1、自選實驗一光學(xué)儀器的制作一實驗原理光學(xué)儀器的角放大率放大率是某些光學(xué)儀器的主要特征參數(shù)。投影儀和放大機將物體放大成實像顯 示在屏幕上，用線性放大率0表示其放大能力；而望遠鏡和顯微鏡則主要增大遠處 的物體或近處微小的物體對眼睛的張角（視角大，物體在視網(wǎng)膜上成像就大），用 角放大率M表示它們的放大本領(lǐng)。因為同1件物體對眼睛的張角和物體離眼睛的距 離有關(guān)，故在角放大率的定義中必須對物體和像的位置作具體的規(guī)定。對望遠鏡和 顯微鏡規(guī)定，以像距離25cm （明視距離）處的放大率為儀器的放大率。用纖維和 望遠鏡觀察物體時，通常視角甚小，因此視角之比可用其正切之比代替于是光學(xué)儀 器的放大率可近似寫成M = t

2、an 屮 / tan 0式中屮為通過光學(xué)儀器觀測物體時，虛像在明視距離處對眼睛的張角；0為不 用光學(xué)儀器時，物體位于明視距離處對眼睛的張角。凸透鏡是最簡單的放大鏡。下面以凸透鏡為例，討論它的放大率。如下圖所 示，討論它的放大率。圖凸透鏡放大示意圖長度為y的物體AB在明視距離D處對人眼的張角為0。當物體AB放在透鏡L 的焦平內(nèi)側(cè)時，調(diào)整物距u使像到人眼的距離為明視距離D,得到高度為Y的虛像 ab。當眼睛緊靠凸透鏡時，此時視角即為像對眼睛的張角屮。則此時放大鏡的角放 大率為Y / D Y qM = tan 屮 / tan 0 =0y/ D y由此可知，放大鏡的角放大率與線性放大率在數(shù)值上相等。最簡

3、單的顯微鏡和望遠鏡都是由兩個正透鏡組成?？拷挥^察物體的是物鏡， 靠近人眼的是目鏡。物鏡的作用是使物體成一位于目鏡物方焦點以內(nèi)、靠近物方焦 點或位于物方焦點處的實像；目鏡則起到放大鏡的作用。顯微鏡和望遠鏡雖然基本 結(jié)構(gòu)相同，但功能各異。顯微鏡是用來觀察近處微小物體的細節(jié)，而望遠鏡則是用 來觀察遠處大物體的細節(jié)，它們都是延展人眼功能的助視光學(xué)儀器。投影儀器包括 電影放映機、幻燈機、印相放大機以及繪圖用的投影儀等。它的主要部分是一個會 聚的投影鏡頭，將畫片成放大的實像于屏幕上。顯微鏡原理如圖所示是顯微鏡的光路圖。物鏡L的焦距很短，它使位于其物方焦點F稍遠一點的物體y成一放大的實0 0 1像y，然后

4、通過目鏡L在人眼的明視距離（D=25cm）處成一放大的虛像y，如圖2e3所示表示實物y位于明視距離D時，對人眼的張角。顯微鏡的視角放大率M定 1義為像y對人眼的張角與y在明視距離D處對人眼張角之比。由于與都很31小，故有 y cM =一 =篤=p y1 TOC o 1-5 h z 此式表明，當歹3位于明視距離時，顯微鏡視角放大率M與橫向放大率P相 等。3一般商品顯微鏡的目鏡焦距f D，故有y3-y沁Df，并且目鏡上有5*、1e10*等數(shù)字標明目鏡視角放大率M。物鏡的垂軸放大率P，則由物鏡焦距f和顯 e0微鏡的光學(xué)間隔A決定。A是從物鏡像方焦點f到目鏡物方焦點f的距離。我們 0e有0二yj =，

5、故在物鏡上有10*、25*等數(shù)字標明物鏡的放大率。最后顯微/ yi / fo鏡的視角放大率y y yADM =厶=3厶=0 M =- 一人 y2 人0 efef0式中負號表示像是倒立的。上式表明，物鏡、目鏡的焦距愈短光學(xué)筒長愈大， 顯微鏡的放大倍率愈高。由于一般顯微鏡的光學(xué)間隔A是固定的（約為18cm），為使人眼通過顯微鏡 能清晰地看到被觀察物，只能使物處于顯微鏡前某一確定位置上，該位置到物鏡的 距離被稱作工作距離。調(diào)節(jié)整個顯微鏡和物之間的距離到工作距離稱為調(diào)焦過程。望遠鏡原理望遠鏡是用來觀察遠距離目標的目視光學(xué)儀器，可分為兩類：若望遠鏡的物鏡 和目鏡均為會聚透鏡，則稱為開普勒望遠鏡；若物鏡為

6、會聚透鏡，目鏡為發(fā)散透 鏡，稱為伽利略望遠鏡。通常把望遠鏡看成是由兩個共軸光學(xué)系統(tǒng)組成，我們把它 簡化為兩個凸透鏡，其中長焦距的凸透鏡作為物鏡，短焦距的凸透鏡作為目鏡。物 鏡的作用是將遠處物體發(fā)出的光經(jīng)會聚后在目鏡物方焦平面上生成一倒立的實像， 而目鏡起一放大鏡作用，把其物方焦平面上的倒立實像再放大成一虛像，供人眼觀 察。用望遠鏡觀察不同位置的物體時，只須調(diào)節(jié)物鏡和目鏡的相對位置，使物鏡成 的實像落在目鏡物方焦平面上，這就是望遠鏡的“調(diào)焦”。如圖所示是望遠鏡對無限遠處近軸物體調(diào)焦光路。圖望遠鏡光路物鏡L0的像方焦距f0是較長的，其作用是使遠處物體成一個實像y2，然后再 由目鏡將此實物放大，使之

7、成像在明視距離到無限遠處的任意位置。實際上望遠鏡 是使光軸夾很小的角的入射光束變成與光軸夾較大的O角的出射光束。由于 和。都很小，所以望遠鏡的視角放大率為e即等于物鏡、目鏡像方焦距之比。式中負號的意義同前，表示像是倒立的。上 式表明，物鏡的焦距愈長，望遠鏡的放大倍率愈高。當望遠鏡對無窮遠聚焦時，中間像成在物鏡的像方焦面上。這樣，平面上的每 個點和一個方向的人射線對應(yīng)，所以當望遠鏡鏡筒平移時，中間像對鏡筒沒有相對 位移，只有當望遠鏡的光軸轉(zhuǎn)動時中間像才會相對它移動。因此望遠鏡可用來測量 兩平行光光束間的夾角。4投影儀投影儀的光路如圖所示，主要部分是一個會聚的投影鏡頭，使畫片成放大的實 像于屏幕上

8、。畫片P畫片P聚光鏡圖投影儀器光路由于通常鏡頭到像平面（屏幕）的距離s比焦距f大很多，所以畫片總是在物 方焦面附近，物距s沁f,因而放大率V = -s；沁s/f，它與像矩s成正比。s為了使光線經(jīng)畫片后進入投影鏡頭，投影儀器中需要附有聚光系統(tǒng)?？偟膩?說，聚光系統(tǒng)的安排應(yīng)有利于屏幕上得到盡可能強的均勻照明。通常聚光系統(tǒng)有兩 種類型。其一適用于畫片面積較小的情況，這時聚光鏡將光源的像成在畫片上或它 的附近。其二適用于畫片面積較大的情況，這時聚光鏡將光源的像成在投射鏡頭 上。圖中只畫出第二種情況。5.光闌光具組中隊光束起限制作用的可以是透鏡的邊緣、框架或特殊設(shè)置的帶孔屏 障，即光闌。光闌有限制光束孔

9、徑和限制視場兩方面的作用，它影響著像的景深、 亮度、分辨本領(lǐng)、像差等一系列實際中備受關(guān)注的問?？讖焦怅@ 入射光瞳和出射光瞳真正決定著通過光具組光束孔徑的光闌，稱為孔徑光闌（有效光闌）。被孔徑 光闌所限制的光束中的邊緣光線與物、像方光軸的夾角u和u ，分別稱為入射孔o o徑角和出射孔徑角。ba圖入射光瞳和出射光瞳ba圖入射光瞳和出射光瞳圖a、b所示分別為把這種光闌加在透鏡前后的情形。它們限制光束的作用比 鏡框大，所以都是孔徑光闌。a中的光闌DD和b中的光闌DD畫在對透鏡共軛的 位置上這樣一來，當入射光線通過DD的邊緣時，與它共軛的出射光線必定通過 DD的邊緣。所以兩種情形里，光束的孔徑角是一樣的

10、。在情形a里，孔徑光闌 DD在物方，入射孔徑角u可直接由它來確定?？墒菑南穹絹砜矗梢栽O(shè)想DD的像 oDD是一個虛構(gòu)的光闌，出射孔徑角u 直接由這虛構(gòu)的光闌DD所確定。同樣地o在情形b里，孔徑角都相應(yīng)確定。通過這個例子我們看到，找到孔徑光闌在物方和 像方的共軛像并把它們看成是某種虛構(gòu)的光闌，從而由它們來直接確定入射孔徑 角。我們把孔徑光闌在物方的共軛稱為入射光瞳，在像方的共軛稱為出射光瞳。情 形a中那樣，孔徑光闌DD就在物方，它便同時又是入射光瞳；b中，孔徑光闌 DD就在像方，它便同時又是出射光瞳。望遠鏡或由一個復(fù)合透鏡構(gòu)成的低倍率顯微物鏡孔徑光闌就是物鏡的鏡框，因 此它也是入射光瞳。比較復(fù)雜

11、的顯微物鏡，孔徑光闌常設(shè)置在它的后面，且靠近或 者就在它的像方焦面上，因此入射光源趨于無窮遠。無論望遠鏡還是顯微鏡，物鏡 和孔徑光闌到目鏡的距離都比目鏡的焦距大很多，所以整個儀器的出射光瞳（即孔 徑光闌）對目鏡成的像都近似地在目鏡的像方焦面附近。無論對于哪種目鏡，這都 是最后一個折射面之后不遠的地方。n孔徑光闌n孔徑光闌圖顯微鏡的出射光瞳在圖我們假定P點在此范圍之內(nèi)，從它們射進入射光瞳的光束不受阻礙地穿過 光具組。雖然從Q、P、R射進入射光瞳的光束都由光具組穿出來了，當我們在像方 用任意一平面 與各出射光束相截時，一般說來，各光束的截面不重合。如果把 瞳孔放在這里，就要求它的直徑相當大，才能把

12、出射光束全部接收進去。但實際上 瞳孔很小，因此來自軸外物點的光束就不能（或大部分不能）進入瞳孔從而我們也 就看不到它們的像，或看起來很暗。然而若將上述截面取在儀器出射光瞳的平面 內(nèi)，由于出射光瞳是所有光束比較之路，它們在此平面上的截面基本上重合。這地 方是放置瞳孔最有利的位置。視場光闌入射窗和出射窗前面討論的孔徑光闌是對軸上共軛點而言的，現(xiàn)在要討論的視場光闌牽涉到軸 外共軛點。像平面 J r像平面 J r圖視場和漸暈入射光瞳中心O與出射光瞳中心O對整個光具組是一對共軛點，若入射線通 過O,則出射線必通過O。在軸外共軛點p、p之間的共軛光束中通過O、O的 那條共軛光學(xué)，稱為此光束的主光線。隨著p

13、、P到光軸距離的加大，主光線通 過光具組時會與某個光闌DD的邊緣相遇。離光軸更遠的共軛點的主光線將被此光 闌所遮斷。這個光闌叫做視場光闌，主光線PO和OP與光軸的交角、 分別oo稱為入射視場角和出射視場角。物平面上被3鎖限制的范圍，叫做視場。o顯微鏡和望遠鏡的視場光闌既不放在物平面上，也不放在像平面上，而是放在 中間像的平面上（圖中的DD ），它對于物鏡的共軛DD在物平面上，對于目鏡的O O共軛D D共軛D D在像平面上。目十圖 望遠鏡的視場光闌、入射窗和出射窗闌在物方的共軛叫做入射窗，在像方的共軛叫做出射窗。圖中DD和 D D分別是入射窗和出射窗。6.像差實際的共軸球面組滿足不了理想成像的要

14、求。任何偏離理想成像的現(xiàn)象，稱為 像差。像差可分單色像差和色像差兩大類。單色像差有五種：球面像差，慧形像 差，像散，像場彎曲，畸變，其中和是大孔徑引起的，、和是由 于大視場引起的，、破壞了光束的同心性，使像平面彎曲，破壞了物象的相似性。以上五種像差彼此有密切聯(lián)系，往往幾種同時存在。除了單色像差外 對于非單色的物，還存在因色散而引起的色像差。當孔徑較大時，由光軸上一物 點發(fā)出的光束經(jīng)球面折射后不再交 于一點（圖），這種現(xiàn)象叫做球面 像差，簡稱球差。M一個透鏡的球差完球差的大小于光線的孔徑有 關(guān)，孔徑既可用孔徑角u來表征， 又可用光線射在折射面上的高度h來表征。M一個透鏡的球差完可用用配曲法萊減小