主要内容 4.1 人的眼睛 4. 助视仪器的放大本领 4.3 目镜 4.4 显微镜的放大本领 4.5 望远镜的放大本领 4.6 光阑光瞳 4.7 光度学概要 光能量的传播

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1 第四章光学仪器的基本原理 Chap.4 Basic Principles of Optical Instrument 主讲教师 : 朱伟玲 1

2 主要内容 4.1 人的眼睛 4. 助视仪器的放大本领 4.3 目镜 4.4 显微镜的放大本领 4.5 望远镜的放大本领 4.6 光阑光瞳 4.7 光度学概要 光能量的传播

3 4.8 物镜的聚光本领 4.9 幻灯机的聚光和成像 4.10 单色像差概述 4.11 正弦定理和正弦条件 4.1 近轴物近轴光线成像的色差 4.13 助视仪器的分辨本领 4.14 分光仪器的分辨本领 3

4 引言 1. 人的感觉 : 视觉 听觉 嗅觉 味觉 平衡 运动 机体感觉等. 感觉的规律性 : D I I k( 布格尔 - 韦伯比 ) DI : 差别感觉阈限, I : 原刺激量 ( 中等强度 ) 重量感觉 :k0.033%, 当负重 100 公斤时, 当重量变化 3 公斤以上时, 才能感觉到重量的变化 听觉 :k0.1, 味觉 :k0.5, 视觉 :k

5 3. 人的视觉 : 人类从客观世界获得的信息 70% 来自于视觉 但人的视觉是有限的, 存在空间分辨能力 时间分辨能力 光谱响应范围 强度感受能力 5

6 4. 光学仪器 : 提高人的视觉能力, 借助于光学仪器 : 平面镜 球面镜 透镜等组成 遇到两类矛盾 : a. 成像后的清晰度与像场能量聚集程度之间的矛盾 b. 成像清晰度与细节分辨程度的矛盾 主要指标 : 放大本领 聚光本领 分辨本领 6

7 一 人眼的结构 4.1 人的眼睛 瞳孔 7

8 二 简化眼. 共轴光具组 只有一个折射球面 8

9 三 人眼的调节功能人眼作为接收器, 能感觉约 390nm~760nm 波长的光 成实象于视网膜上 人眼的自调节 : 象距一定, 为看清不同距离的物体, 必须调节焦距 ( 由睫状肌控制晶状体的形状来实现 ) f s f s 1 9

10 远点 人眼能看到的最远点, 正常 : 近点 人眼能看到的最近点, 正常 : 眼前 10-15cm 明视距离 眼前 5cm( 易看清, 不感疲劳 ) 非正常眼 近视眼 : 远点不在, 而在有限远 远视眼 : 近点在明视距离之外 ( 老花眼 ) 散光眼 : 角膜和晶状体的表面为椭球面, 物点成象出现象散 10

11 四 非正常眼的矫正 : 近视眼 凹透镜 : 把患者的远点调至 处 远视眼 ( 老花眼 ) 凸透镜 : 把患者的近点调至明视距离处 散光眼 柱透镜 : 利用柱形镜的象散与眼睛象散相抵消 例 1 某患者的远点位于眼前 米处, 求患者须配戴眼镜的度数 11

12 解 : 远点 : 眼前 米处, 为近视眼 对眼镜 : 须使位于 - 处的 P 0 成象于患者的远点, 以便看清 设其光焦度为, 且有 : 物距 :s-, 象距 s-m, 由空气中的薄透镜的高斯公式 : 1 s 1 s 1 f ( 屈光度 ) 眼镜的度数 ( 负号表示凹透镜 ) 1

13 例 : 某患者的近点位于眼前 50cm 处, 求患者须配戴眼镜的度数 解 : 近点在明视距离之外, 为远视眼 对眼镜 : 须使明视距离处的 P 0 成象于患者的近点, 以便看清 设眼镜光焦度为, 有 : 物距 :s-0.5m, 象距 s-0.50m, 由空气中薄透镜的高斯公式 : 1 s 1 s 1 f ( D) 眼镜的度数 10000( 凸透镜 ) 13

14 4. 助视仪器的放大本领 一 放大本领的概念 M U U 14

15 二 放大镜 ( 凸透镜 ) UU y ( s ) y U ( f ) y 而 y y U f f. 5 M U U y y y f, f 5 ˊ 5 f 物体位于物方焦点内侧 Uˊ ( f 单位 :cm) 放大倍数通常用 表示, 如 3 15

16 一 目镜的作用 1. 作用 : 4.3 目镜 用来放大其它光具组 ( 物镜 ) 所成的像. 构成 : 由不相接触的两个薄透镜组成 场镜 : 面向物体的透镜 视镜 : 接近眼睛者 16

17 3. 设计目的 : 1 提高放大本领 ; 矫正像差 ; 3 配备分划板, 提高测量精度 ; 17

18 二 两种目镜 ( M~0) (1) 惠更斯目镜 : 两个同种玻璃的平凸透镜组成, 凸面都向着物镜 两镜的象方焦点重合 f a, f 3 f 3a, d a. 1 光路? 18

19 () 冉斯登目镜 : 两个同种玻璃的平凸透镜组成, 凸面相向, 平面向外 两镜象方焦距相等 f 3 3 f a, d f f a 光路? 19

20 惠镜 冉镜 注意 : 共同点 : 对被观察的实像都有放大作用 (M~0) M 5 f f f f 1 D D F F 1 ( 代数量 ) 0

21 惠镜 冉镜 不同点 : 1 惠镜 (F 在内部 ) 只能观察前方系统的像, 不可以观察实物 ; 冉镜 (F 在外部 ) 可以观察象和实物 惠镜多用于观察, 测量不准 ( 刻度板只经视镜, 象差大 ); 冉镜 ( 刻度板经两镜, 象差小 ) 能对物或像进行长度测量 1

22 习题 : P07 (1)(), 作业 增加 (3): 为看清 处物体, 须配戴怎样的眼镜? 练习 : 选两条光线, 画出两种目镜 ( 惠 冉 ) 的光路图 ( 设物体位于总焦点 F 内侧 )

23 4.4 显微镜的放大本领 最简单的显微镜是由两组透镜构成的 : 物镜 ( 焦距很短 ), 目镜 ( 惠更斯目镜 ) 一 显微镜的光路图 物体位于物镜物方焦点 F 1 外侧 3

24 二 显微镜的放大本领 ) : :, ) 5 )( ( 5 5 5, 目镜放大本领物镜的横向放大率 ( M f M f f f f f f f M D D D f 1 f f 4

25 4.5 望远镜的放大本领 望远镜是帮助人眼对远处的物体进行观察的光学仪器 其种类繁多, 但其光学系统都是有物镜和目镜组成的, 且都放在镜筒里 按其镜筒数目分 : 单筒 双筒 ; 按其物镜形式分 : 反射式 折射式 折反式 ; 按其目镜形式分 : 开普勒式 ( 目镜会聚 ) 伽利略式 ( 目镜发散 ); 5

26 按其用途分 : 1 天文望远镜 : 射电 红外 紫外 x 光望远镜等 ; 普通望远镜 : 实验 军事 观剧 旅游 球赛等 ; 3 特殊望远镜 : 宇航 导弹跟踪 高空摄影 激光测距等 6

27 一 开普勒望远镜 物镜 目镜均为会聚透镜, 物镜像方焦点 F 1 和目镜物方焦点 F 重合 7

28 , y Q P f y U f y f Q P U 即 1 1 f f f y f y U U M 1 1 y f y f Q P U f f U U U U M 8

29 可见 : 1, 像是倒立的,, 1 M f f M f f f y f y U U M 1 f f 9

30 二 伽利略望远镜 物镜是会聚透镜, 目镜是发散透镜, 物镜像方焦点 F 1 和目镜物方焦点 F 重合 30

31 f P Q U f., 1 1 f f f y f y f P Q U f y U 0, 象是正立的 0, 0, M f f f f f f f y f y U U M 31

32 讨论 : 1. 共同点 : 1 望远光具组 : 光学间隔 D F 0 (. 无焦系统 ) F 1 特点 : 平行光束通过时, 透射出来的仍是平行光, 但方向改变 问 : 物体在有限远处, 求象? 逐次? 元件多呢? 3

33 放大率公式均为 : U M U 二者 M>1, 而横向放大率 fβ<1( 0, 像是缩小 M 的 ). 可见 M 与 β 不同 f f 1 33

34 开氏 伽氏. 不同点 : 1 开氏成倒象, 视场较大 ; 而伽氏成正立象, 视场较小 ( 伽氏的目镜发散 ) 开氏的目镜物方焦平面上可放叉丝或刻度尺, 伽氏则不能 ( 伽氏的 F 在镜筒外 ) 3 开氏的镜筒较长, 而伽氏的镜筒较短 ( 等于两个焦距的和或差 ) 34

35 三 反射式望远镜 牛顿式 象差小, 容易制成大镜 格雷戈里式 卡斯格伦式 施密特式 35

36 四 激光扩束器 使激光器发出的光束实现扩束的仪器称为激光扩束器 通常是将望远镜倒过来使用. 36

37 4.6* 光阑光瞳 ( 自学 ) 一 光阑的概念 所有光学元件的边缘和特加的有一定形状的开孔的屏统称为光阑, 它们在光学系统中起限制光束的作用 37

38 二 有效光阑和光瞳 在所有各光阑中, 限制入射光束最起作用的光阑称为有效光阑 38

39 入射光瞳 (B ): 有效光阑 B 被它自己前面部分的光具组所成的像 出射光瞳 (B ): 有效光阑 B 被它自己后面部分的光具组所成的像 入射光瞳与出射光瞳统称为光瞳 对同一系统, 入射光瞳和出射光瞳共轭. P 39

40 三 有效光阑和光瞳的计算 1. 有效光阑 以薄透镜 L 和光阑 AB 为例 设光阑与透镜的距离小于透镜焦距 fˊ ⑴ 先设物点 P 在物方焦点 F 处 40

41 1 光阑的直径 D 1 < 透镜的孔径 D 则 : AB 是光阑 AB 经透镜 L 所成的像 通过整个光具组的光束的顶角 u 从发光点 F 看光阑像 AB 所张的顶角 u u L AB 是光具组对于 F 点的有效光阑 if:d 1 > D, then u u L, 透镜边缘将成为光具组对于 F 点的有效光阑 41

42 ⑵ 若物点 P 不在 F 处, 方法同前. 此时 u 仍以 PM 和 PN 为边缘, 而光阑的像仍在 PM 和 PN 的延长线上 u u L AB 仍是有效光阑 4

43 寻找有效光阑的方法是 : 先求出每一个给定光阑或透镜边缘由其前面 ( 向着物空间方向 ) 那一部分光具组所成的像, 找出所有这些像和第一个透镜边缘对指定的物点所张的角, 在这些张角中找出最小的那一个, 和这最小的张角所对应的光阑就是对于该物点的有效光阑 确定了有效光阑, 便可求得入射光瞳和出射光瞳 43

44 . 如果有效光阑是 在整个光具组的前面, 则它和入射光瞳重合 ; 如果有效光阑是在整个光具组的后面, 则它和出射光瞳重合 任何一个光瞳可能是虚像, 也可能是实像 出射光瞳的位置可能在入射光瞳的前面, 也可能在后面 44

45 3. 入射孔径角 ( 孔径角 ): 由物平面与主轴的交点对入射光瞳半径两端所张的角 u 出射孔径角 ( 投射角 ): 由像平面与主轴的交点对出射光瞳半径两端所张的角 u 主光线 : 通过有效光阑中心的 光线 它也通过两个 光瞳的中心 45

46 讨论 : 1 有效光阑总是对某一个指定的参考点而言的 若光具组仅是一个单独的薄透镜, 则有效光阑 入射光瞳 出射光瞳都与透镜的边缘重合, 而与物点的位置无关 3 在实际作图中, 重点是找入射光瞳和出射光瞳 46

47 47

48 48

49 49

50 50

51 51

52 作业 习题 : P 08 6 补充 : 某望远镜的物 目镜相距 d1cm, 放大本领 M 4, 求 : f 1?, f? ( 提示 : 分别设望远镜为开普勒和伽利略式, 分别求解 ) 5

53 4.7 光度学概要 光能量的传播 对于光辐射的探测和计量, 存在着两套体系 : 辐射度学 : 对所有波长的电磁辐射能量的计量, 只与辐射客体有关. 光度学 : 对可见光的能量的计量, 不仅辐射客体有关, 还与人眼对不同波长电磁波的视觉灵敏度有关. 53

54 光度物理量与辐射度物理量一一对应, 可相互转换. 辐射度物理量 光度物理量 物理量定义式单位物理量定义式单位 辐射能 Q e dq e e dt JWs 光量 dq v v dt lms 辐射通量 e ( 基本量 ) W 光通量 d v I v d lmcdsr 辐射出射度 M e de/ds W/m 光出射度 M v d v /ds lm/m 辐射强度 I e d e /d W/sr 发光强度 I v ( 基本量 ) cd 辐射亮度辐射照度 L e di e /(dscos) E e d e /da (W/sr)/ m W/m ( 光 ) 亮度 ( 光 ) 照度 L v di v /(dscos) E v d v /da ntcd/m lxlm/m 54

55 主要内容 一 辐射通量 ( 辐射功率 ) 二 视见函数 ( 光见度函数 ) 三 光通量 四 发光强度 五 照度 六 亮度 55

56 一 辐射通量 ( 辐射功率 )ε ⒈ 面积元 ds 的辐射通量 ε : 单位时间内面积元 ds 辐射出来的所有波长的光能量 单位 : 瓦特 (W) ⒉ 分布函数 ( 谱辐射通量密度 ) e(λ) : 在单位时间内通过光源面元的某一波长 λ 附近的单位波长间隔内的光能量 单位 : 瓦特 / 米 (W/m) 56

57 从光源面积元 ds 辐射出来的波长在 λ~λ+dλ 间的辐射通量为 : d e( ) d, d 从光源面积元 ds 发出的各种波长光的总辐射通量为 : e( ) 0 d 57

58 二 视见函数 () 视见函数表征人眼对不同波长的光有不同的灵敏度. 一般来说 : 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 58

59 设波长为 λ 的光和波长为 555nm 的光, 产生相同亮度的视觉所需的辐射通量分别 为 D 和 D 555, 则 视见函数 v() D D 5550 视见函数与人眼的灵敏度相联系, 与产生 同等强度的视觉所需的辐射通量成反比. 59

60 在光照充分条件下得到的视见函数曲线称为明视觉曲线 v m (555nm)1 ; 在光照较弱条件下得到的视见函数曲线称为暗视觉曲线 v m (500nm)1. 60

61 三 光通量 Φ 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 在某一波长附近对于波长间隔为 dλ 的单色光来讲, 其光通量为 : d k v( ) d m k ( ) ed 光谱光视效能 : k( ) k v( ) 最大光视效能 :k(555nm)k m v(555nm)k m 61 m

62 d k v ) m ( d k ( ) ed 光通量的单位是流明 (lm) 光谱光视效能物理意义 : 表示波长为 的辐射的功光当量 单位 辐射通量对应的光通量 k( ) d d 有 : 波长为 的 1w 辐射通量 ( d 1w) 相当于 k() 流明 (lm) 的光通量 6

63 d k v ) m ( d k ( ) ed 波长为 555nm 光, 功光当量最大, 在 SI 制中 : k(555nm) k m 683 lm w 单色光光通量的表示式为 d 683v( ) d 复色光光通量的表示式为 : )d e ( ) d d 683 v( ) e( ) d 0 63

64 电光源的发光效率 η 电光源发出的总光通量与电光源的耗电功率 P 之比, 即 : 0 ) ( ) ( 683 d e v d P d e v P 0 ) ( ) ( 683 (Lm/w) d d k ) ( 64

65 四 发光强度 I 发光强度表征点光源在一定方向范围内发出的光通量的空间分布, 在数值上等于点光源在单位立体角中发出的光通量, 即 : I d d 单位 : 流明 / 球面度 (lm/sr) 坎德拉 (cd) 附 : 立体角定义 : R 4 d d d 4 M R 平面张角 很小时, 有 : 65

66 d I d 在球坐标系中, d sin d d R d d d I d, I, sin d d d ds r ( rsin d) ( rd ) r 66

67 点光源发出的总光通量 : d d I sin d 0 0, 对于均匀发光体,I 不随 而变化, 则 : I d sind I 总光通量 Φ 表征光源的特性, 对于指定的发光体, 光具组不能增加光通量, 而只起把光通量重新分配的作用 I 67

68 在国际单位制中, 发光强度的单位是 坎德拉 (candela), 代号是坎 (cd) 年第 16 届国际计量大会规定坎德 拉的定义为 : d 683v( ) d 555nm 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 Hz的单色辐射, 而且在此方向上的辐射强度为 1 w 即 :1cd1lm/sr 683 sr 故 :1lm1cdsr 68

69 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 [ 长度 (m), 质量 (kg), 时间 (s), 热力学温度 (K), 物质的量 (mol), 电流强度 (A), 发光强度 (cd) ] 69

70 五 照度 E 照度表征受照面被照明程度, 等于单位受照面积上的光通量, 即 : E d d 照度单位 : 勒克斯 (lx) d d 1lx 1lm m 典型的照度值 :P 187 表 4-70

71 讨论 :⒈ 点光源的照度 E: d Id E d d d ds R d E d d cos Id d R I cos R d R ds d 照度平方反比率定律 R 是点光源距受光物体面积元 d 中心的距离 71

72 . 面光源的出射度 ( 光通量密度 )M 单位面积元发出的总光通量, 即 : d (lm/m ) M ds 注意 : 1 出射度 M 和照度 E 有相同的单位 量纲及相似的定义 照度 E 中的光通量是面元所接收的光通量 ; 而出射度 M 中的光通量是面元所辐射的光通量 7

73 1. 光源的亮度 L : 六 亮度 L 表征发光面在不同方向的发光强弱, 等于单位表观面积的光源表面在某方向的单位立体角内发出的光通量 d di L d dscos dscos 亮度单位 : 尼特 (nt), 典型亮度值 :P 188 表 4-3 1nt 1lm (m sr) cd/sr 73

74 . 朗伯定律与余弦发射体 : 一些发光体, 在立体角 d 中发射出的光通量 d 正比于 d 和发光体表观面积 dscos 的大小, 即 : L d d dscos di dscos 常数 遵从朗伯定律的光源, 其亮度不随 变化, 称为朗伯光源或余弦发射体 如太阳 74

75 发光强度和亮度的概念不仅适用于发光的物体, 还可推广到反射体 朗伯反射体 : 涂了氧化镁的表面 从内部被照明的优质毛玻璃灯罩 积雪 白墙以及十分粗糙的白纸等 定向发射体 : 实际中我们还碰到一种发射体, 它们发出的光束往往集中在一定的立体角 Ω 内, 即亮度具有一定的定向性, 称为定向发射体 例如 : 由成像光学仪器发出的光束 激光器发出的光束等 75

76 作业 习题 : P 09 1 补充 : 点光源均匀发光 (500nm), 发光强度 I100cd, 则总光通量, 总辐射功率为. 76

77 4.8 物镜的聚光本领 助视仪器的目镜主要是对物镜所成的象加以放大, 对系统的聚光本领没有贡献. 所以系统的聚光本领由物镜决定. 物镜的聚光本领描述物镜聚集光通量能力, 可用物镜的像面照度 E 来量度 内容 : 一 光源在较近距离时的聚光本领数值孔径 二 显微镜的聚光本领 三 光源距离较远时的聚光本领相对孔径 四 照相机的聚光本领 77

78 一 光源在较近距离时的聚光本领数值孔径 具有一定大小的入射光瞳的光具组的像面照度 : E L 0 ( n sin u) 1 其中 L 0 为物放在真空中的亮度, 为横向放大率 78

79 E L 0 ( nsin u) β 和 L 0 一定, 聚光本领 ( n sin u) 若要提高聚光本领 E, 不但要求有大的孔径角 u, 而且物空间内应充满折射率较大的透明物质 1 nsinu R N.A. 称为光具组的数值孔径 79

80 二 显微镜的聚光本领 属于光源位于较近的情形 : 讨论 : E 1) L 0 和 一定, E 正比于数值孔径 R N.A. (nsinu), 为了提高放大本领 M, 要求物镜的焦距较短. 而制造短焦距的大孔径透镜是较困难的, 即 u 较小, 所以, 在物空间充入折射率 n 较大的介质 油浸法 5 5D 5 5 M ( )( ) f f f f f f f 1 L 0 ( nsin u) M 80

81 81

82 讨论 : E L 0 ( nsin u) ) L 0 和 R N.A. nsinu 一定, E 反比于, 而放大本领 M 是正比于 的, 所以同时考虑由聚光本领和放大本领, 不能太大, 也不能太小 1 5 5D 5 5 M ( )( ) f f f f f f f M 8

83 三 光源距离较远时的聚光本领相对孔径 物距较大时,u 较小, 数值孔径 R N.A. nsinu 较小, 不同情况下的区别也不大, 所以数值孔径 R N.A 未能正确反映出这时系统的聚光能力 可得 : E L n d L n d 4 f ( ) 4 f 0 0 p ( )( ) p p 83

84 入射光瞳成象于出射光瞳的横向放大率, 即等于出射光瞳直径 d' 与入射光瞳直径 d 之比 0 0 ) )( ( 4 ) ( 4 p p p f d L n f d L n E d d p 84

85 E L n d L n d 4 f ( ) 4 f 0 0 p ( )( ) p p 本领 可见, 在其它条件相同时, 物镜的聚光 d ( ) f 相对孔径 ( 入射光瞳的直径 d 与焦距 f 之比 ) 上述讨论适用于望远镜和照相机 85

86 讨论 : 对于望远镜,, 1 f f M ) ( f d E ) )( ( 4 ) ( 4 p p p f d L n f d L n E 0 ) ( 4 f d n L E 由于放大本领 M 与物镜焦距成正比, 所以物镜焦距一般较大, 所以为了提高聚光本领 E, 必须加大口径 d 86

87 四 照相机的聚光本领 照相机既可拍近物的像, 又可拍远物的像, 但其聚光本领不同 其聚光本领主要靠光圈来调节, 光圈是装在整个物镜中间的大小可调节的可变光阑, 光圈总是作为有效光阑 一般可认为镜头前后部分是对称的, 即 : p d d 1 又 n n 1( 都是空气 ) E L n d 4 f 0 p ) ( )( p E L d 1 0 ( ) ( ) 4 f 1 87

88 E L d 0 1 ( ) ( ) 4 f 1 x s L d 拍远物 : 0, E 0 ( ) ; f s 4 f x y 拍近物 : 1 f y, E L d 0 ( ) 16 f 即 : 在 L 0 和 d/f 都相同的条件下, 远物像的照度是近物像的照度的 4 倍 88

89 1 L d 0 1 E ( ) ( ) 4 f 1 E ( ) f /d 照相机的聚光本领通常不用相对孔径而用它 的倒数 f/d 来衡量, 称为 F 数或光圈数 F 数越大, 相对孔径越小, 聚光本领越弱 照像机的光圈数是等比数列, 其公比为, 即 :1.4,,.8, 4,5.6, 8,., 象面照度依次减半 89

90 4.10 单色像差概述 ( 自学 ) 理想成象条件 : 单色 近轴 ( 近轴物 近轴光线 ) 球面像差 近轴物宽光束 轴上像差 慧形像差 单色像差 像散 像差远轴物窄光束 像面弯曲 轴外像差 像形畸变 位置色差 ( 纵向色差 ) 色差 放大率色差 ( 横向色差 ) 90

91 一 球面像差 ( 球差 ) ⒈ 形状 : 弥漫圆斑 ⒉ 成因 : 主要是由于透镜表面为球面所造成的 ⒊ 大小 : 通过透镜的光线与主轴最近 ( 最远 ) 的交点和理想像点之间的距离 球差的大小与透镜表面曲率半径 r 折射率 n 以及向着光源的表面有关 91

92 ⒋ 消除方法 : 除开光阑限制外, 1 双凸透镜, 以较凸的一面向着平行光线 平凸透镜, 将凸的一面向着光源 3 将会聚透镜和发散透镜结合起来使用, 如小型天文望远镜 4 采用菲涅耳螺纹透镜, 如 : 电影和舞台照明灯 汽车前灯 投影仪的聚光器等 9

93 二 彗形像差 ⒈ 形状 : 形似彗星, 一个有尖端的亮斑, 尖端最亮, 带着一个逐渐扩大 变暗的尾巴 ⒉ 成因 : 经过透镜不同环带的光线在理想像面上交成一系列大小不同相互重叠的圆, 圆心在一直线上, 与主轴有不同的距离 ⒊ 消除方法 : 满足阿贝正弦定理 : nlsinu nl sinu 93

94 三 像散 ⒈ 特征 : 对应于一个物点有子午焦线和孤矢焦线同时存在, 物点离轴越远, 像散越显著 ( 平面折射, 球面反射 ) ⒉ 量度 : 像散差 : 沿着出射主光线上子午和弧矢这两焦线间的距离 +,- 94

95 ⒊ 消除方法 : 适当选配系统各球面的曲率半径 各介质的折射率及合理确定有效光阑的位置 95

96 四 像面弯曲 ⒈ 特征 : 平面物的像不是平面而是弯曲的 ⒉ 消除方法 : 采用组合系统, 适当的选配各透镜的焦距和折射率 96

97 五 畸变 ⒈ 成因 : 由于物点离主轴的距离不同, 而使得横向放大率不同所引起 ⒉ 形状 : 枕形畸变 ( 正畸变 ): 横向放大率随物点离开 主轴的距离而增大 桶形畸变 ( 负畸变 ): 横向放大率随物点离开 主轴的距离而减小 97

98 ⒊ 特点 : 畸变并不影响成像的清晰程度, 而只改变像的几何形状 4 消除方法 : 1 两种畸变的组合 将光阑放在一组相同的对称的透镜中间 98

99 本节小结 1. 如果一个光具组未经任何校正, 一般来说上述五种像差将同时存在. 在一定条件下, 可能只有一种像差较显著 例如 : 1 轴上物点 球差 ; 物点离主轴不远时, 慧差为主, 球差次之 ; 3 物点离主轴距离较大且光束细窄 像散 ; 4 物面特别大且宽光束 像面弯曲和畸变 99

100 4.11 正弦定理和正弦条件 一 正弦定理 : nl sin u nlsin u 100

101 一 正弦定理 二 正弦条件 : nsin u nu0 常数或者 : n sin u nu 0 nl sin nlsin sin u u 说明 : 1 不论 Q 点发出的是怎样宽的光束, 要想理想成像于一点, 必须符合正弦定理 ( 消除彗差时, 使用此定理 ) 在符合正弦条件时, 近轴物以宽光束所成的像是清晰的 3 该定理和条件是德国光学家阿贝 (E.Abbe) 于 1879 年根据费马原理导出的, 它实质上是亥姆霍兹 拉格朗日不变式的推广 u 0 u sin u u 0 101

102 4.1 近轴物近轴光线成像的色差 一 色差的形成 : 因为任何实际的光学材料, 对于不同波长 ( 颜色 ) 的光的折射率不同, 这样, 一个透镜对于不同颜色的光就有不同的基点, 所以, 当光通过光具组后, 将得到一系列与各色光对应的不重合的像点, 从而就形成了色差 ( 白光通过棱镜的色散除外 ) 10

103 ⒈ 纵向色差 ( 位置色差 ): 当发光点位于光具组的主轴上时, 不同波长的近轴光线将成像于主轴上不同的点, 各呈现不同的颜色, 不再出现单独的白光像点 ⒉ 横向色差 ( 放大率色差 ): 不在主轴上的发光点所成的像也将呈现彩色, 而且随发光点离主轴的远近不同, 彩色的分布也将不同 103

104 二 色差的改善 ⑴ 两透镜用不同的材料制成, 相互接触, d0 ⑵ 两透镜用相同的材料制成, 相隔适当距离 d, d 1 如惠更斯目镜 冉斯登目镜 ( f f 1 ) 104

105 4.10 助视仪器的分辨本领 ( 讲完衍射再讲 ) 一 瑞利判据与分辨本领 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 105

106 回顾 : 圆孔衍射 D H L L f P 1 1 P d d 艾里斑 第一暗环的衍射角 : d f D R 106

107 ⒈ 瑞利判据 : 当一个中央亮斑的最大值恰和另一个中央亮斑的第一最小值位置相重合时, 两个像点刚好能分辨开 一 瑞利判据分辨本领 107

108 . 分辨本领 : 分辨极限角 : u R u 两个发光点对光具组入射光瞳中心所张的视角 θ 1 各衍射图样第一暗环的衍射角 R 入射光瞳的半径 u> 1 时, 能分辨 ;u< 1 时, 不能分辨 108

109 . 分辨本领 : 分辨极限角 : u R 或者 : 用像面上或物面上能够分辨的两点之间的距离 Dy 或 Dy 来表示分辨极限 1 R k

110 二 人眼的分辨本领 眼内 : 光波长 /n, n1.337 Dl 人眼瞳孔直径取 1 mm,555 nm 分辨极限角 : u nr f tg f ( cm) cm 约等于相邻视锥细胞之间的距离. u 0 Dl 110

111 分辨极限角 : Dy 5cm u R 0.1 y u 即 : 0 5 D 眼外 : 在明视距离处 : y 0.085mm 0. 1mm 4 u 0 (rad) Dl 1 5u ( cm) 0 111

112 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能够分辨出的两个像点之间的距离 Dy 来表示 : Dy f 1.0 f d d f Dy 相对孔径 1 or d f k Dy d f 11

113 四 显微镜物镜的分辨本领 显微镜物镜的分辨极限通常以被观察的物面上刚好能够分辨出的两物点之间的直线距离 Dy 来表示. Dy n sin u 1 n sin u 113

114 Dy n sin u 1 n sin u 193 年, 鲁斯卡 电子显微镜 ; 198 年, 宾尼希 罗雷尔 扫描隧穿电子显微镜 ; 1986 年, 三人同获诺贝尔奖 114

115 电子显微镜 115

116 电子显微镜 参考价 :11 万美元 116

117 扫描隧穿电子显微镜 ( 放大倍数 :10 8 倍 ) 参考价格 : USD

118 扫描隧穿电子显微镜 ( 放大倍数 :10 8 倍 ) 硅原子 电解液中的硫酸根离子 ( 吸附在铜上 ) 金属镍表面用 35 个氙原子组成 IBM 金属铜表面用碳 60 分子组成了世界上最小的算盘 石墨表面通过搬迁碳原子而绘制出的 118 最小的中国地图

119 rad. 设望远镜的口径为 D, 取可见光平均波长 550nm, 由 (m) 119

120 10

121 (1) 显微镜用波长为 50nm 的紫外光照射比用波长为 500nm 的可见光照射时, 分辨本领增大几倍? 解 : (1) 显微镜的分辨极限为 : 在其它条件一定, 以不同波长的光照射时 : k 1 Dy k 1 1 Dy 1 紫外光 ( 50 nm) 显微镜的分辨本领是可见光 (1500nm) 显微镜的 倍 ( 增大 1 倍 ) 11

122 () 物镜在空气中的数值孔径约为 0.75, 用紫外光时所能分辨两条线之间的距离是多少? 解 : 以紫外光照射时的分辨极限 : (3) 用折射率为 1.56 的油浸系统时, 这个最小距离为多少? 解 : 用紫外光照射, 且是油浸系统时的分辨极限 : 1

123 (4) 若照相底片上感光微粒的大小约为 0.45mm, 问油浸系统紫外光显微镜的物镜横向放大率为多大时, 在底片上刚好能分辨出这个最小距离. 解 : 底片刚能分辨此最小距离时, 物镜的横向放大率为 : 13

124 4.11 分光仪器的分辨本领 * 一 棱镜光谱仪 二 光栅光谱仪 14

125 一 棱镜光谱仪 ⒈ 角色散率 : 光谱展开的角度与谱宽之比 : D d D Dlim 或 D DD 0 D d 在最小偏向角 0 附近 : D d d d 0 d d dn 0 dn d D 15

126 即 :,, sin sin A i A A i i A A n sin 1 sin 1 ) sin ( 1 sin 1 ) cos( sin 1 1 ) cos( sin A n A A A A A A A d dn 而 d dn dn d d d d d D 0 0 在最小偏向角 0 附近 : 16

127 D 1 sin n dn d 波长相差为 D 的两谱线间的角距离 A sin dn D DD D A d 1 n sin 材料一定 ( 色散关系 dn/d 一定 ), 棱镜顶角 A 越大, 角色散率 D 越大, 光谱展得越开. A sin A (4-30) 17

128 ⒉ 色分辨本领 设波长为 和 +D 谱线刚能被分开, 即 D / 为相对分辩谱宽, 则色分辨本领为 : P D 按瑞利判据 : sin 1 b D 1 D DD 单缝衍射第一 极暗纹衍射角 P? D 1 sin n A sin D D A dn D d 18

129 回顾 : 单缝衍射 一 夫琅禾费单缝衍射的条纹特点 : S * G 1 S S 缝宽为 b I f 3 b b b o b b 3 b sin 19

130 1 p D b sin 1 n A sin sin A 1 d n A sin sin n A A sin dn D d A dn d b BC (4-34) b (4-33) 色分辨本领 : p D dn d 130

131 色分辨本领 : p D dn d BC 棱镜底面的宽度 越大, 不论折射棱角 A 大小如何, 色分辨本领 / D 越高 D D 131

132 对照 : 角色散率 : 光谱展开的角度与谱宽之比 : D D Dlim 0 D d d D DD ⒊ 线色散率 : 光谱展开的线宽度与谱宽之比 : Dl D f L Df ( 4 36) D D 或 D D 13

133 d dn f b L d A n A b sin 1 sin BC (4-34) d dn A n A D sin 1 sin (4-30) d dn b D 线色散率 : D D Df l L D D 133

134 一个棱角为 50 0 的棱镜由某种玻璃制成, 它的色散特性由确定 其中 a ,, 当其对 550nm 的光处于最小偏向角位置时, 试求 : 134

135 解 :(1) 最小偏向角附近的角色散率与棱镜顶角 A 的关系为 : D 因为 : 1 sin n A sin A dn d (4-30) 所以 : D 135

136 () 棱镜底面宽度.7cm, 光束宽度 b.4cm, 色散关系为 : 角色散率 D dn b d cm.4 D cm 6 rad / ( dn b d 0 A ) / A 0 色分辨本领为 : D D 136

137 (⑶) 透镜焦距为 f50cm, 角色散率 D Dl 线色散率 : L D Df D D 137

138 回顾 : 光栅衍射 ( 一 ) 光栅 : 等宽度 等距离的狭缝排列起来的光学元件. 衍射角 L P Q o f 返 138

139 ( 二 ) 光栅衍射条纹的形成 光栅的衍射条纹是衍射和干涉的总效果. 相邻两缝间的光程差 : D d sin 光栅方程 d ( sin j ( 干涉明纹 ) : j 0,1,, ) b b' b b' 光栅常数 d b : 不透光部分的宽度光栅常数 : 衍射角 d sin b : 透光部分的宽度 ' ~ 10 m 139

140 讨论 dsin j ( j 0,1,, ) ( 光栅方程 ) 1) 光强分布 I D1 /( Nd sin ) j1 j j d sin d 140

141 ) 光栅中狭缝条数越多, 明纹越窄, 越亮. 亮纹光强 : I N I0 sin (N: 缝数,I 0 : 单缝光强 ) (a) N1 (d) N5 (b) N (e) N6 (c) N3 (f) N0 141

142 d ( 三 ) 衍射光谱 sin j ( j 0,1,, ) 入射光为白光时, 不同, k 不同, 按波长分开形成光谱. j1 j j3 I d 0 一级光谱三级光谱二级光谱 sin 14

143 二 光栅光谱仪 S j1 j j3 光栅 S j1 j j3 d sin j ( j 0,1,, ) 143

144 ⒈ 角色散率 : D d D D d lim D 0 j dcos 与波长有关, 但一级 二级光谱 (j1,) 的衍射角 很小,cos1, 故 Dj/d( 常数 ) 光栅方程 d sin j ( j 0,1,, ) 光栅 S j1 j j3 S j1 j j3 144

145 ⒈ 角色散率 : ⒉ 线色散率 : L D d D D d Dl D lim D 0 D f D Df j dcos j d cos f 光栅方程 d sin j ( j 0,1,, ) 光栅 S j1 j j3 S j1 j j3 145

146 ⒊ 色分辨本领 : 谱线半角宽 d D I j j D dcos D D1 d dcos Ndcos ( 瑞利判据 ) p D jn j1 j j3 d 0 一级光谱 三级光谱二级光谱 sin 146

147 d j j D D D p jn d dcos dcos D 1 对于某一级光谱 (j 一定 ), 角色散率 D 与 光栅常数 d 成反比. 即 : 光波长相差 D 的两谱线间的角距离 D 反比于 d, 狭缝越密, 光谱展得越开, 而与光栅的狭缝总数 N 无关 光栅光谱仪的分辨本领正比于缝数 N, 且随着光谱级数的增加而增加, 与光栅常数 d 无关. 147

148 148

149 解 :(1) 需在第一级 (j1) 分辨 D ( )nm 6A 0 的钠双线, 由光栅的色分辨本领公式 : 可知光栅的总缝数 : 149

150 () 钠双线第一级最大之间的角距离是多少? d j D j D D dn/ d dcos 0 dcos 光栅宽度 解 : D6A 0 由光栅方程得 j1 150

151 (3) 若会聚透镜的焦距为 1 m, 其第一级线色散率为多少? Dl d L Df D D d 解 : 线色散率为 j dcos f1m,j1 f j f j L f D dn/ 0 d cos d 1 sin 151

152 作业 习题 : P09 17,19, 15*,5* 15

153 一 放大本领 本章小结 1. 人眼 ( 矫正?). 放大镜 3. 目镜 ( 结构? 光路? 用途?) 4. 显微镜 5. 望远镜 M M 5 f M u u 5l M f f 1 5 cm M f f 1 153

154 二 聚光本领 ( 有效光阑 光瞳 光度量 ) 1. 显微镜. 望远镜 3. 照相机 L ( R N.. E 数值孔径 RN.A.nsinu E 0 A L n d 0 ( ) 4 f ) 1 (4-1) (P.69) 相对孔径 :d /f L 0 d 远 E ( ) (4-14) 4 f L 0 d 近 E ( ) 1 f (4-16)

155 三 分辨本领 ( 瑞利判据 ) 1. 人眼. 显微镜 3. 望远镜 u Dy 4. * 棱镜光谱仪 5. * 光栅光谱仪 u R nr Dy nsinu 1.0 d f d 角 : D d 色 : p D 线 : L Df f j dcos jn j dcos d dn 角 : D d b d dn 色 : p D d dn 线 : L Df f b d 155

156 讨论题 1. 光学仪器的本领主要有哪几个?. 近视眼, 老花眼需要配什么样的透镜加以校正? 如何校正? 3. 人眼的明视距离为多少? 4. 助视仪器放大本领的一般表达式是什么? 5. 常用的目镜有哪两种? 6. 显微镜的放大本领等于哪两个物理量的乘积? 7. 开普勒望远镜与伽利略望远镜有哪些异同? 8. 实现激光扩束的方法通常有哪些? 156

157 9. 什么是发光强度? 它的单位及代号是什么? 如何进行光通量与辐射通量的转换? 10. 显微镜的聚光本领通常用什么描述? 11. 望远镜的聚光本领通常用什么来衡量? 1. 照相机的聚光本领通常用什么来衡量? 157

158 ( 如下部分学完衍射部分再讨论 ) 13. 两个像点刚好能分辨开的瑞利判据是如何表述的? 14. 望远镜物镜的分辨极限通常以什么表示? 15. 显微镜物镜的分辨极限通常以什么表示? *16. 棱镜光谱仪的角色散率 线色散率和色分辨本领的数学表达式为何? *17. 光栅光谱仪的角色散率 线色散率和色分辨本领的数学表达式为何? 158

159 讨论题答案 1. 答 : 光学仪器的本领主要有放大本领 聚光本领和分辨本领. 答 : 近视眼需要配凹透镜 老花眼需要配凸透镜加以校正 近视眼 : 把患者的远点调至 处 远视眼 ( 老花眼 ): 把患者的近点调至明视距离处 3. 答 : 人眼的明视距离为 5 cm 4. 答 : 助视仪器放大本领的一般表达式是 : tgu U M tgu U 5. 答 : 常用的目镜有惠更斯目镜和冉斯登目镜 6. 答 : 显微镜的放大本领等于物镜的横向放大率和目镜放大本领的乘积 159

160 7. 答 : 开普勒望远镜与伽利略望远镜的共同点是 : 它们的物镜和目镜所组成的复合光具组的光学间隔都等于零 ; 物镜的横向放大率 β 都小于 1 二者的不同点是 :1 开氏的视场较大, 而伽氏的视场较小 ; 开氏的目镜物方焦平面上可放叉丝或刻度尺, 伽氏则不能 ;3 开氏的镜筒较长, 而伽氏的镜筒较短 8. 答 : 实现激光扩束的方法通常是将望远镜倒过来使用 ; 也可用显微镜的物镜 ; 甚至有时可用短焦距的凸面或凹面反射镜 ; 有时也可用毛玻璃等 160

161 9. 答 : 发光强度是表征光源在一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中发出的光通量 在国际单位制中, 发光强度的单位是坎德拉 (candela), 代号是坎 (cd) 单色光光通量与辐射通量的关系为 : d 683v( ) d 10. 答 : 显微镜的聚光本领通常用数值孔径描述 11. 答 : 望远镜的聚光本领常用相对孔径来衡量 1. 答 : 照相机的聚光本领常用相对孔径的倒数 光圈数来衡量 161

162 13. 答 : 瑞利判据是 : 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, 两个像点刚好能分辨开 14. 答 : 望远镜物镜的分辨极限通常以物镜焦平面上刚刚能够分辨出的两个像点之间的直线距离来表示 15. 答 : 显微镜物镜的分辨极限通常以被观察的物面上刚好能够分辨出的两物点之间的直线距离来表示 16

163 16*. 答 : 棱镜光谱仪的角色散率 色分辨本领和线色散率的数学表达式分别为 : d 角 : D d 色 : p D 线 : L Df b b dn d dn d dn f d 163

164 17*. 答 : 光栅光谱仪的角色散率 色分辨本领和线色散率的数学表达式分别为 : d j 角 : D d dcos 色 : p jn D j 线 : L D f f dcos 164

165 165

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