现代光学基础课件：第四章 光学仪器的基本原理
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第4章 光学仪器的基本原理
• 波动光学观点：光束总会受到系统有限大的有效光阑的限 制，像点应是物点的衍射图样。物点所成像点应是衍射图样 中的中央条纹或艾里斑。
L2
RD
P
1
y
1
f
1
0.61
R
1.22
D
中央明纹的半角宽度
I
b
1
o
f
sin
中央明条纹的半角宽度
b
∴ 在像面上清晰地反映物面的细节是不可能的。
1.瑞利判据
（2） f1'
越长,
f
' 2
越短,
M越大。
开普勒望远镜与伽利略望远镜的比较
（1）开普勒望远镜目镜的物方焦平面在镜筒内，可以放置 分划板，叉丝进行测量；伽利略望远镜则不能。 （2）开普勒望远镜，眼睛的位置O在镜筒之外，望远镜的 视场较大。伽利略望远镜，眼睛的位置O理论上位于镜筒之 内，实际进入眼睛的光束范围受到限制，故视场较小； （3）开普勒望远镜，镜筒长度 L= f1’+ f2’，镜筒较长。伽 利略望远镜，镜筒长度 L = f1’+f2’= f1’-f2 ，镜筒较短。
sin i2
2
2
2.单缝衍射条纹角宽度
中央明纹
0
2
b
其他明纹
b
中央明纹半角宽度
3.光栅衍射谱线半角宽度
Nd cos
4.瑞利判据
对于两个衍射光斑，当一个中央亮斑的最大值位置恰 和另一个中央亮斑的最小值位置重合时，两个像刚好能被 分辨开。
§4.11 分光仪器的色分辨本领
零、相关概念
1.角色散率
3.总结
在实际的光学仪器中，像的清晰度与像面亮度、细节分 辨程度的矛盾是不可避免。
L2
RD
P
1
y
1
f
1
0.61
R
1.22
D
中央明纹的半角宽度
I
b
1
o
f
sin
中央明条纹的半角宽度
b
∴ 在像面上清晰地反映物面的细节是不可能的。
1.瑞利判据
（2） f1'
越长,
f
' 2
越短,
M越大。
开普勒望远镜与伽利略望远镜的比较
（1）开普勒望远镜目镜的物方焦平面在镜筒内，可以放置 分划板，叉丝进行测量；伽利略望远镜则不能。 （2）开普勒望远镜，眼睛的位置O在镜筒之外，望远镜的 视场较大。伽利略望远镜，眼睛的位置O理论上位于镜筒之 内，实际进入眼睛的光束范围受到限制，故视场较小； （3）开普勒望远镜，镜筒长度 L= f1’+ f2’，镜筒较长。伽 利略望远镜，镜筒长度 L = f1’+f2’= f1’-f2 ，镜筒较短。
sin i2
2
2
2.单缝衍射条纹角宽度
中央明纹
0
2
b
其他明纹
b
中央明纹半角宽度
3.光栅衍射谱线半角宽度
Nd cos
4.瑞利判据
对于两个衍射光斑，当一个中央亮斑的最大值位置恰 和另一个中央亮斑的最小值位置重合时，两个像刚好能被 分辨开。
§4.11 分光仪器的色分辨本领
零、相关概念
1.角色散率
3.总结
在实际的光学仪器中，像的清晰度与像面亮度、细节分 辨程度的矛盾是不可避免。
第四章光学仪器基本原理
1.概念：
在眼睛前配置助视光学仪器时，线 状物通过光学仪器和眼睛睛所构成的光 具组在视网膜上形成的像的长度与没有 配备仪器时，通过肉眼观察放在助视仪 器原来所成虚像平面上的同一物，在视 网膜上所成像的长度之比．
２公式：
l tgU U M l tgU U
4.2.２ 放大镜
y
tgu L 2
凸透镜L1对于物点所张开的孔径角的正切值为 tgu L1
2 1 6 3
tguL1 tguL 2 u L1 u L 2
所以是有效光阑
(2) 凸透镜是为入射光瞳,直径大小为4厘米
凸透镜L1经透镜经所成像为出射光瞳,位置和大小为:
S 4cm
1 1 1 S S f1
U
0
y
Q
Q
例题 一显微镜具有三个物镜和两个目镜。三个五镜的 焦距分别为16mm、4mm和1.9mm，两个目镜的放大本领分 别为5和10倍。设三个物镜造成的像都能落在相距为 160mm处，问这显微镜的最大和最小的发送那个大本领 各为多少？
l l 25 cm 解:根据 M ( ) ( )M目 f1 f 2 f1
例题3：孔径都等于4cm的两个薄透镜构成的同轴光具组， 一个是会聚的，其焦距为5 cm；另一个也是会聚的，其焦 距为10cm．两个透镜中心间的距离为4cm．对于会聚透镜前 面6cm处一个物点来说，试问： (1)哪一个透镜是有效光阑； (2)入射光瞳和出射光瞳的位置在哪里?入射光瞳和出射光瞳 的大小各等于多少?
F2
F1
4.6 光阑 光瞳
４.6. １光阑的概念
光学元件的边缘，或者一个有一定形 状的开孔的屏称为光阑．在光学系中都起 着限制光束的作用．无论怎样的光学仪器 都必定有光阑存在． 4.6.2 有效光阑和光瞳 以两个共轴薄透镜和一个开孔屏组成 的光具组为例来说明．
现代光学基础课件：第四章 光学仪器的基本原理
• 上式分母中的a′相对于x′而言，是一个很小的值， 可以略去。
• 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
• 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
光学仪器的基本基本原理
1、近点、远点、明视距离
幼年 中年 老年
近点 7—8厘米 25厘米 1—2米
远点 无限远
几米
明视距离：25厘米
第四章光学仪器的基本基本原理
2、人眼的矫正
近视眼：远点不在∞，变近了 远视眼（老花眼）：近点大于明视距离
矫正：戴一凹透镜将∞处的物 矫正：戴一凸透镜将明视距离上
成像于其能看到的远点。
的物成像于其能看到的近点上。
电子： 0.1A 1A （10 -2 10 -1 nm）
所以电子显微镜分辨本领很高，可观察物质 的结构。
1981年联邦德国宾尼格和瑞士罗雷尔 发明了遂道效应电子显微镜，并获1986年 诺贝尔物理奖。
第四章光学仪器的基本基本原理
例题
1、在迎面驶来的汽车上，两盏前灯相 120cm。 试问汽车离人多远的地方，眼睛恰能分辩这 两盏前灯？设夜间人眼瞳孔直径为 5.0mm ， 入射光波长为 550nm，而且仅考虑人眼瞳孔的 衍射效应。
Q 1、物 Q距 F1很近，从而得到尽量大的实像 Q 。
2、目镜最后成的像 Q（ 虚像）处于明视距离上。
因为f1′ 、f2′要求第很四章小光学， 仪器的故基s本′基≈本原x理′≈ ≈l（镜筒长）
二、显微镜的放大本领
s ≈ f1 、
y y
s s
≈
s f1
（ -sf1）
s -
f1
y
≈- y
s f1
、f1要尽量小
（-U′′）= -
fy1′sf′2′、M
U U
25s f1 f2
s ≈x ≈ ≈l（镜筒长）
M
≈（- 25l）（f1 f2
xf1第四）章光（学仪2器f5的2基）本≈基本原物理 M目
《现代光学基础教学课件》04章
现代光学基础教学课 件
• 光的干涉 • 光的衍射 • 光的偏振 • 光的量子性
目录
Part
01
光的干涉
光的干涉现象
光的干涉现象是指两束或多束相 干光波在空间某些区域相遇时， 相互叠加产生加强或减弱的现象。
干涉现象是光学中非常基础和重 要的概念，它在光学仪器、量子
力学等领域有着广泛的应用。
常见的光的干涉现象包括双缝干 涉、薄膜干涉、多光束干涉等。
度和色彩。
太阳镜
太阳镜常常使用偏振片 来减少反射光和眩光， 提高佩戴者的舒适度和
视觉清晰度。
Part
04
光的量子性
光的量子性现象
光电效应
当光照射在物质表面时， 物质吸收光子能量并释放 电子的现象。
康普顿散射
光子与物质相互作用时， 光子不仅被散射，还会发 生能量变化的散射现象。
Hale Waihona Puke 光的干涉和衍射光具有波动性，能够产生 干涉和衍射现象，证明光 具有波动性质。
01
随着实验技术的发展，人们可以进一步探索光的量子性质和新
的量子现象。
量子信息技术的应用
02
量子光学在量子通信、量子计算和量子传感等领域有广泛的应
用前景。
促进物理学与其他学科的交叉发展
03
量子光学的发展将促进物理学与其他学科的交叉融合，推动科
学技术的发展。
THANKS
感谢您的观看
通信技术
在通信技术中，利用光的 衍射现象可以实现光信号 的传输和调制，提高通信 容量和传输速率。
生物医学领域
在生物医学领域，如医学 影像技术中，可以利用光 的衍射现象来获取人体内 部结构的信息。
Part
03
光的偏振
• 光的干涉 • 光的衍射 • 光的偏振 • 光的量子性
目录
Part
01
光的干涉
光的干涉现象
光的干涉现象是指两束或多束相 干光波在空间某些区域相遇时， 相互叠加产生加强或减弱的现象。
干涉现象是光学中非常基础和重 要的概念，它在光学仪器、量子
力学等领域有着广泛的应用。
常见的光的干涉现象包括双缝干 涉、薄膜干涉、多光束干涉等。
度和色彩。
太阳镜
太阳镜常常使用偏振片 来减少反射光和眩光， 提高佩戴者的舒适度和
视觉清晰度。
Part
04
光的量子性
光的量子性现象
光电效应
当光照射在物质表面时， 物质吸收光子能量并释放 电子的现象。
康普顿散射
光子与物质相互作用时， 光子不仅被散射，还会发 生能量变化的散射现象。
Hale Waihona Puke 光的干涉和衍射光具有波动性，能够产生 干涉和衍射现象，证明光 具有波动性质。
01
随着实验技术的发展，人们可以进一步探索光的量子性质和新
的量子现象。
量子信息技术的应用
02
量子光学在量子通信、量子计算和量子传感等领域有广泛的应
用前景。
促进物理学与其他学科的交叉发展
03
量子光学的发展将促进物理学与其他学科的交叉融合，推动科
学技术的发展。
THANKS
感谢您的观看
通信技术
在通信技术中，利用光的 衍射现象可以实现光信号 的传输和调制，提高通信 容量和传输速率。
生物医学领域
在生物医学领域，如医学 影像技术中，可以利用光 的衍射现象来获取人体内 部结构的信息。
Part
03
光的偏振
第四章光学仪器基本原理0
第四章 光学仪器的基本原理
• 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 幻灯机的聚光和成象 *4.10 单色象差概述 *4.11 正弦定理和正弦条件 *4.12 近轴物近轴光线成象的色差 4.13 助视仪器的分辨本领 4.14 分光仪器 的分辨本领
-s'
y
u
25 cm
透镜的放大本领：
tan u'
y' s'
y f
y f'
tan u y
25
∴
M
tan u' tan u
25 f'
4.3 目镜
一、目镜的作用
目镜是复杂的放大镜，其特点：M大，视场大， 可以校正象差。
{ 目镜一般由两个或
几个薄透镜组成
接目镜（视镜） 向场镜（场镜）
二、两种目镜
1. 惠更斯目镜
1.0
v 555
特点：（1）因人而异
555nm
（2）背景亮度（背景暗，向短波方向移动）
三、光通量Φ
光通量—客观辐射通量对人眼引起视觉的有效通量。
d Kmv d Kmv e d
单位：流明（lm） Km 最大光视效能
Km= 683 lm/W
单色光光通量： d 683v e d
复色光光通量：
M>0, 正立虚象
三、反射式望远镜（天文望远镜）
牛顿式反射望远镜 格雷戈里式望远镜 卡斯格伦式望远镜
近代，采用施密特物镜 哈勃太空望远镜
四、激光扩束器
• 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 幻灯机的聚光和成象 *4.10 单色象差概述 *4.11 正弦定理和正弦条件 *4.12 近轴物近轴光线成象的色差 4.13 助视仪器的分辨本领 4.14 分光仪器 的分辨本领
-s'
y
u
25 cm
透镜的放大本领：
tan u'
y' s'
y f
y f'
tan u y
25
∴
M
tan u' tan u
25 f'
4.3 目镜
一、目镜的作用
目镜是复杂的放大镜，其特点：M大，视场大， 可以校正象差。
{ 目镜一般由两个或
几个薄透镜组成
接目镜（视镜） 向场镜（场镜）
二、两种目镜
1. 惠更斯目镜
1.0
v 555
特点：（1）因人而异
555nm
（2）背景亮度（背景暗，向短波方向移动）
三、光通量Φ
光通量—客观辐射通量对人眼引起视觉的有效通量。
d Kmv d Kmv e d
单位：流明（lm） Km 最大光视效能
Km= 683 lm/W
单色光光通量： d 683v e d
复色光光通量：
M>0, 正立虚象
三、反射式望远镜（天文望远镜）
牛顿式反射望远镜 格雷戈里式望远镜 卡斯格伦式望远镜
近代，采用施密特物镜 哈勃太空望远镜
四、激光扩束器
光学 第4章 光学仪器的基本原理
例2:求一个近点为125cm的远视眼所戴眼镜的光焦度和度数。
解：已知 s 0.25m，s' 1.25m， 由空气中的透镜的物象公式得： 光焦度：Φ 1 1 1 1 1 3.2(D) 凸透镜。 f ' s' s 1.25 0.25 凸透镜的度数 3100 300(度)
12
四.人眼的视角
③ 此目镜的视角大(可达40°)，结构紧凑，适用于生物显微镜。
20
4.冉斯登目镜 (目标：最终的出射光线为平行光束) (1) 结构：由两个同种平凸透镜同向共轴而组成，两者的凸面相向，平面相背。
两透镜的间距等于透镜焦距的2/3倍，即 f1': d : f2' =1: 2/3 :1。
Q'
1
Q
2 3
F2 F
3 脉络膜—不透光暗褐色 膜，起遮光作用使眼内成 一暗房。
视神经
7 视网膜—含有许多 对光线敏感的细胞， 能感受到光的刺激。 当外面物体发出的光 束进入眼内在视网膜 上成像，由视神经传 到大脑而形成视觉。
2 角膜—巩膜在眼球前 凸出透明的部分，呈椭 圆形。有外物接触角膜， 眼睑便会由自主地合上 保护眼睛眼。
放大镜是可以帮助人眼看清微小物体及其细节的一种助视仪器。 凸透镜是最简单的放大镜。
14
1.放大本领
表达式：M l' l
l'
l s
s' tanU s'U ' tanU ' s'U '
M l' U' lU
又称视角放大率
Q
U
O
P
l
25cm
P'
s'
Q
U'
解：已知 s 0.25m，s' 1.25m， 由空气中的透镜的物象公式得： 光焦度：Φ 1 1 1 1 1 3.2(D) 凸透镜。 f ' s' s 1.25 0.25 凸透镜的度数 3100 300(度)
12
四.人眼的视角
③ 此目镜的视角大(可达40°)，结构紧凑，适用于生物显微镜。
20
4.冉斯登目镜 (目标：最终的出射光线为平行光束) (1) 结构：由两个同种平凸透镜同向共轴而组成，两者的凸面相向，平面相背。
两透镜的间距等于透镜焦距的2/3倍，即 f1': d : f2' =1: 2/3 :1。
Q'
1
Q
2 3
F2 F
3 脉络膜—不透光暗褐色 膜，起遮光作用使眼内成 一暗房。
视神经
7 视网膜—含有许多 对光线敏感的细胞， 能感受到光的刺激。 当外面物体发出的光 束进入眼内在视网膜 上成像，由视神经传 到大脑而形成视觉。
2 角膜—巩膜在眼球前 凸出透明的部分，呈椭 圆形。有外物接触角膜， 眼睑便会由自主地合上 保护眼睛眼。
放大镜是可以帮助人眼看清微小物体及其细节的一种助视仪器。 凸透镜是最简单的放大镜。
14
1.放大本领
表达式：M l' l
l'
l s
s' tanU s'U ' tanU ' s'U '
M l' U' lU
又称视角放大率
Q
U
O
P
l
25cm
P'
s'
Q
U'
第四章 光学仪器的基本原理
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§4-2 助视仪器的放大本领 单击此处编辑母版标题样式
一、放大本领的概念： • 单击此处编辑母版文本样式 • 第二级 Q U • 第三级 P • 第四级 H′ H • 第五级 Q′
Q F P′
上一页
O -l
U′ K
O
F′ -l′
7
P
总目录
• • • • • 单击此处编辑母版文本样式 F F1′Δ F2 第二级1 Q P′ P// 第三级 P 第四级 物 Q′ 第五级 镜
目 镜
l′ O 简化眼
Q//
13
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y y y ' y1' tan u ' tan u , tan u ' ' 单击此处编辑母版标题样式 f2 f2 f2 25
' 1 ' 1
南华大学数理学院
显微镜的放大本领： • 单击此处编辑母版文本样式 y1' f 2' y1' 25 M • 第二级 y 25 y f 2' 物 M目
• 第三级 • 第四级 • 第五级
y
•
• F1' 物镜
F •2 -y1'
-u'
目镜
y1' f1' 物 ' ' y f1 f1
﹡§4.7 光度学概要——光能量的传播 §4.8 物镜的聚光本领 §4.1０助视仪器的分辨本领
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§4-2 助视仪器的放大本领 单击此处编辑母版标题样式
一、放大本领的概念： • 单击此处编辑母版文本样式 • 第二级 Q U • 第三级 P • 第四级 H′ H • 第五级 Q′
Q F P′
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U′ K
O
F′ -l′
7
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目 镜
l′ O 简化眼
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y y y ' y1' tan u ' tan u , tan u ' ' 单击此处编辑母版标题样式 f2 f2 f2 25
' 1 ' 1
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显微镜的放大本领： • 单击此处编辑母版文本样式 y1' f 2' y1' 25 M • 第二级 y 25 y f 2' 物 M目
• 第三级 • 第四级 • 第五级
y
•
• F1' 物镜
F •2 -y1'
-u'
目镜
y1' f1' 物 ' ' y f1 f1
﹡§4.7 光度学概要——光能量的传播 §4.8 物镜的聚光本领 §4.1０助视仪器的分辨本领
光学-光学仪器的基本原理
散光眼
远点矫正到 无穷远
凹 透 镜
近点矫正到 凸 明视距离 透
镜
眼球在不同方向的平面内曲率不同
非球面透镜矫正
[例]某人对2.5m以外的物看不清，需配多少
度的眼镜？另一个人对1m以内的物看不清，
需配怎样的眼镜？
1 1 1 s s f
解：第一人，对2.5m以外的物看不清， 远 点变近，需把远点矫正到 无穷远
第四章 光学仪器的基本原理
Principles of Optical Instruments
引言： 1、复色光经透镜折射，不同波长的光折射率不同，同一物点 对应不同像点，产生色差。 2、单色光作光源，s′=s′（u），非近轴物非近轴光线产生像 差。 像差和色差都严重破坏像之清晰程度。 另外，如果从能量方面考虑，进入光具组的光束不宜过窄； 而且为了使视场广阔，物体也不宜限于近轴范围以内，像之 清晰程度与能量聚集程度和视场广阔程度之间存在矛盾。 3、光束受限制，产生衍射，一个物点成像一个光斑，不 易分辨。 清晰度与细节分辨程度之间存在矛盾。 实际光学仪器 放大本领 聚光本领 分辨本领兼顾
简单放大镜的放大本领：
U
25cm
O
l
M U ' 25 U f'
f '以 cm为单位
§4-3 目 镜
从上节知，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。
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放大 人眼视角的目的。
f1' 3a
f
' 2
a
d 2a
1
Q 'Q
光学 第四章 光学仪器基本原理1
放大镜的放大本领为：M U 25 U f
U’
放大镜特点是：
F s0=25cm
放大镜
焦距 f << 明视距离，
光学
第四章 光学仪器的基本原理
第二节 助视仪器
3、目镜
目镜是放大镜的一种，它是用于放大其它光具组（物镜）所成的像。显微 镜和望远镜都由物镜和目镜组成。
物镜
目镜
目镜
场镜 视镜 物镜
目镜一般也是光组 常用的目镜有惠更斯目镜和冉斯登目镜
光学
光学
2014年11月
光学
第四章 光学仪器的基本原理
本章主要内容
人的眼睛构造及其性能 光学仪器：放大镜、显微镜、望远镜、光谱仪 光阑和光瞳 光度学基本概念 像分辨本领和光谱分辨本领
光学
第四章 光学仪器的基本原理
第一节 人的眼睛
1、眼睛的构造
眼轴 角膜 视轴 前房液
视网膜
睫状肌 晶 状 体 虹膜 盲点
F1
F F2
F2’ F1’ F’
H
a
H
光学
第四章 光学仪器的基本原理
作业： P207
4.1
4.2
空间分辨率: 能够分辨的最近两点对眼睛的张角
d L
=180 60 dmin L
正常人眼在明视距离处， < 1'，可分辨的两点距离约为 dmin=0.1mm
光学
第四章 光学仪器的基本原理
第一节 人的眼睛
3、眼睛的视觉特性
时间分辨率: 人眼具有视觉的残留效应，视觉残留时间在0.1-0.4秒左 右。即相隔0.1-0.4秒两次光的闪烁，不能被人眼分辨。正常眼睛的时间分 辨率一般取0.1秒。
3、目镜
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明视距离：物体太远，在视网膜上成的像太小，物体的细节分不清；物体 太近（不近于近点），虽然能分辨物体的细节，但时间长了，眼睛会疲劳。只有 在适当的距离上眼睛才能比较舒适的工作，这个距离称为明视距离，一般为 25cm左右。
瞳孔：控制通光量的大小，大视图
巩膜 角膜
脉络膜
O
F‘
矫正前
F‘
近点 明视距离
O
F‘
矫正后
[例] 求一个近点为125cm的远视眼所戴眼镜的光焦度.
近点 明视距离
O
F‘
l' l
[解] : 对所戴凸透镜而言,已知 l 0.25m l ' 1.25m
由空气中的透镜成像公式有 :
1 f'
11 l' l
1 1 3.2(D) 320(度) 1.25 0.25
近视眼：肌肉不能完全放松，焦距偏短，眼球变凸，远的物体成像在视网 膜的前面而看不清。远点为有限远，近点比正常眼更近。需用发散的凹透镜来矫 正。
远视眼（老花眼）：肌肉不能完全收缩，焦距偏长，近的物体成像在视网 膜的后面而看不清。远点在眼睛之后（虚物），近点比正常眼更远。需用会聚的 凸透镜来矫正。
散光：焦距的大小不是轴对称，在不同的平面内有不同的焦距。
第四章 光学仪器的基本原理
4.1 眼睛
类似于具有变焦镜头的照相机。其物像方折射率不同，物方折射率小于像 方折射率。调焦是通过改变焦距大小来实现的。
远点和近点：肌肉完全松弛和完全收缩时所能清楚看到的点。
正常眼：对无穷远，肌肉放松，此时焦距最长；对有限远，肌肉收缩，晶 状体受压迫，焦距变短。远点为无穷远，近点为十几厘米左右。
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
距。主轴上的一个物点将成两条像线。——像散。
• 矫正方法：戴柱面透镜。利用其像散作用，与散光眼的像散相抵消。
求所戴眼镜的光焦度。
[解] :已知
l l 0.2m
由空气中的高斯公式
1 l'
1 l
1 f'
有 : 1 1 1 1 1 5 (D) 500 (度) f ' l' l l 0.2
远视眼：近点比正常眼远的人眼 特点：晶状体曲率半径比正常眼大；像方焦点在视网膜后，焦距长。
近点
O
明视距离
视角：物体对眼睛所张的角度。物体越近，视角越大，在视网膜上成的像 越大；物体越远，视角越小，在视网膜上成的像越小。
最小分辨角：能够分辨的最近两点对眼睛所张的视角。与视网膜上的感光单 元结构有关，不同部分有很大的差别。虽然人眼的视场角很大，水平方向的视场 角约160°，垂直方向的视场角约130°。但只有靠近光轴的中央很小区域（称 为黄斑，相应的视角约为6°--7°）里，分辨本领最高，在较好的照明条件下， 最小分辨角接近1′。趋于视网膜边缘，分辨本领急剧下降。由于人眼的眼球可以 随意转动，它可随时使视场的中心瞄准到需要注视的地方，因而这并不会给我们 带来影响。在照明条件较差的情况下（夜晚），最小分辨角变大，可达1°以上。
瞳孔 虹膜 角膜
巩膜
网膜 脉络膜 黄斑中心凹
晶状体
盲斑
似双凸透镜，是眼睛光学系统的成像元件，其密度和折射 率都是不均匀的，由里层到外层逐渐减少，有利于提高
成像质量。晶状体的平均折射率为1.40，其周围是毛状肌 能改变晶状体的表面曲率，使人眼在看远近不同的物体时，
人眼的构造剖视图
瞳孔 虹膜 角膜
巩膜
是锥状细胞的密集区而没有杆状细胞，由中心向外，逐渐相对变化；
人眼的构造剖视图
瞳孔 虹膜 角膜
巩膜
网膜 脉络膜 黄斑中心凹
晶状体
盲斑
黄斑中心凹是人眼视觉最灵敏的地方。
光 视神经细胞
神经纤维
盲斑
大脑
盲斑是网膜上没有感光元素的地方，不能引起光刺激。
晶状体在虹膜后面，是由两个不同曲率的面组成的透明体，
人眼的构造剖视图
情况下将其简化成如下的模型：
r 5.7mm
58.48D
F
n' 4 O3
F‘ r ' 9.8mm
f 17.1mm f ' 22.8mm
光心
高尔斯特兰简化眼
近视眼：远点在有限远处的人眼。
矫正前
P
O
F‘
远点
O
F‘
远物
P‘
O
远点
F‘
矫正后
[例] 一个远点为0.2m的近视眼戴上眼镜后远点可恢复到无穷远。
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。
➢照相机中，正立的人在底片上成倒像， 人眼也是成倒像
➢但我们感觉为什么还是正立的？
➢这是视神经系统内部作用的结果。
简化眼
从上页图看出：人眼是一个由角膜、水状液、晶状体和玻璃液所组 成的，物、像方折射率近似相等的，可变焦距的，共轴复杂光学系统 （光具组）。它能在视网膜上清晰成像。
它是一个能自动调节且精密的光学仪器。其结构相当复杂。在许多
➢ 眼睛的视场很大，可达150˚，但只有黄斑附近 才能清晰识别，其他部分比较模糊， 所以能看 清物体的角度范围为6 ~ 8˚。
➢从光学角度看，眼睛中最主要的是：水晶体、视 网膜和瞳孔。
➢眼睛和照相机很相似，如果对应起来看：
➢人眼瞳孔 水晶体
↕
↕
↕
➢ 照相机 镜头
视网膜 底片 光阑
➢人眼相当于一架照相机，它可以自动对 目标调焦
膜肌肉能使瞳孔的直径在2~8mm范围内变化；它是人眼
的孔径光阑。
人眼的构造剖视图
瞳孔 虹膜 角膜
巩膜
网膜 脉络膜 黄斑中心凹
*网膜是眼球的第三层膜，上面布满着感光元素，即锥状细胞和杆状
细胞，锥状细胞直径约5微米，长约35微米；杆状细胞直径约2微米
，长约60微米。它们在网膜上的分布式不均匀的。在黄斑中心凹处
*巩膜是眼球的第一层保护膜，白色、不透明、坚硬； *角膜是巩膜的最前端部分，无色而透明；
眼睛内的折射主要发生在角膜上； *脉络膜是眼球的第二层膜，上面有供给眼睛营养的网状微血管；
人眼的构造剖视图
瞳孔 虹膜
巩膜
角膜
脉络膜
*虹膜是脉络膜的最前端部分，含有色素细胞，决定眼的颜色；
*瞳孔是虹膜中间的小孔，随着外界明亮程度的不同，虹
瞳孔：控制通光量的大小，大视图
巩膜 角膜
脉络膜
O
F‘
矫正前
F‘
近点 明视距离
O
F‘
矫正后
[例] 求一个近点为125cm的远视眼所戴眼镜的光焦度.
近点 明视距离
O
F‘
l' l
[解] : 对所戴凸透镜而言,已知 l 0.25m l ' 1.25m
由空气中的透镜成像公式有 :
1 f'
11 l' l
1 1 3.2(D) 320(度) 1.25 0.25
近视眼：肌肉不能完全放松，焦距偏短，眼球变凸，远的物体成像在视网 膜的前面而看不清。远点为有限远，近点比正常眼更近。需用发散的凹透镜来矫 正。
远视眼（老花眼）：肌肉不能完全收缩，焦距偏长，近的物体成像在视网 膜的后面而看不清。远点在眼睛之后（虚物），近点比正常眼更远。需用会聚的 凸透镜来矫正。
散光：焦距的大小不是轴对称，在不同的平面内有不同的焦距。
第四章 光学仪器的基本原理
4.1 眼睛
类似于具有变焦镜头的照相机。其物像方折射率不同，物方折射率小于像 方折射率。调焦是通过改变焦距大小来实现的。
远点和近点：肌肉完全松弛和完全收缩时所能清楚看到的点。
正常眼：对无穷远，肌肉放松，此时焦距最长；对有限远，肌肉收缩，晶 状体受压迫，焦距变短。远点为无穷远，近点为十几厘米左右。
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
距。主轴上的一个物点将成两条像线。——像散。
• 矫正方法：戴柱面透镜。利用其像散作用，与散光眼的像散相抵消。
求所戴眼镜的光焦度。
[解] :已知
l l 0.2m
由空气中的高斯公式
1 l'
1 l
1 f'
有 : 1 1 1 1 1 5 (D) 500 (度) f ' l' l l 0.2
远视眼：近点比正常眼远的人眼 特点：晶状体曲率半径比正常眼大；像方焦点在视网膜后，焦距长。
近点
O
明视距离
视角：物体对眼睛所张的角度。物体越近，视角越大，在视网膜上成的像 越大；物体越远，视角越小，在视网膜上成的像越小。
最小分辨角：能够分辨的最近两点对眼睛所张的视角。与视网膜上的感光单 元结构有关，不同部分有很大的差别。虽然人眼的视场角很大，水平方向的视场 角约160°，垂直方向的视场角约130°。但只有靠近光轴的中央很小区域（称 为黄斑，相应的视角约为6°--7°）里，分辨本领最高，在较好的照明条件下， 最小分辨角接近1′。趋于视网膜边缘，分辨本领急剧下降。由于人眼的眼球可以 随意转动，它可随时使视场的中心瞄准到需要注视的地方，因而这并不会给我们 带来影响。在照明条件较差的情况下（夜晚），最小分辨角变大，可达1°以上。
瞳孔 虹膜 角膜
巩膜
网膜 脉络膜 黄斑中心凹
晶状体
盲斑
似双凸透镜，是眼睛光学系统的成像元件，其密度和折射 率都是不均匀的，由里层到外层逐渐减少，有利于提高
成像质量。晶状体的平均折射率为1.40，其周围是毛状肌 能改变晶状体的表面曲率，使人眼在看远近不同的物体时，
人眼的构造剖视图
瞳孔 虹膜 角膜
巩膜
是锥状细胞的密集区而没有杆状细胞，由中心向外，逐渐相对变化；
人眼的构造剖视图
瞳孔 虹膜 角膜
巩膜
网膜 脉络膜 黄斑中心凹
晶状体
盲斑
黄斑中心凹是人眼视觉最灵敏的地方。
光 视神经细胞
神经纤维
盲斑
大脑
盲斑是网膜上没有感光元素的地方，不能引起光刺激。
晶状体在虹膜后面，是由两个不同曲率的面组成的透明体，
人眼的构造剖视图
情况下将其简化成如下的模型：
r 5.7mm
58.48D
F
n' 4 O3
F‘ r ' 9.8mm
f 17.1mm f ' 22.8mm
光心
高尔斯特兰简化眼
近视眼：远点在有限远处的人眼。
矫正前
P
O
F‘
远点
O
F‘
远物
P‘
O
远点
F‘
矫正后
[例] 一个远点为0.2m的近视眼戴上眼镜后远点可恢复到无穷远。
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。
➢照相机中，正立的人在底片上成倒像， 人眼也是成倒像
➢但我们感觉为什么还是正立的？
➢这是视神经系统内部作用的结果。
简化眼
从上页图看出：人眼是一个由角膜、水状液、晶状体和玻璃液所组 成的，物、像方折射率近似相等的，可变焦距的，共轴复杂光学系统 （光具组）。它能在视网膜上清晰成像。
它是一个能自动调节且精密的光学仪器。其结构相当复杂。在许多
➢ 眼睛的视场很大，可达150˚，但只有黄斑附近 才能清晰识别，其他部分比较模糊， 所以能看 清物体的角度范围为6 ~ 8˚。
➢从光学角度看，眼睛中最主要的是：水晶体、视 网膜和瞳孔。
➢眼睛和照相机很相似，如果对应起来看：
➢人眼瞳孔 水晶体
↕
↕
↕
➢ 照相机 镜头
视网膜 底片 光阑
➢人眼相当于一架照相机，它可以自动对 目标调焦
膜肌肉能使瞳孔的直径在2~8mm范围内变化；它是人眼
的孔径光阑。
人眼的构造剖视图
瞳孔 虹膜 角膜
巩膜
网膜 脉络膜 黄斑中心凹
*网膜是眼球的第三层膜，上面布满着感光元素，即锥状细胞和杆状
细胞，锥状细胞直径约5微米，长约35微米；杆状细胞直径约2微米
，长约60微米。它们在网膜上的分布式不均匀的。在黄斑中心凹处
*巩膜是眼球的第一层保护膜，白色、不透明、坚硬； *角膜是巩膜的最前端部分，无色而透明；
眼睛内的折射主要发生在角膜上； *脉络膜是眼球的第二层膜，上面有供给眼睛营养的网状微血管；
人眼的构造剖视图
瞳孔 虹膜
巩膜
角膜
脉络膜
*虹膜是脉络膜的最前端部分，含有色素细胞，决定眼的颜色；
*瞳孔是虹膜中间的小孔，随着外界明亮程度的不同，虹