1、第四章光学仪器基本原理（优选）第四章光学仪器基本原理 光学仪器遇到的两类矛盾 成象清晰度 象场光能 成象清晰度 细节分辨 分辨本领聚光本领放大本领仪器的三个指标4.1 4.1 人的眼睛人的眼睛作为接收器，感觉约390nm760nm只能辨别和比较，不能测量光强大小视觉暂留时间1/16秒一、人眼的结构 瞳孔 1、巩膜（sclera）是眼睛最外层一种白色强韧的膜，厚度约是0.41.1mm。它由六根筋拉住，以维持眼睛的位置。作用是保护眼睛内部，它由六根筋拉住，以维持眼睛的位置。2、角膜（cornea）巩膜正前方曲率较大的一部分角膜，是透明的，折射率是1.376。作用：光束进入眼的门户，是眼睛光学系统的
2、第一个系统。3、前房角膜之后充满一种水样液（热溶液）的地方，即角膜与晶状体（水晶体）之间的部分前房，折射率是1.336。作用：眼睛光学系统的第二个系统。4、虹膜（iris）前房之后有一中心带圆孔的彩色膜虹膜，不透明的，虹膜与睫状体是相联接的。作用：是显示眼睛的颜色，调节瞳孔的直径变化。5、瞳孔（pupil）虹膜中心的圆孔瞳孔，直径1.48mm，直径可以自动调节。作用：起到孔径光阑的作用，控制进入眼睛的光能量和调节象的清晰度、景深。6、水晶体（晶状体）（crystalline humor）虹膜后面由胶性透明物质组成，且曲率随附近肌肉（睫状肌）的松紧而改变的一部分水晶体，外层折射1.386，内层折
3、射率1.406，类似分布不均的双凸透镜。作用：将人眼分成两部分（前房、后房），是光学系统的第三个系统，控制象的清晰调节。7、后房水晶球后面的空间后房，有大量水分子的粘性透明物质（玻璃液），折射率1.336作用：光学系统的第四个系统.8、视网膜（retina）玻璃液透明外膜与巩膜之间有一层不透光的黑色膜视网膜，由视神经末梢组成。作用：接收信息，传递信息。9、黄斑（yellow spot）在视网膜上有一较凹的部分黄斑，直径约2mm，有大量的圆锥细胞和少量的圆柱细胞，细胞与神经末梢相联接。视网膜上有约7百万个圆锥细胞，1亿多个圆柱细胞。圆锥细胞，在明亮光线下起感光作用明视细胞，对明暗、色彩有感觉。圆
4、柱细胞，在暗弱光线下起感光作用暗视细胞，只对明暗有感觉。黄斑作用：只有物体的象落在黄斑处才能看清楚。10、中央窝（fovea centralis）黄斑中心有一直径约为0.25mm的区域中央窝，仅含有圆锥细胞，且含量极大。作用：视觉最灵敏区，象落在此处最清晰。11、盲斑（blind spot）视网膜上的视神经入口处的区域盲斑，没有圆锥和圆柱细胞。作用是象落在此处不能看到瞎子。盲斑的验证：例：显微镜（物镜为有效光阑）8 4 5.（单位面元发出的总光通量）48mm，直径可以自动调节。特征平面物的像不是平面而是弯曲的。共同点对被观察的实像都有放大作用。是一种心理物理学的研究方法，表示的颜色量称为心理物
5、理色。(2)在符合正弦条件时，近轴物以宽光束所成的物镜是会聚透镜，目镜是发散透镜两个同种玻璃的平凸透镜组成，凸面相向，平面向外.（3）散光眼角膜曲面不对称的眼即客观辐射通量对人眼引起的视觉强度等于在明亮环境下圆锥细胞起作用，在昏暗环境下圆柱细胞起作用。视网膜上有约7百万个圆锥细胞，1亿多个圆柱细胞。物镜：横向放大8、视网膜（retina）11、视轴、光轴视轴是球面系统的光心和中央窝的中心连线，光轴是各球面系统的光心连线。视轴和光轴并不重合。当闭左眼，右眼盯住 看，在25cm处，都能看到；当眼靠近时，首先 看不到，再靠近 也 看不到，再下看又能看到。随它们间距的不同，看不到时眼与纸面的间距也不同
6、，原因是眼球不动的缘故。二、简化眼 人眼可视为只有一个折射球面的简化眼 U 视角 极限小角 视场范围1600(水平)，1300(竖直)清晰成象:20601三、人眼的调节，远点、近点 1、人眼的调节 眼内的水晶体自动地本能地调节曲率半径，改变总的光焦度，以看清不同远近物体的能力人眼的调节。(1)、视度调节眼睛自动改变焦距的过程(2)、瞳孔调节眼睛自动改变瞳孔大小的过程（2mm8mm）2、远点（far point）当睫状肌放松时，水晶体的曲率半径最大，能在视网膜上成清晰象的物点到眼的距离远点。正常眼的远点是无穷远（儿童、青年、中年）老年的远点只有几米。3、近点（near point）人眼的肌肉紧缩
7、时，水晶体的曲率半径最小，能在视网膜上看清象的物点到人眼的距离近点。正常眼的近点约25cm，儿童一般是78cm。老人是12m（50100lx）4、明视距离在合适的照度下（50100lx），人眼能最方便、最习惯、最省力地观察物体的距离明视距离。规定正常眼的明视距离为25cm，明视范围25cm五、非正常眼的校正1、正常眼与非正常眼正常眼是指人眼的明视范围为25 的眼，即象成在视网膜上（眼的第二焦点在视网膜上）.特点畸变并不影响成像的清晰程度，而只改变像的几电子显微镜扫描隧道电子显微镜b、角膜曲率半径变小（后天的）视觉暂留时间1/16秒作用是保护眼睛内部，它由六根筋拉住，以维持眼睛的位置。特点：镜筒
8、长,能放刻度尺（点处）,视场大规定正常眼的明视距离为25cm，明视范围25cm作用移近远物,放大视角,以利观察2、出射度（同单位）（主观量）尼特（nt），熙提（sb）最简单的显微镜是由两组透镜构成的：物体色的饱和度决定于该物体表面反射光谱辐射的选择性程度。5 望远镜的放大本领彩色是指白黑系列以外的颜色。是眼睛最外层一种白色强韧的膜，厚度约是0.成因由于物点离主轴的距离不同，而使得横向放大率不同所引起。兰光绿光青光 品红黄光红光大型天文望远镜的物镜都用孔径大的反射镜非正常眼是第二焦点不在视网膜上，明视范围不在25 范围的眼，分为：（1）近视眼远点在有限距离处的眼，成象在视网膜前的眼（2）远视眼近
9、点变远的眼，成象在视网膜后的眼（3）散光眼角膜曲面不对称的眼（4）老化眼（老视眼）调节能力减弱的眼。2、近视眼（myopic eye）及校正（1）定义：远点在有限距离处，即对较远的物体看不清楚的眼，远处物体成在视网膜前的眼。（2）原因：a、眼球长度变长 （先天的）b、角膜曲率半径变小（后天的）c、眼内介质折射率异常等从几何光学看，远处物体成象在视网膜前，即远点太近。（3）校正a、校正方法远处物体成象在视网膜前说明眼球会聚（折射）太强，要使光线会聚变弱的办法是在眼前加一个凹透镜，把光线先发散一下，再经眼会聚则可刚好成象在视网膜上。校正的方法是配带凹透镜，把无穷远处的物体成象在远点处。b、凹透镜度
10、数的计算 由fss111物在无穷区处可得 ，成象在人眼的远点处 s）（0ss则fs111得sf111m（）=屈光度（D）(diopter)所带眼镜的度数 01001（度）f“”表示带凹透镜 单位m fs，例1、如果某人的远点是1m，则所带透镜是什么透镜，度数是多少？解：远点1m是近视眼，带凹透镜 mssfss1111度1001001111fmf得例2、如果某人所带眼镜的度数是500度，则他的远点是多少？解：眼是近视眼 515001001ff由sfss，111得cmmsfs202.051511即人眼的远点是20cm 3、远视眼（hyeperopic eye）及校正（1）定义：近点变远的眼，25c
11、m处的物体成象在视网膜之后的眼。（2）原因：a、眼球长度变短 b、水晶体曲率半径过大 c、水晶体离视网膜太近 d、眼内介质折射率异常从几何光学观点看，近处物体（25cm处的物体）成象在视网膜之后，即近点变远了。（3）校正a、校正的方法 25cm处的物体成象在视网膜后说明眼的会聚（折射）太弱，凸透镜起会聚作用，因此带凸透镜使25cm 处的物体成象在近点处，则象刚好成在视网膜上。（2）原因：a、眼球长度变短解：近点1m说明是远视眼，带凸透镜射镜.一、人眼的颜色视觉、色度学特点畸变并不影响成像的清晰程度，而只改变像的几物方焦点重合,系统的主点和焦点均在无限横向色差：不在主轴上的发光点的象也将现彩色。
12、兰光绿光青光 品红黄光红光c、眼内介质折射率异常等比较（1）出射度M和照度E有相同的单位、量纲及相似的定义。何形状。正常眼是指人眼的明视范围为25 的眼，即象成在视网膜上（眼的第二焦点在视网膜上）.（2）近物：象和物差不多，（如拍资料）成因经过透镜不同环带的光线在理想像面上交成一系列大小不同相互重叠的圆，圆心在一直线上，与主轴有不同的距离。如果具有最大光焦度的截面垂直于具有最小光焦度的截面，这种散光眼正常散光眼。1sb=104 nt助视仪的目镜，可将物镜所成象放大，但不能增加聚光本领。辐射通量（瓦特）：单位时间内面元 辐射出来的所有波长的光能量（辐射功率）例如：由成像光学仪器发出的光束、激光器
13、发出的光束等。有了光瞳，作图时可以不需要光阑b、凸透镜度数的计算方法 由msfss25.0111，是近点距离 ss4125.0111ssf度数=01001 f0例1、某人近点是1m，则所带透镜的度数是多少？解：近点1m说明是远视眼，带凸透镜fss111由s=0.25mms1（度）3001001 f度数325.01111 f则02001001度f解:带凸透镜，是远视眼 由msff25.0,21,2001001 由ssf111得225.012111sfscmms505.021人眼的近点是在50cm处 例2、某人带200度的眼镜，则近点是多少？4、散光眼及校正（astigmatic eye）散光眼是
14、由于角膜的曲面不对称形成的，因而不同截面上有不同的光焦度。如果具有最大光焦度的截面垂直于具有最小光焦度的截面，这种散光眼正常散光眼。如果角膜曲面无规则引起的散光非正常散光眼。正常散光眼的校正是带柱面透镜，因而所带眼镜一般是球柱透镜。5、老花眼（老视眼）（presbgopic eye）老花眼是由于年龄的增长，眼的调节变弱引起的，特点是近点变远，远点变近。一般用带凸透镜来校正，计算方法同远视眼。l l一、视角放大率（放大本领）助视：放大视角.途径:将物体（1）横向放大；（2）移近。注意:视角放大率不同于角度放大率()和 、和 不是共轭量 uuUUtgUUtgllMUUll二、放大镜 以凸透镜为例凸
15、透镜为最简单的放大镜：横向放大，增大视角 fyfysyu)(25yu fyfyuuM2525/不用透镜 放大倍数通常用“”表示，如放大3倍，为“3”。以cm为单位 f 一、目镜的作用构成由不相接触的两个薄透镜组成 面向物体的称为场镜,接近眼睛者称为接目镜作用用来放大其它光具组（物镜）所成的像 特点 放大本领高；可矫正像差；测量长度；使倒立像变成正立像。二、两种目镜（1）惠更斯目镜 两个同种玻璃的平凸透镜组成，凸面都向着物镜,3321aff,2ad af23（2）冉斯登目镜 两个同种玻璃的平凸透镜组成，凸面相向，平面向外.两种目镜的比较:共同点对被观察的实像都有放大作用。不同点前者只能观察实像，
16、后者还可以观察物；后者能对物或像进行长度测量，前者则不能af43,32ad,21aff此处可装刻度尺一、光学结构 最简单的显微镜是由两组透镜构成的：物镜（焦距很短），目镜（惠更斯目镜）为消除象差，物、目镜都是复杂的透镜组.物镜：横向放大 目镜：视角放大二、光路图三、显微镜的放大本领 物镜和目镜所组成的复合光具组的焦距为整个显微镜（当作一个简单放大镜）的放大本领为也可写为其中:为物镜的放大率 为目镜的放大本领电子显微镜扫描隧道电子显微镜212125)(2525 fflfffM21fff221)25)(MfflM11flfs2225fM4.5 4.5 望远镜的放大本领望远镜的放大本领 望远镜是帮助
17、人眼对远处的物体进行观察的光学仪器 作用移近远物,放大视角,以利观察 光学结构光学间隔为零,即物镜的象方焦点与目镜的 物方焦点重合,系统的主点和焦点均在无限 远处 特点 平行光进，平行光出 物镜 透镜（折射式），反射镜（反射式）目镜 开普勒式(会聚透镜)、伽利略式(发散透镜)一、开普勒望远镜 特点：镜筒长,能放刻度尺（点处）,视场大22fyfyU1fyU倒立象愈大愈小愈大，M，f，fffUUM 2121)(21FF物镜和目镜均为会聚透镜二、伽利略望远镜特点：镜筒短，不能放刻度尺,视场小。为负,正立象21U fyfyU21ffUUM2f.11说明：两种望远镜物镜的横向放大率 可见M与不同。物镜是
18、会聚透镜，目镜是发散透镜三、反射镜望远镜 大型天文望远镜的物镜都用孔径大的反射镜 优点：（1）不产生色差；（2）形状合适校正球差；（3）较易制造大孔径的反 射镜.四、激光扩束器 可使激光器发出的光束实现扩束的仪器 望远镜倒置即为激光扩束器 一、光阑 光学元件的边缘，一定形状的开孔的屏 二、有效光阑 1、最有效限制入射光的光阑起限制光束大小作用的是L2的边缘起限制光束大小作用的是L1的边缘2 2、作用：、作用：（1）改正象差;（2）控制景深 3 3、入射光瞳、入射光瞳 有效光阑对其前部分光具组成的象4 4、出射光瞳、出射光瞳 有效光阑对其后部分光具组成的象 对同一系统，有效 光阑与入瞳和出瞳 三
19、者共轭P也可用像面上或物面上能够分辨的两点之间的距离来表示分辨极限。使倒立像变成正立像。人眼在最佳观察条件下能分辨别1000多万种颜色。为消除象差，物、目镜都是复杂的透镜组.兰光绿光青光 品红黄光红光视场范围1600(水平)，1300(竖直)当一个中央亮斑的最大值恰和另一个中央亮斑的最小值位置相重合时，两个像点刚好能分辨开。(2)、瞳孔调节眼睛自动改变瞳孔大小的过程（2mm8mm）为目镜的放大本领规定正常眼的明视距离为25cm，明视范围25cm1、所有光阑对前部分光具组成象。最小者，其对应的那“象”即为入瞳。对于给定的某一级光谱，波长相差 的两谱线间的角距离 反比于光栅常数d，即正比于光栅单位
20、长度内狭缝条数1/d，与光栅的狭缝总数N 无关物方焦点重合,系统的主点和焦点均在无限和 、和 不是共轭量例2、某人带200度的眼镜，则近点是多少？可矫正像差；例：显微镜（物镜为有效光阑）(1)、视度调节眼睛自动改变焦距的过程作用是象落在此处不能看到瞎子。三、有效光阑和光瞳的计算 1、所有光阑对前部分光具组成象。2、求出物点对所有“象”（1中所求）的张角中 最小者，其对应的那“象”即为入瞳。3、入瞳对应的物即为有效光阑。4、有效光阑对其后部分成的象即为出瞳。有效光阑总是对某一个指定的参考点而言的。四、孔径角 有了光瞳，作图时可以不需要光阑u出射孔径角入射孔径角u由物平面与主轴的交点对入射光瞳半径
21、两端所张的角u由像平面与主轴的交点对出射光瞳半径两端所张的角4.74.7 光能量的传播 一、辐射通量 辐射通量（瓦特）：单位时间内面元 辐射出来的所有波长的光能量（辐射功率）不同的波长的光，其辐射通量是不同的。客观量 引入分布函数)(e波长:ddedd)(,)(:odeds上ds二、视见函数 主观量 人们感兴趣的只是其中引起视觉部分。相同的 ，波长不同，人眼感觉不同。仅考虑可见光，人眼对黄绿光最灵敏 光线充足的情况下，波长为两者能量引起相同的亮暗视觉。nmnm505555暗视觉明视觉nm555555)(v555最灵敏光波 实验表明，人眼在明亮环境和昏暗环境中视见函数是不同的，由曲线知，在昏暗环
22、境中，视见函数的极大值向短波方向（兰）移动，因此，在夜晚月光下，周围的一切物体笼罩了一层兰绿的色彩。这是由于人眼视网膜上有两种细胞：圆柱细胞，圆锥细胞。在明亮环境下圆锥细胞起作用，在昏暗环境下圆柱细胞起作用。1、定义：即客观辐射通量对人眼引起的视觉强度等于 辐射通量 与视见函数（）的乘积)()(vdvkdm)(的功光当量（最大功光当量）nmkm555 :指wlmkm/683单色光 复色光dvd)(68300)()(683)(683devdvd2、发光功率 PdevP 0 )()(683光电源的遍计发光功率 三、光通量（，量纲与 ）mL四、发光强度 1、定义（借助点光源）：点光源在某方向上某单位
23、立体角内发出的光通量为该方向的光强（发光强 度）d是点光源在某一方向上所张的立体角元ddI如为均匀发光体 2 0 0 4sinIdIdddsin由点光源所发出的总光通量为ddIdIdsin,0,20sin dIdd总光通量 表征光源的特性，对于指定的发光体，光具组不能增加光通量，而只起把光通量重新分配的作用。2、发光强度的单位 单位是坎德拉（candela,记作cd）是国际单位制中基本单位。五、照度（主观量）1、照度：被照明的程度 ddE 点光源：单位：勒克斯（)，辐透（），lxphlxph41012、出射度（同单位）（主观量）（单位面元发出的总光通量）dsdMd是受照物体的面元Idd22co
24、sRdRsdd2cosRIdIdddE式中：R是点光源距受光物体面积元 中心的距离d比较（1）出射度M和照度E有相同的单位、量纲及相似的定义。（2）照度E中的光通量是面元所接收的光通量；而出射度M中的光通量是面元所辐射的光通量。六、亮度 B 1.朗伯定律与亮度B 在立体角 中发射出的光通量 正比于和发光体表观面积 的大小，即即系数B 即为光源的亮度 亮度的单位为 尼特（nt），熙提（sb）1sb=104 ntdBdsdcoscosdsdddddsdBcos2.余弦发射体一般情况下，扩展光源上每一面元的亮度B 随方向 而变.cosdsdIB cosdIdsdIB 这类光源称为遵从朗伯定律的光源叫
25、余弦发射体或朗伯光源。例如：太阳3.定向发射体 实际中我们还碰到一种发射体，它们发出的光束往往集中在一定的立体角内，即亮度具有一定的定向性，称为定向发射体。例如：由成像光学仪器发出的光束、激光器发出的光束等。将 代入，有dddI如果：则即B不随方向 而变。4.8 物镜的聚光本领 助视仪的目镜，可将物镜所成象放大，但不能增加聚光本领。对物镜，除放大作用，还要增加象的照度，进入物镜的光通量越多，象的照度越强，物镜的聚光本领用象面照度来量度,理想光具组不改变光通量。一般 ddsddsddE 的计算 一、物在近距一、物在近距 在方向 ，立体角1u1ddduududdsuBddu111111sincos
26、)(2 0 0 1111sincosuudduudsuBdudsBduuuBdsu2 0 11sincossin2同样 ：朗伯系数 、：共轭面元sduBd2sinBsd ds则通过入瞳的光通量d最主要的象差有2、远点（far point）解：远点1m是近视眼，带凹透镜有效光阑总是对某一个指定的参考点而言的。对同一系统，有效例2、某人带200度的眼镜，则近点是多少？特点：镜筒长,能放刻度尺（点处）,视场大助视仪的目镜，可将物镜所成象放大，但不能增加聚光本领。4、有效光阑对其后部分成的象即为出瞳。1sb=104 nt(2)在符合正弦条件时，近轴物以宽光束所成的三、望远镜物镜的分辨本领3 目镜（复合
27、放大镜）6、水晶体（晶状体）（crystalline humor）(2)、瞳孔调节眼睛自动改变瞳孔大小的过程（2mm8mm）（2）近物：象和物差不多，（如拍资料）规定正常眼的明视距离为25cm，明视范围25cm途径:将物体（1）横向放大；例如：由成像光学仪器发出的光束、激光器发出的光束等。（3）感光膜灵敏度同，越强，曝光时间越短，因而，远、近物应例2、如果某人所带眼镜的度数是500度，则他的远点是多少？另外：设真空中的亮度：光具组不吸收能量2)(nnBB2120nBnBBudsnBudsBdd2202sinsin220201)sin()sin(unBsddsunBsddE对 确定的光具组：光具
28、组的数值孔径在物空间充满 较大的透明物或 较大时，数值孔径也大。2)sin(unE:sin unnu例：显微镜（物镜为有效光阑）例：显微镜（物镜为有效光阑）显微镜的物镜焦距 小，则孔径D小，限制光通量进入 f 二、物在远距二、物在远距 太小，从物方计算不便利用出瞳（直径 ）ud2020)sin()sin(unBsddEsdunBd 2212022120)()(4)(4pppfdnBxxdnBE 相对孔径（提高）2)(fdE)(2sinpxxdu 而ddddpp 即)()(pppffxfxfxx出瞳直径放大率例望远镜物镜有效光阑和入瞳例望远镜物镜有效光阑和入瞳 物镜物镜 大，大，大大 聚光本领小
29、聚光本领小 当物足够远，象较物很小 1f 21ffM2)(fdE02120)(4fdnBE（望远）有 例：照相机（可拍近、远，聚光本领不同）光圈：有效光阑（一般在中间）假定镜头前后部分对称（2）近物：象和物差不多，（如拍资料）120)(16 fdBE（1）远物：20)(4 0fdBE （3）感光膜灵敏度同，越强，曝光时间越短，因而，远、近物应用不同光圈相机用 ，即 数(光圈数)来衡量Edf 数大，小，小,ffdE2)(fdE1ddp220)11()(4fdBE有222222)81()241()41()221()21()21(Ef光圈排列数：1.4 2 2.8 4 5.6 8 概述概述 在最简单
30、物中，物是平面，且垂直主轴正确象要遵守下列条件：（1）物上每点有一清晰象点 （2）象点在同一平面上（垂直主轴）（3）各象点放大率为常数 （4）象与物有相同色彩 偏离这些的现象，统称为象差最主要的象差有 1.球面像差 2.彗形像差 3.像散 4.像面弯曲 5.畸变1、球面象差 形状：弥漫圆斑。原因：主要是由于透镜表面为球面所造成,宽光束引 起大小：通过透镜的光线与主轴最近（最远）的交点和理 想像点之间的距离。消除方法：（1）凸透镜，以较凸的一面向着平行光线。（2）结合会聚透镜和发散透镜使用 （3）采用菲涅耳螺纹透镜2.彗形像差 形状形似彗星，一个有尖端的亮斑，尖端最亮，带着一 逐 渐扩大、变暗的
31、尾巴。成因经过透镜不同环带的光线在理想像面上交成一系列大小不同相互重叠的圆，圆心在一直线上，与主轴有不同的距离。消除方法满足阿贝正弦定理ulnunl sinsin3.像散 特征对应于一个物点有子午焦线和孤矢焦线同时存在，物点离轴越远，像散越显著。（平面折射，球面反射）。量度(像散差)沿着出射主光线上子午和弧矢这两焦线间的距离。“+，”消除方法适当选配系统各球面的曲率半径、各介质的折射率及合理确定有效光阑的位置。4.像面弯曲 特征平面物的像不是平面而是弯曲的。消除方法采用组合系统，适当的选配各透镜的焦距和折射率。5.畸变 成因由于物点离主轴的距离不同，而使得横向放大率不同所引起。形状主轴的距离而
32、减小。横向放大率随物点离开桶形畸变（负畸变）：主轴的距离而增大。横向放大率随物点离开枕形畸变（正畸变）：物镜是会聚透镜，目镜是发散透镜虹膜中心的圆孔瞳孔，直径1.(2)在符合正弦条件时，近轴物以宽光束所成的当闭左眼，右眼盯住 看，在25cm处，(2)将光阑放在一组相同的对称的透镜中间。即人眼的远点是20cm1、分辨极限角（最灵敏）：朗伯系数有效光阑对其前部分光具组成的象水晶球后面的空间后房，有大量水分子的粘性透明物质（玻璃液），折射率1.物体色的饱和度决定于该物体表面反射光谱辐射的选择性程度。特点 平行光进，平行光出是一种心理物理学的研究方法，表示的颜色量称为心理物理色。（1）物上每点有一清晰
33、象点偏离这些的现象，统称为象差玻璃液透明外膜与巩膜之间有一层不透光的黑色膜视网膜，由视神经末梢组成。何形状。（1）改正象差;（2）控制景深1sb=104 nt 特点畸变并不影响成像的清晰程度，而只改变像的几 何形状。应用 (1)利用宽银幕电影。(2)允许存在畸变若不超过5%，人眼观察不出，则允许存在，如电视、电影、一 般的望远镜。(3)清除大量测绘仪器、各种制版或复制用物镜 的光学系统。消除方法 (1)两种畸变的组合。(2)将光阑放在一组相同的对称的透镜中间。一、正弦定理 ulnunl sinsin二、正弦条件 或者：说明：(1)不论Q点发出的是怎样宽的光束，要想理想 成像于一点，必须符合正弦
34、定理。（消除彗 差时使用此定理）。(2)在符合正弦条件时，近轴物以宽光束所成的 像是清晰的。(3)该定理和条件是德国光学家阿贝（E.Abbe）于1879年根据费马原理导出的，它实质上是 亥姆霍兹拉格朗日不变式的推广。常数00sinsinunnuunun00sinsinuuuu近轴物近轴光线成象的色差一、色差的形成 原因光学材料的折射率随光的波长而变化,当复合光通过光具组后，将得到一系列与各色光对应的不重合的像点，从而就形成了色差纵向色差：主轴上的点，不再出现白光象点。横向色差：不在主轴上的发光点的象也将现彩色。三、色差的改善 两透镜用不同的材料制成，相互接触，d=0。两透镜用相同的材料制成，相
35、隔适当距离d,)(2121ffd如惠更斯目镜、冉斯登目镜二、光学材料的重要特征常数阿贝数（V数）CFDnnnV14.12 4.12 助视仪器的分辨本领助视仪器的分辨本领一、分辨本领 瑞利判据 瑞利判据 当一个中央亮斑的最大值恰和另一个中央亮斑的最小值位置相重合时，两个像点刚好能分辨开。其总光强照度分布曲线中央凹下部分强度约为每一曲线最大值的74%分辨本领 U:两个发光点对光具组入射光瞳中心所张的视角 1:各衍射图样第一暗环半径的衍射角 R:入射光瞳的半径。分析 时，两点的像分辨得开；时，则分辨不开。时的这个极限角成为光具组的分辨极限，而它的倒数称为分辨本领。也可用像面上或物面上能够分辨的两点之
36、间的距离来表示分辨极限。RU61.011U1U1U二、人眼的分辨本领人眼的分辨本领：指人眼刚能分开靠近的两物点的能力1 1、分辨极限角、分辨极限角（最灵敏）nm555)(61.0)(61.061.011物间象间RnnURnRn2 2、极限间距、极限间距mmcmllmmucmlBAAB3411051051.025三、望远镜物镜的分辨本领 通常望远镜的物镜孔径即为入瞳，起衍射作用。目镜的作用是把物镜所生成的衍射象加以放大，因而不能用增加目镜放大率的办法提高分辨本领。极限分辨角dRU22.161.01R、d：物镜的半径、直径极限距：fdfy/22.11四、显微镜的分辩本领 夫琅和费衍射更普遍的定义照
37、明光源的象面上接收到的衍射物就是夫琅和费衍射。是物方的数值孔径可见光波段电子显微镜电子衍射波长为分辨本领大大提高unysin61.0 unsincmy5102cm810cm8104.13 4.13 分光仪器的分辨本领分光仪器的分辨本领一、棱镜光谱仪 角色散率又最小偏向角 与棱镜折射率n有DddD lim002sin2sin0AAn在最小偏向角附近 ddnAnAddnAAddnddnddndndddddD 2sin12sin2 2cos2sin2 1 220000 2sin12sin2 22ddnAnAD2 2、色分辨本领、色分辨本领 光束被限制在 内CDb b11sin由瑞利判据 b1ddnd
38、dnBCddnACAddnibAPbddnAA2sin2 cos2sin2 2cos2sin2103 3、线色散、线色散 两谱线间距 fdlfddndndfddfDL 0 定义 fddnbfddnbbAA 2cos2sin20二、光栅光谱仪 1、角色散率coscossindjdjddDjd3、色分辨本领 每条谱线角宽cosNdjjNpNddjcoscoscosdjfddfL2、线色散率 分析 对于给定的某一级光谱，波长相差 的两谱线间的角距离 反比于光栅常数d，即正比于光栅单位长度内狭缝条数1/d，与光栅的狭缝总数N 无关 即 光栅光谱仪的分辨本领则正比于狭缝总数N，且随着光谱级数的增加而增加
39、，与光栅常数d无关cosdjd1d1jNp 4.14 色度学简介 一、人眼的颜色视觉、色度学 人眼在最佳观察条件下能分辨别1000多万种颜色。但人眼只能分辨颜色的三种变化明度（brightness）、色调（hue）和饱和度（saturation）。颜色）（shbCC,1、色觉色觉是可见光为视觉细胞接受之后在大脑中产生的一种综合感觉。人眼视网膜上有大约一亿个视杆细胞和700万个视锥细胞，视杆细胞只有在低亮度水平（百分之几 以下）起作用暗视觉，只有明暗感觉，不能分辨物体细节，也不能分辨颜色。视锥细胞只在高亮度水平（几个 以上）起作用明视觉，能分辨物体细节和颜色。2mcd2mcd视锥细胞能分辨颜色，
40、是因为它有各自光谱特性的亲红、亲绿、亲蓝三种视锥细胞，不同波长的光刺激同一种视锥细胞时只是效率不同，但产生的颜色感觉是一种的，三种刺激按不同比例组合才产生出千万种颜色。明视觉和暗视觉的转换：当人由亮环境进入暗环境，经过约30分钟，视觉感受能力提高约10万倍（而瞳孔增大，只增加1020倍），这种适应的过程是由锥体细胞向杆体细胞视觉转换的过程，完全暗适应约需40分钟。当人由暗环境进入亮环境时，一般只需要1分钟就能完成由杆体细胞向锥体细胞的转换。视锥细胞和视杆细胞在视网膜上的分布是不均匀的，使得色觉随观察物体视场大小而变化。2、色度学色觉是一个极其复杂的过程，它涉及到光学、光化学、视觉生理、视觉心理
41、等方面。色度学直接研究进入人眼的光刺激与最后色知觉量之间的对应关系。是一种心理物理学的研究方法，表示的颜色量称为心理物理色。因此，色度学主要研究的就是心理物理色。二、彩色特性彩色是指白黑系列以外的颜色。彩色有三种特性：明度、色调、饱和度（1）明度（brightness）明度是人眼对物体的明亮感觉。彩色光的亮度，彩色物体表面光的反射率影响明度。(2)色调（hue）色调是彩色彼此相互区分的特性，可见光谱不同波长的辐射在视觉上表现为各种色调（如红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等）。光源的色调决定于辐射的光谱组成对人眼所产生的感觉。物体的色调决定于光源的光谱组成和物体表面所反射（透射）的各波长辐射的比例对人
42、眼所产生的感觉。（3）饱和度（saturation）饱和度是指彩色的纯洁性，可见光谱的各种单色光是最饱和的彩色。物体色的饱和度决定于该物体表面反射光谱辐射的选择性程度。三、三原色、三补色组成的六星图红黄绿青蓝品红红、绿、蓝三原色，黄、青、品红三补色（1）功能：有图中知：每种原色光是两种相邻补色光组成的，而每种补色光是两种相邻原色光组成的。例：红光兰光品红光，红光绿光黄光 兰光绿光青光 品红黄光红光 品红青光兰光 青光黄光绿光每一种原色光的对应色是它的补色红青 绿品红 兰黄（2）关系：白光红光绿光兰光白光红光青光 白品红光绿光 白光兰光黄光四、彩色电视的色彩色电视机的摄象和显象都利用了三原色原理
43、。摄象时，将彩色图像用分光系统分解为红绿兰三原色，分别用摄象管转换成电信号，经过“编码”把它合成一个彩色电视信号发射出去，接收机接收这个信号后经过“解码”重新将其分解成三个基色信号，输入显象管中的三支保持确定位置的电子枪，荧光屏上的每一色素点都由按一定规则排列（品字形）的红、绿、兰三种荧光粉点 所组成的。三支电子枪根据三个基色信号发出的强度不同的电子束，经过定色孔后正好打在每一色素点中相应颜色的荧光粉点上，而发出不同强度的三种基色光，对于离屏较远的观众产生光的混合效应彩色图象。靠近荧光屏能看到每一荧光粉点有各自的颜色。五、彩色照相的色（1）彩色感光片上通常涂有三层感光乳剂，分别加入了不同性能的光学增感剂。它们能吸收物光中的蓝、绿、红三种色光-感光层、感绿层、感红层。乳剂中还含有不同的成色剂，它与显影过程中产生的染料中间体的化合物能产生不同的色。感蓝层感绿层感红层光 感光片经感光后，三种色光分别与各层中的卤化银作用，形成三种基色的潜影。
