第四章光学仪器的基本原理
(完整版)光学仪器基本原理习题及答案
第四章 光学仪器基本原理1．眼睛的构造简单地可用一折射球面来表示，其曲率半径为5.55mm ，内部为折射率等于4／3的液体，外部是空气，其折射率近似地等于1。
试计算眼球的两个焦距。
用右眼观察月球时月球对眼的张角为1°，问视网膜上月球的像有多大？解；眼球物方焦距；当s ’=∞时，f=﹣5.55／﹙4／3﹣1﹚=﹣16．65㎜=﹣1．665㎝眼球的象方焦距：f ＇=s ＇=mm 2.2213455.534=-⨯当u=1°时，由折射定律n 1sinu 1=n 2sinu 2U 1=1°n 1=1,n 2=4∕3像高l ＇=f ＇tanu 2=f ＇sinu 2=f ＇×3∕4 sin1º=22.2×3∕4×0.01746=0.29mm2．把人眼的晶状体看成距视网膜2㎝的一个简单透镜。
有人能看清距离在100㎝到300㎝间的物体。
试问：⑴此人看清远点和近点时，眼睛透镜的焦距是多少？⑵为看清25㎝远的物体，需配戴怎样的眼镜？解：人眼s ＇=2cm. S 1=100cm.s 2=300cm近点时透镜焦距'f =21002100+⨯=1.961cm远点时透镜焦距f ＇=23002300+⨯ =1.987cm当s =﹣25cm 时s '=﹣100cm ﹦﹣1m34125.0100.1111=+-=---=-'=Φs s D 300=度3．一照相机对准远物时，底片距物镜18㎝，当镜头拉至最大长度时，底片与物镜相距20㎝，求目的物在镜前的最近距离？解：.18.0m f =' ms 20.0='照相机成像公式：f s s'=-'111 556.020.0118.01111-=+-='+'-=s f s ms 8.1-=目的物在镜前的最近距离为m8.14．两星所成的视角为8′，用望远镜物镜照相，所得两点相距1㎜，问望远镜物镜的焦距时多少？解：已知︒=︒⎪⎭⎫⎝⎛='=0667.06044u mmm l 001.01=='m u l f 8594.0667.0tan 001.0tan =--='='5．一显微镜具有三个物镜和两个目镜。
光学仪器的基本原理
=59.88D
6
3.1 眼睛
眼睛旳调整
视度调整
借助于使水晶体旳曲率发生变化，使不同远 近旳物体都能清楚地成像在网膜上。
当人眼在完全自然放松状态下，眼睛能看 清楚旳最远旳点称为远点。正常人眼旳远 点在无限远；
当睫状肌在最紧张时，眼睛能看清楚旳近 来旳点称为近点。
摄影物镜：由几种单透镜或复合透镜构成，以消除单色像差和色差。大部 分镜头多采用对称或亚对称镜头。
光圈：摄影物镜中一种直径可变旳光阑——物镜旳孔径光阑 视场光阑：接近底片支架处用以限制成像旳横向范围大小旳一种矩形边2框9
调焦范围
光 圈 数
变焦范围 快门速度
取景窗
UV镜 单反镜 五脊棱镜
图2.7-2 经典旳单反镜头摄影机
由物理光学可知，刚刚能辨 别开旳两点对眼睛物方节点 所张旳极限辨别角为
0
1.22
D
式中，D为瞳孔旳直径，为光波波长。
放大镜、显微镜、望远镜等助视仪器都是 为增大物体对眼旳视角为设计旳。
13
3.2 放大镜
放大镜是帮助眼睛观察细微物体或细节旳光学仪 器。凸透镜是一种最简朴旳放大镜。
为了得到放大旳像，物体应位于放大镜第一焦点 F附近而且接近透镜旳一侧。
26
美国空军武器试验室正在研制旳 超轻型折叠式合成孔径望远镜
27
No discussion of telescopes would be complete without a few pretty pictures.
天王星
Galaxy Messier 81
Uranus is surrounded by its four major rings and by 10 of its 17 known satellites
《光学》全套课件 PPT
τ
cosΔ
dt =0
τ0
I = I1 +I2
叠加后光强等与两光束单独照射时的光强之和，
无干涉现象
2、相干叠加 满足相干条件的两束光叠加后
I =I1 +I2 +2 I1I2 cosΔ 位相差恒定，有干涉现象
若 I1 I2
I =2I1(1+cosΔ
)
=4I 1cos2
Δ 2
Δ =±2kπ I =4I1
r2
§1-7 薄膜干涉
利用薄膜上、下两个表面对入射光的反射和 折射，可在反射方向(或透射方向)获得相干光束。
一、薄膜干涉 扩展光源照射下的薄膜干涉
在一均匀透明介质n1中
放入上下表面平行,厚度
为e 的均匀介质 n2(>n1)，
用扩展光源照射薄膜，其
反射和透射光如图所示
a
n1
i
a1 D
B
n2
A
n1 C
2、E和H相互垂直，并且都与传播方向垂直，E、H、u三者满 足右螺旋关系，E、H各在自己的振动面内振动，具有偏振性．
3、在空间任一点处
εE = μH
4、电磁波的传播速度决定于介质的介电常量和磁导率，
为
u= 1 εμ
在真空中u= c =
1 ≈3×108[m ε0μ0
s 1]
5、电磁波的能量
S
=E
×H ,
只对光有些初步认识，得出一些零碎结论，没有形
成系统理论。
二、几何光学时期
•这一时期建立了反射定律和折射定律，奠定了几何光学基础。
•李普塞（1587～1619）在1608年发明了第一架望远镜。
•延森（1588～1632）和冯特纳（1580～1656）最早制作了复 合显微镜。 •1610年，伽利略用自己制造的望远镜观察星体，发现了木星 的卫星。 • 斯涅耳和迪卡尔提出了折射定律
第四章 校正用的基本光学工具
放大率精度。
§ 4.6象限仪和水准仪
在产品的装校过程中，有时需要利用与水 平面有一定关系的基准来作为装配基准， 下面介绍两种确定与水平基准有关的仪器， 象限仪和水准仪。
一、光学象限仪
象限仪是用来确定某一基准面与水平面倾角的仪器，其原理如图 4-20所示。水准器1固定在回转刻度盘2上，度盘周围刻有 ±120°分划，格值为1′。回转刻度盘2的回转轴与基体3配合， 基体3上有指标。当水泡居中并指示的角度值为零时，则基体3的 基准面与水准器的轴线(即水平线)平行。当需要确定某一基面与 水平线夹角为a时，可先将象限仪的指标指示a角，再把象限仪放 在需要确定的基准面上，然后调整此面使象限仪的水泡居中，此 时，被确定的基准面的位置即达到要求。 图4-21表示基准面4与水准器夹角为a。 上述象限仪属于金属度盘式，它的读数精度不高。这种象限仪一 般用在要求不高的校正工作中。
二、水准仪
水准仪一般在大地测 量中测量高差用，而 在产品的装校中，则 用来给出一个水平基 准。
水准仪的基本构造如 图4-24所示。
图4-25为简单水准 仪的光学系统原理图。
上述系统属于最简单的内调焦式水准仪光学系统，对于要求高的精密水准仪 的光学系统，还要在系统中配备测微平板玻璃，作为补偿读出高差尾数之用。 为了读出高差尾数，在镜内配有显微系统和刻尺。并采用“符合水泡”。所 谓“符合水泡”就是通过棱镜系统把水泡反射象纵向分成两半，再将两端的 象并列。当水准器居中时，水泡两端反射象就对齐(即符合)，如图4-26(a) 所示，图中(b)表示水泡反射象未符合，说明水准器未安平。由于人眼横向对 准精度高，这种结构提高了安平精度。
光学仪器的分辨本领
光学仪器的分辨本领第四章光学仪器的基本原理●学习⽬的通过本章的学习，使得学⽣熟悉光学仪器的基本原理，掌握如何使⽤这些光学仪器，了解基本光学仪器的构造和原理以及正确的使⽤⽅法。
●内容提要1、掌握光学仪器的基本⼯作原理；2、了解⼏何光学仪器的构造、使⽤⽅法；3、了解助视仪器的分辨率；4、光度学基础。
●重点1、光学仪器的基本⼯作原理；2、⼏何光学仪器的构造、使⽤⽅法；3、助视仪器的分辨率。
●难点1、光学仪器的基本⼯作原理；2、助视仪器的分辨率。
●计划学时计划授课时间6学时●教学⽅式及教学⼿段课堂集中式授课，采⽤多媒体教学。
●参考书⽬1、《光学教程》第三版姚启钧著，⾼等教育出版社，第四章2、《光学》第⼆版章志鸣等编著，⾼等教育出版社，第三章3、《光学原理》上册，玻恩，科学出版社，第三、四、五、六章§4.1 ⼏何光学仪器⼀、⼈的眼睛1. 眼球壁主要分为外、中、内三层外层由⾓膜、巩膜组成。
前1/6为透明的⾓膜，其余5/6为⽩⾊的巩膜，俗称“眼⽩”。
眼球外层起维持眼球形状和保护眼内组织的作⽤。
⾓膜是接受信息的最前哨⼊⼝。
⾓膜是眼球前部的透明部分，光线经此射⼊眼球。
⾓膜稍呈椭圆形，略向前突。
横径为11.5—12mm ，垂直径约10.5—11mm 。
周边厚约1mm ，中央为0.6mm 。
⾓膜前的⼀层泪液膜有防⽌⾓膜⼲燥、保持⾓膜平滑和光学特性的作⽤。
⾓膜含丰富的神经，感觉敏锐。
因此⾓膜除了是光线进⼊眼内和折射成像的主要结构外，也起保护作⽤，并是测定⼈体知觉的重要部位。
巩膜为致密的胶原纤维结构，不透明，呈乳⽩⾊，质地坚韧。
中层⼜称葡萄膜，⾊素膜，具有丰富的⾊素和⾎管，包括虹膜、睫状体和脉络膜三部分。
虹膜：呈环圆形，在葡萄膜的最前部分，位于晶体前，有辐射状皱褶称纹理，表⾯含不平的隐窝。
不同种族⼈的虹膜颜⾊不同。
中央有⼀2.5-4mm 的圆孔，称瞳孔。
睫状体：前接虹膜根部，后接脉络膜，外侧为巩膜，内侧则通过悬韧带与晶体⾚道部相连。
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
光学仪器的基本原理 光度学的基本概念
正常眼明视距离为25cm
一.放大本领定义
l ' tgu' u '
M
l tgu u
二.简单放大镜的放大本领
M
y s
y 25
y f 25
y 25 f
以cm为单位
一般3~5×复式放大镜可达20× ,物放在焦点内侧，成一放大正立虚象
三.显微镜的放大本领
书上导出方法可得 M
1
2
三.光源较远时物镜的聚光本领·相对孔径
E
d ds
B0n2
sin 2
u
代换 sin u
sin u
d x
2 x p
x xp
f
x f
x p f
f
p
∵ x
f
为物象的横向放大率 E' B0n'2 sin 2 u' B0n'2
4
d pd
1 4
B0 n' 2
2 p
d
第四章 光学仪器的基本原理
教学目的：
本章围绕衡量光学仪器特性的三个本领进行教学。通过本章的 学习，使学生掌握仪器常用的放大本领。了解仪器的震光本领及其 相关因素。使学生了解光度学中的一些基本概念，了解相差的一些 类型及成因 .
重点：放大本领和分辨本领 难点：光度学中的概念 教学方法：课堂讲授、结合仪器演示
d/ f'
显微镜物镜：象分辨本领 y' 1.22 s'
d
yn sin u y'n'sin u'
y 1 0.61 小y小
n sin u
三.分光仪器的色分辨本领
1.棱镜光谱仪 角色散率
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。
光学教程-总结
s in 1
0.61
R
1.22
D
艾里斑的线半径为： l 1.22 f
D
第二章 光的衍射
任何具有空间周期性的衍射屏都可以叫衍射光栅。
I
p
Ap2
s in 2 u2
u
sin2 N(d sin
sin2(d sin )
)
I0
s in 2 u2
u
sin2 Nv sin2 v
第二章 光的衍射
光栅衍射的强度分布 I / I0
B
r s
第三章 几何光学基本原理
近轴光线条件下球面反射的物像公式
1 1 2 s s r
对于r一定的球面，只有一个s
P
和给定的s对应，此时存在确定的像点。
这个像点是一个理想的像点，称为高
斯像点。s称为物距， 称s为 像距
1 1 1 s s f
C P O
这个联系物距和像距的公式称为球面反射物像公式。
人眼的分辨本领是描述人眼刚刚能区分非常靠近的两个物点的能 力的物理量。
瞳孔的分辨极限角为
U0
0.610
R
0.610
555 10 7 cm 0.1cm
3.4 10 4 rad
1
望远镜物镜的分辨极限常以物镜焦平面上刚刚能够分辨开的两个 象点之间的直线距离来表示，这极限值为
y
f 1
1.220
d
/ f
显微镜是用以观察在其物镜第一焦点附近（靠外）的物体的光学
系统。物体经物镜折射后在中间像面上所产生的艾里斑与平行光束 衍射时有几乎同样大小的角半径。
y 0.610
n sin u
第四章 光学仪器的基本原理
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。
第四章 光学仪器的基本原理
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第四章 光学仪器的基本原理
习
一对双星的角间隔为0.05〃。
5-4
题
4.1 (1）需要多大口径的望远镜才能分辨它们？ (2）此望远镜的角放大率应设计为多少才比较合理？ 4.2 一台天文望远镜的口径为2.16米，由这一数据你能进一步获得关于它在光学性能方面 的哪些知识？ 4.3 一台显微镜,已知其N· A=1.32，物镜焦距f0 = 1.9mm，目镜焦距f = 50mm，求 （1）最小分辨距离； （2）有效放大率； (3) 光学筒长。 4.4 用一架照相机在离地面200公里的高空拍摄地面上的物体，如果要求它能分辨出地面 上相距1m的两点，照相机的镜头至少要多大？设镜头的几何象差已很好地消除，感 光波长4.000×10-5cm。 4.5 已知地月距离约为3.8×105公里，用口径为1m的天文望远镜能分辨月球表面两点的最 小距离是多少？ 4.6 已知日地距离约为1.5×108公里，要求分辨太阳表面相距20公里的两点，望远镜的口 径至少需有多大？
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。
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例
[解] 圆孔光阑D在物镜的焦点上，它对物镜所 成的像D'在物方的无限制远处。而望远镜所观 察的物点也在无穷远处，所以物点对D'所张的 角为180°，由此可见D'不会是入射光瞳。 再把D2对物镜成像，此时，物距s2 120cm，
例
[解] f1' 100 cm，所以像距
s2'
120100 20
-u'
目镜
简化为 单个透镜
光学间隔△ = F1'F2 △ ～ l（筒长） f1' , f2很短
tan u y , 25
tan u'
y1' f2
y1'
f
' 2
显微镜的放大本领：
tan u'
y1'
f
' 2
M
y1' y
f2' 25
y1' 25
y
f
' 2
物M目
物
近代，采用施密特物镜 哈勃太空望远镜
哈 勃 望 远 镜
四、激光扩束器
会聚产生 电离
倒装的伽利略望远镜
补充：设开普了勒望远镜和伽利略望远镜的物镜 和目镜之间的距离均为10cm，视角放大率均为3倍，
分别求它们的 f1’， f2’ 。
4.6 光阑 光瞳 一、光阑的概念
光阑——光学系统中具有透光孔的屏。
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：
d
683 v e d
0
0
发光效率： P
四、发光强度
发光强度——表征光源在一定方向范围内发出的 光通量的空间分布的物理量。
d f1' f2'
,
df ' 0
d
d 1
2
f1'
f
' 2
4.13 助视仪器的分辨本领
爱里斑
{前
衍射作用不容忽视 圆孔衍射 0.61
光学系统中，透镜相当于圆孔
R
言
理想成象 点物 点象
考虑衍射现象 点物 爱里斑
••
• ••
分辨不清
一、分辨本领
1. 定义 光学系统分辨细微结构的能力。
象 象畸
球
彗
场 散变
差
差
弯
曲
枕
桶
形
形
畸
畸
变
变
色差
由于透镜对 不同波长光 会聚能力不同 引起的
色差： 阿贝数（V数） V nD 1 nF nC nD——黄色折射率 nF——蓝色折射率 nC——红色折射率
消色差
1. 两种不同材料胶合
2. 同种材料组合
满足 则，
1 f'
1 f1'
1
f
' 2
I d d
单位：坎德拉（cd）
SI中，七个基本单位之一
如果各个方向发光强度相同，则
Id 4I
坎德拉是一光源在给定方向上的发光强度， 该光源发出频率为5.40×1014 Hz的单色辐射， 而且在此方向上的辐射强度为1/683 W/sr。
（sr为球面度）
五、照度和出射度
照度E——单位面积上接收的光通量。
二、两种目镜
1. 惠更斯目镜
L1
H' •F
L2 H
f1'
3a,
f2'
a,
d
2a
1 2
f1'
f
' 2
组合： f ' 3 a 2
消色差
特点：（1） 消色差；
（2）只能接在物镜后，使成象在明视距离， 起放大作用；
（3）视场大。
2. 冉斯登目镜
•
F
H' H
f1'
a,
f
' 2
相对 孔径 d/f '
象面 照度
1/1 1/1.4 1/2 1/2.8 1/4 1/5.6 1/8 1/11 1/16 1 1 1 1 11 1 1
1 2 4 8 16 32 64 128 256
*4.10(12) 象差
象差的分类
单色象差
轴上点 （宽光束）
轴外点
轴外近点 （宽光束）
轴外远点 （细光束）
E d dS
单位：勒克斯(lux), lm/m2
点光源
E Id I cosdS
dS
dS
R2
I
cos
R2
α
R
dS
面光源
出射度M——单位面积上辐射出来的光通量。
M d dS
单位：勒克斯(lux), lm/m2
六、亮度
亮度L——辐射面上单位投影面积，在单位 立体角内辐射的光通量。
分析有效光阑、入射光瞳、出射光瞳的思路：
（1）明确考虑的物点P；
（2）所有光阑（包括透镜）对它前面透镜成象； （或者将光阑作为象，求对其左方的光学系统 而言的对应的物）
（3）比较，求所得到的象对P点张开的孔径角，其 最小者所对应的光阑是有效光阑；
（4）最小的象即是入射光瞳； （5）有效光阑对其右边的光学系统成象得到
作用： 1. 限制孔径角大小 2. 限制轴外成象光束 3. 控制光通量 4. 挡掉杂散光
{ 以作用分类： ☆有效光阑——限制轴上物点孔径角 视场光阑——限制轴外成象
二、有效光阑和光瞳
有效光阑——在所有各光阑中，限制入射光束 最起作用的那个光阑。
是针对轴上某一点而言。
• P
Q•
特点：
12
（1）对指定某一物点而言；
有限远的物
物镜
目镜
u
F1•'
F2
-u'
放大本领：
M
tan u' tan u
y1' y1'
f2' s1'
s1' f2'
∴
M
s1'
f
' 2
二、伽利略望远镜
目镜
u
f1'
0,
f
' 2
0
u'
F1'• F2
放大本领：
M
f1' f2'
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
*4.1 人的眼睛 一、人眼的结构（从光学仪器的角度来讲）
图
从几何光学的角度， 人眼
照相机
几个名词：
是一个精密成象的 光学仪器
瞳孔——控制进入人眼的光通量。
晶状体——可调焦距的凸透镜。
视网膜——接收象。
二、简化眼
从几何光学的观点来看，人眼是一个由不同介质 构成的共轴光具组，因而可以简化成单折射球面 的简化眼。
y1' y
f1' f1'
f1'
M
f1'
25
f
' 2
25 f'
f
'
f1'
f
' 2
∴
M
25 f'
4.5 望远镜的放大本领
{ 望远镜
{ { 远物，小视角
反射镜—反射式望远镜 物镜，f1'长 透镜—折射式望远镜 目镜 会聚—开普勒望远镜
发散—伽利略望远镜
L d
dS cos d
单位：cd/m2
S
dΩ θ
dS
由发光强度定义，L可写为：
L dI
dS cos
扩展光源dI cosθ
L与θ无关 朗伯定律
朗伯光源
漫反射 朗伯反射体
七、三原色原理
{ 红光 R (=700 nm) 绿光 G ( =546.1 nm) 蓝光 B (=435.8 nm)
a,
d
2a 3
组合： f ' 3 a 4
特点： （1）直接可当放大镜使用；
（2）与惠更斯目镜比较，可直接作放大镜 观察实物，惠更斯目镜只能观察象；
（3）整个系统比较长。
4.4 显微镜的放大本领
{ 显微镜 物镜——一组透镜，焦距f1'短 目镜——一组透镜，焦距f2
y ••
F1' 物镜
F -y1•'2
一、开普勒望远镜
无穷远的物 物镜 = 0
目镜
u
-yF11'• F2
-u'
tan u'
y1 f2
y1 f2'
tan u
y1 f1'
y1 f1'
放大本领：
M
tan u' tan u
y1' y1'
f
' 2
f1'
f1' f2'