03 了解薄透镜成像规律

了解薄透镜成像规律

1、知识介绍

透镜是一种将光线聚合或分散的光学元件，通常是由玻璃、水晶、塑料等透明材料构成，日常生活中使用的放大镜、眼镜都是透镜。透镜分两类，中间厚边缘薄的叫凸透镜，中间薄边缘厚的叫凹透镜。

人类使用透镜的历史比较悠久，有关透镜的文字记载，最早是古希腊的ristophanes在公元前424年提到了烧玻璃（即利用凸透镜汇聚太阳光来点火）；古罗马作家、科学家老普林尼（23年–79年）用文字叙述了尼禄曾利用绿宝石（类似于矫正近视的凹透镜）观看格斗比赛；古罗马哲学家塞涅卡也曾记述了一个著名的历史传说，相传古希腊科学家阿基米德在古罗马人侵略古叙古拉的时候，用一个巨型凸透镜成功地点燃并烧毁了古罗马人的战船。我国古代曾有过“以珠取火”之说，文献记载最早见于《管子·侈靡》篇：“珠者，阴之阳也，故胜火。”（原注：珠生于水，而有光鉴，故为阴之阳。以向日则火烽，故胜火）。西汉（公元前206～23年）《淮南万毕术》中记载：“削冰令圆，举以向日，以艾承其影，则火生。”“削冰令圆”指制作冰透镜；“以艾承其影”是指将易燃物艾放在其焦点上。其后，晋朝张华的《博物志》中也有类似记载。

随着科学技术的发展，透镜在工业、农业、航天、军事、矿业、能源、科学研究以及日常生活等各个方面都有着重要的应用。除了近视眼镜、老花眼镜、放大镜、照相机、投影仪等之外，还有最重要的两个应用——显微镜和望远镜。

有了显微镜，人类开始认识微观世界。显微镜是将微小物体或物体的微细部分高倍放大以便观察的仪器，广泛应用于工农业生产及科学研究。显微镜分光学显微镜和电子显微镜：光学显微镜以可见光为光源，在1590年由荷兰的杨森父子首创，现在的光学显微镜可把物体放大约2000倍，分辨的最小极限达0.1微米（μm即10-6m）。

图3-1 光学显微镜图3-2 光学显微镜构造示意图图3-3 光学显微镜下的雪花

1934年德国人鲁斯卡设计制造出第一台电子显微镜，大大推动了人类进行科学研究的进程。特别是20世纪90年代之后的电镜，除用于形态分析之外，已成为结合了各种元素分析、离子定位、元素浓度定量分析附件的多功能型仪器，通过与计算机联机，能进行图像分析、图像处理及远程图像传输与分析。其成象原理和光学显微镜相似，但采用电子射线来代替光波，电磁透镜组相当于光学显微镜中的聚光器、物镜及目镜系统。其性能远远超过了光学显微镜，分辨率目前可以达到1埃（Å即10-10m），放大率已达到几十万倍以上，已经成为凝聚态物理、半导体电子技术、材料、化学、生物、地质等多学科的非常重要的研究手段。可以说，没有电子显微镜，就没有现代科学技术。

电子显微镜包括透射电子显微镜（Transmission Electron Microscope，TEM）、扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope，SEM）、高分辨率的扫描透射电镜（High Resolution Scanning Transmission Electron Microscope，HRSTEM）、扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope，STM）、原子力显微镜（Atomic Force Microscope，AFM）、激光扫描共聚焦显微镜（Laser Scanning Confocal Microscope，LSCM）等。其中透射电镜是应用最广泛的一种电子显微镜，通过电子束照射样品，电磁透镜收集穿透样品的电子，并放大成像，用以显示物体内部超微结构。它的分辨率可达0.2 nm（10-9m），放大倍数可达40-100万倍。

图3-4 透射电子显微镜图3-5 透射电子显微镜下的晶格分布

透镜的应用除了使人类深入了解微观世界，也使人类不断改变对宏观世界的认识。天文望远镜就是观测天体的重要手段，可以毫不夸张地说，没有望远镜的诞生和发展，就没有现代天文学。将望远镜用于探索宇宙的奥秘，要归功于意大利科学家伽利略，1609年，伽利略制造出一架能提供30倍放大率的小型天文望远镜，利用它观测到了月球陨石坑、太阳黑子、木星的4颗卫星、土星环，并指出银河实际上是由许多恒星构成的。1672年，牛顿设

计了利用凹透镜将光线聚集并反射到焦点上的反射望远镜，这种设计使望远镜的放大倍率达到了数百万倍，远远超过了折射望远镜所能达到的极限。1930年，德国天文学家施密特将折射望远镜和反射望远镜的优点（折射望远镜像差小，反射望远镜没有色差、造价低廉且反射镜可以造得很大）结合起来，制成了第一台折反射望远镜，是目前使用最广泛的天文望远镜。

图3-6 伽利略折射式望远镜图3-7 牛顿反射式望远镜

从第一架光学望远镜到射电望远镜诞生的三百多年中，光学望远镜一直是天文观测最重要的工具。随着望远镜在各方面性能的改进和提高，天文学也正经历着巨大的飞跃，迅速推进着人类对宇宙的认识。目前世界上功能最强的五大天文望远镜分别为凯克望远镜、哈勃太空望远镜、斯皮策太空望远镜、大型双筒望远镜和费米伽玛射线空间望远镜。其中哈勃太空望远镜隶属于美国宇航局（NASA）和欧洲航天局（ESO），发射于1990年，在距地面500公里的太空上进行观测，具有高灵敏度和高分辨能力，能看清距离40亿光年的物体。它全长12.8米，镜筒直径4.27米，由光学系统、科学仪器和辅助系统三大部分组成。哈勃太空望远镜在其20年的服役生涯中对太空中的2.5万个天体拍摄了50多万张照片，帮助测定了宇宙年龄，证实了主要星系中央都存在黑洞，发现了年轻恒星周围孕育行星的尘埃盘，提供了宇宙正加速膨胀的证据，并帮助确认了宇宙中存在暗能量，科学家根据其观测结果，撰写了7000多篇科学论文。

图3-9为哈勃望远镜传回的太空图片，千变万化的色彩和亮光仿佛来自于神的世界，被称之为“天国城市”、“上帝居住的地方”。哈勃太空望远镜给人类带来的惊喜是人类迈向外太空的一个经典，而新一代的韦伯空间望远镜也将在2014年参加太空研究。韦伯空间望远镜在许多研究计划上的功能都远超过哈勃，但将只观测红外线，在光谱的可见光和紫外线领域内仍无法取代哈勃。