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当前位置:首页 > 商业/管理/HR > 管理学资料 > 《光学教程》姚启钧原著_第四章
1现代光学第四章光学仪器基本原理2主要内容•4.1像差色差概述•4.2人的眼睛•4.3助视仪器的放大本领•4.4目镜•4.5显微镜的放大本领•4.6望远镜的放大本领•4.7光阑光瞳•4.8物镜的聚光本领•4.9助视仪器的分辨本领•4.10分光仪器的分辨本领3第四章4.1像差色差概述4(一)球面像差(球差)⒈形状:弥漫圆斑。⒉成因:透镜表面为球面,宽光束经过透镜不同环带的光线折射后与主轴交点不重合。⒊大小:球差的大小与透镜表面曲率半径r、折射率n等有关。5⒋消除方法:①加光阑限制远轴光线②将会聚透镜和发散透镜结合起来使用。③采用菲涅耳螺纹透镜,如:电影和舞台照明灯、汽车前灯、投影仪的聚光器等。P(一)、球面像差(球差)6(二)、彗形像差⒈形状:形似彗星。⒉消除方法:1)加光阑限制宽光束。2)用粘合透镜。球、慧差要求条件不一,不易同时消除.若一个透镜能消球差,则慧差也小。7(三)、像散⒈特征:远离光轴的点物窄光束经透镜成为像散光束。横截面是椭圆。2.消除方法:适当选配系统各球面的曲率半径、各介质的折射率及合理确定有效光阑的位置。8(四)、像面弯曲1.现象:对较大物平面经透镜后成的像是抛物面。2.消除方法:采用组合系统,适当的选配各透镜的焦距和折射率。9(五)、畸变1、现象:像和物不能保持几何相似。2、成因:由于物点离主轴的距离不同,而使得横向放大率不同所引起。3、特点:畸变并不影响成像的清晰程度,而只改变像的几何形状。4、消除①两种畸变的组合。②将光阑放在一组相同对称透镜中间。物平面枕形畸变桶形畸变10(六)、色差1、现象:白光入射,像的边缘呈现颜色.2、原因:不同波长的光在介质中折射率不同。P消色差方法粘和透镜。可对选定的两波长,用两个(多个)材料反号光焦度的,焦距适当的透镜粘和而成。11第四章4.2人的眼睛12视神经盲点前房液虹膜角膜巩膜睫状肌后房液(玻璃体)晶状体脉络膜●中央窝视网膜一、人眼的结构13人眼的结构14三、人眼的调节功能调节方式:自动调节和被动调节(矫正)。2、自调节: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。①自调节的限度:近点和远点之间。远点:睫状肌完全松驰,晶状体曲率半径最大,晶状体变薄。近点:睫状肌最大收缩,晶状体曲率半径最小,晶状体变厚。15②近点、远点和调节范围随年龄的增长而变化;幼年—7~8cm;成年—25cm;老年—1~2m--近点变远:幼年—无限远;老年—数米--远点变近:③正常眼眼前25cm处-明视距离。3、人眼的缺陷及矫正——被动调节。①近视眼:远点在有限远处。②远视眼:近点比正常眼远。三、人眼的调节功能16近视眼及其矫正(1)成因:(2)矫正:晶状体太厚,折光能力太强,成像于视网膜前。配戴用凹透镜做成的近视眼镜。三、人眼的调节功能17远视眼及其矫正(1)成因:(2)矫正:晶状体太薄,折光能力太弱,成像于视网膜后。配戴用凸透镜做成的远视眼镜。(老花眼镜)三、人眼的调节功能18③散光眼:角膜为椭球面的人眼。(像散眼)(1)成因:椭球有两个对称平面,包含长、短轴,有两个不同的焦距—像散。(2)矫正方法:戴柱面透镜。与散光眼的像散相抵消。三、人眼的调节功能19近视眼的激光手术治疗治疗前治疗后三、人眼的调节功能20第四章4.3助视仪器的放大本领21定义:被观察物对人眼光心的张角。FOF‘QPQ’P‘Uy'ys's视网膜上像的长度由物体对光心所张角度的大小来衡量(U)。''sysyU一切助视仪器设计的出发点就是增大人眼的视角一、人眼的视角2223二、放大本领''lUMlUPOQ’P‘QH’HU’'lOPQUl说明:①须将物放在同一特定位置比较两像大小。②放大镜和显微镜:明视距离处(25cm);望远镜:无穷远处。24三、放大镜Q`P`y`PQyFLO-f-s`'lU‘OlyQPU‘cm25使用放大镜的视角:````fyfysyU未用放大镜的视角:25yU最简单的放大镜--凸透镜:放大镜的放大本领:为单位以cm`f`25`fUUM25第四章4.4目镜2627一、目镜1、定义:用于放大其它光具组所成像的助视仪器。要求:A、放大本领高;B、能校正像差、色差。2、结构:场镜+视镜+分划板(刻度尺)•场镜:面向物体的透镜(或透镜组)•视镜:接近人眼的透镜(或透镜组)•分划板:包含透明刻度尺,用于提高测量精度。281)惠更斯(Huygens)目镜’视角大(可达400),结构紧凑,适用于生物显微镜。二镜凸面向物镜2:1:3:':'21dff二、两种目镜F’2F’1292)冉斯登(Ramsden)目镜Ramsden目镜的成像F1’Q’Q二镜凸面相向冉镜可用于直接观察实物,配上分划板可精确测量实物和物镜所成的像的长度。二、两种目镜30第四章4.5显微镜的放大本领3132一、光路图F1o1F1’F2o2目镜系统物镜系统-U`O-U``PQP`Q’y'yP’’Q’’惠更斯目镜明视距离33二、放大本领整个系统像方焦距为:'2'1'fffF1o1F1’F2o2目镜系统物镜系统-U`O-U``PQP`Q’y'yP’’Q’’明视距离l2f'1f镜筒长度'1ls'''''1212252525lMfffff21MM34第四章4.6望远镜的放大本领35一、定义:帮助人眼观察远处物体的放大镜。像并不比原物大,只相当把远物移近,增大对人眼的视角。1、结构:物镜系统+目镜系统2、分类:①按物镜的种类分:A、反射式望远镜B、折射式望远镜②按目镜种类分:A、开普勒望远镜:目镜为会聚透镜;B、伽利略望远镜:目镜为发散透镜。36数码防水反射式折射式37二、开普勒望远镜-U‘O-U‘’1.结构特点:物镜目镜均为会聚透镜,物镜像方焦点与目镜物方焦点重合。o1F1`F2o2物镜系统目镜系统UP`Q`'yPQQ‘’P‘’38-U‘O-U‘’o1F1’F2o2物镜系统目镜系统UP`Q`'yPQQ‘’P‘’U-U‘’'1f2f2、放大本领''''2yUUfQ对人眼的视角'1'fyU'2'12'1''ffffUUM开普勒放大本领Q’’对人眼的视角二、开普勒望远镜39三、伽利略望远镜1.结构特点:物镜会聚,目镜发散,物镜像方焦点与目镜物方焦点重合。U`O1O2F1`F2U’’Q’’PQUUQ`'y'1f2f2、放大本领'1'fyU'2'12'1''ffffUUM开普勒放大本领'''''22'yyUUffO40物镜Lo目镜Leuu’F1’F2物镜目镜u-u’O1O2PF1’f1’-f2F2物镜的横向放大率12''fMfKepler望远镜:M0Galilei望远镜:M0'yy41四、反射式望远镜(a)牛顿反射式望远镜(b)格雷戈里反射式望远镜(c)卡斯格伦反射式望远镜(d)施密特反射式望远镜牛顿反射式42抛物面牛顿反射物镜''F椭球面1F''F抛物面格雷戈里反射物镜''F抛物面双曲面卡斯格伦反射物镜几种望远镜光路图F’F’43五、激光扩束器1、定义:激光扩束器——将激光束横截面扩大的光学仪器。2、装置—倒用的折射式望远镜是很好的激光扩束器。F1`F2物镜系统目镜系统F1`F2目镜物镜开氏伽氏4445第四章4.7光阑光瞳461、定义:光学系统中凡是对光能量具有限制作用的元件。(1)保证近轴条件,改善成像质量(像的清晰度)。(2)控制成像物空间的范围。(3)控制像面的亮度。2、光阑的作用:一、光阑如:透镜的外缘、开孔、光屏等。471F2o1oP'P1F2o1oP'P有效光阑有效光阑1uu2u2u'u1uFF1、有效光阑:在所有各种光阑中,限制入射光束最起作用的那个光阑。(孔径光阑)二、有效光阑和光瞳48入瞳—有效光阑经其前方光学系统所成的像(B’)。出瞳—有效光阑经其后方光学系统所成的像(B’’)。1F2o1oBBP'P'B'B''B''B有效光阑入瞳出瞳u'u二、有效光阑和光瞳49A’ABB’边缘光线主光线主光线---通过孔径光阑中心的光线;边缘光线---通过孔径光阑边缘的光线;三、有效光阑、入瞳和出瞳的确定方法50在这个系统中,孔径光阑同时也是出瞳孔径光阑入瞳--孔径光阑对前方系统成的像入射孔径角uuLPMNABA’B’三、有效光阑、入瞳和出瞳的确定方法F51三、有效光阑、入瞳和出瞳的确定方法对确定的物点:1、求出系统中每一个光阑经其前方光学系统所成的像。2、由确定的物点对第一个透镜,以及各个像作张角,寻找张角最小一个。3、张角最小者对应的光阑为有效光阑。4、张角最小的像为入瞳;将已确定的有效光阑经其后方光学系统成像,即可求得出瞳。52在这个系统中,孔径光阑同时也是出瞳孔径光阑入瞳--孔径光阑对前方系统成的像入射孔径角uu’uLPMNABA’B’F三、有效光阑、入瞳和出瞳的确定方法53四、讨论1、若有效光阑在系统最前面,则有效光阑与入瞳重合;若有效光阑在系统最后面,则有效光阑与出瞳重合。2、入瞳、出瞳可能是实像,也可能是虚像;3、入瞳并非一定在出瞳的前面;4、通过有效光阑中心的光线称为主光线,由于共轭性,入、出瞳的中心也在主光线上;5、人眼的有效光阑就是瞳孔;6、有效光阑、出瞳和入瞳均是对给定物点而言的。三、有效光阑、入瞳和出瞳的确定方法54例、直径为D=4cm,相距d=4cm的两个薄透镜L1(会聚透镜)和L2(发散透镜),焦距分别为5cm和10cm,求:a)哪一个透镜是有效光阑?b)入瞳和出瞳的位置和大小?4cm4cmP6cm4cm三、有效光阑、入瞳和出瞳的确定方法55第四章4.8助视仪器的分辨本领56PQL●●'P'QU1UPQL●●'P'Q1UPQL●●'P'Q1U清晰分辨刚好能分辨不能分辨两物点距离变小一、分辨本领物点所成像点就是衍射图样中的中央条纹或爱里斑。571、瑞利据判:当一个中央亮斑的最大值恰和另一个中央亮斑的最小值位置重合时,两个像点刚好能分辨开。2、分辨极限角:刚好能分辨时,两物点对光具组入瞳中心的夹角(或两像点对出瞳的夹角)为夫琅和费圆孔衍射中中央亮斑的角半径:10610(,)URR入瞳半径入射光波长分辨极限角1一、分辨本领58分析:,两点的像分辨得开;,则分辨不开。的这个极限角成为光具组的分辨极限。1U1U1U3、分辨本领:分辨极限角的倒数,称为分辨本领:61.011R一、分辨本领59二、人眼的分辨本领定义:人眼刚能分开靠近的两物点的能力1、分辨极限角(最灵敏)nm5552、极限间距0311(25)0.1'''(2.2)'510lcmUmmlfcmmm瞳孔半径在1~4㎜可调。取:R≈1㎜,=550nm得'016100RU0110.61'0.61URnR(物间距)(像间距)OPQUl60极限分辨角:dRU22.161.01d:物镜直径两个像点极限距:11.22/yfdf三、望远镜物镜的分辨本领①增大相对孔径(d/f’)或②用短波光束。要增大望远镜的分辨本领,要求:-U‘O-U‘’o1F1’F2o2物镜系统目镜系统UP`Q`'yPQQ‘’P‘’U-U‘’'1f2f61四、显微镜物镜的分辩本领是物方的数值孔径,要求:unsin①增大数值孔径(nsinu)。②用短波光束(如电子显微镜)。'''1.22'ysusdsin''sin'nyunyu正弦定理sin'2'dusunysin61.062第四章4.8分光仪器的分辨本领63一、棱镜光谱仪⒈角色散率:在最小偏向角附近的角色散率为:0,limdDDd0ddndndddddD0064一、棱镜光谱仪BC’’65而即:2,2,22sin2sin201100AiAiAiAAn2sin12sin21)2(sin12sin21)2cos(2sin2
本文标题:《光学教程》姚启钧原著_第四章
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