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1、第5章 光学系统特性参数的测量 为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能第 5 章 光学系统特性参数的测量5.1 5.1 望远系统特性参数的测望远系统特性参数的测量量5.2 5.2 显微系统特性参数的测显微系统特性参数的测量量5.3 5.3 照相物镜特性参数的测照相物镜特性参数的测量量本本章小章小结结思考题与习题思考题与习题第5章 光学系统特性参数的测量 为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能光学系统的特性参数一般是指焦距、孔径、视场、放大率等，对目视光
2、学系统还有视差、视度等参数。当然，不同的光学系统为适应各自的需要而选用不同的参数来表征它们的特性。本章重点介绍望远、显微和照相系统三类常用光学系统各自特性参数的测量原理及方法。其中有涉及焦距测量的，因与第4章中讲述的光学零件焦距的测量相同，这里不再重述。第5章 光学系统特性参数的测量 为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能教学目的教学目的1.掌握望远镜视度、视差及视放大倍率的概念。熟悉利用普通视度筒检测望远镜的视度、用平行光管法检测望远镜的视差和用倍率计检测其视放大率的方法。2.掌握显微镜视放大率和物镜数值孔径的概念。熟悉
3、利用直接测量法或间接测量法检测其视放大率和用小孔光阑法检测其物镜数值孔径的方法。3.掌握照相物镜相对孔径和有效光阑指数的概念。熟悉用焦面点光源法、平行光管法检测其相对孔径和用像面照度比较法检测其有效光阑指数。第5章 光学系统特性参数的测量 为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能技能要求技能要求1.能够利用普通视度筒检测望远镜的视度;能够利用平行光管(带有视差公差带)批量检测望远镜的视差;能够利用倍率计检测其视放大倍率。2.能够利用测量显微物镜的横向放大率及目镜放大率的方法间接测量显微镜的视放大率;能够用小孔光阑测量显微镜物
4、镜数值孔径。3.能够用焦面点光源法和平行光管法检测照相物镜的相对孔径;能够用像面照度比较法检测其有效光阑指数。第5章 光学系统特性参数的测量 为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能5.1 望远系统特性参数的测量望远系统特性参数的测量望远系统的光学特性参数具有代表性的主要有视度、视差及视放大倍率。这里就这三个参数的测量加以讨论。第5章 光学系统特性参数的测量 为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能5.1.1 望远系统视度的测量望远系统视度的测量一一、望远
5、系统视度的基本概念望远系统视度的基本概念目视光学仪器是供人眼观测使用的。为了适应不同视度的观测者使用需要，对目视光学仪器要求其出射光束能够调节。光学仪器的这种调节能力称为视度调节。视度(SD)是指目视光学仪器出射光束的会聚或发散程度。视度可表示为第5章 光学系统特性参数的测量 为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能式中，L为眼点至仪器出射光束的顶点的距离，单位为m。由此可知，若系统出射的是平行光束，则视度为零，适应正常眼的要求;若出射的是发散光束，如图5.1(a)所示，像点位于眼点之前，视度为负值，满足近视眼需要;当出射光
6、束会聚时，如图5.1(b)所示，视度为正，满足远视眼需要。可见，视值的正负及大小清楚地描述了出射光束的结构特性。第5章 光学系统特性参数的测量 为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能图5.1望远镜系统出射光束第5章 光学系统特性参数的测量 为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能望远系统的视度调节通常是通过移动目镜的方法实现的。目镜的移动量即是其前焦点F e相对物镜焦点 F0 的移动距离，其大小及符号决定了视度的大小与正负。无限远目标经物镜后成像在后焦面
7、处。若目镜的前焦点F e与物镜焦点F0重合，则出射光束是平行光束;若目镜前移，如图5.2所示(为正)，则物镜像经目镜成像在距目镜左方-L 处，即出射光是发散光束;反之，若目镜后移(为负)，则出射光束是会聚光束。第5章 光学系统特性参数的测量 为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能图5.2目镜视度调节第5章 光学系统特性参数的测量 为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能由牛顿公式有将L换算成视度，得第5章 光学系统特性参数的测量 为深入学习习近平新时代中
8、国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能对于无分划板的望远系统，也可以用移动物镜的方法来实现视度调节。物镜移动量与望远系统视度间的关系同样由式(53)决定。视度检验是指目镜视度分划调节到某示值时，检测其视度装定误差是否在规定的公差范围内。对于固定视度的仪器，其视度装定在-0.5-1屈光度。第5章 光学系统特性参数的测量 为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能二、二、望远系统视度的测量方法望远系统视度的测量方法1.普通视度筒检测普通视度筒检测检测视度的仪器为视度筒，它是一个物镜可
9、沿轴向移动的低倍望远系统，其结构示意图如图5.3所示。图5.3普通视度筒结构示意图第5章 光学系统特性参数的测量 为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能普通视度筒检测原理如图5.4所示。图5.4普通视度筒检测原理图第5章 光学系统特性参数的测量 为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能若待测系统的视度为SD=1000/L，移动视度筒物镜，使经待测望远系统成的像再经视度筒物镜成在分划板上，这样人眼通过视度筒目镜可以同时清楚地看到物像和分划板。设视度筒物镜相
10、对分划板移动距离为，视度物镜至待测望远系统眼点的距离为l，则由牛顿公式可以得出若l可略去不计，上式可写成式中，f0为视度筒物镜的焦距。第5章 光学系统特性参数的测量 为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能根据式(54)可以刻制视度筒上的视度分划线。测量时，调节视度筒目镜视度直至分划面最清楚。将待测系统的视度分划对到所要检测的标记处，并将待测系统放在平行光管和视度筒中间，视度筒物镜大致放在待测系统的出瞳处，调三者大致共轴，再轴向移动视度物镜，直到平行光管分划像与视度筒的分划清晰无视差地轴向重合，此时视度筒的读数与标记之差即为
11、待测系统视度的装定误差。第5章 光学系统特性参数的测量 为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能视度测量误差主要取决于视度筒的调焦误差，即取决于视度筒的出瞳直径和放大倍率。而视度筒的入瞳等于待测系统的出瞳，故视度筒的放大倍率不宜过大。普通视度筒常选用4或6，其检测范围为1.52.5屈光度。第5章 光学系统特性参数的测量 为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能2.大量程视度筒检测大量程视度筒检测当被测系统视度调节范围较大，超出普通视度筒测量范围时，可用大量
12、程视度筒测量，测量范围达到6屈光度。大量程视度筒是在普通视度筒前加一个视度透镜(已知光焦度)，如图5.5所示。若视度透镜与待测系统的眼点O(或出瞳)重合，B是待测系统的像点，OB=L;B 经视度透镜成像为B，像距为L;B 再经视度筒物镜的分划面上成像为B，设视度透镜的焦距为fs，则由高斯公式得第5章 光学系统特性参数的测量 为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能图5.5大量程视度筒检测原理图第5章 光学系统特性参数的测量 为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室
13、育人功能用视度表示为SD=SD P(55)式中:SD 表示视度筒的视度读数;SD表示待测系统的视度值;P表示视度透镜的视度。可见，只要视度透镜的视度与待测系统的视度符号相反，即可抵消部分待测系统的视度，使余下部分由视度筒测出。第5章 光学系统特性参数的测量 为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能例如:待测系统的视度分划标记为-4.5屈光度，可选“+4”屈光度的视度透镜，若视度筒的读数为-0.3屈光度，则SD=-0.3-4.0=-4.3(m-1)这几种方法测量视度的误差主要来源仍然是视度筒的调焦误差。第5章 光学系统特性参数
14、的测量 为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能5.1.2 望远系统视差的测量望远系统视差的测量一一、望远系统视差的基本概念望远系统视差的基本概念无穷远物体经望远镜系统的物镜成像在后焦面上，若系统装有分划板，则分划面应位于物镜后焦面上，如果由于安装误差，分划面没有准确地装在后焦平面位置，通过目镜观察时，物像和分划标记相对人眼不在同一深度的现象，就是望远镜系统的视差。视差分为前视差(或短视差)和后视差(或长视差)，分划面位在物镜焦平面和物镜之间为前视镜;分划面位在物镜焦平面之后为后视差。用有视差的系统进行测量和瞄准时会产生对准
15、误差，望远系统视差通常有如下几种表示方法。第5章 光学系统特性参数的测量 为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能1.视差角表示法视差角表示法望远系统的视差可用视差角来表示，是由视差而引起的物方极限瞄准误差角。以视差角表示的原理如图5.6所示。当系统存在视差时，物像O将成在距分划面为b的位置处，相应的物像O相对分划的上下错动量为AB，由此引起的物方视差角为第5章 光学系统特性参数的测量 为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能图5.6以视差角表示视差的光路
16、第5章 光学系统特性参数的测量 为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能第5章 光学系统特性参数的测量 为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能2.以视度差表示以视度差表示望远系统的视差还可用视度差来表示。视度差是指物像和分划在系统像方的视度之差，即以分划在系统的像方的视度SD k 和物像的视度SD0之差表示:其视度差表示的原理如图5.7所示。当F0和F e 重合时，分划面到F0 的距离为b，则目镜后像距为第5章 光学系统特性参数的测量 为深入学习习近平新
17、时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能图5.7以视度差表示视差的光路第5章 光学系统特性参数的测量 为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能因F0 和F e 重合，故物像的视度SD 0=0，若F0 和F e不重合，式(59)依然成立。视差角与视度差的关系是所以，与视差的表示法相对应，视差的测量方法有两种，即视差角检测法和视度差检测法。第5章 光学系统特性参数的测量 为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功
18、能二、二、望远系统视差的测量方法望远系统视差的测量方法1.平行光管法平行光管法平行光管法也叫视差角检测法或摆头法，其检测装置由平行光管、待测系统支座和底座组成。该仪器适于批量检测，其检测原理如图5.8所示。在平行光管的分划板上刻有视差公差带。若系统存在视差，人眼沿待测系统的出瞳面摆动时，可发现平行光管的分划像与待测系统的分划像相对错动，离人眼远的分划像与人眼同向移动，近的则与人眼反向移动。只要两个像最大错动量不超过公差带，则认为合格。第5章 光学系统特性参数的测量 为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能图5.8平行光管测量
19、视差第5章 光学系统特性参数的测量 为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能平行光管分划面的视差公差带的间隔为式中:为待测系统允许的视差角，单位为分;fc为平行光管物镜的焦距。测量时，先调待测系统，使之与平行光管的光轴重合，然后人眼沿出瞳面摆动，检测待测系统的分划像相对平行光管分划像间最大错动量是否超差。第5章 光学系统特性参数的测量 为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能 2.视度筒测量法视度筒测量法视度筒测量法主要检测系统的视度差。由于望远镜系统的视
20、差可用无穷远物点在系统像方的出射光束和中心分划在像方的出射光束的视度差表示，因此，利用前述测视度的方法测量二者的视度，求出其差值，即为视差。3.半透镜视差计测量法半透镜视差计测量法用视度筒测量视度、视差时，精度主要取决于视度筒的调焦误差，为了提高调焦精度，设计了半透镜视差计，它采用了双光楔定焦法，比视度筒采用的清晰度法定焦精度高，因此测量精度比视度筒高。第5章 光学系统特性参数的测量 为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能5.1.3 望远系统视放大率的测量望远系统视放大率的测量一一、望远系统视放大率的基本概念望远系统视放大
21、率的基本概念望远系统视放大率的定义为:同一目标用望远镜观察时物像对人眼的张角正切(tg)与人眼直接观察时张角正切(tg)之比，即式中:f0为望远系统物镜的焦距;fe 为望远系统目镜的焦距;z 为转像系统的垂轴放大率;D为望远系统的入瞳直径;D 为望远系统的出瞳直径。第5章 光学系统特性参数的测量 为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能由式(512)可知，欲测量望远系统的视放大率，可通过已知的入瞳直径测出瞳直径，或根据已知的物方视场角测像方视场角，也可通过测量焦距求得。第5章 光学系统特性参数的测量 为深入学习习近平新时代中
22、国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能二、二、望远系统视放大率的测量方法望远系统视放大率的测量方法1.用倍率计测量用倍率计测量倍率计是一个带有分划板的放大镜，其检测原理如图5.9所示。将已知直径为a 的标准光阑套在待测望远系统的物镜框上。在待测系统的像方用倍率计测出该标准光阑的像尺寸a，由式(512)得出望远系统视放大率为第5章 光学系统特性参数的测量 为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能测量前要调目镜视度，使人眼可清晰地看到分划线;再移动内管，使分划面与待测系统的出瞳面重
23、合，测得出瞳a 的大小。标准光阑直径在入瞳范围内应尽量选择大一些，标准光阑面要垂直于系统光轴，其中心位于光轴上。此外，对目镜视度可调的望远镜，检测时视度应归零。第5章 光学系统特性参数的测量 为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能图5.9用倍率计测量望远系统视放大率第5章 光学系统特性参数的测量 为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能2.用平行光管和前置镜测量用平行光管和前置镜测量如果测出被测系统的物方视场角和像方视场角，则利用=tg /tg 可求出放
24、大率。检测光路如图5.10所示，若平行光管的分划间隔为l，物镜焦距为fc，则平行光管的视场角2 可由tg=l/fc 求得。2 即为被测望远系统的物方视场角，经被测系统后，放大为2 ，再用前置镜测出 值，则被测系统的视放大率=tg /tg。第5章 光学系统特性参数的测量 为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能图5.10用前置镜检测望远镜的放大率第5章 光学系统特性参数的测量 为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能检测时，先将被测系统视度归零，并置于平行光
25、管与前置镜之间，调节三者共轴。由前置镜读得，即可求得被测系统的视放大率。在对望远镜放大率进行批量检测时，前置镜的分划板可以刻成公差带，如图5.11所示。其上下偏差距离lmax、lmin可分别按下式计算第5章 光学系统特性参数的测量 为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能式中:f T 为前置镜物镜焦距;max、min 分别为被测系统允许的最大、最小视放大倍率。检测时，使平行光管的一刻线像与前置镜分划板上的单线重合，如果平行光管的另一刻线像位于前置镜分划板双线间则为合格，否则超差。另外，望远镜的视放大率还可用视场仪和经纬仪测量
26、。视场仪提供被测望远系统的像方视场角，由经纬仪测得相应的物方视场角，即可求视放大率。第5章 光学系统特性参数的测量 为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能图5.11公差带第5章 光学系统特性参数的测量 为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能5.2 显微系统特性参数的测量显微系统特性参数的测量5.2.1 显微系统视放大率的测显微系统视放大率的测量量一、一、显微系统视放大率的基本概念显微系统视放大率的基本概念显微系统的放大率是指视放大率，表示人眼处于出瞳位
27、置通过显微镜观察时，物体在人眼视网膜上所成像的大小与人眼位于明视距离处直接观察同一物体时，在视网膜上所成像的大小之比。第5章 光学系统特性参数的测量 为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能在数值上显微系统的视放大率 M 等于显微镜物镜的横向放大率 与目镜的视放大率 e 的乘积，即由式(514)可知，只要分别测出物镜的横向放大率与目镜的视放大率，则可得到M。第5章 光学系统特性参数的测量 为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能二、二、显微系统视放大率的测
28、量方法显微系统视放大率的测量方法1.间接测量法间接测量法1)显微镜物镜横向放大率的测量显微物镜的横向放大率是指经显微物镜所形成的像高y与物高y之比因此，显微物镜的横向放大率可以用一标准刻尺(格值0.01mm)和一个测微目镜来检测。图5.12物镜放大倍率测量装置测量前，先将带抽筒的显微镜按抽筒的刻度尺调到所要求的机械筒长，然后装上目镜和待测物镜，对标准刻尺调焦至像清晰，使刻尺位在实际的工作距离上，如图5.12(a)所示。第5章 光学系统特性参数的测量 为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能固定显微镜的工作距离，用测微目镜代替
29、目镜，如图5.12(b)所示，由于测微目镜的镜片与它靠面之间的距离与普通目镜不同，即机械筒长有变化，故要再调节抽筒，使刻尺线清晰地成像在测微目镜的分划板上。在测微目镜的视场中央选择一对距离为y的刻线对，测出其像y的大小，由就可算出物镜横向放大倍率。第5章 光学系统特性参数的测量 为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能2)显微镜目镜放大率的测量由几何光学可知，目镜的视放大率公式为 e=250/fe。因此，只要用测量焦距的方法测出 fe，即可确定目镜的视放大率，从而确定显微系统的放大率。焦距的测量在前面的章节已经讲述过了，这里
30、就不再重述。第5章 光学系统特性参数的测量 为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能 2.直接测量法直接测量法显微系统的视放大率，也可以用前置镜直接进行测量，其测量光学原理图如图5.13所示。图5.13用前置镜测量放大率光学原理图第5章 光学系统特性参数的测量 为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能由图5.13得所以第5章 光学系统特性参数的测量 为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功
31、能式中:f T 为前置镜物镜的焦距;y为前置镜分划板上测出的像高。因物高y 和前置镜物镜焦距fT已知，故只要测出y，就可求得显微镜的放大率。具体方法是:用显微镜调焦一标准刻尺至成像清晰，保持相互位置不变，再由前置镜分划板测出y的像y。测量前，必须使显微镜系统的目镜视度归零，并调前置镜的目镜视度，使分划刻线最清晰。第5章 光学系统特性参数的测量 为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能5.2.2 显微镜物镜数值孔径的测量显微镜物镜数值孔径的测量一一、显微系统数值孔径基本概念显微系统数值孔径基本概念显微镜物镜数值孔径NA 是指物
32、方媒质折射率n和物方孔径角u的正弦之乘积，即NA=n sin u(516)显微镜物镜数值孔径NA决定了显微系统分辨率及像面照度。第5章 光学系统特性参数的测量 为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能二、二、显微镜物镜数值孔径的测量方法显微镜物镜数值孔径的测量方法1.小孔光阑法小孔光阑法当NA0.3时，可用小孔光阑测量显微镜物镜数值孔径，其测量原理如图5.14所示。图5.14小孔光阑测数值孔径第5章 光学系统特性参数的测量 为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室
33、育人功能第5章 光学系统特性参数的测量 为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能 2.数值孔径计法数值孔径计法用数值孔径计测量数值孔径的原理如图5.15所示。数值孔径计的主要部件是一块12mm厚的半圆玻璃柱体，沿直径的一面是与上表面成45的斜面，光线在斜面上全反射。上表面的圆心附近有一直径为8mm左右的圆形镀铝面，铝面上有透光狭缝。沿圆周刻有两组数字，外圆刻度为数值孔径，内圆刻度示出相应的半孔径角，单位为度。半圆柱体装在金属底座上，其上有一个可以绕半圆玻璃柱体转动的金属框3，框上靠近柱面处装有一块乳白色玻璃4，其上刻有十字线
34、。通过狭缝5可以看到反射的十字线像。金属框上还装有指示线标志，并可随十字线移动。测量时，以光照射的乳白玻璃上的十字线作为观察目标。第5章 光学系统特性参数的测量 为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能为了测量数值孔径，将待测显微物镜2与目镜1组成显微镜，使显微镜对狭缝进行调焦至清晰地看到狭缝像，乳白玻璃上的十字线被照亮后，经玻璃斜面AB的反射，透过狭缝被显微物镜成像。如图5.15中虚线所示，亮十字线相当于放在狭缝后一定距离上的目标。拿掉目镜后，人眼可在镜筒内看到一个大的亮斑(物镜的出瞳)和一个小的十字线像，如图5.15(b
35、)所示。第5章 光学系统特性参数的测量 为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能图5.15数值孔径计第5章 光学系统特性参数的测量 为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能当十字线绕圆柱面转到位置E时，十字线发出的光线在狭缝处与零位的法线方向形成入射角u k，并以折射角u从狭缝射出。设玻璃折射率为n k，被测显微镜物空间的折射率为n，则根据折射定律有NA=n sin u=n k sin u k(518)当十字线像刚刚要移出显微镜的视场时，由半圆柱体的上表面
36、外圈刻度读取的数值即是显微物镜的数值孔径值。第5章 光学系统特性参数的测量 为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能其实，不难看出，用数值孔径计测量与用小孔光阑测量数值孔径的原理相同，半圆柱体上的狭缝作用相当于小孔光阑测量法中的小孔，而金属框上的十字线相当于小孔光阑测量法中的标准刻尺上的刻线。测量时，为提高测量精度，可使十字线像分别对准显微物镜视场的两边缘，如图5.15(a)中的E和F的两个位置，两个NA读数的平均值即为待测物镜的数值孔径。当NA0.4时，可用小孔光阑代替目镜，以固定人眼位置，消除视差对读数的影响。当测量的数
37、值孔径较大时，可在抽筒的另一端上装上辅助透镜，以与目镜组成辅助显微镜，并使其在主镜筒内移动，进行对准测量。值得注意的是，在抽筒移动时，不得改变显微物镜原有的调焦位置。第5章 光学系统特性参数的测量 为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能5.3 照相物镜特性参数的测量照相物镜特性参数的测量5.3.1 照相物镜相对孔径的测量照相物镜相对孔径的测量照相物镜的作用是将景物成像在感光片或感光元件上。使用时的一个重要问题是控制底片上或感光元件上的曝光量。曝光量H是指像面上的照度E 与曝光时间 t 的乘积，即H=Et。照相物镜拍摄无限远
38、目标时的像面照度为第5章 光学系统特性参数的测量 为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能第5章 光学系统特性参数的测量 为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能第5章 光学系统特性参数的测量 为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能测量照相物镜相对孔径，即测量其入瞳直径D和焦距f值。焦距的测量已在第4章中讲述，所以，此处相对孔径的测量实际上就是入瞳直径的测量。入瞳直径测量的方法有如下几
39、种。第5章 光学系统特性参数的测量 为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能一、一、焦面点光源法焦面点光源法焦面点光源法测量原理如图5.16所示，图中P 为孔径光阑，P经待测物镜前方系统所成像P 即为入瞳直径。在待测物镜像方焦面处放一小孔光阑3，并通过光源与聚光镜照明该小孔，以形成点光源。照明光束的孔径角u 应足够大，以保证光束充满孔径光阑口径。在物镜射出的平行光束中垂轴放置毛玻璃，即可拦得一投影亮斑，其大小等于入瞳直径。第5章 光学系统特性参数的测量 为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育
40、大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能图5.16焦面点光源法测量入瞳直径第5章 光学系统特性参数的测量 为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能为了使毛玻璃上的亮斑边界清晰，光阑的小孔应足够小，一般小孔直径不应大于f/50，否则点光源发出的光经物镜后与光轴的平行性差，引起较大的测量误差。同时，还必须保证小孔准确置于物镜焦点处。判断小孔是否位于物镜焦点处的方法:将毛玻璃沿光轴离开物镜方向移动，观察毛玻璃上的亮斑，如果亮斑越来越大，说明小孔位在焦内;反之，如果亮斑渐渐变小，说明小孔位在焦外。当发现亮斑有垂轴方向移动，说明小孔不在
41、光轴上，只有当光斑大小无变化，垂轴方向无移动时，才表明小孔位于焦点处。第5章 光学系统特性参数的测量 为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能二、二、平行光管法平行光管法平行光管法测量原理如图5.17所示，在待测物镜的物方放一平行光管，平行光管发出的平行光经待测物镜会聚在像方焦点处。在平行光管和物镜之间放一玻璃尺，其格值为0.5mm。眼睛位于物镜像方焦点附近观察刻尺，读出刻尺被照亮部分的尺寸，即为入瞳直径。第5章 光学系统特性参数的测量 为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发
42、挥中小学图书室育人功能图5.17平行光管法测量入瞳直径第5章 光学系统特性参数的测量 为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能三、三、显微镜测量法显微镜测量法除了上述两种方法以外，还可用显微镜来测量入瞳直径。将待测物镜放在测量显微镜的载物台上，下面用漫反射光照明。显微镜对光阑像调焦，测量显微镜的十字线先后对准入瞳的左右边缘，并进行读数，先后两次读数之差即为入瞳直径。为了提高测量精度，可沿不同方向测量入瞳直径，然后取平均值。第5章 光学系统特性参数的测量 为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育
43、大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能5.3.2 照相物镜有效光阑指数的测量照相物镜有效光阑指数的测量过去，我国的大多数照相物镜都采用F制光圈，这种标定是以物镜的几何特征为基础的，并不涉及物镜的透光特性。在式(520)中，光阑指数F与透射比是彼此独立的两个变量。对于同一亮度B的物体进行拍照时，即使物镜F固定不变，只要透射比不同，则感光元件的曝光量还是相差很大，这种曝光效果的差别往往会给使用带来不便。为此，采用有效光阑指数T(即T制光圈)，其刻度一律按物镜像面照度值进行标定。T值与F、间的关系为第5章 光学系统特性参数的测量 为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教
44、育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能于是式(520)就改写为第5章 光学系统特性参数的测量 为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能由式(522)可知，对照度为B的同一物体进行拍照时，只要采用T值相同的物镜，即可得到同一像面照度E值。这对摄影及洗印工作是很方便的，故采用T值光圈的物镜日益增多，国外已普遍采用。为方便起见，常用像面照度比较法测量有效光阑指数，该法是用一个开孔直径为D 0 的光阑模拟一个透过率为100%且有效光阑指数为T 1 的照相物镜，测量在像面上的照度，并与待测照相物镜像面上所测量到的照度相比较，从而求出
45、照相物镜的有效光阑指数T值。其测量原理如图5.18所示。第5章 光学系统特性参数的测量 为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能用一个亮度稳定均匀的漫反射面光源1，在待测物镜焦平面处放一视场光阑3，其后置一硒光电池，如图5.18(b)所示，由于直径为10mm的视场光阑位于视场中心，所以硒光电池受光照引起的光电流m 2 与视场中心的照度E 2 成正比。然后去掉待测物镜，换上孔径为D 0 的标准光阑2，它与视场光阑的距离为L。光源、视场光阑、硒光电池保持原状，如图如图5.18(a)所示，此时硒光电池受光照引起的光电流m 1 与照
46、度E 1 成正比。放置待测物镜时为实测，去掉待测物镜时为空测，实测与空测时的像面照度分别为第5章 光学系统特性参数的测量 为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能式中:B 为光源亮度;U max 为像面中心(硒光电池中心)对标准光阑的张角。由图5.18(a)得所以第5章 光学系统特性参数的测量 为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能则有由式(523)、式(525)，考虑到实测和空测时光源亮度相同，所以第5章 光学系统特性参数的测量 为深入学习习近平新时代
47、中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能其中，第5章 光学系统特性参数的测量 为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能T 1 为仪器常数，所以只要测出空测和实测时的光电流m 1 和m 2，利用式(527)即可得到物镜的有效光阑指数T值。利用这种方法，不仅可测量成品物镜T值光圈的刻线是否准确，也可在生产过程中，为尚未刻线的T值光圈调节环确定刻线位置。T值光圈按国际标准规定允差为5%(见ANSIPH2290-964)。第5章 光学系统特性参数的测量 为深入学习习近平新时代中国特色社
48、会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能本本 章章 小小 结结1.望远系统具有代表性的光学特性参数主要有视度、视差及视放大倍率。2.望远系统视度测量的方法有普通视度筒法和大量程视度筒法。3.望远系统视差的表示方法有视差角表示法和视度差表示法，测量的方法有平行光管法、视度筒测量法和半透镜视差计测量法。第5章 光学系统特性参数的测量 为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能4.望远系统视放大率的测量方法有倍率计法和平行光管加前置镜法。5.显微系统的放大率是指视放大率，表示人眼处于出瞳位置通过
49、显微镜观察时物体在人眼视网膜上所成像的大小，与人眼位于明视距离处直接观察同一物体时在视网膜上所成像的大小之比。6.显微系统视放大率的测量方法:间接测量法和直接测量法。7.显微镜物镜数值孔径的测量方法:小孔光阑法和数值孔径计法。第5章 光学系统特性参数的测量 为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能8.测量照相物镜相对孔径的方法:焦面点光源法、平行光管法和显微镜测量法。9.对照度为B的同一物体进行拍照时，只要采用T 值(有效光阑指数)相同的物镜，即可得到同一像面照度E值。10.常用像面照度比较法测量照相物镜的有效光阑指数。第5
50、章 光学系统特性参数的测量 为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能思考题与习题思考题与习题1.在调视度筒的视度时，如视场中没有无限远目标的像做参考，而只以人眼看清视度筒的分划为调好，这样做行吗?为什么?2.在检测望远镜的视度过程中，经常采用清晰度法还是消视差法?为什么?第5章 光学系统特性参数的测量 为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能3.对f=550mm、D/f=1/10 的平行光管进行调校，若分划面的位置装定误差b=0.1mm，问平行光管的相应视