1、第四章 光学仪器的基本原理目的要求：通过本章的学习，使学生：1 、了解人眼的结构和重要性，注意保护视力；2、掌握望远镜和显微镜的放大本领，熟悉数值孔径和相对孔径；3、 理解入射光瞳、光通量、亮度和照度等概念及物镜的聚光本领；4、了解球差和色差及其矫正方法；5、掌握助视仪器的成象分辨本领和分光仪器的色分辨本领。重 点： 望远镜和显微镜的放大本领、助视和分光仪器的分辨本领。注 意： 本章与前两章有紧密的联系，它既可以与 Chap.2 配合出题，又可以和 Chap.3 配合出题，并可单独出题。且引入的新知识又很难理解，实际上是前两章的综合应用，在科研、生产等实践中有重要意义。难 点： 光栅、光瞳及光
2、度基本概念。色差：（折射率随波长而变）象差：（起出近轴区域）破坏了象的清晰度，但从能量方面视场广阔方面，物体不宜限于近轴范围以内。这就是说：一方面要求成象清晰，尽可能消除象差和色差。另一方面又要求象场广阔而明亮，这些常常不可兼得。如果要使象差越小，衍射就会越明显，衍射花样减小，象差又趋明显。两者又是不可分割的，这又是另一类矛盾成象清晰度与细节分辨程度的关系。为了使这些关系有一个适当的处理标准，人们就特别注意权衡光学仪器的放大本领，聚光本领和分辨本领这些方面的得失。本章中对这些问题只作原理上的初步介绍。4.1 人的眼睛一、人眼结构图 4-1前房：淡盐溶液后房：玻璃液（胶性透明液体）折射率均为 1
3、3水n 宏膜二、简化眼人眼是一共轴光具组，这一光具组能在视网膜上形成清晰的象。由于这一共轴光具组结构很复杂，因此在许多情况下，往往将人眼简化为只有一个折射球面的简化眼。简化眼结构的光学常数为 34n折射面曲率半径 m7.5R网膜曲率半径 891.f m8.2f三、人眼的调节功能人眼的光心：简化眼的曲率中心。眼对物体的大小感觉：是以物体在视网膜上所形成的象对光心的张角大小来衡量的。为了使不同距离的物体都能在网膜上形成清晰象，必须改变眼睛的焦距，人眼的调节主要借助于水晶体的作用。远点：（松驰）能看清楚的最远点。近点：（紧张）能看清楚的最近点。明视距离：适当的照明下，通常的眼观察眼前 25cm 处的
4、物体不费力，而且能看清楚物体的细节。近视眼：远点在有限距离。 （远点移近）远视眼：近点变远。4.2 助视仪器放大本领一、放大本领的概念助视仪器：用以改善和扩展视觉的光学仪器。如：放大镜、显微镜、望远镜等。图 4-2放大本领： utglM即象对眼的张角与物体直接对眼的张角之比二、放大镜要明察秋毫，不但应使物体对眼有足够大的张角，而且还应取合适的距离。显然对眼睛来说，这两个要求是相互制约的，若在眼睛前面配置一个凸透镜便能解决这一问题。图 4-325)(yufys则： fM若 10fcm 则： M=2.5x4.3 目镜一、目镜的作用目镜也是放大视角用的仪器。通常放大镜用来直接放大实物，而目镜则用来放
5、大其它光具组所成的象。复杂的助视光学仪器总是包括物镜和目镜两部分。目镜通常由不相接触的两个薄透镜组成，面向物体的透镜称为场镜，接触眼睛者称为视镜。常配备一块分划板，板上包含一组叉丝或透明刻度尺，以提高测量的精度。 二、两种目镜（一）惠更斯目镜 213fd（二）冉斯登目镜 123fd4.4 显微镜的放大本领目镜的放大本领一般不超过 20x，在某些应用上仍嫌太小，欲进一步提高放大本领，就要用组合的光具组构成放大镜，这种放大镜称为显微镜。最简单的显微镜是由两组透镜构在的，一组为焦距很短的物镜，另一组是目镜，通常用惠更斯目镜。 一、显微镜的光路图为简单起见，显微镜的目镜和物镜各以单独的一块会聚薄透镜来
6、表示。 QP在明视距离处。图 4-6二、显微镜的放大本领先计算物镜的横向放大率 1fs则： 11 )(ffsfsy1f欲使物镜所成的象尽量的大，物镜的焦距 1f必须很短。其次考虑目镜的放本领。目镜当作放大镜，将 QP放大， 在明视距离处，根据前一节讲的内容 25fuM2f也必须很短。要使最后的象尽量地大， 的位置应尽量地靠近目镜物方焦平面 F2。这样直线 2O可看作与 近似地互相平行。则：视角 u2fy21fs这就是显微镜所成象的视角。若不用显微镜而直接看置于明视距离处的这个物体，则视角为 25yu于是显微镜的放大本领为 lfsM21因为 f1和 f2都很短， s可近似地当作光学间隔 ，亦可近
7、似地当作物镜与目镜之间的距离，即镜筒之长 l，于是：)5(2121flfs显微镜的放大本领亦可用下述方法导出，物镜和目镜组成的复合光具组的焦距为 21ff把整个显微镜当作一个简单的放大镜，应用 fM25，即得放大本领 )25(2511flffM与上面结果几乎完全一致。理论是自洽的。4.5 望远镜的放大本领望远镜是帮助人眼对远处物体进行观察的光学仪器。观察者是以对望远镜象空间的观察代替物空间的观察。而所观察的象，实际上并不比原物大，只是相当于把远处的物体移近，增大视角，以利观察。望远镜也是由物镜和目镜组成的，物镜用反射镜的称反射式望远镜，物镜用透镜的称折射式望远镜。目镜是会聚透镜的称为开普勒望远
8、镜，目镜是发散透镜的称为伽利略望远镜。一、开普勒望远镜由两个会聚薄透镜分别作为物镜和目镜所构成的天文望远镜，是开普勒于 1611 年首先提出的。也称折射望远镜。1F和 2重合 Q位于无限远处（望远镜的结构通常是这样）眼睛在 O 处看这象的视角为图 4-722fyQPOLu不用望远镜直接看远物。视角为 1fy所以望远镜的放大本领为 21fuM由此可见物镜的焦距越长，目镜的焦距 2f越短，则望远镜的放大本领越大， M 为负值，故形成的是倒立的象。二、伽利略望远镜伽利略于 1609 年创制的这种望远镜的特点，是用发散透镜来做目镜。物镜的象方焦点仍和目镜的物方焦点相重合。图 4-81fyu对眼睛所张的
9、角可认为 u2fyQOPL放大本领仍为 21fM是一正值，故形成正立的象。开普勒和伽利略望远镜的物镜和目镜所成的复合光具组的间隔等于零。这样的光具组叫做望远光具组。它的特点是平行光束通过时，透射出来的仍是平行光束，但方向改变。整个光具组的焦点和主平面都在无限远。伽利略望远镜的视场较小，开普勒望远镜的视场较大。不论哪一种望远镜，物镜的横向放大率都小于 1。可见放大本领与横向放大率是有区别的。4.6 光阑、光瞳一、光阑的概念以上讨论光学仪器的放大本领时，没有考虑到光束截面积的大小。就是说，没有考虑到光能流的多少。但实际上这是一个相当重要的问题。因为象的明亮程度取决于光能流的多少。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） ，光阑在光学系统中起限制光束的作用。透镜的边缘也可看作是光阑。二、有效光阑和光瞳以两个共轴薄透镜组成的光具组为例来说明：设两透镜有相等的孔径 D，彼此相隔的距离为 d。图 4-9实际起着限制光束作用的，在第一种情况中是 2L的边缘，在第二种情况中则是透镜 1L的边缘。现在要寻找一个普遍的方法，以便能确定任何复杂光具组的所有反射镜，透镜或开孔的屏中究竟哪一个在实际上起着限制光束的作用。图 4-10
