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1、第三章 光学仪器现在学习的是第1页，共19页1 1 眼睛眼睛 眼睛的主要部分是晶状体，眼睛的主要部分是晶状体，它的曲率通它的曲率通过过睫状肌来睫状肌来调调节节。正常正常视视力的眼睛，当睫状力的眼睛，当睫状肌完全松弛的肌完全松弛的时时候，无候，无穷穷远处远处的物体成像在的物体成像在视视网膜网膜上。上。为为了了观观察察较较近的物体，近的物体，睫状肌睫状肌压缩压缩晶状体，使它晶状体，使它的曲率增大，焦距的曲率增大，焦距缩缩短，短，因而眼睛有因而眼睛有调调焦的能力。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范围的
2、远点远点和和近点近点。一般人眼对相距。一般人眼对相距25cm处的物体看得是最处的物体看得是最舒适的，这个距离称为明视距离。舒适的，这个距离称为明视距离。现在学习的是第2页，共19页人眼的结构非常复杂，为了讨论问题的简便，常把人眼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。简化为一个单球面折射系统，如图所示。简化眼简化眼n=1.33n=1.0R=5.56R=9.7mm现在学习的是第3页，共19页n=1.33n=1.0R=5.56R=9.7mm折射面的曲率半径折射面的曲率半径像方介质的折射率像方介质的折射率网膜的曲率半径网膜的曲率半径物方焦距物方焦距像方焦距
3、像方焦距光焦度光焦度5.56mm1.3339.7 mm-16.70mm22.26 mm59.88D简化眼简化眼眼睛简化成一个折射球面的模型，即简化眼眼睛简化成一个折射球面的模型，即简化眼现在学习的是第4页，共19页(a)近视眼的矫正近视眼的矫正(b)远视眼的矫正远视眼的矫正对于近视眼，当睫状肌完全对于近视眼，当睫状肌完全松弛时，无穷远处的物体成松弛时，无穷远处的物体成像在视网膜之前，它的远点像在视网膜之前，它的远点在有限远的位置。矫正的方在有限远的位置。矫正的方法是戴凹透镜的眼镜，凹透法是戴凹透镜的眼镜，凹透镜的作用是将无穷远处的物镜的作用是将无穷远处的物体先成一虚像在近视眼的远体先成一虚像在
4、近视眼的远点处，然后由晶状体成像在点处，然后由晶状体成像在视网膜上，如图视网膜上，如图(a)所示。所示。对对于于远远视视眼眼，无无穷穷远远处处的的物物体体成成像像在在视视网网膜膜之之后后，它它的的近近点点一一般般离离眼眼较较近近。矫矫正正的的方方法法是是戴戴凸凸透透镜镜的的眼眼镜镜，凸凸透透镜镜的的作作用用是是近近点点以以内内一一定定范范围围的的物物体体先先成成一一虚虚像像在在近近点点处处，然然后后由由晶晶状状体体成成像像在在视视网膜上，如网膜上，如图图(b)所示。所示。现在学习的是第5页，共19页2 照相机照相机 照照相相机机的的光光学学原原理理就就是是利利用用会会聚聚透透镜镜形形成成实实像
5、像。如如图图所所示示，将拍将拍摄摄物体成像在照相胶片上，照相机主要有以下几部分：物体成像在照相胶片上，照相机主要有以下几部分：照相机原理图照相机原理图感光感光材料材料快门快门镜头镜头光圈光圈(1)照照相相物物镜镜，俗俗称称镜镜头头，它它使使物体物体产产生清晰的像。生清晰的像。(2)光光圈圈，它它是是在在镜镜头头中中的的可可变变孔孔径径光光阑阑，控控制制成成像像的的光光照照度度和改和改变变空空间间成像的景深。成像的景深。(3)快快门门，用用它它的的打打开开时时间间的的长长短短来来控控制制照照射射在在感感光光材材料料上上的的光光通通量，以形成清晰的像。量，以形成清晰的像。现在学习的是第6页，共19
6、页 为为了了尽尽可可能能拍拍摄摄较较广广阔阔的的外外界界景景物物，镜镜头头必必须须有有较较广广阔阔的的视视场场，通通常常照照相相机机的的视视场场角角为为50 60，某某些些特特殊殊的的广角广角镜头镜头可达可达120。镜镜头头的的结结构构种种类类很很多多，可可是是就就整整体体而而言言，仍仍然然是是一一个个会会聚聚透透镜镜系系统统，焦焦距距是是镜镜头头的的一一个个重重要要参参数数，在在相相同同物物距距的的条条件件下下，物物镜镜的的焦焦距距愈愈大大所所成成的的像像也也愈愈大大，所所以以，物物镜镜的焦距决定了拍的焦距决定了拍摄时摄时物像的整个比例。物像的整个比例。感光感光材料材料快门快门镜头镜头光圈光
7、圈现在学习的是第7页，共19页 物物镜镜的的孔孔径径D与与焦焦距距 f 的的比比值值称称为为相相对对孔孔径径，它它决决定定成像面的照度和景深。成像面的照度和景深。由由于于大大部部分分镜镜头头的的孔孔径径总总比比焦焦距距小小，所所以以通通常常采采用用 1:f/D 来表示，如来表示，如1:1.4,1:2.0,1:2.8等。等。对对于于一一定定亮亮度度的的物物体体，物物镜镜所所成成像像的的光光照照度度与与相相对对孔孔径径 D/f 的的平平方方成成正正比比。所所以以相相对对孔孔径径为为 1:2.0 的的物物镜镜，其其像像面面上上的的光光照照度度比比相相对对孔孔径径为为 1:2.8 的的物物镜镜的的光光
8、照照度度高一倍。高一倍。感光感光材料材料快门快门镜头镜头光圈光圈现在学习的是第8页，共19页虽虽然然理理论论上上只只有有与与胶胶片片共共轭轭的的平平面面上上的的景景物物才才能能清清晰晰成成像像于于胶胶片片上上，但但人人眼眼或或接接收收器器对对像像的的清清晰晰度度的的分分辨辨本本领领有有限限，就就存存在在一一定定的的物物距距范范围围内内的的物物点点所所成成的的像像都都认认为为是是清清晰晰的的，这这一一定定的的物物距距范范围围称称为为景景深深。景景深深与与光光圈圈、焦焦距距和和物物距距有有关关。如如光光圈圈直直径径越越小小，景景深深越越大大；焦焦距距越越短，景深越大；被短，景深越大；被摄摄景物越景
9、物越远远，景深越大。，景深越大。快快门门是是控控制制光光线线进进入入物物镜镜时时间间长长短短的的一一种种装装置置，一一般般安安装装在在镜镜头头组组中中间间。快快门门打打开开后后，光光线线才才能能照照射射到到胶胶片片上上，称称为为曝曝光光。照照相相时时，曝曝光光时时间间与与光光圈圈大大小小恰恰当当地地配配合合使使用。用。感光感光材料材料快门快门镜头镜头光圈光圈现在学习的是第9页，共19页数数码码相相机机与与传传统统照照相相机机的的主主要要差差别别是是像像的的接接收收方方式式不不同同。数数码码相相机机是是将将镜镜头头聚聚焦焦的的影影像像投投射射在在光光电电转转换换器器芯芯片片CCD（电电荷荷耦耦合
10、合半半导导体体器器件件）上上，CCD将将景景物物的的光光信信号号转转化化成成电电信信号号；然然后后将将数数据据传传输输到到模模拟拟电电子子信信号号处处理理器器上上，转转换换成成电电脑脑能能识识别别的的数数码码信信号号，通通过过数数码码压压缩缩处处理理后后储储存存在在闪闪烁烁式式电电子子芯芯片片上上，最最后后经经过过各各种种运运算算转转换换为为图图像像的的数数码码文文件，供后期件，供后期处处理使用。理使用。感光感光材料材料快门快门镜头镜头光圈光圈现在学习的是第10页，共19页3 显微镜显微镜 我我们们能能不不能能看看清清一一个个物物体体，视视角角的的大大小小十十分分重重要要。如如图图所所示示，物
11、物体体两两端端AB对对眼眼睛睛（光光心心）的的所所成成的的张张角角称称为为视视角，角，视视角放大率就是目角放大率就是目视视光学光学仪仪器的一个重要指器的一个重要指标标。视角的变化视角的变化U1U2AABBA A B B 为为了了看看清清物物体体细细节节，可可以以把把物物体体移移近近眼眼睛睛，以以增增大大视视角角，但但这这移移近近有有一一个个限限度度，若若要要进进一一步步看看清清，需需借借助助光光学学仪仪器。器。现在学习的是第11页，共19页 放放大大镜镜、显显微微镜镜和和望望远远镜镜等等都都可可以以放放大大视视角角。但但是是，简简单单的的放放大大镜镜的的放放大大率率太太小小，最最多多1020倍
12、倍，甚甚至至不不能能满满足足观观察察一一般般生生物物切切片片的的要要求求。为为了了提提高高放放大大率率，必必须须采采用用组组合合放放大大镜镜显显微微镜镜。显微镜外形图显微镜外形图物镜物镜目镜目镜显微镜的构造比较复杂，可分成两组，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。一组为物镜，另一组为目镜。在放大镜（目镜）前面加一个焦距极在放大镜（目镜）前面加一个焦距极短的会聚透镜，称为物镜。短的会聚透镜，称为物镜。现在学习的是第12页，共19页显微镜的光路图显微镜的光路图Q P QP Q P F1F2-U 待待观观察物体察物体PQ置于物置于物镜镜物方焦点外物方焦点外侧侧附近，使之在目附
13、近，使之在目镜镜物方焦平面内物方焦平面内侧侧很近很近处处成成实实像像P Q ；再再经经目目镜镜成成虚虚像像P Q 于于明明视视距距离离处处。可可以以看看出出，显显微微镜镜通通过过放大放大观观察察对对象增大象增大对对人眼的人眼的视视角。角。现在学习的是第13页，共19页当高当高为为h1的物在明的物在明视视距距离离处处，对对眼睛所眼睛所张张的的视视角角显显微微镜镜所成的虚像所成的虚像P Q 所所张张的的视视角角 显显微微镜镜的的视视角放大率角放大率M为为 为为物物镜镜的横向放大率的横向放大率为为目目镜镜的的视视角放大率角放大率 Q P QP Q P F1F2-U y2y1U现在学习的是第14页，共
14、19页所所以以，显显微微镜镜的的视视角角放放大大率率等等于于物物镜镜的的横横向向放放大大率率和目和目镜镜的的视视角放大率的乘角放大率的乘积积。通通常常在在显显微微镜镜物物镜镜和和目目镜镜上上分分别别刻刻有有10，20 等等字字样样，以便我以便我们计们计算算显显微微镜镜的的视视角放大率。角放大率。常用常用显显微微镜镜放大率可达到放大率可达到1500倍以上。倍以上。显显微微镜镜的的放放大大率率受受到到光光的的衍衍射射的的限限制制，光光在在显显微微镜镜物物镜镜圆圆孔孔限限制制下下出出现现衍衍射射，使使物物点点成成一一像像斑斑，影影响响了了显显微微镜镜的的物物体体细细节节的的分分辨辨率率。可可以以通通
15、过过增增大大物物镜镜孔孔径径和和缩缩短短波波长长来来减减小小衍衍射射影影响响，提提高高分分辨辨率率。如如电电子子显显微微镜镜就就是是通通过过减减小小波波长长提提高高分分辨辨率率，电电子子显显微微镜镜的的分分辨辨率率可可达达到到0.2nm，因因此此，电电子子显显微微镜镜主主要要用用于于观观察察固体表面的形貌。固体表面的形貌。现在学习的是第15页，共19页4 望远镜望远镜 为为了了增增大大远远处处的的物物体体在在人人眼眼视视网网膜膜上上形形成成的的像像，用用望望远远镜镜使使远远距距离离的的物物体体成成像像在在近近距距离离处处，增增大大对对人人眼眼的的视视角角。望远镜一般可以分成伽利略望远镜和开普勒
16、望远镜两种。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。为例说明望远镜的原理。-U U-hF2f2QQ 物镜物镜目镜目镜现在学习的是第16页，共19页-U U-hF2f2QQ 物镜物镜目镜目镜(1)从从远远处处物物体体射射来来的的光光线线可可看看作作平平行行光光线线，它它们们通通过过长长焦焦距距物物镜镜后后，在在物物镜镜的的像像方方焦焦平平面面上上形形成成倒倒立立的的实实像像(缩缩小小)。(2)目目镜镜在在望望远远镜镜和和显显微微镜镜中中都都起起到到放放大大镜镜的的作作用用，如如果果
17、调调节节目目镜镜，使使物物镜镜所所成成的的像像恰恰好好在在目目镜镜第第一一焦焦平平面面的的内内侧，则经过目镜后，在明视距离处形成一个放大的虚像。侧，则经过目镜后，在明视距离处形成一个放大的虚像。现在学习的是第17页，共19页望望远远镜镜的的两两组组透透镜镜的的焦焦点点几几乎乎是是重重合合的的（对对无无穷穷远远时时两者两者严严格重合），从格重合），从图图中可以看出中可以看出:-U U-hF2f2QQ 物镜物镜目镜目镜最后虚像最后虚像对对目目镜镜所所张张的的视视角角为为 物体物体对对眼睛所眼睛所张张的的视视角角为为 虽虽然然物物镜镜所所成成的的像像比比原原来来物物体体小小，但但它它与与人人眼眼距距
18、离离很很近近，加加上上目目镜镜所成的像有放大作用，视角就可以变得很大。所成的像有放大作用，视角就可以变得很大。现在学习的是第18页，共19页望望远远镜镜的的放放大大率率的的定定义义为为最最后后的的虚虚像像对对目目镜镜所所张张的的视视角角和和物体本身对眼睛所张的视角之比值，即物体本身对眼睛所张的视角之比值，即 由由此此可可知知，物物镜镜的的焦焦距距愈愈长长，目目镜镜的的焦焦距距越越短短，则则望望远远镜镜的的放放大大率率就就越越大大。开开普普勒勒望望远远镜镜是是由由两两个个会会聚聚透透镜镜分分别别作作为为物物镜镜和和目目镜镜所所组组成成的的天天文文望望远远镜镜，其其视视角角放大率放大率为负值为负值，即最，即最终终形成的是倒立的像。形成的是倒立的像。现在学习的是第19页，共19页