第4章光學(xué)儀器的基本原理教學(xué)目的：牢固掌握助視儀器的放大本領(lǐng)、分辨本領(lǐng)的概念及望遠(yuǎn)光路的特點；掌握放大本領(lǐng)、分辨本領(lǐng)、有效光闌、入瞳、出瞳的計算；理解物鏡聚光本領(lǐng)、數(shù)值孔徑、相對孔徑的意義；了解人眼的結(jié)構(gòu)和光學(xué)儀器的象差。

重、難點：全章以放大本領(lǐng)、分辨本領(lǐng)為重點，強(qiáng)調(diào)儀器參數(shù)的相互影響關(guān)系。本章圍繞衡量光學(xué)儀器的三個本領(lǐng)進(jìn)行教學(xué)，其中著重介紹望遠(yuǎn)鏡、顯微鏡的放大本領(lǐng)和分辨本領(lǐng)，扼要介紹聚光本領(lǐng)。簡單介紹光度學(xué)、像差的基本概念。主要內(nèi)容第1頁，共76頁。第4章光學(xué)儀器的基本原理一、光學(xué)儀器及分類1、定義：多種光學(xué)元件按一定的要求組成的系統(tǒng)。2、分類：按性能：顯微鏡、望遠(yuǎn)鏡、照像機(jī)和分光鏡按成像性質(zhì)：成實像的光學(xué)儀器。如照像機(jī)、幻燈機(jī)、電影放映機(jī)、投影儀等。成虛像的光學(xué)儀器—助視儀器。如放大鏡、顯微鏡、望遠(yuǎn)鏡。二、理論基礎(chǔ)主要：幾何光學(xué)基本原理。其它：衍射理論、加工工藝學(xué)、材料科學(xué)等。三、實際光學(xué)儀器1、理想成像的要求：

近軸：近軸物點、近軸光線

單色：物體所發(fā)光線是單色的§4.0概述第2頁，共76頁。第4章光學(xué)儀器的基本原理實際光學(xué)儀器情況：非近軸和復(fù)色光。會造成如下矛盾：2、兩大矛盾①成像清晰度與像場能量聚集程度（系統(tǒng)聚光本領(lǐng)）的矛盾幾何光學(xué)觀點：必須滿足單色、近軸條件∵復(fù)色→色差非近軸→象差能量（聚光本領(lǐng)）觀點：為了使視場廣闊，不宜限于近軸區(qū)域。要得明亮像，必須使進(jìn)入光學(xué)儀器的光束盡量寬。②像的清晰度與細(xì)節(jié)分辨程度的矛盾波動光學(xué)觀點：光線越近軸（減小幾何像差）→光束受限越緊→衍射越明顯→像的清晰度越低一個物點成像一個光斑，不易分辨。

幾何光學(xué)觀點：減小象差→滿足近軸條件∴像的清晰度與像面亮度、分辨本領(lǐng)不能同時兼得，而矛盾不可避免。因而，實際光學(xué)儀器要根據(jù)用途，權(quán)衡輕重，有針對性地進(jìn)行設(shè)計制造。放大本領(lǐng)聚光本領(lǐng)分辨本領(lǐng)兼顧第3頁，共76頁?！?.1人眼（自學(xué)）第4頁，共76頁。一、構(gòu)造1.鞏膜：白色堅韌,厚0.4~0.8mm2.角膜：透明，R:8mm●14.視神經(jīng)3.脈絡(luò)膜：黑色不透光3.前房液—水狀體:淡鹽溶液,折射率1.3377.后房液—玻璃體:含大量水份膠狀物,折射率1.3364.虹膜：帶色的彩帶5.瞳孔：直徑：1.4~8mm6.水晶體—眼珠,折射率為1.42的膠狀物,前后曲面半徑:10mm,6mm7.睫狀肌8.視網(wǎng)膜:視神經(jīng)網(wǎng)11.盲點:不引起視覺9.黃斑點直徑:2mm10.中央窩:最敏感直徑0.25mm第5頁，共76頁。第6頁，共76頁。第7頁，共76頁。第8頁，共76頁。第9頁，共76頁。第10頁，共76頁。第11頁，共76頁。第12頁，共76頁。二、簡化眼從上頁圖看出：人眼是一個由角膜、水狀液、晶狀體和玻璃液所組成的，物、像方折射率近似相等的，可變焦距的，共軸復(fù)雜光學(xué)系統(tǒng)（光具組）。它能在視網(wǎng)膜上清晰成像。它是一個能自動調(diào)節(jié)又精密的光學(xué)儀器。其結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜。在許多情況下將其簡化成如下的模型：高爾斯特蘭簡化眼FOF‘

光心第13頁，共76頁。三、人眼的調(diào)節(jié)功能1、定義：為使不同距離的物體都能在視網(wǎng)膜上成清晰像而改變眼睛的焦距的過程。人眼的調(diào)節(jié)方式有兩種：自動調(diào)節(jié)（自調(diào)節(jié)）和被動調(diào)節(jié)（矯正）。2、自調(diào)節(jié)：正常人眼靠睫狀肌的松馳或緊張來改變晶狀體的曲率半徑，從而改變?nèi)搜劢咕嗟倪^程。是人眼自動完成的。說明：①自調(diào)節(jié)有一定的限度：近點和遠(yuǎn)點之間。遠(yuǎn)點：人眼能看清楚的最遠(yuǎn)點。人眼看遠(yuǎn)點處的物體時，睫狀肌處于完全松馳的狀態(tài)，晶狀體曲面的曲率半徑最大。近點：人眼能看清楚的最近點。人眼看近點處的物體時，睫狀肌處于最緊張的狀態(tài)，晶狀體曲面的曲率半徑最小。②人眼疲勞程度與睫狀肌的松緊程度有關(guān)：看遠(yuǎn)物時，肌肉松馳，不易疲勞；看近物時，肌肉緊張，容易疲勞。第14頁，共76頁。第15頁，共76頁。③近點、遠(yuǎn)點和調(diào)節(jié)范圍隨年齡的增長而變化；近點變遠(yuǎn)：幼年—7~8cm；中年—25cm；老年—1~2m。遠(yuǎn)點變近：幼年—無限遠(yuǎn)；老年—數(shù)米。隨年齡的增長，肌肉老化，自調(diào)節(jié)范圍變窄。適當(dāng)照明下，正常眼觀察眼前25cm處的物體是輕松的，且能看清物體的細(xì)節(jié)。稱25cm為明視距離。即：人眼能最方便、最習(xí)慣、最省力地觀察物體的距離。明視范圍至無窮。因此，在設(shè)計和使用助視儀器時一般都使虛像成于明視距離、無窮遠(yuǎn)處或其間的某一位置處。3、人眼的缺陷及矯正——被動調(diào)節(jié)：外加輔助儀器改變焦距的過程。具備完善的自調(diào)節(jié)功能的人眼稱為正常眼；反之，稱為非正常眼。正常眼是指人眼的明視范圍為25－的眼，即象成在視網(wǎng)膜上（眼的第二焦點在視網(wǎng)膜上）.非正常眼是第二焦點不在視網(wǎng)膜上，明視范圍不在25cm—范圍的眼，分為：①近視眼：遠(yuǎn)點在有限遠(yuǎn)處的人眼。成像在視網(wǎng)膜前。特點：晶狀體曲率半徑比正常眼小，外形凸出；像方焦點在視網(wǎng)膜前，焦距短。第16頁，共76頁。第17頁，共76頁。第18頁，共76頁。POF‘

OF‘

遠(yuǎn)點矯正前P‘

OF‘

遠(yuǎn)點遠(yuǎn)物矯正后第19頁，共76頁。[例4-1]一個遠(yuǎn)點為0.2m的近視眼戴上眼鏡后遠(yuǎn)點可恢復(fù)到無窮遠(yuǎn)。求所戴眼鏡的光焦度。第20頁，共76頁。補(bǔ)充例題：第21頁，共76頁。②遠(yuǎn)視眼：近點比正常眼遠(yuǎn)的人眼，成像在視網(wǎng)膜之后。特點：晶狀體曲率半徑比正常眼大；像方焦點在視網(wǎng)膜后，焦距長。校正：第22頁，共76頁。第23頁，共76頁。OF‘

明視距離OF‘

近點矯正前明視距離OF‘

近點矯正后第24頁，共76頁。第25頁，共76頁。明視距離OF‘

近點[例4-2]求一個近點為125cm的遠(yuǎn)視眼所戴眼鏡的光焦度.第26頁，共76頁。補(bǔ)充例題：第27頁，共76頁。③散光眼：角膜為橢球面的人眼。也稱為像散眼。由于橢球有兩個對稱平面，分別包含長、短軸，因而具有兩個不同的焦距。主軸上的一個物點將成兩條像線?！裆?。矯正方法：戴柱面透鏡。利用其像散作用，與散光眼的像散相抵消。近視（或遠(yuǎn)視）+散光：戴一付一面為球面、一面為柱面的透鏡。球面用于矯正近（遠(yuǎn)）視，柱面用于矯正散光。④老花眼（老視眼）老花眼是由于年齡的增長，眼的調(diào)節(jié)變?nèi)跻鸬模攸c是近點變遠(yuǎn)，遠(yuǎn)點變近。一般帶凸透鏡來校正，計算方法同遠(yuǎn)視眼。第28頁，共76頁。四、人眼的視角定義：被觀察物對人眼光心的張角稱為人眼的視角。FOF‘

QPQ’

P‘

人眼對物體大小的感覺是以該物體在視網(wǎng)膜上所成像對光心所張角度的大小衡量的。表達(dá)式：A：在人眼的可調(diào)節(jié)范圍內(nèi)人眼對物體大小的感覺取決于其在視網(wǎng)膜上像的大小，因而取決于視角U的大小，當(dāng)U＜1‘時，人眼已無法區(qū)分了。∴一切助視儀器設(shè)計的出發(fā)點就是增大人眼的視角.第29頁，共76頁?！?.2助視儀器的放大本領(lǐng)助視儀器：幫助人眼（正常、非正常）看清物體（遠(yuǎn)、近、大、小）的光學(xué)儀器。一、放大本領(lǐng)（視角放大率）1、定義：如右圖示POQ’

P‘

QH’

HU’

OPQU物體PQ經(jīng)助視儀器成虛像P‘Q’，再經(jīng)人眼成像于視網(wǎng)膜上，其像長為;去掉助視儀器后將同一物體置于原虛像所在處，對人眼直接所成像長為，則兩個像長的比值稱為該助視儀器的放大本領(lǐng)。用M表示。

2、說明：①必須將物放在同一特定位置比較兩像大小。對于放大鏡和顯微鏡：明視距離處（25cm）；望遠(yuǎn)鏡：被觀察物放在無窮遠(yuǎn)處。第30頁，共76頁。③由上式可看出：助視儀器的作用就是增大人眼視角，從而改善和擴(kuò)展視野。④注意放大本領(lǐng)與角放大率的區(qū)別。②在近軸條件下即：M等于兩視角之比S’

POQ’

P‘

QH’

HU’

OPQU第31頁，共76頁。二、放大鏡1、定義：幫助人眼看清微小物體及其細(xì)節(jié)的助視儀器。2、放大本領(lǐng)：

Q`P`y`PQyFLO-f-s`U‘

OyQPU‘

使用放大鏡的視角：未用放大鏡的視角：以最簡單的放大鏡--凸透鏡為例:簡單放大鏡的放大本領(lǐng)：作用：將被觀察物體成一放大虛像，從而增大其對人眼的視角，并非將物體移近。例：f‘=10cm，則M=2.5倍，記為2.5×。M與f‘成反比。由于短焦距透鏡像差大，所以M很大的放大鏡沒有實用價值。常用的放大鏡M≤3×；若采用復(fù)合透鏡，可使M達(dá)到20×。第32頁，共76頁。§4.3目鏡（復(fù)合放大鏡）一、目鏡從上節(jié)知，放大鏡是一種通過直接放大實物達(dá)到增大視角的助視儀器。下面將介紹一種放大像的助視儀器——目鏡。也是放大視角。1、定義：用于觀察其它光學(xué)系統(tǒng)所成像的放大鏡。性質(zhì)：放大鏡。由復(fù)合透鏡組構(gòu)成的放大光具組。作用：放大其它光具組的像，從而增大視角。要求：A、具有較高的放大本領(lǐng)和較大的視角；B、具有一定的校正像差和色差的能力?！嗄跨R通常由兩個或多個透鏡組合而成。復(fù)雜的助視儀器總是由物鏡和目鏡組成，靠近物體的稱為物鏡；靠近人眼的稱為目鏡。目鏡通過放大物鏡所成的像達(dá)到放大人眼視角的目的。2、結(jié)構(gòu)：場鏡+視鏡+（分劃板或稱刻度尺）場鏡：面向物體（即物鏡的像）的透鏡（或透鏡組）視鏡：接近人眼的透鏡（或透鏡組）分劃板：包含可移動叉絲的透明刻度尺，用于提高測量精度第33頁，共76頁。二、常用目鏡：惠更斯目鏡和冉斯登目鏡1、惠更斯目鏡⑴結(jié)構(gòu)：如圖示①②③①②③⑵特點：

場鏡、視鏡均為同種材料的平凸透鏡，且均以凸面朝向物體。場鏡焦距為視鏡焦距的3倍，兩透鏡光心之間的距離為視鏡焦距的2倍，所以場鏡視鏡的象方焦點重合。光路圖：如上圖示?？蛇m當(dāng)調(diào)節(jié)物鏡和目鏡的距離，使Q’剛好在視鏡的物方焦平面上，使出射光束為平行光束。由于場鏡的物為虛物，所以這種目鏡無法對物鏡所成的象進(jìn)行測量分劃板應(yīng)配置于F2Q‘處，用于測量場鏡的像的大小。由于分劃板僅對視鏡成像，場鏡的消像差作用未起作用，因而，視鏡的像差將使分劃板的像僅在中央部分清晰，測量誤差較大。此目鏡的視角大（可達(dá)400），結(jié)構(gòu)緊湊，適用于生物顯微鏡。場鏡視鏡利用透鏡像方焦平面第34頁，共76頁。2、冉斯登目鏡⑴結(jié)構(gòu)：⑵特點：

312123321場鏡、視鏡均為同種材料的平凸透鏡，二鏡凸面相向，平面朝外。場鏡、視鏡焦距相同，兩鏡光心的距離為焦距值的2/3。光路圖：如上圖示?？蛇m當(dāng)調(diào)節(jié)物鏡和目鏡的距離，使Q’剛好在視鏡的物方焦平面上，使出射光束為平行光束。由于場鏡的物為實物，所以可用其對物鏡所成的象進(jìn)行測量。分劃板應(yīng)配置于FQ處，由于分劃板同物FQ一樣既對場鏡，也對視鏡成像，所以，場鏡的消像差作用起作用，因而，可在大范圍內(nèi)清晰成像，測量精度高。此目鏡既可用于觀察象，也可用于觀察物，并可由配備的分劃板對物鏡所成的象進(jìn)行測量，適用于測微目鏡。1、冉斯登目鏡可以放大實物，也可以放大實像，惠更斯目鏡只能放大它前面物鏡所成的像。2、冉鏡還可用于直接觀察實物，配上分劃板可精確測量實物和物鏡所成的像的長度，惠更斯目鏡則不能。兩種目鏡區(qū)別：第35頁，共76頁?！?.4顯微鏡的放大本領(lǐng)

幫助人眼觀察微小物體的放大鏡，稱為顯微鏡。其物鏡和目鏡均由共軸光具組構(gòu)成。其放大本領(lǐng)遠(yuǎn)大于簡單放大鏡和目鏡。一、結(jié)構(gòu)F1

o1

F1’

F2

o2

目鏡系統(tǒng)物鏡系統(tǒng)-U`O-U``PQP`Q’

yP’’

Q’’

特點：物體PQ置于物鏡系統(tǒng)（焦距很短）的物方焦平面F1附近，成實象P`Q`；P`Q`位于目鏡系統(tǒng)（焦距很短）物方焦平面F2附近，成放大的虛象P``Q``。整個顯微鏡系統(tǒng)最終成放大倒立虛象于明視距離處。二、光路圖惠更斯目鏡明視距離由物鏡和目鏡組成，物鏡、目鏡各相當(dāng)于一個凸透鏡。第36頁，共76頁。三、放大本領(lǐng)P173整個系統(tǒng)的像方焦距為：顯微鏡作為一個放大鏡，其放大本領(lǐng)為：F1

o1

F1’

F2

o2

目鏡系統(tǒng)物鏡系統(tǒng)-U`O-U``PQP`Q’

yP’’

Q’’

明視距離鏡筒長度為保證成盡量大的像，物鏡和目鏡焦距均很小1、表達(dá)式：第37頁，共76頁。2、討論：①即為物鏡的橫向放大率，其中，“—”號表示物鏡成倒立像②為目鏡的放大本領(lǐng)③④顯微鏡也是將物體直接放大，達(dá)到增大視角的目的。顯微鏡放大本領(lǐng)等于物鏡橫向放大率與目鏡放大本領(lǐng)的乘積。顯微鏡將微小物體成放大的象，常用于觀察近距離處肉眼難以看清的細(xì)小物體。

第38頁，共76頁?！?.5望遠(yuǎn)鏡的放大本領(lǐng)一、定義：幫助人眼觀察遠(yuǎn)處物體的放大鏡。作用：將遠(yuǎn)物從物空間移至望遠(yuǎn)鏡的像空間，從而增大對人眼的視角。∴人眼以對望遠(yuǎn)鏡像空間的觀察代替了對物空間的觀察。性質(zhì)：是一種放大鏡。只是不是將物體直接放大，而是將遠(yuǎn)物移近，從而增大視角。二、結(jié)構(gòu)及分類1、結(jié)構(gòu)：物鏡系統(tǒng)+目鏡系統(tǒng)2、分類：①按物鏡的種類分：A、反射式望遠(yuǎn)鏡：物鏡為反射鏡；B、折射式望遠(yuǎn)鏡：物鏡為透鏡。②按目鏡種類分：A、開普勒望遠(yuǎn)鏡：目鏡為會聚透鏡；B、伽利略望遠(yuǎn)鏡：目鏡為以散透鏡。第39頁，共76頁。三、開普勒望遠(yuǎn)鏡-U‘

O-U‘’

1、結(jié)構(gòu)特點：物鏡和目鏡均為會聚透鏡，且物鏡像方焦點與目鏡物方焦點重合。o1

F1`F2

o2

物鏡系統(tǒng)目鏡系統(tǒng)UP`Q`2、原理：光路如圖示無窮遠(yuǎn)處的物體PQ發(fā)出的平行光入射于物鏡系統(tǒng)，成實象P‘Q’于象方焦平面上；因為物鏡系統(tǒng)的象方焦平面與目鏡系統(tǒng)的物方焦平面重合，故最終由目鏡系統(tǒng)出射的光為平行光，成倒立象于無窮遠(yuǎn)處。（望遠(yuǎn)鏡的結(jié)構(gòu)都這樣）PQQ‘’

P‘’

第40頁，共76頁。-U‘

O-U‘’

o1

F1’

F2

o2

物鏡系統(tǒng)目鏡系統(tǒng)UP`Q`PQQ‘’

P‘’

U-U‘’

3、放大本領(lǐng)由于遠(yuǎn)物不能任意移近，但卻有一定的視角U，當(dāng)人眼前后移動距離不大時，U不變；即：當(dāng)去掉望遠(yuǎn)鏡而將人眼移至P1‘處觀察遠(yuǎn)物時，人眼的視角注：C：目鏡的物方焦平面在鏡筒內(nèi)，可以放置分劃板叉絲進(jìn)行測量；D：眼睛的位置O在鏡筒之外，望遠(yuǎn)鏡的視場較大。E：鏡筒長度L=f1’+f2‘，鏡筒較長。第41頁，共76頁。四、伽利略望遠(yuǎn)鏡1、結(jié)構(gòu)特點：物鏡為會聚透鏡和目鏡為發(fā)散透鏡，且物鏡像方焦點與目鏡物方焦點重合。U`O1

O2

F1`F2

OU’’

Q’’

PQUU2、原理：光路如圖示無窮遠(yuǎn)處的物體PQ發(fā)出的平行光入射于物鏡系統(tǒng)，原應(yīng)成實象P‘Q’于象方焦平面上；但成像前遇目鏡，故作虛物對目鏡成像；又因物鏡系統(tǒng)的象方焦平面與目鏡系統(tǒng)的物方焦平面重合，故最終由目鏡系統(tǒng)出射的光為平行光，成正立象于無窮遠(yuǎn)處。Q`第42頁，共76頁。3、放大本領(lǐng)使用望遠(yuǎn)鏡后，無窮遠(yuǎn)處的象對眼睛的張角為：未使用望遠(yuǎn)鏡時，無窮遠(yuǎn)處物體對眼睛的張角為：伽利略望遠(yuǎn)鏡的放大本領(lǐng)：④鏡筒長度L=f1`-f2，筒長較短。①f1`為正值，f2`為負(fù)值，故放大本領(lǐng)M為正值，望遠(yuǎn)鏡成正立的象；

說明：②目鏡的物方焦平面在鏡筒之外，無法放置分劃板；眼睛的位置O理論上位于鏡筒之內(nèi)，實際進(jìn)入眼睛的光束的范圍因此而受限制，故視場較小；

注：望遠(yuǎn)鏡不是將物直接放大，而是將物移近，從而增大視角。第43頁，共76頁。五、反射式望遠(yuǎn)鏡第44頁，共76頁。太空實驗室——哈勃太空望遠(yuǎn)鏡哈勃空間望遠(yuǎn)鏡外觀像一個5層樓高的圓筒，其主體長13.2米，最大直徑4.3米(其中光學(xué)主鏡口徑為2.4米，副鏡直徑0.3米，兩者相距4.5米，構(gòu)成卡斯格倫反射系統(tǒng))，兩塊長達(dá)12米左右的太陽能電池翼板伸展在鏡筒兩側(cè)，總重量達(dá)11.5噸。這是一座高度自動化的空間天文臺，它的主要性能要比通常的地面光學(xué)望遠(yuǎn)鏡優(yōu)越一個量級以上。哈勃空間望遠(yuǎn)鏡從1979年藍(lán)圖設(shè)計到1990年投入觀測，歷時10余年，耗資15億美元。若按重量計算，平均每克造價接近130美元，遠(yuǎn)比純金更貴。哈勃望遠(yuǎn)鏡擁有5臺主要的科學(xué)觀測儀器，包括兩臺照相儀，兩臺光譜儀和一臺高速光度計。第45頁，共76頁。“哈勃”望遠(yuǎn)鏡第46頁，共76頁。“哈勃”望遠(yuǎn)鏡拍到的馬頭星云AAT36第47頁，共76頁?！肮蓖h(yuǎn)鏡拍到的獵戶座四邊形星群第48頁，共76頁。

哈勃望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)的迄今為止宇宙中最冷的地方——“回飛棒星云”（位于人馬座，距離地球5000光年）。是一團(tuán)由正在死亡的恒星排出的氣體。人類迄今為止所了解的宇宙中，絕大多數(shù)星云的溫度都高過宇宙大爆炸以來的背景溫度3K，而這一星云的溫度則低至1K（只比理論上的最低溫度——連原子也會停止活動的絕對零度——高1度），溫度如此之低，可能是“回飛棒星云”的獨特形狀造成其氣體的高速擴(kuò)散。第49頁，共76頁。六、激光擴(kuò)束器1、定義：擴(kuò)束器——將光束橫截面擴(kuò)大的光學(xué)儀器。激光擴(kuò)束器——將激光束橫截面擴(kuò)大的光學(xué)儀器。2、裝置倒用的折射式望遠(yuǎn)鏡是很好的激光擴(kuò)束器；F1`F2

物鏡系統(tǒng)目鏡系統(tǒng)F1`F2

目鏡目鏡開氏伽氏顯微鏡的物鏡（40×、100×）也可作簡單的激光擴(kuò)束器。第50頁，共76頁?！?.6光闌

光瞳從本節(jié)開始，對光能量的傳播所涉及的基本概念進(jìn)行介紹。一、光闌1、定義：光學(xué)系統(tǒng)中凡是對光能量具有限制作用的元件。如：光學(xué)系統(tǒng)中的透鏡的外緣、開孔、光屏等。2、有效光闌：在光學(xué)系統(tǒng)中，對整個系統(tǒng)光能量的傳播范圍起決定性限制作用的那一個光闌。有效光闌有效光闌注意：有效光闌的確定是以成象物體的確定為前提的，即同一系統(tǒng)中，當(dāng)物體的位置不同時，有效光闌可能會不同。第51頁，共76頁。二、光瞳入射光瞳（入瞳）——有效光闌經(jīng)其前方光學(xué)系統(tǒng)所成的象。出射光瞳（出瞳）——有效光闌經(jīng)其后方光學(xué)系統(tǒng)所成的象。有效光闌入瞳出瞳入射孔徑角出射孔徑角現(xiàn)在要尋找一個普遍適用的方法，以便能確定任何復(fù)雜光具組的所有反射鏡、透鏡或開孔的屏中究竟哪一個實際上起著限制光束的作用。如圖：第52頁，共76頁。三、有效光闌、入瞳和出瞳的確定方法

對一個確定的物點：1、求出系統(tǒng)中每一個光闌經(jīng)其前方光學(xué)系統(tǒng)所成的象。2、由確定的物點對各個象作張角，通過比較確定其中張角最小的象。

3、張角最小的象對應(yīng)的物（光闌）即為有效光闌。4、張角最小的象為入瞳；將已確定的有效光闌經(jīng)其后方光學(xué)系統(tǒng)成象，即可求得出瞳。

討論1、若有效光闌在整個系統(tǒng)最前面，則有效光闌與入瞳重合；若有效光闌在整個系統(tǒng)最后面，則有效光闌與出瞳重合。2、入瞳、出瞳可能是實像，也可能是虛像；3、入瞳并非一定在出瞳的前面；4、通過有效光闌中心的光線稱為主光線，由于共軛性，入、出瞳的中心也在主光線上；5、人眼的有效光闌就是瞳孔；6、有效光闌、出瞳和入瞳均是對給定物點而言的。第53頁，共76頁。在討論實際通過光具組的光束頂角的大小時，只要做出入射光瞳和出射出瞳，正確地表示它們的位置和大小，把它們邊緣的所有各點分別與物點、像點用直線連接起來，就得到所求的光束頂角的大小。第54頁，共76頁?！?.7光度學(xué)概要--光能量的傳播1、定義：單位時間、單位面積元上輻射的所有波長的能量。即：光源表面上單位面積的輻射功率。2、意義：描述光源發(fā)射輻射的能力。4、分布函數(shù)一、輻射通量

定義：單位時間、單位面積元在某波長附近單位波長間隔內(nèi)輻射的能量。意義：描述不同波長的光波在輻射通量中所占的比例。5、與的關(guān)系：單位：3、單位：第55頁，共76頁。人眼對不同波長（或顏色）的光波具有不同的敏感程度，即使接收到相同的輻射通量，不同波長的光給人眼的感覺也不一樣。如正常人眼對黃綠光最敏感，紅光和紫光較差，而對紅外和紫外載無反應(yīng)。在引起相同視覺的情況下，若所需某單色的輻射通量越小，則說明人眼對該光敏感度越高；反之，越低。為描述這一敏感度，引入視見函數(shù)。二、視見函數(shù)1、定義：人眼對各種單色光的平均敏感度。2、意義：描述在輻射通量相同的情況下，人的眼睛對各種不同波長的輻射產(chǎn)生的主觀感覺。3、實驗曲線：人眼對波長為555nm的黃綠光最敏感，光度學(xué)中規(guī)定其視見函數(shù)為1，則視見函數(shù)的實驗曲線如下圖示：第56頁，共76頁。4005006007901700暗視覺555明視覺第57頁，共76頁。三、光通量1、定義：輻射通量與視見函數(shù)的乘積。2、意義：描述客觀輻射通量在人的眼睛中引起的主觀視覺強(qiáng)度。3、單位：流明（lm）第58頁，共76頁。四、發(fā)光強(qiáng)度1、定義：點光源在單位立體角內(nèi)發(fā)出的光通量。2、意義：描述光源發(fā)出的光通量在空間一定范圍內(nèi)的分布值。3、單位：坎德拉通常隨方向而異。當(dāng)不隨方向變化時，發(fā)光物體稱均勻發(fā)光體。

一般均假設(shè)點光源表征的物體為均勻發(fā)光體，故點光源輻射的光通量：

第59頁，共76頁。五、照度1、定義：入射在受照物體單位面積上的光通量。2、意義：描述受照物體被照明的程度。3、單位：勒克斯4、點光源的照度：輻透：第60頁，共76頁。六、亮度1、定義：單位面積的發(fā)光表面，在其法線方向單位立體角內(nèi)發(fā)出的光通量。

2、意義：描述發(fā)光表面發(fā)光能力的強(qiáng)弱。3、單位：熙提4、朗伯光源：七、三原色原理將紅綠、藍(lán)三種色光按不同的光通量比例混合發(fā)出時，可以讓人眼感受到自然界絕大多數(shù)顏色的光。第61頁，共76頁?！?.8物鏡的聚光本領(lǐng)在光學(xué)儀器中，目鏡的作用主要是將物鏡所成的像的視角放大；而物鏡除了承擔(dān)將物放大之外，還要承擔(dān)校正像差和增大像面照度的任務(wù)。所以，光學(xué)儀器的聚光本領(lǐng)是針對物鏡而言的。一、定義描述物鏡聚集光通量能力的物理量，稱為物鏡的聚光本領(lǐng)。它通過像面的照度來度量。顯而易見：光學(xué)儀器入瞳面積越大，能夠進(jìn)入物鏡的光通量就越多，像面照度就越大，物鏡的聚光本領(lǐng)就越強(qiáng)。二、光源在較近距離時的聚光本領(lǐng)數(shù)值孔徑dsABCD

d

Ruu1

du1

d1

設(shè)：光具組的入瞳（園形，ABCD）大小一定。ds為垂直于主軸的近軸物面積元，它在物方折射率為n的介質(zhì)中的亮度為L第62頁，共76頁。設(shè)：物面為朗伯光源且光在經(jīng)過整個光具組時不被吸收則：像面照度為（計算過程略）：說明：當(dāng)一定時稱為數(shù)值孔徑，記為RN.A.∴提高聚光本領(lǐng)的方法：A、增大入射孔徑角；B、增大物空間折射率。結(jié)論：光源在較近距離時，物鏡的聚光本領(lǐng)取決于數(shù)值孔徑。

顯微鏡的聚光本領(lǐng)：顯微鏡的使用條件屬于光源在近距離的情況由于放大本領(lǐng)的要求，顯微鏡物鏡系統(tǒng)的焦距較小，因此其孔徑有限，要提高顯微鏡的聚光本領(lǐng)，單靠增大孔徑u是不夠的，而且u的增大會受到全反射臨界角的限制。有效的辦法是提高數(shù)值孔徑RN.A.，因此設(shè)計了顯微鏡的油浸式鏡頭。第63頁，共76頁。三、光源在遠(yuǎn)距離時的聚光本領(lǐng)相對孔徑A`B`C`D`F`u`ds`-xP`

x`圖中A`B`C`D`為出瞳，其直徑為d`；F`為物鏡系統(tǒng)象方焦點；ds`為物面元ds的象。則：像面照度為（計算過程略）：說明：在其它條件相同時，——相對孔徑第64頁，共76頁。結(jié)論：光源在較遠(yuǎn)距離時，物鏡的聚光本領(lǐng)取決于相對孔徑。

望遠(yuǎn)鏡屬于光源在較遠(yuǎn)距離時的情況。望遠(yuǎn)鏡中相對孔徑值的增大，通常需要制造孔徑很大的物鏡才能實現(xiàn)，這在制造上有一定困難。因此，反射式望遠(yuǎn)鏡在大型望遠(yuǎn)鏡中占主流。

對無窮無處物體，物鏡所成像大大縮小，即：四、照相機(jī)的聚光本領(lǐng)

1、照相機(jī)的結(jié)構(gòu)特點：有效光闌：光圈。成象物距：遠(yuǎn)近均可。象面：膠片。象距：確定。物鏡系統(tǒng)前后對稱，光圈位于中間位置，所以入瞳、出瞳大小相等，

P=1，且有n`=n≈1,

第65頁，共76頁。2、象面照度：

對近處物體成象：≈-1，∴同等條件下，遠(yuǎn)物的照度是近物的4倍。3、照度調(diào)節(jié)對遠(yuǎn)處物體成象：≈0，通過光圈和暴光時間的配合調(diào)節(jié)，可獲得理想的象面照度。第66頁，共76頁?！?.10像差概述采用復(fù)色光成象時的象差為色差。(§4.12)對于一個位于垂軸平面內(nèi)的物體，理想成象時應(yīng)滿足以下四點：1、物面上每一物點均成一清晰象點；2、所有象點均位于同一垂軸平面上；3、各對物象共軛點的橫向放大率均為同一常數(shù)；4、象的各部分應(yīng)保持與物的對應(yīng)部分有相同的色彩。如果以上任何一點不滿足，都不能成為理想象。實際所成象與理想象之間的差異稱為象差。采用單色光成象時的象差有：球差、彗差、象散、場曲、畸變。第67頁，共76頁。結(jié)果：象面上出現(xiàn)頂部明亮、尾部暗淡的彗星狀光斑，無法獲得清晰的象。

二、彗差（近軸物寬光束）產(chǎn)生原因：當(dāng)系統(tǒng)消除球差后，各象點可位于同一平面內(nèi)，但不交于一點。

結(jié)果：空間離散象點不能形成清晰的整體象。三、像散（遠(yuǎn)軸物窄光束）產(chǎn)生原因：折射后的光束在空間交于兩條互相垂直的線段－子午象線和弧矢象線上，不能形成理想象點。結(jié)果：在任何位置得到的均為大小不同、照度不勻的彌散光斑，無法獲得清晰的象。

一、球差（近軸物寬光束）

產(chǎn)生原因：折射、反射面為球面，象點非唯一確定。第68頁，共76頁。結(jié)果：物點位于軸上時，不同波長的近軸光成象于軸上不同點，產(chǎn)生縱向色差；物點位于軸外時，因距軸遠(yuǎn)近不同而具有不同的橫向放大率，產(chǎn)生橫向色差。六、色差產(chǎn)生原因：介質(zhì)的折射率隨波長不同而發(fā)生變化。結(jié)果：象屏在任意位置均只能使一部分為清晰象，其余部分模糊。

四、彎曲（遠(yuǎn)軸物窄光束）產(chǎn)生原因：較大發(fā)光平面成象后象面不為一垂軸平面，而為一回轉(zhuǎn)平面。

結(jié)果：物象不能保持幾何相似，雖然清晰但不是理想象。五、畸變（遠(yuǎn)軸物窄光束）產(chǎn)生原因：距主軸不同位置的物體成象時的橫向放大率不同。第69頁，共76頁?！?.13助視儀器的分辨本領(lǐng)一、分辨本領(lǐng)幾何光學(xué)觀點：對無像差系統(tǒng)，由于物像共軛性，每一個物點都能成一個清晰的像點，即：物面上任何微小的細(xì)節(jié)都能在像面上清晰反映出來；波動光學(xué)觀點：光束總會受到系統(tǒng)的有限大小的有效光闌的限制，像點應(yīng)是物點的衍射花樣。所以，在像面上清晰地反映物面的細(xì)節(jié)是不可能的。∴物點所成像點就是衍射圖樣中的中央條紋或愛里斑。光斑重疊部分的光強(qiáng)度將是兩衍射光斑各自光強(qiáng)度的簡單相加（非相干疊加），如下圖示：設(shè)：有兩個發(fā)光強(qiáng)度相等的獨立發(fā)光點，經(jīng)無像差系統(tǒng)成像。當(dāng)兩發(fā)光點較遠(yuǎn)時，像面上兩像點（即愛里斑）可清晰區(qū)分；隨著距離的縮小，兩像點（即愛里斑）將逐慚發(fā)生重疊。第70頁，共76頁?！瘛瘛瘛瘛瘛?4%清晰分辨剛好能分辨不能分辨兩物點距離變小第71頁，共76頁。1、瑞利據(jù)判：象面上的合成照度曲線中央下凹部分的數(shù)值不超過兩象點各自強(qiáng)度曲線最