第四章 光学仪器的基本原理

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1、第四章光学仪器的基本原理 目的要求：通过本章的学习，使学生：1、了解人眼的结构和重要性，注意保护视力；2、掌握望远镜和显微镜的放大本领，熟悉数值孔径和相对孔径；3、理解入射光瞳、光通量、亮度和照度等概念及物镜的聚光本领；4、了解球差和色差及其矫正方法；5、掌握助视仪器的成象分辨本领和分光仪器的色分辨本领。重点：望远镜和显微镜的放大本领、助视和分光仪器的分辨本领。注意：本章与前两章有紧密的联系，它既可以与Chap.2配合出题，又可以和Chap.3配合出题，并可单独出题。且引入的新知识又很难理解，实际上是前

2、两章的综合应用，在科研、生产等实践中有重要意义。难点：光栅、光瞳及光度基本概念。色差：（折射率随波长而变）象差：（起出近轴区域）破坏了象的清晰度，但从能量方面视场广阔方面，物体不宜限于近轴范围以内。这就是说：一方面要求成象清晰，尽可能消除象差和色差。另一方面又要求象场广阔而明亮，这些常常不可兼得。如果要使象差越小，衍射就会越明显，衍射花样减小，象差又趋明显。两者又是不可分割的，这又是另一类矛盾成象清晰度与细节分辨程度的关系。为了使这些关系有一个适当的处理标准，人们就特别注意权衡光学仪器的放大本领，聚光本

3、领和分辨本领这些方面的得失。本章中对这些问题只作原理上的初步介绍。 §4.1人的眼睛一、人眼结构图4-1前房：淡盐溶液后房：玻璃液（胶性透明液体）折射率均为宏膜二、简化眼人眼是一共轴光具组，这一光具组能在视网膜上形成清晰的象。由于这一共轴光具组结构很复杂，因此在许多情况下，往往将人眼简化为只有一个折射球面的简化眼。简化眼结构的光学常数为折射面曲率半径网膜曲率半径 三、人眼的调节功能人眼的光心：简化眼的曲率中心。眼对物体的大小感觉：是以物体在视网膜上所形成的象对光心的张角大小来衡量的。为了使不同距离的物体

4、都能在网膜上形成清晰象，必须改变眼睛的焦距，人眼的调节主要借助于水晶体的作用。远点：（松驰）能看清楚的最远点。近点：（紧张）能看清楚的最近点。明视距离：适当的照明下，通常的眼观察眼前25cm处的物体不费力，而且能看清楚物体的细节。近视眼：远点在有限距离。（远点移近）远视眼：近点变远。 §4.2助视仪器放大本领一、放大本领的概念助视仪器：用以改善和扩展视觉的光学仪器。如：放大镜、显微镜、望远镜等。图4-2放大本领：即象对眼的张角与物体直接对眼的张角之比二、放大镜要明察秋毫，不但应使物体对眼有足够大的张角，

5、而且还应取合适的距离。显然对眼睛来说，这两个要求是相互制约的，若在眼睛前面配置一个凸透镜便能解决这一问题。图4-3则：若cm则：M=2.5x §4.3目镜一、目镜的作用目镜也是放大视角用的仪器。通常放大镜用来直接放大实物，而目镜则用来放大其它光具组所成的象。复杂的助视光学仪器总是包括物镜和目镜两部分。目镜通常由不相接触的两个薄透镜组成，面向物体的透镜称为场镜，接触眼睛者称为视镜。常配备一块分划板，板上包含一组叉丝或透明刻度尺，以提高测量的精度。 二、两种目镜（一）惠更斯目镜（二）冉斯登目镜 §4.4显微

6、镜的放大本领目镜的放大本领一般不超过20x，在某些应用上仍嫌太小，欲进一步提高放大本领，就要用组合的光具组构成放大镜，这种放大镜称为显微镜。最简单的显微镜是由两组透镜构在的，一组为焦距很短的物镜，另一组是目镜，通常用惠更斯目镜。 一、显微镜的光路图为简单起见，显微镜的目镜和物镜各以单独的一块会聚薄透镜来表示。在明视距离处。 图4-6二、显微镜的放大本领先计算物镜的横向放大率则：欲使物镜所成的象尽量的大，物镜的焦距必须很短。其次考虑目镜的放本领。目镜当作放大镜，将放大，在明视距离处，根据前一节讲的内容也必

7、须很短。要使最后的象尽量地大，的位置应尽量地靠近目镜物方焦平面F2。这样直线可看作与近似地互相平行。则：视角这就是显微镜所成象的视角。若不用显微镜而直接看置于明视距离处的这个物体，则视角为于是显微镜的放大本领为因为f1和f2都很短，可近似地当作光学间隔，亦可近似地当作物镜与目镜之间的距离，即镜筒之长l，于是：显微镜的放大本领亦可用下述方法导出，物镜和目镜组成的复合光具组的焦距为把整个显微镜当作一个简单的放大镜，应用，即得放大本领与上面结果几乎完全一致。理论是自洽的。 §4.5望远镜的放大本领望远镜是帮助

8、人眼对远处物体进行观察的光学仪器。观察者是以对望远镜象空间的观察代替物空间的观察。而所观察的象，实际上并不比原物大，只是相当于把远处的物体移近，增大视角，以利观察。望远镜也是由物镜和目镜组成的，物镜用反射镜的称反射式望远镜，物镜用透镜的称折射式望远镜。目镜是会聚透镜的称为开普勒望远镜，目镜是发散透镜的称为伽利略望远镜。 一、开普勒望远镜由两个会聚薄透镜分别作为物镜和目镜所构成的天文望远镜，是开普勒于1611年首先提出的。也称折射望远镜。和重