第四章 光学仪器

一、人眼的构造人眼的水平切面1.巩膜：白色坚韧,厚0.4~0.8mm2.角膜：透明，R:8mm●14.视神经3.脉络膜：黑色不透光8.前房液—水状体:淡盐溶液,折射率1.3379.后房液—玻璃体:含大量水份胶状物,折射率1.3364.虹膜：带色的彩带5.瞳孔：直径：1.4~8mm6.晶状体—眼珠,折射率为1.42的胶状物,前后曲面半径:10mm,6mm7.睫状肌10.视网膜:视神经网11.盲点:不引起视觉12.黄斑点直径:2mm13.中央窝:最敏感直径0.25mm从上页图看出：人眼是一个由角膜、水状液、晶状体和玻璃液所组成的，物、像方折射率近似相等的，可变焦距的，共轴复杂光学系统（光具组）。它能在视网膜上清晰成像。人眼是一个能自动调节的精密的光学仪器。其结构相当复杂。在许多情况下将其简化成如下的模型：34'nmmf8.22'mmf1.17mmR8.9'mmR7.5D48.58FOF‘光心二、简化眼1、定义：为使不同距离的物体都能在视网膜上成清晰像而改变眼睛焦距的过程。人眼的调节方式有两种：自动调节（自调节）和被动调节（矫正）。2、自调节：正常人眼靠睫状肌的松驰或紧张来改变晶状体的曲率半径，从而改变人眼焦距的过程。是人眼自动完成的。远点：人眼能看清楚的最远点。人眼看远点处的物体时，睫状肌处于完全松驰的状态，晶状体曲面的曲率半径最大。近点：人眼能看清楚的最近点。人眼看近点处的物体时，睫状肌处于最紧张的状态，晶状体曲面的曲率半径最小。三、人眼的调节说明：①自调节有一定的限度：近点和远点之间。②人眼疲劳程度与睫状肌的松紧程度有关：看远物时，肌肉松驰，不易疲劳；看近物时，肌肉紧张，容易疲劳。③近点、远点和调节范围随年龄的增长而变化；近点变远：幼年7~8cm；中年25cm；老年1~2m。远点变近：幼年—无限远；老年—数米。随年龄的增长，肌肉老化，自调节范围变窄。④适当照明下，正常眼观察眼前25cm处的物体是轻松的，且能看清物体的细节。称25cm为明视距离。因此，在设计和使用助视仪器时一般都使虚像成于明视距离、无穷远处或其间的某一位置处。三、人眼的调节3、人眼的缺陷及矫正——被动调节：外加辅助仪器改变焦距的过程。具备完善的自调节功能的人眼称为正常眼；反之，称为非正常眼。①近视眼：远点在有限远处的人眼。特点：晶状体曲率半径比正常眼小，外形凸出；像方焦点在视网膜前，焦距短。明视距离和远点都变近。配镜计算方法是，将正常眼视点（s0＝－25cm）处的物经眼镜成像于近视眼的视点处。三、人眼的调节利用明视距离变近计算：例某人的眼睛的明视距离为眼前10cm，应配多少度的眼镜？解：将s’=－0.1m,s=－0.25m,代入薄透镜物像公式：度600)(641025.011.011'11Dssf三、人眼的调节明视距离OF‘矫正前明视距离OF‘近点矫正后POF‘OF‘远点矫正前P‘OF‘远点远物矫正后[例]一个远点为0.2m的近视眼戴上眼镜后远点可恢复到无穷远。求所戴眼镜的光焦度。)(500)(52.011111:1112.0:][''''''度有由空气中的高斯公式已知解Dsssffssmss利用远点变近计算：②远视眼：近点比正常眼远的人眼特点：晶状体曲率半径比正常眼大；像方焦点在视网膜后，焦距长。远视眼的特点是明视距离和远点都变远。配镜计算方法是，将正常人眼明视距离处（s0＝－25cm）的物经眼镜成像于远视眼的近点或明视距离处。OF‘明视距离OF‘近点矫正前明视距离OF‘近点矫正后明视距离OF‘近点[例]求一个近点为125cm的远视眼所戴眼镜的光焦度.s's)(320)(2.325.0125.11111:25.125.0,:]['''度式有由空气中的透镜成像公已知对所戴凸透镜而言解Dssfmsms③散光眼：角膜为椭球面的人眼。也称为像散眼。由于椭球有两个对称平面，分别包含长、短轴，因而具有两个不同的焦距。主轴上的一个物点将成两条像线——像散。矫正方法：戴柱面透镜。利用其像散作用，与散光眼的像散相抵消。近视（或远视）+散光：戴一付一面为球面、一面为柱面的透镜。球面用于矫正近（远）视，柱面用于矫正散光。三、人眼的调节助视仪器：帮助人眼（正常、非正常）看清物体（远、近、大、小）的光学仪器。一、放大本领1、定义：如右图示llM'POQ’P‘QH’HU’'lOPQUl物体PQ经助视仪器成虚像P‘Q’，再经人眼成像于视网膜上，其像长为；去掉助视仪器后将同一物体置于原虚像所在处，对人眼直接所成像长为，则两个像长的比值称为该助视仪器的放大本领。用M表示。l'l一、放大本领2、说明：①必须在同一特定位置比较两像大小。放大镜和显微镜：明视距离处（25cm）；望远镜：无穷远处。②在近轴条件下UUllMUstgUslUstgUsl'''''''''即：M等于两视角之比S’POQ’P‘QH’HU’'lOPQUl③由上式可看出：助视仪器的作用就是增大人眼视角，从而改善和扩展视野。④注意放大本领与角放大率的区别。一、放大本领UUM'uu'.,:,;,:,''不是共轭量无助视仪器时的视角是对有是一对共轭量出射线的倾角是对一个光具组的入、UU、uu二、放大镜1、定义：帮助人眼看清微小物体及其细节的助视仪器。作用：将被观察物体成一放大虚像，从而增大其对人眼的视角，并非将物体移近。2、放大本领：Q`P`y`PQyFLO-f-s`'lU‘OlyQPU‘cm25使用放大镜的视角：````fyfysyU以最简单的放大镜--凸透镜为例:未用放大镜的视角：25yU简单放大镜的放大本领：为单位以cm`f`25`fUUM二、放大镜一、目镜1、定义：用于观察其它光学系统所成像的放大镜。•性质：放大镜。由复合透镜组构成的放大光具组。•作用：放大其它光具组的像，从而增大视角。•要求：A、具有较高的放大本领和较大的视角；B、具有一定的校正像差和色差的能力。∴目镜通常由两个或多个透镜组合而成。复杂的助视仪器总是由物镜和目镜组成，靠近物体的称为物镜；靠近人眼的称为目镜。目镜通过放大物镜所成的像达到增大人眼视角的目的。2、结构：场镜+视镜+（分划板或称刻度尺）•场镜：面向物体（即物镜的像）的透镜（或透镜组）•视镜：接近人眼的透镜（或透镜组）•分划板：包含可移动叉丝的透明刻度尺，用于提高测量精度二、常用目镜1、惠更斯目镜⑴结构：如图示①②③①②③Q⑵特点：•场镜、视镜均为同种材料的平凸透镜，且均以凸面朝向物体。•场镜焦距为视镜焦距的3倍，两透镜光心之间的距离为视镜焦距的2倍，所以场镜视镜的象方焦点重合。1o2oF'1F2F'2F'Q•光路图：如上图示。可适当调节物镜和目镜的距离，使Q’刚好在视镜的物方焦平面上，使出射光束为平行光束。•由于场镜的物为虚物，所以这种目镜无法对物镜所成的象进行测量•分划板应配置于F2Q‘处，用于测量场镜的像的大小。由于分划板仅对视镜成像，场镜的消像差作用未起作用，因而，视镜的像差将使分划板的像仅在中央部分清晰，测量误差较大。•此目镜的视角大（可达400），结构紧凑，适用于生物显微镜。二、常用目镜2、冉斯登目镜⑴结构：如图示⑵特点：1o2oF'1F2FQ312123'Q321•场镜、视镜均为同种材料的平凸透镜，二镜凸面相向，平面朝外。•场镜、视镜焦距相同，两镜光心的距离为焦距值的2/3。•光路图：如上图示。可适当调节物镜和目镜的距离，使Q’刚好在视镜的物方焦平面上，使出射光束为平行光束。•由于场镜的物为实物，所以可用其对物镜所成的象进行测量。分划板应配置于FQ处，由于分划板同物FQ一样既对场镜，也对视镜成像，所以，场镜的消像差作用起作用，因而，可在大范围内清晰成像，测量精度高。•此目镜既可用于观察象，也可用于观察物，并可由配备的分划板对物镜所成的象进行测量，适用于测微目镜。注：两种目镜均能放大像，增大人眼视角；但冉镜还可用于直接观察实物，配上分划板可精确测量实物和物镜所成的像的长度。帮助人眼观察微小物体的放大镜，称为显微镜。其物镜和目镜均由共轴光具组构成。其放大本领远大于简单放大镜和目镜。一、结构F1o1F1’F2o2目镜系统物镜系统-U`O-U``PQP`Q’y'yP’’Q’’惠更斯目镜明视距离二、光路图特点：物体PQ置于物镜系统（焦距很短）的物方焦平面F1附近，成实象P`Q`；P`Q`位于目镜系统（焦距很短）物方焦平面F2附近，成放大的虚象P``Q``。整个显微镜系统最终成放大倒立虚象于明视距离处。F1o1F1’F2o2目镜系统物镜系统-U`O-U``PQP`Q’y'yP’’Q’’明视距离l2f'1f镜筒长度整个系统的像方焦距为：'2'1'fff显微镜作为一个放大镜，其放大本领为：'2'1'2525fffM'1sl为保证成尽量大的像，物镜和目镜焦距均很小'2'1'2'12525fflffM1、表达式：三、放大本领2、讨论：①1'1'1'1'1'1'1'11'1,fxfsflxslOF几乎重合与由于即为物镜的横向放大率，其中，“—”号表示物镜成倒立像②2'225Mf为目镜的放大本领③21MM200:,5,40:21MM则目镜物镜例④显微镜也是将物体直接放大，达到增大视角的目的。显微镜放大本领等于物镜横向放大率与目镜放大本领的乘积。⑤显微镜将微小物体成放大的像，常用于观察近距离处肉眼难以看清的细小物体。三、放大本领一、定义定义：帮助人眼观察远处物体的放大镜。作用：将远物从物空间移至望远镜的像空间，从而增大对人眼的视角。∴人眼以对望远镜像空间的观察代替了对物空间的观察。性质：是一种放大镜。只是不是将物体直接放大，而是将远物移近，从而增大视角。结构：物镜系统+目镜系统分类：①按物镜的种类分：A、反射式望远镜：物镜为反射镜；B、折射式望远镜：物镜为透镜。②按目镜种类分：A、开普勒望远镜：目镜为会聚透镜；B、伽利略望远镜：目镜为以散透镜。三、开普勒望远镜-U‘O-U‘’1、结构特点：物镜和目镜均为会聚透镜，且物镜像方焦点与目镜物方焦点重合。o1F1`F2o2物镜系统目镜系统UP`Q`'yPQQ‘’P‘’2、原理：光路如图示无穷远处的物体PQ发出的平行光入射于物镜系统，成实象P‘Q’于象方焦平面上；因为物镜系统的象方焦平面与目镜系统的物方焦平面重合，故最终由目镜系统出射的光为平行光，成倒立象于无穷远处。（望远镜的结构都这样）三、开普勒望远镜-U‘O-U‘’o1F1’F2o2物镜系统目镜系统UP`Q`'yPQQ‘’P‘’U-U‘’'1f2f3、放大本领2''''''''fyUUQP对人眼的视角最后像由于远物不能任意移近，但却有一定的视角U，当人眼前后移动距离不大时，U不变；即：当去掉望远镜而将人眼移至P‘处观察远物时，人眼的视角'1'fyU'2'12'1''ffffUUM开普勒放大本领注：;,0,0,0:'2'1故成倒立像MffA.,,:'2'1越大越短越长MffBC：目镜的物方焦平面在镜筒内，可以放置分划板叉丝进行测量D：眼睛的位置O在镜筒之外，望远镜的视场较大。E：镜筒长度L=f1’+f2‘，镜筒较长。三、开普勒望远镜四、伽利略望远镜1、结构特点：物镜为会聚透镜和目镜为发散透镜，且物镜像方焦点与目镜物方焦点重合。U`O1O2F1`F2OU’’Q’’PQUU2、原理：光路如图示无穷远处的物体PQ发出的平行光入射于物镜系统，原应成实象P‘Q’于象方焦平面上；但成像前遇目镜，故作虚物对目镜成像；又因物镜系统的象方焦平面与目镜系统的物方焦平面重合，故最终由目镜系统出射的光为平行光，成正立象于无穷远处。Q`'y'1f2f'1'fyU'2'2''''fyfyUU