大学物理光学 第4章 光学仪器的基本原理

三、有效光阑和光瞳的计算
• • • • • • ⑵若物点P不在F处 ，方法同前 此时u仍以PM和PN为边缘， 而光阑的像仍在PM 和 PN的延 长线上。 若 D1< D，且P点在焦点F 以内，则 u u L ，∴AB仍是有效光阑。 总之,寻找有效光阑的方法是：先求出每一个给定光阑或 透镜边缘由其前面（向着物空间方向）那一部分光具组 所成的像，找出所有这些像和第一个透镜边缘对指定的 物点所张的角，在这些张角中找出最小的那一个，和这 最小的张角所对应的光阑就是对于该物点的有效光阑。 • 确定了有效光阑，便可求得入射光瞳和出射光瞳。
4.2 助视仪器的放大本领
一、放大本领的概念
注意：① M ,U表示视角，而u则是某一光线的倾角 ； ② 和 、 和 不是共轭量。
4.2 助视仪器的放大本领
二、放大镜（凸透镜）
放大倍数通常用“×”表示，如放大3倍，为“3×”。
4.3 目镜
一、目镜的作用 • 作用：用来放大其它光具组（物镜）所成的像。 • 构成：由不相接触的两个薄透镜组成。
• ①天文望远镜：射电、红外、 紫外、 x光望远镜等; ②普通望远镜：读数(实验用)、棱镜(双筒、军事、
观剧、旅游、球赛等)；
• ③特殊望远镜：天文、遥感、宇航、导弹跟踪、高
空摄影、激光测距等。
一、开普勒望远镜
• 两个会聚透镜（物镜、目镜），折射式。 • 物镜像方焦点F1ˊ和目镜物方焦点F2重合。
d , d e( )d
∴从光源面积元ds发出的各种波长光的总辐 射通量为：
二、视见函数（光见度函数） ( )
• 因为人眼对不同波长的光有不同的灵敏 度，并且，不同人的眼睛对各种波长的光亦 有不同的灵敏度。所以要根据对许多正常人 眼的研究，求出对各种波长的平均相对灵敏 度。表征此平均相对灵敏度的函数就称为视 见函数。 • 平均来说：人眼对黄绿色光最灵敏，对 红色光和紫色光较差，而对红外光和紫外光 则无视觉反应。这说明：人眼对黄绿色光的 视见函数值大，对红光和紫光的视见函数值 小，而对红外光和紫外光的视见函数为0。
三、有效光阑和光瞳的计算
• 2、如果有效光阑是在整个光具组的前面，则它和入射光瞳重合； • 如果有效光阑是在整个光具组的后面，则它和出射光瞳重合。 • [AB有效、出射，Aˊ Bˊ入射] • 任何一个光瞳可能是虚像，也可能是实像。出射光瞳的位置可 能在入射光瞳的前面，也可能在后面。 • 3、入射孔径角（孔径角）： • 由物平面与主轴的交点对入射 • 光瞳半径两端所张的角u。 • 出射孔径角（投射角）： • 由像平面与主轴的交点对出射 • 光瞳半径两端所张的角uˊ 。 • 主光线： • 通过有效光阑中心的光线。 • 它也通过两个光瞳的中心。
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• • • •
4.7 光度学概要——光能量的传播
• • 光度学：是对可见光的能量的计量研究。 辐射量度学：红外光、紫外光、X光以及其 它电磁辐射能量的计量研究。 • 在光度学中，把光看作是沿光线进行的能 量流，并且遵从能量守恒定律，即光束的任一 截面在单位时间内所通过的能量为一常数。 • 但光度学并不是几何光学的一部分，只是 因为在许多实际情况下，几何光学的模型可以 作为研究光度学的基础。
d k m v( )d k m v( )e( )d k ( )e( )d
d
三、光通量 Φ
• 光通量表示光源表面的客观辐射通量对人眼所引起 的视觉强度，它正比于辐射通量和视觉函数。 • 在某一波长附近对于波长间隔为dλ的单色光来讲， 其光通量为： d ( )d • • 式中 k ( ) k m v( ) 。 • k ( ) 称为光谱光视效能 ，k m 为最大光视效能，也称最 大光效率。 • 光通量的单位是流明（lumen），简称流，符号：lm。
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讨论： 1.共同点: ①.望远光具组: 光学间隔 d f f 0.(d f f ).无焦系统 特点：平行光束通过时，透射出来的仍是平行光，但方 向改变。整个光具组的焦点和主平面都是在无限远处。 ②二者的横向放大率β都小于1（像是缩小的）.可见M 与β不同。 2.不同点： ①开氏的视场较大，而伽氏的视场较小（∵伽氏的目镜 是发散的）。 ②开氏的目镜物方焦平面上可放叉丝或刻度尺，伽氏则 不能（∵前者在镜筒内）。 ③开氏的镜筒较长，而伽氏的镜筒较短（ ∵两个焦距 的加与减）。
注意： 共同点： 对被观察的实像都有放大作用。 不同点： ①前者只能观察实像，后者还可以观察物； ②后者能对物或像进行长度测量，前者则不能。
4.4 显微镜的放大本领
最简单的显微镜是由两组透镜构成的： 物镜（焦距很短），目镜（惠更斯目镜）。 一、显微镜的光路图
二、显微镜的放大本领 ∵物镜和目镜所 Nhomakorabea成的复合光具组的焦距为：
1 2 2
三、反射式望远镜
四、激光扩束器
使激光器发出的光束实现扩束的仪器称为激光扩束器。 通常是将望远镜倒过来使用，也可用显微镜的物镜等。 我国人造卫星激光测距仪，测量精度已达±5cm。
一、光阑的概念 所有光学元件的边缘和特加的有一定形状的 开孔的屏统称为光阑，它们在光学系统中起限制 光束的作用。 二、有效光阑和光瞳 • 在所有各光阑中，限制入射光束最起作用的 光阑称为有效光阑（孔径光阑 B） 。
二、视见函数（光见度函数） ( )
• 设任一波长为λ的光和 波长为5550Å的光， 产生相 同的亮暗视觉所需的辐射通 量分别为 和 5550 ，则比 值： 5550 v ( ) 称为视见函数。 在光照充分条件下得到 的人眼的视见函数曲线称为 明视觉曲线；在光照较弱条 件下得到的人眼的视见函数 曲线称为暗视觉曲线。 ∴为产生同等强度的视 觉， v( ) 1 。
Chap.4 Basic Principles of Optical Instrument 第4章 光学仪器的基本原理
主 要 内 容
• • • • • • • • • • • 4.1 人的眼睛 4.2 助视仪器的放大本领 4.3 目镜 4.4 显微镜的放大本领 4.5 望远镜的放大本领 4.6 光阑 光瞳 4.7 光度学概要——光能量的传播 4.8 物镜的聚光本领 4.9 像差概述 4.10助视仪器的分辨本领 4.11分光仪器的分辨本领
四、视场光阑、入射窗和出射窗
• 以上讨论的是对轴上物点的限制，一般情况下， 物体并不在轴上，此时可用一种遮挡轴外光束的光 阑来限制。 视场：给定的光学系统只能让物空间一定范围内的 物体成像的区域。 视场光阑：对限制视场大小特别起作用的光阑。 入射窗：视场光阑通过它前面的系统所成的像。 出射窗：视场光阑通过它后面的系统所成的像。 对于同一系统，入射窗、视场光阑和出射窗三者 共轭。
主 要 内 容
• • • • • • • 一、辐射通量（辐射功率） 二、视见函数（光见度函数） 三、光通量 四、发光强度 五、照度 六、亮度 七、三原色原理
一、辐射通量（辐射功率）ε
• • • • • • • • ⒈面积元ds的辐射通量： 单位时间内面积元ds辐射出 来的所有波长的光能量。 ⒉分布函数（谱辐射通量密度）： 在单位时间内通过光源面积元的某一波长附近 的单位波长间隔内的光能量。用e(λ)表示，∵是波 长的函数。 ⒊总辐射通量： ∵ 从光源面积元ds辐射出来的波长在λ ～ λ +d λ间的辐射通量为：
三、有效光阑和光瞳的计算
• 讨论： • ① 有效光阑总是对某一个指定的参考点而言的。因 为光阑不变，其像的位置亦不变，但物与主轴的交点可 变，u 亦变。 • ② 若光具组仅是一个单独的薄透镜，则有效光阑、 入射光瞳、出射光瞳都与透镜的边缘重合，而与物点的 位置无关。 • ③ 在实际作图中，重点是找入射光瞳和出射光瞳。 • ④ 确定像点pˊ的位置，仍用基点基面作图法。此时 光束顶角的大小是任意的，基点基面图和光瞳图都是抽 象的，用简化方法不必划出光具组的实际结构，但其结 果和实际情况完全相符。
4.1 人的眼睛
• 一、人眼的结构
瞳孔→
4.1 人的眼睛
二、简化眼. （睛珠） 共轴光具组——只有一个折射球面的简化眼。
三、人眼的调节功能 人眼作为接收器，只能分辨而不能测量光能的 大小，只能感觉约390nm～760nm波长的光，而不 能判别复色光的成分。眼的调节、远点、近点、眼 的自调节、明视距离25cm、非正常眼（近视眼、远 视眼、散光眼、老花眼）。 四、眼镜 远视眼、老花眼—凸透镜；近视眼—凹透镜；散光 眼—柱透镜。
4.6 光阑 光瞳
•
入射光瞳(Bˊ)：有效光阑被它自己前面部分的光具 组所成的像。 • 出射光瞳(Bˊˊ )：有效光阑被它自己后面部分的光 具组所成的像。 • 入射光瞳与出射光瞳统称为光瞳。 • 对同一系统，入射光瞳、有效光阑和出射光瞳三者共轭.
•
• P
三、有效光阑和光瞳的计算
1、有效光阑 以薄透镜L和光阑AB为例。 • 设光阑与透镜的距离小于透镜焦距fˊ 。 • ⑴先设物点P在物方焦点F处 • ①光阑的直径D1<透镜的孔径D • 则： B是光阑AB经透镜L所成的像。 A • ∴ 通过整个光具组的光束的顶角 u = 从发光点F看光 阑像AB所张的顶角。 • ∵ u u L ∴ AB是光具组对于F点的有效光阑。 • ②if: D1> D, then u L u , 透镜边缘将成为光具组对于F点 的有效光阑。
1.人的感觉：视觉、听觉、嗅觉、味觉、平衡、运动、机体感觉等。 I 2.感觉的规律性： I k 布格尔 韦伯比，常数 ， I :此时的差别感觉阈 限， : 最初刺激物的强度，原刺激量。 I 重量感觉：k=0.03=3%,即只有当重量增加到3g以上时，才能感 觉到100g的变化。听觉：k=0.1，味觉：k=0.25，视觉：k=0.01. 如：电视机的灰度：8种，实际256种；可见光：7种颜色，实 际 3.9 1014 ~ 7.5 1014 HZ ,即 390~760nm 。 3.人的视觉：人类从客观世界获得的信息90%来自于视觉。但人的视 觉是有限的。空间分辨能力、时间分辨能力、光谱响应范围、强 度感受能力。 4.光学仪器：为了提高人的视觉能力，借助于光学仪器：平面镜、球 面镜、透镜等组成。其基本概念前面已用过,条件限制（近轴物、 近轴光线）。此时遇到两类矛盾： a.成像放大后的清晰度与像场能量聚集程度之间的关系、色差、 像差等。 b.成像清晰度与细节分辨程度的关系。如衍射与像差等。 • 放大本领、聚光本领、分辨本领。