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1、光学仪器的基本原理,（More on Geometrical Optics）,只有物点和光线都限制在近轴区域的条件下，才能实现理想成像,实际情况：,1、色差：在白光或复色光照明时，介质的色散,即使在近轴区域内，,3、能量角度：进入光学系统的光束不宜过窄，离轴,4、像差越小，衍射效应越明显，破坏像的分辨本领,均衡光学仪器的成像范围、明亮程度、成像质量和分辨能力,(1) 助视仪器 (配合眼睛),(2) 摄影投影仪器 (如照相机、投影仪等),光学仪器,(3) 光谱仪，干涉仪，,显微镜为人类打开了“近在眼前”的微小世界的大门，望远镜则帮助人类揭示了“远在天边”的星球世界的奥秘。,大致分类：,Optic
2、al instruments,观测对象尺度与相应的观测仪器,4.1 人的眼睛,Eyes,Structure of the human eye,简化眼模型,Some of its important features：,(a) 调节晶状体曲率(由睫状肌控制）使被看物在视网膜上清楚成像，这称为调焦。,可调焦的物距有一范围，眼睛肌肉完全放松和最紧张时所能看清物体的位置分别称为远点和近点。正常眼的远点为无穷远，近点则与年龄有关，约为15 cm。,一般人在阅读或操作时，习惯将被观察物体放在25 cm处，这样既能看得较为清楚又不容易疲劳，因此通常规定25 cm 为明视距离，用 s0表示。,眼睛可分为正常眼
3、与非正常眼，非正常眼主要有近视眼和远视眼。Nearsightedness (myopic),Correction,Negative lens,远点,远点,远视眼 Farsightedness (hyperopic),近点,Correction of the farsighted eye,Positive lenses,近点,近点,散光： Astigmatism 由于眼睛的角膜曲面不对称，使得折射球面变为非球面，且沿不同主截面上的焦距大小不同，从而导致不同方向的成像清晰度不同。,Anamorphic lenses,A test for astigmatism of the eye. View t
4、his figure through one unaided eye.,(b) 视角,物体的“ 视大小”取决于视网膜上像的大小，它又取决于被看物对眼睛节点 N 所张的角 视角 U 。,(d) 瞳孔直径 ：2 mm 8 mm ，随环境明亮程度而变。,The angular size of an object U,4.2 助视仪器的放大本领,一个短焦距凸透镜,The simple magnifier is a converging lens with an object placed near the focal points. The image is virtual and far away.
5、,放大镜 The magnifying glass,视角放大率 The magnifying power , or equivalently, the angular magnification,用眼睛直接观察物体,眼睛通过放大镜观察物体,裸眼视角:,新的视角:,物镜 ( objective ) ， 目镜 ( eyepiece ),The objective forms a real image of a nearby object. The eyepiece, functioning like a magnifying glass, enlarges this intermediate im
6、age. The final virtual image.,4.4 显微镜的放大本领,A compound microscope, 小物经物镜成一个放大的实像，它作为目镜的 “ 物”，再经目镜成放大的虚像。( 目镜起放大镜的作用，眼睛通过它去看经物镜所成的实像。所以，中间实像成在目镜的焦平面上。),显微镜的镜筒长度 d =16cm,经物镜，,显微镜光路:,经目镜后，有视角:,代入y1可得到经目镜后的视角:,裸眼看原物，应有视角:,总的视角放大倍率:,Practical microscope objective,4.5 望远镜的放大本领, 光焦度 = 0 ，望远系统 ( 无焦系统 ),用来观察远
7、处大物体的助视仪器,入射平行光变为出射平行光,The telescope, Refracting telescope 折射式望远镜,1. 开普勒望远镜:,Keplerian astronomical telescope,直接观察时的视角:,通过望远镜观察时的视角:,物镜,目镜,眼睛, 总的视角放大率, 对于无焦系统，视角放大率 M = 光线角放大率 , “无焦”是这种系统的性质，并不要求物在无限远,只讲绝对值，M 1， 1，必有 1 (空气中)。这就是说，有限远的物经望远系统成缩小的像。,约束:,Galilean astronomical telescope,2. 伽利略望远镜:,总的视角放大
8、率:,眼睛,物镜,目镜,Galileos refracting telescope, used for viewing distant objects, 用望远镜观看有限远的物体时，要略微移动目镜以调节目镜到物镜的距离 。这时，望远镜不再是严格的望远系统。, 伽利略型的缺点：视场小 (倾角稍大的光线在出射后不能进入眼睛); 无中间实像 (不好装叉丝或刻度尺) (作为扩束器这恰好是优点)。, 倒装望远镜可作为很好的激光扩束器。, 大型天文望远镜，反射式的,Reflecting telescopes,A mirror replaces the objective for the purpose o
9、f creating an intermediate image,卡塞格林型的 (Cassegrain),格雷哥利型的 (Gregoeian),牛顿型的 (Newtonian),抛物面,抛物面,椭球面,抛物面,双曲面, 折反系统：施密特系统 Schmidt optical system,大孔径，广视场。,1931年由德国光学家施密特发明，球面主镜 加 校正板，以消除球差。,20世纪中期以后，很多著名天文台都安装有大口径的的反射望远镜。,1976年原苏联制造了口径6米的望远镜，安装在高加索山天体物理天文台。,我国最大的望远镜，是1989年安装在北京天文台兴隆观测站的2.16米反射望远镜，这是我国
10、自己研制生产的。,1948年由美国制造的口径5.08米的反射望远镜，安装在帕洛玛天文台（位于智利），曾居世界领先地位。,哈勃空间望远镜（Hubble Space Telescope） 1990年4月24日哈勃空间望远镜升上了太空，天文学家多年的梦想成为现实。,哈勃空间望远镜是由美国国家航空与航天局（NASA）和欧洲空间局（ESRO）联合研制的， 其主体为长13米、直径4.3米的圆筒，望远镜主镜口径2.4米，总重量为12.5吨，研制历时13年，耗资21亿美元，由发现号航天飞机带到了高度为600公里的空间轨道，实现了天文学家从大气层以外空间观测天体的愿望。,美国空军武器实验室正在研制的 超轻型折叠式合成孔径望远镜,No discussion of telescopes would be complete without a few pretty pictures.,NGC 6543-Cats Eye Nebula-one of the most complex planetary nebulae ever seen,Galaxy Messier 81,Uranus is surrounded by its four major rings and by 10 of its 17 known satellites,星云,天王星,