/726美国空军武器实验室正在研制的美国空军武器实验室正在研制的超轻型折叠式合成孔径望远镜超轻型折叠式合成孔径望远镜2021/6/727No discussion of telescopes would be complete without a few pretty pictures.NGC 6543-Cats Eye Nebula-one of the most complex planeta

14、ry nebulae ever seenGalaxy Messier 81Uranus is surrounded by its four major rings and by 10 of its 17 known satellites 星云星云天王星天王星2021/6/728(1)照相机（电影摄影机、电视摄象机）照相机（电影摄影机、电视摄象机）结构组成：结构组成：图图2.7-1 照相机结构照相机结构P1QP1P2QP2物镜物镜暗箱暗箱底底片片架架v 照相物镜照相物镜v 暗箱暗箱v 底片架底片架照照相相物物镜镜：由由几几个个单单透透镜镜或或复复合合透透镜镜组组成成，以以消消除除单单色色像像差差

15、和和色色差差。大大部部分镜头多采用对称或亚对称镜头。分镜头多采用对称或亚对称镜头。光圈：照相物镜中一个直径可变的光阑光圈：照相物镜中一个直径可变的光阑物镜的孔径光阑物镜的孔径光阑 视场光阑：靠近底片支架处用以限制成像的横向范围大小的一个视场光阑：靠近底片支架处用以限制成像的横向范围大小的一个矩形边框矩形边框 2021/6/729图图2.7-2 典型的单反镜头照相机典型的单反镜头照相机 快门速度快门速度单反镜单反镜变焦范围变焦范围调焦范围调焦范围光光圈圈数数UV镜镜五脊棱镜五脊棱镜取景窗取景窗2021/6/730照照相相机机的的结结构构特特点点：物物体体相相距距较较远远，入入射射孔孔径径角角u0

16、一一般般很很小小，物物、像像方方均均位于空气中（位于空气中（n=n1），且物距、像距满足：），且物距、像距满足：放大本领放大本领 2 光学成像的几何学原理光学成像的几何学原理2.7 几何光学仪器原理几何光学仪器原理2.7.1 成像仪器成像仪器图图2.7-3 照相机的入射孔径角照相机的入射孔径角-xDQFDDD/2xu0 xD：入射光瞳：入射光瞳DD到物方焦点到物方焦点F的距离；的距离；VD：入射光瞳的横向放大率。：入射光瞳的横向放大率。集光本领集光本领像面照度像面照度2021/6/731照相物镜的相对孔径：入射光瞳直径照相物镜的相对孔径：入射光瞳直径D与物方焦距与物方焦距f的的比值比值D/f。

17、结论：结论：相相对对孔孔径径大大小小与与照照相相物物镜镜的的光光圈圈（孔孔径径光光阑阑）直直径径大大小小成成正正比比，与与物物镜镜焦焦距距成成反反比比。对对于于给给定定焦焦距距的的物物镜镜，其其光光圈圈孔孔径径越越大大，像像面面照照度度越越大大。从而对同一种感光介质而言，所需要的曝光时间越短。从而对同一种感光介质而言，所需要的曝光时间越短。一般情况下，一般情况下，|V|1，上式可简化为，上式可简化为(2.7-6)物物体体相相距距较较远远时时，照照相相物物镜镜的的像像面面照照度度正正比比于于其其相相对对孔孔径径的的平平方方，而而与与物物体体的的位位置置及及横横向向放放大大率率无无关关。给给定定物

18、物体体和和照照相相物物镜镜时时，参参数数kB0唯唯一确定。一确定。改变照相物镜像面照度的有效途径是改变其相对孔径的大小改变照相物镜像面照度的有效途径是改变其相对孔径的大小。2021/6/732光光圈圈数数：相相对对孔孔径径的的倒倒数数，即即f/D。所所谓谓光光圈圈数数为为5.6或或F5.6，f/5.6，即即表表示示相相对对孔孔径径为为1:5.6。光光圈圈数数越越大大，表表明明相相对对孔孔径径越越小小，允允许许透透过过物物镜的光通量越小，因而像面照度越小。镜的光通量越小，因而像面照度越小。快快门门速速度度：曝曝光光时时间间的的倒倒数数。由由于于像像面面照照度度正正比比于于相相对对孔孔径径的的平平

19、方方，故故光光圈圈数数减减小小21/2倍倍，像像面面照照度度将将增增大大1倍倍，所所需需曝曝光光时时间间将将减减小小一一半半（快门速度增大（快门速度增大1倍）倍）。照相机物镜上刻度数字的含义：照相机物镜上刻度数字的含义：数字：数字：1 1、1.4、2、2.8、4、5.6、8、光圈数光圈数 数字：数字：1、2、4、8、16(15)、32(30)、64(60)、125、250、快门速度快门速度 意意义义：相相邻邻两两档档光光圈圈数数的的比比值值等等于于21/2，而而相相邻邻两两档档快快门门速速度度的的比比值值为为2，或快门时间的比值为或快门时间的比值为1/2。2 光学成像的几何学原理光学成像的几何

20、学原理2.7 几何光学仪器原理几何光学仪器原理2.7.1 成像仪器成像仪器 光圈数与快门速度光圈数与快门速度2021/6/733 光圈与景深的关系光圈与景深的关系 光光圈圈的的大大小小控控制制着着成成像像光光束束的的入入射射及及出出射射孔孔径径角角的的大大小小。孔孔径径角角越越小小，系系统统的的轴轴向向放放大大率率越越小小，因因而而物物空空间间成成像像的的纵纵向向范范围围越越大大，即即景景深深越越大大。此此外外，景景深深的的大大小小还还与与被被摄摄物物的的相相对对位位置置有有关关，物物的的位位置置越越远远，则景深越大。则景深越大。注意：物距较小、横向放大率较大时，如注意：物距较小、横向放大率较

21、大时，如V=-1，则，则 结论：相同光圈数条件下，结论：相同光圈数条件下，拍摄近距离物时的像面照度小于拍摄远距离物时拍摄近距离物时的像面照度小于拍摄远距离物时的像面照度，因而需要较长的快门时间的像面照度，因而需要较长的快门时间。2021/6/734结构组成：照明光源、聚光器和放大物镜结构组成：照明光源、聚光器和放大物镜 结构特点：倒置的照相机，结构特点：倒置的照相机，sf，V-s/f=-s/f图图2.7-4 放大机结构放大机结构反光镜反光镜聚光器聚光器光源光源物镜物镜P2P1P2P1Q投投影影屏屏(2)放大机（幻灯机、投影仪、电影放映机）放大机（幻灯机、投影仪、电影放映机）2021/6/735

22、第第4 4章章 光的电磁理论光的电磁理论n内容框架麦克斯韦方程组波动方程时谐平面波时谐球面波时谐柱面波实际光波光的电磁特性2021/6/736第第4 4章章 光的电磁理论光的电磁理论n教学要求:n了解光的电磁理论、电磁场的波动性；n掌握光波在介质中的传播速率、介质折射率的物理意义及其表达式；n理解时谐均匀平面光波场的时间、空间特性，以及描述平面简谐光波的数学表达式（实数和复数）中各项参数的物理意义；2021/6/737第第4 4章章 光的电磁理论光的电磁理论n掌握光强的概念和计算相对光强的方法；n理解菲涅耳公式的表达式以及它们所描述的物理内容，掌握利用菲涅耳公式计算光波在介质界面上折射、反射时光波振幅、强度、能流的方法，理解反射时的半波损失现象；2021/6/738第第4 4章章 光的电磁理论光的电磁理论n掌握光波的布儒斯特定律和全反射定律。n了解光的频谱概念。n了解球面波可视为平面波的条件。2021/6/739第第4 4章章 光的电磁理论光的电磁理论n思考题n光波的电磁特性n时谐平面波的数学描述（实数、复数）n研究时谐平面波的意义n光波的反射、折射的规律n布儒斯特角、全反射临界角的物理意义n相速与群速的概念及其关系n光波拍频现象的应用价值n球面波过渡到平面波的条件2021/6/740部分资料从网络收集整理而来，供大家参考，感谢您的关注！