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1、第四章光学仪器1本讲稿第一页，共三十八页光学仪器需要解决的矛盾：影响象的清晰度的因素影响象的清晰度的因素色差（色散）色差（色散）象差（非近轴区域光束）象差（非近轴区域光束）衍射（光束受近轴区域约束）衍射（光束受近轴区域约束）影响象场能量聚集程度影响象场能量聚集程度物体限于近轴范围物体限于近轴范围光束限于近轴区域光束限于近轴区域本讲稿第二页，共三十八页(1)助视仪器助视仪器(配合眼睛配合眼睛)(2)摄影投影仪器摄影投影仪器(如照相机、投影仪等如照相机、投影仪等)光学仪器光学仪器(3)光谱仪，干涉仪，光谱仪，干涉仪，(成像仪器成像仪器)显微镜为人类打开了显微镜为人类打开了“近在眼前近在眼前”的微小
2、世的微小世界的大门，望远镜则帮助人类揭示了界的大门，望远镜则帮助人类揭示了“远在天远在天边边”的星球世界的奥秘。的星球世界的奥秘。大致分类：大致分类：Optical instruments本讲稿第三页，共三十八页观测对象尺度与相应的观测仪器观测对象尺度与相应的观测仪器微纳米光学微纳米光学本讲稿第四页，共三十八页4.1 人的眼睛人的眼睛Eyes f:22.8-18.9 mm f:17.1-14.2 mmStructure of the human eye简化眼模型简化眼模型 本讲稿第五页，共三十八页Some of its important features：(a)调调节节晶晶状状体体曲曲率率(
3、由由睫睫状状肌肌控控制制）使使被被看看物物在在视视网网膜膜上上清清楚楚成成像像，这称为这称为调焦调焦。可调焦的物距有一范围，眼睛肌肉完全放松和最紧张可调焦的物距有一范围，眼睛肌肉完全放松和最紧张时所能看清物体的位置分别称为时所能看清物体的位置分别称为远点远点和和近点近点。正常眼的远。正常眼的远点为无穷远，近点则与年龄有关，约为点为无穷远，近点则与年龄有关，约为15 cm。一般人在阅读或操作时，习惯将被观察物体放在一般人在阅读或操作时，习惯将被观察物体放在25 cm处，处，这样既能看得较为清楚又不容易疲劳，因此通常规定这样既能看得较为清楚又不容易疲劳，因此通常规定25 cm 为为明视距离，明视距
4、离，用用 s0表示表示。本讲稿第六页，共三十八页简化眼简化眼 眼睛的结构较复杂，可以简化为：高尔斯特兰简化眼F OF光心本讲稿第七页，共三十八页远视远视近视近视近视眼近视眼(nearsighted eye 或或 myopic eye）-远点在有限距离远点在有限距离远视眼远视眼(farsighted eye或或hyperopic eye)-近点大于明视距离近点大于明视距离定义视度定义视度=1/远点距离远点距离 L（米）（米）单位：屈光度。单位：屈光度。近视度近视度=视度视度100 本讲稿第八页，共三十八页远视近视眼镜校正眼镜校正本讲稿第九页，共三十八页散光：散光：Astigmatism由于眼睛的
5、角膜曲面不对称，使得由于眼睛的角膜曲面不对称，使得折射球面变为非球面折射球面变为非球面，且沿不同主截面上的焦距大小不同，从而导致不同方且沿不同主截面上的焦距大小不同，从而导致不同方向的成像清晰度不同。向的成像清晰度不同。Anamorphic lensesA test for astigmatism of the eye.View this figure through one unaided eye.本讲稿第十页，共三十八页视角视角物体的物体的“视大小视大小”取决于视网膜上像的大小，取决于视网膜上像的大小，它又取决于它又取决于被看物对眼睛节点被看物对眼睛节点 N 所张的角所张的角 视角视角 U
6、 。(c)角分辨极限角分辨极限白天，白天，最小分辨角最小分辨角约为约为 1 (d)瞳孔直径瞳孔直径：2 mm 8 mm，随环境明亮程度而变。，随环境明亮程度而变。The angular size of an object U本讲稿第十一页，共三十八页放大本领的概念：QP-lOUQP-lOUHHQPKKFF4.2 助视仪器的放大本领助视仪器的放大本领本讲稿第十二页，共三十八页QP-lOUQPO光学仪器的放大本领本讲稿第十三页，共三十八页1.必须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。注意：2.注意放大本领 与角放大率 的区别。本讲稿第十四页，共三十八
7、页放大镜的放大本领：QPyP QyFLO-f-sUOy QPU本讲稿第十五页，共三十八页4.4 显微镜的放大本领显微镜的放大本领本讲稿第十九页，共三十八页光学筒长光学筒长经物镜，经物镜，显微镜光路显微镜光路:经目镜后，有视角经目镜后，有视角:S为经物镜后的像距为经物镜后的像距本讲稿第二十页，共三十八页代入代入y1可得到经目镜后的视角可得到经目镜后的视角:裸眼看原物，应有视角裸眼看原物，应有视角:总的放大本领总的放大本领:为保证成尽量大的像，物镜和目镜焦距均很小本讲稿第二十一页，共三十八页讨论：即为物镜的横向放大率，“”号表示物镜成倒立像 为目镜的放大本领，以cm为单位显微镜的放大本领本讲稿第二
8、十二页，共三十八页Practical microscope objective本讲稿第二十三页，共三十八页一、将远物从物空间移至望远镜的像空间，从而增大对人眼的视角二、结构：物镜系统+目镜系统三、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。4.5 望远镜的放大本领本讲稿第二十四页，共三十八页一、开普勒望远镜（折射望远镜）本讲稿第二十五页，共三十八页开普勒望远镜的开普勒望远镜的物镜、目镜均为会聚系统，可以等物镜、目镜均为会聚系统，可以等效为两个正透镜效为两个正透镜.=0=0，
9、为无焦系统。为无焦系统。当观察有限远的物体时，如作大地测量的望远镜，当观察有限远的物体时，如作大地测量的望远镜，光学间隔不为零光学间隔不为零 ，F F1 1 F F2 2 0 0，是会聚系统。是会聚系统。长焦距物镜和短焦距目镜可加分划板测量本讲稿第二十六页，共三十八页Galileos refracting telescope,used for viewing distant objects本讲稿第二十七页，共三十八页伽利略伽利略望远镜望远镜光路图：光路图：长焦距物镜和短焦距目镜，成正立象本讲稿第二十八页，共三十八页 用望远镜观看有限远的物体时，要略微移动目镜以用望远镜观看有限远的物体时，要略微
10、移动目镜以调调节节目镜到物镜的距离目镜到物镜的距离。这时，望远镜不再是严格的望远这时，望远镜不再是严格的望远系统。系统。伽利略型的缺点：伽利略型的缺点：视场小视场小(倾角稍大的光线在出射后不倾角稍大的光线在出射后不能进入眼睛能进入眼睛);无中间实像无中间实像(不好装叉丝或刻度尺不好装叉丝或刻度尺)(作作为扩束器这恰好是优点为扩束器这恰好是优点)。倒装望远镜可作为很好的激光倒装望远镜可作为很好的激光扩束器扩束器。本讲稿第二十九页，共三十八页 大型天文望远镜，大型天文望远镜，反射式反射式的的Reflecting telescopesA mirror replaces the objective f
11、or the purpose of creating an intermediate imageResolutionLight-gathering powerNo chromatic aberrationAdvantages:主镜：抛物面镜主镜：抛物面镜Primary mirrorSecondary mirror本讲稿第三十页，共三十八页卡塞格林型的卡塞格林型的(Cassegrain)格雷哥利型的格雷哥利型的(Gregoeian)牛顿型的牛顿型的(Newtonian)抛物面抛物面抛物面抛物面椭球面椭球面抛物面抛物面双曲面双曲面本讲稿第三十一页，共三十八页本讲稿第三十二页，共三十八页本讲稿第三十
12、三页，共三十八页 折反系统：施密特系统折反系统：施密特系统 Schmidt optical system大孔径，广视场。大孔径，广视场。1931年由德国光学家年由德国光学家施密特发明，施密特发明，球面主镜球面主镜 加加 校正板，以校正板，以消除球差。消除球差。本讲稿第三十四页，共三十八页 20世纪中期以后，很多著名天文台都安装有大世纪中期以后，很多著名天文台都安装有大口径的的反射望远镜。口径的的反射望远镜。1976年原苏联制造了口径年原苏联制造了口径6米的望远镜，米的望远镜，安装在高加索山天体物理天文台。安装在高加索山天体物理天文台。我国最大的望远镜，是我国最大的望远镜，是1989年安装在北京
13、天年安装在北京天文台兴隆观测站的文台兴隆观测站的2.16米反射望远镜，这是我国米反射望远镜，这是我国自己研制生产的。自己研制生产的。1948年由美国制造的口径年由美国制造的口径5.08米的反射望远镜，米的反射望远镜，安装在帕洛玛天文台（位于智利），曾居世界领安装在帕洛玛天文台（位于智利），曾居世界领先地位。先地位。本讲稿第三十五页，共三十八页哈勃空间望远镜（哈勃空间望远镜（Hubble Space Telescope）1990年年4月月24日哈勃空间望远镜升上了太空，天日哈勃空间望远镜升上了太空，天文学家多年的梦想成为现实。文学家多年的梦想成为现实。哈哈勃勃空空间间望望远远镜镜是是由由美美国国
14、国国家家航航空空与与航航天天局局（NASA）和欧洲空间局（和欧洲空间局（ESRO）联合研制的，）联合研制的，其其主主体体为为长长13米米、直直径径4.3米米的的圆圆筒筒，望望远远镜镜主主镜镜口口径径2.4米米，总总重重量量为为12.5吨吨，研研制制历历时时13年年，耗耗资资21亿亿美美元元，由由发发现现号号航航天天飞飞机机带带到到了了高高度度为为600公公里里的的空空间间轨轨道道，实实现现了天文学家了天文学家从大气层以外空间观测天体从大气层以外空间观测天体的愿望。的愿望。本讲稿第三十六页，共三十八页美国空军武器实验室正在研制的美国空军武器实验室正在研制的超轻型折叠式合成孔径望远镜超轻型折叠式合成孔径望远镜本讲稿第三十七页，共三十八页No discussion of telescopes would be complete without a few pretty pictures.NGC 6543-Cats Eye Nebula-one of the most complex planetary nebulae ever seenGalaxy Messier 81Uranus is surrounded by its four major rings and by 10 of its 17 known satellites 星云星云天王星天王星本讲稿第三十八页，共三十八页