第三章 光學(xué)儀器

第三章光學(xué)儀器第一頁，共十九頁，編輯于2023年，星期四§1眼睛

眼睛的主要部分是晶狀體，它的曲率通過睫狀肌來調(diào)節(jié)。正常視力的眼睛，當(dāng)睫狀肌完全松弛的時候，無窮遠(yuǎn)處的物體成像在視網(wǎng)膜上。為了觀察較近的物體，睫狀肌壓縮晶狀體，使它的曲率增大，焦距縮短，因而眼睛有調(diào)焦的能力。眼睛睫狀肌完全松弛和最緊張時所能清晰看到的點，分別稱為調(diào)焦范圍的遠(yuǎn)點和近點。一般人眼對相距25cm處的物體看得是最舒適的，這個距離稱為明視距離。第二頁，共十九頁，編輯于2023年，星期四人眼的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，為了討論問題的簡便，常把人眼簡化為一個單球面折射系統(tǒng)，如圖所示。簡化眼n=1.33n=1.0R=5.56R=9.7mm第三頁，共十九頁，編輯于2023年，星期四n=1.33n=1.0R=5.56R=9.7mm折射面的曲率半徑像方介質(zhì)的折射率網(wǎng)膜的曲率半徑物方焦距像方焦距光焦度5.56mm1.3339.7mm-16.70mm22.26mm59.88D簡化眼眼睛簡化成一個折射球面的模型，即簡化眼第四頁，共十九頁，編輯于2023年，星期四(a)近視眼的矯正(b)遠(yuǎn)視眼的矯正對于近視眼，當(dāng)睫狀肌完全松弛時，無窮遠(yuǎn)處的物體成像在視網(wǎng)膜之前，它的遠(yuǎn)點在有限遠(yuǎn)的位置。矯正的方法是戴凹透鏡的眼鏡，凹透鏡的作用是將無窮遠(yuǎn)處的物體先成一虛像在近視眼的遠(yuǎn)點處，然后由晶狀體成像在視網(wǎng)膜上，如圖(a)所示。對于遠(yuǎn)視眼，無窮遠(yuǎn)處的物體成像在視網(wǎng)膜之后，它的近點一般離眼較近。矯正的方法是戴凸透鏡的眼鏡，凸透鏡的作用是近點以內(nèi)一定范圍的物體先成一虛像在近點處，然后由晶狀體成像在視網(wǎng)膜上，如圖(b)所示。

第五頁，共十九頁，編輯于2023年，星期四§2照相機照相機的光學(xué)原理就是利用會聚透鏡形成實像。如圖所示，將拍攝物體成像在照相膠片上，照相機主要有以下幾部分：

照相機原理圖感光材料快門鏡頭光圈(1)照相物鏡，俗稱鏡頭，它使物體產(chǎn)生清晰的像。(2)光圈，它是在鏡頭中的可變孔徑光闌，控制成像的光照度和改變空間成像的景深。(3)快門，用它的打開時間的長短來控制照射在感光材料上的光通量，以形成清晰的像。第六頁，共十九頁，編輯于2023年，星期四為了盡可能拍攝較廣闊的外界景物，鏡頭必須有較廣闊的視場，通常照相機的視場角為50~60，某些特殊的廣角鏡頭可達(dá)120。鏡頭的結(jié)構(gòu)種類很多，可是就整體而言，仍然是一個會聚透鏡系統(tǒng)，焦距是鏡頭的一個重要參數(shù)，在相同物距的條件下，物鏡的焦距愈大所成的像也愈大，所以，物鏡的焦距決定了拍攝時物像的整個比例。

感光材料快門鏡頭光圈第七頁，共十九頁，編輯于2023年，星期四物鏡的孔徑D與焦距f的比值稱為相對孔徑，它決定成像面的照度和景深。由于大部分鏡頭的孔徑總比焦距小，所以通常采用1:f/D來表示，如1:1.4,1:2.0,1:2.8等。對于一定亮度的物體，物鏡所成像的光照度與相對孔徑D/f的平方成正比。所以相對孔徑為1:2.0的物鏡，其像面上的光照度比相對孔徑為1:2.8的物鏡的光照度高一倍。

感光材料快門鏡頭光圈第八頁，共十九頁，編輯于2023年，星期四雖然理論上只有與膠片共軛的平面上的景物才能清晰成像于膠片上，但人眼或接收器對像的清晰度的分辨本領(lǐng)有限，就存在一定的物距范圍內(nèi)的物點所成的像都認(rèn)為是清晰的，這一定的物距范圍稱為景深。景深與光圈、焦距和物距有關(guān)。如光圈直徑越小，景深越大；焦距越短，景深越大；被攝景物越遠(yuǎn)，景深越大。

快門是控制光線進(jìn)入物鏡時間長短的一種裝置，一般安裝在鏡頭組中間。快門打開后，光線才能照射到膠片上，稱為曝光。照相時，曝光時間與光圈大小恰當(dāng)?shù)嘏浜鲜褂?。感光材料快門鏡頭光圈第九頁，共十九頁，編輯于2023年，星期四數(shù)碼相機與傳統(tǒng)照相機的主要差別是像的接收方式不同。數(shù)碼相機是將鏡頭聚焦的影像投射在光電轉(zhuǎn)換器芯片CCD（電荷耦合半導(dǎo)體器件）上，CCD將景物的光信號轉(zhuǎn)化成電信號；然后將數(shù)據(jù)傳輸?shù)侥M電子信號處理器上，轉(zhuǎn)換成電腦能識別的數(shù)碼信號，通過數(shù)碼壓縮處理后儲存在閃爍式電子芯片上，最后經(jīng)過各種運算轉(zhuǎn)換為圖像的數(shù)碼文件，供后期處理使用。

感光材料快門鏡頭光圈第十頁，共十九頁，編輯于2023年，星期四§3顯微鏡

我們能不能看清一個物體，視角的大小十分重要。如圖所示，物體兩端AB對眼睛（光心）的所成的張角稱為視角，視角放大率就是目視光學(xué)儀器的一個重要指標(biāo)。

視角的變化U1U2AABBAABB 為了看清物體細(xì)節(jié)，可以把物體移近眼睛，以增大視角，但這移近有一個限度，若要進(jìn)一步看清，需借助光學(xué)儀器。

第十一頁，共十九頁，編輯于2023年，星期四放大鏡、顯微鏡和望遠(yuǎn)鏡等都可以放大視角。但是，簡單的放大鏡的放大率太小，最多10~20倍，甚至不能滿足觀察一般生物切片的要求。為了提高放大率，必須采用組合放大鏡顯微鏡。

顯微鏡外形圖物鏡目鏡顯微鏡的構(gòu)造比較復(fù)雜，可分成兩組，一組為物鏡，另一組為目鏡。在放大鏡（目鏡）前面加一個焦距極短的會聚透鏡，稱為物鏡。第十二頁，共十九頁，編輯于2023年，星期四顯微鏡的光路圖Q

PQPQP

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待觀察物體PQ置于物鏡物方焦點外側(cè)附近，使之在目鏡物方焦平面內(nèi)側(cè)很近處成實像P

Q

；

再經(jīng)目鏡成虛像PQ于明視距離處。可以看出，顯微鏡通過放大觀察對象增大對人眼的視角。

第十三頁，共十九頁，編輯于2023年，星期四當(dāng)高為h1的物在明視距離處，對眼睛所張的視角顯微鏡所成的虛像PQ所張的視角

顯微鏡的視角放大率M為

為物鏡的橫向放大率為目鏡的視角放大率

Q

PQPQP

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y2y1U第十四頁，共十九頁，編輯于2023年，星期四所以，顯微鏡的視角放大率等于物鏡的橫向放大率和目鏡的視角放大率的乘積。通常在顯微鏡物鏡和目鏡上分別刻有10，20等字樣，以便我們計算顯微鏡的視角放大率。常用顯微鏡放大率可達(dá)到1500倍以上。顯微鏡的放大率受到光的衍射的限制，光在顯微鏡物鏡圓孔限制下出現(xiàn)衍射，使物點成一像斑，影響了顯微鏡的物體細(xì)節(jié)的分辨率?？梢酝ㄟ^增大物鏡孔徑和縮短波長來減小衍射影響，提高分辨率。如電子顯微鏡就是通過減小波長提高分辨率，電子顯微鏡的分辨率可達(dá)到0.2nm，因此，電子顯微鏡主要用于觀察固體表面的形貌。

第十五頁，共十九頁，編輯于2023年，星期四§4望遠(yuǎn)鏡

為了增大遠(yuǎn)處的物體在人眼視網(wǎng)膜上形成的像，用望遠(yuǎn)鏡使遠(yuǎn)距離的物體成像在近距離處，增大對人眼的視角。望遠(yuǎn)鏡一般可以分成伽利略望遠(yuǎn)鏡和開普勒望遠(yuǎn)鏡兩種。 望遠(yuǎn)鏡也是由物鏡和目鏡組成，以開普勒望遠(yuǎn)鏡為例說明望遠(yuǎn)鏡的原理。-U

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物鏡目鏡第十六頁，共十九頁，編輯于2023年，星期四-U

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物鏡目鏡(1)從遠(yuǎn)處物體射來的光線可看作平行光線，它們通過長焦距物鏡后，在物鏡的像方焦平面上形成倒立的實像(縮小)。(2)目鏡在望遠(yuǎn)鏡和顯微鏡中都起到放大鏡的作用，如果調(diào)節(jié)目鏡，使物鏡所成的像恰好在目鏡第一焦平面的內(nèi)側(cè)，則經(jīng)過目鏡后，在明視距離處形成一個放大的虛像。第十七頁，共十九頁，編輯于2023年，星期四望遠(yuǎn)鏡的兩組透鏡的焦點幾乎是重合的（對無窮遠(yuǎn)時兩者嚴(yán)格重合），從圖中可以看出:-U

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物鏡目鏡最后虛像對目鏡所張的視角為

物體對眼睛所張的視角為

雖然物鏡所成的像比原來物體小，但它與人眼距離很近，加上目鏡所成的像有放大作用，視角就可以變得很大。