《光学》课程授课教案（讲义）第四章 光学仪器的基本原理

第四章光学仪器的基本原理 色差：（折射率随波长而变） 象差：（起出近轴区域） 破坏了象的清晰度，但从能量方面视场广阔方面，物体不宜限于近轴范围以内。这就 是说：一方面要求成象清晰，尽可能消除象差和色差。另一方面又要求象场广阔而明亮，这 些常常不可兼得。 如果要使象差越小，衍射就会越明显，衍射花样减小，象差又趋明显。两者又是不可 分割的，这又是另一类矛盾成象清渐度与细节分辨程度的关系。 为了使这些关系有一个适当的处理标准，人们就特别注意权衡光学仪器的放大本领， 聚光本领和分辨本领这些方面的得失。本章中对这些问题只作原理上的初步介绍。 §4一1人的眼睛 一、人眼结构 琳络膜(D) 巩膜(S) 经(N 图4-1 前房：淡盐溶液 后房：玻璃液（胶性透明液体） 折射率均为n=133宏膜 二、简化眼 人眼是一共轴光具组，这一光具组能在视网膜上形成清晰的象。由于这一共轴光具组

第四章 光学仪器的基本原理 色差：（折射率随波长而变） 象差：（起出近轴区域） 破坏了象的清晰度，但从能量方面视场广阔方面，物体不宜限于近轴范围以内。这就 是说：一方面要求成象清晰，尽可能消除象差和色差。另一方面又要求象场广阔而明亮，这 些常常不可兼得。 如果要使象差越小，衍射就会越明显，衍射花样减小，象差又趋明显。两者又是不可 分割的，这又是另一类矛盾成象清晰度与细节分辨程度的关系。 为了使这些关系有一个适当的处理标准，人们就特别注意权衡光学仪器的放大本领， 聚光本领和分辨本领这些方面的得失。本章中对这些问题只作原理上的初步介绍。 §4—1 人的眼睛 一、人眼结构 图 4-1 前房：淡盐溶液 后房：玻璃液（胶性透明液体） 折射率均为 n水 133 宏膜 二、简化眼 人眼是一共轴光具组，这一光具组能在视网膜上形成清晰的象。由于这一共轴光具组

结构很复杂，因此在许多情况下，往往将人眼简化为只有一个折射球面的简化眼。 简化眼结构的光学常数为 w-g 折射面曲率半径R=5.7mm 网膜曲率半径R'=9.8mm f=-17.1mm f'=22.8mm 三、人眼的调节功能 人眼的光心：简化眼的曲率中心 眼对物体的大小感觉：是以物体在视网膜上所形成的象对光心的张角大小来衡量的。 为了使不同距离的物体都能在网膜上形成清晰象，必须改变眼睛的焦距，人眼的调节 主要借助于水品体的作用。 远点：（松驰）能看清楚的最远点。 近点：（紧张）能看清楚的最近点。 明视距离：适当的照明下，通常的眼观察眼前25©m处的物体不费力，而且能看清楚物 体的细节。 近视眼：远点在有限距离。（远点移近》 远视眼：近点变远。 §4一2助视仪器放大本领 一、放大本领的概念 助视仪器：用以改善和扩展视觉的光学仪器。如：放大镜、显微镜、望远镜等。 0 0 (-)(a) 图4-2 放大本领：M=-g肚、” I tgu u 即象对眼的张角与物体直接对眼的张角之比

结构很复杂，因此在许多情况下，往往将人眼简化为只有一个折射球面的简化眼。 简化眼结构的光学常数为 3 4 n  折射面曲率半径 R  5.7mm 网膜曲率半径 R  9.8mm f  17.1mm f   22.8mm 三、人眼的调节功能 人眼的光心：简化眼的曲率中心。 眼对物体的大小感觉：是以物体在视网膜上所形成的象对光心的张角大小来衡量的。 为了使不同距离的物体都能在网膜上形成清晰象，必须改变眼睛的焦距，人眼的调节 主要借助于水晶体的作用。 远点：（松驰）能看清楚的最远点。 近点：（紧张）能看清楚的最近点。 明视距离：适当的照明下，通常的眼观察眼前 25cm 处的物体不费力，而且能看清楚物 体的细节。 近视眼：远点在有限距离。（远点移近） 远视眼：近点变远。 §4—2 助视仪器放大本领 一、放大本领的概念 助视仪器：用以改善和扩展视觉的光学仪器。如：放大镜、显微镜、望远镜等。 图 4-2 放大本领： u u tgu tgu l l M       即象对眼的张角与物体直接对眼的张角之比

二、放大镜 要明察秋毫，不但应使物体对眼有足够大的张角，而且还应取合适的距离。显然对眼 晴来说，这两个要求是相互制约的，若在眼睛前面配置一个凸透镜便能解决这一问题。 三三三三 (-f (a) -25cm (5) 图4-3 ' w5 则：M=425 若f'-10cm 则：2.5r §4-3目镜 一、目镜的作用 目镜也是放大视角用的仪器。通常放大镜用来直接放大实物，而日镜则用来放大其它 光具组所成的象。复杂的助视光学仪器总是包括物镜和目镜两部分。目镜通常由不相接触的 两个薄透镜组成，面向物体的透镜称为场镜，接触眼晴者称为视镜。常配备一块分划板，板 上包含一组义丝或透明刻度尺，以提高测量的精度。 二、两种目镜 (一）惠更斯日镜

二、放大镜 要明察秋毫，不但应使物体对眼有足够大的张角，而且还应取合适的距离。显然对眼 睛来说，这两个要求是相互制约的，若在眼睛前面配置一个凸透镜便能解决这一问题。 图 4-3 25 ( ) y u f y f y s y u           则： u f u M     25 若 f  10 cm 则：M=2.5x §4—3 目镜 一、目镜的作用 目镜也是放大视角用的仪器。通常放大镜用来直接放大实物，而目镜则用来放大其它 光具组所成的象。复杂的助视光学仪器总是包括物镜和目镜两部分。目镜通常由不相接触的 两个薄透镜组成，面向物体的透镜称为场镜，接触眼睛者称为视镜。常配备一块分划板，板 上包含一组叉丝或透明刻度尺，以提高测量的精度。 二、两种目镜 （一）惠更斯目镜

图4-4 f=36 d=252 (二)冉斯登目镜 f= 图4-5 §4一4显微镜的放大本领 目镜的放大本领一般不超过20x,在某些应用上仍嫌太小，欲进一步提高放大本领，就 要用组合的光具组构成放大镜，这种放大镜称为显微镜。最简单的显微镜是由两组透镜构在 的，一组为焦距很短的物镜，另一组是目镜，通常用惠更斯目镜。 一、显微镜的光路图 为简单起见，显微镜的目镜和物镜各以单独的一块会聚薄透镜来表示。P“Q”在明视距 离处

图 4-4 2 1 2 2 3 d f f f   （二）冉斯登目镜 1 1 2 3 2 d f f f   图 4-5 §4—4 显微镜的放大本领 目镜的放大本领一般不超过 20x，在某些应用上仍嫌太小，欲进一步提高放大本领，就 要用组合的光具组构成放大镜，这种放大镜称为显微镜。最简单的显微镜是由两组透镜构在 的，一组为焦距很短的物镜，另一组是目镜，通常用惠更斯目镜。 一、显微镜的光路图 为简单起见，显微镜的目镜和物镜各以单独的一块会聚薄透镜来表示。PQ 在明视距 离处

图4-6 二、显微镜的放大本领 先计算物镜的横向放大率 欲使物镜所成的象尽量的大，物镜的焦距必须很短。其次考虑目镜的放本领。目镜 当作放大镜，将P'Q放大，P“Q”在明视距离处，根据前一节讲的内容 M=_25 u f ;也必须很短。要使最后的象尽量地大，P'Q'的位置应尽量地靠近目镜物方焦平面 乃。这样直线Q0,可看作与Q0近似地互相平行。 则：视角≈

图 4-6 二、显微镜的放大本领 先计算物镜的横向放大率 1 s  f 则： 1 1 1 ` ( ) f s f s f s s s y y                1f s y y      欲使物镜所成的象尽量的大，物镜的焦距 1f 必须很短。其次考虑目镜的放本领。目镜 当作放大镜，将 PQ 放大， PQ 在明视距离处，根据前一节讲的内容 2 25 u f u M     2 f 也必须很短。要使最后的象尽量地大， PQ 的位置应尽量地靠近目镜物方焦平面 F2。这样直线Q O2  可看作与QO 近似地互相平行。 则：视角 u  u 2 f y u       2 2 1 2 f f ys f y f y u            