第四章__光学仪器(修改)

Chap.4 Basic Principles of Optical Instrument目的要求：通过本章的学习，使学生：1 、了解人眼的结构和重要性注意保护视力；2、掌握望远镜和显微镜的放大本领，熟悉数值孔径和相对孔径；3、理解入射光瞳、光通量、亮度和照度等概念及物镜的聚光本领；4、了解球差和色差及其矫正方法；5、掌握助视仪器的成象分辨本领和分光仪器的色分辨本领。

重点：望远镜和显微镜的放大本领、助视和分光仪器的分辨本领。

注意：本章与前两章有紧密的联系，它既可以与Chap.2配合出题，又可以和Chap.3配合出题，并可单独出题。

且引入的新知识又很难理解，实际上是前两章的综合应用，在科研、生产等实践中有重要意义。

难点：光栅、光瞳及光度基本概念。

一些知识：1.人的感觉：视觉，听觉，嗅觉，味觉，平衡，运动，机体感觉等。

2.感觉的规律性：韦伯比，常数布格尔-→=∆kIII∆:此时的差别感觉阈限，I:最初刺激物的强度，原刺激量。

重量感觉：k=0.03=3%,即只有当重量增加到3g以上上时，才能感觉到100g的变化。

听觉：k=0.1，味觉：k=0.25，视觉：k=0.01.如：电视机的灰度：8种，实际256种，可见光：7种颜色，实际HZ 1414105.7~109.3⨯⨯ 3.人的视觉：人类从观察世界获得信息70%来自于视觉。

但人的视觉是有限的。

空间分辨能力、时间分辨能力、光谱响应范围、强度感受能力。

4.光学仪器：为了提高人的视觉能力，借助于光学仪器：平面镜、球面镜、透镜等组成。

其基本概念前面已用过，条件限制（近轴物、近轴光线）。

此时遇到两类矛盾：a. 成象放大后的清晰度与象场能量聚集程度之间的关系、色差、相差等。

b. 成象清晰度与细节分辨程度的关系。

如衍射与相差等。

放大本领、聚光本领、分辨本领。

§4-1 人的眼睛一、人眼的结构≈球形，D ≈2.4cm 外：巩膜 二、 简化眼. 眼珠共轴光具组——只有一个折射球面的简化眼。

界干扰和内部参数变化能力强；同时易实现自动化。
缺点：系统较复杂；调整、使用和维修较困难；成本较高。
尽管如此，由于精密机械和仪器精度要求越来越高，故 闭环控制系统应用是非常广泛的。 由于定位测量系统和精密仪器的精度直接有关 ，故定位 测量系统的设计是仪器设计中的重要一环，并应满足要求：
1. 与仪器的精度相匹配。在选择定位与测量方法时，首先要从所 设计的精密仪器的精度出发，根据仪器所要求的精度合理地选 2. 具有足够的分辨率。定位测量系统的分辨率是该系统设计中一 择定位与测量方法。一般情况下，定位测量系统的精度应为仪 个重要参数，分辨率大小与控制系统有关。一般情况下，定位 3. 较高的频率响应速度。它主要取决于光电接收元件和控制电路 器总体精度的 1/3-1/5； 测量系统分辨率应小于仪器精度，通常取仪器精度的 1/3-1/10； 的频率响应速度； 4. 控制系统尽量简单、维修方便 。 5. 在满足精度要求的前提下，尽量降低成本。
幅值光栅测量位移原理
横向莫尔条纹
要得到横向莫尔条纹，需满足： 1. 两光栅的栅距相等。 2. 交角 很小， 0。 横向莫尔条纹与垂直主光栅 方向的夹角是两光栅夹角 的1/2。
a
b B 光栅a a b

光栅c
由于交角 很小，一般只有几分，故可认为条纹几乎与y 轴垂直，这是把它称为横向莫尔条纹的原因。 横向莫尔条纹的间距近似计算公式为 当两块等栅距的 条纹变成一片黑暗； 光栅交角 =0 时，莫 条纹变成最明亮一片； 尔条纹的间距B= 。 光闸莫尔条纹
N
光栅测量原理方案
L Nc
--圆光栅的圆周角；
N --光栅的栅线对数。
从光栅编码方程式中看出，若以长光栅作为标准器，对 某一被测物体进行比较测量的情形，如图所示。 测量的实质就是在光栅尺 上读取反映被测对象长度的数 值x。此值可表示为

第四章 光学仪器基本原理1．眼睛的构造简单地可用一折射球面来表示，其曲率半径为5.55mm ，内部为折射率等于4／3的液体，外部是空气，其折射率近似地等于1。

试计算眼球的两个焦距。

用右眼观察月球时月球对眼的张角为1°，问视网膜上月球的像有多大？解；眼球物方焦距；当s ’=∞时，f=﹣5.55／﹙4／3﹣1﹚=﹣16．65㎜=﹣1．665㎝眼球的象方焦距：f ＇=s ＇=mm 2.2213455.534=-⨯当u=1°时，由折射定律n 1sinu 1=n 2sinu 2U 1=1°n 1=1,n 2=4∕3像高l ＇=f ＇tanu 2=f ＇sinu 2=f ＇×3∕4 sin1º=22.2×3∕4×0.01746=0.29mm2．把人眼的晶状体看成距视网膜2㎝的一个简单透镜。

有人能看清距离在100㎝到300㎝间的物体。

试问：⑴此人看清远点和近点时，眼睛透镜的焦距是多少？⑵为看清25㎝远的物体，需配戴怎样的眼镜？解：人眼s ＇=2cm. S 1=100cm.s 2=300cm近点时透镜焦距'f =21002100+⨯=1.961cm远点时透镜焦距f ＇=23002300+⨯ =1.987cm当s =﹣25cm 时s '=﹣100cm ﹦﹣1m34125.0100.1111=+-=---=-'=Φs s D 300=度3．一照相机对准远物时，底片距物镜18㎝，当镜头拉至最大长度时，底片与物镜相距20㎝，求目的物在镜前的最近距离？解：.18.0m f =' ms 20.0='照相机成像公式：f s s'=-'111 556.020.0118.01111-=+-='+'-=s f s ms 8.1-=目的物在镜前的最近距离为m8.14．两星所成的视角为8′，用望远镜物镜照相，所得两点相距1㎜，问望远镜物镜的焦距时多少？解：已知︒=︒⎪⎭⎫⎝⎛='=0667.06044u mmm l 001.01=='m u l f 8594.0667.0tan 001.0tan =--='='5．一显微镜具有三个物镜和两个目镜。

光学仪器的分辨本领第四章光学仪器的基本原理●学习⽬的通过本章的学习，使得学⽣熟悉光学仪器的基本原理，掌握如何使⽤这些光学仪器，了解基本光学仪器的构造和原理以及正确的使⽤⽅法。

●内容提要1、掌握光学仪器的基本⼯作原理；2、了解⼏何光学仪器的构造、使⽤⽅法；3、了解助视仪器的分辨率；4、光度学基础。

●重点1、光学仪器的基本⼯作原理；2、⼏何光学仪器的构造、使⽤⽅法；3、助视仪器的分辨率。

●难点1、光学仪器的基本⼯作原理；2、助视仪器的分辨率。

●计划学时计划授课时间6学时●教学⽅式及教学⼿段课堂集中式授课，采⽤多媒体教学。

●参考书⽬1、《光学教程》第三版姚启钧著，⾼等教育出版社，第四章2、《光学》第⼆版章志鸣等编著，⾼等教育出版社，第三章3、《光学原理》上册，玻恩，科学出版社，第三、四、五、六章§4.1 ⼏何光学仪器⼀、⼈的眼睛1. 眼球壁主要分为外、中、内三层外层由⾓膜、巩膜组成。

前1/6为透明的⾓膜，其余5/6为⽩⾊的巩膜，俗称“眼⽩”。

眼球外层起维持眼球形状和保护眼内组织的作⽤。

⾓膜是接受信息的最前哨⼊⼝。

⾓膜是眼球前部的透明部分，光线经此射⼊眼球。

⾓膜稍呈椭圆形，略向前突。

横径为11.5—12mm ，垂直径约10.5—11mm 。

周边厚约1mm ，中央为0.6mm 。

⾓膜前的⼀层泪液膜有防⽌⾓膜⼲燥、保持⾓膜平滑和光学特性的作⽤。

⾓膜含丰富的神经，感觉敏锐。

因此⾓膜除了是光线进⼊眼内和折射成像的主要结构外，也起保护作⽤，并是测定⼈体知觉的重要部位。

巩膜为致密的胶原纤维结构，不透明，呈乳⽩⾊，质地坚韧。

中层⼜称葡萄膜，⾊素膜，具有丰富的⾊素和⾎管，包括虹膜、睫状体和脉络膜三部分。

虹膜：呈环圆形，在葡萄膜的最前部分，位于晶体前，有辐射状皱褶称纹理，表⾯含不平的隐窝。

不同种族⼈的虹膜颜⾊不同。

中央有⼀2.5-4mm 的圆孔，称瞳孔。

睫状体：前接虹膜根部，后接脉络膜，外侧为巩膜，内侧则通过悬韧带与晶体⾚道部相连。