第三章 光学仪器

第三章光学仪器第1页，课件共19页，创作于2023年2月§1眼睛

眼睛的主要部分是晶状体，它的曲率通过睫状肌来调节。正常视力的眼睛，当睫状肌完全松弛的时候，无穷远处的物体成像在视网膜上。为了观察较近的物体，睫状肌压缩晶状体，使它的曲率增大，焦距缩短，因而眼睛有调焦的能力。眼睛睫状肌完全松弛和最紧张时所能清晰看到的点，分别称为调焦范围的远点和近点。一般人眼对相距25cm处的物体看得是最舒适的，这个距离称为明视距离。第2页，课件共19页，创作于2023年2月人眼的结构非常复杂，为了讨论问题的简便，常把人眼简化为一个单球面折射系统，如图所示。简化眼n=1.33n=1.0R=5.56R=9.7mm第3页，课件共19页，创作于2023年2月n=1.33n=1.0R=5.56R=9.7mm折射面的曲率半径像方介质的折射率网膜的曲率半径物方焦距像方焦距光焦度5.56mm1.3339.7mm-16.70mm22.26mm59.88D简化眼眼睛简化成一个折射球面的模型，即简化眼第4页，课件共19页，创作于2023年2月(a)近视眼的矫正(b)远视眼的矫正对于近视眼，当睫状肌完全松弛时，无穷远处的物体成像在视网膜之前，它的远点在有限远的位置。矫正的方法是戴凹透镜的眼镜，凹透镜的作用是将无穷远处的物体先成一虚像在近视眼的远点处，然后由晶状体成像在视网膜上，如图(a)所示。对于远视眼，无穷远处的物体成像在视网膜之后，它的近点一般离眼较近。矫正的方法是戴凸透镜的眼镜，凸透镜的作用是近点以内一定范围的物体先成一虚像在近点处，然后由晶状体成像在视网膜上，如图(b)所示。

第5页，课件共19页，创作于2023年2月§2照相机照相机的光学原理就是利用会聚透镜形成实像。如图所示，将拍摄物体成像在照相胶片上，照相机主要有以下几部分：

照相机原理图感光材料快门镜头光圈(1)照相物镜，俗称镜头，它使物体产生清晰的像。(2)光圈，它是在镜头中的可变孔径光阑，控制成像的光照度和改变空间成像的景深。(3)快门，用它的打开时间的长短来控制照射在感光材料上的光通量，以形成清晰的像。第6页，课件共19页，创作于2023年2月为了尽可能拍摄较广阔的外界景物，镜头必须有较广阔的视场，通常照相机的视场角为50

~60

，某些特殊的广角镜头可达120

。镜头的结构种类很多，可是就整体而言，仍然是一个会聚透镜系统，焦距是镜头的一个重要参数，在相同物距的条件下，物镜的焦距愈大所成的像也愈大，所以，物镜的焦距决定了拍摄时物像的整个比例。

感光材料快门镜头光圈第7页，课件共19页，创作于2023年2月物镜的孔径D与焦距f的比值称为相对孔径，它决定成像面的照度和景深。由于大部分镜头的孔径总比焦距小，所以通常采用1:f/D来表示，如1:1.4,1:2.0,1:2.8等。对于一定亮度的物体，物镜所成像的光照度与相对孔径D/f的平方成正比。所以相对孔径为1:2.0的物镜，其像面上的光照度比相对孔径为1:2.8的物镜的光照度高一倍。

感光材料快门镜头光圈第8页，课件共19页，创作于2023年2月虽然理论上只有与胶片共轭的平面上的景物才能清晰成像于胶片上，但人眼或接收器对像的清晰度的分辨本领有限，就存在一定的物距范围内的物点所成的像都认为是清晰的，这一定的物距范围称为景深。景深与光圈、焦距和物距有关。如光圈直径越小，景深越大；焦距越短，景深越大；被摄景物越远，景深越大。

快门是控制光线进入物镜时间长短的一种装置，一般安装在镜头组中间。快门打开后，光线才能照射到胶片上，称为曝光。照相时，曝光时间与光圈大小恰当地配合使用。感光材料快门镜头光圈第9页，课件共19页，创作于2023年2月数码相机与传统照相机的主要差别是像的接收方式不同。数码相机是将镜头聚焦的影像投射在光电转换器芯片CCD（电荷耦合半导体器件）上，CCD将景物的光信号转化成电信号；然后将数据传输到模拟电子信号处理器上，转换成电脑能识别的数码信号，通过数码压缩处理后储存在闪烁式电子芯片上，最后经过各种运算转换为图像的数码文件，供后期处理使用。

感光材料快门镜头光圈第10页，课件共19页，创作于2023年2月§3显微镜

我们能不能看清一个物体，视角的大小十分重要。如图所示，物体两端AB对眼睛（光心）的所成的张角称为视角，视角放大率就是目视光学仪器的一个重要指标。

视角的变化U1U2AABBA

A

B

B

为了看清物体细节，可以把物体移近眼睛，以增大视角，但这移近有一个限度，若要进一步看清，需借助光学仪器。

第11页，课件共19页，创作于2023年2月放大镜、显微镜和望远镜等都可以放大视角。但是，简单的放大镜的放大率太小，最多10~20倍，甚至不能满足观察一般生物切片的要求。为了提高放大率，必须采用组合放大镜

显微镜。

显微镜外形图物镜目镜显微镜的构造比较复杂，可分成两组，一组为物镜，另一组为目镜。在放大镜（目镜）前面加一个焦距极短的会聚透镜，称为物镜。第12页，课件共19页，创作于2023年2月显微镜的光路图Q

P

QP

Q

P

F1F2-U

待观察物体PQ置于物镜物方焦点外侧附近，使之在目镜物方焦平面内侧很近处成实像P

Q

；

再经目镜成虚像P

Q

于明视距离处。可以看出，显微镜通过放大观察对象增大对人眼的视角。

第13页，课件共19页，创作于2023年2月当高为h1的物在明视距离处，对眼睛所张的视角显微镜所成的虚像P

Q

所张的视角

显微镜的视角放大率M为

为物镜的横向放大率为目镜的视角放大率

Q

P

QP

Q

P

F1F2-U

y2y1U第14页，课件共19页，创作于2023年2月所以，显微镜的视角放大率等于物镜的横向放大率和目镜的视角放大率的乘积。通常在显微镜物镜和目镜上分别刻有10

，20

等字样，以便我们计算显微镜的视角放大率。常用显微镜放大率可达到1500倍以上。显微镜的放大率受到光的衍射的限制，光在显微镜物镜圆孔限制下出现衍射，使物点成一像斑，影响了显微镜的物体细节的分辨率。可以通过增大物镜孔径和缩短波长来减小衍射影响，提高分辨率。如电子显微镜就是通过减小波长提高分辨率，电子显微镜的分辨率可达到0.2nm，因此，电子显微镜主要用于观察固体表面的形貌。

第15页，课件共19页，创作于2023年2月§4望远镜

为了增大远处的物体在人眼视网膜上形成的像，用望远镜使远距离的物体成像在近距离处，增大对人眼的视角。望远镜一般可以分成伽利略望远镜和开普勒望远镜两种。 望远镜也是由物镜和目镜组成，以开普勒望远镜为例说明望远镜的原理。-U

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物镜目镜第16页，课件共19页，创作于2023年2月-U

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物镜目镜(1)从远处物体射来的光线可看作平行光线，它们通过长焦距物镜后，在物镜的像方焦平面上形成倒立的实像(缩小)。(2)目镜在望远镜和显微镜中都起到放大镜的作用，如果调节目镜，使物镜所成的像恰好在目镜第一焦平面的内侧，则经过目镜后，在明视距离处形成一个放大的虚像。第17页，课件共19页，创作于2023年2月望远镜的两组透镜的焦点几乎是重合的（对无穷远时两者严格重合），从图中可以看出:-U

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物镜目镜最后虚像对目镜所张的视角为

物体对眼睛所张的视角为

虽然物镜所成的像比原来物体小，但它与人眼距离很近，加上目镜所成的像有放大作用，视角就可以变得很大。