第三章光学仪器的基本原理课件.ppt

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1、第 3章 光 学 仪 器 的 基 本 原 理 1 第 3章 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 ， 第 3章 光 学 仪 器 的 基 本 原 理 2 第 3章 光 学 仪 器 的 基 本 原 理n 光 学 仪 器 分 类n 物 理 光 学 仪 器n 光 谱 仪 、 干 涉 仪 .n 几 何 光 学 仪 器n 助 视 仪 器 (视 角 放 大 ， 如 放 大 镜 、 显 微 镜 、望 远 镜 等 ) n 成 像 仪 器 （ 摄 影 投 影 仪 器 ， 如 照 相 机 、 摄影 机 、 摄 像 机 、 放 大 机 、

2、 投 影 仪 、 放 影 机等 ) n 分 光 仪 器 （ 分 光 计 、 单 色 仪 、 摄 谱 仪 等 ） 第 3章 光 学 仪 器 的 基 本 原 理 3 n 观 测 对 象 尺 度 与 相 应 的 观 测 仪 器 第 3章 光 学 仪 器 的 基 本 原 理 4 第 3章 光 学 仪 器 的 基 本 原 理n 3.1 眼 睛n 3.2 放 大 镜n 3.3 显 微 镜n 3.4 望 远 镜n 3.5 摄 影 系 统n 3.6 现 代 光 学 系 统 (自 学 ) 第 3章 光 学 仪 器 的 基 本 原 理 5 3.1 眼 睛n 眼 睛 是 人 的 视 觉 器 官 ， 也 是 许 多

3、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 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 m m ， 其 内 部 结 构如 图 所 示 。 第 3章 光 学 仪 器 的 基 本 原 理 6 3.1 眼 睛n 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 。 其 参 数 为n 折 射 面 的 曲 率 半 径 5.56

4、m mn 像 方 介 质 的 折 射 率 4 3 1.333n 网 膜 的 曲 率 半 径 9.7 m m 对 应 f=-16.70m m f=22.26m m =59.88D 第 3章 光 学 仪 器 的 基 本 原 理 7 3.1 眼 睛n 眼 睛 的 调 节 n 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 点 。 正 常 人 眼 的 远点 在 无 限 远 ； n 当 睫

5、 状 肌 在 最 紧 张 时 ， 眼 睛 能 看 清 楚 的 最近 的 点 称 为 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 视 距 离 。 常 规定 明 视 距 离 为 250 mm。 第 3章 光 学 仪 器 的 基 本 原 理 8 3.1 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 远 点 到 眼 睛 物 方 主 点 的 距 离 (m )，1 1A p r 第 3章 光 学

6、仪 器 的 基 本 原 理 9 3.1 眼 睛n 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 。 第 3章 光 学 仪 器 的 基 本 原 理 10 3.1 眼 睛n 眼 睛 的 缺 陷 和 矫 正 正 常 眼 在 肌 肉 完 全 放 松 的 状 态 下

7、， 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 非 正 常眼 ， 或 称 为 视 力 不 正 常 。 第 3章 光 学 仪 器 的 基 本 原 理 11图 2.7-6(b) 近 视 及 其 矫 正 远 点远 点 图 2.7-6(c) 远 视 及 矫 正 第 3章 光 学 仪 器 的 基 本 原 理 12 3.1 眼 睛n 近 视 眼 会 聚 能 力 太 强 ， 应 该 配 戴 一 块 负 透 镜 ，使 无 限 远 物 体 通 过

8、 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 会 聚 能 力 不 够 ， 应 该 配 戴 一 块 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 。 第 3章 光 学 仪 器 的 基 本 原 理 13 3.1 眼 睛n 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

9、 的 两 点 对 眼 睛 物 方 节 点所 张 的 极 限 分 辨 角 为 0 1.22D 式 中 ， D为 瞳 孔 的 直 径 ， 为 光 波 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 。 第 3章 光 学 仪 器 的 基 本 原 理 14 3.2 放 大 镜n 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

10、近 并 且 靠 近 透 镜 的 一 侧 。n 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 ， tg 250tg ( )zyx x y 250 zx= f x x 250f 第 3章 光 学 仪 器 的 基 本 原 理 15 3.2 放 大 镜n 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

11、 面 在 无 限 远 ， 则 满 足 50%渐 晕 的 视 场 为 2tg hd 500h2 dy 第 3章 光 学 仪 器 的 基 本 原 理 16 3.3显 微 系 统n 显 微 镜 用 于 观 察 近 处 微 小 物体 的 视 角 放 大 仪 器 。n 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 。 第 3章 光 学 仪

12、器 的 基 本 原 理 17 3.3显 微 系 统n 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 1 1xf f 2 1 2tg 250tg f f = 1 2 f ff ff 物 镜 目 镜250/ f 2250/ f 第 3章 光 学 仪 器 的 基 本 原 理 18 3.3 显 微 系 统n 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 的 光 学 筒 长 ，并 在 光 学 结 构 尺 寸 上 满

13、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 m m 。 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 m m 。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 。 第 3章 光 学 仪 器 的 基 本 原 理 19 3.4 望 远 系 统 n 望 远 镜 是 用 于 观 察 远 处 物 体 的 目 视 光 学 仪器 。 有 折 射

14、 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 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 ） 。 第 3章 光 学 仪 器 的 基 本 原 理 20 3.4 望 远 系 统n 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 。 ftg Dtg f D 物目 第 3章 光 学 仪

15、 器 的 基 本 原 理 21 3.4 望 远 系 统n 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 。 2ffffff 目 物 物目目 物 第 3章 光 学 仪 器 的 基 本 原 理 22 第 3章 光 学 仪 器 的 基 本 原 理 23 显 微 镜 物 镜 的 数 值 孔 径 un

16、AN sin. 1500电 子 显 微 镜 ： 电 子 波 长 0.16nm， 120万 倍 放 大 倍 率扫 描 探 针 显 微 术 (SPM):Scanning Probe Microscopy扫 描 隧 道 显 微 镜 : 0.01nmScanning Tunneling Microscope (STM)IBM公 司 1981研 制 成 功 , 分 享 了 1986年 诺贝 尔 物 理 学 奖 第 3章 光 学 仪 器 的 基 本 原 理 24 不 可 选 择 ， RD可望 远 镜 ： 世 界 上 最 大 的 射 电建 在 波 多 黎 各 岛 的到 整 个 地 球 表 面 仅 世 界 上

17、 最 大 的 光 学 望 远 镜 ：D = 8 m， 建 在 夏 威夷 山 顶 ， 1999年 建 成望 远 镜 ： D = 305 mArecibo， 能 探 测 射10 -12W的 功 率 . 第 3章 光 学 仪 器 的 基 本 原 理 25 20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 。 1976年 原 苏 联 制 造 了 口 径 6米 的 望 远 镜 ，安 装 在 高 加 索 山 天 体 物 理 天 文 台 。 我 国 最 大 的 望 远 镜 ， 是 1989年 安 装 在 北京 天 文 台 兴 隆 观 测 站 的

18、 2.16米 反 射 望 远 镜 ，这 是 我 国 自 己 研 制 生 产 的 。 1948年 由 美 国 制 造 的 口 径 5.08米 的 反 射望 远 镜 ， 安 装 在 帕 洛 玛 天 文 台 （ 位 于 智 利 ） ，曾 居 世 界 领 先 地 位 。 第 3章 光 学 仪 器 的 基 本 原 理 26 哈 勃 空 间 望 远 镜 （ Hubble Space Telescope） 1990年 4月 24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 。哈 勃 空 间 望 远 镜 是 由 美 国 国 家 航 空 与 航 天 局

19、（ NASA） 和 欧 洲 空 间 局 （ ESRO） 联 合 研 制 的 ，其 主 体 为 长 13米 、 直 径 4.3米 的 圆 筒 ， 望 远 镜 主 镜 口径 2.4米 ， 总 重 量 为 12.5吨 ， 研 制 历 时 13年 ， 耗 资 21亿 美 元 ， 由 发 现 号 航 天 飞 机 带 到 了 高 度 为 600公 里 的空 间 轨 道 ， 实 现 了 天 文 学 家 从 大 气 层 以 外 空 间 观 测天 体 的 愿 望 。 第 3章 光 学 仪 器 的 基 本 原 理 27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

20、 远 镜 第 3章 光 学 仪 器 的 基 本 原 理 28 No discussion of telescopes would be complete without a few pretty pictures.NGC 6543-Cats Eye Nebula-one of the most complex planetary nebulae ever seenGalaxy Messier 81Uranus is surrounded by its four major rings and by 10 of its 17 known satellites 星 云天 王 星 第 3章 光 学

21、仪 器 的 基 本 原 理 29 (1) 照 相 机 （ 电 影 摄 影 机 、 电 视 摄 象 机 ） 结 构 组 成 ： 图 2.7-1 照 相 机 结 构 P1QP1P2 QP2物 镜暗 箱 底片架v 照 相 物 镜v 暗 箱v 底 片 架照 相 物 镜 ： 由 几 个 单 透 镜 或 复 合 透 镜 组 成 ， 以 消 除 单 色 像 差 和 色 差 。 大 部分 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 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

22、范 围 大 小 的 一 个矩形边框 第 3章 光 学 仪 器 的 基 本 原 理 30图 2.7-2 典 型 的 单 反 镜 头 照 相 机 快 门 速 度 单 反 镜变 焦 范 围调 焦 范 围光圈数 UV镜 五 脊 棱 镜取 景 窗 第 3章 光 学 仪 器 的 基 本 原 理 31 照 相 机 的 结 构 特 点 ： 物 体 相 距 较 远 ， 入 射 孔 径 角 u0一 般 很 小 ， 物 、 像 方 均位 于 空 气 中 （ n=n1） ， 且 物 距 、 像 距 满 足 ：ffsfs , 放 大 本 领 2 光 学 成 像 的 几 何 学 原 理2.7 几 何 光 学 仪 器 原

23、理 2.7.1 成 像 仪 器 图 2.7-3 照 相 机 的 入 射 孔 径 角-xDQ F DDD/2x u0 xD ： 入 射 光 瞳 DD到 物 方 焦 点 F的 距 离 ； VD ： 入 射 光 瞳 的 横 向 放 大 率 。 集 光 本 领 像面照度 s fV s s 2 20 0 0 02 2 k B nu k BuE V V 0 121 12 2D D DDDu x x x VVD x Df f f f V V 220 4 D DVDE kB f V V 第 3章 光 学 仪 器 的 基 本 原 理 32 照 相 物 镜 的 相 对 孔 径 ： 入 射 光 瞳 直 径 D与 物

24、 方 焦 距 f的 比 值 D/f 。结 论 ：相对孔径大小与照相物镜的光圈（孔径光阑）直径大小成正比，与物镜焦距成反比。 对 于给定焦距的物镜，其光圈孔径越大，像面照度越大。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 ， |V|1， 上 式 可 简 化 为 (2.7-6)物 体 相 距 较 远 时 ， 照 相 物 镜 的像面照度正比于其相对孔径的平方，而 与 物 体 的 位 置 及 横 向 放 大 率 无 关 。 给 定 物 体 和 照 相 物 镜 时 ， 参 数 kB0唯一 确 定 。改变照相物镜像面照度的有效途径是改

25、变其相对孔径的大小。 20 4 DE kB f 第 3章 光 学 仪 器 的 基 本 原 理 33 光 圈 数 ： 相 对 孔 径 的倒数， 即 f/D。 所 谓 光 圈 数 为 5.6或 F5.6， f/5.6， 即 表 示相 对 孔 径 为 1:5.6。光圈数越大，表明相对孔径越小，允许透过物镜的光通量越小，因而像面照度越小。 快 门 速 度 ： 曝 光 时 间 的倒数 。 由 于 像 面 照 度 正 比 于 相 对 孔 径 的 平 方 ， 故光圈数减小21/2倍，像面照度将增大1倍，所需曝光时间将减小一半（快门速度增大1倍）。 照 相 机 物 镜 上 刻 度 数 字 的 含 义 ： 数

26、字 ： 1、 1.4、 2、 2.8、 4、 5.6、 8、 光圈数 数 字 ： 1、 2、 4、 8、 16(15)、 32(30)、 64(60)、 125、 250、 快门速度 意义：相邻两档光圈数的比值等于2 1/2，而相邻两档快门速度的比值为2，或快门时间的比值为1/2。 2 光 学 成 像 的 几 何 学 原 理2.7 几 何 光 学 仪 器 原 理 2.7.1 成 像 仪 器 光 圈 数 与 快 门 速 度 第 3章 光 学 仪 器 的 基 本 原 理 34 光 圈 与 景 深 的 关 系 光 圈 的 大 小 控 制 着 成 像 光 束 的 入 射 及 出 射 孔 径 角 的 大

27、 小 。孔径角越小，系统的轴向放大率越小，因而物空间成像的纵向范围越大，即景深越大。 此 外 ， 景 深 的 大 小 还 与 被 摄 物 的 相 对 位 置 有 关 ， 物 的 位 置 越 远 ，则 景 深 越 大 。 注 意 ： 物 距 较 小 、 横 向 放 大 率 较 大 时 ， 如 V=-1， 则 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的像面照度，因而需要较长的快门时间。 220 1 4 1 1/ DDE kB f V 第 3章 光 学 仪 器 的 基 本 原 理 35 结 构 组 成 ： 照 明 光 源 、 聚 光 器 和 放 大 物

28、 镜 结 构 特 点 ： 倒 置 的 照 相 机 ， sf ， V-s/f =-s/f 图 2.7-4 放 大 机 结 构反 光 镜 聚 光 器光 源 物 镜P2 P1P2P1 Q 投影屏 (2) 放 大 机 （ 幻 灯 机 、 投 影 仪 、 电 影 放 映 机 ） 第 3章 光 学 仪 器 的 基 本 原 理 36 第 4章 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 第 3章 光 学 仪 器 的 基 本 原 理 37 第 4章 光 的 电 磁 理 论n 教 学 要 求 :n 了 解 光 的 电 磁 理 论 、 电 磁

29、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 ； 第 3章 光 学 仪 器 的 基 本 原 理 38 第 4章 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

30、 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 ； 第 3章 光 学 仪 器 的 基 本 原 理 39 第 4章 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 。 第 3章 光 学 仪 器 的 基 本 原 理 40 第 4章 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