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二章光学仪器的基本原理0ppt课件 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望2.1 人的眼睛人的眼睛2.2 助视仪器的放大本领助视仪器的放大本领2.3 目镜目镜2.4 显微镜的放大本领显微镜的放大本领2.5 望远镜的放大本领望远镜的放大本领2.6 光阑光阑 光瞳光瞳2.7 光度学概要光度学概要光能量的传播光能量的传播2.8 物镜的聚光本领物镜的聚光本领2.10 象差象差*2.1 人的眼睛人的眼睛一、一、人眼的结构人眼的结构（从光学仪器的角度来讲）（从光学仪器的角度来讲）从从几何光学几何光学的角度，的角度，人眼人眼照相机照相机是一个精密的是一个精密的光学仪器光学仪器瞳孔瞳孔控制进入人眼的光通量。控制进入人眼的光通量。几个名词：几个名词：晶状体晶状体可调焦距的凸透镜。可调焦距的凸透镜。视网膜视网膜接收象。接收象。二、二、简化眼简化眼从几何光学的观点来看，从几何光学的观点来看，人眼是一个由不同介质人眼是一个由不同介质构成的共轴光具组构成的共轴光具组，因而可以简化成单折射球面，因而可以简化成单折射球面的的简化眼简化眼。Fn=1n=4/3f=22.8mm三、三、人眼的调节功能人眼的调节功能正常眼正常眼远点远点 近点（随年龄变化）近点（随年龄变化）明视距离明视距离 25 cm 非正常眼非正常眼近视眼近视眼远点不在远点不在，凹透镜矫正。，凹透镜矫正。远视眼远视眼近点近点变远，凸透镜矫正。变远，凸透镜矫正。散散 光光 角膜曲率不均匀。角膜曲率不均匀。光焦度：光焦度：单位：屈光度单位：屈光度=1/米米度数度数=100屈光度屈光度近视眼近视眼,凹透镜矫正。凹透镜矫正。远视眼远视眼,凸透镜矫正。凸透镜矫正。2.2 助视仪器的放大本领助视仪器的放大本领一、一、放大本领的放大本领的 概念概念1.眼睛对物体大小的感觉眼睛对物体大小的感觉u物体对人眼张开的视角物体对人眼张开的视角u2.放大本领放大本领-luPQPQ-lQP-lul：不用助视仪器在视网膜上的象长。：不用助视仪器在视网膜上的象长。l：用助视仪器在视网膜上的象长。：用助视仪器在视网膜上的象长。u：经助视仪器后的象对人眼张开的视角。：经助视仪器后的象对人眼张开的视角。u远物远物：对人眼张开的视角。：对人眼张开的视角。近物近物：放在明视距离处，对人眼张开的视角。：放在明视距离处，对人眼张开的视角。放大本领放大本领透镜的放大本领：透镜的放大本领：二、二、放大镜放大镜25 cmuyFuyy-s 2.3 目镜目镜一、一、目镜的作用目镜的作用目镜是复杂的放大镜，其特点：目镜是复杂的放大镜，其特点：M大，视场大，大，视场大，可以校正象差。可以校正象差。目镜一般由两个或目镜一般由两个或几个薄透镜组成几个薄透镜组成接目镜（视镜）接目镜（视镜）向场镜（场镜）向场镜（场镜）二、二、两种目镜两种目镜1.惠更斯目镜惠更斯目镜HHFL1L2组合：组合：消色差消色差特点：特点：（1）消色差；消色差；（2）只能接在物镜后，使成象在明视距离，只能接在物镜后，使成象在明视距离，起放大作用；起放大作用；（3）视场大。视场大。2.冉斯登目镜冉斯登目镜HHF组合：组合：特点：特点：（1）直接可当放大镜使用；直接可当放大镜使用；（2）与惠更斯目镜比较，与惠更斯目镜比较，可直接作放大镜可直接作放大镜 观察实物观察实物，惠更斯目镜只能观察象；，惠更斯目镜只能观察象；（3）整个系统比较长。整个系统比较长。2.4 显微镜的放大本领显微镜的放大本领显微镜显微镜物镜物镜一组透镜，焦距一组透镜，焦距f1短短目镜目镜一组透镜，焦距一组透镜，焦距f2简化为简化为单个透镜单个透镜 F1F2物镜物镜目镜目镜光学间隔光学间隔=F1F2 l（筒长）（筒长）f1,f2很短很短-u-y1y显微镜的放大本领：显微镜的放大本领：2.5 望远镜的放大本领望远镜的放大本领望远镜望远镜物镜物镜，f1长长目镜目镜 反射镜反射镜反射式望远镜反射式望远镜透镜透镜折射式望远镜折射式望远镜会聚会聚开普勒望远镜开普勒望远镜发散发散伽利略望远镜伽利略望远镜一、一、开普勒望远镜开普勒望远镜无穷远的物无穷远的物物镜物镜目镜目镜F1 F2u-u =0-y1远物，小视角远物，小视角放大本领：放大本领：有限远的物有限远的物物镜物镜目镜目镜F1 F2放大本领：放大本领：M0,正立虚象正立虚象放大本领：放大本领：三、三、反射式望远镜（天文望远镜）反射式望远镜（天文望远镜）牛顿式反射望远镜牛顿式反射望远镜格雷戈里式望远镜格雷戈里式望远镜卡斯格伦式望远镜卡斯格伦式望远镜近代，采用近代，采用施密特物镜施密特物镜哈勃太空望远镜哈勃太空望远镜目镜目镜F2F1uu四、四、激光扩束器激光扩束器会聚产生会聚产生 电电 离离倒装的伽利略望远镜倒装的伽利略望远镜 补充补充：设开普了勒望远镜和伽利略望远镜的物镜设开普了勒望远镜和伽利略望远镜的物镜和目镜之间的距离均为和目镜之间的距离均为10cm，视角放大率均为，视角放大率均为3倍，倍，分别求它们的分别求它们的 f1，f2。2.6 光阑光阑 光瞳光瞳一、一、光阑的概念光阑的概念光阑光阑光学系统中具有光学系统中具有透光孔透光孔的屏。的屏。作用：作用：1.限制孔径角大小限制孔径角大小2.限制轴外成象光束限制轴外成象光束3.控制光通量控制光通量4.挡掉杂散光挡掉杂散光以作用分类：以作用分类：有效光阑有效光阑限制轴上物点孔径角限制轴上物点孔径角视场光阑视场光阑限制轴外成象限制轴外成象 二、二、有效光阑和光瞳有效光阑和光瞳有效光阑有效光阑在所有各光阑中，在所有各光阑中，限制入射光束限制入射光束 最起作用最起作用的那个光阑。的那个光阑。是针对轴上某一点而言。是针对轴上某一点而言。PQP点点“1”有效光阑有效光阑Q点点“2”有效光阑有效光阑12（1）对指定某一物点而言；）对指定某一物点而言；特点：特点：PPABBAAB为为P点点的有效光阑的有效光阑入射光瞳入射光瞳限制入射光线，限制入射光线，有效光阑被它前面有效光阑被它前面 的光学系统成的象的光学系统成的象。出射光瞳出射光瞳限制出射光线，限制出射光线，有效光阑被它后面有效光阑被它后面 的光学系统成的象的光学系统成的象。既可以为既可以为实物实物，也可以为，也可以为象象。（2）对象方光束的限制也可看成对物方光束的限制。）对象方光束的限制也可看成对物方光束的限制。分析有效光阑、入射光瞳、出射光瞳的思路：分析有效光阑、入射光瞳、出射光瞳的思路：（1）明确考虑的物点）明确考虑的物点P；（2）所有光阑（包括透镜）对它前面透镜成象；）所有光阑（包括透镜）对它前面透镜成象；（或者将光阑作为象，求对其左方的光学系统（或者将光阑作为象，求对其左方的光学系统 而言的对应的物）而言的对应的物）（3）比较，求所得到的象对）比较，求所得到的象对P点张开的孔径角，其点张开的孔径角，其 最小者所对应的光阑是有效光阑；最小者所对应的光阑是有效光阑；（4）最小的象即是入射光瞳；）最小的象即是入射光瞳；（5）有效光阑对其右边的光学系统成象得到）有效光阑对其右边的光学系统成象得到 出射光瞳。出射光瞳。入射光瞳、出射光瞳共轭入射光瞳、出射光瞳共轭2.7 光度学概要光度学概要光能量的传播光能量的传播一、一、辐射通量辐射通量辐射通量辐射通量 单位时间内，某一面积发射单位时间内，某一面积发射 出来的全部辐射能量。出来的全部辐射能量。谱辐射通量密度谱辐射通量密度e()单位波长范围间隔内单位波长范围间隔内 的辐射通量。的辐射通量。二、二、视见函数视见函数（1）因人而异）因人而异（2）背景亮度）背景亮度（背景暗，向短波方向移动）（背景暗，向短波方向移动）特点：特点：光能量传递光能量传递辐射度学辐射度学可见光范围可见光范围光度学光度学555nm（单位：（单位：瓦特瓦特）v()1.0三、三、光通量光通量光通量光通量客观辐射通量对客观辐射通量对人眼引起视觉的有效通量人眼引起视觉的有效通量。Km最大光视效能最大光视效能Km=683 lm/W 单色光光通量：单色光光通量：复色光光通量：复色光光通量：发光效率：发光效率：单位：单位：流明流明（lm）四、四、发光强度发光强度发光强度发光强度表征光源在表征光源在一定方向范围内发出的一定方向范围内发出的 光通量的空间分布光通量的空间分布的物理量。的物理量。单位：单位：坎德拉坎德拉（cd）如果各个方向发光强度相同，则如果各个方向发光强度相同，则坎德拉坎德拉是一光源在给定方向上的发光强度，是一光源在给定方向上的发光强度，该光源发出频率为该光源发出频率为5.401014 Hz的单色辐射，的单色辐射，而且在此方向上的辐射强度为而且在此方向上的辐射强度为1/683 W/sr。（sr为球面度为球面度）SI中，七个基本单位之一中，七个基本单位之一五、五、照度和出射度照度和出射度照度照度E单位面积上单位面积上接收接收的光通量。的光通量。点光源点光源面光源面光源出射度出射度M单位面积上单位面积上辐射出来辐射出来的光通量。的光通量。单位：单位：勒克斯勒克斯(lux),lm/m2单位：单位：勒克斯勒克斯(lux),lm/m2dSR六、六、亮度亮度亮度亮度L辐射面上单位投影面积，在单位辐射面上单位投影面积，在单位 立体角内辐射的光通量。立体角内辐射的光通量。SdSd单位：单位：cd/m2由发光强度定义，由发光强度定义，L可写为：可写为：扩展光源扩展光源dI cosL与与无关无关朗伯定律朗伯定律漫反射漫反射朗伯反射体朗伯反射体朗伯光源朗伯光源七、三原色原理七、三原色原理红光红光 R(=700 nm)绿光绿光 G(=546.1 nm)蓝光蓝光 B(=435.8 nm)光通量按不同比例光通量按不同比例混合混合可得到可得到自然界自然界大多数颜色的光。大多数颜色的光。拍摄：拍摄：分光系统分解分光系统分解RGB光电转换光电转换EREGEB传输传输 或或储存储存图像图像显示显示EREGEB加到彩色显象管加到彩色显象管红色图像红色图像绿色图像绿色图像兰色图像兰色图像彩色图像彩色图像2.8 物镜的聚光本领物镜的聚光本领物镜的聚光本领物镜的聚光本领是描述是描述物镜聚集光通量能力物镜聚集光通量能力的物理量。的物理量。一、一、显微镜的聚光本领显微镜的聚光本领 数值孔径数值孔径象面照度象面照度L0成象的物在真空中的亮度成象的物在真空中的亮度 横向放大率横向放大率RN.A.数值孔径数值孔径n 物方折射率物方折射率u 孔径角孔径角u二、二、望远镜的聚光本领望远镜的聚光本领 相对孔径相对孔径象面照度象面照度d 望远镜物镜孔径望远镜物镜孔径d/f 相对孔径相对孔径反射式反射式望远镜相对孔径望远镜相对孔径 1/3.33折射式折射式望远镜相对孔径望远镜相对孔径 1/18.9三、三、照相机的聚光本领照相机的聚光本领象面照度象面照度远物远物近物近物F数数(光圈数光圈数）相对孔径的倒数，相对孔径的倒数，即即f/d通常用通常用F 1:K 表示表示物镜的相对孔径物镜的相对孔径.如国产海鸥如国产海鸥DF型照相机型照相机F 1:2F数数 f/d1 1.4 2 2.8 4 5.6 8 11 16相对相对孔径孔径 d/f 1/1 1/1.4 1/2 1/2.8 1/4 1/5.6 1/8 1/11 1/16象面象面照度照度*2.8 象差象差单色象差单色象差轴上点轴上点（宽光束）（宽光束）球球差差轴外点轴外点轴外近点轴外近点（宽光束）（宽光束）彗彗差差轴外远点轴外远点（细光束）（细光束）象象场场弯弯曲曲象象散散畸畸变变枕枕形形畸畸变变桶桶形形畸畸变变象差的分类象差的分类色差色差由于透镜对由于透镜对不同波长光不同波长光会聚能力不同会聚能力不同引起的引起的慧差色差：色差：阿贝数（阿贝数（V数）数）nD黄色折射率黄色折射率nF蓝色折射率蓝色折射率nC红色折射率红色折射率消色差消色差1.两种不同材料胶合两种不同材料胶合2.同种材料组合同种材料组合满足满足则，则，