光学仪器

光学仪器结合了透镜、反射镜和光阑，以扩展人类的视觉能力，从放大镜和显微镜到望远镜和照相机。

Definition

利用折射和反射元件以及孔径和光阑的组合来放大、收集或记录来自物体的光的设备，其特点是放大率、聚光能力、视场和极限分辨率。

Scope

本主题涵盖了形成或捕获图像的仪器的设计和操作，包括简易放大镜、复合显微镜、折射和反射望远镜、照相机以及作为光学系统的人眼。它涉及角放大率、物镜和目镜的作用、孔径光阑和视场光阑、入射光瞳和出射光瞳、数值孔径、视场，以及放大率、亮度和分辨率之间的权衡。它从几何光学的层面处理仪器，而衍射作为最终分辨率极限则在其他地方讨论。

Core questions

• 物镜和目镜如何结合以确定显微镜或望远镜的放大率？
• 孔径光阑和光瞳在亮度和图像质量中扮演什么角色？
• 放大率、视场和聚光能力之间如何相互权衡？
• 人眼如何被描述为一种光学仪器？

Key concepts

• 角放大率
• 物镜和目镜
• 孔径光阑
• 入射光瞳和出射光瞳
• 数值孔径
• 视场
• 复合显微镜
• 折射望远镜

Key theories

视觉仪器的角放大率

对于通过眼睛观察的仪器，其性能通过角放大率来衡量，即图像所张角度与物体所张角度之比；对于望远镜，它等于物镜焦距与目镜焦距之比。

光阑、光瞳和数值孔径

孔径光阑及其像，即入射光瞳和出射光瞳，控制系统接收和发出的光线；数值孔径量化了聚光锥，对亮度和分辨能力具有决定性作用。

Clinical relevance

光学仪器在临床和实验室医学中至关重要，例如组织病理学和微生物学中使用的显微镜、眼科检查用的检眼镜和裂隙灯、手术显微镜以及用于微创诊断和手术的内窥镜。

History

复合显微镜和望远镜大约在1600年出现，列文虎克（van Leeuwenhoek）的单透镜显微镜在那个世纪晚些时候揭示了微生物。牛顿在1668年制造了第一个实用的反射望远镜，以避免色差，而阿贝（Abbe）在19世纪末的显微镜成像理论将仪器性能与衍射物理学联系起来。

Key figures

• Antonie van Leeuwenhoek
• Galileo Galilei
• Isaac Newton
• Ernst Abbe

Seminal works

• hecht2017
• smith2007

Frequently asked questions

为什么望远镜使用长焦物镜和短焦目镜？

折射望远镜的角放大率等于物镜焦距与目镜焦距之比，因此长焦物镜与短焦目镜结合可以对远距离物体产生高放大率。

什么限制了仪器有用放大倍数的大小？

超过一定限度，增加放大倍数只会使模糊的图像变大；有用的极限由像差决定，最终由衍射决定，衍射决定了仪器孔径所能分辨的最精细细节。