光学仪器基本原理
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。
了解光学仪器的成像原理和像处理
了解光学仪器的成像原理和像处理了解光学仪器的成像原理和图像处理光学仪器的成像原理及图像处理是光学领域的重要内容之一，它在科学研究、医学诊断、工业制造等领域有着广泛的应用。
本文将详细介绍光学仪器的成像原理以及相应的图像处理技术。
一、光学仪器的成像原理光学仪器的成像原理是指通过透镜、物镜等光学元件将物体上的信息聚焦到成像平面上，形成清晰可见的影像。
光学仪器的成像原理主要包括以下几个方面的内容：1. 光的传播光线在空气中的传播遵循直线传播的原理，即光线的传播路径是沿直线传播的。
当光线遇到界面时，会发生一定的折射和反射现象。
这是成像过程中要考虑的重要因素之一。
2. 透镜的成像原理透镜是一种常用的光学元件，它可以将光线聚焦到一个点上，形成清晰的像。
透镜的成像原理可以用薄透镜公式来描述，其基本原理是根据物体和像的距离关系和透镜的焦距来确定成像位置和成像大小。
3. 物镜的成像原理物镜是显微镜、望远镜等光学仪器中的关键部件之一。
物镜的成像原理是通过多个镜片的折射和反射作用，将物体上的信息聚焦到物镜成像平面上。
物镜的设计和制造对于光学仪器的成像质量具有重要影响。
二、图像处理技术光学仪器的成像原理只能获得原始的图像信息，而为了进一步分析和利用这些图像，需要借助图像处理技术。
图像处理技术可以对图像进行增强、恢复、分割、特征提取等操作，以获得更多的有用信息。
1. 图像增强图像增强是指通过一系列图像处理操作，改善图像的质量和可视性。
常用的图像增强方法包括直方图均衡化、滤波器、锐化处理等。
这些方法可以改善图像的亮度对比度、去除图像噪声、增强图像边缘等，从而使图像更加清晰和易于分析。
2. 图像恢复图像恢复是指通过消除或减小图像中的退化和失真，使其恢复到原有的信息状态。
图像退化是由于成像系统自身的限制、光线的散射、噪声等因素导致的。
图像恢复方法包括非盲模型恢复、盲模型恢复、最小均方误差恢复等。
3. 图像分割图像分割是将图像划分为不同的区域或物体的过程。
什么是光的光学仪器和光学设计
光学仪器是用于检测、测量和操作光的设备和工具，它们基于光的传播、反射、折射、干涉和衍射等现象来实现特定的功能。
光学设计则是通过优化光学系统的构成和参数，以实现特定的光学性能和功能。
本文将详细介绍光学仪器和光学设计的原理、方法和应用。
一、光学仪器的原理和分类：光学仪器是利用光的传播和相互作用来检测、测量和操作光的设备和工具。
它们基于光的特性和光学元件，如透镜、反射镜、光栅等，实现特定的功能。
常见的光学仪器包括以下几种：1. 显微镜：利用透镜和光学系统来放大和观察微小物体的设备。
它可以通过调整放大倍数和对焦距离来获得高分辨率的图像。
2. 望远镜：利用反射镜或透镜等光学元件来放大远处物体的设备。
它可以通过调整焦距和放大倍数来观察远处天体或景物。
3. 光谱仪：用于测量和分析光的波长和强度分布的设备。
它可以通过光栅、棱镜或干涉仪等光学元件对光进行分散、分光和检测。
4. 干涉仪：利用光的干涉原理来测量物体的形状、厚度或折射率等参数的设备。
常见的干涉仪包括白光干涉仪、迈克尔逊干涉仪和弗罗格干涉仪等。
5. 激光器：产生激光光束的设备。
它利用光的受激辐射和放大过程来产生一束高强度、单色和相干性很好的光。
二、光学设计的原理和方法：光学设计是通过优化光学系统的构成和参数，以实现特定的光学性能和功能。
它基于光的传播和相互作用，利用光学元件和光学系统的特性和参数，以满足特定的设计要求。
常见的光学设计方法包括以下几种：1. 几何光学设计：基于几何光学原理，通过光的传播和物体的几何形状来设计光学系统。
例如，通过选择适当的光学元件和调整其参数，以实现特定的光学成像、放大或聚焦等功能。
2. 光线追迹法：通过追踪光线的传播路径和相互作用，以预测和优化光学系统的性能。
它可以用于设计光学系统的光路、像差校正和光源布局等。
3. 波前传播法：通过模拟光的波前传播和相位变化，以预测和优化光学系统的成像质量和像差。
它可以用于设计光学系统的透镜曲率、光阑尺寸和光学元件的位置等。
现代光学基础课件：第四章 光学仪器的基本原理
• 放大镜放大率的公式，通常采用以下形式
M 250 f'
• 放大镜的放大率仅由放大镜的焦距f ′ 所决定，焦 距越大则放大率越小。
§4-3 目 镜
放大镜是一种通过直接放大实物达到增大视角的助视仪器。下面将介绍 一种放大像的助视仪器——目镜。 一、目镜
• 由于场镜的物为虚物，所以这种目镜无法对物镜所成的像进行测量。
• 此目镜的视角较大（可达400），在250范围内像更清晰。而且结构 紧凑，适用于生物显微镜。
2、冉斯登目镜 1
Q 'Q
2
⑴ 结构：如图示 3
⑵ 特点：
F2 F
o1
• 场镜、视镜均为同种材
3
F1' 3
o2
2
2
料的平凸透镜，二镜凸 面相向，平面朝外。
网膜 脉络膜 黄斑中心凹
前室
晶状体
盲斑
总能将像成在网膜上。
后室
角膜和晶状体之间的空间称为前室；充满1.336的水状液；
晶状体和网膜所包围的空间称为后室;充满1.336的玻状体
人眼的构造剖视图
瞳孔 虹膜 角膜
1.376
前室
1.336
晶状体
巩膜
网膜 脉络膜 黄斑中心凹
视轴
光轴
盲斑
后室 1.336
眼睛的像方节点与中心凹的连线为眼睛的视轴, 在观察物 体时眼睛本能地把物体瞄准在这根轴上。
x'
f1' f1'
• 物镜的像被目镜放大，其放大率为
Me
250 f2 '
• 式中： f2' 为目镜的焦距。由此，显微镜系统的
第4章光学仪器的基本原理(第1讲)
为f ’： 1 1 1 f ' 2(m)
f ' s' s
光焦度 ： 1 0.5(D)
f'
50度的近视眼镜。
§4.1 人的眼睛
第四章 光学仪器的基本原理
2、远视眼的矫正
方法：使放在明视距离处的物体经 凸透镜成像在被矫正眼的近点上。
例子 某人的近点为50cm。应戴 的凸透镜的焦距f ’ 为：
放大本领 、聚光本领、分辨本领
§4.1 人的眼睛
一、人眼的构造
1、从前到后，角膜前 房虹膜（中心为瞳 孔）晶状体玻璃 体视网膜。
2、眼睛有视觉暂留作用， 时间一般为简化眼模型
人眼可视为只有一个折射球面的简化眼。曲率半径为 5.7 mm；眼折射率为4/3；光焦度为58.48 m-1;物方焦距为17.1 mm；像方焦距为22.8 mm。
§4.1 人的眼睛
第四章 光学仪器的基本原理
三、非正常眼的矫正
睫状肌完全放松时，眼睛看清楚的最远点，称远点；肌 肉最紧张时看清的最近点，称近点。
远点为无穷远处，近点则为25 cm。
1、近视眼的矫正
方法：戴凹透镜，使无穷远处的
物体经凹透镜发散成一虚像在有限
远处，从而看清远物
例子 如某人近视眼的远点在2m，则应戴凹透镜，其焦距
1 1 1 f ' 50(cm) f ' s' s
光焦度： 1 2(D) 即200度的远视眼镜。
f'
3、散光眼
散光眼轴上的物点将成为两条像线，矫正的方法是戴一 柱状透镜，使其与眼的像散作用相反而相互抵消。
§4.1 人的眼睛
第四章 光学仪器的基本原理
第四章 光学仪器的基本原理
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。
光学仪器的原理与设计
光学仪器的原理与设计光学仪器是利用光的传播和相互作用的原理，用于观测、测量和分析物体的工具。
它们在科学研究、医学诊断、工业制造等领域发挥着重要作用。
本文将介绍光学仪器的原理和设计，以及一些典型的光学仪器。
一、光的传播与相互作用原理光是一种电磁波，具有波粒二象性。
在光学仪器中，光的传播和相互作用是其基本原理。
光的传播可以通过折射、反射和散射等现象实现。
折射是光从一种介质传播到另一种介质时改变传播方向的现象，而反射是光从界面上的介质返回原来的介质的现象。
散射是光在物质中遇到不均匀性时改变传播方向的现象。
光的相互作用包括吸收、发射和干涉等现象。
吸收是光能量被物质吸收并转化为其他形式能量的过程。
发射是物质向外辐射光能的过程。
干涉是两束或多束光相互干涉形成干涉条纹的现象，利用干涉现象可以实现测量和分析。
二、光学仪器的设计原则光学仪器的设计需要考虑光的传播和相互作用原理，以及实际应用的需求。
设计光学仪器时需要考虑以下几个方面的原则。
首先，光学仪器的设计需要考虑光的传播路径。
光的传播路径应尽量简洁，以减少光的损失和干扰。
例如，光学显微镜的设计中，要尽量减少透镜和物镜之间的光损失，以提高成像质量。
其次，光学仪器的设计需要考虑光的聚焦和分光。
聚焦是将光束集中到一个点或一个小区域的过程，而分光是将光束按照不同波长或不同方向进行分离的过程。
例如，分光光度计的设计中，要通过光栅或棱镜将光束按照不同波长进行分离，以进行光谱分析。
最后，光学仪器的设计需要考虑光的检测和信号处理。
光的检测是将光能转化为电信号的过程，而信号处理是对电信号进行放大、滤波和数字化等处理的过程。
例如，光电倍增管和光电二极管等光检测器可以将光能转化为电信号，然后通过放大器和滤波器对信号进行处理。
三、光学仪器的应用光学仪器在科学研究、医学诊断和工业制造等领域有着广泛的应用。
以下是一些典型的光学仪器。
首先，显微镜是一种用于观察微小物体的光学仪器。
它利用透镜或物镜将物体放大，使人眼能够清晰地观察到微小细节。
光学仪器的原理及其应用
光学仪器的原理及其应用光学是一门研究光的传播、反射、折射、散射、干涉、衍射等现象的科学，它的应用与生产生活息息相关。
光学仪器是光学应用的具体体现，如显微镜、望远镜、光谱仪、投影仪等，它们在科学、医学、军事、工业、教育等领域发挥着重要的作用。
一、光学仪器的原理1. 反射定律根据反射定律，一个入射角为α 的光束入射到平面镜上，反射角为β，那么反射角与入射角之间的关系为β=α，即入射角和反射角相等且在同一平面内。
利用反射定律，可以制造反射镜、反光镜、望远镜等光学仪器。
2. 折射定律根据折射定律，光束从一介质经过交界面进入另一介质时，入射角与折射角之间的关系为n1sinα=n2sinβ，其中 n1、n2 分别表示两种介质的折射率，α、β 分别表示入射角和折射角。
利用折射定律，可以制造透镜、眼镜、光纤等光学仪器。
3. 干涉现象干涉是指两束光经过不同的路径汇聚到一点时，它们之间会产生干涉，形成一系列明暗相间的干涉条纹。
干涉现象有菲涅尔双缝实验、英国杨氏双缝干涉实验、迈克尔逊干涉仪等。
利用干涉现象，可以制造干涉仪、等厚线仪、光栅分光计等光学仪器。
4. 衍射现象衍射是指光波通过有限孔径阻碍传播后，在衍射屏上产生的干涉现象。
其中，夫琅禾费衍射成为了光学研究所无法回避的问题。
利用衍射现象，可以制造波阵面计、衍射光栅、像衍射光学等光学仪器。
二、光学仪器的应用1. 医学显微镜是医学领域常用的光学仪器，它可以放大生物细胞、组织、器官等组织结构，便于研究和诊断疾病。
另外，近年来，人们还发明了光学相干断层扫描成像技术（OCT），其原理利用光的干涉和衍射现象对组织进行非侵入式的高分辨率成像，被广泛应用于眼科、皮肤病学、牙科等领域。
2. 工业光学仪器被广泛应用于照明、摄影、激光加工、半导体制造等工业领域。
例如，激光干涉仪可以用于检测工件的表面粗糙度和平整度，直接同步控制加工中心的加工量调整，从而实现自动化加工。
3. 教育光学仪器在教育领域也有很重要的应用。
光学仪器的基本原理
最终由目镜系统出射的光为平行光，成倒立象于无穷远处。（望远镜的结
构都这样）
3、放大本领
复杂的助视仪器总是由物镜和目镜组成，靠近物体的称为物镜；靠近人 眼的称为目镜。目镜通过放大物镜所成的像达到磁大人眼视角的目的。
• 要求：A、具有较高的放大本领和较大的视角；
B、具有一定的校正像差和色差的能力。 ∴ 目镜通常由两个或多个透镜组合而成。 2、结构： 场镜+视镜+（分划板或称刻度尺） • 场镜： 面向物体（即物镜的像）的透镜（或透镜组） • 视镜： 接近人眼的透镜（或透镜组） • 分划板：包含可移动叉丝的透明刻度尺，用于提高测量精度
O
F‘
s' s
[解] : 对所戴凸透镜而言,已知 s 0.25m s' 1.25m
由空气中的透镜成像公式有 :
1 f'
1 s'
1 s
1 1 3.2(D) 320(屈光度) 1.25 0.25
③ 散光眼：角膜为椭球面的人眼。也称为像散眼。
• 由于椭球有两个对称平面，分别包含长、短轴，因而具有两个不同的焦
f F1
'F1’
P y
1
f2
P`
Q o1
-U` y'
o2
物镜系统 Q’
O -U``
目镜系统
镜筒长度 l
Q’’
三、放大本领 1、表达式：
整个系统的像方焦距为：
f
'
f1'
f
' 2
25 25
显微镜作为一个放大镜，其放大本领为： M
f'
f1'
f
' 2
为保证成尽量大的像，物镜和目镜焦距均很小 l s1'
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。
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。
光学仪器原理
光学仪器原理光学仪器在现代科学和工程领域中起着至关重要的作用。
它们利用光的传播和相互作用规律，以及各种光学元件和装置的特性，提供了对光信号进行检测、放大、处理和分析的能力。
本文将介绍光学仪器的原理，并讨论其中几种常见的光学仪器。
一、光的传播和相互作用规律在了解光学仪器的原理之前，我们首先需要了解光的传播和相互作用规律。
光是一种电磁波，其传播速度为常数，即光速。
光的传播可以按直线传播的规律进行描述，这种性质使得光可以在空间中传输信息。
光在与物质相互作用时，会受到折射、反射、散射等现象的影响，这些现象是光学仪器运作的基础。
二、光学仪器的分类光学仪器可以根据其功能和原理进行分类。
常见的光学仪器包括望远镜、显微镜、光谱仪等。
下面将分别介绍这些光学仪器的工作原理。
1. 望远镜望远镜是一种用于观察远距离物体的光学仪器。
它通过将远处物体的光线聚焦到眼睛或其他探测器上，使人们能够观察到远距离的天体或其他景物。
望远镜的主要组成部分包括物镜、目镜和焦平面。
物镜负责抓取光线，并将其聚焦到焦平面上，而目镜则用于放大这个焦平面上的像，使其达到人眼可以直接观察的大小。
2. 显微镜显微镜是一种用于观察微小物体的光学仪器。
它利用物镜、目镜和光源等组件，将被观察物体的细节放大到人眼可见的大小。
显微镜的原理基于光的折射和成像规律，通过调节物镜和目镜的位置来实现对被观察物体的放大。
同时，显微镜还可以使用不同的光源和显微镜镜头，以便观察透射光、反射光或荧光等样品。
3. 光谱仪光谱仪是一种用于分析光信号的光学仪器。
它可以将复杂的光信号分解成不同波长的光线，然后通过光敏探测器来测量这些光线的强度。
光谱仪的原理基于光的分光和光谱成像的性质，它可以用于分析光源的成分、测量材料的光谱特性以及研究物质与光的相互作用等。
三、光学仪器的应用领域光学仪器广泛应用于科学研究、医学、通信、材料科学、能源等领域。
以下是几个典型的应用领域。
1. 生物医学光学显微镜在生物医学研究中发挥着重要作用。
光学仪器的成像原理与应用
光学仪器的成像原理与应用光学仪器是一种利用光的传播特性进行观测、测量和分析的工具。
它通过光的反射、折射、散射等现象，实现对物体的成像。
光学仪器的成像原理涉及到光的传播、光的反射和折射、透镜和光学系统的构成等方面的知识。
本文将从成像原理和应用两个方面展开讨论。
一、成像原理光学仪器的成像原理可以简单地归纳为两种：几何光学和物理光学。
几何光学是一种简化的成像模型，它假设光线传播是直线传播，并且不考虑光的波动性。
几何光学的基本原理是光的传播是沿直线传播的，光线在传播过程中会发生反射和折射。
根据光的传播特性，可以推导出光线在透镜、反射镜等光学元件上的成像规律。
例如，凸透镜会使平行光线汇聚于焦点，形成实像；凹透镜会使平行光线发散，形成虚像。
几何光学的成像原理在光学仪器的设计和应用中起到了重要的作用。
物理光学是一种更加精确的成像模型，它考虑了光的波动性和干涉、衍射等现象。
物理光学的基本原理是光的传播是波动传播的，光波在传播过程中会发生干涉、衍射等现象。
物理光学的成像原理可以通过光的波动性和干涉、衍射的数学模型进行描述和解释。
例如，干涉仪是一种利用光的干涉现象进行测量和分析的光学仪器。
它利用光的波动性和干涉现象，实现对光的相位差的测量，从而得到所需的信息。
二、应用光学仪器的应用非常广泛，涉及到生物医学、物理学、化学、材料科学等多个领域。
在生物医学领域，光学仪器被广泛应用于显微镜、光谱仪、光学成像等方面。
例如，显微镜是一种利用光的成像原理观察微观物体的仪器。
它通过光的折射和散射现象，实现对微观物体的放大和清晰成像。
光学成像是一种利用光的成像原理对生物组织进行观测和分析的技术。
它通过光的反射、散射等现象，实现对生物组织的高分辨率成像，为医学诊断和治疗提供了重要的工具。
在物理学领域，光学仪器被广泛应用于光学测量、光谱分析等方面。
例如，激光干涉仪是一种利用光的干涉现象进行测量的仪器。
它通过光的干涉现象，实现对物体表面形貌、薄膜厚度等参数的测量。
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。
光学仪器的原理与测量方法
光学仪器的原理与测量方法光学仪器是利用光学原理和技术来进行测量、观测和探测的设备，广泛应用于科研、制造、医疗及通信等领域。
本文将从原理和测量方法两个方面介绍光学仪器的相关知识。
一、光学仪器的原理1. 光的传播方式：光在真空中传播速度为光速，经过不同介质会发生折射、反射、散射等现象。
光学仪器利用光的传播方式来实现测量和观测的目的。
2. 光的干涉与衍射：干涉是指两束光波的叠加产生明暗条纹的现象，衍射是指光通过孔径或物体边缘时发生的弯曲或偏折现象。
干涉与衍射现象的利用使得光学仪器可以测量光的波长、距离等参数。
3. 光的吸收与发射：光与物质相互作用时，会发生吸收与发射。
利用光的吸收与发射特性，光学仪器可以实现物质成分的分析和检测。
4. 光的偏振：光的偏振是指光波中电场振动方向的特点。
光学仪器利用光的偏振性质，可以实现对偏振光的测量和调整。
5. 光的相干性：光的相干性是指光波间相位关系的统计特性。
利用光的相干性，光学仪器可以提高图像的清晰度和分辨率。
二、光学仪器的测量方法1. 光强测量：光强测量是指对光波的强度进行定量测量。
常见的光强测量方法有光电池测量、光功率计测量等。
光电池测量利用光电效应将光信号转化为电信号，通过测量电流或电压来间接计量光强。
光功率计测量则基于光辐射效应，通过测量光在单位时间内通过的能量来获得光强。
2. 光谱测量：光谱测量是对光的频率或波长进行测量的方法。
光谱仪是光学仪器中常用的光谱测量装置，可以将光信号分解为不同频率或波长的成分，从而获得光谱图像。
光谱测量广泛应用于物质成分的分析、光源标定等领域。
3. 光相位测量：光相位测量是指对光波的相位进行测量的方法。
通过光的干涉现象，可以实现光波的相位测量。
常见的光相位测量方法有干涉仪测量、迈克尔逊干涉仪测量等。
光相位测量在光学工程中具有重要的应用，如光学薄膜厚度测量、光学表面形貌测量等。
4. 光学显微镜：光学显微镜是一种通过光学放大来观察微小物体的仪器。
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第二章光学仪器基本原理光学仪器分为：助视仪器、投影仪器、分光仪器。
本章主要研究常见光学仪器的放大本领、聚光本领、分辨本领。
§1人眼一、结构与特性结构如图所示，人眼主要由角膜、前房、瞳孔、水晶体、后房、视网膜等组成。
简化眼——高尔斯特兰(A.Gullstrand)模型：n r mm f mm f mm D===-'==43571712285848/....、、、、Φ特性：a.适应过程：瞳孔大小调整需要时间，由视近到视远调整需要时间。
b.视觉暂留：人眼看见的画面会在大脑记忆中停留一段时间(116秒)。
c.立体视觉：用双眼（或单眼转动眼球时）可感觉物体的空间位置。
二、人眼的调节远点SFO：眼肌松驰，水晶体两曲面曲率半径最大时，能在视网膜上成清晰像的物到眼的距离。
近点SNO：眼肌收缩，水晶体两曲面曲率半径最小时，能在视网膜上成清晰像的物到眼的距离。
明视距离SMS：在合适照明下，一般人眼看眼前25cm处的物不费力，很舒适，且能看清物体的细节，这个距离称为明视距离。
正常眼：S FO →∞，S NO <25cm.近视眼：S FO 是一有限值，成因是眼球变长，角膜、水晶体曲率过大或折射率异常等。
远视眼：S NO >25cm ，成因是眼球变短等，老年人多半是远视眼（也称老花眼）。
三、非常眼的校正1.近视眼：眼前加凹透镜，使有限远的远点恢复到无限远。
例：一近视眼的远点为1m ，问需配多少度的眼镜。
[解] 由题设可知：S S m =-∞'=-，1故 Φ='='-=-=-1111100f S SD 度 2.远视眼：眼前加凸透镜，使近点移近到离眼为明视距离处。
例：一近视眼的近点为1.5m ，问看近物时需戴多少度的眼镜。
[解] 由题设可知：S m S m =-'=-02515..， 故 Φ='='-==11133330f S SD .度 若S NO →∞，则ΦΦ===M 4400D 度，故理论上无高度远视眼。
3*.校正后调节范围的变化A.近视眼(设S m S m FO NO =-=-101，.)：设眼球的折射率为'n ，眼球的长度为'S ，视近物时眼球的光焦度为ΦNO ，则不戴镜时：''-=n S S 1NO NO Φ戴 镜 时：''-'=+n S S 1NO NO ΦΦ故 Φ='-'11S S NO NO ，'=-S m NO 011. 即近视眼戴眼镜后也可看近处的物，调节范围变大。
B.远视眼(设S S m FO NO =-∞=-，15.)：设眼球的折射率为'n，眼球的长度为'S，视远物时眼球的光焦度为ΦFO，则不戴镜时：''-=nS S1FOFOΦ戴镜时：''-'=+ nS S1FOFOΦΦ故Φ='-'11 S S FO FO ，'=-=-S mFO103Φ.即远视眼戴眼镜后不再可看远处的物，调节范围变小。
4.散光眼及其校正成因：角膜或水晶体的曲面是椭球面（或其他球面）。
正规散光眼：角膜或水晶体的曲面的最大曲率的截面垂直于最小曲率的截面，可用柱面透镜校正。
非正规散光眼：角膜或水晶体的曲面无规则，一般无法校正。
近视散光或远视散光眼：可用球---柱透镜（或椭球面透镜）校正。
另外，配戴眼镜要注意选择适当的镜架，以便瞳距(56～64mm)适合；戴镜时镜到眼的距离应适当(～15.6mm)，以便β近似不变。
§2助视仪器的放大本领1.放大本领M：用助视仪器观察物时像对人眼的张角'U，与不用助视仪器且物在像的位置时物对人眼的张角U之比。
MU U ≡'注意式中U U、'并非共轭量。
2.放大镜的放大本领从图可得，'≈'-'≈-='U ySyfyfUy = 025.故MUU f ='='025.§3目镜为了提高放大本领而又不产生过大的像差，可采用目镜装置。
常见的目镜有惠更斯目镜和冉斯登目镜。
1.惠更斯目镜结构：由两块平凸透镜构成，凸面向物方，'='=f a f a 123，，两透镜的间隔()d f f a ='+'=12212（可消色差），如图所示。
光路：如图所示。
从图可得，F F 、'分别处于F O 22、O F 22'的中点，H H 、'分别与'F F 22、重合。
实际上，光具组的理论： d a d f f a ==-'+=-2212、∆∴'=-''='='=-f f f ap f da 12232∆∆ f f f ap f d a ==-==121323∆∆特点：视场广大( 2540~°)，但只能观察像，不能安分划板。
2.冉斯登目镜结构：由两块平凸透镜构成，凸面相对，'='=f f a 12，两透镜的间隔d a =23，如图所示。
光路图略。
从图可得，F F 、'和H H 、'分别处于图示位置。
实际上，光具组的理论：d a d f f a ==-'+=-234312、∆∴'=-''='='=-f f f ap f d a122342∆∆ f f f ap f d a ==-==121342∆∆ 特点：视场较小，但能观察物和像，能安分划板（于F 处）。
§4 显微镜的放大本领一、结构和光路显微镜由物镜和目镜组成，物镜和目镜都可以是单一透镜或复合透镜。
光路如图所示。
二、放大本领物镜O 1的横向放大率：为使物镜所成实像尽量大，物应靠近F 1，S f =1，β='='≈'=-''y y S S S f S f 11，'=-''y S f y 1（要实像大，O 1的焦距应小）。
目镜O 2的放大本领：M f 目='0252.(要放大本领强，O 2的焦距应小）。
为使目镜所成虚像尽量大，物（即实像）应靠近F 2，故-''≈-'≈-'-=-''U U y f y f 22，'=''=-'''U y f S f f y 212；注意U y=025.得显微镜的放大本领：M U U U U S f f M =''='=-'''=02512.β物目.''f f 12、很小，∆=-'+≈'≈l f f S l 12，故 M S f f l f f f f =-'''=-''=-''025025025121212...∆. “-”号表示显微镜放大后的像是倒立的。
实际上，也可将物镜和目镜组成一复合光具组，并将它视为一简单的放大镜，则'=-''f f f 12∆，M f f f =-'=-''02502512..∆§5 望远镜的放大本领常见的望远镜有开普勒望远镜和伽利略望远镜。
也分别称为天文望远镜和景物望远镜。
一、开普勒望远镜结构和光路：物镜和目镜均为凸透镜，物镜的'F1与目镜的F2重合。
光路如图所示。
放大本领：Uyf=-''1，-''=-'=-''U Uyf2MUUff =''=-''12二、伽利略望远镜结构和光路：物镜为凸透镜，目镜为凹透镜，物镜的'F1与目镜的F2重合。
光路如图所示。
放大本领：同（一）得，MUUff=''=-''12§6光瞳一、光栏及其分类光栏：光学系统中限制光束的屏的开口，以及光学元件的边缘。
光栏分为有效光栏和视场光栏。
二、有效光栏1.定义：在光学系统在限制入射光束最起作用的光栏称为有效光栏。
2.例:（1）P在F1右侧的两透镜L2起限制光束的作用是有效光栏。
如图所示。
（2）P在F1左侧的两透镜L1起限制光束的作用是有效光栏。
如图所示。
（3）人眼的瞳孔；像机的光圈；望远镜的物镜孔经是有效光栏。
3.有效光栏的作用（1）限制光能流；（2）改变景深；（3）减小像差。
4.有效光栏的确定法每一个光栏对其前面的光学系统成像，找出各像中对物平面与主轴的交点的张角最小的像，其相应的光栏即为有效光栏。
三、光瞳a.入射光瞳：有效光栏对其前面的光学系统所成的像；如图所示。
b.出射光瞳：有效光栏对其后面的光学系统所成的像；如图所示。
c. 光瞳的性质：光瞳可能是实像，也可能是虚像；若有效光栏在整个光学系统的最前面，则它和入射光瞳重合；若有效光栏在整个光学系统的最后面，则它和出射光瞳重合；若光学系统是一简单的薄透镜则有效光栏、入射光瞳、出射光瞳同为透镜边缘。
d.入射孔径角：物平面与主轴的交点对入射光瞳半径两端所张的角。
e.出射孔径角：像平面与主轴的交点对出射光瞳半径两端所张的角。
§6 光能量的传播一、辐射通量和视见函数1.辐射通量：单位时间内，面光源dS 向所有方向辐射出来的所有波长的光能量，即辐射功率ε.dS 辐射出来的波长在λ～λλ+d 间的光的辐射功率 d ,+d ελλλλλ=e d 总辐射通量ελλ=∞⎰e d 0其中e λ是单位时间内、面光源dS 辐射的波长λ附近单位波长间隔内的光能量，称为分布函数，它表征了光源的发光特性。
2.视见函数V λ：人眼对各种波长的光的平均相对灵敏度函数。
实验证明：在较亮环境中，人眼对波长为5550的黄绿光最敏感，对其它波长的光敏感性较差，对红外光和紫外光则无感觉。
定义：V λλεε=∆∆5550其中，∆ελ、∆ε5550为产生同样亮暗感觉，波长为的光所需要的辐射通量。
V λ一般不能用初等函数表示，右图给出了它的图线。
V λ也可从数值表中查到。
在较暗环境中，视见函数的极大值向短波（蓝色）方向移动。
如图中虚线所示。
二、光通量辐射通量与视见函数的乘积Φ. 它表征了光源表面的客观辐射通量对人眼所引起的视觉强度。
在某一波长λ附近、d λ波长间隔内的光，其光通量 d Φλλλλλελ==V d V e d 总光通量Φ=∞⎰V e d λλλ0三、发光强度点光源在单位立体角内发出的光通量的数值I I d d =ΦΩI 表征光源在一定方向范围内发出的可见光辐射的强弱。