第四章 光学仪器的基本原理.PPT

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第四章,光学仪器的基本原理,（More on Geometrical Optics）,只有,物点,和,光线,都,限制在近轴区域,的条件下，才能实现理想成像,实际情况：,1,、色差：,在白光或复色光照明时，,介质的色散,即使在近轴区域内，,3,、能量角度：,进入光学系统的光束不宜过窄，离轴,2,、像差：,成像过程偏离近轴条件,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,均衡光学仪器的成像范围、明亮程度、成像质量和分辨能力,(1),助视仪器,(,配合眼睛,),(2),摄影投影仪器,(,如照相机、投影仪等,),光学仪器,(3),光谱仪，干涉仪，,(,成像仪器,),显微镜为人类打开了,“,近在眼前,”,的微小世界的大门，望远镜则帮助人类揭示了,“,远在天边,”,的星球世界的奥秘。,大致分类：,Optical instruments,观测对象尺度与相应的观测仪器,微纳米光学,4.1,人的眼睛,Eyes,f,:22.8-18.9 mm,f,:17.1-14.2 mm,Structure of the human eye,简化眼模型,Some of its important features：,(a),调节晶状体曲率(由,睫状肌,控制）使被看物在视网膜上清楚成像，这称为,调焦,。,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,远点,和,近点,。正常眼的远点为无穷远，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,25 cm,处，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,明视距离，,用,s,0,表示,。,眼睛可分为,正常眼,与,非正常眼,，非正常眼主要有,近视眼,和,远视眼,。,Nearsightedness(myopic),Correction,Negative lens,远点,远点,远视眼,Farsightedness(hyperopic),近点,Correction of the farsighted eye,Positive lenses,近点,近点,散光：,Astigmatism,由于眼睛的角膜曲面不对称，使得,折射球面变为非球面,，且沿不同主截面上的焦距大小不同，从而导致不同方向的成像清晰度不同。,Anamorphic lenses,A test for astigmatism of the eye.View this figure through one unaided eye.,(b),视角,物体的“视大小”取决于视网膜上像的大小，,它又取决于被看物对眼睛节点,N,所张的角,视角,U,。,(c),角分辨极限,白天，,最小分辨角,约为,1,(d),瞳孔直径：,2 mm,8 mm,，,随环境明亮程度而变。,The angular size of an object,U,4.2,助视仪器的放大本领,一个短焦距凸透镜,The simple magnifier is a converging lens with an object placed near the focal points.The image is virtual and far away.,放大镜,The magnifying glass,视角放大率,The magnifying power,or equivalently,the angular magnification,用眼睛直接观察物体,眼睛通过放大镜观察物体,裸眼视角,:,新的视角,:,视角放大率,(,放大倍数,),25,以,cm,为单位,单透镜,3,倍,组合,透镜,20,倍,物镜,(,o,bjective),，,目镜,(,e,yepiece),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,A compound microscope,小物经物镜成一个放大的实像，它作为目镜的“物”，再经目镜成放大的虚像。,(,目镜起放大镜的作用，眼睛通过它去看经物镜所成的实像。所以，中间实像成在目镜的焦平面上。,),显微镜的镜筒长度,d,=16,cm,光学筒长,经物镜，,显微镜光路,:,经目镜后，有视角,:,可替换的物镜、目镜分别标有,O,、,M,E,值,代入,y,1,可得到经目镜后的视角,:,裸眼看原物，应有视角,:,总的视角放大倍率,:,Practical microscope objective,4.5,望远镜的放大本领,光焦度,=0,，,望远系统(,无焦系统,),用来观察远处大物体的助视仪器,入射平行光变为出射平行光,The telescope,Refracting telescope,折射式望远镜,1.,开普勒望远镜,:,Keplerian,astronomical telescope,直接观察时的视角,:,通过望远镜观察时的视角,:,物镜,目镜,眼睛,总的视角放大率,对于无焦系统，,视角放大率,M,=,光线角放大率,“无焦”是这种系统的性质，并不要求物在无限远,只讲绝对值，,M,1,，,1,，,必有,1,(,空气中)。这就是说，有限远的物经望远系统成缩小的像。,约束,:,Galilean astronomical telescope,2.,伽利略望远镜,:,总的视角放大率,:,眼睛,物镜,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,调节,目镜到物镜的距离,。,这时，望远镜不再是严格的望远系统。,伽利略型的缺点：,视场小,(,倾角稍大的光线在出射后不能进入眼睛,);,无中间实像,(,不好装叉丝或刻度尺,)(,作为扩束器这恰好是优点,),。,倒装望远镜可作为很好的激光,扩束器,。,大型天文望远镜，,反射式,的,Reflecting telescopes,A mirror replaces the objective for the purpose of creating an intermediate image,Resolution,Light-gathering power,No chromatic aberration,Advantages:,主镜：抛物面镜,Primary mirror,Secondary mirror,卡塞格林型的,(Cassegrain),格雷哥利型的,(Gregoeian),牛顿型的,(Newtonian),抛物面,抛物面,椭球面,抛物面,双曲面,折反系统：施密特,系统,Schmidt optical system,大孔径，广视场。,1931,年由德国光学家,施密特发明，,球面主镜 加 校正板，以消除球差。,20,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。,1976,年原苏联制造了口径,6,米的望远镜，安装在高加索山天体物理天文台。,我国最大的望远镜，是,1989,年安装在北京天文台兴隆观测站的,2.16,米反射望远镜，这是我国自己研制生产的。,1948,年由美国制造的口径,5.08,米的反射望远镜，安装在帕洛玛天文台（位于智利），曾居世界领先地位。,哈勃空间望远镜（,Hubble Space Telescope,）,1990,年,4,月,24,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。,哈勃空间望远镜,是由美国国家航空与航天局（,NASA,）和欧洲空间局（,ESRO,）联合研制的，,其主体为长,13,米、直径,4.3,米的圆筒，望远镜主镜口径,2.4,米，总重量为,12.5,吨，研制历时,13,年，耗资,21,亿美元,，由发现号航天飞机带到了高度为,600,公里的空间轨道，实现了天文学家,从大气层以外空间观测天体,的愿望。,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,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 seen,Galaxy Messier 81,Uranus is surrounded by its four major rings and by 10 of its 17 known satellites,星云,天王星,