光学ppt课件 --第四章.ppt
南华大学南华大学第四章第四章 光学仪器的基本原理光学仪器的基本原理N NA AN NH HA AU UI IE EC CY YU UN NV VR RI I T T第四章第四章 光学仪器的基本原理光学仪器的基本原理4.1 4.1 人的眼睛人的眼睛人的眼睛人的眼睛4.2 4.2 助视仪器的放大本领助视仪器的放大本领助视仪器的放大本领助视仪器的放大本领4.3 4.3 目镜目镜目镜目镜4.4 4.4 显微镜的放大本领显微镜的放大本领显微镜的放大本领显微镜的放大本领4.5 4.5 望远镜的放大本领望远镜的放大本领望远镜的放大本领望远镜的放大本领4.6 4.6 光阑光阑光阑光阑 光瞳光瞳光瞳光瞳4.7 4.7 光度学概要光度学概要光度学概要光度学概要光能量的传播光能量的传播光能量的传播光能量的传播4.8 4.8 物镜的聚光本领物镜的聚光本领物镜的聚光本领物镜的聚光本领4.14.1助视仪器的分辨本领助视仪器的分辨本领助视仪器的分辨本领助视仪器的分辨本领4.11 4.11 分光仪器分光仪器分光仪器分光仪器 的色分辨本领的色分辨本领的色分辨本领的色分辨本领光学仪器需要解决的光学仪器需要解决的光学仪器需要解决的光学仪器需要解决的矛盾矛盾矛盾矛盾：影响象的清晰度的因素影响象的清晰度的因素色差（色散）色差（色散）象差（非近轴区域光束）象差（非近轴区域光束）衍射（光束受近轴区域约束）衍射（光束受近轴区域约束）影响象场能量聚集程度影响象场能量聚集程度物体限于近轴范围物体限于近轴范围光束限于近轴区域光束限于近轴区域第四章第四章 光学仪器的基本原理光学仪器的基本原理41 人的眼睛人的眼睛一、人眼的结构一、人眼的结构：人眼是一个精密的光学仪器人眼是一个精密的光学仪器人眼与相机原理相似：人眼与相机原理相似：水晶体水晶体 镜头镜头 视网膜视网膜 底片底片 瞳瞳 孔孔 光阑光阑二、简化眼模型：二、简化眼模型：人眼简化成只有一个折射球面的光具组。人眼简化成只有一个折射球面的光具组。C1C2FF人眼是一个由不同介质构成的人眼是一个由不同介质构成的共轴共轴光具组光具组。水晶体的折射率 n=1.33；折射面曲率半径R1=5.7mm；视网膜曲率半径 R2=9.8mm；物方焦距 f=17.1mm像方焦距 f =22.8mm；光 焦 度 =58.48(D)4-2 助助视仪视仪器的放大本器的放大本领领一、放大本领的概念：一、放大本领的概念：QP-lOUQP-lOUHHQPKKFF光学仪器的放大本领：光学仪器的放大本领：放大镜的放大本领（参见下图）：放大镜的放大本领（参见下图）：参考P168、以及下页示意图！25cm25cm物物物物放放放放置置置置在在在在透透透透镜镜镜镜一一一一倍倍倍倍焦焦焦焦距距距距之之之之内内内内，成成成成像像像像在在在在2525厘米远处，像对人眼张角为厘米远处，像对人眼张角为厘米远处，像对人眼张角为厘米远处，像对人眼张角为 U U 物放在距人眼物放在距人眼物放在距人眼物放在距人眼25252525厘米远厘米远厘米远厘米远处处处处,对人眼张角为对人眼张角为对人眼张角为对人眼张角为 U U .UU4.3 目目 镜镜一、一、目镜的作用目镜的作用目镜的作用目镜的作用目镜是复杂的放大镜，其特点：目镜是复杂的放大镜，其特点：M大，视场大，大，视场大，可以校正象差。可以校正象差。目镜一般由两个或目镜一般由两个或几个薄透镜组成几个薄透镜组成接目镜（视镜）接目镜（视镜）向场镜（场镜）向场镜（场镜）二、两种目镜二、两种目镜1.惠更斯目镜惠更斯目镜HHFL1L2组合：组合：消色差消色差消色差消色差特点：特点：（1）消色差；消色差；（2）只能接在物镜后，使成象在明视距离，只能接在物镜后，使成象在明视距离，起放大作用；起放大作用；（3）视场大。视场大。2.冉斯登目镜冉斯登目镜HHF组合：组合：特点：特点：（1）直接可当放大镜使用；直接可当放大镜使用；（2）与惠更斯目镜比较，与惠更斯目镜比较，可直接作放大镜可直接作放大镜 观察实物观察实物，惠更斯目镜只能观察象；，惠更斯目镜只能观察象；（3）整个系统比较长。整个系统比较长。4-4 显微镜的放大本领显微镜的放大本领P/Q/QPF1F1F2PQOl目目镜镜物物镜镜简化眼简化眼F1物镜物镜目镜目镜F2-u-y1y显微镜的放大本领：显微镜的放大本领：4-5 4-5 望远镜的放大本领望远镜的放大本领一、开普勒望远镜（折射望远镜）一、开普勒望远镜（折射望远镜）特点：特点：长焦距物镜和短焦距目镜，长焦距物镜和短焦距目镜，成倒立象成倒立象。开普勒望远镜的开普勒望远镜的物镜、目镜均为会聚系统，可物镜、目镜均为会聚系统，可物镜、目镜均为会聚系统，可物镜、目镜均为会聚系统，可以等效为两个正透镜以等效为两个正透镜以等效为两个正透镜以等效为两个正透镜.=0=0，为无焦系统。为无焦系统。物镜物镜目镜目镜 当观察有限远的物体时，如作大地测量的望远镜，当观察有限远的物体时，如作大地测量的望远镜，当观察有限远的物体时，如作大地测量的望远镜，当观察有限远的物体时，如作大地测量的望远镜，光学间隔不为零光学间隔不为零光学间隔不为零光学间隔不为零 ，F F F F1 1 1 1 F F F F2 2 2 2 0 0 0 0，是是是是会聚系统会聚系统会聚系统会聚系统。无穷远的物无穷远的物物镜物镜目镜目镜F1 F2u-u =0-y1放大本领：放大本领：M0,正立虚象正立虚象放大本领：放大本领：三、三、反射式望远镜（天文望远镜）反射式望远镜（天文望远镜）反射式望远镜（天文望远镜）反射式望远镜（天文望远镜）牛顿式反射望远牛顿式反射望远牛顿式反射望远牛顿式反射望远镜镜格雷戈里式望远镜格雷戈里式望远镜格雷戈里式望远镜格雷戈里式望远镜卡斯格伦式望远镜卡斯格伦式望远镜卡斯格伦式望远镜卡斯格伦式望远镜近代，采用近代，采用施密特物镜施密特物镜哈勃太空望远镜哈勃太空望远镜目镜目镜F2F1uu四、激光扩束器四、激光扩束器会聚产生会聚产生 电电 离离倒装的伽利略望远镜倒装的伽利略望远镜4.6 光阑光阑 光瞳光瞳一、光阑的概念一、光阑的概念一、光阑的概念一、光阑的概念光阑光阑光学系统中具有光学系统中具有透光孔透光孔的屏。的屏。作用：作用：1.限制孔径角大小限制孔径角大小2.限制轴外成象光束限制轴外成象光束3.控制光通量控制光通量4.挡掉杂散光挡掉杂散光以作用分类：以作用分类：有效光阑有效光阑限制轴上物点孔径角限制轴上物点孔径角视场光阑视场光阑限制轴外成象限制轴外成象 二、有效光阑和光瞳二、有效光阑和光瞳有效光阑有效光阑在所有各光阑中，在所有各光阑中，限制入射光束限制入射光束 最起作用最起作用的那个光阑。的那个光阑。是针对轴上某一点而言。是针对轴上某一点而言。P点点“1”有效光阑有效光阑Q点点“2”有效光阑有效光阑PQ12（1）对指定某一物点而言；）对指定某一物点而言；特点：特点：PPABBAAB为为P点点的有效光阑的有效光阑入射光瞳入射光瞳限制入射光线，限制入射光线，有效光阑被它前面有效光阑被它前面 的光学系统成的象的光学系统成的象。出射光瞳出射光瞳限制出射光线，限制出射光线，有效光阑被它后面有效光阑被它后面 的光学系统成的象的光学系统成的象。既可以为既可以为实物实物，也可以为，也可以为象象。（2 2）对象方光束的限制也可看成对物方光束的限制。）对象方光束的限制也可看成对物方光束的限制。）对象方光束的限制也可看成对物方光束的限制。）对象方光束的限制也可看成对物方光束的限制。分析有效光阑、入射光瞳、出射光瞳的思路：分析有效光阑、入射光瞳、出射光瞳的思路：分析有效光阑、入射光瞳、出射光瞳的思路：分析有效光阑、入射光瞳、出射光瞳的思路：（1）明确考虑的物点）明确考虑的物点P；（2）所有光阑（包括透镜）对它前面透镜成象；）所有光阑（包括透镜）对它前面透镜成象；（或者将光阑作为象，求对其左方的光学系统（或者将光阑作为象，求对其左方的光学系统 而言的对应的物）而言的对应的物）（3）比较，求所得到的象对）比较，求所得到的象对P点张开的孔径角，其点张开的孔径角，其 最小者所对应的光阑是有效光阑；最小者所对应的光阑是有效光阑；（4）最小的象即是入射光瞳；）最小的象即是入射光瞳；（5）有效光阑对其右边的光学系统成象得到）有效光阑对其右边的光学系统成象得到 出射光瞳。出射光瞳。入射光瞳、出射光瞳共轭入射光瞳、出射光瞳共轭4.7 光度学概要光度学概要光能量的传播光能量的传播一、辐射通量一、辐射通量一、辐射通量一、辐射通量辐射通量辐射通量 单位时间内，某一面积发射单位时间内，某一面积发射 出来的全部辐射能量。出来的全部辐射能量。谱辐射通量密度谱辐射通量密度e()单位波长范围间隔内单位波长范围间隔内 的辐射通量。的辐射通量。二、光视效率二、光视效率二、光视效率二、光视效率（1）因人而异）因人而异（2）背景亮度）背景亮度（背景暗，向短波方向移动）（背景暗，向短波方向移动）特点：特点：光能量传递光能量传递光能量传递光能量传递辐射度学辐射度学辐射度学辐射度学可见光范围可见光范围可见光范围可见光范围光度学光度学光度学光度学555nm（单位：（单位：瓦特瓦特）v()1.0三、光通量三、光通量三、光通量三、光通量光通量光通量客观辐射通量对客观辐射通量对人眼引起视觉的有效通量人眼引起视觉的有效通量。Km最大光视效能最大光视效能Km=683 lm/W 单色光光通量：单色光光通量：复色光光通量：复色光光通量：发光效率：发光效率：单位：单位：流明流明（lm）四、发光强度四、发光强度发光强度发光强度发光强度发光强度表征光源在表征光源在一定方向范围内发出的一定方向范围内发出的 光通量的空间分布光通量的空间分布的物理量。的物理量。单位：单位：坎德拉坎德拉（cd）如果各个方向发光强度相同，则如果各个方向发光强度相同，则坎德拉坎德拉是一光源在给定方向上的发光强度，是一光源在给定方向上的发光强度，该光源发出频率为该光源发出频率为5.401014 Hz的单色辐射，的单色辐射，而且在此方向上的辐射强度为而且在此方向上的辐射强度为1/683 W/sr。（sr为球面度为球面度）SI中，七个基本单位之一中，七个基本单位之一五、照度和出射度五、照度和出射度照度照度照度照度E单位面积上单位面积上接收接收的光通量。的光通量。点光源点光源点光源点光源面光源面光源面光源面光源出射度出射度出射度出射度M单位面积上单位面积上辐射出来辐射出来的光通量。的光通量。单位：单位：勒克斯勒克斯(lux),lm/m2单位：单位：勒克斯勒克斯(lux),lm/m2dSR六、亮度六、亮度亮度亮度亮度亮度L辐射面上单位投影面积，在单位辐射面上单位投影面积，在单位 立体角内辐射的光通量。立体角内辐射的光通量。SdSd单位：单位：cd/m2由发光强度定义，由发光强度定义，L可写为：可写为：扩展光源扩展光源dI cosL与与无关无关朗伯定律朗伯定律漫反射漫反射朗伯反射体朗伯反射体朗伯光源朗伯光源七、三原色原理七、三原色原理红光红光 R(=700 nm)绿光绿光 G(=546.1 nm)蓝光蓝光 B(=435.8 nm)光通量按不同比例光通量按不同比例混合混合可得到可得到自然界自然界大多数颜色的光。大多数颜色的光。拍摄：拍摄：分光系统分解分光系统分解RGB光电转换光电转换EREGEB传输传输 或或储存储存图像图像显示显示EREGEB加到彩色显象管加到彩色显象管红色图像红色图像绿色图像绿色图像兰色图像兰色图像彩色图像彩色图像4.8 物镜的聚光本领物镜的聚光本领物镜的物镜的物镜的物镜的聚光本领聚光本领聚光本领聚光本领是描述是描述物镜聚集光通量能力物镜聚集光通量能力的物理量。的物理量。一、一、一、一、光源在较近距离时的聚光本领（显微镜）光源在较近距离时的聚光本领（显微镜）光源在较近距离时的聚光本领（显微镜）光源在较近距离时的聚光本领（显微镜）数值孔径数值孔径数值孔径数值孔径象面照度象面照度象面照度象面照度L0成象的物在真空中的亮度成象的物在真空中的亮度 横向放大率横向放大率RN.A.数值孔径数值孔径n 物方折射率物方折射率u 孔径角孔径角u二、光源距离较远时的聚光本领（望远镜）相对孔径二、光源距离较远时的聚光本领（望远镜）相对孔径二、光源距离较远时的聚光本领（望远镜）相对孔径二、光源距离较远时的聚光本领（望远镜）相对孔径象面照度象面照度象面照度象面照度d 望远镜物镜孔径望远镜物镜孔径d/f 相对孔径相对孔径反射式反射式望远镜相对孔径望远镜相对孔径 1/3.33折射式折射式望远镜相对孔径望远镜相对孔径 1/18.9三、照相机的聚光本领三、照相机的聚光本领三、照相机的聚光本领三、照相机的聚光本领象面照度象面照度象面照度象面照度远物远物近物近物F数数(光圈数光圈数）相对孔径的倒数，相对孔径的倒数，即即f/d通常用通常用F 1:K 表示表示物镜的相对孔径物镜的相对孔径.如国产海鸥如国产海鸥DF型照相机型照相机F 1:2F数数 f/d1 1.4 2 2.8 4 5.6 8 11 16相对相对孔径孔径 d/f 1/1 1/1.4 1/2 1/2.8 1/4 1/5.6 1/8 1/11 1/16象面象面照度照度4.1助视仪器的分辨本领助视仪器的分辨本领一、分辨本领一、分辨本领一、分辨本领一、分辨本领1.1.圆孔的夫琅禾费衍射：圆孔的夫琅禾费衍射：圆孔孔径为圆孔孔径为D L衍射屏衍射屏观察屏观察屏中央亮斑中央亮斑(爱里斑爱里斑)1 f相相对对光光强曲线强曲线1.22(/D)sin 1I/I00爱里斑爱里斑 D D 爱里斑变小爱里斑变小!2 2、分辩本领的概念：、分辩本领的概念：光学系统光学系统分辨细微结构的能力分辨细微结构的能力。波动光学波动光学:刚可分辨刚可分辨非相干叠加非相干叠加不可分辨不可分辨瑞利判据瑞利判据瑞利判据瑞利判据:对于两个等光强的非相干物点对于两个等光强的非相干物点,如果其中如果其中 一个象斑的中心恰好落在另一象斑的边缘一个象斑的中心恰好落在另一象斑的边缘 (第一暗纹处第一暗纹处),),则此两物点被认为是刚刚则此两物点被认为是刚刚 可以分辨。可以分辨。参见下图参见下图 ！物点物点物点物点 象斑象斑象斑象斑物物物物(物点集合物点集合物点集合物点集合)象象象象(象斑集合象斑集合象斑集合象斑集合)经圆孔根据根据根据根据瑞利判据，瑞利判据，瑞利判据，瑞利判据，最小分辨角（分辨极限角）：最小分辨角（分辨极限角）：最小分辨角（分辨极限角）：最小分辨角（分辨极限角）：分辨本领分辨本领的定义：的定义：ID*S1S20 1U二、人眼的分辨本领二、人眼的分辨本领人眼瞳孔人眼瞳孔人眼瞳孔人眼瞳孔半径半径半径半径=555 nm波长波长波长波长瞳孔的分辨极限角瞳孔的分辨极限角瞳孔的分辨极限角瞳孔的分辨极限角：明视距离，明视距离，两发光点距离：两发光点距离：两发光点距离：两发光点距离：视网膜上：视网膜上：视网膜上：视网膜上：视网膜与瞳孔间距离约为视网膜与瞳孔间距离约为 2.2 cm三、三、望远镜物镜的分辨本领望远镜物镜的分辨本领望远镜物镜的分辨本领望远镜物镜的分辨本领物镜物镜有效光阑、入射光瞳有效光阑、入射光瞳D/f D/f 相对孔径相对孔径能够分辨两象点间的距离能够分辨两象点间的距离能够分辨两象点间的距离能够分辨两象点间的距离 分辨两物点间的距离为分辨两物点间的距离为视网膜上衍射图样中央亮斑的半径视网膜上衍射图样中央亮斑的半径四、四、显微镜物镜的分辨本领显微镜物镜的分辨本领显微镜物镜的分辨本领显微镜物镜的分辨本领物镜物镜有效光阑、入射光瞳有效光阑、入射光瞳物离物镜很近，物离物镜很近，Rlu分辨两物点间的极限距离：分辨两物点间的极限距离：物在介质中（物在介质中（如如油浸油浸）数值孔径数值孔径nsinu ，y 书书P.202P.202，例例例例4.34.3（1）显微镜用波长为）显微镜用波长为250nm的紫外光照射比用波长为的紫外光照射比用波长为500nm的的可见光照射时，其分辨本领增大多少倍？可见光照射时，其分辨本领增大多少倍？（2）它的物镜在空气中的数值孔径约为）它的物镜在空气中的数值孔径约为0.75，用紫外光所能，用紫外光所能分辨的两线之间的距离是多少？分辨的两线之间的距离是多少？（3）用折射率为）用折射率为1.56的油浸系统时，这个最小距离为多少？的油浸系统时，这个最小距离为多少？（4）若照相底片上的感光微粒的大小约为）若照相底片上的感光微粒的大小约为0.45mm，问油浸，问油浸系统紫外光显微镜的物镜横向放大率为多少时，在底片上刚系统紫外光显微镜的物镜横向放大率为多少时，在底片上刚好能分辨出这个最小距离。好能分辨出这个最小距离。解：解：解：解：（1）用紫外光照射，用紫外光照射，分辨本领增至分辨本领增至分辨本领增至分辨本领增至2 2倍，即增大倍，即增大倍，即增大倍，即增大1 1倍倍倍倍。（2）用紫外光照射时分辨的用紫外光照射时分辨的极限距离极限距离极限距离极限距离：（3）（4）物镜的物镜的横向放大率：横向放大率：横向放大率：横向放大率：4.11 分光仪器分光仪器 的色分辨本领的色分辨本领分光仪器的分光仪器的色色分辨本领分辨本领分辨本领分辨本领：衡量：衡量分开光谱中两波长分开光谱中两波长分开光谱中两波长分开光谱中两波长 很接近的谱线的能力。很接近的谱线的能力。很接近的谱线的能力。很接近的谱线的能力。如：如：棱镜、光栅、法布里棱镜、光栅、法布里棱镜、光栅、法布里棱镜、光栅、法布里珀罗干涉仪珀罗干涉仪珀罗干涉仪珀罗干涉仪一、棱镜一、棱镜一、棱镜一、棱镜（Ab）0）i2i1）通过棱镜的光束是通过棱镜的光束是通过棱镜的光束是通过棱镜的光束是限制在一定宽度限制在一定宽度限制在一定宽度限制在一定宽度b b以内，因此以内，因此以内，因此以内，因此要发生要发生要发生要发生单缝衍射单缝衍射单缝衍射单缝衍射。由由由由A棱镜顶角棱镜顶角 0最小偏向角最小偏向角两边微分，整理得，两边微分，整理得，第一衍射极小第一衍射极小且，且，且且 i2=A/2则，则，波长相差波长相差波长相差波长相差的两谱线间的色散角的两谱线间的色散角的两谱线间的色散角的两谱线间的色散角：1.1.角色散角色散角色散角色散2.2.色分辨本领色分辨本领色分辨本领色分辨本领刚好分辨刚好分辨讨论讨论A ，光谱展得越开光谱展得越开 P ，色分辨本领越高，色分辨本领越高3.3.线色散线色散线色散线色散二、光栅光谱仪二、光栅光谱仪对光栅方程对光栅方程两边微分，得两边微分，得或或*线色散线色散角色散角色散且且谱线半角宽度谱线半角宽度谱线半角宽度谱线半角宽度当当=时，两谱线时，两谱线刚好分辨。刚好分辨。色分辨本领色分辨本领色分辨本领色分辨本领例例例例4.44.4：一个棱角为一个棱角为50的棱镜由某种玻璃制成，它的色散特性的棱镜由某种玻璃制成，它的色散特性由由决定，其中决定，其中a=1.53974，b=4.6528103nm3.当其对当其对550nm的光处于最小偏向角时，试求：的光处于最小偏向角时，试求：（1）这个棱镜的角色散率为多少？）这个棱镜的角色散率为多少？（2）若该棱镜的底面宽度为）若该棱镜的底面宽度为2.7cm时，对该波长的光的时，对该波长的光的 色分辨本领为多少？色分辨本领为多少？（3）若会聚透镜的焦距为）若会聚透镜的焦距为50cm，这个系统的线色散率为多少？，这个系统的线色散率为多少？解：解：解：解：（1）已知：已知：（2）色分辨本领：色分辨本领：色分辨本领：色分辨本领：已知：已知：（3）线色散率：线色散率：线色散率：线色散率：角色散率：角色散率：角色散率：角色散率：例例例例4.54.5用一宽度为用一宽度为5cm的平面透射光栅分析钠光谱，钠光垂直的平面透射光栅分析钠光谱，钠光垂直投射在光栅上，若需在第一级分辨波长分别为投射在光栅上，若需在第一级分辨波长分别为589nm和和589.6nm的钠双线，试求：的钠双线，试求：（1）平面光栅所需的最小缝数应为多少？）平面光栅所需的最小缝数应为多少？（2）钠双线第一级最大之间的角距离为多少？）钠双线第一级最大之间的角距离为多少？（3）若会聚透镜的焦距为）若会聚透镜的焦距为1m，其第一级线色散率为多少？，其第一级线色散率为多少？解：解：解：解：由光栅的色分辨本领由光栅的色分辨本领可得：可得：（1）（2）由光栅方程由光栅方程k=1角距离：角距离：角距离：角距离：（3）线色散率为：线色散率为：线色散率为：线色散率为：
