教学课件：第四章-光学仪器.ppt

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1、1.了解人眼的结构以及非正常眼形成的原因及其矫正措施；了解人眼的结构以及非正常眼形成的原因及其矫正措施；2.明确明确视角的物理意义视角的物理意义;3.明确明确助视仪器放大本领的物理意义，助视仪器放大本领的物理意义，区别区别角度放大率与放角度放大率与放大本领；大本领；4.掌握掌握放大镜、目镜、显微镜和望远镜放大本领的计算；放大镜、目镜、显微镜和望远镜放大本领的计算；5.了解光阑在光学仪器中的作用和地位；了解光阑在光学仪器中的作用和地位；6.掌握掌握有效光阑、入射光瞳和出射光瞳的计算；有效光阑、入射光瞳和出射光瞳的计算；教教 学学 目目 标标 主要内容主要内容 本章围绕衡量光学仪器的三个本领进行教

2、学，其中着本章围绕衡量光学仪器的三个本领进行教学，其中着重介绍望远镜、显微镜的放大本领和分辨本领，扼要介绍重介绍望远镜、显微镜的放大本领和分辨本领，扼要介绍聚光本领。简单介绍光度学、像差的基本概念。聚光本领。简单介绍光度学、像差的基本概念。7.了解光通量、发光强度、光照度和光亮度的概念及了解光通量、发光强度、光照度和光亮度的概念及其单位其单位,特别是作为七个基本物理量之一的发光强度特别是作为七个基本物理量之一的发光强度的单位的单位-坎德拉坎德拉;8.了解球差和色差的形成和矫正；了解球差和色差的形成和矫正；9.理解物镜聚光本领的物理意义；理解物镜聚光本领的物理意义；10.结合显微镜聚光本领的讨论

3、理解数值孔径的意义，结合显微镜聚光本领的讨论理解数值孔径的意义，结合望远镜和照相机聚光本领的讨论理解相对孔径结合望远镜和照相机聚光本领的讨论理解相对孔径的意义；的意义；11.掌握瑞利判据、分辨极限和分辨本领的概念；掌握瑞利判据、分辨极限和分辨本领的概念；12.掌握成像仪器的像分辨本领，熟悉人眼、显微镜和掌握成像仪器的像分辨本领，熟悉人眼、显微镜和望远镜分辨本领的计算；望远镜分辨本领的计算；13.掌握分光仪器的色分辨本领，熟悉棱镜分光计、光掌握分光仪器的色分辨本领，熟悉棱镜分光计、光栅分光计色分辨本领的计算栅分光计色分辨本领的计算一、光学仪器及分类一、光学仪器及分类1、定义、定义：多种光学元件按

4、一定的要求组成的系统多种光学元件按一定的要求组成的系统光学仪器。光学仪器。2、分类、分类：按性能：显微镜、望远镜、照像机和分光镜按性能：显微镜、望远镜、照像机和分光镜按成像性质：按成像性质：成实像的光学仪器。如照像机、幻灯机、电影放映机、投影仪等。成实像的光学仪器。如照像机、幻灯机、电影放映机、投影仪等。成虚像的光学仪器成虚像的光学仪器助视仪器。如放大镜、显微镜、望远镜等。助视仪器。如放大镜、显微镜、望远镜等。二、理论基础二、理论基础主要：几何光学基本原理。主要：几何光学基本原理。其它：衍射理论、加工工艺学、材料科学等。其它：衍射理论、加工工艺学、材料科学等。三、实际光学仪器三、实际光学仪器1

5、、理想成像的要求：、理想成像的要求：近轴近轴:近轴物点、近轴光线近轴物点、近轴光线单色单色:物体所发光线是单色的物体所发光线是单色的4.0概概述述实际光学仪器情况：非近轴和复色光。会造成如下矛盾：实际光学仪器情况：非近轴和复色光。会造成如下矛盾：2、两大矛盾、两大矛盾像的清晰度与像场能量聚集程度的矛盾像的清晰度与像场能量聚集程度的矛盾几何光学观点：必须满足单色、近轴条件几何光学观点：必须满足单色、近轴条件复色复色色差色差非近轴非近轴象差象差能量观点：不宜限于近轴区域。能量观点：不宜限于近轴区域。要得明亮像，必须使进入光学仪器的光束尽量宽。要得明亮像，必须使进入光学仪器的光束尽量宽。成像清晰度与

6、细节分辨程度的矛盾成像清晰度与细节分辨程度的矛盾波动光学观点：光线越近轴波动光学观点：光线越近轴光束受限越突出光束受限越突出衍射越明显衍射越明显像的清晰度越低像的清晰度越低几何光学观点：减小象差几何光学观点：减小象差满足近轴条件满足近轴条件像的清晰度与像面亮度、分辨本领不能同时兼得，而矛盾不像的清晰度与像面亮度、分辨本领不能同时兼得，而矛盾不可避免。因而，实际光学仪器要根据用途，权衡轻重，有针对可避免。因而，实际光学仪器要根据用途，权衡轻重，有针对性地进行设计制造。性地进行设计制造。一、人眼的构造一、人眼的构造1.巩膜：白色坚韧巩膜：白色坚韧,厚厚0.40.8mm2.角膜：透明，角膜：透明，R

7、:8mm3.脉络膜：脉络膜：黑色不透光黑色不透光4.虹膜：带色的彩带虹膜：带色的彩带5.瞳孔：直径：瞳孔：直径：1.48mm6.水晶体水晶体眼珠眼珠,折射率为折射率为1.42的胶状的胶状物物,前后曲面半径前后曲面半径:10mm,6mm7.睫状肌睫状肌8.前房液前房液水状体水状体:淡淡盐溶液盐溶液,折折射率射率1.3379.后房液后房液玻璃体玻璃体:含大量水含大量水份胶状物份胶状物,折射率折射率1.33610.视网膜视网膜:视神经网视神经网11.盲点盲点:不不引起视觉引起视觉12.黄斑点黄斑点直径直径:2mm13.中央窝中央窝:最最敏感直径敏感直径0.25mm14.视神经视神经4.1人的眼睛人的

8、眼睛二、简化眼二、简化眼从上面的图中可看出：人眼是一个由角膜、水状液、晶状体从上面的图中可看出：人眼是一个由角膜、水状液、晶状体和玻璃液所组成的，物、像方折射率近似相等的，可变焦距的，和玻璃液所组成的，物、像方折射率近似相等的，可变焦距的，共轴复杂光学系统（光具组）。它能在视网膜上清晰成像。共轴复杂光学系统（光具组）。它能在视网膜上清晰成像。所以人眼是一个能自动调节精密的光学仪器。其结构相当复所以人眼是一个能自动调节精密的光学仪器。其结构相当复杂。在许多情况下将其简化成如下的模型：杂。在许多情况下将其简化成如下的模型：高尔斯特兰简化眼F OF光心三、人眼的调节功能三、人眼的调节功能1、定义：为

9、使不同距离的物体都能在视网膜上成清晰像而改、定义：为使不同距离的物体都能在视网膜上成清晰像而改变眼睛的焦距的过程。变眼睛的焦距的过程。人眼的调节方式有两种：自动调节（自调节）和被动调节（矫正）。人眼的调节方式有两种：自动调节（自调节）和被动调节（矫正）。2、自调节、自调节：正常人眼靠睫状肌的松驰或紧张来改变晶状体的曲率半径，正常人眼靠睫状肌的松驰或紧张来改变晶状体的曲率半径，从而改变人眼焦距的过程。由人眼自动完成的。从而改变人眼焦距的过程。由人眼自动完成的。说明：说明：自调节有一定的限度：在近点和远点之间。自调节有一定的限度：在近点和远点之间。远点：人眼能看清楚物体的最远点。人眼看远点处的物体

10、时，睫状肌远点：人眼能看清楚物体的最远点。人眼看远点处的物体时，睫状肌处于完全松驰的状态，晶状体曲面的曲率半径最大。处于完全松驰的状态，晶状体曲面的曲率半径最大。近点：人眼能看清楚物体的最近点。人眼看近点处的物体时，睫状肌近点：人眼能看清楚物体的最近点。人眼看近点处的物体时，睫状肌处于最紧张的状态，晶状体曲面的曲率半径最小。处于最紧张的状态，晶状体曲面的曲率半径最小。人眼疲劳程度与睫状肌的松紧程度有关：人眼疲劳程度与睫状肌的松紧程度有关：看远物时，肌肉松驰，不易疲劳；看近物时，肌肉紧张，容易疲劳。看远物时，肌肉松驰，不易疲劳；看近物时，肌肉紧张，容易疲劳。近点、远点和调节范围随年龄的增长而变化

11、；近点、远点和调节范围随年龄的增长而变化；近点变远：幼年近点变远：幼年78cm；中年；中年25cm；老年；老年12m。远点变近：幼年远点变近：幼年无限远；老年无限远；老年数米。数米。随年龄的增长，肌肉衰老，自身调节范围变窄。随年龄的增长，肌肉衰老，自身调节范围变窄。适当照明下，正常眼观察眼前适当照明下，正常眼观察眼前25cm处的物体是轻松的，且能看清物体处的物体是轻松的，且能看清物体的细节。称的细节。称25cm为明视距离。为明视距离。因此，在设计和使用助视仪器时一般都使虚像成于明视距离、无穷因此，在设计和使用助视仪器时一般都使虚像成于明视距离、无穷远处或其间的某一位置处。远处或其间的某一位置处

12、。3、人眼的缺陷及矫正、人眼的缺陷及矫正被动调节：外加辅助仪器改变焦距的过程。被动调节：外加辅助仪器改变焦距的过程。具备完善的自调节功能的人眼称为正常眼；反之，称为非正常眼。具备完善的自调节功能的人眼称为正常眼；反之，称为非正常眼。近视眼：远点在有限远处的人眼。近视眼：远点在有限远处的人眼。特点：晶状体曲率半径比正常眼小，外形凸出；像方焦点在视网膜特点：晶状体曲率半径比正常眼小，外形凸出；像方焦点在视网膜前，焦距短。前，焦距短。P OF OF远点矫正前P OF远点远物矫正后例4-1一个远点为0.2m的近视眼戴上眼镜后远点可恢复到无穷远。求所戴眼镜的光焦度。远视眼：近点比正常眼远的人眼远视眼：近

13、点比正常眼远的人眼特点：晶状体曲率半径比正常眼大；像方焦点在视网膜后，焦距长。特点：晶状体曲率半径比正常眼大；像方焦点在视网膜后，焦距长。OF明视距离 OF近点矫正前矫正前明视距离 OF近点矫正后矫正后明视距离 OF近点例例4-2求一个近点为求一个近点为125cm的远视眼所戴眼镜的光焦度的远视眼所戴眼镜的光焦度.散光眼：角膜为椭球面的人眼。也称为像散眼。散光眼：角膜为椭球面的人眼。也称为像散眼。由于椭球有两个对称平面，分别包含长、短轴，因而具有两个不同的焦由于椭球有两个对称平面，分别包含长、短轴，因而具有两个不同的焦距。主轴上的一个物点将成两条像线。距。主轴上的一个物点将成两条像线。像散。像散

14、。矫正方法：戴柱面透镜。利用其像散作用，与散光眼的像散相抵消。矫正方法：戴柱面透镜。利用其像散作用，与散光眼的像散相抵消。近视（或远视）近视（或远视）+散光：戴一付一面为球面、一面为柱面的透镜。球面用于矫散光：戴一付一面为球面、一面为柱面的透镜。球面用于矫正正近（远）视，柱面用于矫正散光。近（远）视，柱面用于矫正散光。四、人眼的视角四、人眼的视角定义：被观察物对人眼定义：被观察物对人眼光心光心的张角称为人眼的的张角称为人眼的视角视角。F OFQPQP人眼对物体大小的感觉是以人眼对物体大小的感觉是以该物体在视网膜上所成像对光该物体在视网膜上所成像对光心所张角度的大小衡量的。心所张角度的大小衡量的

15、。表达式：表达式：F OFQPQP说明：说明：A、在人眼的可调节范围内在人眼的可调节范围内人眼对物体大小的感觉取决于其在视网膜上像的大小，因而取人眼对物体大小的感觉取决于其在视网膜上像的大小，因而取决于视角决于视角U的大小，当的大小，当U1时，人眼已无法区分物体了。时，人眼已无法区分物体了。一切助视仪器设计的出发点就是增大人眼的视角一切助视仪器设计的出发点就是增大人眼的视角.助视仪器助视仪器:帮助人眼帮助人眼(正常、非正常正常、非正常)看清物体看清物体(远、近、大、小远、近、大、小)的光学仪器。的光学仪器。一、放大本领的概念一、放大本领的概念1、定义：如右图示、定义：如右图示P OQPQHHU

16、 OPQU物体物体PQ经助视仪器成虚象经助视仪器成虚象P Q ，再经人眼成像于视网膜上，其像，再经人眼成像于视网膜上，其像长为长为；去掉助视仪器后将同；去掉助视仪器后将同一物体置于原虚像所在处，对人眼一物体置于原虚像所在处，对人眼直接所成像长为直接所成像长为，则两个像，则两个像长的比值称为该助视仪器的放大本长的比值称为该助视仪器的放大本领。用领。用M表示。表示。2、说明：说明：必须将物放在同一特定位置比较两像大小。必须将物放在同一特定位置比较两像大小。放大镜和显微镜：明视距离处（放大镜和显微镜：明视距离处（25cm）；望远镜：无穷远处。）；望远镜：无穷远处。4.2助视仪器的放大本领助视仪器的放

17、大本领由上式可看出：助视仪器的作用就是增大人眼视角，从而改善和扩展视野。由上式可看出：助视仪器的作用就是增大人眼视角，从而改善和扩展视野。注意放大本领注意放大本领与角放大率与角放大率的区别。的区别。在近轴条件下在近轴条件下即：即：M等于两视角之比等于两视角之比SP OQPQHHU OPQU二、放大镜二、放大镜1、定义：帮助人眼看清微小物体及其细节的助视仪器。、定义：帮助人眼看清微小物体及其细节的助视仪器。2、放大本领：、放大本领：QPyP QyFLO-f-sUOy QPU使用放大镜的视角：使用放大镜的视角：未用放大镜的视角：未用放大镜的视角：以最简单的放大镜以最简单的放大镜-凸透镜为例凸透镜为

18、例:简单放大镜的放大本领：简单放大镜的放大本领：作用：将被观察物体成一放大虚像，从而增大其对人眼的视角，作用：将被观察物体成一放大虚像，从而增大其对人眼的视角，并非将物体移近。并非将物体移近。例：例：f=10cm，则，则M=2.5倍，记为倍，记为2.5。M与与f成反比。由于短焦距透镜像差大，所以成反比。由于短焦距透镜像差大，所以M很大的放大镜没有实用很大的放大镜没有实用价值。常用的放大镜价值。常用的放大镜M3；若采用复合透镜，可使；若采用复合透镜，可使M达到达到20。作业：作业：P2074.1、4.2一、目镜的作用一、目镜的作用从以上可知，放大镜是一种通过直接放大实物达到增大视角的助视仪器。从

19、以上可知，放大镜是一种通过直接放大实物达到增大视角的助视仪器。下面将介绍一种放大像的助视仪器下面将介绍一种放大像的助视仪器目镜。目镜。1、定义：目镜也是放大视角用的仪器、定义：目镜也是放大视角用的仪器.通常用于观察其它光学系统所成像通常用于观察其它光学系统所成像的放大镜。的放大镜。性质：放大镜。由复合透镜组构成的放大光具组。性质：放大镜。由复合透镜组构成的放大光具组。作用：放大其它光具组的像，从而增大视角。作用：放大其它光具组的像，从而增大视角。要求：要求：A、具有较高的放大本领和较大的视角；、具有较高的放大本领和较大的视角；B、具有一定的校正像差和色差的能力。、具有一定的校正像差和色差的能力

20、。目镜通常由两个或多个透镜组合而成。目镜通常由两个或多个透镜组合而成。复杂的助视仪器总是由物镜和目镜组成，靠近物体的称为物镜；靠近人眼的复杂的助视仪器总是由物镜和目镜组成，靠近物体的称为物镜；靠近人眼的称为目镜。目镜通过放大物镜所成的像达到增大人眼视角的目的。称为目镜。目镜通过放大物镜所成的像达到增大人眼视角的目的。2、结构：、结构：场镜场镜+视镜视镜+（分划板或称刻度尺）（分划板或称刻度尺）场镜：场镜：面向物体（即物镜的像）的透镜（或透镜组）面向物体（即物镜的像）的透镜（或透镜组）视镜：视镜：接近人眼的透镜（或透镜组）接近人眼的透镜（或透镜组）分划板：包含可移动叉丝的透明刻度尺，用于提高测量

21、精度分划板：包含可移动叉丝的透明刻度尺，用于提高测量精度4.3目目镜镜二、两种目镜二、两种目镜1、惠更斯目镜惠更斯目镜结构：如图示结构：如图示特点：特点：场镜、视镜均为同种材场镜、视镜均为同种材料的平凸透镜，且均以料的平凸透镜，且均以凸面朝向物体。凸面朝向物体。场镜焦距为视镜焦距的场镜焦距为视镜焦距的3倍，两透镜光心之间的距离为视镜焦距的倍，两透镜光心之间的距离为视镜焦距的2倍，所以场镜视镜的象方焦点重合。倍，所以场镜视镜的象方焦点重合。光路图：如上图示。可适当调节物镜和目镜的距离，使光路图：如上图示。可适当调节物镜和目镜的距离，使Q刚好在刚好在视镜的物方焦平面上，使出射光束为平行光束。视镜的

22、物方焦平面上，使出射光束为平行光束。由于场镜的物为由于场镜的物为虚物虚物，所以这种目镜无法对物镜所成的象进行测量，所以这种目镜无法对物镜所成的象进行测量分划板应配置于分划板应配置于F2Q 处，用于测量场镜的像的大小。由于分划板仅处，用于测量场镜的像的大小。由于分划板仅对视镜成像，场镜的消像差作用未起作用，因而，视镜的像差将使分对视镜成像，场镜的消像差作用未起作用，因而，视镜的像差将使分划板的像仅在中央部分清晰，测量误差较大。划板的像仅在中央部分清晰，测量误差较大。此目镜的视角大（可达此目镜的视角大（可达400），结构紧凑，适用于生物显微镜。），结构紧凑，适用于生物显微镜。2 2、冉斯登目镜、冉

23、斯登目镜结构：如图示结构：如图示特点：特点：312123321场镜、视镜均为同种场镜、视镜均为同种材料的平凸透镜，二镜材料的平凸透镜，二镜凸面相向，平面朝外。凸面相向，平面朝外。场镜、视镜焦距相同，两镜光心的距离为焦距值的场镜、视镜焦距相同，两镜光心的距离为焦距值的2/3。光路图：如上图示。可适当调节物镜和目镜的距离，使光路图：如上图示。可适当调节物镜和目镜的距离，使Q刚好在刚好在视镜的物方焦平面上，使出射光束为平行光束。视镜的物方焦平面上，使出射光束为平行光束。由于场镜的物为实物，所以可用其对物镜所成的象进行测量。由于场镜的物为实物，所以可用其对物镜所成的象进行测量。分划板即配分划板即配置在

24、置在FQ的平面的平面处，由于分划板同物处，由于分划板同物FQ一样既对场镜，也对视镜成像，所以，一样既对场镜，也对视镜成像，所以，场镜的消像差起作用，因而，可在大范围内清晰成像，测量精度高。场镜的消像差起作用，因而，可在大范围内清晰成像，测量精度高。此目镜既可用于观察象，也可用于观察物，并可由配备的分划板对物此目镜既可用于观察象，也可用于观察物，并可由配备的分划板对物镜所成的象进行测量，适用于测微目镜。镜所成的象进行测量，适用于测微目镜。注：注：两种目镜均能放大像，增大人眼视角；但冉镜还可用于直接观察实物，两种目镜均能放大像，增大人眼视角；但冉镜还可用于直接观察实物，配上分划板可精确测量实物和物

25、镜所成的像的长度。配上分划板可精确测量实物和物镜所成的像的长度。4.44.4显微镜的放大本领显微镜的放大本领一一.显微镜的光路图显微镜的光路图 帮助人眼观察微小物体的放大镜，称为显微镜。其物镜和目镜均由共轴帮助人眼观察微小物体的放大镜，称为显微镜。其物镜和目镜均由共轴光具组构成。其放大本领远大于简单放大镜和目镜。光具组构成。其放大本领远大于简单放大镜和目镜。一、结构一、结构F1o1 F1F2o2目镜系统目镜系统物镜系统物镜系统-UO -UP QQPyQP特点：特点：物体物体PQ置于物镜系统（焦距很短）的物方焦平面置于物镜系统（焦距很短）的物方焦平面F1附近，成实象附近，成实象PQ；PQ位于目镜

26、系统位于目镜系统（焦距很短）（焦距很短）物方焦平面物方焦平面F2附近，成放大的虚象附近，成放大的虚象PQ。整个显微镜系统最终成放大倒立虚象于明视距离处。整个显微镜系统最终成放大倒立虚象于明视距离处。二、光路图二、光路图惠更斯目镜惠更斯目镜明视明视距离距离F1o1 F1F2o2目镜系统物镜系统-UO-UP QQPyQP明视距离镜筒长度镜筒长度二、显微镜的放大本领二、显微镜的放大本领1、表达式：表达式：设显微物镜和目镜的焦距分别为设显微物镜和目镜的焦距分别为f1和和f2,物镜像方焦物镜像方焦点和目镜物方焦点之间距离为点和目镜物方焦点之间距离为。物镜的横方放大率：物镜的横方放大率：得：得：从此式可知

27、，欲使物镜所成的像尽量大，物镜的焦距从此式可知，欲使物镜所成的像尽量大，物镜的焦距f1必须很短。必须很短。整个系统的像方焦距为：整个系统的像方焦距为：显微镜作为一个放大镜，其放大本领为：显微镜作为一个放大镜，其放大本领为：为保证成尽量大的像，物镜和目镜焦距均很小为保证成尽量大的像，物镜和目镜焦距均很小将目镜作为放大镜，将物镜的像放大，从上可知将目镜作为放大镜，将物镜的像放大，从上可知f2必须很短。必须很短。从图中可知：从图中可知：代入物镜横放大率值，得：代入物镜横放大率值，得：此式是显微镜所成像的视角。此式是显微镜所成像的视角。若不用显微镜而直接看位于明视距离处的这个物体，则视角为：若不用显微

28、镜而直接看位于明视距离处的这个物体，则视角为：于是显微镜的放大本领为：于是显微镜的放大本领为：P204(3-54)2、讨论：讨论：即为物镜的横向放大率，其中，即为物镜的横向放大率，其中，“”号表示物镜成倒立像号表示物镜成倒立像为目镜的放大本领为目镜的放大本领显微镜也是将物体直接放大，达到增大视角的目的。显微镜也是将物体直接放大，达到增大视角的目的。显微镜放大本领等于物镜横向放大率与目镜放大本领显微镜放大本领等于物镜横向放大率与目镜放大本领的乘积。的乘积。显微镜将微小物体成放大的象，常用于观察近距离处肉眼难以看清的显微镜将微小物体成放大的象，常用于观察近距离处肉眼难以看清的细小物体。细小物体。定

29、义：定义：帮助人眼观察远处物体的放大镜。帮助人眼观察远处物体的放大镜。作用：将远物从物空间移至望远镜的像空间，从而增大对人眼的视角。作用：将远物从物空间移至望远镜的像空间，从而增大对人眼的视角。人眼以对望远镜像空间的观察代替了对物空间的观察。人眼以对望远镜像空间的观察代替了对物空间的观察。性质：是一种放大镜。只是不是将物体直接放大，而是将远物移近，性质：是一种放大镜。只是不是将物体直接放大，而是将远物移近，从而增大视角。从而增大视角。结构及分类结构及分类1、结构：物镜系统、结构：物镜系统+目镜系统目镜系统2、分类分类：按物镜的种类分：按物镜的种类分：A、反射式望远镜：物镜为反射镜；、反射式望远

30、镜：物镜为反射镜；B、折射式望远镜：物镜为透镜。、折射式望远镜：物镜为透镜。按目镜种类分：按目镜种类分：A、开普勒望远镜：目镜为会聚透镜；、开普勒望远镜：目镜为会聚透镜；B、伽利略望远镜：目镜为以散透镜。、伽利略望远镜：目镜为以散透镜。4.5望远镜的放大本领望远镜的放大本领一、开普勒望远镜一、开普勒望远镜1611年提年提出出-UO-U”1、结构特点：、结构特点：物镜和目镜均为会聚透镜，且物镜像方焦点与目镜物方焦点重合。物镜和目镜均为会聚透镜，且物镜像方焦点与目镜物方焦点重合。o1F1F2o2物镜系统物镜系统目镜系统目镜系统UPQ2、原理：光路如图示、原理：光路如图示 无穷远处的物体无穷远处的物

31、体PQ发出的平行光入射于物镜系统，成实象发出的平行光入射于物镜系统，成实象P Q于象于象方焦平面上；因为物镜系统的象方焦平面与目镜系统的物方焦平面重合，方焦平面上；因为物镜系统的象方焦平面与目镜系统的物方焦平面重合，故最终由目镜系统出射的光为平行光，成倒立象于无穷远处。（望远镜的故最终由目镜系统出射的光为平行光，成倒立象于无穷远处。（望远镜的结构都这样）结构都这样）PQQP3、放大本领放大本领-UO-U”o1F1F2o2物镜系统物镜系统目镜系统UPQPQQPU-U眼睛在眼睛在O处看处看像的视角为：像的视角为：从图中可得：从图中可得：注注：若不用望远镜而直接看远处物体，则若不用望远镜而直接看远处

32、物体，则视角为视角为U=PO1Q，从图可知这个，从图可知这个视角又为：视角又为：A：f1 10 0，f2 20 0，M0，故成倒立象，故成倒立象B:f1越长，越长，f2越短，越短，M越大越大。C：目镜的物方焦平面在镜筒内，可以放置分划板叉丝进行测量；目镜的物方焦平面在镜筒内，可以放置分划板叉丝进行测量；D：眼睛的位置眼睛的位置O在镜筒之外，望远镜的视场较大。在镜筒之外，望远镜的视场较大。E：镜筒长度镜筒长度L=f1+f2，镜筒较长。，镜筒较长。开普勒望远镜的放大本领开普勒望远镜的放大本领:二、伽利略望远镜二、伽利略望远镜1、结构特点结构特点：物镜为会聚透镜和目镜为发散透镜，且物镜像方焦点与目镜

33、物方焦点重合。物镜为会聚透镜和目镜为发散透镜，且物镜像方焦点与目镜物方焦点重合。UO1O2PF1F2OUQPQUU2、原理：光路如图示、原理：光路如图示 无穷远处的物体无穷远处的物体PQ发出的平行光入射于物镜系统，原应成实象发出的平行光入射于物镜系统，原应成实象PQ于象方焦平面上；但成像前遇目镜，故作虚物对目镜成像；又因物镜系统于象方焦平面上；但成像前遇目镜，故作虚物对目镜成像；又因物镜系统的象方焦平面与目镜系统的物方焦平面重合，故最终由目镜系统出射的光的象方焦平面与目镜系统的物方焦平面重合，故最终由目镜系统出射的光为平行光，成正立象于无穷远处。为平行光，成正立象于无穷远处。Q3、放大本领放大

34、本领使用望远镜后，无穷远处的象对眼睛的张角为：使用望远镜后，无穷远处的象对眼睛的张角为：从图中可知，未使用望远镜时，无穷远处物体对眼睛的张角为：从图中可知，未使用望远镜时，无穷远处物体对眼睛的张角为：伽利略望远镜的放大本领：伽利略望远镜的放大本领：镜筒长度镜筒长度 L=f1 1-f2 2，筒长较短。，筒长较短。f1为正值，为正值，f2为负值，故放大本领为负值，故放大本领M为正值，望远镜成为正值，望远镜成正立的象；正立的象；说明说明：目镜的物方焦平面在镜筒之外，无法放置分划板；目镜的物方焦平面在镜筒之外，无法放置分划板；眼睛的位置眼睛的位置O理论上位于镜筒之内，实际进入眼睛的光束的范围因此理论上

35、位于镜筒之内，实际进入眼睛的光束的范围因此而受限制，故视场较小；而受限制，故视场较小；注：望远镜不是将物直接放大，而是将物移近，从而增大视角。注：望远镜不是将物直接放大，而是将物移近，从而增大视角。式中的式中的f2为目镜的焦距为目镜的焦距三、反射式望远镜三、反射式望远镜定义：物镜都是用孔径大的反射镜制成的，这种望远镜叫做反定义：物镜都是用孔径大的反射镜制成的，这种望远镜叫做反射式望远镜。射式望远镜。哈勃太空望远镜反射式望远镜反射式望远镜 (1)牛顿式反射望远镜牛顿式反射望远镜特点：特点：1 1）无色差无色差；2 2）适当组合，可消球差适当组合，可消球差；3 3）物物镜孔径大，成像明晰，孔径大，

36、成像明晰，易制造易制造.(抛物面镜抛物面镜)(2)卡斯格伦式反射望远镜卡斯格伦式反射望远镜特点：特点：副镜用双曲凸面镜，副镜用双曲凸面镜，无像差，结构紧凑无像差，结构紧凑.(抛物面镜抛物面镜)(双曲凸面镜双曲凸面镜)(3)施密特卡式折反射望远镜施密特卡式折反射望远镜特点：特点：2.2.用修正板用修正板矫正球差，正球差，结构构紧凑凑.(凹球面镜凹球面镜)1.1.主主镜用凹球面用凹球面镜；哈勃太空望远镜哈勃太空望远镜 哈勃空间望远镜外观象一个哈勃空间望远镜外观象一个5层楼高的圆筒，其主体长层楼高的圆筒，其主体长13.2米，最大直径米，最大直径4.3米米(其中光学主镜口径为其中光学主镜口径为2.4米

37、米)，两块长，两块长达达12米左右的太阳能电池翼板伸展在镜筒两侧，总重量达米左右的太阳能电池翼板伸展在镜筒两侧，总重量达11.5吨。这是一座高度自动化的空间天文台，它的主要性能要比通吨。这是一座高度自动化的空间天文台，它的主要性能要比通常的地面光学望远镜优越一个量级以上。哈勃空间望远镜从常的地面光学望远镜优越一个量级以上。哈勃空间望远镜从1979年蓝图设计到年蓝图设计到1990年投入观测，历时年投入观测，历时10余年，耗资余年，耗资15亿亿美元。若按重量计算，平均每克造价接近美元。若按重量计算，平均每克造价接近130美元，远比纯金美元，远比纯金更贵。哈勃望远镜拥有更贵。哈勃望远镜拥有5台主要的

38、科学观测仪器，包括两台照台主要的科学观测仪器，包括两台照相仪，两台光谱仪和一台高速光度计。每台设备都设计成相互相仪，两台光谱仪和一台高速光度计。每台设备都设计成相互独立的组装插件，可以分别或同时进行观测，也可以单独被撤独立的组装插件，可以分别或同时进行观测，也可以单独被撤换而不影响其它仪器。换而不影响其它仪器。“哈勃哈勃”望望远镜“哈勃哈勃”望远镜拍到的马头星云望远镜拍到的马头星云AAT36“哈勃哈勃”望望远镜拍到的拍到的猎户座四座四边形星群形星群哈勃望远镜发现的迄今为止宇宙中最冷的地方哈勃望远镜发现的迄今为止宇宙中最冷的地方“回飞回飞棒星云棒星云”（位于人马座，距离地球（位于人马座，距离地球

39、50005000光年）。是一团由正在死光年）。是一团由正在死亡的恒星排出的气体。人类迄今为止所了解的宇宙中，绝大多数亡的恒星排出的气体。人类迄今为止所了解的宇宙中，绝大多数星云的温度都高过宇宙大爆炸以来的背景温度星云的温度都高过宇宙大爆炸以来的背景温度3K3K，而这一星云的，而这一星云的温度则低至温度则低至1K1K（只比理论上的最低温度（只比理论上的最低温度连原子也会停止活动连原子也会停止活动的绝对零度的绝对零度高高1 1度），温度如此之低，可能是度），温度如此之低，可能是“回飞棒星云回飞棒星云”的独特形状造成其气体的高速扩散。的独特形状造成其气体的高速扩散。哈哈勃勃望望远远镜镜发发现现暗暗物

40、物质质环环跨跨度度约约有有260万万光光年年一个天文学家小组利用哈勃太空望远镜，探测到了位于遥远星系团中呈环一个天文学家小组利用哈勃太空望远镜，探测到了位于遥远星系团中呈环状分布的暗物质。天文学家们称，这是迄今为止能证明暗物质存在的最强状分布的暗物质。天文学家们称，这是迄今为止能证明暗物质存在的最强有力的证据。有力的证据。所谓暗物质是指宇宙中存在的一种不明性质的物质粒子，它的电磁放射和所谓暗物质是指宇宙中存在的一种不明性质的物质粒子，它的电磁放射和折射非常微弱，所以不能被直接探测到。按照天文学界目前流行的理论，折射非常微弱，所以不能被直接探测到。按照天文学界目前流行的理论，暗物质才是宇宙物质的

41、暗物质才是宇宙物质的“主宰主宰”，而我们肉眼能见的普通物质如恒星、行，而我们肉眼能见的普通物质如恒星、行星，所占质量只是宇宙中很小一部分。暗物质不能被星，所占质量只是宇宙中很小一部分。暗物质不能被“看看”到，但可测量到，但可测量到其存在的痕迹。到其存在的痕迹。天文学家介绍说，借助天文学家介绍说，借助“引力透镜引力透镜”效应探测到的这个奇特暗物质环位于距效应探测到的这个奇特暗物质环位于距地球地球50亿光年的一个编号为亿光年的一个编号为“CL002417”的星系团中。整个暗物质环的跨的星系团中。整个暗物质环的跨度约有度约有260万光年。万光年。“引力透镜引力透镜”效应是指，遥远星系团的恒星发出的光

42、在效应是指，遥远星系团的恒星发出的光在“路过路过”被观测区被观测区域时，被大质量物质吸引而发生扭曲的现象。科学家借助这一效应来确定域时，被大质量物质吸引而发生扭曲的现象。科学家借助这一效应来确定暗物质的存在。科学家分析发现，在约暗物质的存在。科学家分析发现，在约10亿至亿至20亿年前，有两个遥远的星亿年前，有两个遥远的星系团发生碰撞，并融合为一，它们中的暗物质也因此在猛烈冲击下聚合并系团发生碰撞，并融合为一，它们中的暗物质也因此在猛烈冲击下聚合并重新分布，在向外扩散的过程中由于引力作用形成了这个新的环状结构。重新分布，在向外扩散的过程中由于引力作用形成了这个新的环状结构。四、激光扩束器四、激光

43、扩束器1、定义：、定义：扩束器扩束器将光束横截面扩大的光学仪器。将光束横截面扩大的光学仪器。激光扩束器激光扩束器将激光束横截面扩大的光学仪器。将激光束横截面扩大的光学仪器。2、装置、装置倒用的折射式望远镜是很好的激光扩束器；倒用的折射式望远镜是很好的激光扩束器；F1F2物镜系统物镜系统目镜系统目镜系统F1F2目镜目镜目镜目镜开氏开氏伽氏伽氏显微镜的物镜（显微镜的物镜（40、100）也可作简单的激光扩束器。）也可作简单的激光扩束器。作业：作业：P2084.4、4.5、4.64.6光阑光阑光瞳光瞳一一.光阑的概念光阑的概念 作用：作用：限制光束，从而限制光束，从而改善改善象的象的质量质量、亮度亮度

44、、景深景深、分分辨率辨率等等.二二.有效光阑和光瞳有效光阑和光瞳 1.有效光阑：有效光阑：限制入射光束限制入射光束最起作最起作用的光阑用的光阑.求有效光阑的方法：求有效光阑的方法：每个后方光学元件对前方光学系统成象每个后方光学元件对前方光学系统成象,取张角取张角u 最小者所最小者所对应的光学元件对应的光学元件为有效光阑为有效光阑。u BAu BA1、定义：、定义：光学系统中凡是对光能量具有限制作用的元件。光学系统中凡是对光能量具有限制作用的元件。注意：注意：有效光阑的确定是以成象物体的确定为前提的，即同一有效光阑的确定是以成象物体的确定为前提的，即同一系统中，当物体的位置不同时，有效光阑可能会

45、不同。系统中，当物体的位置不同时，有效光阑可能会不同。P 入射光瞳：入射光瞳：有效光阑对有效光阑对前方前方光学系光学系统所成的象统所成的象.如图如图AB.出射光瞳：出射光瞳：有效光阑对有效光阑对后方后方光学系光学系统所成的象统所成的象.如图如图AB.(1)有效光阑是对光轴上某定点有效光阑是对光轴上某定点P而言的而言的;(2)AB 与与AB 对光束的限制作用是等效的对光束的限制作用是等效的;因因AB 是是AB 的象，由光路可逆原理知从的象，由光路可逆原理知从AB 发出的光线也必须经过发出的光线也必须经过AB.讨论：讨论：2.光瞳光瞳BAPuu BA入射光瞳（入瞳）入射光瞳（入瞳）有效光阑经其前方

46、光学系统所成的象。有效光阑经其前方光学系统所成的象。出射光瞳（出瞳）出射光瞳（出瞳）有效光阑经其后方光学系统所成的象。有效光阑经其后方光学系统所成的象。有效光阑入瞳出瞳入射孔径角出射孔径角例如组合光具组例如组合光具组:三、三、有效光阑和光瞳的计算有效光阑和光瞳的计算对一个确定的物点：对一个确定的物点：1、求出系统中每一个光阑经其前方光学系统所成的象。、求出系统中每一个光阑经其前方光学系统所成的象。2、由确定的物点对各个象作张角，通过比较确定其中张角最小的象。、由确定的物点对各个象作张角，通过比较确定其中张角最小的象。3、张角最小的象对应的物（光阑）即为有效光阑。、张角最小的象对应的物（光阑）即

47、为有效光阑。4、张角最小的象为入瞳；将已确定的有效光阑经其后方光学系统成、张角最小的象为入瞳；将已确定的有效光阑经其后方光学系统成象，即可求得出瞳。象，即可求得出瞳。四、讨论四、讨论1、若有效光阑在整个系统最前面，则有效光阑与入瞳重合；、若有效光阑在整个系统最前面，则有效光阑与入瞳重合；若有效光阑在整个系统最后面，则有效光阑与出瞳重合。若有效光阑在整个系统最后面，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；、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；、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、通过有效光阑

48、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；心也在主光线上；5、人眼的有效光阑就是瞳孔；、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。、有效光阑、出瞳和入瞳均是对给定物点而言的。4.7光度学概要光度学概要光能量的传播光能量的传播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光度学的基础。光度学：是对可见光的能量的计量研究。辐射量度学：红外光、紫外光、X光以及其它电磁辐射能量的计量研究。在光度学中，把光看作是沿光线进行的能量流，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。主要内容v一、辐

49、射通量（辐射功率）v二、视见函数（光见度函数）v三、光通量v四、发光强度v五、照度v六、亮度v七、三原色原理1.1.辐射通量辐射通量 面积元面积元ds的辐射通量：的辐射通量：定义定义1：辐射通量：辐射通量e e单位时间内面积元单位时间内面积元ds辐射出来的所有波长的总能量辐射出来的所有波长的总能量瓦特瓦特（又称：辐射功率）（又称：辐射功率）定义定义2：谱辐射通量密度：谱辐射通量密度光源面积元单位时间、单位波长间隔辐射的总能量光源面积元单位时间、单位波长间隔辐射的总能量.瓦特瓦特/米米（又称：分布函数）（又称：分布函数）用用e()表示，表示，是波长的函数。是波长的函数。定义定义3:总辐射通量：总

50、辐射通量：从光源面积元从光源面积元ds辐射出来的波长在辐射出来的波长在+d间的辐射通间的辐射通量为：量为：从光源面积元从光源面积元ds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：2.2.光视效应光视效应 因为人眼对不同波长的光有不同的灵敏度，并且，不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对灵敏度。表征此平均相对灵敏度的函数就称为视见函数。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：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，而对红外光和紫外光的视见函数为