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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。
工程光学笔记总结一、几何光学基本定律与成像概念。
1. 直线传播定律。
- 光在均匀介质中沿直线传播。
例如小孔成像现象，就是光直线传播的体现。
- 应用：针孔相机的原理就是基于光的直线传播，光线通过小孔在成像面上形成倒立的实像。
2. 独立传播定律。
- 不同光线在空间相遇后互不干扰，各自沿原方向传播。
- 例如多束光在空间交叉时，每束光的传播路径不会因为其他光线的存在而改变。
3. 反射定律。
- 反射光线位于入射光线和法线所决定的平面内；反射光线和入射光线分别位于法线的两侧；反射角等于入射角，即i = i'。
- 在平面镜成像中，像与物关于镜面对称，这是反射定律的重要应用。
4. 折射定律。
- n_1sinθ_1=n_2sinθ_2，其中n_1、n_2分别是两种介质的折射率，θ_1是入射角，θ_2是折射角。
- 全反射现象：当光线从光密介质射向光疏介质，且入射角大于临界角θ_c=arcsin(n_2)/(n_1)时，发生全反射。
光纤通信就是利用了全反射原理，光在光纤内部通过不断全反射来传输信号。
5. 成像概念。
- 物点发出的光线经光学系统后，重新会聚于一点（实像）或光线的反向延长线会聚于一点（虚像）。
- 像的大小、正倒、虚实等性质取决于光学系统的特性和物像之间的相对位置。
二、理想光学系统。
1. 基点和基面。
- 焦点（F,F'）：平行于光轴的光线经光学系统后会聚（或其反向延长线会聚）的点。
- 主点（H,H'）：物方主点和像方主点，通过主点的光线方向不变。
- 节点（N,N'）：通过节点的光线，其出射光线与入射光线平行。
- 焦平面：过焦点且垂直于光轴的平面。
- 主平面：过主点且垂直于光轴的平面。
2. 成像公式。
- 高斯成像公式(1)/(l')+(1)/(l)=(1)/(f)，其中l为物距，l'为像距，f为焦距。
- 牛顿成像公式xx' = f f'，其中x为物点到物方焦点的距离，x'为像点到像方焦点的距离。
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。
光学仪器的原理与应用教案：光学仪器的原理与应用引言：在现代科技高度发展的时代背景下，光学仪器作为一种重要的科学研究工具和实验手段，发挥着非常重要的作用。
本次教案旨在通过深入探究光学仪器的原理与应用，让学生对光学仪器有更深入的了解，并能够应用所学知识解决实际问题。
一、光学仪器的基本原理1. 光学仪器的概念和分类- 光学仪器是指利用光学原理进行观察、测量和控制的装置。
- 根据用途和原理的不同，光学仪器可分为显微镜、望远镜、光谱仪、激光装置等。
2. 光的传播和光的本质- 光是一种电磁波，具有波粒二象性。
- 光在介质中传播遵循折射和反射定律。
3. 光学仪器的基本光学元件- 透镜：凸透镜与凹透镜的原理及应用。
- 反射镜：平面镜和曲面镜的原理及应用。
- 光栅：光栅的原理、衍射定律及应用。
二、显微镜的原理与应用1. 光学显微镜- 显微镜的构造和工作原理。
- 利用显微镜观察物体的方法和技巧。
2. 电子显微镜- 扫描电子显微镜和透射电子显微镜的原理和应用。
- 与光学显微镜的比较与优势。
三、望远镜的原理与应用1. 折射望远镜- 折射望远镜的构造和工作原理。
- 望远镜的放大倍数计算方法。
2. 反射望远镜- 反射望远镜的构造和工作原理。
- 利用反射望远镜观测天体的方法和技巧。
四、光谱仪的原理与应用1. 分光镜和光栅- 分光镜的构造和工作原理。
- 光栅的工作原理和衍射定律。
2. 分光仪- 分光仪的构造和工作原理。
- 利用分光仪进行光谱分析的应用。
五、激光器的原理与应用1. 激光的基本概念- 激光的特性和分类。
- 激光的产生和放大原理。
2. 激光器- 固体激光器、液体激光器和气体激光器的构造和工作原理。
- 激光器的应用领域和前景展望。
结语：通过本次教学，学生将全面了解光学仪器的基本原理与应用，并能够在实际生活中应用所学知识。
同时，也能够激发学生对物理学科的兴趣与热爱，并培养学生的观察、分析和解决问题的能力。
教师将以生动有趣的教学方式，激发学生的学习兴趣，提高学生的学习效果。
光学原理及其在生活中的应用光学是研究光的传播、反射、折射、干涉、衍射等现象的科学。
它是物理学的一个重要分支，也是应用广泛的学科之一。
光学原理的研究和应用，对于人类的生活和科技发展起到了重要的推动作用。
本文将介绍光学原理的基本概念和其在生活中的应用。
一、光学原理的基本概念1. 光的传播：光是一种电磁波，它以光速在真空中传播，具有波粒二象性。
光的传播路径可以用光线表示，光线是垂直于波前的线，沿着光的传播方向延伸。
2. 光的反射：当光线遇到介质边界时，一部分光线会发生反射，即从介质中返回到原来的介质中。
根据反射定律，入射角等于反射角。
3. 光的折射：当光线从一种介质进入另一种介质时，会发生折射。
根据斯涅尔定律，入射角、折射角和两种介质的折射率之间满足一定的关系。
4. 光的干涉：当两束或多束光线相遇时，会发生干涉现象。
干涉可以分为构造干涉和破坏干涉两种类型，构造干涉是指光的波峰和波谷相遇，增强光的强度；破坏干涉是指光的波峰和波谷错位，减弱光的强度。
5. 光的衍射：当光通过一个小孔或者绕过一个障碍物时，会发生衍射现象。
衍射使得光的传播方向发生改变，产生一系列的亮暗条纹。
二、光学在生活中的应用1. 光学仪器：光学原理的应用使得人们可以制造各种光学仪器，如望远镜、显微镜、光谱仪等。
望远镜可以放大远处物体的图像，使其清晰可见；显微镜可以放大微小物体的图像，帮助人们观察细胞、细菌等微观结构；光谱仪可以分析物质的成分和性质，广泛应用于化学、物理等领域。
2. 光纤通信：光学原理的应用使得光纤通信成为现代通信技术的重要组成部分。
光纤是一种能够传输光信号的细长光导纤维，它具有高带宽、低损耗、抗干扰等优点。
光纤通信可以实现高速、远距离的信息传输，广泛应用于电话、互联网、电视等领域。
3. 光学成像：光学原理的应用使得人们可以制造各种成像设备，如相机、摄像机等。
相机通过透镜将光线聚焦在感光材料上，形成图像；摄像机通过光电转换器将光信号转换为电信号，实现图像的采集和传输。
光学仪器原理光学仪器在现代科学和工程领域中起着至关重要的作用。
它们利用光的传播和相互作用规律，以及各种光学元件和装置的特性，提供了对光信号进行检测、放大、处理和分析的能力。
本文将介绍光学仪器的原理，并讨论其中几种常见的光学仪器。
一、光的传播和相互作用规律在了解光学仪器的原理之前，我们首先需要了解光的传播和相互作用规律。
光是一种电磁波，其传播速度为常数，即光速。
光的传播可以按直线传播的规律进行描述，这种性质使得光可以在空间中传输信息。
光在与物质相互作用时，会受到折射、反射、散射等现象的影响，这些现象是光学仪器运作的基础。
二、光学仪器的分类光学仪器可以根据其功能和原理进行分类。
常见的光学仪器包括望远镜、显微镜、光谱仪等。
下面将分别介绍这些光学仪器的工作原理。
1. 望远镜望远镜是一种用于观察远距离物体的光学仪器。
它通过将远处物体的光线聚焦到眼睛或其他探测器上，使人们能够观察到远距离的天体或其他景物。
望远镜的主要组成部分包括物镜、目镜和焦平面。
物镜负责抓取光线，并将其聚焦到焦平面上，而目镜则用于放大这个焦平面上的像，使其达到人眼可以直接观察的大小。
2. 显微镜显微镜是一种用于观察微小物体的光学仪器。
它利用物镜、目镜和光源等组件，将被观察物体的细节放大到人眼可见的大小。
显微镜的原理基于光的折射和成像规律，通过调节物镜和目镜的位置来实现对被观察物体的放大。
同时，显微镜还可以使用不同的光源和显微镜镜头，以便观察透射光、反射光或荧光等样品。
3. 光谱仪光谱仪是一种用于分析光信号的光学仪器。
它可以将复杂的光信号分解成不同波长的光线，然后通过光敏探测器来测量这些光线的强度。
光谱仪的原理基于光的分光和光谱成像的性质，它可以用于分析光源的成分、测量材料的光谱特性以及研究物质与光的相互作用等。
三、光学仪器的应用领域光学仪器广泛应用于科学研究、医学、通信、材料科学、能源等领域。
以下是几个典型的应用领域。
1. 生物医学光学显微镜在生物医学研究中发挥着重要作用。
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。
