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1、光学仪器的基本原理教学课件 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望只有只有物点物点和和光线光线都都限制在近轴区域限制在近轴区域的条件下，才能实的条件下，才能实现理想成像现理想成像实际情况：实际情况：1、色差：、色差：在白光或复色光照明时，在白光或复色光照明时，介介质质的色散的色散 即使在近轴区域内，即使在近轴区域内，3、能量角度：、能量角度：进入光学系统的光束不宜过窄，离轴进入光学系统的光束不宜过窄，离轴2、像差：、像差：成像过程偏离近轴条件成像过程偏离近
2、轴条件 像的清晰度像的清晰度4、像差越小，衍射效应越明显，破坏像的分辨本领、像差越小，衍射效应越明显，破坏像的分辨本领均衡光学仪器的成像范围、明亮程度、成像质量和均衡光学仪器的成像范围、明亮程度、成像质量和分辨能力分辨能力(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”的微小的微小世界的大门，望远镜则帮助人类揭示了世界的大门，望远镜则帮助人类揭示了“远在远在天边天边”的星球世界的奥秘。的星球世界的奥秘。
3、大致分类：大致分类：Optical instruments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 Some of its important features：(a)调调节节晶晶状状体体曲曲率率(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像，这称为成像，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
4、清物体的位置分别称为张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。正常眼的远点为无穷远，近点则与年龄有关，约为眼的远点为无穷远，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，这样既能看得较为清楚又不容易疲劳，因此通处，这样既能看得较为清楚又不容易疲劳，因此通常规定常规定25 cm 为为明视距离，明视距离，用用 s0表示表示。眼睛可分为眼睛可分为正常眼正常眼与与非正常眼非正常眼，非正常眼主要有，非正常眼主要有近近视眼视眼和和远视眼远视眼。Nearsightedness(myopic)Correcti
5、onNegative lens远点远点远点远点远视眼远视眼 Farsightedness(hyperopic)近点近点Correction of the farsighted eyePositive lenses近点近点近点近点散光：散光：Astigmatism由于眼睛的角膜曲面不对称，使得由于眼睛的角膜曲面不对称，使得折射球面变为非折射球面变为非球面球面，且沿不同主截面上的焦距大小不同，从而导，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。致不同方向的成像清晰度不同。Anamorphic lensesA test for astigmatism of the eye.Vi
6、ew this figure through one unaided eye.(b)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，它又它又取决于被看物对眼睛节点取决于被看物对眼睛节点 N 所张的角所张的角 视角视角 U 。(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 U4.2 助视仪器的放大本领助视仪器的放大本领一个短焦距凸透镜一个短焦距凸透镜,The simple magnifier i
7、s a converging lens with an object placed near the focal points.The image is virtual and far away.放大镜放大镜 The magnifying glass视视 角角 放放 大大 率率 The magnifying power,or equivalently,the angular magnification用眼睛直接观察物体用眼睛直接观察物体眼睛通过放大镜观察物体眼睛通过放大镜观察物体裸眼视角裸眼视角:新的视角新的视角:视角放大率视角放大率(放大倍数放大倍数)25以以 cm 为单位为单位单透镜单透镜
8、 3倍倍组合组合透镜透镜 20倍倍物镜物镜(objective)，目镜目镜(eyepiece)The objective forms a real image of a nearby object.The eyepiece,functioning like a magnifying glass,enlarges this intermediate image.The final virtual image.4.4 显微镜的放大本领显微镜的放大本领 A compound microscope 小物经物镜成一个放小物经物镜成一个放大的实像，它作为目镜大的实像，它作为目镜的的“物物”，再经目镜，再经
9、目镜成放大的虚像。成放大的虚像。(目镜目镜起放大镜的作用，眼睛起放大镜的作用，眼睛通过它去看经物镜所成通过它去看经物镜所成的实像。所以，中间实的实像。所以，中间实像成在目镜的焦平面上。像成在目镜的焦平面上。)显微镜的镜筒长度显微镜的镜筒长度 d =16cm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:可替换的物镜、目镜可替换的物镜、目镜分别标有分别标有 O、ME 值值代入代入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:总的视角放大倍率总的视角放大倍率:Practical microscope objectiv
10、e4.5 望远镜的放大本领望远镜的放大本领 光焦度光焦度 =0，望远系统望远系统(无焦系统无焦系统)用来观察远处大物体用来观察远处大物体的助视仪器的助视仪器入射平行光变为出射平行光入射平行光变为出射平行光The telescope Refracting telescope 折射式望远镜折射式望远镜1.开普勒望远镜开普勒望远镜:Keplerian astronomical telescope直接观察时的视角直接观察时的视角:通过望远镜观察时的视角通过望远镜观察时的视角:物镜物镜目镜目镜眼睛眼睛 总的视角放大率总的视角放大率 对于无焦系统，对于无焦系统，视角放大率视角放大率 M=光线角放大率光线角
11、放大率 “无无焦焦”是是这这种种系系统统的的性性质质，并并不不要要求求物物在在无无限限远远 只讲绝对值，只讲绝对值，M 1，1，必有必有 1(空气中空气中)。这就是说，有限远的物经望远系统成缩小的像。这就是说，有限远的物经望远系统成缩小的像。约束约束:Galilean astronomical telescope2.伽利略望远镜伽利略望远镜:总的视角放大率总的视角放大率:眼睛眼睛物镜物镜目镜目镜Galileos refracting telescope,used for viewing distant objects 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
12、微移动目镜以调节调节目镜到物镜的距离目镜到物镜的距离。这时，望远镜不再是严格这时，望远镜不再是严格的望远系统。的望远系统。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倾角稍大的光线在出射后不能进入眼睛后不能进入眼睛);无中间实像无中间实像(不好装叉丝或刻度不好装叉丝或刻度尺尺)(作为扩束器这恰好是优点作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。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 for the purpose
13、 of creating an intermediate imageResolutionLight-gathering powerNo chromatic aberrationAdvantages:主镜：抛物面镜主镜：抛物面镜Primary mirrorSecondary mirror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 折反系统：施密特折反系统：施密特系统系统 Schmidt optical system大孔径，广视场。大孔径，广视场。1
14、931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 校正校正板，以消除球差。板，以消除球差。20世纪中期以后，很多著名天文台都安装世纪中期以后，很多著名天文台都安装有大口径的的反射望远镜。有大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年安装在北年安装在北京天文台兴隆观测站的京天文台兴隆观测站的2.16米反射望远镜，米反射望远镜，这是我国自己研制生产的。这是我国自己研制生产的。1948年由美国制造的口径年由美国制
15、造的口径5.08米的反射米的反射望远镜，安装在帕洛玛天文台（位于智利），望远镜，安装在帕洛玛天文台（位于智利），曾居世界领先地位。曾居世界领先地位。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
16、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，实实现现了了天天文文学学家家从从大大气气层层以以外外空空间间观观测测天体天体的愿望。的愿望。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