第二章光学仪器及其成像的基本原理幻灯片
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。
(光学测量技术)第2章常用光学测量仪器及基本部件
图 2.1 典型的平行光管光学原理图
第2章 用光学测量仪器及基本部件 二、 平行光管的基本结构及主要组成部分 图 2.2 所示为国内常用的 CPG — 550 型平行光管光路
结构示意图，并附有高斯目镜和可调式平面反射镜。
图 2.2 CPG — 550 型平行光管结构示意图
第2章 用光学测量仪器及基本部件
1. 物镜 物镜是平行光管中起折光作用的元件。它把自分划板上 的物点发出的发散光束变成平行光束射出，从而给出无限远 的“点”目标，即把有限远的物转化为无限远的目标。
第2章 用光学测量仪器及基本部件
根据使用要求的不同，物镜有多种形式，例如:孔径较 小，要求不太高时，使用一般的双胶合物镜;当孔径较大时， 胶合很困难，一般用双分离的形式，即两片互相分离的镜片 构成物镜;在某些应用场合，希望能调节(改变)物镜的焦距， 就要设计可调焦距物镜;对于要求较高的物镜，同时要求复 消色差，这时使用复消色差物镜;当要求大视场时，则可使 用照相物镜作为平行光管的物镜;在某些要求特大孔径、长 焦距的情况下，透射式常难于实现，就可采用反射面作为物 镜，即所谓的反射物镜。
第2章 用光学测量仪器及基本部件
1. 自准直法的调校原理 用自准直法调校平行光管，是将平行光管的分划板配上 带有分划板照明装置的目镜构成所谓自准直目镜(见 2.2 节)， 该自准直目镜和平行光管物镜就构成了自准直前置镜。将 该准直前置镜对向一个标准平面反射镜，并用分划板的分划 对反射像调焦，实现自准直，从而达到校正的目的。其原理 见图 2.4 。 调焦完毕，就认为平行光管已调校好。
自准直法有较高的精度，并且除了标准平面反射镜外， 不需要其它标准设备，而在通常的孔径下，标准平面反射镜 也是不难找到的，因此自准直法是平行光管调校中的重要方 法。
透镜成像规律应用PPT课件
讨论题
引导学生就透镜成像规律的应用 前景和发展趋势进行讨论和展望，
拓展学生的视野和思路。
THANKS.
虚像）。
透镜成像规律的应用
02
如放大镜、投影仪、照相机等光学仪器的原理和应用。
透镜成像规律的数学表达式
03
通过公式和图表等方式，深入理解透镜成像的数学模型。
学生提问及讨论环节
针对透镜成像规律的理解和应 用，学生提出自己的疑问和困 惑，老师进行解答和指导。
学生之间就透镜成像规律的应 用进行讨论和交流，分享彼此 的学习心得和体会。
老师引导学生思考如何将透镜 成像规律应用到实际生活和工 作中，提高学生的实践能力和 创新思维。
课堂小测验或思考题
小测验
针对本节课的重点内容，设计一 些选择题、填空题或简答题，检 验学生对透镜成像规律的理解和
掌握程度。
进行分 析和思考，培养学生的分析问题
能够减小像差、提高成像清晰度、增大视场角等。
3
非球面透镜的应用领域
广泛应用于摄影、显微镜、望远镜等高端光学仪 器中。
现代光学技术发展趋势
微型化、轻量化
随着科技的进步，光学系统不断向微 型化、轻量化方向发展，以满足便携 式设备的需求。
智能化、自动化
引入人工智能、机器学习等技术，实 现光学系统的智能化、自动化设计、 优化和调控。
显微镜是生物医学研究中不可或缺的工具，而透镜则是显微镜的核心元件之一。
通过使用高倍率的透镜，显微镜能够实现对细胞、组织等微小结构的放大和观测， 为生物医学研究提供了重要的技术支持。
透镜成像规律拓展知
05
识
复杂光学系统简介
复杂光学系统的构成
由多个透镜、反射镜、滤光片等光学元件组成，实现对光线的复 杂调控。
第二章光学仪器及其成像的基本原理
(3)、拍摄距离：距离越远，景深越大；距离越近， 景深越小。
景深的控制：
获取大景深的方法 A换用焦距更短的镜头，使用广角端拍摄。由于一般消费级
数码相机广角端焦距很小，在使用广角端时很容易获得大景 深的效果； B缩小光圈，尽可能使用相机上的最小光圈，额外说一句， 光圈的数值愈大，光圈愈小，如8.0的光圈小于3.5的光圈； C增大摄距，远离拍摄主体。
除了有时候利用平面镜对光线的直线传播 外（如照相机镜头的保护镜片、载物玻 片），透镜一般都是利用光的折射，所以 又称折射镜，其折射面是两个球面，或一 个球面一个平面、或两个平面。
凸透镜和凹透镜
单个具有球面的透镜一般可以分为两大类：凸透 镜和凹透镜。
凸透镜具有会聚光线的作用，所以也叫会聚透镜。 凹透镜具有发散光线的作用，所以也叫发散透镜。
F
F′
物 方 像 方
凸透镜的焦点是汇集光学聚集的实焦点，而通过
凹透镜的光线是发散的，由发散光线的反向延长 线汇集到一点为凹透镜的虚焦点。
通过焦点并垂直于光轴的平面为焦平面。
平行于光轴的光线汇集于焦点，其他平行光束汇 集于焦平面上。
焦点的简单测量方法：
3、弥散圆
在焦点前后，光线开始聚集和扩散，如果在这些 地方放上光屏，得到点的影象变成模糊的，形成 一个扩大的圆，这个圆就叫做弥散圆。
各种凸透镜和凹透镜
中央部分比边缘部分 厚的叫凸透镜，
有双凸、平凸、凹 凸三种；
中央部分比边缘部分 薄的叫凹透镜，
有双凹、平凹、凸 凹三种。
透镜组合
放大镜是最简 单的视野放大 设备，只由一 个凸透镜组成。
第二章光学仪器的基本原理
第二章光学仪器的基本原理§1 光阑透镜、反射镜和棱镜等光学元件的框架都有一定的尺寸大小。
它们必然限制成像光束的截面。
有些成像系统为了限制成像光束的截面，还特别附加有一定形状的开孔屏。
我们定义，凡是在光学系统中起拦光作用的光学元件的边框和特加的有一定形状的孔屏统称为光阑。
一、孔径光阑入射光瞳和出射光瞳在实际光学系统中，不论有多少个光阑，一般来说，其中只有一个为孔径光阑，它起着控制进入光学系统的光能量的多少、成像质量以及物空间的深度等作用，故有时也称有效光阑。
研究实际物体对光学系统的孔径光阑的问题十分复杂，很难普遍讨论。
下面仅对轴上物点分析光学系统中对成像起限制作用的孔径光阑。
图2-1中MN为薄透镜L的边缘，AB为开有圆孔的光阑。
在这一系统中，有两个光阑：透镜的框边和光阑AB。
依图2-1所示，这两个光阑中对光线起限制作用的是光阑AB，因此光阑AB是该光学系统的孔径光阑。
轴上物点的位置不同，也会影响孔径光阑，如图2-2所示的光学系统中包括透镜L和开孔屏D，它们都是光阑。
若轴上物点位于Q1点，系统中对成像光束起最大限制作用的是孔屏D。
因此，D是系统对Q1处的物点的孔径光阑。
同样是这个光学系统，若物点放在Q2处，则对成像光束起最大限制作用的是透镜L的边框，因此L是Q2物点的孔径光阑。
找到了孔径光阑，一般情况下还不能直接找出其成像光束通过光学系统的孔径角。
换句话说，给定的轴上物点对孔径光阑的张角并不是实际通过光学系统的光束的孔径角。
产生这种结果的原因是在孔径光阑前后可能还存在其它透镜，对光束起折射作用。
为此我们需要引入入射光瞳和出射光瞳两个新概念。
在图2-3中，有三个光阑：L1边框、AB孔径和L2边框。
对光线起有效控制的是AB光阑。
因此AB是孔径光阑。
A′B′是AB经前方透镜L1所成的像，显然物点Q发出的能够通过光学系统的光束，对L1的最大张角正是物点对A′B′的孔径角。
定义A′B′为入射光瞳。
同理，孔径光阑AB经后方透镜L2所成的像对像点Q′的孔径角为出射光束的最大孔径角，定义这个像A″B″为光学系统的出射光瞳。
凸透镜成像规律》课件
凸透镜成像规律》课件一、引言光学是物理学的一个重要分支，研究光的性质、产生、传播、转换和作用。
在光学领域中，凸透镜作为一种常见的光学元件，广泛应用于照相机、显微镜、望远镜等光学仪器中。
凸透镜的成像规律是光学基础中的重要内容，对于理解和应用凸透镜具有重要意义。
二、凸透镜的基本性质凸透镜是一种中央薄、边缘厚的透镜，其两侧面均为球面。
凸透镜对光线具有会聚作用，即能够将经过透镜的光线聚焦于一点。
凸透镜的会聚作用是由于光线在通过透镜时发生折射现象所引起的。
凸透镜的焦距是指从透镜中心到焦点的距离，用符号f表示。
三、凸透镜成像规律凸透镜成像规律是指光线通过凸透镜时的成像过程和成像位置。
根据物距和像距的关系，凸透镜成像可以分为三种情况：1.实像成像：当物体距离透镜的距离大于两倍的焦距时，即u>2f，光线经过透镜后会聚成实像。
实像位于透镜的对面，可以投影在光屏上。
实像的特点是倒立、缩小，且具有放大作用。
2.虚像成像：当物体距离透镜的距离小于焦距时，即u<f，光线经过透镜后呈现出发散状态，形成虚像。
虚像位于透镜的同侧，不能投影在光屏上。
虚像的特点是正立、放大，且具有缩小作用。
3.等大成像：当物体距离透镜的距离等于两倍的焦距时，即u=2f，光线经过透镜后会聚成等大的实像。
等大实像位于透镜的对面，可以投影在光屏上。
等大实像的特点是倒立、等大。
四、凸透镜成像的应用凸透镜成像规律在光学仪器中有着广泛的应用。
例如，照相机利用凸透镜的实像成像原理，将拍摄对象成倒立、缩小的实像记录在胶片或感光元件上。
显微镜利用凸透镜的虚像成像原理，将被观察物体成倒立、放大的虚像放大到眼睛可以观察到的大小。
望远镜利用凸透镜的实像成像原理，将被观测的天体成倒立、缩小的实像放大到眼睛可以观察到的大小。
五、总结凸透镜成像规律是光学基础中的重要内容，对于理解和应用凸透镜具有重要意义。
通过掌握凸透镜的基本性质和成像规律，我们可以更好地理解和应用凸透镜在各种光学仪器中的作用。
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。
光电成像原理
• 固体自扫描方式
• 固体自扫描方式的光电成像系统采用的是各种面阵固体摄像器件。 • 面阵摄像器件中的每个单元对应于景物空间的一个相应小区域， 整个面阵摄像器件对应于所观察的景物空间。 • 固体自扫描方式的特点是：面阵摄像器件对整个视场内的景物辐 射同时接收，而通过对阵列中各单元器件的信号顺像采样来实现对 景物图像的分解。
典型的红外光学系统
• 透射式红外光学系统
透射式红外光学系统也称折射式红外光学系统，它一般由及格 透镜组成。主要优点：无挡光，加工球面透镜较容易，通过光 学设计易消除各种像差。但光学系统光能损失较大，装配调整 比较困难。
• 反射式红外光学系统
由于红外辐射的波长较长，能透过它的材料很少，因 而大都采用反射式红外光学系统。 • 系统优点：对材料要求不太高、重量轻、成本低、 光能损失小、不存在色差等。 • 缺点：有中心挡光，有较大的轴外像差，难于满足 大视场大孔径成像的要求。
稳定的光学性能
红外光学系统的设计原则
• 选用的光学材料应对工作波段有良好的透过性能， 即保证有较高的光学透过率 • 光学元件在加工工艺允许的范围内，应保证接收口 径和相对孔径尽可能大，以保证红外系统能接更多的 能量有较高的灵敏度。 • 要求光学系统具有控制噪声和滤去大面积背景干扰 的性能。 • 为了增大红外系统的视场，往往在光学系统中，引 入物方扫描器和像方扫描器，以达到增大整个红外系统 的物方视场，增加探测能力。
球差
球差可以定义为焦距随孔径的偏移。在透镜中远轴光线要比近 轴光线折射得更厉害。
彗差
当透镜对一个轴外物点成像时，若在近轴像面上得到的不是一个 像点，而是彗星形的光斑，则称该透镜对给定物点成像有彗差。
像散
轴外物点成像时还出现另一种像差，这时通过透镜倾斜入射的光 束不能产生一个像点，而出现两条相隔一定距离并相互垂直的像 线。这种像差就称为斜光束的像散。形成竖直线的平面称为子午 平面，形成水平线的平面称为弧失平面
第2章 光学成像的几何学原理
(2.2-16)
傍轴光线在平面上的反射成像公式： (2.2-17)
像似深度：傍轴光线在平面上折射成像时的像距s'。
说明：平面镜是唯一能够理想成像的光学系统，而球面折射、反射以及平 面折射系统则只有在近轴近似条件下才能准确成像。
2 光学成像的几何学原理
2.2 光在单个球面上的折射与成像
2.2.4 离轴物点的傍轴光线成像
物（像）方焦距f （ f ' ） ：F （F ' ）到球面顶点O之距离
(2.2-9)
2 光学成像的几何学原理
2.2 光在单个球面上的折射与成像
说明：
2.2.3 轴上物点的傍轴光线成像
① 焦点是特殊的轴上物点和像点。因此，物
方焦距与物距、像方焦距与像距遵守相同 的符号规则。
F n
n'
O
f>0（f '>0）：F（F'）为实焦点，且位于O点
1. 物空间与像空间的基本概念 2. 光学系统理想成像的条件
2 光学成像的几何学原理
§2. 2 光在单个球面上的折射 与成像
2 光学成像的几何学原理
2.2 光在单个球面上的折射与成像
主要内容
1. 基本概念和符号规则 2. 光在单个球面上的折射，同心性的破坏
3. 轴上物点的傍轴光线成像 4. 高斯物像公式与牛顿物像公式 5. 光在单个球面上的反射成像
2 光学成像的几何学原理
2.2 光在单个球面上的折射与成像
2.2.2 光在单个球面上的折射，同心性的破坏
(1) 像距与物距的关系
M n
i h
i'
n' Q'
Q
u O
-u'
光学测量的基础知识课件
光在不同物质中传播速度一般不同，在真空中最快。
光线直线传播的应用
可应用于光学测量、定位、光学仪器等。
光学成像原理
01
02
03
成像原理
基于透镜或反射面的折射 或反射原理，将物体成像 于视网膜或探测器上。
成像公式
1/f = 1/u + 1/v，其中f 为透镜焦距，u为物距，v 为像距。
成像质量
光学测量通常采用非接触式测量方式 ，具有高精度、高分辨率、非破坏性 等优点。
光学测量特点
高精度
实时性
光学测量利用光的干涉、衍射等效应，可 以实现高精度的测量，达到纳米级甚至更 高级别的测量精度。
光学测量可以实现实时在线测量，可以在 生产过程中快速获取测量数据，及时调整 生产工艺，提高产品质量。
非接触性
环境监测
光学测量可以用于环境监测，如空气质量、水质、噪声等 环境参数的测量。
医学诊断
光学测量在医学领域也有广泛应用，如医学影像、光学显 微镜、激光治疗等。
科研领域
光学测量在科研领域也有重要应用，如物理实验、化学分 析、生物研究等。
02
光学测量基本原理
光线传播定律
光线传播方向
光线在均匀介质中沿直线传播，当通过不同介质时，会发生折射 和反射现象。
利用光谱和偏振等光学技术实现对大气污染物的监测，如 二氧化硫、氮氧化物等。
水质监测
利用光学技术实现对水体中的污染物、悬浮物、叶绿素等 物质的监测。
气象观测
利用光学技术实现对云层、风向、风速等气象参数的观测 。
光学测量在安全防范中的应用
光学防盗系统
利用红外、微波等光学技术实现 防盗报警，具有高灵敏度和高分 辨率等优势。
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。
光的成像和光学仪器的工作原理
光学仪器将更加智能化，实现 自动化、智能化的操作
光学仪器将更加小型化，便于 携带和操作
光学仪器将更加高效化，提高 工作效率和精度
光学仪器将更加环保化，减少 对环境的影响和污染
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汇报人：
工作原理：利用光学原理，将图像放大并投射到屏幕上 主要部件：光源、光学系统、屏幕 应用领域：教育、商务、家庭娱乐等 优点：画面清晰，色彩鲜艳，操作简单，易于携带
光学仪器的工作原 理
光源：提供照明，使样品可见 物镜：汇聚光线，形成样品的放大图像 目镜：进一步放大图像，便于观察 载物台：放置样品，可上下左右移动，调整样品位置 聚光器：调节光线强度，使图像更清晰 光圈：调节进光量，控制图像亮度
光的成像和光学仪器 的工作原理
汇报人：
目录
光的成像原理
光学仪器的基本类 型
光学仪器的工作原 理
光学仪器的应用和 发展
光的成像原理
光的直线传播：光在均匀 介质中沿直线传播
光的反射：光在遇到物体 表面时，会发生反射
光的折射：光在遇到不同 介质时，会发生折射
光的衍射：光在遇到狭缝 或小孔时，会发生衍射
的成像
光的干涉和衍射 在日常生活中的 应用：如彩虹、 日晕等自然现象， 以及激光、光纤
等科技产品
光学仪器的基本类 型
工作原理：利 用光学原包括物 镜、目镜、载 物台、光源等
功能：用于观 察细胞、组织、 微生物等微小
物体
分类：光学显 微镜、电子显 微镜、荧光显
微镜等
原理：利用透镜或反射镜将光线汇 聚到一点，形成清晰的像
功能：观测远处的物体，如天文观 测、军事侦察等
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光学仪器与透镜成像原理 (2)
汇报人：
目录
光学仪器概述
透镜成像原理
01
02
透镜成像的应用
03
光学仪器的发展趋势 和未来展望
04
光学仪器概述
光学仪器的基本概念
光学仪器分类：望远镜、显 微镜、投影仪、照相机等。
光学仪器定义：利用光的折射、 反射、干涉等原理来测量、观 察或成像的设备。
光学仪器应用领域：天文学、 物理学、生物学、医学、摄影
像的形成：物像位 于透镜的异侧，通 过透镜的光线会聚 成倒立的实像
像的性质：像的大 小、位置和方向与 物距、焦距有关
透镜的应用：放大 镜、照相机、投影 仪等光学仪器
透镜成像的几何光学理论
光线传播的基本定律：光在同一种均匀介质中沿直线传播，当光线从一种介质进入另一种介质时，会发生折射。
透镜的焦距：透镜对光线的会聚或发散作用可以用焦距来描述。焦距是透镜的一个基本参数，决定了透镜对光线的 折射能力。
照相机和摄像机中的的位置和焦距，可以获得清晰的图像。
照相机和摄像机的透镜通常由多个透镜组成，以便校正像差和提高成像质量。
照相机和摄像机的透镜通常具有变焦功能，可以通过改变透镜之间的距离来改变焦距，从而拍摄不同距离的景物。
照相机和摄像机的透镜通常采用镀膜技术，以提高透光率和减少光反射，从而获得更好的成像效果。
等领域。
光学仪器发展历程：从简单透 镜到现代的光学仪器，经历了
数百年的发展历程。
光学仪器的分类
折射望远镜
反射望远镜
干涉仪
光谱仪
光学仪器在科学和技术中的应用
望远镜：观测天体和研究 宇宙
显微镜：观察微观世界和 生物细胞
光学测量仪器：测量长度、 角度、距离等物理量
光学仪器与光学成像原理
光学仪器与光学成像原理光学仪器是一类应用于光学领域的仪器设备，它们通过利用光的特性实现光学成像、测量和分析等功能。
本文将介绍光学仪器的分类以及其背后的光学成像原理。
一、光学仪器的分类光学仪器可以按照其用途和功能进行分类。
以下是常见的几类光学仪器：1. 显微镜：显微镜是一种主要用于物体放大的光学仪器。
它通过透射或反射光学系统使得显微镜的使用者可以观察到微小的细节。
根据成像方式的不同，显微镜可以分为透射式显微镜、反射式显微镜和共聚焦显微镜等。
2. 望远镜：望远镜是用于观察遥远物体的光学仪器。
它利用透镜或反射镜将远处的光聚焦到目镜中，使观察者可以清晰地看到远处的目标。
望远镜广泛应用于天文学和地理学等领域。
3. 激光器：激光器是一种产生高能、高亮度、单一波长的激光光束的装置。
激光器具有狭窄的光束和高单色性，广泛应用于医学、通信、测量和材料加工等领域。
4. 光纤光谱仪：光纤光谱仪用于测量光的光谱特性。
它利用光的衍射、干涉或吸收等原理，将光信号转换为电信号进行检测和分析。
光纤光谱仪在化学分析、生命科学和环境检测等领域起着重要作用。
二、光学成像原理光学成像是光学仪器常用的功能之一。
它通过利用光线在透镜、反射镜或其他光学元件中的传播和折射规律，实现对物体的放大、缩小或变换等操作。
1. 透镜成像原理：透镜是常用的光学成像元件。
对于透镜成像来说，光线从物体上的一点射入透镜后，经过透镜的折射和聚焦作用，最终形成放大或缩小的像。
透镜成像的特点是成像质量高、畸变小。
2. 反射成像原理：反射成像利用反射镜对光线进行反射，实现物体像的形成。
反射成像常见的装置有平面镜、球面镜等。
反射成像的特点是成像畸变较小，适用于广角成像。
3. 干涉与衍射成像原理：干涉和衍射是光学波动性的表现，也可以用来实现光学成像。
通过干涉和衍射的现象，可以产生出具有特定空间分布的光场，实现各种特殊的成像需求。
三、光学仪器的应用领域光学仪器在各个领域都具有广泛的应用。
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画幅
24mm x 36m m
6cm x 9c m
4cm x 5cm
弥散圆直径
0.035mm 0.0817mm 0.146mm
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4、景深
➢ 通常，凸透镜的曲率决定了它的焦距。成像平面和透镜中心 的距离（像距）决定了能够在焦平面上清晰成像的景物的距 离（物距）。光圈的大小决定进入镜头光的多少。
➢ 只有位于物距处的景物才能在像平面上清晰成像：位于物距 之前（近处）的景物成像于像平面之后；而位于物距之后 （远处）的景物成像于像平面之前。
➢ 除了有时候利用平面镜对光线的直线传播 外（如照相机镜头的保护镜片、载物玻 片），透镜一般都是利用光的折射，所以 又称折射镜，其折射面是两个球面，或一 个球面一个平面、或两个平面。
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凸透镜和凹透镜
➢ 单个具有球面的透镜一般可以分为两大类：凸透 镜和凹透镜。
➢ 凸透镜具有会聚光线的作用，所以也叫会聚透镜。 凹透镜具有发散光线的作用，所以也叫发散透镜。
➢ 物点在主轴上时，由于对称性，任一主截面内的光线分布都 相同，故通常只研究一个主截面。
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透镜的厚度
➢ 透镜两表面在其主轴上的间隔称为透镜的厚度。 ➢ 如果透镜的厚度比起两球面的曲率半径小得多，
或者透镜的厚度对透镜的屈光度影响可以忽略不 计，这种透镜称为薄透镜。 ➢ 若透镜的厚度与球面的曲率半径相比不能忽略， 则称为厚透镜。 ➢ 理论研究以薄透镜为理想透镜来进行分析，而实 际应用中常常要考虑透镜厚度带来的影响。
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2、焦点、焦平面、
➢ 一束平行于主轴的光线入射到正透镜上，经过透镜的折射 光线将会聚到主轴上某点，然后再以锥状的扩散开来，这 个聚集所有光线的一点，就叫做焦点。
➢ 透镜的焦点有两个（根据光路可逆原理），物方焦点和像 方焦点，分用F和F′表示。从透镜中心到焦点的距离称为 镜头的焦距。物方焦点到透镜的距离称为物方焦距，用f 表示。像方焦点到透镜的距离称为像方焦距，用f′表示。
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各种凸透镜和凹透镜
中央部分比边缘部分 厚的叫凸透镜，
➢ 有双凸、平凸、凹 凸三种；
中央部分比边缘部分 薄的叫凹透镜，
➢ 有双凹、平凹、凸 凹三种。
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透镜组合
➢ 放大镜是最简 单的视野放大 设备，只由一 个凸透镜组成。
➢ 即使最简单的 普通光学显微 镜都是由多个 光学元件组成。
➢ 透镜的组合有 多种多样，可 以满足人们不 同的需要。
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焦点深度
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焦深的运用
➢ 一是使得我们的眼睛在前后一定范围内可以看清物体，便 于我们在运用显微镜时代操作；
➢ 二是在用胶卷进行显微摄影的时候，选用合适的胶卷。不 同的胶片面积都有不同的容许弥散圆直径的数值定义。一 般常用的是：例如以画面放大为5x7英寸的照片，观察距 离为25~30cm前提，35mm照相镜头的容许弥散圆，大约 是底片对角线长度的1/1000~1/1500左右。
S’
B
10
二、透镜成像的有关的概念
➢ 以显微镜物镜的成像原理为例来说明，先 介绍几个概念：主光轴、光心、焦点、焦 平面、弥散园、景深和屈光度。
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1、主光轴、光心、
➢ 透镜两球面的球心的连线称为透镜的主光轴，简称主轴，主 轴与透镜的交点称为光学中心，简称为光心。
➢ 包含主轴的任一平面，称为主截面，透镜都制成圆片形，而 以主轴为对称轴。圆片的直径称为透镜的孔径。
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其他光学元件
➢ 凸透镜和凹透镜是显微镜的主要光学元件。 除此之外，利用棱镜、平面镜和反光镜等 光学元件可以改变光路的特性，在复杂显 微镜中是必不可少的。
➢ 还有，滤光片、光栅是特殊显微镜的重要 组成元件，在暗视野显微镜中还用到挡光 板作为调节元件。
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棱镜：
出射线和入射线之间 的交角称为偏向角
作用： 改变光路-便于观察 ； 色散分光-便于得到所
F
F′
物 方 像 方
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➢ 凸透镜的焦点是汇集光学聚集的实焦点，而通过 凹透镜的光线是发散的，由发散光线的反向延长 线汇集到一点为凹透镜的虚焦点。
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➢ 通过焦点并垂直于光轴的平面为焦平面。 ➢ 平行于光轴的光线汇集于焦点，其他平行光束汇
集于焦平面上。
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焦点的简单测量方法：
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3、弥散圆
需的单色光。
顶 角 A
8
Байду номын сангаас
反光镜
➢ 各种反光镜在显微镜中通常用来改变光路， 使得成像便于人们的观察。
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平面镜成像：光在平面界面上的反射和折射 ，
还可以用来成像，不过它不能起到放大作用。
成象规律: ①物象关于镜面对称、 等大、旋性相反 ②物空间、象空间重 S 合，
A 用途：主要用于改变光 的行进方向和成象位置
➢ 在焦点前后，光线开始聚集和扩散，如果在这些 地方放上光屏，得到点的影象变成模糊的，形成 一个扩大的圆，这个圆就叫做弥散圆。
➢ 当弥散圆的尺寸达到一定程度后，人眼将认为其 是模糊的。
➢ 如果弥散圆的直径小于人眼的鉴别能力，在一定 范围内实际影象产生的模糊是不能辨认的。这个 刚好能够辨认的弥散圆就称为容许弥散圆。
➢ 如果景物不能再像平面上清晰成像，就会形成模糊的像：一 个点会变成一个光斑。这个光斑的大小就决定了景深的范围。
➢ 在显微技术中，我们制备生物材料的厚度要与显微镜的景深 大小相适应。
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➢ 如果一个场景中的一个点在像平面上形成的光斑不能被人眼分辨为多 个点，那么这个点在场景中的位置就被认为在景深之内。
第二章 显微镜光学仪器 及其成像的基本原理
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一、基本的光学元件
➢ 光学元件是基于光的直线传播、光的折射、 光的反射、以及对光的选择性吸收等规律， 对光线进行调控操作的物理器件。
➢ 最常见的有光学元件：透镜、反射镜、滤 光片、光栅。
➢ 在显微镜操作中也有时候需要用到不透光 的挡光板。
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透镜
➢ 透镜是由透明物质（如玻璃等）制成的一 种光学元件。透镜是显微镜技术中应用最 多的光学元件，可以分为凸透镜、凹透镜、 棱镜和平面透镜等
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➢ 在用相机照相显微摄影时，通常要调焦，使得感光胶片处在的位置在 焦点处，或焦点前后两个容许弥散园的范围内，这样得到的相片才是 清晰的。
➢ 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。
➢ 在焦点前后各有一个容许弥散圆，这两个弥散圆之间的距离是能够清 晰成像的上下限叫焦点深度，也叫焦深。