大学物理实验小论文

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B、关于长度问题中的第二个问题: 由于人眼的缺陷(正常眼,近视眼,老花眼), 我们在设计望远镜时必须考虑这个问题。因此目镜 机构在望远镜轴线方向上一定留有一个调节自由度, 才能使望远镜能适合不同的使用者。
2、横向尺寸(孔径尺寸) 、横向尺寸(孔径尺寸) A、出瞳直径 由于望远镜的出瞳直径与像主观亮度有关,因此 针对不同的使用者和使用条件之中,设计合符要求的 出瞳直径。 人眼瞳孔和环境的亮度是密切相关的,它能自动 调节。一般地: 白天 眼瞳孔直径 2mm 黄昏 眼瞳孔直径 4mm 夜间 眼瞳孔直径 8mm B、场镜 在望远镜物镜的像方焦平面(或附近)加入一个 场镜(正透镜)可以减小系统的外形尺寸(主要是目 镜部分)。
ta n w ' Γ = ta n w
D Γ=− D'
Γ = −
f '物 f '目
D:进入望远系统的轴向光束的直径 D’:离开望远系统的轴向光束的直径
二、望远镜的主要指标参数: 望远镜的主要指标参数: 1、视角放大率 Γ 2、出瞳直径 D '
出瞳直径 D ' 是表示望远镜系统主观亮度的特征量。人眼 通过望远镜观察的主观亮度与系统的出瞳直径的平方成正比。 出瞳直径大,系统的像就亮,反之则暗。 f '物 tan w' D Γ= =− =− tan w f '目 D'
显微镜
人眼的极限分辨角约为 1' (角分辨本领)。当人 眼观察物体的细节时,该细节对人眼的视角大于1' , 人才能看清楚这一细节。物体对人眼的视角取决于物 体的大小和该物到人眼的距离。对于一个特定的物体 来说这个距离越近,视角越大。但人眼的调节能力有 限,物体不能无限地靠近眼睛,物体必须位于人眼的 近点之外。 当物体移到近点但视觉任小于 1' ,则人们必须借 助目视光学仪器将物体放大,放大的像对人的视角大 于 1' ,人们就看清这个物体了。对于近物放大的目视 仪器,常用的有放大镜(15X以下)及显微镜。
O1
O’1
O2
F’1 F2
来自百度文库
入射窗 视场光阑
出射 窗
孔径光阑 (出瞳)
入瞳
O1
O’1
O2
P’
p
伽利略望远镜的优点是镜筒短,光能损失小,结 构简单便于携带。但它没有中间实像不能放置分划板。 不能进行计量,另外有渐晕。因此只能作辅助性的观 察,应用不及开普勒望远镜广泛。 望远镜的放大率:三个 等价的表达式。
三、结构尺寸问题
1、长度问题 A、出瞳距离 P' 例:利用下列两组透镜,设计一个放大率为100倍的望远镜 物镜 f物 200 f物 1000 目镜 f目 2 f目 10 按理说利用以上两组透镜都可以获得放大率为100X的望远 镜。但实际上,这只是理论上的。实际中第一组透镜行不通, 为什么呢?答案是:望远镜是目视光学仪器,它是通过人眼来 观察的,应充分考虑人眼的结构问题。人眼眼瞳到角膜顶点约 为4mm,因此目视光学仪器的瞳孔距一定要大于此值。再加上 眼瞳到睫毛距约为8mm,因此,目镜焦距应不小于10mm(一 般推荐的是12.5~25mm)。因此,上述两组透镜组合,选取后 一组才是合理的。
分划板
目镜 W’
D’
W’ F2 -f ’目 出瞳
如图所示,开普勒望远镜是由正透镜的物镜和正透镜的目镜 组成。无穷远物经望远镜的物镜后,在像方焦面(目镜的物方焦 面)上成一实像,该实像再经目镜放大成像于无穷远。因此,用 它观察物体时,正常人的眼睛无须调节,观察时亦不易疲劳。 开普勒望远镜的物镜框就是孔径光阑(有效光阑),物镜框 D按正向光路成的像就是出射光瞳 D ' ,入射光瞳也是孔径光阑。 为了计量,人们也可在目镜物方焦面放置分划板,这是它的一大 优点,另一优点是没有渐晕现象,像质好。其缺点是呈倒像,在 应用中应加转像系统。
显微镜的总放大率为 Γ = M 物 • M目 = −
250∆ f '物 • f '目
即显微镜放大率与∆成正比,与物镜,目镜焦距成反比。
二、显微镜的分辨率与NA(数字孔径) 显微镜的分辨率与 (数字孔径) 显微物镜的NA被称为物镜的数字孔径(NA=nu)。 显微镜对一定波长的分辨率(σ=0.61λ/NA)完全取决于物 镜的数字孔径NA,NA越大显微镜的分辨率越高。 为了充分利用显微镜的分辨率,使显微镜分辨出的细 节能同时被眼睛分辨,显微镜必须有足够大的放大率。满 足于Γ≥500NA被称为显微镜的有效放大率。当显微镜的分 辨率或数字孔径确定后,放大率取小了则不能看清物镜已 分辨出的物体细节,取大了则造成无谓的放大,给设计与 加工带来困难,对于一般情况,取Γ=500NA。
3、出瞳距离 P '
出瞳距离是指目镜最后一表面至出瞳的距离,它的大小 是由使用条件决定的。对于15-25mm的目镜来说,出瞳就在 目镜的后焦点处,而对于长焦距的目镜则不然。
4、分辨率Ψ
望远系统对两个很近的物点仍旧能成两个分开的像点的能力 叫望远系统的分辨率Ψ。
1.22λ 140" 望远物镜分辨率的理论值 Ψ = arctg , = D D D为物镜通光口径。
B、伽利略望远镜 、
如图所示,伽利略 望远镜由正透镜的物镜 和负透镜的目镜组成, 物镜的像方焦点重合并 位于望远镜的外部。当 不考虑眼瞳的作用时, 物镜框就是系统的入射 光瞳,经目镜成的是虚 像,位于目镜的前 方 O1' ,O1' 是 系统的出 瞳,眼睛无法与之重合。 当考虑眼睛时,眼睛就 是出射光瞳,出瞳经系 统成的像就是入瞳。
CCD摄像机
镜体
显示器
控制与数 码 显 示
图1 DRMS-I 数字读数显微镜
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[1]王之江著,光学设计理论基础,科学出版社(第二版)1985年,北京 [2]张以谟主编,应用光学,机械工业出版社,1982年, [3]高凤武,李继祥主编,应用光学,解放军出版社,1986年,北京 [4] [苏]В.А.帕诺夫,显微镜的光学设计与计算,1982年09月第1版 [5] [英]D.F.霍勒 ,光学仪器及其应用,1988年08月第1版 要求:1、文章用手写 要求 2、文章字数1500——2500
一、显微镜的工作原理
物镜 y’ y F’物 f’ 物 ∆ f目 目镜
显微镜由物镜和目镜两部分组成,物镜像方焦点到目镜物方 焦点之间的距离∆称为光学间隔(∆=160~190mm)。 ∆ ∆=160~190mm 物镜的放大倍率 M 物 = y ' = − ∆
y 250 目镜的放大倍率 M目 = f '目 f '物
由于人眼的分辨率为 1'( 60 '' )。为了保证物体经 望远系统后仍被人眼分辨,物体的分辨率应有 60' ' Ψ≥ Γ 结合以上两者,系统有效放大率与分辨率的关系:
60' ' 60' ' Ψ≥ = = 0.43D Γ 140' ' D
应该指出,望远镜的分辨率与物镜的通光孔径有关, 与目镜无关。目镜只能把像放大,不能增加系统的分辨 率。
显微镜 关于 的设计与组装 望远镜
望远镜
当远处的物体对人眼的视角小于1‘时,人类 必须借助望远镜进行观察才能分辨物体。 望远镜有多种分类方式,如反射式与透射式 望远镜,而透射式望远镜又分为两类:开普勒 望远镜和伽利略望远镜。
物镜
一.望远镜系统 望远镜系统 的原理
A、开普勒望远镜 、 系统
D -w F1 f’物 孔径光阑 (入瞳)
孔径光阑 视场光阑 出瞳
F 目
物 物镜 目镜
在单透镜情况下,显微镜中成像光束的口径是由物镜边框 限制的,物镜框就是孔径光阑。物镜框经目镜所成的像就是显 微镜的出瞳。测量显微镜往往在物镜的像方焦平面上专门设置 一个光阑作孔径光阑,这时系统的入瞳位于物方无穷远外,出 瞳在整个显微镜的像方焦面上。人眼瞳孔就置于此处。 另外,限制成像范围大小的光阑称为视场光阑,显微镜的 视场光阑在目镜的物方焦面上。
三、显微镜的光束限制与光阑
光学系统除应满足物象共轭和成像放大率的要求外,还要有一定的成像范 围。为了在像平面上获得一定的光能和反映物面细节的能力。在设计光学系 统时必须按其用途、要求和成像范围,对通过显微镜的成像光束提出合理的 要求,这就是显微镜的光束限制问题。 必须指出,显微镜、望远镜等目视光学系统一定要把眼睛的瞳孔作为整 个系统的一个光阑来考虑才能得到理想的效果。
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