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1、光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)概要,廣學(xué) 明德 海納 厚為,,光學(xué)儀器及其發(fā)展 光學(xué)設(shè)計(jì)及其發(fā)展 應(yīng)掌握的光學(xué)設(shè)計(jì)基礎(chǔ),2.1 光學(xué)儀器的發(fā)展,2.1.1光學(xué)儀器發(fā)展的基礎(chǔ)理論 古典理論幾何光學(xué)或應(yīng)用光學(xué),波動(dòng)光學(xué)時(shí)期,量子光學(xué)時(shí)期,現(xiàn)代光學(xué)時(shí)期,,2.1.2光學(xué)儀器的類別,光學(xué)計(jì)量?jī)x器 物理光學(xué)儀器 顯微鏡 測(cè)繪儀器 光學(xué)測(cè)試儀器 天文光學(xué)儀器 軍用光學(xué)、光電儀器 醫(yī)用光學(xué)儀器 照相機(jī)、攝像機(jī) 投影機(jī)、電影機(jī)械,2.1.3光學(xué)儀器的發(fā)展,二戰(zhàn)以前，光學(xué)儀器初步形成系列。光學(xué)儀器制造已有近300年歷史。從19世紀(jì)后期起，德國(guó)在光學(xué)設(shè)計(jì)與制造方面領(lǐng)先世界。 二戰(zhàn)至1960年，主要表現(xiàn)在：改進(jìn)結(jié)構(gòu)，擴(kuò)大使用范圍和增
2、加產(chǎn)量，提高質(zhì)量等方面。 1960年以來，數(shù)字讀數(shù)，激光，全息，光纖，自動(dòng)化，光電子和計(jì)算機(jī)等新技術(shù)的相繼應(yīng)用，創(chuàng)新了許多新的成像技術(shù)、新的光學(xué)材料、新的加工方法和新的光學(xué)器件。光學(xué)儀器取得了前所未有的成就。,2.2光學(xué)設(shè)計(jì)的發(fā)展概況 2.2.1 光學(xué)設(shè)計(jì)的概念 光學(xué)設(shè)計(jì)所要完成的工作應(yīng)該包括光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和光學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。我們主要討論光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)就是根據(jù)儀器所提出的使用要求，來決定滿足各種使用要求的數(shù)據(jù)，即設(shè)計(jì)出光學(xué)系統(tǒng)的性能參數(shù)、外形尺寸和各光組的結(jié)構(gòu)等。,2.2光學(xué)設(shè)計(jì)及其發(fā)展,我們要為一個(gè)光學(xué)儀器設(shè)計(jì)一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)，大體上可分為兩個(gè)階段。第一階段是根據(jù)儀器總體的技術(shù)要求（性能
3、指標(biāo)、外形體積、重量及相關(guān)技術(shù)條件），從儀器的總體（光學(xué)、機(jī)械、電路及計(jì)算技術(shù)）出發(fā)，擬定出光學(xué)系統(tǒng)的原理圖，并初步計(jì)算系統(tǒng)的外形尺寸，以及系統(tǒng)中各部分要求的光學(xué)特性等。一般稱這一階段的設(shè)計(jì)為“初步設(shè)計(jì)”或者“外形尺寸計(jì)算”。,第二階段是根據(jù)初步設(shè)計(jì)的結(jié)果，確定每個(gè)鏡頭的具體結(jié)構(gòu)參數(shù)（半徑、厚度、間隔、玻璃材料），以保證滿足系統(tǒng)光學(xué)特性和成像質(zhì)量的要求。這一階段的設(shè)計(jì)稱為“像差設(shè)計(jì)”，一般簡(jiǎn)稱“光學(xué)設(shè)計(jì)”。這兩個(gè)階段既有區(qū)別又有聯(lián)系。 在不同類型的儀器中所占的地位和工作量不同。如大部分軍用光學(xué)儀器中，初步設(shè)計(jì)比較繁重，而像差設(shè)計(jì)相對(duì)來說比較容易；一般顯微鏡和照相機(jī)中，初步設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，而像差設(shè)
4、計(jì)比較復(fù)雜。,光學(xué)設(shè)計(jì)的發(fā)展經(jīng)歷了人工設(shè)計(jì)和光學(xué)自動(dòng)設(shè)計(jì)的兩個(gè)階段，實(shí)現(xiàn)了由手工計(jì)算像差、人工修改結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，到使用電子計(jì)算機(jī)和光學(xué)自動(dòng)設(shè)計(jì)程序進(jìn)行設(shè)計(jì)的巨大飛躍。國(guó)內(nèi)外已出現(xiàn)了不少功能相當(dāng)強(qiáng)大的光學(xué)設(shè)計(jì)CAD軟件。如今，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)已在工程光學(xué)領(lǐng)域中普遍使用，從而使設(shè)計(jì)者能快速、高效地設(shè)計(jì)出優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟(jì)的光學(xué)系統(tǒng)。然而，不管設(shè)計(jì)手段如何改變，光學(xué)設(shè)計(jì)過程的一般規(guī)律任然是必須遵循的。,2.2.2 光學(xué)設(shè)計(jì)的發(fā)展?fàn)顩r,2.2光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的具體過程和步驟 2.2.1 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的具體過程 1、制定合理的技術(shù)參數(shù) 從光學(xué)系統(tǒng)對(duì)使用要求滿足程度出發(fā)、制定光學(xué)系統(tǒng)合理的技術(shù)參數(shù)，這是設(shè)計(jì)成功與否
5、的前提條件。 2、光學(xué)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)和布局 光學(xué)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是確定光學(xué)原理方案和外形尺寸計(jì)算。為了設(shè)計(jì)出光學(xué)系統(tǒng)的原理圖，確定基本光學(xué)特性，使其滿足給定的技術(shù)要求，首先要確定放大率（或焦距）、線視場(chǎng)（或角視場(chǎng)）、數(shù)值孔徑（或相對(duì)孔徑）、共軛距、光闌位置和外形尺寸。一般都按理想光學(xué)系統(tǒng)的理論和計(jì)算公式進(jìn)行外形尺寸計(jì)算。,在上述計(jì)算時(shí)還要結(jié)合機(jī)械結(jié)構(gòu)和電器系統(tǒng)，以防止這些理論在機(jī)械結(jié)構(gòu)上無法實(shí)現(xiàn)。每項(xiàng)性能的確定一定要合理，過高的要求會(huì)使設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造成浪費(fèi)；過低的要求會(huì)使設(shè)計(jì)不符合要求。因此，這一步驟必須慎重。 3、光組的設(shè)計(jì) 一般分為選型、確定初始結(jié)構(gòu)參數(shù)、像差校正三個(gè)階段 1）選型 光組
6、的劃分，一般以物象共軛面之間的所有光學(xué)零件為一個(gè)光組，也可將其進(jìn)一步劃小。選型是光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)，選型是否合理、適宜是設(shè)計(jì)成敗的關(guān)鍵。,2）初始結(jié)構(gòu)的計(jì)算和選擇 初始結(jié)構(gòu)的確定常用以下兩種方法： （1）解析法（代數(shù)法）：即根據(jù)初級(jí)像差理論求解初始結(jié)構(gòu)。這種方法是根據(jù)外形尺寸計(jì)算得到的基本特性，利用初級(jí)像差理論來求解滿足成像質(zhì)量要求的初始結(jié)構(gòu)，即確定系統(tǒng)光學(xué)零件的曲率半徑、透鏡的厚度和間隔、玻璃的折射率和色散等等。 （2）縮放法：即根據(jù)對(duì)光組的要求，找出性能參數(shù)比較接近的已有結(jié)構(gòu)，將其各外形尺寸乘以縮放比K，得到所要求的結(jié)構(gòu)，并估計(jì)其像差的大小或者變化趨勢(shì)。,3）像差校正、平衡與像差評(píng)價(jià) 初
7、始結(jié)構(gòu)選好后，要在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行光路計(jì)算，或用像差自動(dòng)校正程序進(jìn)行自動(dòng)校正，然后根據(jù)計(jì)算結(jié)果畫出像差曲線，分析像差，找出原因，再反復(fù)進(jìn)行相差計(jì)算和平衡，直到滿足成像質(zhì)量要求。 4、長(zhǎng)光路的拼接與統(tǒng)算 以總體設(shè)計(jì)為依據(jù)，以像差評(píng)價(jià)為準(zhǔn)繩，來進(jìn)行長(zhǎng)光路的拼接與統(tǒng)算。若結(jié)果不合理，則反復(fù)試算并調(diào)整各光組的位置與結(jié)構(gòu)，直到達(dá)到預(yù)期的目的為止。,5、繪制光學(xué)系統(tǒng)圖、部件圖和零件圖 繪制各種圖紙，包括確定各光學(xué)零件的相對(duì)位置，光學(xué)零件的實(shí)際大小和技術(shù)條件。這些圖紙為光學(xué)零件的加工、校驗(yàn)，零部件的膠合、裝配、校正，乃至整機(jī)的裝調(diào)、測(cè)試提供依據(jù)。 6、編寫設(shè)計(jì)說明書 設(shè)計(jì)說明書是進(jìn)行光學(xué)設(shè)計(jì)整個(gè)過程的技術(shù)總結(jié)，
8、是進(jìn)行技術(shù)方案評(píng)審的主要依據(jù)。 7、進(jìn)行技術(shù)答辯 必要時(shí)可以進(jìn)行技術(shù)答辯,光學(xué)設(shè)計(jì)就是選擇和安排光學(xué)系統(tǒng)中各光學(xué)零件的材料、曲率和間隔，使得系統(tǒng)的成像符合應(yīng)用要求。一般設(shè)計(jì)過程基本是減小像差到可以忽略不急的程度。光學(xué)設(shè)計(jì)可以概括為一下幾個(gè)步驟： （1）選擇系統(tǒng)的類型 （2）分配元件的光焦度和間隔 （3）校正初級(jí)像差 （4）減小殘余像差（高級(jí)像差） 以上每個(gè)步驟可以包括幾個(gè)環(huán)節(jié)，重復(fù)地循環(huán)這幾個(gè)步驟，最終會(huì)找到一個(gè)滿意的結(jié)果。,2.2.2 光學(xué)設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)步驟,2.3儀器對(duì)光學(xué)系統(tǒng)性能與質(zhì)量要求 任何一種光學(xué)儀器的用途和使用條件必然會(huì)對(duì)它的光學(xué)系統(tǒng)提出一定的要求。因此，在進(jìn)行光學(xué)設(shè)計(jì)之前一定要了解
9、對(duì)光學(xué)系統(tǒng)的要求。這些要求概括起來有以下幾個(gè)方面。 2.3.1 光學(xué)系統(tǒng)的基本特性 數(shù)值孔徑或相對(duì)孔徑，線視場(chǎng)或角視場(chǎng)，系統(tǒng)的放大率或焦距。此外還有與這些基本特性有關(guān)的一些參數(shù)，如光瞳的大小和位置、共軛距等等。,2.3.2 系統(tǒng)的外形尺寸 系統(tǒng)的外形尺寸，即系統(tǒng)的軸向尺寸和徑向尺寸。 2.3.3 成像質(zhì)量 成像質(zhì)量的要求和光學(xué)系統(tǒng)的用途有關(guān)。不同的光學(xué)系統(tǒng)按其用途可提出不同的成像質(zhì)量要求。對(duì)于望遠(yuǎn)系統(tǒng)和一般的顯微鏡只要求中心視場(chǎng)有較好的成像質(zhì)量；對(duì)于照相物鏡則要求整個(gè)視場(chǎng)都要有較好的成像質(zhì)量。,2.3.4 儀器的使用要求 根據(jù)儀器的使用條件，要求光學(xué)系統(tǒng)具有一定的穩(wěn)定性、抗振性、耐熱性和耐寒性
10、，以保證儀器在特定的環(huán)境下能正常工作。 在對(duì)光學(xué)系統(tǒng)提出使用要求時(shí)，一定要考慮在技術(shù)上和物理上實(shí)現(xiàn)的可能性。例如：生物顯微鏡500NA<<1000NA，望遠(yuǎn)鏡0.2D0.75D,像質(zhì)評(píng)價(jià)方法,實(shí)際成像的現(xiàn)實(shí)是：在光學(xué)系統(tǒng)中，點(diǎn)成像的彌散斑尺寸多大，由衍射效應(yīng)還是幾何像差占主導(dǎo)，多大尺寸的彌散斑是可以接受的，彌散斑內(nèi)的能量如何分布，圖像的對(duì)比度降低多少，系統(tǒng)的整體質(zhì)量如何。 像質(zhì)評(píng)價(jià)方法： 瑞利判斷：實(shí)際波面與理想波面之間的最大波像差超過1/4波長(zhǎng)，此波面可看作是無缺陷的。 分辨率：當(dāng)一個(gè)點(diǎn)的衍射圖中心與另一個(gè)點(diǎn)衍射圖的第一暗環(huán)重合時(shí)，恰好能分辨。衍射理論的最小分辨角 =1
11、.22/D,,點(diǎn)列圖：點(diǎn)對(duì)應(yīng)于彌散斑，用集中30%以上的點(diǎn)或光線的圓形區(qū)域?yàn)閷?shí)際有效的彌散斑。 光學(xué)傳遞函數(shù)：傅里葉光學(xué)認(rèn)為光學(xué)系統(tǒng)是線性不變系統(tǒng)，傳遞的頻率不變。但受限光學(xué)儀器，并非所有的頻譜都能傳遞。用光學(xué)傳遞函數(shù)表示光學(xué)系統(tǒng)在成像中的傳遞能力。,2.2.2 光學(xué)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ),光學(xué)設(shè)計(jì)中的一些重要概念,焦距與視角的關(guān)系,焦距與視角的關(guān)系,2.2.3 像差設(shè)計(jì)過程,光學(xué)設(shè)計(jì)在很大程度上講就是像差設(shè)計(jì)。 像差校正與平衡，是一項(xiàng)反復(fù)修改結(jié)構(gòu)參數(shù)逐步逼近最佳結(jié)果的工作。在計(jì)算機(jī)輔助光學(xué)設(shè)計(jì)中，采用像差自動(dòng)平衡的方法，極大地加快了設(shè)計(jì)進(jìn)程，且顯著地提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。 當(dāng)像差已校正與平衡到良好狀態(tài)后，需要
12、借助適當(dāng)?shù)姆椒▽?duì)像質(zhì)做全面的評(píng)價(jià)，以決定設(shè)計(jì)結(jié)果是否符合要求。如尚未達(dá)到要求，仍需繼續(xù)做像差平衡工作；如發(fā)現(xiàn)無論怎樣做像質(zhì)還是達(dá)不到要求，應(yīng)另選結(jié)構(gòu)形式或另定初始參數(shù)。重復(fù)上述步驟繼續(xù)設(shè)計(jì)，直到像質(zhì)達(dá)到要求。,2.2.4 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求,進(jìn)行光學(xué)設(shè)計(jì)前一定要了解設(shè)計(jì)要求，這些要求概括起來有以下幾個(gè)方面： 基本特性：數(shù)值孔徑或相對(duì)孔徑、線視場(chǎng)或視場(chǎng)角、系統(tǒng)放大率或焦距。此外還有：光瞳大小和位置、后工作距離、共軛距等。 外形尺寸：即系統(tǒng)的橫向尺寸與縱向尺寸。 成像質(zhì)量：成像質(zhì)量的要求和光學(xué)系統(tǒng)的用途有關(guān)。 儀器的使用條件,具體來說，光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求還可分為光學(xué)系統(tǒng)基本要求和技術(shù)要求,基本要求包括
13、：性能、構(gòu)型選擇和可制造性三個(gè)方面。 技術(shù)要求包括：基本結(jié)構(gòu)參數(shù)（物距、成像形式、像距、F數(shù)或數(shù)值孔徑、放大率、全視場(chǎng)、透過率、焦距、漸暈）；成像質(zhì)量要求（探測(cè)器類型、主波長(zhǎng)、光譜范圍、光譜權(quán)重、調(diào)制傳遞函數(shù)、RMS波前衰減、能量中心度、畸變）；機(jī)械和包裝要求；其它具體要求。,2.2.5 光學(xué)設(shè)計(jì)的發(fā)展概況,20世紀(jì)之前的光學(xué)儀器，是利用人們直接磨制的各種透鏡按不同情況進(jìn)行組合，找出符合成像質(zhì)量要求的結(jié)構(gòu)。 為節(jié)省人力、物力，人們逐漸用計(jì)算方法來替代老辦法。這種方法就稱為像差計(jì)算。 對(duì)于某結(jié)構(gòu)參數(shù)的光學(xué)系統(tǒng)，光線由同一物點(diǎn)開始，按折射、反射定律，算出若干條光線；根據(jù)這些光線通過系統(tǒng)以后的聚焦情
14、況，可以大體知道成像質(zhì)量；然后修改結(jié)構(gòu)參數(shù)，再重復(fù)上述計(jì)算，直到成像質(zhì)量滿意為止。 為加快設(shè)計(jì)進(jìn)程，促使人們進(jìn)行“像差理論”研究，但進(jìn)展并不令人滿意。 計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，使光學(xué)設(shè)計(jì)從人工計(jì)算的繁重勞動(dòng)中解放出來，實(shí)現(xiàn)了“自動(dòng)設(shè)計(jì)”或“像差自動(dòng)校正”。,2.3 應(yīng)掌握的光學(xué)設(shè)計(jì)基礎(chǔ),（1）了解光學(xué)系統(tǒng)對(duì)成像特性的影響 高斯光學(xué)性質(zhì)；光度性質(zhì)；衍射；像差校正狀況 主要矛盾：儀器尺寸與高斯光學(xué)的矛盾；孔徑、視場(chǎng)與像差校正的矛盾。 （2）幾何光學(xué)基礎(chǔ) （3）像差理論：球差、慧差、像散、場(chǎng)曲、畸變、位置色差、垂軸色差。 （4）光學(xué)材料的選擇和光學(xué)系統(tǒng)的公差分配。 （5）光機(jī)結(jié)構(gòu)和光學(xué)工藝。,2.4 光線追跡
15、及像差校正常用方法,2.4.1光線追跡概述 光線追跡是確定光學(xué)系統(tǒng)像差的最普通和最直接方法。 除了追跡近軸光線之外，還要用光學(xué)三角公式追跡不同口徑和視場(chǎng)下的光線，然后根據(jù)光線計(jì)算的結(jié)果來確定和分析各種像差。 要解決的問題：給定一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)（半徑、厚度或間隔、折射率等），再給出入射到光學(xué)系統(tǒng)的光線方向和目標(biāo)空間位置，最后求出光線通過該系統(tǒng)后的方向和空間位置。,光線追跡計(jì)算通常步驟,（1）起始計(jì)算：給出光線的初始位置和方向。 （2）折射計(jì)算：確定光線經(jīng)過表面折射（反射）后的方向和位置 （3）轉(zhuǎn)面計(jì)算：完成到下一表面的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，以便于繼續(xù)光線追跡 （4）終結(jié)計(jì)算與處理：確定光線最后截點(diǎn)長(zhǎng)度
16、或高度，有時(shí)候還要計(jì)算像差值。 對(duì)系統(tǒng)每個(gè)表面都要進(jìn)行折射計(jì)算和轉(zhuǎn)面計(jì)算。,2.4.2 光學(xué)系統(tǒng)像差概述,像差：實(shí)際像與理想像間的偏差,,,,,子午慧差、弧矢慧差,,正、負(fù)透鏡組合消除像散,,,,,,,,2.4.3 像差校正的一些常用方法,各光組以至各面的像差分布要合理。在考慮初始結(jié)構(gòu)時(shí)可將要校正的像差列成用初級(jí)像差系數(shù)表示的方程組，從方程組的多組解中選出一合理解：盡量做到各個(gè)面上以較小的像差值相抵消，這樣就不至于會(huì)有很大的高級(jí)像差。 相對(duì)孔徑或入射角很大的面一定要使其彎向光闌，使主光線的偏角盡量小，以減少軸外像差。 最后的像差應(yīng)有合理的匹配，至少使0.7視場(chǎng)范圍內(nèi)的像質(zhì)比較均勻。 挑選對(duì)像差
17、變化敏感的表面改變其半徑。,對(duì)于對(duì)稱結(jié)構(gòu)的光學(xué)系統(tǒng)，可以選擇成對(duì)的對(duì)稱參數(shù)進(jìn)行修改。 利用膠合面改變色差或其他像差，并在必要時(shí)調(diào)換玻璃。 合理的攔截光束和選定光闌位置。 在像差校正過程中，重要的問題是能夠判斷各結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)像差變化影響的傾向。,光學(xué)系統(tǒng)中的光束限制,,,顯微系統(tǒng),顯微系統(tǒng)的構(gòu)成 顯微鏡的成像原理 顯微鏡的視放大率 顯微鏡的分辨力 顯微鏡的有效放大率 顯微鏡中的光束限制 照明系統(tǒng),典型光學(xué)系統(tǒng),顯微系統(tǒng)的構(gòu)成,照明系統(tǒng)成像系統(tǒng) 成像系統(tǒng)= 物鏡目鏡,,,,顯微鏡成像系統(tǒng)工作原理,顯微鏡成像系統(tǒng)工作原理,,,,,,,,,,,,,,顯微鏡的視放大率（一）,人眼直接觀察物體 人眼觀察顯微
18、鏡的像 顯微鏡的視放大率,,顯微鏡的視放大率（二）,顯微鏡為兩次放大，放大率為兩次放大的乘積 顯微鏡實(shí)質(zhì)上就是一個(gè)組合的放大鏡,,顯微鏡的視放大率公式,,,=,,,,,,,對(duì)顯微鏡成像的幾點(diǎn)分析,物平面應(yīng)位于物鏡的物方焦點(diǎn)到兩倍焦距之間，以實(shí)現(xiàn)物鏡的一級(jí)放大。 物平面應(yīng)位于整個(gè)顯微鏡組合物方焦點(diǎn)以內(nèi)，并十分靠近物方焦點(diǎn)處，以使得物體經(jīng)顯微鏡成像于250mm以外至處。 顯微鏡可以通過調(diào)換不同倍率的物鏡和目鏡，方便迅速地獲得顯微鏡的多種放大率。 顯微鏡因?yàn)橛兄虚g實(shí)像，可以在中間實(shí)像處放置分劃板，能實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的瞄準(zhǔn)和測(cè)量。,顯微鏡的光束限制孔徑光闌,低倍物鏡為單組透鏡，物鏡框?yàn)榭讖焦怅@ 高倍物鏡為
19、多組透鏡，后組透鏡框?yàn)榭讖焦怅@ 測(cè)量顯微鏡用物方遠(yuǎn)心光路，孔徑光闌設(shè)置在物鏡的像方焦平面上 孔徑光闌經(jīng)目鏡所成的像即為顯微鏡的出瞳 ，觀察時(shí)，眼瞳要與出瞳重合 。 顯微鏡的光束大小常用NA表示 出瞳直徑與入射光束的大小及放大率有關(guān),,,,,NA：數(shù)值孔徑,顯微鏡的分辨力,顯微鏡的分辨力取決于光學(xué)系統(tǒng)對(duì)光的衍射狀況。 根據(jù)瑞利判斷，兩個(gè)相鄰像點(diǎn)之間的間隔等于艾里斑的半徑時(shí)，則能被光學(xué)系統(tǒng)分辨。 顯微鏡的分辨力用所能分辨的物方最小距離表示 道威判斷：,,,,,提高顯微鏡分辨力的可能性,顯微鏡的分辨力主要取決于顯微物鏡的數(shù)值孔徑NA 提高數(shù)值孔徑的方法是增大孔徑角，物方孔徑角U最大可達(dá)6070，因此
20、，顯微物鏡屬于大孔徑系統(tǒng)。 提高數(shù)值孔徑的另一方法是提高物方空間的折射率，“油浸物鏡”便是用于這一目的。（如杉木油或二碘甲烷等），可使數(shù)值孔徑達(dá)到1.5 光學(xué)顯微鏡的極限分辨距約為/3。,提高顯微鏡分辨力的可能性,提高顯微鏡分辨率的另一途徑就是用電子束來代替光。根據(jù)德布羅意的物質(zhì)波理論，運(yùn)動(dòng)的電子具有波動(dòng)性，而且速度越快，它的“波長(zhǎng)”就越短。 電子顯微鏡是20世紀(jì)最重要的發(fā)明之一。由于電子的速度可以加到很高，電子顯微鏡的分辨率可以達(dá)到納米級(jí)（10-9m）。,照明系統(tǒng),直接照明 反射式照明 透射照明 聚光鏡照明 臨界照明 柯勒照明,臨界照明,光源 物面（特點(diǎn)：窗對(duì)窗） 優(yōu)點(diǎn)：亮度高，結(jié)構(gòu)
21、簡(jiǎn)單 缺點(diǎn)：照度不均勻,,柯勒照明,光源 成像系統(tǒng)的入瞳（窗對(duì)瞳） 集光鏡 物面（瞳對(duì)窗） 優(yōu)點(diǎn)：照度均勻 缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜,,,照明系統(tǒng)與成像系統(tǒng)的匹配,照明系統(tǒng)與成像系統(tǒng)的配合應(yīng)注意兩點(diǎn) 瞳窗要銜接，這樣既能保證物體的照明范圍又可以充分利用光能 照明系統(tǒng)必須提供被照物體有足夠的孔徑角，能滿足成像系統(tǒng)的數(shù)值孔徑，以確保成像系統(tǒng)的性能。,顯微鏡應(yīng)用的拓展,從對(duì)物體成像的特點(diǎn)來分，對(duì)近距離成像的光學(xué)系統(tǒng)都可以歸類于顯微鏡，近代顯微鏡常在系統(tǒng)中加入其它鏡組，以擴(kuò)大顯微鏡的功能。,筒長(zhǎng)無限的顯微物鏡,優(yōu)點(diǎn)：物鏡和輔助物鏡之間是平行光，有利于裝配和調(diào)整，可以在其間加入棱鏡、濾光片和偏振片，而不會(huì)引
22、起像點(diǎn)位置的變化及產(chǎn)生雙像、疊影等。,,,,,,,,,,,物鏡 輔助物鏡,,,,顯微鏡物鏡的類型,低倍物鏡 (3-6倍),中倍物鏡 (8-20倍),高倍物鏡 (40倍),平像場(chǎng)復(fù)消色差物鏡,反射式物鏡,顯微攝影系統(tǒng)顯微鏡與攝影系統(tǒng)組合,攝影物鏡直接置于目鏡的后方，使目鏡所成的虛像，成像在照相底片或CCD上。 攝影物鏡直接代替目鏡，該目鏡稱為攝影目鏡，為使整個(gè)共軛物像距不致于太大，目鏡應(yīng)設(shè)計(jì)成負(fù)光組。,,,,,,,,,,,,,,數(shù)字顯微鏡,顯微物鏡的像面上，直接放置CCD接收器，連接到計(jì)算機(jī)上，還可以對(duì)顯微鏡的圖像進(jìn)行測(cè)量和實(shí)時(shí)處理，圖像的大小也可以通過CCD靶面上的象素面積計(jì)算出來,,,,,
23、,,,,,,,,望遠(yuǎn)系統(tǒng),望遠(yuǎn)系統(tǒng)的組成 望遠(yuǎn)系統(tǒng)的放大率 望遠(yuǎn)系統(tǒng)的分類及特點(diǎn) 望遠(yuǎn)系統(tǒng)的分辨力 望遠(yuǎn)系統(tǒng)的有效放大率 望遠(yuǎn)系統(tǒng)的光束限制 望遠(yuǎn)鏡的輔助系統(tǒng) 目鏡,望遠(yuǎn)系統(tǒng)的組成及工作原理,組成：物鏡+目鏡 特點(diǎn)：物鏡的像方焦點(diǎn)重合于目鏡的物方焦點(diǎn)。無焦系統(tǒng),,望遠(yuǎn)鏡的工作原理圖,改變目鏡位置可以觀察近距離物體,望遠(yuǎn)系統(tǒng)的放大率,人眼直接觀察事物體對(duì)人眼的張角與物體對(duì)儀器的張角相等 望遠(yuǎn)系統(tǒng)的視放大率等于儀器的角放大率 視放大率還可以表示為,望遠(yuǎn)系統(tǒng)的分類,柯普勒型 特點(diǎn)：目鏡焦距為正光組 有中間實(shí)像，成倒像 結(jié)構(gòu)長(zhǎng) 伽利略型 特點(diǎn)：目鏡焦距為負(fù)光組 無中間實(shí)像，成正立像 結(jié)
24、構(gòu)短,柯普勒型,伽利略型,望遠(yuǎn)鏡的分辨力,理論極限分辨角 望遠(yuǎn)鏡的分辨力取決于入瞳直徑D（mm）,貴州FAST 500米口徑,望遠(yuǎn)系統(tǒng)的光束限制,孔徑光闌 ：望遠(yuǎn)鏡的物鏡框就是孔徑光闌，也是入瞳，出瞳位于目鏡像方焦點(diǎn)外側(cè)附近。 視場(chǎng)光闌 ：物鏡像方焦面上的分劃板是視場(chǎng)光闌，直徑為： 或,,,望遠(yuǎn)鏡中的輔助系統(tǒng)轉(zhuǎn)像系統(tǒng),透鏡轉(zhuǎn)像 一般有兩種形式，單組正透鏡和雙組正透鏡 棱鏡轉(zhuǎn)像,透鏡轉(zhuǎn)像系統(tǒng),,,,,,,,,,,,,單透鏡組轉(zhuǎn)像,,,,,,,,,,,,,,,,雙透鏡組轉(zhuǎn)像,棱鏡轉(zhuǎn)像系統(tǒng),望遠(yuǎn)鏡中的輔助系統(tǒng)場(chǎng)鏡,場(chǎng)鏡是一個(gè)正透鏡組，將其放置在物鏡的焦面上，可以在不改變
25、系統(tǒng)放大率的前提下，改變軸外光束的走向，降低其在目鏡上的高度，或讓更多的光線通過系統(tǒng)，,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,場(chǎng)鏡,物鏡,目鏡,目鏡,目鏡的放大率 目鏡的孔徑與視場(chǎng) 目鏡的視度調(diào)節(jié),目鏡的放大率,目鏡相當(dāng)于放大鏡 將位于焦點(diǎn)附近的物體成像于無限遠(yuǎn)至250mm處。,目鏡的孔徑和視場(chǎng),目鏡用反向光路來分析 入瞳即為望遠(yuǎn)系統(tǒng)的出瞳，略大于人眼的瞳孔直徑，焦距為25mm左右。 目鏡相對(duì)孔徑 較小，屬小孔徑系統(tǒng) 目鏡視場(chǎng)為 較大，屬大視場(chǎng)系統(tǒng),照相和投影系統(tǒng),攝影（照相）系統(tǒng) 包括光學(xué)照相機(jī)、電視攝像機(jī)、CCD攝像機(jī)和數(shù)碼照相機(jī)等 投影系統(tǒng) 幻燈機(jī)、書寫投影儀、液晶投影
26、儀、放映機(jī)等,照相系統(tǒng),組成 由攝影物鏡和感光器件組成 感光器件：感光膠片、CCD、電子光學(xué)變像管、 電視攝像管 物鏡 主要參數(shù)：焦距：f ； 視場(chǎng)： ； 相對(duì)孔徑： 或光圈數(shù)：,攝影物鏡（一）,焦距 焦距決定成像的大小比例 拍攝遠(yuǎn)處物體 拍攝近處物體 航攝鏡頭的焦距可達(dá)數(shù)百毫米甚至數(shù)米,,,攝影物鏡（二）,相對(duì)孔徑 相對(duì)孔徑?jīng)Q定像面照度 中心 邊緣 光圈分值的方法：每增大一擋光圈值，對(duì)應(yīng)的像平面照度依次減半。光圈值按公比 的等比級(jí)數(shù)變化,,,,,攝影物鏡（三）,視場(chǎng) 視場(chǎng)決定攝影系統(tǒng)成像的范圍，視場(chǎng)的大小由物鏡的焦距和接收器的尺寸決定。 長(zhǎng)焦距和短焦距
27、物鏡分別稱作遠(yuǎn)攝物鏡和廣角物鏡。普通照相機(jī)標(biāo)準(zhǔn)鏡頭的焦距介于兩者之間,,,,,,,常用接收器規(guī)格,,同一視場(chǎng)采用不同的接收器，要求的物鏡焦距也不相同。膠片的尺寸大，要求物鏡的焦距也大。CCD接收器小，鏡頭焦距也小。使用 6-15mm 鏡頭和一定大小CCD的數(shù)碼相機(jī)與使用 28-72mm鏡頭的傳統(tǒng)膠卷相機(jī)的視場(chǎng)范圍可以是完全一樣的。使問題更復(fù)雜化的是，數(shù)碼相機(jī)中使用的CCD 大小并非完全一樣。一般人使用 135mm 膠卷的相機(jī)時(shí)，很容易根據(jù)視場(chǎng)要求選擇鏡頭的類型。為使數(shù)碼相機(jī)的此參數(shù)也容易識(shí)別，許多制造商都將CCD鏡頭的焦距用等價(jià)135mm膠片的焦距來標(biāo)稱，稱作等價(jià)135mm典型的值。,普通相機(jī)
28、與數(shù)碼相機(jī)鏡頭的等價(jià)焦距,分辨力,攝影系統(tǒng)的分辨率是以像平面上每毫米內(nèi)能分辨開的線對(duì)數(shù)來表示，其大小取決于物鏡的分辨率和接收器的分辨率。 攝影膠片的分辨力很容易達(dá)到200l/mm，CCD的分辨力取決于象素的大小，目前CCD的象素尺寸為614微米，對(duì)應(yīng)的線對(duì)數(shù)為8535l/mm。,,,,,各類鏡頭光學(xué)設(shè)計(jì)的差別,（1）望遠(yuǎn)物鏡 光學(xué)特性：相對(duì)孔徑不大（<1/5），視場(chǎng)較?。?10）。 像差校正：球差、慧差和軸向色差 （2）目鏡 光學(xué)特性：焦距短（15-30mm）；相對(duì)孔徑較小（<1/5）；視場(chǎng)角大（<40） 。 像差校正：像散、垂軸色差和慧差。,（3）顯微物鏡 光學(xué)特性：數(shù)值孔徑?jīng)Q定系統(tǒng)的衍射
29、分辨率 像差校正：球差、軸向色差和正弦差，特別是減小高級(jí)像差。 （4）照相物鏡 光學(xué)特性：焦距、相對(duì)孔徑、視場(chǎng)角三者之間存在相互制約的關(guān)系。 像差校正：7類像差都要進(jìn)行，而且在一定程度上也要校正高級(jí)像差。 （5）魚眼鏡頭 光學(xué)特性：焦距短、視場(chǎng)很大?；儾豢杀苊?（6）折反射系統(tǒng) 光學(xué)特性：存在中心遮攔，一般用作望遠(yuǎn)物鏡。 像差校正：同望遠(yuǎn)物鏡 （7）變焦距鏡頭 光學(xué)特性：視場(chǎng)角隨焦距變化。 像差校正：焦距變化時(shí)，成像面位置保持不變，各對(duì)應(yīng)的成像質(zhì)量應(yīng)滿足要求。 （8）投影鏡頭 光學(xué)特性：相對(duì)孔徑大；出瞳距長(zhǎng)；解像力高。 像差校正：對(duì)畸變要求高。 （9）掃描鏡頭 光學(xué)特性：小孔徑小像差；解像力要求較高。 像差校正：畸變；RGB單色像差；白光色差。,（10）數(shù)碼相機(jī)的光學(xué)鏡頭,鏡頭實(shí)際焦距和對(duì)應(yīng)焦距 特點(diǎn)： 相對(duì)孔徑較傳統(tǒng)相機(jī)大； 分辨率要求較高； 體積較小，景深較大； 光學(xué)變焦倍數(shù)較大； 鏡頭增透膜的變化。,Thank You !,
光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)概要新.ppt
