光學(xué)儀器誕生

幾何光學(xué)實驗定律的建立，為光學(xué)儀器的制作開辟了廣闊的前景.由于生產(chǎn)和生活的需要，人們在實踐中逐步制作了各種各樣的光學(xué)元件和光學(xué)儀器.阿拉伯人阿爾?哈金(Al—hagen,965—1038年)首先發(fā)明了凸透鏡，1299年，阿瑪?shù)?SalvinodegliAr—mati)發(fā)明了眼鏡.到16世紀初，凹面鏡、凸面鏡、眼鏡、透鏡等光學(xué)元件相繼出現(xiàn)，為光學(xué)儀器的問世創(chuàng)造了條件.1、世界上第一臺顯微鏡自然界中一些偉大的發(fā)現(xiàn)，往往是由偶然事件開始的，但只有碰上了有心人，才能成為偉大發(fā)明的開端.1590年，荷蘭的米德堡有一位名叫詹森的人，以磨眼鏡片為生，眼鏡片吸引著他的兩個兒子.一天，哥哥把兩塊眼鏡片裝在一根銅管的兩頭，拿著管子對準一本書看去，書上的逗號竟然像蝌蚪一樣大，使他驚奇地叫了起來.弟弟忙接過管子，對著哥哥的眼睛看去，發(fā)現(xiàn)哥哥的眼睫毛競粗得像一根木棍.于是，詹森用一根可以伸縮的管子，兩頭各放了一個凸透鏡，當管子的長短調(diào)節(jié)得合適的時候，用它可以看清很小的物體.在1590年他做出了世界上第一臺顯微鏡.(1).現(xiàn)代顯微鏡的工作原理顯微鏡是用來觀察近距離微小物體的，它是按觀察細小物體的不同需要，通過嚴格的光學(xué)設(shè)計制造出來的.顯微鏡(光路圖如圖1所示)由物鏡、日鏡兩部分組成.物體AB首先通過顯微物鏡L1成一倒立放大的實像A'B(位于日鏡L2的第一焦點F2附近)，再經(jīng)過日鏡成一放大的虛像A〃B〃，虛像A〃B〃又成為人眼這一光學(xué)系統(tǒng)的物，成像于視網(wǎng)膜上.A〃B〃就是眼睛通過顯微鏡對物AB獲得的像.顯微鏡的視放大率T定義為：同一物體用儀器觀察的視角3儀和把物體放在明視距離250mm處直接觀察時的視角3眼二者正切之比，(2).顯微鏡可看作是一個組合放大鏡在近代的高級顯微鏡里，往往有幾個倍率不同的物鏡，可以替換使用.實驗室中廣泛使用一種測量微小距離用的顯微鏡，其日鏡中裝有標尺或叉絲.在工作距離較大時，所用顯微鏡物鏡的焦距較長，它的作用主要是將物體成像于日鏡物方焦平面附近，放大作用基本靠日鏡，日鏡相當于一個放大鏡.2、世界上第一臺望遠鏡17世紀初，意大利人伽利略(GalileoGalilei，1564—1642年)受到顯微鏡制作的啟發(fā)，他想，既然小的物體可以放大，能否把遠的物體移近呢？開始，他只是照樣子仿制，未能成功.之后，他改用一凸一凹的玻璃片，經(jīng)不斷修改、裝配，終于在1609年制成世界上第一架望遠鏡.他用一根細管，兩頭安上一凸一凹的鏡片，眼睛貼近凹鏡望遠處物體時，物體移近了許多，并且比直接用眼睛看時變大了.按他的計算，這支管子能將物體放大8倍.為了觀察天上的星星，他把望遠鏡的放大倍數(shù)提高到32倍.他和他的望遠鏡完成了天文學(xué)上的第一次革命，用實驗證實了哥白尼日心說的正確性.他的望遠鏡被稱作伽利略望遠鏡，其光路圖如圖2所示.兩年以后，德國天文學(xué)家開普勒（J?Kepler,1571—1630年）為了得出行星運動的規(guī)律，不斷地改進觀測儀器，在1611年他設(shè)計出另外一種望遠鏡.他用更長一些的管子，兩端都用凸透鏡，觀察物體時得到倒立的但是放得更大的像，稱為開普勒望遠鏡，其光路如圖3所示.對望遠鏡來說，日標在遠距離，進入望遠鏡的光束可視為平行光.為了使人眼不易疲勞，日視光學(xué)儀器的出射光束應(yīng)為平行光束，因此望遠鏡應(yīng)該是一個平行光射入、平行光射出的系統(tǒng)，或者說是把無限遠的物成像于無限遠的無焦系統(tǒng).最簡單的望遠鏡光學(xué)系統(tǒng)由物鏡和日鏡組成，物鏡的像方焦點和日鏡的物方焦點重合.現(xiàn)代的伽利略望遠鏡光路如圖2所示.自無窮遠物點A發(fā)出的光束，在物鏡處與望遠鏡的光軸有較小的夾角3（無限運物體對人眼的張角3眼=3），經(jīng)物鏡后，光束被會聚于物鏡的后焦平面處的A點，為A的像.這一光束再經(jīng)日鏡后與望遠鏡的光軸有較大的夾角3,（物通過儀器后對人眼的張角3儀'=3）相當于使物體對人眼的張角變大，從而在視網(wǎng)膜上獲得放大的像.望遠鏡的視放大率為經(jīng)過一段漫長的發(fā)展歷史，各種結(jié)構(gòu)形式的望遠鏡相繼問世，按用途不同可分成：1.伽利略望遠鏡一一用于觀劇用望遠鏡及眼鏡式低視力助視器.調(diào)焦用望遠鏡 如經(jīng)緯儀中的望遠鏡，能完成調(diào)焦.按光學(xué)原理，又可歸納為折射式望遠鏡和反射式望遠鏡兩大類.折射式望遠鏡常見的有棱鏡雙筒望遠鏡，特點是鏡筒短、視野大、攜帶方便，多用于軍事和野外考察；反射式望遠鏡由四面鏡作物鏡，凸透鏡作日鏡，用于天文觀測.日前世界上最大的折射式望遠鏡是美國芝加哥附近的葉凱士天文臺擁有的口徑102cm、長19m的天文望遠鏡.最大的反射式望遠鏡是美國威爾遜山天文臺的口徑是254cm的望遠鏡.它所“捕捉”的光，比自然進入人眼的光要強1000萬倍；用它觀察天體，距離可達100億光年（一光年約等于94605億公里）之外，能看見的星星數(shù)日可達幾十億顆之多.3、世界上第一部照相機19世紀初，法國寫生畫家達格爾希望發(fā)明一種能把人影留下來的裝置.為此，他整天躲在黑屋子里，一連工作幾個月.達格爾先把一塊銅板鍍上銀，把它放在水銀蒸汽中熏好后裝在一個木箱子里.在箱子前面的箱板上挖一個洞，在洞上嵌上可以伸縮的透鏡，調(diào)節(jié)透鏡的距離，使物體的像恰好落在小銅板上.經(jīng)過處理的小銅板終于感光，留下了物體的影子.就這樣，在1827年他制成了世界上第一部照相機.現(xiàn)代照相機主要由照相物鏡、暗箱和放置感光板或膠片的支架組成，光路圖如圖4所示.電影放映機和幻燈機（光路圖如圖5所示）則是與照相機作用“相反”的光學(xué)儀器.投影儀由投影鏡和照相系統(tǒng)兩部分組成.投影儀的作用是將一定大小的物體經(jīng)照明系統(tǒng)照明后，由投影物鏡成像，在屏幕上觀察或測量.這些光學(xué)儀器都被廣泛應(yīng)用于科研、生產(chǎn)、國防、教育和文化生活等各領(lǐng)域中.日前.變焦距照相物鏡的應(yīng)用日益廣泛，不僅用于新聞采訪、電影攝制、電視攝影、轉(zhuǎn)播等場合，而且逐步擴大到135照相機和小型電影放映機上.一般變焦范圍在200?600mm,變焦類型有好幾種，是按系統(tǒng)中變焦透鏡組的個數(shù)，以及正透鏡組和負透鏡組配置位置進行分類，有四種類型可供選擇.四種類型中，有三種符合物像交換原則，一種屬非物像交換原則.具體選擇哪一種型式既可滿足各項技術(shù)指標要求，又易于實現(xiàn)呢？這需要對各種情況進行高斯光學(xué)計算，反復(fù)進行分析比較后才能確定最佳方案.4、世界上第一個分光鏡1666年，英國科學(xué)家牛頓（IsaacNewton，1642-1727年）為了改進問世不久的天文望遠鏡，不斷研究光通過各種形狀玻璃的各種特性，發(fā)現(xiàn)了色散現(xiàn)象.牛頓做了一個三角形的玻璃棱柱鏡，在漆黑房間的窗口上挖一個小孔，把棱鏡放在僅能讓一束陽光射進來的入口處，使光折射到墻上.這樣，他看見了由此而產(chǎn)生的鮮明、強烈的色光，他興奮不已.就這樣，世界上第一個分光鏡問世，它證明了白光是由各種色光復(fù)合而成的.眾所周知，光在不同媒質(zhì)中折射且折射率與光的波長有關(guān).當一束平行光入射到三棱鏡上，經(jīng)三棱鏡折射后的出射光向棱鏡底BC偏折（見圖6）.波長較長的紅光偏折角最小，而波長較短的紫光偏折角最大，按波長不同分布，形成了七色彩帶.圖6所示的是牛頓的顏色實驗，圖7所示的是七色彩帶的形成.由于棱鏡的折射與色散作用，人們利用這一原理制成了光譜儀，如圖8所示.圖中棱鏡前的裝置為平行光管，它由一個會聚透鏡L1和放在它第一焦平面上的狹縫S組成（S與紙面垂直）.光源照射狹縫S.通過縫中不同點射入平行光管的光束經(jīng)L1折射后變?yōu)椴煌较虻钠叫泄馐?非單色的平行光束通過棱鏡后，不同波長的光線沿不同方向折射，但一波長的光束仍維持平行.棱鏡后的透鏡L2是望遠物鏡，不同波長的平行光束經(jīng)L2后會聚到其像方焦平面上的不同地方，形成狹縫S的一系列不同顏色的像，成為光譜.把光源發(fā)出的各種波長的輻射展開成一個按波長順序排列的光譜，進行不同波長輻射強度測量的儀器叫“光譜儀”.若在光譜儀中的望遠物鏡處再裝一日鏡，可供眼睛直接觀察光譜，便成為分光鏡.若在光譜儀中的望遠物鏡的焦平面上放置感光底片，可拍攝光譜，便成為攝譜儀.若在光譜儀中的望遠物鏡的焦平面上放一狹縫，用來將某種波長的光分離出來，便成為單色儀.可見，根據(jù)棱鏡可以分光這一原理，可以獲得各種不同用途的光學(xué)儀器，它們在研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)及光譜分析中起著重要的作用.5、光纖光學(xué)儀器光纖是由透明介質(zhì)按特殊的光導(dǎo)特性要求構(gòu)成的光學(xué)細絲，直徑與長度之比小于1:1000.把許多根光纖固定在一起就構(gòu)成了光纖束.它們可以傳光，也可以傳像，統(tǒng)稱光纖光學(xué)元件.它們可以完成很多傳統(tǒng)光學(xué)元件無法完成的任務(wù)，因此，光纖元件的出現(xiàn)，使光學(xué)儀器和通訊技術(shù)發(fā)生了重大的變化，并產(chǎn)生了一系列實用化的光纖光學(xué)儀器.光纖光學(xué)已成為一門新的學(xué)科.光纖可以按它的構(gòu)成材料分為石英光纖、多組分玻璃光纖、塑料光纖和晶體光纖等；也可以按模式分為單模光纖和多模光纖；或可按傳輸方式的不同分為全反射光纖和梯度折射率光纖.全反射光纖是由兩種折射率不同的均勻透明介質(zhì)構(gòu)成，能發(fā)生全反射，光線在光纖內(nèi)部通過表面的全反射和直線傳播進行傳輸；梯度折射率光纖是由非均勻介質(zhì)構(gòu)成，其折射率分布規(guī)律是沿光纖橫截面的半徑方向由中心向邊緣逐漸降低，光線在光纖內(nèi)部沿曲線傳播.全反射光纖主要應(yīng)用在“導(dǎo)光束”和“傳像束”兩方面.導(dǎo)光束應(yīng)用于照明日標；