光学仪器的基本原理

第二章光学仪器的基本原理§1 光阑透镜、反射镜和棱镜等光学元件的框架都有一定的尺寸大小。

它们必然限制成像光束的截面。

有些成像系统为了限制成像光束的截面，还特别附加有一定形状的开孔屏。

我们定义，凡是在光学系统中起拦光作用的光学元件的边框和特加的有一定形状的孔屏统称为光阑。

一、孔径光阑入射光瞳和出射光瞳在实际光学系统中，不论有多少个光阑，一般来说，其中只有一个为孔径光阑，它起着控制进入光学系统的光能量的多少、成像质量以及物空间的深度等作用，故有时也称有效光阑。

研究实际物体对光学系统的孔径光阑的问题十分复杂，很难普遍讨论。

下面仅对轴上物点分析光学系统中对成像起限制作用的孔径光阑。

图2-1中MN为薄透镜L的边缘，AB为开有圆孔的光阑。

在这一系统中，有两个光阑：透镜的框边和光阑AB。

依图2-1所示，这两个光阑中对光线起限制作用的是光阑AB，因此光阑AB是该光学系统的孔径光阑。

轴上物点的位置不同，也会影响孔径光阑，如图2-2所示的光学系统中包括透镜L和开孔屏D，它们都是光阑。

若轴上物点位于Q1点，系统中对成像光束起最大限制作用的是孔屏D。

因此，D是系统对Q1处的物点的孔径光阑。

同样是这个光学系统，若物点放在Q2处，则对成像光束起最大限制作用的是透镜L的边框，因此L是Q2物点的孔径光阑。

找到了孔径光阑，一般情况下还不能直接找出其成像光束通过光学系统的孔径角。

换句话说，给定的轴上物点对孔径光阑的张角并不是实际通过光学系统的光束的孔径角。

产生这种结果的原因是在孔径光阑前后可能还存在其它透镜，对光束起折射作用。

为此我们需要引入入射光瞳和出射光瞳两个新概念。

在图2-3中，有三个光阑：L1边框、AB孔径和L2边框。

对光线起有效控制的是AB光阑。

因此AB是孔径光阑。

A′B′是AB经前方透镜L1所成的像，显然物点Q发出的能够通过光学系统的光束，对L1的最大张角正是物点对A′B′的孔径角。

定义A′B′为入射光瞳。

同理，孔径光阑AB经后方透镜L2所成的像对像点Q′的孔径角为出射光束的最大孔径角，定义这个像A″B″为光学系统的出射光瞳。

实验报告实验名称：光学基本仪器实验实验日期：____年__月__日实验地点：____实验室实验人员：____（姓名）、____（姓名）、____（姓名）一、实验目的1. 熟悉光学基本仪器的构造、工作原理和使用方法；2. 掌握光学仪器的调节和操作技巧；3. 通过实验验证光学原理，加深对光学知识点的理解；4. 培养团队协作能力和实验技能。

二、实验原理光学基本仪器实验主要涉及以下几种光学原理：1. 光的直线传播：光在同一种均匀介质中沿直线传播；2. 光的反射：光线从一种介质射向另一种介质时，在界面处发生反射；3. 光的折射：光线从一种介质射向另一种介质时，在界面处发生折射；4. 光的干涉：两束相干光相遇时，光波叠加产生的现象；5. 光的衍射：光波遇到障碍物或通过狭缝时，在障碍物边缘或狭缝后发生弯曲的现象。

三、实验仪器1. 平行光管：产生平行光束，用于测量透镜焦距等实验；2. 透镜：具有会聚或发散光线的作用，用于成像、聚焦等实验；3. 双棱镜：利用光的折射和反射原理，产生分光现象；4. 干涉仪：利用光的干涉原理，测量光波波长、光程差等；5. 衍射光栅：利用光的衍射原理，进行光谱分析等；6. 光具座：用于放置光学仪器，保证实验过程中的稳定性；7. 读数显微镜：用于测量微小长度、角度等；8. 其他辅助工具：如光源、白屏、狭缝等。

四、实验内容1. 平行光管实验：测量透镜焦距、调节自准直方法等；2. 双棱镜实验：观察光的折射和反射现象，测量光程差等；3. 干涉实验：观察双光束干涉现象，测量光波波长；4. 衍射光栅实验：观察光的衍射现象，进行光谱分析；5. 光学显微镜实验：观察显微镜的成像原理，测量物体尺寸等。

五、实验步骤及结果1. 平行光管实验：（1）将平行光管放置在光具座上，调整光源使其发出平行光；（2）将待测透镜放置在平行光管的光路中，调整透镜位置，使光束聚焦在白屏上；（3）测量透镜到白屏的距离，即为透镜焦距；（4）重复实验，求平均值。

光学仪器的原理与调节光学仪器是一类常见的科学研究和工程应用设备，它利用光的传播、反射、折射等特性来实现对光信号的检测、放大、分析等功能。

在实际应用中，光学仪器的性能受到多种因素的影响，如原理、结构设计、光学元件的质量以及调节方法等。

本文将探讨光学仪器的原理和调节方法，帮助读者更好地了解和应用光学仪器。

光学仪器的原理光学仪器的原理主要涉及光的传播、折射和反射等基本光学现象。

首先，光的传播是指光在介质中的传播过程，根据光的波动性质，光传播的基本原理可以使用亥姆霍兹方程等光学理论描述。

其次，折射是指光从一种介质传播到另一种介质时发生的方向改变现象，根据斯涅尔定律，折射的角度与入射角度和介质折射率之间存在一定的关系。

最后，反射是指光从一种介质向另一种介质传播的过程中，一部分光线返回原介质的现象，反射角等于入射角。

在光学仪器中，常用的原理有干涉、衍射和吸收等。

干涉是指相干光波的叠加现象，通过干涉现象，可以实现对光波的相位和振幅的测量；衍射是指光波在通过障碍物或孔径时发生的波的扩散现象，利用衍射现象可以实现对光波的波长和方向的分析；吸收是指光在介质中能量损失的过程，利用物质对光的吸收特性可以实现对光的能量和振动状态的测量。

光学仪器的调节方法在实际应用中，光学仪器的性能往往需要进行精确的调节和优化。

主要包括以下几个方面的调节方法。

1. 调节光源光源是光学仪器中重要的组成部分，可以通过调节光源的亮度、稳定性和光谱特性等参数来满足实际需求。

常用的光源有白光源、激光器等，通过调节光源的输出功率、频率和波长等参数，可以控制光学仪器的信噪比、动态范围和灵敏度等性能。

2. 调节光学元件光学元件是光学仪器中起到关键作用的组件，包括透镜、棱镜、光栅等。

调节光学元件的位置、角度和形状等参数，可以改变光路的路径和光束的焦距，从而实现对光学信号的调节和操控。

此外，选择合适的材料、表面涂层和形状，可以减小光学元件的散射、吸收和色散等现象，提高仪器的分辨率和灵敏度。

光学仪器的基本原理教学光学仪器是一类广泛应用于光学实验和研究中的仪器设备，包括光学显微镜、光谱仪、干涉仪、激光仪等。

这些仪器的工作原理涉及光的传播、反射、折射、干涉等基本原理。

下面将分别介绍几种常见光学仪器的基本原理。

1.光学显微镜光学显微镜是一种基于光的成像原理实现对样品的观察和分析的仪器。

它包括物镜和目镜两个光学部件。

物镜负责放大样品的像，目镜负责将放大后的像再放大一次供观察者观察。

光学显微镜的基本原理是利用物镜收集的透过样品的光线，通过放大形成透射或反射样品的像。

物镜由一个或多个透镜组成，其中至少有一个透镜靠近样品。

物镜的工作距离决定了样品与物镜之间的距离。

在使用光学显微镜时，样品放置在物镜的焦点处，使得物镜成像距焦点最近。

光线通过样品后被物镜聚焦，形成实物像。

然后通过目镜观察这个实物像，再经过进一步放大，形成最终观察者所看到的虚拟像。

2.光谱仪光谱仪是一种用来分析和测量光的频率、波长和强度分布的仪器。

它是基于光的色散原理工作的，将光按波长分解成不同的光谱线。

光谱仪的基本原理是将出射光经过准直系统后，通过光栅、光晶体或玻璃棱镜将光分散成不同波长的光谱线，然后使用光电探测器测量不同波长的光的强度。

其中光栅是最常用的色散元件。

当入射平行光线通过光栅时，不同波长的光线会在光栅上发生衍射，形成交叉的光束。

测量仪器通过调整光栅的角度，可以使不同波长的光落在特定位置上，然后通过光电二极管等探测器测量光的强度，进而获取光的光谱信息。

3.干涉仪干涉仪是一种用来测量光路差和波长差的仪器。

它是基于干涉现象实现的，利用光的叠加作用实现干涉现象。

常见的干涉仪有马赫-曾德尔干涉仪和弗朗索瓦干涉仪。

它们的基本原理类似，在光路中引入一个光学路径差，使得途径不同路径的光线发生干涉，产生干涉条纹。

马赫-曾德尔干涉仪是通过将光源分成两束，经过不同路径后再重新叠加，观察干涉条纹来测量光程差的变化。

弗朗索瓦干涉仪则是利用分束器和反射镜使一束光经过不同路径后再次叠加，通过干涉条纹测量光波的相位差。

常见的光学仪器知识点归纳光学仪器是利用光学原理和技术制造的用于观测、测量和分析光学现象和光学性质的工具。

常见的光学仪器有显微镜、望远镜、光谱仪、激光器等。

以下是常见的光学仪器知识点的归纳：1.显微镜：-组成结构：显微镜主要由物镜、目镜、光源和调焦系统等组成。

-工作原理：通过物镜放大物体的细节，再通过目镜观察放大后的像。

光源提供照明。

-数字显微镜：具备数字图像处理系统，可以将观察到的图像数字化和存储。

-应用领域：生物学、医学、材料科学等。

2.望远镜：-类型：天文望远镜、光学显微镜、光学望远镜等。

-分类：可分为折射望远镜和反射望远镜两种。

-折射望远镜：利用透镜集中光线，放大远处的物体，适合观察地面、天体等。

-反射望远镜：通过凹面镜将光线聚焦，适合观测天体等。

3.光谱仪：-基本原理：将光分解成一系列不同波长的分光线，再通过检测器接收光信号，用于分析物质组成和性质。

-分类：可分为离散光谱仪、连续光谱仪等。

-离散光谱仪：采用棱镜或光栅将光分散成不同波长的成分。

-连续光谱仪：利用干涉或衍射原理将光分解成连续的波长范围。

4.激光器：-基本原理：通过光放大器将光增强至激光状态，再通过光学谐振腔产生锐利的单色、单向和相干的激光。

-分类：可分为气体激光器、固体激光器、半导体激光器等。

-气体激光器：利用气体的激发态转变为基态释放能量产生激光。

-固体激光器：利用固体材料中的激发态原子（离子）释放能量产生激光。

5.干涉仪：-类型：干涉仪主要有薄膜干涉仪、迈克尔逊干涉仪、马赫-曾德尔干涉仪等。

-原理：利用光的干涉现象测量光的相位差或物体形状等。

-应用领域：干涉仪广泛应用于光学表面检测、薄膜厚度测量、干涉测量等领域。

以上只是对光学仪器知识的简单归纳，实际上，光学仪器领域还涉及到很多专业的知识，如光学设计、光学制造、光学检测等。

光学仪器的发展和创新在科学、医学和工业领域发挥重要作用，为人们提供了更好的观察、测量和分析手段。

光学仪器的结构与成像原理一、光学仪器的基本结构1.透镜：透镜是光学仪器中最基本的元件，分为凸透镜和凹透镜，其作用是对光线进行聚焦或发散。

2.镜筒：镜筒是连接物镜和目镜的部分，起到支持和固定的作用。

3.物镜：物镜位于光学仪器的近端，负责收集来自被观察物体的光线，并形成实像。

4.目镜：目镜位于光学仪器的远端，用于观察物镜形成的实像，并将其放大。

5.支架：支架是用于支撑整个光学仪器的结构，保证仪器的稳定。

6.调节装置：调节装置包括焦距调节、放大倍数调节等，用于调整光学仪器的成像效果。

二、成像原理1.光的传播：光在真空中的传播速度为常数，约为3×10^8m/s。

在介质中传播时，光的速度会发生变化。

2.透镜成像：凸透镜会将平行光线聚焦于一点，形成实像；凹透镜则会将平行光线发散，形成虚像。

3.物镜成像：物镜收集来自被观察物体的光线，形成实像。

实像的大小、位置和方向取决于物体的位置、物镜的焦距等因素。

4.目镜成像：目镜对物镜形成的实像进行放大，形成虚像。

虚像的大小、位置和方向取决于目镜的焦距等因素。

5.成像公式：光学仪器成像的计算公式，如薄透镜公式、厚透镜公式等，用于计算物镜和目镜的焦距、物距、像距等参数。

6.放大倍数：光学仪器的放大倍数等于物镜和目镜的放大倍数的乘积。

放大倍数越大，观察到的物体越放大，但视场越小。

7.像的性质：光学仪器成像时，像的性质包括大小、形状、位置、方向等，这些性质可以通过成像公式进行计算。

三、常见光学仪器及其应用1.显微镜：显微镜是一种用于观察微小物体的光学仪器，广泛应用于生物学、医学等领域。

2.望远镜：望远镜是一种用于观察远处物体的光学仪器，广泛应用于天文观测、军事、航海等领域。

3.照相机：照相机是一种用于捕捉光学图像的仪器，广泛应用于摄影、电影、广告等领域。

4.投影仪：投影仪是一种将图像投射到屏幕上的光学仪器，广泛应用于教育、商务等领域。

5.眼镜：眼镜是一种用于矫正视力的光学仪器，根据个人视力需求，使用不同度数的透镜进行矫正。

光学仪器在国民生产和生活中各个领域广泛应用，绝大多数光学仪器可归纳为望远镜系统、显微镜系统和照明系统三类。

人眼构造：人眼本身就相当于一个摄影系统，外表大体呈球形，直径约为25mm，由角膜、瞳孔、房水、睫状体、晶状体和玻璃体等组成的屈光系统相当于成像系统的镜头，起聚焦成像作用。

眼睛内的视网膜和大脑的使神经中枢等相当于成像系统的感光底片和控制系统，能够接收外界信号并成像。

视度调节：眼睛通过睫状肌的伸缩本能地改变水晶体光焦度的大小以实现对任意距离的物体自动调焦的过程称作眼睛的视度调节。

视觉调节：人眼除了随着物体距离的改变而调节晶状体曲率外，还可以在不同的明暗条件下工作，人眼能感受非常大范围的光亮度变化，即眼睛对不同的亮度条件下具有适应的调节能力，这种能力称为眼睛的视觉调节。

放大镜定义：放大镜(英文名称：magnifier)：用来观察物体细节的简单目视光学器件，是焦距比眼的明视距离小得多的会聚透镜。

物体在人眼视网膜上所成像的大小正比于物对眼所张的角（视角）。

视角愈大，像也愈大，愈能分辨物的细节。

移近物体可增大视角，但受到眼睛调焦能力的限制。

使用放大镜，令其紧靠眼睛，并把物放在它的焦点以内，成一正立虚像。

放大镜的作用是放大视角。

显微镜：显微镜是由一个透镜或几个透镜的组合构成的一种光学仪器，是人类进入原子时代的标志。

主要用于放大微小物体成为人的肉眼所能看到的仪器。

显微镜分光学显微镜和电子显微镜：光学显微镜是在1590年由荷兰的詹森父子所首创。

现在的光学显微镜可把物体放大1600倍，分辨的最小极限达0.1微米，国内显微镜机械筒长度一般是160mm。

光学显微镜由目镜，物镜，粗准焦螺旋，细准焦螺旋，压片夹，通光孔，遮光器，转换器，反光镜，载物台，镜臂，镜筒，镜座，聚光器，光阑组成。

显微镜以显微原理进行分类可分为光学显微镜与电子显微镜。

10、光学显微镜：通常皆由光学部分、照明部分和机械部分组成。

无疑光学部分是最为关键的，它由目镜和物镜组成。

光学仪器的基本原理光学仪器是利用光的特性，用于观测、测量或改变光的干涉、衍射、偏振等现象的装置。

它们被广泛应用于各个领域，包括物理学、天文学、生物学、化学等。

1.透镜的光学原理透镜是光学仪器中最基本的元件之一、透镜能够使光线发生折射，根据透镜的形状和焦距的不同，可以使光线汇聚或发散。

根据透镜的光学原理，我们可以利用透镜来实现放大、准直、聚焦等功能。

2.干涉仪的干涉原理干涉是指两束或多束光线相遇时相互干涉产生的干涉条纹现象。

常见的干涉仪有迈克尔逊干涉仪和杨氏干涉仪。

利用干涉原理，我们可以测量光的波长、折射率、薄膜的厚度等。

3.衍射仪的衍射原理衍射是光线通过一个孔或者绕过物体边缘时发生的弯曲现象。

常见的衍射仪有单缝衍射、双缝衍射、光栅衍射等。

衍射原理常用于测量光的波长、观察微小物体等。

4.偏振仪的偏振原理偏振是指光的振动方向被限制在特定方向上的现象。

偏振仪可以将不偏振的光转换为偏振光。

根据偏振原理，我们可以测量光的偏振方向、分析物质的性质等。

5.光谱仪的光谱原理光谱是指光线在经过其中一种介质后按照波长进行分散的现象。

光谱仪可以将不同波长的光线分离开来，常见的光谱仪有光栅光谱仪、光电倍增管光谱仪等。

利用光谱原理，我们可以确定光的波长、分析物质的组成等。

除了以上基本原理外，光学仪器还可以利用偏振、散射、吸收等现象来实现不同的功能。

例如，偏振显微镜可以观察材料的晶体结构；拉曼光谱仪可以通过光散射现象分析物质的化学成分。

总之，光学仪器利用光的特性和现象来实现观测、测量和实验的目的。

不同类型的光学仪器基于不同的原理，能够满足不同领域的需求。

通过深入理解光学仪器的基本原理，我们可以更好地设计、操作和应用光学仪器。