光学教程04[1]1.ppt

《光学教程04[1]1.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《光学教程04[1]1.ppt（74页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、Basic Principles of Optical Instrument4.1 人的眼睛人的眼睛一、人眼结构一、人眼结构前房：淡盐溶液前房：淡盐溶液后房：玻璃液（胶性透明液体）后房：玻璃液（胶性透明液体）折射率均为折射率均为 宏膜宏膜二、简化眼二、简化眼人人眼眼是是一一共共轴轴光光具具组组，这这一一光光具具组组能能在在视视网网膜膜上上形形成成清清晰晰的的象象。由由于于这这一一共共轴轴光光具具组组结结构构很很复复杂杂，因因此此在在许许多多情情况况下下，往往往往将将人人眼眼简化为只有一个折射球面的简化眼。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简化眼结构的光学常数为折射面曲率半径

2、折射面曲率半径 网膜曲率半径网膜曲率半径 4.2 助视仪器的放大本领助视仪器的放大本领一一.放大本领定义放大本领定义(正常眼明视距离为25cm)助视仪器助视仪器：用以改善和扩展视觉的光学仪器。：用以改善和扩展视觉的光学仪器。放大本领放大本领：即像对眼的张角与物体直接对眼的张角之比。：即像对眼的张角与物体直接对眼的张角之比。1 1、放大镜放大镜的放大本领的放大本领提高放大本领的提高放大本领的途径减小焦距途径减小焦距2 2、目镜的放大本领、目镜的放大本领(1)惠更斯目镜（Huygens eyepiece）(2)冉斯登目镜（Ramsden eyepiece）2 2、显微镜的放大本领、显微镜的放大本领

3、最简单的显微镜是由两组透镜构成的，一组为焦距很短的物最简单的显微镜是由两组透镜构成的，一组为焦距很短的物镜，另一组是目镜。镜，另一组是目镜。（1 1）显微镜的）显微镜的 光路图光路图（2 2）显微镜显微镜的放大本领的放大本领方法二方法二:用复合用复合光具组法导出光具组法导出分别在目镜和物镜上刻有10，20等0,M0,像倒立提高放大提高放大本领的途本领的途径减小两径减小两者焦距者焦距l观察远处的物体，要用望远镜来增大视角。观察远处的物体，要用望远镜来增大视角。l望远镜和显微镜相似，也是由望远镜和显微镜相似，也是由物镜物镜和和目镜目镜两个两个透镜构成的。但是跟显微镜相反，透镜构成的。但是跟显微镜相

4、反，望远镜中物望远镜中物镜的焦距长，而目镜的焦距短镜的焦距长，而目镜的焦距短。l根据物镜的不同分为根据物镜的不同分为反射式反射式和和透射式透射式望远镜。望远镜。l物镜和目镜同是凸透镜物镜和目镜同是凸透镜的望远镜叫做的望远镜叫做开普勒望开普勒望远镜远镜；目镜是凹透镜的望远镜目镜是凹透镜的望远镜叫做叫做伽利略望远伽利略望远镜镜。我们这里主要讨论开普勒望远镜。我们这里主要讨论开普勒望远镜。3 3、望远镜的放大本领、望远镜的放大本领讨论讨论（1）M0，成倒立的像；成倒立的像；（2）提高放大本领提高放大本领需缩小目镜焦距，增大物镜焦需缩小目镜焦距，增大物镜焦距（必然增大物镜口径）。距（必然增大物镜口径）

5、。开普勒开普勒望远镜望远镜伽利略望远镜伽利略望远镜伽伽利利略略于于16091609年年创创制制的的这这种种望望远远镜镜的的特特点点，是是用用发发散散透透镜镜来来做做目镜。物镜的象方焦点仍和目镜的物方焦点相重合。目镜。物镜的象方焦点仍和目镜的物方焦点相重合。成成正正立立的的像像l不同点：不同点：l开氏的视场较大，而伽氏的视场较小。开氏的视场较大，而伽氏的视场较小。l开氏的目镜物方焦平面上可放叉丝或刻度尺，伽氏开氏的目镜物方焦平面上可放叉丝或刻度尺，伽氏则不能。则不能。l开氏的镜筒较长，而伽氏的镜筒较短。开氏的镜筒较长，而伽氏的镜筒较短。共同点共同点:l望远光具组望远光具组:光学间隔光学间隔l特点

6、：平行光束通过时，透射出来的仍是平行光，但特点：平行光束通过时，透射出来的仍是平行光，但方向改变。整个光具组的焦点和主平面都是在无限远处。方向改变。整个光具组的焦点和主平面都是在无限远处。l二者的横向放大率二者的横向放大率都小于都小于1 1（像是缩小的）。可（像是缩小的）。可见见M M与与不同。不同。0 0讨论讨论 反射式望远镜 结构 大型天文望远镜的 消色差，校正球差。物镜是用孔径大的反射镜制成的。特点 类型和光路图 Newton:AB（抛物面）CD（平面）目镜Gregory:AB（抛物面）CD（椭球面）目镜Cassegarain:AB（抛物面）CD（双曲面）目镜Schmidt:CD（校正镜

7、）AB（凹球面）Hubble:主镜（双曲面）副镜（双曲面）反射望远镜的优点反射望远镜的优点1.1.消消色色差差任何可见光均聚焦于一点。任何可见光均聚焦于一点。2.2.镜镜筒筒短短通常镜筒长度只有主镜直径八倍，所以比折通常镜筒长度只有主镜直径八倍，所以比折射镜筒约短两倍。短的镜筒操作力便，又容易制造稳射镜筒约短两倍。短的镜筒操作力便，又容易制造稳定性高的脚架。定性高的脚架。3.3.价钱便宜价钱便宜光线只在主镜表面反射，制镜者可以购买较光线只在主镜表面反射，制镜者可以购买较经济的普通玻璃去制造反射镜的主要部份。经济的普通玻璃去制造反射镜的主要部份。像差与球差像差与球差l像差：像差：偏离理想成像的现

8、象。偏离理想成像的现象。l色差：色差：有不正确色彩出现的像差（光源为复色光）。有不正确色彩出现的像差（光源为复色光）。l色差产生的原因：不同波长的光对光学仪器的折射色差产生的原因：不同波长的光对光学仪器的折射率不同。率不同。像差产生的原因：由于成像时光线不满足近轴光线像差产生的原因：由于成像时光线不满足近轴光线条件或者物点不满足近轴物点的条件，导致了所成条件或者物点不满足近轴物点的条件，导致了所成像的清晰程度受到的破坏。像的清晰程度受到的破坏。实际应用的几种望远镜折射望远镜反射望远镜折反射望远镜双筒望远镜双筒望远镜 常见的望远镜大多是开普勒结构，即目镜和物镜常见的望远镜大多是开普勒结构，即目镜

9、和物镜都是凸透镜（组），这种望远镜结构导致成像是倒立都是凸透镜（组），这种望远镜结构导致成像是倒立的，所以在中间还有的，所以在中间还有正像正像系统。系统。8 8x30 x308 8就是俗称的放大倍率就是俗称的放大倍率，指的是物体通过，指的是物体通过望远镜后在视网膜上成像的角放大率。望远镜后在视网膜上成像的角放大率。3030是指物镜的是指物镜的直径直径，单位是毫米。这是望远镜最主要的指标，假货，单位是毫米。这是望远镜最主要的指标，假货为了迎合大众追求高倍的心理，大多在这里做文章，为了迎合大众追求高倍的心理，大多在这里做文章，例如例如300300 x80 x80这样违背基本光学原理的标注；还有的标

10、这样违背基本光学原理的标注；还有的标为为8 8x21x21倍，这算是比较老实的，但也显然意图进行误倍，这算是比较老实的，但也显然意图进行误导。导。很多人问这样的问题：很多人问这样的问题：望远镜能看多远？望远镜能看多远？答案是无限远。选择望远镜有很多比倍数重答案是无限远。选择望远镜有很多比倍数重要的东西，例如出瞳直径，视场。并不能以要的东西，例如出瞳直径，视场。并不能以倍数为唯一标准。因为倍数超过望远镜规格倍数为唯一标准。因为倍数超过望远镜规格所允许的标准的话清晰度反而会下降。例如所允许的标准的话清晰度反而会下降。例如物镜直径为物镜直径为5050毫米的望远镜，一般来说倍数毫米的望远镜，一般来说倍

11、数也不应该超过也不应该超过5050倍。倍。事实上，一台事实上，一台1010倍左右倍左右的望远镜足以满足我们大多数使用要求了。的望远镜足以满足我们大多数使用要求了。哈勃太空望远镜哈勃太空望远镜 哈勃太空望远镜是美国宇航局哈勃太空望远镜是美国宇航局19901990年由发现号年由发现号航天飞机送入太空的，光学系统为反射式望远镜。航天飞机送入太空的，光学系统为反射式望远镜。由两个双曲面反射镜（主镜和副镜）组成，两者相由两个双曲面反射镜（主镜和副镜）组成，两者相距距4.54.5m m，主镜直径主镜直径2.42.4m m，副镜直径副镜直径0.30.3m m。优点优点：避免了地面杂光和天气等的影响，克服了：

12、避免了地面杂光和天气等的影响，克服了大气湍流带来的干扰及地球复杂运动的影响。大气湍流带来的干扰及地球复杂运动的影响。激光扩束器激光扩束器4.3 4.3 光阑、光瞳光阑、光瞳一、光阑的概念一、光阑的概念(diaphragm)对通过光学系统的光束起限制作用的光学元件。如对通过光学系统的光束起限制作用的光学元件。如透透镜镜、反射镜等本身的边框，也可以是另外设置的带孔的、反射镜等本身的边框，也可以是另外设置的带孔的不透光屏等。不透光屏等。二、有效光阑和光瞳二、有效光阑和光瞳1.有效光阑有效光阑：在所有各光阑中，限制入射光束最起作用在所有各光阑中，限制入射光束最起作用的光阑称为的光阑称为有效光阑，有效光

13、阑，也称为也称为孔径光阑。孔径光阑。对没有其他光阑的单透镜，透镜本身的边框就是孔径光阑。对没有其他光阑的单透镜，透镜本身的边框就是孔径光阑。孔径光阑可遮掉光束中偏离傍轴光线较多的光线，对像的孔径光阑可遮掉光束中偏离傍轴光线较多的光线，对像的清晰度、亮度和景深等有直接影响。清晰度、亮度和景深等有直接影响。有效光阑总是对某一个指定的参考点而言。有效光阑在物空间中的等效孔径有效光阑在物空间中的等效孔径 有效光阑在像空间中的等效孔径有效光阑在像空间中的等效孔径 入射光瞳入射光瞳(入瞳入瞳)是限制入射光束的有效孔径是限制入射光束的有效孔径,是有效光阑对前方光学系统所成的像是有效光阑对前方光学系统所成的像

14、出射光瞳出射光瞳(出瞳出瞳)是限制出射光束的有效孔径是限制出射光束的有效孔径,有效光阑对后方光学系统所成的像有效光阑对后方光学系统所成的像2.光瞳光瞳（pupil）（入射光瞳与出射光瞳统称为光瞳）（入射光瞳与出射光瞳统称为光瞳）入射光瞳与出射光瞳对整个光具组来讲是共轭的。入射光瞳与出射光瞳对整个光具组来讲是共轭的。有效光阑与光轴上物点位置有关，欲确定有有效光阑与光轴上物点位置有关，欲确定有效光阑效光阑，必须首先明确是对光轴上哪个物点。必须首先明确是对光轴上哪个物点。将系统所有的通光孔成像将系统所有的通光孔成像于光学系统的物空间，其中于光学系统的物空间，其中对轴上物点张角最小者，称对轴上物点张角

15、最小者，称为入瞳，入瞳对应的物叫做为入瞳，入瞳对应的物叫做有效光阑。有效光阑。有效光阑对其后光学系统所成的像，有效光阑对其后光学系统所成的像，为出射光瞳，简称出瞳。为出射光瞳，简称出瞳。三三.怎样确定怎样确定有效光阑？有效光阑？如图所示，以薄透镜如图所示，以薄透镜L L和光阑和光阑ABAB为例，设物点在为例，设物点在F F点点光阑光阑ABAB为有效光阑为有效光阑例：求有效光阑例：求有效光阑在这个系统中，在这个系统中，有效光阑有效光阑同时也是出瞳同时也是出瞳有效光阑有效光阑入瞳入瞳-有效光阑有效光阑对对前方系统成的像前方系统成的像入射孔径角入射孔径角出射孔径角出射孔径角uu在这个系统中，在这个系

16、统中，有效光阑有效光阑同时也是入瞳同时也是入瞳有效光阑有效光阑出瞳出瞳-有效光阑有效光阑对对后方系统成的像后方系统成的像uu入射孔径角入射孔径角出射孔径角出射孔径角？入瞳入瞳出瞳出瞳入瞳入瞳出瞳出瞳孔径光阑孔径光阑共共轭轭共共轭轭uu孔径光阑孔径光阑出瞳出瞳入瞳入瞳？共共轭轭入瞳入瞳出瞳出瞳关于有效光阑：关于有效光阑：有效光阑是成像系统中限制入射光束最有效光阑是成像系统中限制入射光束最 厉害的光阑，即入射孔径角最小的光阑厉害的光阑，即入射孔径角最小的光阑;与物点的位置有关与物点的位置有关 P1P1P2P2u1u2有效光阑与物点位置的关系有效光阑与物点位置的关系例、相距例、相距 d=5cm 的两

17、个薄透镜的两个薄透镜 L1和和 L1，焦距分别为焦距分别为 f1=9cm 和和 f2=3cm，直径分别为直径分别为 D1=6cm和和 D2=4cm，直径直径 D=3cm 的圆孔光阑的圆孔光阑 A放在透镜间距放在透镜间距 L2 2cm处，当轴上一物点在处，当轴上一物点在 L1左方左方 12cm 处时，处时，求：求：a）孔径光阑；孔径光阑；b）光瞳的位置和大小光瞳的位置和大小 6cm4cm3cmP12cm2cm3cm解：解：已知：已知：先求出先求出各光阑各光阑的的入瞳入瞳位置和大小位置和大小 和和L1：入瞳即为透镜边缘本身入瞳即为透镜边缘本身 P点到点到L1入瞳的距离：入瞳的距离：6cm4cm3c

18、mP12cm2cm3cmD：入瞳即为对透镜入瞳即为对透镜L1成的像成的像D L2：入瞳即为对透镜入瞳即为对透镜L1成的像成的像D2 6cm4cm3cmP12cm2cm3cm光阑为孔径光阑光阑为孔径光阑6cm4cm3cmP12cm2cm3cm4.4 光度学概要光能量的传播光度学：是对可见光的能量的计量研究。光度学：是对可见光的能量的计量研究。在光度学中，把光看作是沿光线进行的能量流，在光度学中，把光看作是沿光线进行的能量流，并且遵从能量守恒定律，即光束的任一截面在单并且遵从能量守恒定律，即光束的任一截面在单位时间内所通过的能量为一常数。位时间内所通过的能量为一常数。但光度学并不是几何光学的一部分

19、，只是因为在但光度学并不是几何光学的一部分，只是因为在许多实际情况下，几何光学的模型可以作为研究许多实际情况下，几何光学的模型可以作为研究光度学的基础。光度学的基础。主主 要要 内内 容容l一、辐射通量（辐射功率）一、辐射通量（辐射功率）l二、视见函数（光见度函数）二、视见函数（光见度函数）l三、光通量三、光通量 l四、发光强度四、发光强度l五、照度五、照度 l六、亮度六、亮度 l七、三原色原理七、三原色原理一、辐射通量（辐射功率）一、辐射通量（辐射功率）l面积元面积元d ds s的辐射通量的辐射通量l单位时间内面积元单位时间内面积元d ds s辐射出来的辐射出来的 所有波长的光能量。所有波长

20、的光能量。l分布函数（谱辐射通量密度）分布函数（谱辐射通量密度）l在单位时间内通过光源面积元的某一波长附近的单在单位时间内通过光源面积元的某一波长附近的单位波长间隔内的光能量，位波长间隔内的光能量，用用e e()表示。表示。l总辐射通量总辐射通量l从光源面积元从光源面积元d ds s辐射出来的波长在辐射出来的波长在+d+d间的间的辐射通量为辐射通量为l从光源面积元从光源面积元d ds s发出的各种波长光的总辐射通量为发出的各种波长光的总辐射通量为二、视见函数（光见度函数）二、视见函数（光见度函数）l 因为人眼对不同波长的光有不同的灵敏度，并且，不因为人眼对不同波长的光有不同的灵敏度，并且，不同

21、人的眼睛对各种波长的光亦有不同的灵敏度。所以要同人的眼睛对各种波长的光亦有不同的灵敏度。所以要根据对许多正常人眼的研究，求出对各种波长的平均相根据对许多正常人眼的研究，求出对各种波长的平均相对灵敏度。表征此对灵敏度。表征此平均相对灵敏度的函数就称为视见函平均相对灵敏度的函数就称为视见函数数。平均来说：人眼对黄绿色光最灵敏，对红色光和紫色平均来说：人眼对黄绿色光最灵敏，对红色光和紫色光较差，而对红外光和紫外光则无视觉反应。这说明：光较差，而对红外光和紫外光则无视觉反应。这说明：人眼对黄绿色光的视见函数值大，对红光和紫光的视人眼对黄绿色光的视见函数值大，对红光和紫光的视见函数值小，而对红外光和紫外

22、光的视见函数为见函数值小，而对红外光和紫外光的视见函数为0 0。三、光通量三、光通量 （主观和客观的结合）主观和客观的结合）光通量表示光源表面的客观辐射通量对人眼所引起的光通量表示光源表面的客观辐射通量对人眼所引起的视觉强度，它正比于辐射通量和视觉函数。视觉强度，它正比于辐射通量和视觉函数。为最大光视效能，也称最大光效率为最大光视效能，也称最大光效率为光谱光视效能。为光谱光视效能。式中式中光通量的单位是流明（光通量的单位是流明（lumenlumen），），简称流，符号：简称流，符号：lmlm。四、发光强度四、发光强度 I I发光强度是表征光源在一定方向范围内发出的光通量的发光强度是表征光源在一

23、定方向范围内发出的光通量的空间分布的物理量，在数值上等于点光源在单位立体角空间分布的物理量，在数值上等于点光源在单位立体角中发出的光通量中发出的光通量是点光源在某一方向上所张的立体角元是点光源在某一方向上所张的立体角元在球坐标系中在球坐标系中点光源所发出的总光通量点光源所发出的总光通量对于均匀发光体，对于均匀发光体，I I 不随不随 而变化而变化 图图4.16 四、发光强度四、发光强度 I I 长度长度 质量质量 时间时间 电流电流强度强度 热力学温度热力学温度 物质的量物质的量 发光强度发光强度 m kg sm kg s A A K mol K mol cd cd 在国际单位制中在国际单位制

24、中,发光强度的单位是坎德拉发光强度的单位是坎德拉(candela),candela),符号是坎（符号是坎（cdcd）.19791979年第年第1616届国际计量大会规定坎德拉的定义为：届国际计量大会规定坎德拉的定义为：“坎德拉是一光源在给定方向上的发光强度，该光源发坎德拉是一光源在给定方向上的发光强度，该光源发出频率为出频率为 的单色辐射，而且在此方向上的辐的单色辐射，而且在此方向上的辐射强度为射强度为 ”。SrSr球面度球面度坎德拉是国际单位制中七个基本单位之一，光度学中其坎德拉是国际单位制中七个基本单位之一，光度学中其它单位都是导出单位。它单位都是导出单位。照度是表征受照面被照明程度的物理

25、量，它可用落照度是表征受照面被照明程度的物理量，它可用落在受照物体单位面积上的光通量的数值来量度，即：在受照物体单位面积上的光通量的数值来量度，即：点光源的照度点光源的照度E El照度的单位：照度的单位：l勒克斯（勒克斯（luxlux），），代号：勒（代号：勒（lxlx）五、照度五、照度 E E，是受照物体的面元。是受照物体的面元。五、照度五、照度 E E2.2.面光源的出射度面光源的出射度M M 单位面积的面元发出的总光通量，即单位面积的面元发出的总光通量，即注意：注意：出射度出射度M M和照度和照度E E有相同的单位、量纲及相似的定义。有相同的单位、量纲及相似的定义。照度照度E E中的光通

26、量是面元所接收的光通量；中的光通量是面元所接收的光通量；而出射而出射度度M M中的光通量是面元所辐射的光通量。中的光通量是面元所辐射的光通量。六、亮度六、亮度 L L l朗伯定律：朗伯定律：l在立体角在立体角 中发射出的光通量中发射出的光通量 正比于正比于 和发和发光体表观面积光体表观面积 的大小，即：的大小，即：比例系数比例系数L L和发光面的和发光面的性质有关，称为性质有关，称为亮度亮度。单位：单位：cdcd/m/m2 2七、三原色原理七、三原色原理在人眼的视网膜上，分布着圆锥和圆柱两种视神经细胞，在人眼的视网膜上，分布着圆锥和圆柱两种视神经细胞，主要分辨颜色的是圆锥视神经细胞。在人的眼睛

27、里，只主要分辨颜色的是圆锥视神经细胞。在人的眼睛里，只有三种辨色的圆锥细胞，它们对所有波长的光都能发生有三种辨色的圆锥细胞，它们对所有波长的光都能发生程度不同的反应，但是每一种细胞还擅长接受一种颜色程度不同的反应，但是每一种细胞还擅长接受一种颜色的光，三种细胞就接受三种颜色的光，即的光，三种细胞就接受三种颜色的光，即红、绿、蓝三红、绿、蓝三种色光种色光。它们又叫做。它们又叫做色光三原色色光三原色。人的色视觉有这样一。人的色视觉有这样一个特点，不管你看到的是多么复杂的混合光，最后在你个特点，不管你看到的是多么复杂的混合光，最后在你的脑子里所产生的，只是一个单一颜色的色视觉。在眼的脑子里所产生的，

28、只是一个单一颜色的色视觉。在眼睛接收了混合光以后，三种色觉细胞都要按自己的规律睛接收了混合光以后，三种色觉细胞都要按自己的规律兴奋起来，这时出现了三种视觉信号，它们经过视神经兴奋起来，这时出现了三种视觉信号，它们经过视神经传递到大脑，大脑对每一个单独的信号并不感兴趣，而传递到大脑，大脑对每一个单独的信号并不感兴趣，而是把它们综合在一起，形成一个综合的色视觉，这就是是把它们综合在一起，形成一个综合的色视觉，这就是人感觉到的混合光的颜色。人感觉到的混合光的颜色。七、三原色原理七、三原色原理根据实验，强度相同的原色组合起来以后，根据实验，强度相同的原色组合起来以后，所引起的色视觉可以用下面的公式表示

29、：所引起的色视觉可以用下面的公式表示：l红红+绿绿+蓝蓝=白，白，l蓝蓝+红红=紫，紫，l绿绿+红红=黄，黄，l蓝蓝+绿绿=青。青。彩色电视机的屏幕象人眼的视网膜一样，有三种感觉颜色的物彩色电视机的屏幕象人眼的视网膜一样，有三种感觉颜色的物质，这就是三种荧光涂料，它们分别对三原色之一感光，感光质，这就是三种荧光涂料，它们分别对三原色之一感光，感光后分别发出这三种彩色的荧光。这样以来，屏幕上就出现了三后分别发出这三种彩色的荧光。这样以来，屏幕上就出现了三色图像。人眼感觉到的是它们的叠加色，因为它们是按不同的色图像。人眼感觉到的是它们的叠加色，因为它们是按不同的强度比例混合起来的，所以造成的色彩很

30、丰富。于是，原来的强度比例混合起来的，所以造成的色彩很丰富。于是，原来的彩色景物就复现出来了。彩色景物就复现出来了。注意：人们常把黄色、紫色、青色叫做颜料三原色，它们两两注意：人们常把黄色、紫色、青色叫做颜料三原色，它们两两混合可以配出红色、绿色和蓝色，如果把这颜料三原色等量地混合可以配出红色、绿色和蓝色，如果把这颜料三原色等量地混在一起，就会配出黑色。混在一起，就会配出黑色。一、显微镜的聚光本领一、显微镜的聚光本领 数值孔径数值孔径4.5 4.5 物镜的聚光本领物镜的聚光本领物镜的聚光本领是描述物镜聚集光通量能力的物理量，物镜的聚光本领是描述物镜聚集光通量能力的物理量，可以用像面的照度来量度

31、。可以用像面的照度来量度。1 1、面元、面元dSdS对应的入射光通量对应的入射光通量由由亮度亮度的定义的定义则对整个入射光瞳的光通量则对整个入射光瞳的光通量设物镜不吸收光通量设物镜不吸收光通量若若发光体遵从发光体遵从朗伯定律朗伯定律，L L不随不随u u1 1改变改变2 2、像面照度、像面照度数值孔径数值孔径(numerical aperture)令令提高像面照度的途径：增大数值孔径提高像面照度的途径：增大数值孔径显微镜的聚光本领显微镜的聚光本领代换代换为物象的横向放大率为物象的横向放大率二二.望远镜的聚光本领望远镜的聚光本领 相对孔径相对孔径式中式中 为为相对孔径相对孔径。望远镜的聚光本领望

32、远镜的聚光本领d d 必须很大必须很大讨论：讨论：对于足够远的物体，可认为对于足够远的物体，可认为四、照相机的聚光本领四、照相机的聚光本领l照相机的光圈总是作为有效光阑。照相机的光圈总是作为有效光阑。拍摄远物时拍摄远物时拍摄近物时拍摄近物时照相机的聚光本领通常不用相对孔径而用它的倒数照相机的聚光本领通常不用相对孔径而用它的倒数 来衡量，称为来衡量，称为F F数或光圈数，显然，数或光圈数，显然，F F数越大，就是相数越大，就是相对孔径越小，聚光本领越弱。（对孔径越小，聚光本领越弱。（），照像机），照像机的光圈数是等比数列，其公比为的光圈数是等比数列，其公比为 ，即：，即：1.41.4、2 2、2

33、.82.8、4 4、5.65.6、8 8、.4.6 4.6 助视仪器的分辨本领助视仪器的分辨本领一、分辨本领 瑞利判据二、人眼的分辨本领三、望远镜物镜的分辨本领四、显微镜物镜的分辨本领如果仅从几何光学的定律来考虑，只要适当选择如果仅从几何光学的定律来考虑，只要适当选择透镜焦距并且适当安排多个透镜的组合，总可能用透镜焦距并且适当安排多个透镜的组合，总可能用提高放大率的办法，把任何微小物体或远处物体放提高放大率的办法，把任何微小物体或远处物体放大到清晰可见的程度。大到清晰可见的程度。但是，但是，实际上各种光学仪器成像的清晰程度最终要实际上各种光学仪器成像的清晰程度最终要受光的衍射现象所限制，受光的

34、衍射现象所限制，光学仪器的分辨能力有一个光学仪器的分辨能力有一个最高的极限。我们在这里讨论光学仪器的分辨本领，最高的极限。我们在这里讨论光学仪器的分辨本领，就是要说明为什么有一个分辨极限，并给出分辨极限就是要说明为什么有一个分辨极限，并给出分辨极限的大小。的大小。从波动光学的观点来看，由于衍射现象，光从波动光学的观点来看，由于衍射现象，光源上一个点所发出的光波经过仪器中的圆孔源上一个点所发出的光波经过仪器中的圆孔或狭缝后，并不能聚焦成为一个点，而是或狭缝后，并不能聚焦成为一个点，而是形形成一个衍射图样成一个衍射图样。例如，望远镜的物镜相当于一个通光圆孔，例如，望远镜的物镜相当于一个通光圆孔，一

35、个点光源发的光经过物镜后所形成的像不一个点光源发的光经过物镜后所形成的像不是一个点，而是形成一个衍射图样，其主要是一个点，而是形成一个衍射图样，其主要部分就是部分就是爱里斑爱里斑。爱里斑爱里斑：点光源透过圆孔衍射图样中心：点光源透过圆孔衍射图样中心由第一暗由第一暗环所围的中央光斑环所围的中央光斑。光学仪器的分辨本领能分辨恰能分辨不能分辨l一、瑞利判据一、瑞利判据 分辨本领分辨本领l当一个中央亮斑的最大值恰和另一个中央亮斑的最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相重合时，两个像点刚好能被分辨开。小值位置相重合时，两个像点刚好能被分辨开。当两个像点刚好能当两个像点刚好能被分辨开时，

36、对应的被分辨开时，对应的两两个发光点对光具组入射个发光点对光具组入射光瞳中心所张视角光瞳中心所张视角U U等于等于各衍射图样第一暗环半各衍射图样第一暗环半径的衍射角径的衍射角1 1。分辨极限分辨极限：U U1 1的的这个极限角称为光具组这个极限角称为光具组的的分辨极限分辨极限，它的倒数，它的倒数称为称为分辨本领。分辨本领。二、人眼的分辨本领二、人眼的分辨本领即即介质中介质中三、望远镜物镜的分辨本领三、望远镜物镜的分辨本领 望远镜物镜的分辨极限通常以物镜焦平面上刚刚能够望远镜物镜的分辨极限通常以物镜焦平面上刚刚能够被分辨出的两个像点之间的直线距离来表示。被分辨出的两个像点之间的直线距离来表示。四

37、、显微镜物镜的分辨本领四、显微镜物镜的分辨本领显微镜物镜的分辨极限通显微镜物镜的分辨极限通常以被观察的物面上刚好常以被观察的物面上刚好能够分辨出的两物点之间能够分辨出的两物点之间的直线距离来表示。的直线距离来表示。一、棱镜光谱仪一、棱镜光谱仪在最小偏向角在最小偏向角 附近的角色散率的数值为：附近的角色散率的数值为：角色散率：角色散率：4.7 4.7 分光仪器的分辨本领分光仪器的分辨本领而或或一、棱镜光谱仪一、棱镜光谱仪 即：即：波长相差为波长相差为 的两谱线间的角距离的两谱线间的角距离l色分辨本领色分辨本领 一、棱镜光谱仪一、棱镜光谱仪l可见：可见：l用指定材料（用指定材料（一定）制成的棱镜，

38、折射棱角一定）制成的棱镜，折射棱角A A越越大，不论有效厚度大小如何，对一定的大，不论有效厚度大小如何，对一定的 所得所得 越大，越大，即光谱展得越开。即光谱展得越开。l棱镜底面的宽度棱镜底面的宽度 越大，不论折射棱角越大，不论折射棱角A A大小如大小如何，色分辨本领何，色分辨本领 越高。越高。色分辨本领色分辨本领为棱镜底面的宽度为棱镜底面的宽度 即即一、棱镜光谱仪一、棱镜光谱仪l线色散率线色散率 可见：光谱仪的线色散率可见：光谱仪的线色散率L L在不同的波段是不同的在不同的波段是不同的二、光栅光谱仪二、光栅光谱仪l角色散率角色散率：波长相差：波长相差0.1nm的两条谱线分开的角的两条谱线分开

39、的角距离称为角色散。距离称为角色散。线色散率线色散率：在物镜的焦平面上波长相差：在物镜的焦平面上波长相差0.1nm的两的两条谱线分开的距离。条谱线分开的距离。或者或者色分辨本领色分辨本领色分辨本领表示了不同波长的两个主极大分开的程色分辨本领表示了不同波长的两个主极大分开的程度。如果光栅所能分辨分最小波长差为度。如果光栅所能分辨分最小波长差为，则分则分辨本领定义为：辨本领定义为：二、光栅光谱仪二、光栅光谱仪光栅光谱仪的分辨本领则正比于狭缝总数光栅光谱仪的分辨本领则正比于狭缝总数N N，且且随着光谱级数的增加而增加，但与光栅常数随着光谱级数的增加而增加，但与光栅常数d d无关。无关。对于给定的某一级光谱，波长相差对于给定的某一级光谱，波长相差 的两谱的两谱线间的角距离线间的角距离 反比于光栅常数反比于光栅常数d d，即正比于光即正比于光栅单位长度内狭缝条数栅单位长度内狭缝条数1/1/d d，狭缝条数越密，光谱狭缝条数越密，光谱展得越开，而与光栅的狭缝总数展得越开，而与光栅的狭缝总数N N无关。无关。由此可见由此可见