光学教程

BasicPrinciplesofOpticalInstrument像差与色差像差：偏离理想成像的现象。色差：有不正确色彩出现的像差（光源为复色光）。色差产生的原因：不同波长的光对光学仪器的折射率不同。像差产生的原因：由于成像时光线不满足近轴光线条件或者物点不满足近轴物点的条件，导致了所成像的清晰程度受到的破坏。球差：由主轴上某一物点向光学系统发出的单色圆锥形光束，经该光学系统折射后，若原光束不同孔径角的各光线，不能交于主轴上的同一位置，以至在主轴上的理想像平面处，形成一弥散光斑（俗称模糊圈），则此光学系统的成像误差称为球差。光学仪器中的两对基本矛盾矛盾一：成像的清晰程度和像场的明暗程度关系。几何观点：要成像清晰，尽可能消除色差和像差，必须是近轴光线和近轴物点，另需要消色差装置；从能量角度考虑进入光具组的光束不宜太窄，这两者不可兼得。矛盾二：成像的清晰程度与细节分辨程度的关系。波动观点：减小像差必须限制入射光束的截面，光束越受限制衍射越显著。衍射和像差光学仪器的设计需要注意权衡放大本领、聚光本领和分辨本领等方面的得失。§4.1人的眼睛§4.2助视仪器的放大本领一.放大本领定义(正常眼明视距离为25cm)助视仪器：用以改善和扩展视觉的光学仪器。放大本领：即像呈现于明视距离时的线度与物体的线度之比。UUtgUtgUllM'''25)('yUfyfysyUfUUM25'1、放大镜的放大本领提高放大本领的途径减小焦距oPQP’Q’'UF22123fdff2、目镜的放大本领(1)惠更斯目镜（Huygenseyepiece）12132fdff(2)冉斯登目镜（Ramsdeneyepiece）3、显微镜的放大本领最简单的显微镜是由两组透镜构成的，一组为焦距很短的物镜，另一组是目镜。（1）显微镜的光路图●●●'U'1F1F2F'-yy2'fyU（2）放大本领25yU目物MyfyyfyUUM'2'2'2525//'分别在目镜和物镜上刻有10×，20×等lfffff2121目物MfflfM212525方法二:用复合光具组法导出β0,M0,像倒立提高放大本领的途径减小两者焦距观察远处的物体，要用望远镜来增大视角。望远镜和显微镜相似，也是由物镜组和目镜组两个透镜组构成的。但是跟显微镜相反，望远镜中物镜的焦距长，而目镜的焦距短。根据物镜的不同分为反射式和透射式望远镜。物镜和目镜同是凸透镜的望远镜叫做开普勒望远镜；目镜是凹透镜的望远镜叫做伽利略望远镜。我们这里主要讨论开普勒望远镜。4、望远镜的放大本领1fyU2121'ffffUUM2'fyU讨论（1）M0，成倒立的像；（2）提高放大本领需缩小目镜焦距，增大物镜焦距（必然增大物镜口径）。⑴开普勒望远镜⑵伽利略望远镜伽利略于1609年研制，这种望远镜的特点是用发散透镜来做目镜。物镜的像方焦点仍与目镜的物方焦点相重合。成正立的像不同点：①开氏的视场较大，而伽氏的视场较小。②开氏的目镜物方焦平面上可放叉丝或刻度尺，伽氏则不能。③开氏的镜筒较长，而伽氏的镜筒较短。无焦系统)..(0221ffdffd共同点:①望远光具组:光学间隔特点：平行光束通过时，透射出来的仍是平行光，但方向改变。整个光具组的焦点在无限远处。②二者的横向放大率β都小于1（像是缩小的）。可见M与β不同。△＝0讨论⑶反射式望远镜结构大型天文望远镜的消色差，校正球差。物镜是用孔径大的反射镜制成的。特点类型和光路图Newton:AB（抛物面）CD（平面）目镜Gregory:AB（抛物面）CD（椭球面）目镜Cassegarain:AB（抛物面）CD（双曲面）目镜Schmidt:CD（校正镜）AB（凹球面）Hubble:主镜（双曲面）副镜（双曲面）反射望远镜的优点1.消色差任何可见光均聚焦于一点。2.镜筒短通常镜筒长度只有主镜直径八倍，所以比折射镜筒约短两倍。短的镜筒操作方便，又容易制造稳定性高的脚架。3.价钱便宜光线只在主镜表面反射，制镜者可以购买较经济的普通玻璃去制造反射镜的主要部份。实际应用的几种望远镜折射望远镜反射望远镜折反射望远镜⑷双筒望远镜常见的望远镜大多是开普勒结构，即目镜和物镜都是凸透镜（组），这种望远镜结构导致成像是倒立的，所以在中间还有正像系统。8x30——8就是俗称的放大倍率，指的是物体通过望远镜后在视网膜上成像的角放大率。30是指物镜的直径，单位是毫米。这是望远镜最主要的指标，假货为了迎合大众追求高倍的心理，大多在这里做文章，例如300x80这样违背基本光学原理的标注；还有的标为8x21倍，也显然意图进行误导。很多人问这样的问题：望远镜能看多远？答案是无限远。选择望远镜有很多比倍数重要的东西，例如出瞳直径，视场。并不能以倍数为唯一标准。因为倍数超过望远镜规格所允许的标准的话清晰度反而会下降。例如物镜直径为50毫米的望远镜，一般来说倍数也不应该超过50倍。事实上，一台10倍左右的望远镜足以满足我们大多数使用要求了。⑸哈勃太空望远镜哈勃太空望远镜是美国宇航局1990年由发现号航天飞机送入太空的，光学系统为反射式望远镜。由两个双曲面反射镜（主镜和副镜）组成，两者相距4.5m，主镜直径2.4m，副镜直径0.3m。优点：避免了地面杂光和天气等的影响，克服了大气湍流带来的干扰及地球复杂运动的影响。⑹激光扩束器§4.3光阑、光瞳一、光阑(diaphragm)对通过光学系统的光束起限制作用的光学元件。如透镜、反射镜等本身的边框，也可以是另外设置的带孔的不透光屏等。二、有效光阑和光瞳1.有效光阑：在所有各光阑中，限制入射光束最起作用的光阑称为有效光阑，也称为孔径光阑。对没有其他光阑的单透镜，透镜本身的边框就是孔径光阑。孔径光阑可遮掉光束中偏离傍轴光线较多的光线，对像的清晰度、亮度和景深等有直接影响。有效光阑总是对某一个指定的参考点而言。有效光阑与物点的位置有关P1P1’P2P2’u1u2有效光阑与物点位置的关系有效光阑在物空间中的等效孔径有效光阑在像空间中的等效孔径入射光瞳(入瞳)是限制入射光束的有效孔径,是有效光阑对前方光学系统所成的像出射光瞳(出瞳)是限制出射光束的有效孔径,有效光阑对后方光学系统所成的像2.光瞳（pupil）（入射光瞳与出射光瞳统称为光瞳）在这个系统中，有效光阑同时也是出瞳有效光阑入瞳--有效光阑对前方系统成的像uu’在这个系统中，有效光阑同时也是入瞳有效光阑出瞳--有效光阑对后方系统成的像uu’？入瞳出瞳入瞳出瞳孔径光阑共轭共轭uu’孔径光阑出瞳入瞳？？共轭入瞳出瞳入射光瞳与出射光瞳对整个光具组共轭入射孔径角出射孔径角有效光阑与光轴上物点位置有关，欲确定有效光阑，必须首先明确是对光轴上哪个物点。将系统所有的通光孔成像于光学系统的物空间，其中对轴上物点张角最小者，称为入瞳，入瞳对应的物叫做有效光阑。有效光阑对其后光学系统所成的像，为出射光瞳，简称出瞳。三.怎样确定有效光阑？如图所示，以薄透镜L和光阑AB为例，设物点在F点光阑AB为有效光阑Luu例：求有效光阑例、孔径都等于4cm的两个薄透镜组成同轴光具组，一个透镜是会聚的，其焦距等于5cm；另一个是发散的，其焦距为10cm。两个透镜中心的距离为4cm。对于会聚透镜前面6cm处的一个物点，试问：1）哪一个透镜是有效光阑？2）光瞳的位置和大小？§4.7光度学概要——光能量的传播光度学：是对可见光的能量的计量研究。在光度学中，把光看作是沿光线行进的能量流，并且遵从能量守恒定律，即光束的任一截面在单位时间内所通过的能量为一常数。但光度学并不是几何光学的一部分，只是因为在许多实际情况下，几何光学的模型可以作为研究光度学的基础。一、辐射通量（辐射功率）ε面积元ds的辐射通量单位时间内面积元ds辐射出来的所有波长的光能量。dedd)(,总辐射通量从光源面积元ds辐射出来的波长在λ～λ+dλ间的辐射通量为从光源面积元ds发出的各种波长光的总辐射通量为三、光通量Φ（主观和客观的结合）光通量表示光源表面的客观辐射通量对人眼所引起的视觉强度。Wlmkm/683光通量的单位是流明（lumen），简称流，符号：lm。dd683单色光光通量的表示式可写为：四、发光强度I发光强度是表征光源在一定方向范围内发出的光通量的空间分布的物理量，在数值上等于点光源在单位立体角中发出的光通量是点光源在某一方向上所张的立体角元ddddsin在球坐标系中0,20sindIdd点光源所发出的总光通量、对于均匀发光体，I不随而变化I4四、发光强度I（点光源）[长度质量时间电流强度热力学温度物质的量发光强度][mkgsAKmolcd]在国际单位制中,发光强度的单位是坎德拉(candela),符号是坎（cd）.6831srwHz1040.5141979年第16届国际计量大会规定坎德拉的定义为：“坎德拉是一光源在给定方向上的发光强度，该光源发出频率为的单色辐射，而且在此方向上的辐射强度为”。Sr——球面度坎德拉是国际单位制中七个基本单位之一，光度学中其余单位都是导出单位。照度是表征受照面被照明程度的物理量，它可用落在受照物体单位面积上的光通量的数值来量度，即⒈点光源的照度E2m1lm1lx照度的单位：1lm的光通量均匀分布在1m2的表面上所产生的照度。勒克斯（lux），代号：勒（lx）五、照度EdSdE，是受照物体的面元。dSdSdEIdd22cos'RdSRdSd2RIdSIdcoscosdsdd六、亮度L（扩展光源）朗伯定律：dddcosds在立体角中发射出的光通量正比于和发光体表观面积的大小，即：dLdsdcosddsdLcos比例系数L和发光面的特性有关，与θ无关，称为亮度。单位：cd/m2它是表征发光面发光强弱并与发光表面特性有关的物理量。coscosdsdILddsdL通常扩展光源上每一面元的亮度L随方向而变化。如果发光强度，亮度不随角度变化，这类光源称为遵从朗伯定律的光源，也叫余弦发射体或者朗伯光源。如太阳辐射cosdsdI发光强度和亮度的概念不仅适用于自身发光的物体，还可以推广到反射体。如积雪、白墙以及十分粗糙的白纸一、显微镜的聚光本领数值孔径§4.8物镜的聚光本领物镜的聚光本领是描述物镜聚集光通量能力的物理量，可以用像面的照度来量度。1、面元dS对应的入射光通量由亮度的定义1111cosdSduLduudduud111sin2001111sincosuuduudSuLdd则对整个入射光瞳的光通量dd设光具组不吸收光通量若发光体遵从朗伯定律，L不随u1改变udSLd2sin2001111sincosuuduudSuLdd2、像面照度'sin'220dSdSunLdSdE2201sin'unLE2'nnLL022'LnLnL——数值孔径(numericalaperture)令unRANsin..22..01'ANRLE提高像面照度的途径：增大数值孔径显微镜的聚光本领unLdSdE220sin'代换usinpxxdu2sinfxfxfxxpppffx为物像的横向放大率ddp/二.望远镜的聚光本领相对孔径'sin'2dSuLd'fd式中为相对孔径。2''fdE2220222202'220220''4''41'4'''sin''pppppfdnLfdnLxxdnLunLE望远镜的聚光本领d必须很大讨论：对于足够远的物体，可