典型光學(xué)系統(tǒng)與設(shè)計(jì)課件

典型光學(xué)透鏡系統(tǒng)與設(shè)計(jì)典型光學(xué)系統(tǒng)望遠(yuǎn)鏡顯微鏡投影和攝像望遠(yuǎn)鏡望遠(yuǎn)鏡是一種用于觀察遠(yuǎn)距離物體的目視光學(xué)儀器，能把遠(yuǎn)物很小的張角按一定倍率放大，使之在像空間具有較大的張角，使本來無法用肉眼看清或分辨的物體變清晰可辨。望遠(yuǎn)鏡是目視光學(xué)系統(tǒng)，其放大率為視覺放大率：第一個(gè)望遠(yuǎn)鏡是伽利略發(fā)明的望遠(yuǎn)鏡的種類折射式：伽利略望遠(yuǎn)鏡和多普勒望遠(yuǎn)鏡反射式折反共用折射式反射式：色差來源于不同的波長通過透鏡具有不同的折射率，因此具有不同的焦距，而反射鏡對(duì)不同波長來說反射角是一致的牛頓望遠(yuǎn)鏡反射望遠(yuǎn)鏡沒用上透鏡，因此沒有折射望遠(yuǎn)鏡的色差問題，現(xiàn)今世界上最好的望遠(yuǎn)鏡都是反射望遠(yuǎn)鏡，用的都是反射鏡面，例如夏威夷毛那基峰的十米Keck望遠(yuǎn)鏡。反射式望遠(yuǎn)鏡的例子：為什么又有了折反望遠(yuǎn)鏡？反射和折射望遠(yuǎn)鏡各有優(yōu)劣反射可以無色差，但校正其他像差困難折射可以矯正其他像差，但校正色差困難于是折反射就是綜合利用了兩者的優(yōu)勢(shì)折反射望遠(yuǎn)鏡，是在球面反射鏡的基礎(chǔ)上，再加入用于校正像差的折射元件，可以避免困難的大型非球面加工，又能獲得良好的像質(zhì)量。施密特望遠(yuǎn)鏡：它在球面反射鏡的球心位置處放置一施密特校正板。它是一個(gè)面是平面，另一個(gè)面是輕度變形的非球面，使光束的中心部分略有會(huì)聚，而外圍部分略有發(fā)散，正好矯正球差和彗差。馬克蘇托夫望遠(yuǎn)鏡：在球面反射鏡前面加一個(gè)彎月型透鏡，選擇合適的彎月透鏡的參數(shù)和位置，可以同時(shí)校正球差和彗差。以馬克蘇托夫望遠(yuǎn)鏡為例：讓我們把反射和折反的圖放一起比較下注意：比較像差的大小要看圖像的范圍。這里反射彌散斑范圍1000um，而折射僅40um。所以如果兩個(gè)放到一個(gè)比例下比較，折反射的像差遠(yuǎn)小于反射的比較下反射和折反的MTF圖：同樣，應(yīng)注意橫坐標(biāo)的范圍：顯然折反式在很高的頻率仍具有較高的MTF反射折反Cassegrain-typeRitchieCretien望遠(yuǎn)鏡632.8nm這個(gè)波長可以看做沒球差在較大空間頻率范圍內(nèi)，都有較大的MTF值常數(shù)場(chǎng)曲，無畸變！可見這個(gè)望遠(yuǎn)鏡是設(shè)計(jì)相當(dāng)完美的一個(gè)顯微鏡顯微鏡由物鏡和目鏡組成物體AB在物鏡前焦面稍前處，經(jīng)物鏡成放大、倒立的實(shí)像A'B'，它位于目鏡前焦面或稍后處，經(jīng)目鏡成放大的虛像，該像位于無窮遠(yuǎn)或明視距離處舉一個(gè)Zemax顯微鏡的設(shè)計(jì)例子在用ZEMAX軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，將顯微鏡倒置設(shè)計(jì)。設(shè)置參數(shù)如下：垂直放大率為0.04，物方數(shù)值孔徑為0.016，物高為25mm，物方半視場(chǎng)高度為12.5mm。從system菜單里點(diǎn)General子菜單，可以直接設(shè)置物方數(shù)值孔徑而要定義物體的大小，則必須從Syetem菜單fielddata子菜單里錄入這里我們先后考察三個(gè)物體，分別為軸上點(diǎn)、軸外9mm、軸外12.5mm物體。定義透鏡表面參數(shù)設(shè)置變量，開始優(yōu)化使用默認(rèn)目標(biāo)函數(shù)顯微鏡的現(xiàn)代變革放大鏡是最簡(jiǎn)單的顯微鏡后來人們使用目鏡和物鏡共同構(gòu)成的光學(xué)顯微鏡，使人類的視野進(jìn)入微觀領(lǐng)域，觀測(cè)到了細(xì)胞等用電子代替光：電子顯微鏡但上世紀(jì)八十年代開始，顯微鏡技術(shù)發(fā)生了一次具有歷史意義的革新：掃描隧道顯微鏡、原子力顯微鏡等分辨率：人眼或儀器

能分辨物體的最小間距（角分辨）。人眼分辨率：在明視距離內(nèi)只擁有1分的分辨率或0.1mm。顯微鏡：最高1600倍放大率，實(shí)際上有象差，受衍射極限

影響.分劃板

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顯微探測(cè)歷史回顧：

當(dāng)

=0.3m

所以，傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡分辨率極限是為提高分辨率，減小波長

從可見光——紫外光——x射線而更短的波長、電子射線GobackfromHistory用電子代替光，這或許是一個(gè)反常規(guī)的主意。但是還有更令人吃驚的。1983年，IBM公司蘇黎世實(shí)驗(yàn)室的兩位科學(xué)家GerdBinnig和HeinrichRohrer發(fā)明了掃描隧道顯微鏡（STM）。這種顯微鏡比電子顯微鏡更激進(jìn)，它完全失去了傳統(tǒng)顯微鏡的概念。

諾貝爾獎(jiǎng)：ErnstRuska，GerdBinnig和HeinrichRohrer（從左至右）分別因?yàn)榘l(fā)明電子顯微鏡和掃描隧道顯微鏡而分享1986年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。電子顯微鏡的發(fā)明者盧斯卡掃描隧道顯微鏡的發(fā)明者賓尼格和羅勒。

GobackfromHistory天才的賓尼格和羅勒，在隨后兩年又發(fā)明了原子力顯微鏡，這是納米科學(xué)做為獨(dú)立科學(xué)出現(xiàn)的重要標(biāo)志投影和攝像系統(tǒng)這兩個(gè)有些類似，光學(xué)部分差不多倒過來用與望遠(yuǎn)鏡顯微鏡系統(tǒng)不同的是，投影與攝像的關(guān)鍵部分有兩個(gè)，一是照明系統(tǒng)，必須保證足夠的照度才能清晰成像；二是光學(xué)系統(tǒng)，即要有一個(gè)好的成像物鏡。投影儀就是把待投影的圖像放在一個(gè)物鏡一倍和二倍焦距之間，這樣能在遠(yuǎn)處的屏幕上成像。但其實(shí)際結(jié)構(gòu)卻復(fù)雜的多，以我們教室頭上的投影儀為例，它的內(nèi)部是怎樣的呢？注意:在投影機(jī)中所使用的液晶板中每個(gè)液晶晶體代表一個(gè)象素，并沒有針對(duì)紅、綠、藍(lán)等顏色差別。為了清晰再現(xiàn)圖像色彩，它其實(shí)是使用了三張LCD液晶板來分別再現(xiàn)三種顏色，然后再經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)的把這些分離的