1、Chap.5 Basic Principles of Optical Instrument,5.1 幻灯机的聚光和成像,一、幻灯机：聚光部分（光源、聚光器、反光镜）和成像部分（物镜、幻灯片、屏幕）二、投影仪：科研报告、多媒体上课、电视台（播音稿）等。,投影仪器,照明系统,成像系统,光源,聚光镜,成像镜,屏幕,照相机,单镜头反光照相机（SLR),旁轴取景器式照相机,照相机的镜头,为了获得高质量的影像，镜头通常由多组球面透镜构成，可以消除色差、像差、球差、彗差等。,视角,光圈的大小将决定光线穿过镜头的强弱。光圈越大其透过镜头投影到数码相机CCD感光器上的光线也就越强，反之则越弱。那么它的大小也将直
2、接影响到我们拍摄出的数码照片的成像质量。,光圈中心孔径的大小则用相应的数值来表示，即“f数值”。光圈的数值越小，代表光圈的孔径越大，进光量越多，反之则进光量越少。,物距与景深,物方景深,像方景深,5.2 人的眼睛,一、人眼的结构 瞳孔,示意眼,空气,角膜,晶状体,视网膜,玻璃液,水状液,二、简化眼,从上页图看出：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，共轴复杂光学系统（光具组）。它能在视网膜上清晰成像。,它是一个能自动调节的，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：,高尔斯特兰简化眼,光心,简化眼等效于一个可变焦距的凸透
3、镜。视网膜到光心的距离等于眼睛对无穷远处聚焦时的像方焦距。,三、人眼的调节功能,1、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。,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：,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。是人眼自动完成的。,说明：, 自调节有一定的限度：近点和远点之间。,远点：人眼能看清楚的最远点。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。,近点：人眼能看清楚的最近点。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。, 人眼疲劳程
4、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。, 近点、远点和调节范围随年龄的增长而变化；,近点变远：幼年78cm；中年25cm；老年12m。远点变近：幼年无限远；老年数米。随年龄的增长，肌肉老化，自调节范围变窄。,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 的细节。称25cm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、无穷远处或其间的某一位置处。,3、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。,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。,特点：
5、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。,矫正前,矫正后,例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,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。,矫正前,矫正后,2 求一个近点为125cm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。,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。像散。,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。,四、人眼的视角,定义：被观察物对人眼光心的张角称为人
6、眼的视角。,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心所张角度的大小衡量的。,表达式：,说明：,A 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，因而取决于视角 U的大小，当U1时，人眼已无法区分了。, 一切助视仪器设计的出发点就是增大人眼的视角.,助视仪器的放大本领,助视仪器：帮助人眼（正常、非正常）看清物体（远、近、大、小）的光学仪器。,一、放大本领,1、定义：如右图示,物体PQ经助视仪器成虚像PQ，再经人眼成像于视网膜上，其像长为 ；去掉助视仪器后将同一物体置于原虚像所在处，对人眼直接所成像长为 ，则两个像长的比值称为该助视仪器的放大本领。用M表示。,2
7、、说明：, 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（25cm）；望远镜：无穷远处。,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 与角放大率 的区别。, 在近轴条件下,即：M等于两视角之比,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。,2、放大本领：,使用放大镜的视角：,未用放大镜的视角：,以最简单的放大镜-凸透镜为例:,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， 并非将物体移近。,例：f =10cm，则 M=2.5倍，记为2.5。,M 与f 成反比。由于短焦距透镜像差大，所
8、以M很大的放大镜没有实用 价值。常用的放大镜M3；若采用复合透镜，可使M达到20 。,5.4目 镜,一、目镜,从上节知，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目镜。,1、定义：用于观察其它光学系统所成像的放大镜。,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。,要求：A、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。, 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；靠近人眼的称为目镜。,2、结构：,场镜+视镜+（分划板或称刻度尺）,场镜： 面
9、向物体（即物镜的像）的透镜（或透镜组）,视镜： 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，用于提高测量精度,二、常用目镜：惠更斯目镜和冉斯登目镜,1、惠更斯目镜, 结构：如图示, 特点：,场镜、视镜均为同种材料的平凸透镜，且均以凸面朝向物体。,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2倍，所以场镜视镜的象方焦点重合。,光路图：如图示。可适当调节物镜和目镜的距离，使Q刚好在视镜的物方焦平面上，使出射光束为平行光束。,由于场镜的物为虚物，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F2Q处，用于测量场镜的像的大小。,此目镜的视角大（可达400），结
10、构紧凑，适用于生物显微镜。,2、冉斯登目镜, 结构：如图示, 特点：,场镜、视镜均为同种材料的平凸透镜，二镜凸面相向，平面朝外。,场镜、视镜焦距相同，两镜光心的距离为焦距值的2/3。,光路图：如图示。可适当调节物镜和目镜的距离，使Q刚好在视镜的物方焦平面上，使出射光束为平行光束。,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。,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，配上分划板可精确测量物镜所成的像的长度。,5.5 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
11、光路图,显微镜的放大本领,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。,一、结构,特点：物体PQ置于物镜（焦距很短）的物方焦平面F1附近，成实象PQ；PQ位于目镜（焦距很短）物方焦平面F2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。,二、光路图,明视距离,物镜,目镜,显微镜,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。,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。,5.6 望远镜的放大本领,一、定义：,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
12、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。,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。,二、结构及分类,1、结构：物镜系统+目镜系统,2、分类：, 按物镜的种类分：,A、反射式望远镜：物镜为反射镜；,B、折射式望远镜：物镜为透镜。, 按目镜种类分：,A、开普勒望远镜：目镜为会聚透镜；,B、伽利略望远镜：目镜为发散透镜。,三、开普勒望远镜,1、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。,2、原理：光路如图示,无穷远处的物体PQ发出的平行光入射于物镜系统，成实象PQ于象方焦平面上；因为物镜系统的象方焦
13、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。（望远镜的结构都这样）,四、伽利略望远镜,1、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物方焦点重合。,2、原理：光路如图示,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。,反射式望远镜,激光扩束器,1、定义：,扩束器将光束横截面扩大的光学仪器。,激光扩束器将激光束横截面扩大的光学仪器。,2、装置,倒用的折射式望远镜是很好的激光扩束器；,
14、开氏,伽氏,显微镜的物镜（40、100）也可作简单的激光扩束器。,5.7 棱镜光谱仪,角色散率：,在最小偏向角附近的角色散率的数值为：,2线色散率,波长相差为 的两谱线间的角距离,光度学概要,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。 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。,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
15、强度五、照度 六、亮度 七、三原色原理,一、辐射通量（辐射功率）,面积元ds的辐射通量： 单位时间内面积元ds辐射出来的所有波长的光能量。分布函数（辐射通量谱密度）： 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。用 ()表示，是波长的函数。总辐射通量： 从光源面积元ds辐射出来的波长在 +d间的辐射通量为： 从光源面积元ds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）,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
16、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0。,二、视见函数（光见度函数）,称为视见函数。 在光照充分条件下得到的人眼的视见函数曲线称为明视觉曲线；在光照较弱条件下得到的人眼的视见函数曲线称为暗视觉曲线。,设任一波长为的光和波长为5500的光， 产生相同的亮暗视觉所需的辐射通量分别为 和 ，则比值：,三、光通量 ,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d的单色光来讲，其光通量为
17、： K为最大光功当量。光通量的单位是流明（lumen），简称流，符号：lm。,四、发光强度 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，即：式中d是点光源在某一方向上所张的立体角元。在球坐标系中，即：由点光源所发出的总光通量为：对于均匀发光体，I 不随 而变化，则：总光通量 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。,四、发光强度 I,在国际单位制中,发光强度的单位是坎德拉（candela）, 代号是坎（cd）.,1979年第16届国际计量大会规定坎德拉的定义为：“坎德拉是一光源
18、在给定方向上的发光强度，该光源发出频率为 的单色辐射，而且在此方向上的辐射强度为1/683 ”。 Sr球面度,坎德拉是国际单位制中七个基本单位之一，光度学中其它单位都是导出单位。,1.朗伯定律： 在立体角 中发射出的光通量 正比于 和发光体表观面积 的大小，即：,五 亮度 B,五、亮度 B,光源的亮度B： 是表征发光面发光强弱并与发光表面特性有关的物理量，在数值上它等于单位面积的光源表面在法线方向的单位立体角内传送出的光通量。亮度的单位为： 尼特（nit），代号：nt ； 熙提（silb）,代号：sb 。 1sb=104 nt(1m2 =104 cm2 ),五、亮度 B,余弦发射体： 一般情况
19、下，扩展光源上每一面元的亮度B随方向 而变. 如果： ，那么： ，从而B不随方向 而变。 这类光源称为遵从朗伯定律的光源余弦发射体朗伯光源。如太阳。 发光强度和亮度的概念不仅适用于自己发光的物体，还可推广到反射体。 朗伯反射体：如：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。,亮度 B,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。,1、定义：入射在受照物体单位面积上的光通量。,2、意义：描述受照物体被照明的程度。,3、单位：勒克斯,4、点光源的照度：,辐透：,平方反比率定律,六、照度 E,
