第四章 光学仪器的基本原理 主要内容 本章围绕衡量光学仪器的三个本领进行教学,其中着 重介绍望远镜、显微镜的放大本领和分辨本领,扼要介绍 聚光本领。简单介绍光度学、像差的基本概念
第四章 光学仪器的基本原理 主要内容 本章围绕衡量光学仪器的三个本领进行教学，其中着 重介绍望远镜、显微镜的放大本领和分辨本领，扼要介绍 聚光本领。简单介绍光度学、像差的基本概念
教学目的: 牢固掌握助视仪器的放大本领、分辨本领的概念及望 远光路的特点;掌握放大本领、分辨本领、有效光阑、 入瞳、出瞳的计算;理解物镜聚光本领、数值孔径、 相对孔径的意义;了解人眼的结构和光学仪器的象差。 内容分析: 第一单元(§1~55):助视仪器的放大本领 第二单元(§6~§9):光度学的基本概念;聚光本领 第三单元(§10~§12):象差概述 第四单元(§13~§14):助视仪器的分辨本领 重、难点 全章以放大本领、分辨本领为重点,强调仪器参数的 相互影响关系
教学目的： 牢固掌握助视仪器的放大本领、分辨本领的概念及望 远光路的特点；掌握放大本领、分辨本领、有效光阑、 入瞳、出瞳的计算；理解物镜聚光本领、数值孔径、 相对孔径的意义；了解人眼的结构和光学仪器的象差。 内容分析： 第一单元（§1～§5）：助视仪器的放大本领 第二单元（§6～§9）：光度学的基本概念；聚光本领 第三单元（§10～§12）：象差概述 第四单元（§13～§14）：助视仪器的分辨本领 重、难点： 全章以放大本领、分辨本领为重点，强调仪器参数的 相互影响关系
△54.0概述 光学仪器及分类 定义:多种光学元件按一定的要求组成的系统 2、分类: 按性能:显微镜、望远镜、照像机和分光镜 按成像性质: 成实像的光学仪器。如照像机、幻灯机、电影放映机、投影仪等 成虚像的光学仪器一助视仪器。如放大镜、显微镜、望远镜。 二、理论基础 主要:几何光学基本原理。 其它:衍射理论、加工工艺学、材料科学等。 三、实际光学仪器 1、理想成像的要求:·近轴:近轴物点、近轴光线 单色:物体所发光线是单色的
§4.0 概 述 一、光学仪器及分类 1、定义：多种光学元件按一定的要求组成的系统。 2、分类： • 按性能：显微镜、望远镜、照像机和分光镜 • 按成像性质： • 成实像的光学仪器。如照像机、幻灯机、电影放映机、投影仪等。 • 成虚像的光学仪器 — 助视仪器。如放大镜、显微镜、望远镜。 二、理论基础 • 主要：几何光学基本原理。 • 其它：衍射理论、加工工艺学、材料科学等。 三、实际光学仪器 1、理想成像的要求： • 近轴：近轴物点、近轴光线 • 单色：物体所发光线是单色的
实际光学仪器情况:非近轴和复色光。会造成如下矛盾 2、两大矛盾 ①像的清晰度与像场能量聚集程度的矛盾 ·几何光学观点:必须满足单色、近轴条件 复色→色差非近轴→象差 能量观点:不宜限于近轴区域 要得明亮像,必须使进入光学仪器的光束尽量宽 ②成像清晰度与细节分辨程度的矛盾 几何光学观点:减小象差→满足近轴条件 波动光学观点:光线越近轴→光束受限越紧→衍射越明显 像的清晰度越低 像的清晰度与像面亮度、分辨本领不能同时兼得,而矛盾不可避免 因而,实际光学仪器要根据用途,权衡轻重,有针对性地进行设计制造
实际光学仪器情况：非近轴和复色光。会造成如下矛盾： 2、两大矛盾 ① 像的清晰度与像场能量聚集程度的矛盾 • 几何光学观点：必须满足单色、近轴条件 ∵ 复色→色差 非近轴→象差 • 能量观点：不宜限于近轴区域。 要得明亮像，必须使进入光学仪器的光束尽量宽。 ② 成像清晰度与细节分辨程度的矛盾 • 波动光学观点：光线越近轴→光束受限越紧→衍射越明显→ 像的清晰度越低 • 几何光学观点：减小象差→满足近轴条件 ∴像的清晰度与像面亮度、分辨本领不能同时兼得，而矛盾不可避免。 因而，实际光学仪器要根据用途，权衡轻重，有针对性地进行设计制造
54.1人眼 1.巩膜:白色坚韧, 构造 3脉络膜: 厚0.4~0.8mm 黑色不透光 7睫状肌 2角膜:透明, 10.视网膜: R: 8mm 视神经网 12黄斑点 直径:2mm 9后房 8.前房液一 液—玻璃 水状体淡盐 13中央窝:最 体:含大量 溶液,折射率 敏感直径 水份胶状 1.337 0.25mm 物,折射率 1.336 5瞳孔:直径: 11盲点不 1.4~8mm 引起视觉 4.虹膜:带色的彩带 14视神经 6水晶体一眼珠,折射率为1.42的胶 状物,前后曲面半径:10mm,6mm
§4.1 人 眼 一、构造 1.巩膜：白色坚韧, 厚0.4~0.8mm 2.角膜：透明， R:8mm ● 14.视神经 3.脉络膜： 黑色不透光 8.前房液— 水状体:淡盐 溶液,折射率 1.337 9.后房 液—玻璃 体:含大量 水份胶状 物,折射率 1.336 4.虹膜：带色的彩带 5.瞳孔：直径： 1.4~8mm 6.水晶体—眼珠,折射率为1.42的胶 状物,前后曲面半径:10mm,6mm 7.睫状肌 10.视网膜: 视神经网 11.盲点:不 引起视觉 12.黄斑点 直径:2mm 13.中央窝:最 敏感直径 0.25mm
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有精密的光学仪器。其结构相当复杂。在许多 情况下将其简化成如下的模型: R=5.7mm Φ=5848D 4 n R=9.8mm f=-1xlmm\f=228mm i 光心 高尔斯特兰简化眼
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有精密的光学仪器。其结构相当复杂。在许多 情况下将其简化成如下的模型： 3 ' 4 n = f 22.8mm ' f = −17.1mm = R 9.8mm ' = R = 5.7mm = 58.48D 高尔斯特兰简化眼 F O F ‘ 光心
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 ①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 ②人眼疲劳程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
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： ① 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。 ② 人眼疲劳程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
③近点、远点和调节范围随年龄的增长而变化 近点变远:幼年—7~8cm;中年—25cm;老年一1~2m 远点变近:幼年一无限远;老年一数米 随年龄的增长,肌肉老化,自调节范围变窄 ④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 ①近视眼:远点在有限远处的人眼 特点: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
③ 近点、远点和调节范围随年龄的增长而变化； 近点变远：幼年—7~8cm；中年—25cm；老年—1~2m。 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。 ④ 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。 ① 近视眼：远点在有限远处的人眼。 特点：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 点 远物 远点 矫正后 [例4-1]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。 解:已知s=-∞s=-0.2m∴由空气中的高斯公式111 有:①=f8 5(D)=-500(屈光度) 0.2
P O F ‘ O F ‘ 远点 矫正前 P ‘ O F ‘ 远点 远物 矫正后 [例4-1] 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。 5 ( ) 500 ( ) 0.2 1 1 1 1 1 : 1 1 1 [ ]: 0.2 ' ' ' ' ' ' 有 屈光度 解 已知 由空气中的高斯公式 = − = − − = = − = = = − = − − = D f s s s s s f s s m
②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 近点 F 矫正前 明视距离 近点明视距离 矫正后
② 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。 O F ‘ 明视距离 O F ‘ 近点 矫正前 明视距离 O F ‘ 近点 矫正后