第4章-光学仪器的基本原理

一、构造
§4.1 人 眼
7.睫状肌
3.脉络膜： 黑色不透光
1.巩膜：白色坚韧, 厚0.4~0.8mm
2.角膜：透明， R:8mm
8.前房液— 水状体:淡盐 溶液,折射率
1.337
5.瞳孔：直径： 1.4~8mm
12.黄斑点 直径:2mm
13.中央窝:最 敏感直径 0.25mm
11.盲点:不 引起视觉
特点：晶状体曲率半径比正常眼小，外形凸出；像方焦点在视网膜 前，焦距短。
矫正前
P
O
F‘
远点
O
F‘
远物
P‘
O
远点
F‘
矫正后
[例4-1] 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。
求所戴眼镜的光焦度。
[解] :已知
s s' 0.2m
由空气中的高斯公式
1 s'
1 s
1 f'
有:
1 f'
• 4.8 物镜的聚光本领 • *4.9 像差概述 • 4.10 助视仪器的像分辨本领 • 4.11 分光仪器 的色分辨本领
§4.0 概 述
一、光学仪器及分类
1、定义：多种光学元件按一定的要求组成的系统。 2、分类：
• 按性能：显微镜、望远镜、照像机和分光镜 • 按成像性质：
• 成实像的光学仪器。如照像机、幻灯机、电影放映机、投影仪等。
• 几何光学观点：必须满足单色、近轴条件 ∵ 复色→色差 非近轴→像差
• 能量观点：不宜限于近轴区域。 要得明亮像，必须使进入光学仪器的光束尽量宽。
② 成像清晰度与细节分辨程度的矛盾 • 几何光学观点：减小像差→满足近轴条件 • 波动光学观点：光线越近轴→光束受限越紧→衍射越明显→ 像的清晰度越低
∴像的清晰度与像面亮度、分辨本领不能同时兼得，而矛盾不可避免。 因而，实际光学仪器要根据用途，权衡轻重，有针对性地进行设计制造。
从几何光学的观点来看，人眼是一个由不同介质构成的能自动调节 的共轴光具组，因而可以简化成单折射球面的简化眼模型：
58.48D
F
R 5.7mm
ຫໍສະໝຸດ Baidu
n' 4
O3
F‘
f 17.1mm f ' 22.8mm
R' 9.8mm
光心
高尔斯特兰简化眼
三、人眼的调节功能
1、定义：为使不同距离的物体都能在视网膜上成清晰像而改变眼睛的 焦距的过程。
• 近点：人眼能看清楚的最近点。人眼看近点处的物体时，睫状肌处于 最紧张的状态，晶状体曲面的曲率半径最小。
② 人眼疲劳程度与睫状肌的松紧程度有关： 看远物时，肌肉松驰，不易疲劳；看近物时，肌肉紧张，容易疲劳。
③ 近点、远点和调节范围随年龄的增长而变化； 近点变远：幼年—7~8cm；中年—25cm；老年—1~2m。 远点变近：幼年—无限远；老年—数米。 随年龄的增长，肌肉老化，自调节范围变窄。
1 s'
1 s
1 s'
1 0.2
5 (D) 500 (屈光度)
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
O
F‘
矫正前
F‘
近点 明视距离
O
F‘
矫正后
[例4-2] 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
人眼的调节方式有两种：自动调节（自调节）和被动调节（矫正）。
2、自调节： 正常人眼靠睫状肌的松驰或紧张来改变晶状体的曲率半径， 从而改变人眼焦距的过程。是人眼自动完成的。
说明： ① 自调节有一定的限度：近点和远点之间。
• 远点：人眼能看清楚的最远点。人眼看远点处的物体时，睫状肌处于 完全松驰的状态，晶状体曲面的曲率半径最大。
{ 正常眼
远点∞
度数=100×屈光度
近点（随年龄变化）
明视距离 25 cm
{近视眼——远点不在∞，凹透镜矫正
非正常眼 远视眼——近点变远，凸透镜矫正
散 光 ——角膜曲率不均匀
二、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。
第四章 光学仪器的基本原理
主要内容
本章围绕衡量光学仪器的三个本领进行教学，其中着 重介绍望远镜、显微镜的放大本领(掌握它们的工作原理 图)和分辨本领，扼要介绍聚光本领。简单介绍光度学、 像差的基本概念。
教学目的： 牢固掌握助视仪器的放大本领、分辨本领的概念及望 远镜光路的特点；掌握放大本领、分辨本领、有效光 阑、入瞳、出瞳的计算；理解物镜聚光本领、数值孔 径、相对孔径的意义；了解人眼的结构和光学仪器的 像差。
• 成虚像的光学仪器 — 助视仪器。如放大镜、显微镜、望远镜。
二、理论基础
• 主要：几何光学基本原理。 • 其它：衍射理论、工艺学、材料科学等。
三、实际光学仪器
1、理想成像的要求： • 近轴：近轴物点、近轴光线 • 单色：物体所发光线是单色的
实际光学仪器情况：非近轴和复色光。会造成如下矛盾：
2、两大矛盾 ① 像的清晰度与像场能量聚集程度的矛盾
内容分析： 第一单元（§1～§5）：助视仪器的放大本领 第二单元（§6～§9）：光度学的基本概念；聚光本领 第三单元（§10～§12）：像差概述 第四单元（§13～§14）：助视仪器的分辨本领
重、难点： 全章以放大本领、分辨本领为重点，强调仪器参数的 相互影响及相互关系。
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
10.视网膜: 视神经网
9.后房
液—玻璃
●
体:含大量
水份胶状
物,折射率
1.336
4.虹膜：带色的彩带
14.视神经
6.水晶体—眼珠,折射率为1.42的胶 状物,前后曲面半径:10mm,6mm
几个名词：
瞳孔——控制进入人眼的光通量。 光焦度： 晶状体——可调焦距的凸透镜。
1 f'
视网膜——接收像。
单位：屈光度=1/米
O
F‘
s' s
④ 适当照明下，正常眼观察眼前25cm处的物体是轻松的，且能看清物体 的细节。称25cm为明视距离。
因此，在设计和使用助视仪器时一般都使虚像成于明视距离、无穷 远处或其间的某一位置处。 3、人眼的缺陷及矫正——被动调节：外加辅助仪器改变焦距的过程。 具备完善的自调节功能的人眼称为正常眼；反之，称为非正常眼。 ① 近视眼：远点在有限远处的人眼。