第三章.光学仪器的基本原理
光学仪器中的透镜组合与成像原理
光学仪器中的透镜组合与成像原理光学仪器是利用光学原理制造的工具，广泛应用于医学、天文学、企业测量、人机交互等领域。
在这些光学仪器中，透镜组合起着至关重要的作用，它们能够根据不同的需求实现对光的聚焦、分离、放大等功能。
本文将探讨透镜组合与成像原理。
1. 透镜的基本知识透镜是一种光学元件，具有曲面。
根据透镜的形状，可以分为凸透镜和凹透镜。
凸透镜是中间较薄，两边较厚；而凹透镜则是中间较厚，两边较薄。
透镜可以实现光的折射，使光线的传播发生弯曲。
对于凸透镜而言，当光线从凸透镜的一侧射入时，会发生向透镜中心的弯曲；而凹透镜则会将光线向远离透镜中心的一侧进行弯曲。
2. 透镜组合的原理透镜组合是由多个透镜组成的光学系统。
透镜组合的设置是为了实现特定的光学功能，比如放大、聚焦等。
透镜组合可分为串联和并联两种形式。
串联是指将透镜放在同一光路中，光线依次通过每个透镜。
而并联则是指将多个透镜并列放置，光线可以选择通过其中一个透镜。
串联透镜组合的原理是利用每个透镜的折射作用，使得光线按照特定方向进行聚焦。
具体来说，对于两个凸透镜而言，将它们按一定的间距摆放好，当光线从第一个透镜射入时，会被第一个透镜聚焦，并成为第二个透镜的入射光。
第二个透镜再次将光线聚焦，从而获得更强的放大效果。
并联透镜组合的原理是利用不同透镜的特性来实现特定的光学功能。
例如，在显微镜中，使用并联透镜来放大样本。
通过将多个透镜并联放置，可以逐级放大样本图像，使其更清晰，细节更加可见。
3. 透镜组合与成像原理透镜组合在成像中起着至关重要的作用。
透镜组合的不同布局可以改变光线的聚焦和分离，从而实现对图像的成像和观察。
例如，在望远镜中，通过凸透镜和凹透镜的组合，可以将远处的物体聚焦到一个点上。
望远镜的工作原理是利用凸透镜将光线聚焦，然后使用凹透镜将光线进行分离，形成清晰的放大图像。
类似地，在放大镜中使用透镜组合将光线聚焦，使得观察者能够看到更放大的图像。
放大镜的原理是将物体放置在透镜的远焦点处，使物体重新成像，从而放大图像。
《光学》PPT课件
•沈括（1031～1095年）所著《梦溪笔谈》中，论述了凹面镜、 凸面镜成像的规律，指出测定凹面镜焦距的原理、虹的成因。 培根（1214～1294年）提出用透镜校正视力和用透镜组成望 远镜的可能性。 阿玛蒂（1299年）发明了眼镜。 波特（1535～1561年）研究了成像暗箱。
沈括（1031～1095年） 培根（1214～1294年）
1、光的发射、传播和接收等规律 2、光和其他物质的相互作用。包括光的吸收、散射和色散。 光的机械作用和光的热、电、化学和生理作用（效应）等。 3、光的本性问题
4、光在生产和社会生活中的应用
三、研究方法
实验 ——假设 ——理论 ——实验
3
§0-2 光学发展简史
一、萌芽时期 世界光学的（知识）最早记录，一般书上说是古希腊欧
5
• 克莱门德（公元50年）和托勒玫（公元90～168年）研 究了光的折射现象，最先测定了光通过两种介质分界面 时的入射角和折射角。
• 罗马的塞涅卡（公元前3～公元65年）指出充满水的玻璃 泡具有放大性能。
• 阿拉伯的马斯拉来、埃及的阿尔哈金（公元965～1038 年）认为光线来自被观察的物体，而光是以球面波的形 式从光源发出的，反射线与入射线共面且入射面垂直于 界面。
几里德关于“人为什么能看见物体”的回答，但应归中国的 墨翟。从时间上看，墨翟（公元前468～376年），欧几里德 （公元前330～275年），差一百多年。
墨翟（公元前468～376年）
4
• 从内容上看，墨经中有八条关于光学方面的（钱临照， 物理通极，一卷三期，1951）第一条，叙述了影的定 义与生成；第二条说明光与影的关系；第三条，畅言 光的直线传播，并用针孔成像来说明；第四条，说明 光有反射性能；第五条，论光和光源的关系而定影的 大小；第六、七、八条，分别叙述了平面镜、凹球面 镜和凸球面镜中物和像的关系。欧几里德在《光学》 中，研究了平面镜成像问题，指出反射角等于入射角 的反射定律，但也同时反映了对光的错误认识——从 人眼向被看见的物体伸展着某种触须似的东西。
《光学》全套课件
Δ
=2en2
(
1 cosγ
sin2 γ) +λ cosγ 2
Δ
=
2en2
c
os
γ
+
λ 2
Δ =2e n22
n12
sin2 i +λ 2
干涉条件
2e
n22
n12
sin2
i
2
k
k 1,2, 加强（明）
( 2k 1 ) 2 k 0,1,2, 减弱（暗）
额外程差的确定 不论入射光的的入射角如何
M1
x
S1S2 平行于 WW '
d
S1
S2
C M2
o
W'
d <<D
D
屏幕上O点在两个虚光源连线的垂直平分线上，屏幕 上明暗条纹中心对O点的偏离 x为:
x =kλ D d
x = 2k +1 λ D 2d
明条纹中心的位置 暗条纹中心的位置
k =0,±1,±2L
2 洛埃镜
E
S1
d
S2
光栏
E
p
p'
Q'
M
L
橙 630nm~590nm 黄 590nm~570nm 绿 570nm~500nm
折射率
n=c = u
εrμr
青 500nm~460nm 蓝 460nm~430nm 紫 430nm~400nm
u = c ,λ = λ0 nn
§1-2 光源 光的相干性
一、光源
1.光源的发光机理 光源的最基本发光单元是分子、原子
§1-3 光程与光程差
干涉现象决定于两束相干光的位相差 两束相干光通过不同的介质时, 位相差不能单纯由几何路程差决定。
光学仪器的基本原理教学
光学仪器的基本原理教学光学仪器是一类广泛应用于光学实验和研究中的仪器设备，包括光学显微镜、光谱仪、干涉仪、激光仪等。
这些仪器的工作原理涉及光的传播、反射、折射、干涉等基本原理。
下面将分别介绍几种常见光学仪器的基本原理。
1.光学显微镜光学显微镜是一种基于光的成像原理实现对样品的观察和分析的仪器。
它包括物镜和目镜两个光学部件。
物镜负责放大样品的像，目镜负责将放大后的像再放大一次供观察者观察。
光学显微镜的基本原理是利用物镜收集的透过样品的光线，通过放大形成透射或反射样品的像。
物镜由一个或多个透镜组成，其中至少有一个透镜靠近样品。
物镜的工作距离决定了样品与物镜之间的距离。
在使用光学显微镜时，样品放置在物镜的焦点处，使得物镜成像距焦点最近。
光线通过样品后被物镜聚焦，形成实物像。
然后通过目镜观察这个实物像，再经过进一步放大，形成最终观察者所看到的虚拟像。
2.光谱仪光谱仪是一种用来分析和测量光的频率、波长和强度分布的仪器。
它是基于光的色散原理工作的，将光按波长分解成不同的光谱线。
光谱仪的基本原理是将出射光经过准直系统后，通过光栅、光晶体或玻璃棱镜将光分散成不同波长的光谱线，然后使用光电探测器测量不同波长的光的强度。
其中光栅是最常用的色散元件。
当入射平行光线通过光栅时，不同波长的光线会在光栅上发生衍射，形成交叉的光束。
测量仪器通过调整光栅的角度，可以使不同波长的光落在特定位置上，然后通过光电二极管等探测器测量光的强度，进而获取光的光谱信息。
3.干涉仪干涉仪是一种用来测量光路差和波长差的仪器。
它是基于干涉现象实现的，利用光的叠加作用实现干涉现象。
常见的干涉仪有马赫-曾德尔干涉仪和弗朗索瓦干涉仪。
它们的基本原理类似，在光路中引入一个光学路径差，使得途径不同路径的光线发生干涉，产生干涉条纹。
马赫-曾德尔干涉仪是通过将光源分成两束，经过不同路径后再重新叠加，观察干涉条纹来测量光程差的变化。
弗朗索瓦干涉仪则是利用分束器和反射镜使一束光经过不同路径后再次叠加，通过干涉条纹测量光波的相位差。
全智能光学仪器原理
全智能光学仪器原理
全智能光学仪器原理是通过激光束穿过待测物体，利用光学原理进行测量和分析的一种仪器。
该仪器利用光的传播速度较快的特点，能够快速、精确地获取待测物体的相关信息。
以下是全智能光学仪器的工作原理和主要应用介绍。
全智能光学仪器的工作原理主要包括激光发射、光束传输、物体测量和数据处理等几个步骤。
首先，激光器发射出一束单色、单向、高亮度的激光束，该激光束穿过光学传输系统，经过透镜的聚焦使其能量集中在一个小的点上。
然后，激光束照射到待测物体上，根据物体对激光束的散射、折射等现象，测量出物体的形貌、轮廓、表面粗糙度等参数。
最后，通过光电探测器将激光束的反射信号转化为电信号，并经过数据处理与分析，得到最终的测量结果。
全智能光学仪器具有广泛的应用领域。
例如在制造业中，它可以用于测量和检测物体的尺寸、形状、形态等；在医学领域，可以用于眼科、牙科等领域的测量和检查；在地质勘探中，可以用于获取地下岩石和矿物的信息等。
此外，全智能光学仪器还可以应用于科学研究、环境保护、安防等领域，发挥着重要的作用。
总之，全智能光学仪器通过激光束的传播和物体的光学反射等现象，实现了对待测物体的快速、精确测量。
其工作原理简单明了，应用领域广泛，可以有效地满足不同领域的测量需求。
光学教程-总结
s in 1
0.61
R
1.22
D
艾里斑的线半径为： l 1.22 f
D
第二章 光的衍射
任何具有空间周期性的衍射屏都可以叫衍射光栅。
I
p
Ap2
s in 2 u2
u
sin2 N(d sin
sin2(d sin )
)
I0
s in 2 u2
u
sin2 Nv sin2 v
第二章 光的衍射
光栅衍射的强度分布 I / I0
B
r s
第三章 几何光学基本原理
近轴光线条件下球面反射的物像公式
1 1 2 s s r
对于r一定的球面，只有一个s
P
和给定的s对应，此时存在确定的像点。
这个像点是一个理想的像点，称为高
斯像点。s称为物距， 称s为 像距
1 1 1 s s f
C P O
这个联系物距和像距的公式称为球面反射物像公式。
人眼的分辨本领是描述人眼刚刚能区分非常靠近的两个物点的能 力的物理量。
瞳孔的分辨极限角为
U0
0.610
R
0.610
555 10 7 cm 0.1cm
3.4 10 4 rad
1
望远镜物镜的分辨极限常以物镜焦平面上刚刚能够分辨开的两个 象点之间的直线距离来表示，这极限值为
y
f 1
1.220
d
/ f
显微镜是用以观察在其物镜第一焦点附近（靠外）的物体的光学
系统。物体经物镜折射后在中间像面上所产生的艾里斑与平行光束 衍射时有几乎同样大小的角半径。
y 0.610
n sin u
第四章 光学仪器的基本原理
八年级物理第三章透镜笔记整理
正常人的远点在无限远处，近点大约在10cm处。
C:正常眼睛观察近处物体最清晰而又不容易疲劳的距离，大约是25cm,，称为明视距离。
5、眼镜的读数：
眼镜的度数=（1/f）X100（焦距的单位一定要用“米”）远
视眼镜的度数用正数来表示，近视眼镜的度数用负数来表示。
注意：A:物镜相当于照相机，第一次成倒立、缩小的实像；
B:目镜相当于放大镜，第二次成正立、放大的虚像。
6、视角：（1）定义：视角，也叫角度，是指观察事物的着眼点。
（2）作用：视角越大，物体在视网膜上成像越大，人就看得越清晰。
（3）影响因素：物体本身的大小、物体到人眼的距离。
（4）显微镜和望远镜就是两种通过增大视角来观察物体的光学仪器。
距离减小，同时使屏幕与透镜间距离远一些。
3、放大镜：（1）放大镜就是一个短焦距的凸透镜。
（2）原理：u<f，成正立、放大的虚像，像与物同侧。
（3）放大镜的作用：可以将较小的眼镜不能辨清的物体“放大”。
注意：A:当把凸透镜靠近物体时，若看见的像是正立、放大的虚像，
则此时u<f。
B;拿凸透镜看远处的物体时，看见的像是倒立、缩小的实像，
第三章：透镜笔记整理
必背部分：
一：透镜
1、透镜的性质：透镜是根据光的折射规律制成的。透镜是由透明物质（如玻璃、水晶等）制成的一种光学元件。透镜是折射镜，其折射面是两个球面（球面一部分），或一个球面（球面一部分）一个平面的透明体。它所成的像有实像也有虚像。
2、分类：凸透镜：中间厚，边缘薄，有双凸、平凸、凹凸三种；
这时候相当于照相机成像。
4、显微镜：（1）结构：物镜、目镜、反光镜、载物片；
常见的光学仪器知识点归纳
常见的光学仪器知识点归纳光学仪器是利用光学原理和技术制造的用于观测、测量和分析光学现象和光学性质的工具。
常见的光学仪器有显微镜、望远镜、光谱仪、激光器等。
以下是常见的光学仪器知识点的归纳：1.显微镜：-组成结构：显微镜主要由物镜、目镜、光源和调焦系统等组成。
-工作原理：通过物镜放大物体的细节，再通过目镜观察放大后的像。
光源提供照明。
-数字显微镜：具备数字图像处理系统，可以将观察到的图像数字化和存储。
-应用领域：生物学、医学、材料科学等。
2.望远镜：-类型：天文望远镜、光学显微镜、光学望远镜等。
-分类：可分为折射望远镜和反射望远镜两种。
-折射望远镜：利用透镜集中光线，放大远处的物体，适合观察地面、天体等。
-反射望远镜：通过凹面镜将光线聚焦，适合观测天体等。
3.光谱仪：-基本原理：将光分解成一系列不同波长的分光线，再通过检测器接收光信号，用于分析物质组成和性质。
-分类：可分为离散光谱仪、连续光谱仪等。
-离散光谱仪：采用棱镜或光栅将光分散成不同波长的成分。
-连续光谱仪：利用干涉或衍射原理将光分解成连续的波长范围。
4.激光器：-基本原理：通过光放大器将光增强至激光状态，再通过光学谐振腔产生锐利的单色、单向和相干的激光。
-分类：可分为气体激光器、固体激光器、半导体激光器等。
-气体激光器：利用气体的激发态转变为基态释放能量产生激光。
-固体激光器：利用固体材料中的激发态原子（离子）释放能量产生激光。
5.干涉仪：-类型：干涉仪主要有薄膜干涉仪、迈克尔逊干涉仪、马赫-曾德尔干涉仪等。
-原理：利用光的干涉现象测量光的相位差或物体形状等。
-应用领域：干涉仪广泛应用于光学表面检测、薄膜厚度测量、干涉测量等领域。
以上只是对光学仪器知识的简单归纳，实际上，光学仪器领域还涉及到很多专业的知识，如光学设计、光学制造、光学检测等。
光学仪器的发展和创新在科学、医学和工业领域发挥重要作用，为人们提供了更好的观察、测量和分析手段。
光学仪器的结构与成像原理
光学仪器的结构与成像原理一、光学仪器的基本结构1.透镜：透镜是光学仪器中最基本的元件，分为凸透镜和凹透镜，其作用是对光线进行聚焦或发散。
2.镜筒：镜筒是连接物镜和目镜的部分，起到支持和固定的作用。
3.物镜：物镜位于光学仪器的近端，负责收集来自被观察物体的光线，并形成实像。
4.目镜：目镜位于光学仪器的远端，用于观察物镜形成的实像，并将其放大。
5.支架：支架是用于支撑整个光学仪器的结构，保证仪器的稳定。
6.调节装置：调节装置包括焦距调节、放大倍数调节等，用于调整光学仪器的成像效果。
二、成像原理1.光的传播：光在真空中的传播速度为常数，约为3×10^8m/s。
在介质中传播时，光的速度会发生变化。
2.透镜成像：凸透镜会将平行光线聚焦于一点，形成实像；凹透镜则会将平行光线发散，形成虚像。
3.物镜成像：物镜收集来自被观察物体的光线，形成实像。
实像的大小、位置和方向取决于物体的位置、物镜的焦距等因素。
4.目镜成像：目镜对物镜形成的实像进行放大，形成虚像。
虚像的大小、位置和方向取决于目镜的焦距等因素。
5.成像公式：光学仪器成像的计算公式，如薄透镜公式、厚透镜公式等，用于计算物镜和目镜的焦距、物距、像距等参数。
6.放大倍数：光学仪器的放大倍数等于物镜和目镜的放大倍数的乘积。
放大倍数越大，观察到的物体越放大，但视场越小。
7.像的性质：光学仪器成像时，像的性质包括大小、形状、位置、方向等，这些性质可以通过成像公式进行计算。
三、常见光学仪器及其应用1.显微镜：显微镜是一种用于观察微小物体的光学仪器，广泛应用于生物学、医学等领域。
2.望远镜：望远镜是一种用于观察远处物体的光学仪器，广泛应用于天文观测、军事、航海等领域。
3.照相机：照相机是一种用于捕捉光学图像的仪器，广泛应用于摄影、电影、广告等领域。
4.投影仪：投影仪是一种将图像投射到屏幕上的光学仪器，广泛应用于教育、商务等领域。
5.眼镜：眼镜是一种用于矫正视力的光学仪器，根据个人视力需求，使用不同度数的透镜进行矫正。
[理学]《光学教程》姚启钧第三章几何光学的基本原理
![[理学]《光学教程》姚启钧第三章几何光学的基本原理](https://img.taocdn.com/s3/m/0d8df0f1b14e852458fb5780.png)
光学纤维:中央折射率 大,表层折射率小的透 明细玻璃丝.
光进入光学纤维后,多次 在内壁上发生全内反射, 光从纤维的一端传向另 一端.
n
n
r
a 阶跃型光纤 b
r
梯度型光纤
阶跃型多模光纤
梯度型多模光纤
2 i
阶跃光学纤维的端面
n0
B A
n2
n2 n1
i
i
n1
n2
2 n12 n2 )
2、焦点与焦距
F 和物方焦距 f 物方焦点
F
F
f
f
将s f，s 代入(3)式，可得
f
透
n1
（5）
薄透镜物像距公式
n2 n1 n n1 n2 n 透 （3） s s r r2 1 F 和像方焦距 f 像方焦点
F
F
f
f
将s ，s f
代入(3)式，可得
f
透
f n 2 0 f n1
n2
（6）
由（ 5）、（ 6）式可知：
结论：物方焦点和像方焦点肯定在透镜的两侧。
三、高斯公式
将焦距公式（5）、（6）代入物像距公式（3）中，可得
高斯公式：
f f 1 s s
o
f
f
F
（7）
P
F
P
s
s
1 1 1 当n1 n2时，有 s s f
错：
（8）
f f 1 s s
1 1 1 s s f
四、垂轴放大率
Q
y P
①
三棱镜
三棱镜两折射面的夹角称三棱镜顶角A。 出射光与入射光之间的夹角称棱镜的偏向角。
典型光学仪器的基本原理
光学仪器在国民生产和生活中各个领域广泛应用，绝大多数光学仪器可归纳为望远镜系统、显微镜系统和照明系统三类。
人眼构造：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25mm，由角膜、瞳孔、房水、睫状体、晶状体和玻璃体等组成的屈光系统相当于成像系统的镜头，起聚焦成像作用。
眼睛内的视网膜和大脑的使神经中枢等相当于成像系统的感光底片和控制系统，能够接收外界信号并成像。
视度调节：眼睛通过睫状肌的伸缩本能地改变水晶体光焦度的大小以实现对任意距离的物体自动调焦的过程称作眼睛的视度调节。
视觉调节：人眼除了随着物体距离的改变而调节晶状体曲率外，还可以在不同的明暗条件下工作，人眼能感受非常大范围的光亮度变化，即眼睛对不同的亮度条件下具有适应的调节能力，这种能力称为眼睛的视觉调节。
放大镜定义：放大镜(英文名称：magnifier)：用来观察物体细节的简单目视光学器件，是焦距比眼的明视距离小得多的会聚透镜。
物体在人眼视网膜上所成像的大小正比于物对眼所张的角（视角）。
视角愈大，像也愈大，愈能分辨物的细节。
移近物体可增大视角，但受到眼睛调焦能力的限制。
使用放大镜，令其紧靠眼睛，并把物放在它的焦点以内，成一正立虚像。
放大镜的作用是放大视角。
显微镜：显微镜是由一个透镜或几个透镜的组合构成的一种光学仪器，是人类进入原子时代的标志。
主要用于放大微小物体成为人的肉眼所能看到的仪器。
显微镜分光学显微镜和电子显微镜：光学显微镜是在1590年由荷兰的詹森父子所首创。
现在的光学显微镜可把物体放大1600倍，分辨的最小极限达0.1微米，国内显微镜机械筒长度一般是160mm。
光学显微镜由目镜，物镜，粗准焦螺旋，细准焦螺旋，压片夹，通光孔，遮光器，转换器，反光镜，载物台，镜臂，镜筒，镜座，聚光器，光阑组成。
显微镜以显微原理进行分类可分为光学显微镜与电子显微镜。
10、光学显微镜：通常皆由光学部分、照明部分和机械部分组成。
无疑光学部分是最为关键的，它由目镜和物镜组成。
光学仪器的基本原理
光学仪器的基本原理光学仪器是利用光的特性，用于观测、测量或改变光的干涉、衍射、偏振等现象的装置。
它们被广泛应用于各个领域，包括物理学、天文学、生物学、化学等。
1.透镜的光学原理透镜是光学仪器中最基本的元件之一、透镜能够使光线发生折射，根据透镜的形状和焦距的不同，可以使光线汇聚或发散。
根据透镜的光学原理，我们可以利用透镜来实现放大、准直、聚焦等功能。
2.干涉仪的干涉原理干涉是指两束或多束光线相遇时相互干涉产生的干涉条纹现象。
常见的干涉仪有迈克尔逊干涉仪和杨氏干涉仪。
利用干涉原理，我们可以测量光的波长、折射率、薄膜的厚度等。
3.衍射仪的衍射原理衍射是光线通过一个孔或者绕过物体边缘时发生的弯曲现象。
常见的衍射仪有单缝衍射、双缝衍射、光栅衍射等。
衍射原理常用于测量光的波长、观察微小物体等。
4.偏振仪的偏振原理偏振是指光的振动方向被限制在特定方向上的现象。
偏振仪可以将不偏振的光转换为偏振光。
根据偏振原理，我们可以测量光的偏振方向、分析物质的性质等。
5.光谱仪的光谱原理光谱是指光线在经过其中一种介质后按照波长进行分散的现象。
光谱仪可以将不同波长的光线分离开来，常见的光谱仪有光栅光谱仪、光电倍增管光谱仪等。
利用光谱原理，我们可以确定光的波长、分析物质的组成等。
除了以上基本原理外，光学仪器还可以利用偏振、散射、吸收等现象来实现不同的功能。
例如，偏振显微镜可以观察材料的晶体结构；拉曼光谱仪可以通过光散射现象分析物质的化学成分。
总之，光学仪器利用光的特性和现象来实现观测、测量和实验的目的。
不同类型的光学仪器基于不同的原理，能够满足不同领域的需求。
通过深入理解光学仪器的基本原理，我们可以更好地设计、操作和应用光学仪器。
物理学概念知识：光学成像和光学仪器
物理学概念知识：光学成像和光学仪器光学成像和光学仪器是现代物理学中非常重要的一部分。
它们被广泛应用于医学、通讯、半导体制造、天文学等领域。
本文主要介绍光学成像和光学仪器的基本概念和原理。
一、光学成像光学成像是指把一个物体的图像投射到另一个物面或成像面上的过程。
光学成像可以分为两类：实物成像和虚物成像。
实物成像是指物体本身被聚焦在成像面上，成像是实物的缩小版或放大版。
虚物成像是指物体的反映或折射光线被聚集在成像面上，而实际的物体并没有被聚焦在成像面上，是一种不真实的成像。
光学成像的实现需要使用光学器件。
最常见的光学器件是透镜和凸面镜。
透镜是一个光学元件，可以使光线聚焦在焦点上。
凸面镜成像的原理是将光线反射，因此它也可以产生实物或虚物成像。
二、光学仪器光学仪器是指利用光学原理来进行测量或观察的仪器。
光学仪器包括望远镜、显微镜、光谱仪和激光器等。
下面简单介绍一下这些仪器的基本原理和应用。
1.望远镜望远镜是通过聚焦光线来观测远处物体的仪器。
望远镜包括两个透镜：目镜和物镜。
物镜将远处物体的光线聚焦在焦点上，然后目镜再将焦点放大。
望远镜的放大倍数是物镜焦距与目镜焦距之比。
望远镜广泛应用于天文学、地理学和军事等领域。
2.显微镜显微镜是一种用来放大显微图样的仪器。
显微镜的主要组成部分是镜头和光源。
镜头包括物镜和目镜，它们可以放大图案并将图案投影到眼睛或相机上。
显微镜广泛应用于医学、生物学、半导体制造业等。
3.光谱仪光谱仪是一种分析物质光谱的仪器。
光谱仪工作原理是将可见光或其他波长的光射入物质，然后通过分析物质吸收光的波长和强度来确定物质的组成和结构。
光谱仪广泛用于化学、物理学和天文学等领域。
4.激光器激光器是一种产生高强度、高单色的光线的仪器。
激光器的工作原理是通过激光介质中的光放大来产生激光。
激光器广泛应用于通信、材料处理、医学和军事等领域。
总之，光学成像和光学仪器在现代物理学中扮演着非常重要的角色。
通过光学原理来制造和使用这些仪器，不仅可以获得高分辨率的成像效果，还可以进行高精度的物质成分分析和材料处理等应用。
第三章普通光学显微镜的原理与使用
(1)消色差物镜
色差校正使可见光中红光和蓝光聚焦于一 点，而黄绿光则聚焦于另一点。能够消除光谱 中红光和蓝光所形成的色差。这种物镜与目镜 配用时可达到消色差物镜所要求的光学性能。
(2)复消色差物镜
能消除可视光中黄、红、蓝即包括几乎所 有谱线在成像过程中所造成的色差，是性能最 高的物镜。
要知道的几个重要的分辨率
人眼：0.2mm 光学显微镜：0.2um 电子显微镜：0.2nm
1.显微镜的发展
1.1 人眼：人眼观察物体的能力是有限的。 一般的情况下，在25cm的明视距离内， 人眼只能分辨相距0.1-0.2mm的两个物体。 也就是说，当两个物体相距不到0.1mm的 时候，人眼就会把它们看成是一个物体 了。这个极限便称为人眼的分辨本领。
1.2 放大镜：约在四百年前眼镜片工匠们开始磨制 放大镜。当时的放大镜的放大倍数只有3—5x
1.3 显微镜：
1590年，荷兰和意大利的眼镜制造者造出类似显 微镜的放大仪器。
1673～1677年期间，列文胡克制成单组元放大镜 式的高倍显微镜
19世纪70年代，德国人阿贝奠定了显微镜成像的 古典理论基础。
像散：由于发光物点不在光学系统的光轴上，它所发出
的光束与光轴有一倾斜角。该光束经透镜折射后，光束不 能聚焦于一点，成像不清晰，故产生像散。
子午 焦线
明晰 弧矢 圆 焦线
3.7焦点深度
在显微镜的光轴上有一段距离范围内 物体被看得清晰。超出这段距离的物体 就模糊不清。这段距离位于显微镜焦点 的上下很小的范围之内。这段距离的上 下限叫焦点深度。
D=0.61λ/ nsin
D：分辨率 λ:光波的波长 n:介质折射率 α:物镜镜口角
《第三章几何光学》教案
第3章几何光学的基本原理§3.1几何光学基本实验定律一、教学目的1、回顾几何光学三个实验定律。
2、熟练利用三定律解决光的直线传播、反射、折射问题。
二、学时分配：0.5学时三、教学重点：几何光学三个实验定律四、教学难点：无五、教学方法与手段：讲授，多媒体演示相结合。
六、教学思路1、课程引入“隔墙有耳”这个成语告诉我们，不要随便说别人的坏话，小心被墙那边的人偷偷听去。
为什么屋里说话，屋外的人可以听到呢？原因是因为声波的波长长（波长=波速/频率波速一般是340米/秒；人耳听到的声音的频率是20HZ--20KHZ所以得出人耳听到的声音的波长：0.017--17米），很容易绕过障碍物继续向前传播，也就是说容易发生衍射。
发生衍射是有条件的？波长和障碍物差不多或比波长小。
相应的，对光波而言，可见光的波长是380～760nm，这个量级和门缝相比太小了，所以不会发生衍射，只能沿着直线传播了，所以说，在大部分情况下，我们都会觉得光是沿直线传播的，只有在遇到埃量级的障碍物时，才会像声音那样发生衍射。
那么，从今天开始，我们重点来研究这大部分情况，光沿直线传播的情况。
以光的直线传播为基础，用几何方法来近似描述光的传播行为的学科，叫几何光学。
2、几何光学基本实验定律几何光学是在以下三个实验定律为基础建立起来的。
（1）光的直线传播定律；幻灯演示：隔墙有耳声音（0.017--17米）容易发生衍射衍射条件：波长和障碍物差不多或比波长小。
光（可见光380～760nm ）不易发生衍射，常表现为沿直线传播。
第3章 几何光学的基本原理 §3.1几何光学基本实验定律（2）光的反射定律和折射定律； （3）光的独立传播定律和光路可逆原理。
以下我们来分别给大家介绍这三条实验定律： （1）光的直线传播定律：光在均匀介质中沿直线传播应当注意，光只有在均匀介质中沿直线传播，如果是非均匀介质中光线将因折射而发生弯曲。
例如海市蜃楼的形成。
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第3章 光学仪器的基本原理
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
3
第3章 光学仪器的基本原理
3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6
眼睛 放大镜 显微镜 望远镜 摄影系统 现代光学系统(自学)
第3章 光学仪器的基本原理
4
3.1 眼睛
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。 眼睛的结构
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第3章 光学仪器的基本原理
3.1 眼睛
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 1 A p r
第3章 光学仪器的基本原理
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3.1 眼睛
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。
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第3章 光学仪器的基本原理
3.4 望远系统
望远镜是用于观察远处物体的目视光学仪 器。有折射式、反射式、折反式（主要区 别在于物镜）。 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
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3.4 望远系统
望远系统的视觉放大率
第3章 光学仪器的基本原理
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3.2 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。 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。 放大镜的视角放大率 tg ' 250 y tg ( x x ) y z
h tg2 d
当物平面位于物方焦点 上时，像平面在无限远， 则满足50%渐晕的视场为
第3章 光学仪器的基本原理
500h 2y d
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3.3显微系统
显微镜用于观察近处微小物 体的视角放大仪器。 显微镜的成像原理 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。 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 光学仪器的基本原理
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望远镜： 不可选择， D R 可
▲ 世界上最大的光学望远镜： D = 8 m，建在夏威 夷山顶， 1999年建成 ▲世界上最大的射电 望远镜： D = 305 m 建在波多黎各岛的 Arecibo， 能探测射
到整个地球表面仅 10 -12W的功率.
第3章 光学仪器的基本原理
2
(2.7-6) 照相物镜的相对孔径：入射光瞳直径D与物方焦距f的比值D/f 。
结论：
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变其相对孔径的大小。
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。
第3章 光学仪器的基本原理
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3.1 眼睛
眼睛的缺陷和矫正 正常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非正常 眼，或称为视力不正常。
第3章 光学仪器的基本原理
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远点
远点
图2.7-6(b) 近视及其矫正
第3章 光学仪器的基本原理
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2 光学成像的几何学原理
2.7 几何光学仪器原理
③ 光圈数与快门速度
2.7.1 成像仪器
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
第3章 光学仪器的基本原理
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3.1 眼睛
眼睛的分辨率 眼睛能分辨最近两点的能力， 称为眼睛的分辨率。 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，为光波波长。
1.22 0 D
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。
D π E ' kB0 4 f
2
V D V VD
2
图2.7-3 照相机的入射孔径角
31 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。 第3章 光学仪器的基本原理
一般情况下，|V|<<1，上式可简化为
D π E ' kB0 4 f
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第3章 光学仪器的基本原理
3.3显微系统
显微镜的视角放大率 x 物镜放大率
f1 f1 tg ' 总放大率为 = 2 250 tg f1f 2
目镜放大率 250/ f 2
由组合焦距为
f 物镜 f目镜 f1f 2 f '
应用牛顿公式得
250 x Γ= f x－x z
第3章 光学仪器的基本原理
250 当物位于物方焦面上， f
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3.2 放大镜
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
第3章 光学仪器的基本原理
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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
第3章 光学仪器的基本原理
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No discussion of telescopes would be complete without a few pretty pictures.
Galaxy Messier 81 天王星 Uranus is surrounded by its four major rings and by 10 of its 17 known satellites
由图可得
tg D ' ' tg f目 D
' ' f物
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。
第3章 光学仪器的基本原理
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3.4 望远系统
无焦系统的特点 Nhomakorabea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。 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。
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。
第3章 光学仪器的基本原理
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3.1 眼睛
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
折射面的曲率半径 5.56 mm 像方介质的折射率 4／3＝1.333 网膜的曲率半径 9.7 mm 对应 f=-16.70mm f=22.26mm =59.88D
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
1
第3章 光学仪器的基本原理
光学仪器分类
物理光学仪器 光谱仪、干涉仪…….. 几何光学仪器 助视仪器(视角放大，如放大镜、显微镜、 望远镜等) 成像仪器（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) 分光仪器（分光计、单色仪、摄谱仪等）
① 放大本领 ② 集光本领——像面照度
D u0 Q x F -xD D D/2
kπB0 nu0 kπB0u02 E' V2 V2
2
u0
D 2 x xD
1
1 D x x 1 D VVD D 2 f f f 2 f V VD
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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。 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。 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2.16米反射望远镜， 这是我国自己研制生产的。
Q P2
底 片 架
图2.7-1 照相机结构
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范围大小的一个矩形边框 第3章 光学仪器的基本原理
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调焦范围 光 圈 数
图2.7-6(c) 远视及矫正 第3章 光学仪器的基本原理
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3.1 眼睛
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； 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。
得
250 / f
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第3章 光学仪器的基本原理
3.3 显微系统
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足如下要求： 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。 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。 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。