光学仪器

几何光学仪器分类：成像仪器、助视仪器、分光仪器①成像仪器（横向放大仪器）：照相机（摄影机、摄像机）投影机（放大机、放映机、投影仪、幻灯机）主要用途：像的记录、缩放及显示②助视仪器（视角放大仪器）：放大镜、显微镜、望远镜主要用途：放大视场角、测量角度或长度③分光仪器：分光计、单色仪、摄谱仪描述几何光学仪器的三个要素：放大本领、集光本领、分辨本领主要用途：光谱分析放大本领和集光本领由光学系统的几何参数决定，分辨本领由仪器的衍射极限决定。§8光学仪器2020/2/1428.1投影仪器放大率与s’成正比'''yssVysf成放大、倒立、实像特点：画片在物方焦面外附近，物距像距投影仪器：电影机、幻灯机、印相放大机、投影仪等sf'sf投影仪器结构反光镜聚光器光源物镜P2P1'P2'P1Q'投影屏3特点：物在远处，感光底片在像方焦面附近，像距8.2照相机成缩小、倒立、实像景深'22//xxfxx''sfx越小，景深越小，拍近物时，稍远的物体就模糊；拍远物时，背景可以很清晰。(1)简化眼模型人眼的结构特点：从生物医学角度：一个极为复杂的生物组织，包括虹膜、瞳孔、角膜、晶状体、巩膜、脉络膜、视网膜等。从仿生学角度：一架结构极为复杂而又能够理想成像的变焦距摄像机。角膜+晶状体——成像物镜；虹膜+瞳孔——孔径光阑、入射和出射光瞳；巩膜+脉络膜——暗箱；视网膜——感光芯片。眼睛的结构睫状肌前房虹膜巩膜视网膜晶状体角膜瞳孔后房玻璃状液黄斑视神经盲点F'8.3眼睛成像原理：通过睫状肌压缩水晶体，以改变折射球面的曲率半径，从而改变其焦距f。观察无限远处的物体（将无限远处物体成像于视网膜上）时，睫状肌处于最松弛状态，折射球面的曲率半径约为5.7mm，物像方焦距分别为17.1mm和22.8mm。欲看清楚近处物体，须张紧睫状肌以压缩水晶体，使折射球面曲率半径缩小，焦距变短。瞳孔的机能：一个大小可变的孔径光阑，用以调节进入眼睛的光通量。明亮的环境中，瞳孔较小；较暗的环境中，瞳孔将变大。简化眼模型：眼睛——折射球面或位于眼的节点处的会聚透镜。物方为空气，像方为折射率近似等于4/3的水晶体。像落在视网膜上，视网膜的曲率半径约等于9.7mm。从眼睛光心到视网膜的距离恒定，约等于眼球的直径，即2.2cm。远点：睫状肌处于完全松弛状态时，眼睛能看到的最远点。近点：睫状肌处于最紧张状态时，眼睛能看到的最近点。明视距离：眼睛在正常状态下能十分清楚地看清物体时，物到眼睛之距离。正常人的眼睛：远点在无限远处，明视距离约为25cm。由于肌肉的收缩总有一定的限度，近点到眼睛尚有一段距离。儿童在10cm以内，青年人在10cm左右，中老年人则在100cm左右。正视眼(2)远点、近点及明视距离7（3）视角：物体对眼睛中心的张角称为视角，视角：ys人眼的最小分辨角：rad4109.2'1定义视角的意义：'''ystgs能够分辨的最近两点对眼睛所张视角物体在视网膜上成像的大小正比于视角最大视角：00ys①近视：眼睛的远点位于有限远处，以至于当睫状肌完全松弛时，无限远处的物只能成像在视网膜之前。起因：眼球长时间处于紧张状态，以至于使眼球的折射球面变形，曲率增大，焦距变短。矫正：在眼前加一个焦距约等于眼睛远点到眼球间距离的负透镜或负透镜组，将无限远处的物先成一个正立的虚像于眼睛的远点处。相当于将有限远的远点调整到无限远处。近视及其矫正远点远点(4)近视、远视、散光及其矫正②远视：眼睛的近点太远，以至于当睫状肌完全松弛时，无限远处物只能成像于视网膜之后。并且当眼球最紧张时，近于25cm处的物也只能成像于视网膜后。只有有限远物点才能成像于视网膜上。起因：睫状肌收缩范围缩小，以至于眼球变平，折射球面曲率减小，从而焦距增大。矫正：在眼前加一适当焦距的正透镜，使得近处物体先成一正立的虚像于眼睛的近点处。相当于将太远的近点调整到明视距离以内。远视及矫正③散光：眼睛角膜的曲面不对称，使得折射球面变为非球面，且沿不同主截面上的焦距大小不同，导致不同方向的成像清晰度不同。正规散光：最大焦距与最小焦距所处主截面正交。非正规散光：最大焦距与最小焦距所处主截面不正交。散光的矫正：正规散光可用一个柱面透镜进行矫正，非正规散光因角膜曲面的不规则而无法进行矫正。说明：无论是近视、远视，还是散光，所配眼镜的位置以眼球的物方焦平面处为最佳。因为当眼镜位于眼睛物方焦平面处时，戴与不戴眼镜所看到的物体大小相同。人眼的特点：作为一种成像光学仪器，具有高度的准确性、极高的灵敏度、精密的分辨能力以及高度的自适应性和简洁的结构。人眼的局限性：对于发生在瞬间的事件不能留下长久的记录，对太近或太远的物体看不清楚，对物的大小、远近及形状不能作出数量上的精确比较或计量。助视的意义：物体对眼睛瞳孔中心所张的视角越大，在眼睛视网膜上的成像就越大，眼睛也就越容易分辨其微小细节。因此，如果能够通过某种途径使得被观察物对眼睛所张视角得到放大，即达到助视的目的。(5)助视仪器助视仪器的放大本领（视角放大率）：w'：物体经助视仪器所成像对眼睛瞳孔中心所张视角。w：物体直接放在经助视仪器所成像的位置时，对眼睛瞳孔中心所张视角。助视光学仪器的主要作用：通过对所观察物体的预放大，以增大其对眼睛瞳孔中心所张的视角。2020/2/14138.4放大镜和目镜放大镜：放大镜的特点：0fs*放大镜的焦深：xfsfx022,)(,0'2fsx0'2ss'1s'1,x0,1x简单放大镜FLF'f'OQ'P'PQyy'-x-'xo'so-x'-2020/2/1414fsfxxx02210202sffsfx可知：fsffx0是一个很小的值0sf，2020/2/1415放大镜的视角放大率：0'25scmMff'yf0ys显微镜和望远镜中的目镜，从原理上看就是放大镜简单放大镜FLF'f'OQ'P'PQyy'-x-'xo'so-x'-8.5显微镜1）结构和光路：特点：为光学筒长''0,oEffs'',oEff显微镜成像原理FO'FOLOLEFEFE'QPQ'P'Q''P''dsox1'视角放大率：顺时针取正值，逆时针取负值，均为锐角'M视角正负的规定：1'Eyf0sy，10'OEEysMVMyf显微镜的放大本领等于物镜的横向放大率和目镜视角放大率的乘积。（2）2020/2/14180EEsMf负号表示像是倒立的0oEsMff1OoyVyf120.2,1.5,18fcmfcmcm251815000.21.5cmcmMcmcm例2020/2/14198.6望远镜（1）结构和光路：特点：'Eoff0,'oO1Q1yeFoLeL,0FeO2020/2/1420（2）望远镜的视角放大率：'M1'oyf1,'Eyf负号表示像是倒立的开普勒和伽利略望远镜：若'0,0Eoff，称为开普勒望远镜；若'0,0Eoff，称为伽利略望远镜。''oEfMf2020/2/1421（3）望远系统的用途：给出足够的视角放大率M，以分辨远处物体的细节。大孔径。这有两方面的作用：(a)接收足够多的光能量，使遥远的、较暗的物点也能被看到或拍照;(b)提高受衍射限制的分辨本领。由转动角度测二方向间的夹角(大地测量仪器，光谱仪器中的观察装置等)。(以上的放大镜、显微镜和望远镜都属于助视仪器。)哈勃望远镜其主体为长13米、直径4.3米的圆筒，望远镜主镜口径2.4米，总重量为12.5吨，研制历时13年，耗资21亿美元，2020/2/14238.7棱镜光谱仪(分光镜、摄谱仪、单色仪)1）定义：利用棱镜的色散作用将非单色光按波长分开的装置2）结构与光路：3）角色散本领：偏向角对波长的微商。ddnddnddndndddDmmm1)(2L1Ls白光紫红ddD棱镜通常装在接近产生最小偏向角位置，此时：2020/2/142412sin2=()cos2mmdndndnDddd21122222coscos1sin21sin1sin2miininddn/称为色散率，它由棱镜材料的性质确定。ddnnD2sin12sin2222sin2sinmn