儀器光學系統(tǒng)設計及成像系統(tǒng)

儀器光學系統(tǒng)設計1課程基本內容第二章

儀器光學設計基本理論第三章

典型成像儀器光學系統(tǒng)設計第四章

非成像儀器光學系統(tǒng)設計第五章

儀器光學系統(tǒng)裝調理論及方法第一章

幾何光學基本原理2第一章幾何光學基本原理3參考書籍《工程光學》-郁道銀、談恒英（工科經(jīng)典）《應用光學與光學設計基礎》-遲澤英（內容全面）《幾何光學》-張以謨（使用廣泛）《應用光學》-王文生（光學設計詳細）《光學原理》-馬科斯.波恩（德）；埃米爾.沃爾夫（美）（經(jīng)典，全面詳細）4光學要解決的問題光的外在？

光的內在？·光的本性問題光的傳播規(guī)律量子光學物理光學幾何光學波動學說光線概念經(jīng)典物理學量子物理學·光子學說5第一節(jié)

光波與光線

研究光的意義:90%信息由視覺獲得,光波是視覺的載體

光是什么？彈性粒子－彈性波－電磁波－波粒二象性1666年：牛頓提出微粒說，彈性粒子1678年：惠更斯提出波動說，以太中傳播的彈性波1873年：麥克斯韋提出電磁波解釋，電磁波1905年：愛因斯坦提出光子假設20世紀：人們認為光具有波粒二象性6第一節(jié)

光波與光線

一般情況下,可以把光波作為電磁波看待，光波波長λ7光的本質是電磁波光的傳播實際上是波動的傳播物理光學：

研究光的本性，并由此來研究各種光學現(xiàn)象幾何光學：

研究光宏觀的傳播規(guī)律和傳播現(xiàn)象8可見光：波長在400-760nm范圍

紅外波段：波長比可見光長

紫外波段：波長比可見光短9

可見光：400-760nm

單色光：同一種波長

復色光：由不同波長的光波混合而成頻率和光速，波長的關系在透明介質中，波長和光速同時改變，頻率不變

10幾何光學的研究對象和光線概念幾何光學研究對象

不考慮光的本性研究光的傳播規(guī)律和傳播現(xiàn)象

特點不考慮光的本性，把光認為是光線11光線是能夠傳輸能量的幾何線，具有方向光波的傳播問題就變成了幾何的問題所以稱之為幾何光學當幾何光學不能解釋某些光學現(xiàn)象，例如干涉、衍射時，再采用物理光學的原理光線是光學系統(tǒng)簡化設計的重要前提，是成像光學系統(tǒng)設計的理論基礎12一、光的傳播現(xiàn)象的分類第二節(jié)

幾何光線基本定律燈泡空氣玻璃13光的傳播可以分類為：1、光在同一種介質中的傳播；2、光在兩種介質分界面上的傳播。14二、幾何光學基本定律1、光線在同一種均勻透明介質中時：直線傳播定律·成分均勻透光2、光線在兩種均勻介質分界面上傳播時，

反射定律3、折射定律

15AO:入射光線OB:反射光線OC:折射光線NN:過投射點所做的分界面法線I1:入射光線和分界面法線的夾角，入射角R1:反射光線和分界面法線的夾角，反射角I2:折射光線和分界面法線的夾角，折射角16全反射現(xiàn)象現(xiàn)象水空氣AI1R1I2O1O2O3O4I017發(fā)生全反射的條件

必要條件：n1>n2由光密介質進入光疏介質

充分條件：I1>I0入射角大于全反射角

1870年，英國科學家丁達爾全反射實驗18全反射的應用

用棱鏡代替反射鏡：減少光能損失194、獨立傳播定律不同光源發(fā)出的光在空間某點相遇，彼此不發(fā)生影響，各自獨立傳播理解：獨立傳播定律與干涉現(xiàn)象區(qū)別不認識的人（不共源，性質差異大）-相遇-各自回家-獨立傳播定律認識的熟人（同源；性質差異小（相位/振幅））-相遇-聊一會-相互影響-干涉現(xiàn)象20光路可逆光路可逆AB1、現(xiàn)象狙擊手最怕看到什么？門上貓眼？原因：光直線傳播定律（光線基本原理）

物象共軛原理（光學系統(tǒng)基本原理）21應用光路可逆：求焦點光學設計中，逆向計算：目鏡，顯微物鏡等焦距儀原理？225、費馬原理費馬原理：光從一點A傳播到另一點B，無論經(jīng)過多少介質，走過什么樣的路徑，其光程是穩(wěn)定的。（具有穩(wěn)定值或極值）廣義多元微分為零將四條基本定律進行統(tǒng)一概括光程：幾何路徑與折射率的乘積理解：揭示的是光傳播的穩(wěn)定性，即光程具有極值，光程是極大、極小還是其他定值可以通過變微分公式算出23馬呂斯定律：光線束在各向同性均勻介質中傳播時，始終保持與波面的正交性，并且入射波面與出射波面各對應點之間的光程為定值6、馬呂斯定律理解：馬呂斯定律定義了光線傳播方向，同時從波前角度闡釋了光線傳播過程中光程的特征24第三節(jié)

光學系統(tǒng)類別和成像的概念

各種各樣的光學儀器顯微鏡:觀察細小的物體望遠鏡:觀察遠距離的物體各種光學零件——反射鏡、透鏡和棱鏡25光學系統(tǒng)：把各種光學零件按一定方式組合起來，滿足一定的要求26光學系統(tǒng)分類

按介質分界面形狀分：

球面系統(tǒng)：系統(tǒng)中的光學零件均由球面構成

非球面系統(tǒng)：系統(tǒng)中包含有非球面共軸球面系統(tǒng)：系統(tǒng)光學零件由球面構成，并且具有一條對稱軸線

按有無對稱軸分：

共軸系統(tǒng)：系統(tǒng)具有一條對稱軸線，光軸非共軸系統(tǒng)：沒有對稱軸線

27成像基本概念透鏡類型正透鏡：凸透鏡，中心厚，邊緣薄，使光線會聚,也叫會聚透鏡會聚：出射光線相對于入射光線向光軸方向折轉

負透鏡：凹透鏡，中心薄，邊緣厚，使光線發(fā)散，也叫發(fā)散透鏡發(fā)散：出射光線相對于入射光線向遠離光軸方向折轉28透鏡作用－－－成像AA’A’點稱為物體A通過透鏡所成的像點。而把A稱為物點A′為實際光線的相交點，如果在A′處放一屏幕，則可以在屏幕上看到一個亮點，這樣的像點稱為實像點。

A和A′稱為共軛點。A’與A互為物像關系，在幾何光學中稱為“共軛”。29透鏡成像原理正透鏡：正透鏡中心比邊緣厚，光束中心部分走的慢，邊緣走的快。AOPQPQO’A’P’Q’成實像30負透鏡:負透鏡邊緣比中心厚，所以和正透鏡相反，光束中心部分走得快，邊緣走得慢。AA’成虛像31名詞概念像：出射光線的交點

實像點：出射光線的實際交點

虛像點：出射光線延長線的交點物：入射光線的交點

實物點：實際入射光線的交點虛物點：入射光線延長線的交點32像空間：像所在的空間

實像空間：系統(tǒng)最后一面以后的空間

虛像空間：系統(tǒng)最后一面以前的空間整個像空間包括實像和虛像空間物空間：物所的空間實物空間：系統(tǒng)第一面以前的空間虛物空間：系統(tǒng)第一面以后的空間

整個物空間包括實物和虛物空間注意：虛物的產(chǎn)生虛像的檢測33第四節(jié)

理想像和理想光學系統(tǒng)

通俗理解：如果要成像清晰，必須一個物點成像為一個像點

為什么要定義理想像波前理解：入射面為球面波，出射面也為球面波光束形態(tài)理解：入射光為同心光束，出射光也為同心光束光程理解：同系統(tǒng)任意兩條光線走過的光程相等34如果一個物點對應唯一的像點

則直線成像為直線直線OO為入射光線，其對應的出射光線為QQ，需要證明QQ是OO的像。

在OO上任取一點A，OO可看作是A點發(fā)出的很多光線中的一條，A的唯一像點為A’，A’是所有出射光線的會聚點，A’當然在其中的一條QQ上。因為A點是在OO上任取的，即OO上所有點都成像在QQ上，所以QQ是OO的像

35如果一個物點對應唯一的像點

則平面成像為平面36

符合點對應點，直線對應直線，平面對應平面的像稱為理想像

能夠成理想像的光學系統(tǒng)稱為理想光學系統(tǒng)

37

共軸理想光學系統(tǒng)的成像性質1.軸上點成像在軸上2.過光軸的某一截面內的物點對應的像點位在同一平面內3.過光軸任一截面內的成像性質是相同的

空間的問題簡化為平面問題，系統(tǒng)可用過光軸的一個截面來代表38BAA’B’

共軸理想光學系統(tǒng)的成像性質4.當物平面垂直于光軸時，像平面也垂直于光軸39

5.當物平面垂直于光軸時，像與物完全相似

像和物的比值叫放大率

所謂相似，就是物平面上無論什么部位成像，都是按同一放大率成像。即放大率是一個常數(shù)。

40第二章

儀器光學設計基本理論41參考書籍《光學儀器總體設計》-王家琪（航天相機方面權威）《光學系統(tǒng)設計》-Milton.Laikin（美）（光學設計常用）《光學設計》-劉鈞，高明（內容詳實全面）《光機系統(tǒng)設計》-PaulR.Yoder（光機結構最權威經(jīng)典參考書）《反射棱鏡與平面鏡系統(tǒng)》-連銅淑（裝調與穩(wěn)像領域最權威詳實的著作）《實用光學技術手冊》-機械工業(yè)出版社（精簡版光學手冊，偶爾閑翻最佳書品）42

what：儀器中的光學總體技術when：1979年，薛鳴球院士首次提出，儀器中光學總體設計why：光學總體設計是光學儀器設計的先行和關鍵how：技術指標

光學方案

機電控一體化2.1、儀器光學理論-概念儀器光學課程主要講述光學理論在儀器設計領域的工程應用432.2、儀器光學理論-課程內容儀器光學設計成像光學系統(tǒng)設計人眼光學系統(tǒng)放大鏡光學系統(tǒng)顯微光學系統(tǒng)望遠光學系統(tǒng)照相光學系統(tǒng)非成像光學系統(tǒng)設計照明光學系統(tǒng)（能量）激光光學系統(tǒng)（測量）44第一階段：根據(jù)儀器總體技術要求（性能指標、外形體積、重量及相關技術條件），從儀器總體（光學、機械、電路及計算技術）出發(fā)，擬定光學系統(tǒng)原理圖，并初步計算系統(tǒng)外形尺寸，以及系統(tǒng)中各部分要求的光學特性等。一般稱這一階段的設計為“初步設計”或者“外形尺寸計算”。第二階段：根據(jù)初步設計結果，確定每個鏡頭的具體結構參數(shù)（半徑、厚度、間隔、玻璃材料），以保證滿足系統(tǒng)光學特性和成像質量的要求。這一階段的設計稱為“像差設計”，一般簡稱“光學設計”。2.3、光學系統(tǒng)設計設計儀器中的光學系統(tǒng)，大體上可分為兩個階段。這兩個階段既有區(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。如大部分軍用光學儀器中，初步設計比較繁重，而像差設計相對比較容易；一般顯微鏡和照相機中，初步設計比較簡單，而像差設計比較復雜。45 光學設計就是選擇和安排光學系統(tǒng)中各光學零件的材料、曲率和間隔，使得系統(tǒng)的成像符合應用要求。一般設計過程基本是減小像差到可以忽略不計的程度。光學設計可以概括為以下幾個步驟：

（1）選擇系統(tǒng)的類型 （2）分配元件的光焦度和間隔 （3）校正初級像差 （4）減小殘余像差（高級像差） 以上每個步驟可以包括幾個環(huán)節(jié)，重復地循環(huán)這幾個步驟，最終會找到一個滿意的結果。2.4、光學系統(tǒng)設計步驟46光學系統(tǒng)基本特性

數(shù)值孔徑或相對孔徑、線視場或角視場、系統(tǒng)放大率或焦距。

相關參數(shù)：光瞳大小和位置、共軛距等。系統(tǒng)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。成像質量要求

按其用途不同的光學系統(tǒng)具有不同的成像質量。望遠系統(tǒng)和顯微系統(tǒng)中心

視場成像質量要求較高，照相物鏡要求整個視場都具有較好的成像質量。儀器使用要求

根據(jù)儀器的使用條件，光學系統(tǒng)應具有一定的穩(wěn)定性、抗振性、耐熱性和

耐寒性，保證儀器在特定的環(huán)境下能正常工作。

光學系統(tǒng)的使用要求應考慮技術和物理上實現(xiàn)的可能性。例如：生物顯微

鏡500NA<Г<1000NA，望遠鏡0.2D≤Г≤0.75D。光學儀器的用途和使用條件對其光學系統(tǒng)提出了特定要求，在光學設計之前一定要了解這一特定要求，大致有以下幾個方面：2.5、光學系統(tǒng)設計要求47光學系統(tǒng)成像質量

點成像彌散斑尺寸，衍射效應或幾何像差，彌散斑尺寸及能量分布，圖像對比度衰減，系統(tǒng)整體質量。像質評價方法a瑞利判斷：實際波面與理想波面之間的最大波像差小于

1/4波長，此波面可看作是無缺陷的。

b分辨率：當一個點的衍射圖中心與另一個點衍射圖的第一

暗環(huán)重合時，恰好能分辨。衍射理論的最小分辨角

Δθ=1.22λ/D2.6、光學系統(tǒng)設計評價48點列圖

彌散斑對應于成像點或光線，集中30%以上的點或光線的圓形區(qū)域為實際有效的彌散斑。適合大像差光學系統(tǒng)。光學傳遞函數(shù)MTF

傅里葉光學認為光學系統(tǒng)是線性不變系統(tǒng)，傳遞頻率不變。但受限光學儀器，并非所有的頻譜都能傳遞。用光學傳遞函數(shù)表示光學系統(tǒng)在成像中的傳遞能力。與像差和衍射效果有關。2.6、光學系統(tǒng)設計評價49日常應用攝像機、照相機（光學防抖）光存儲（如超大孔徑讀寫物鏡）光通信（如梯度折射率光學材料，微透鏡陣列）光顯示（大視場、大孔徑物鏡）科研與生產(chǎn)領域芯片技術（制造、檢測）醫(yī)療設備（治療、診斷）軍事國防應用紫外、紅外觀測遙感、遙測、偵查2.7、光學系統(tǒng)應用領域503典型儀器光學系統(tǒng)設計51主要內容眼睛光學系統(tǒng)放大鏡光學系統(tǒng)顯微鏡光學系統(tǒng)望遠鏡光學系統(tǒng)照相、攝影光學系統(tǒng)2.1、典型儀器光學系統(tǒng)設計52

絕大多數(shù)光學系統(tǒng)均為成像系統(tǒng)，按成像接收器可將其區(qū)分為：助視光學系統(tǒng)和直接成像系統(tǒng)。助視光學系統(tǒng)后面用眼睛觀察，即眼睛作為系統(tǒng)的光能接收器，如放大鏡、顯微鏡和各類望遠系統(tǒng)等；直接成像系統(tǒng)是以感光底片、光電探測器、屏幕等作為光能接收器，如照相機、攝影系統(tǒng)、投影儀等。在現(xiàn)代光學儀器理論中，光學是最基本的，幾何光學可近似描寫光學儀器的主要性能，對于一般的應用這種近似描述已足夠準確，因此光學儀器的基礎理論主要是幾何光學。2.2、經(jīng)典儀器光學系統(tǒng)設計-緒論53眼睛及其光學系統(tǒng)眼睛的調節(jié)及校正眼睛的適應特性（輻射接收器）眼睛的分辨率、對準精度和景深雙目立體視覺2.3、眼睛及其光學系統(tǒng)54成像光學系統(tǒng)設計思想源于眼睛拓展、提高眼睛功能替代眼睛功能望遠鏡系統(tǒng)顯微鏡系統(tǒng)照相/攝影系統(tǒng)2.3、眼睛及其光學系統(tǒng)55眼睛及其光學系統(tǒng)光軸與視軸：光軸是光學上的對稱軸；視軸是眼球光學系統(tǒng)的節(jié)點與黃斑中心凹的連線。兩者交角約為5°。眼睛光學系統(tǒng)中視軸最重要。眼睛的光學系統(tǒng)猶如照相機：其角膜與水晶體的組合相當于照相機的物鏡（不同的是，它具有調節(jié)能力）；其虹膜和瞳孔相當于照相機的可變光闌；視網(wǎng)膜相當于照相機的感光底片；脈絡膜相當于照相機的暗匣。成像時，來自物體的光線經(jīng)過角膜和水晶體折射后，成像在視網(wǎng)膜上，使視覺細胞受到刺激，視網(wǎng)膜將光信號轉變?yōu)槿梭w電脈沖，并借助于視神經(jīng)系統(tǒng)傳至大腦的信息處理系統(tǒng)，產(chǎn)生視覺。視網(wǎng)膜上所成的像為倒像，但由于神經(jīng)系統(tǒng)內部作用的結果，人的感覺仍為正立的。5°脈絡膜2.3、眼睛及其光學系統(tǒng)56眼睛的調節(jié)及校正由物體發(fā)出的光線，經(jīng)角膜和水晶體的折射而成像在視網(wǎng)膜上的過程，稱為“眼屈光”。為看清任意距離的物體眼睛自動調焦的過程稱為屈光狀態(tài)的“調節(jié)”。按屈光情況可將眼睛分為兩類：若遠點在無限遠處（即R=0）稱為“正常眼”；若不合此條件（即R≠0），則稱“屈光異?！被颉胺钦Ｑ邸薄Ｑ劬Φ倪@類缺陷常見有兩種：球面屈光異常（近視和遠視）與散光。近視眼遠視眼散光眼2.3、眼睛及其光學系統(tǒng)57眼睛的適應特性（輻射接收器）眼睛之所以具有視覺，即能看見物體并區(qū)別其細節(jié)，是由于具有不同亮度及色度的物體在成像視網(wǎng)膜上所引起的光刺激不同所致。視網(wǎng)膜由視桿細胞（約1億多）和視錐細胞（約7百萬）構成。視桿細胞對光亮度的反應非常靈敏（10-3lx）,但它不能辨別顏色；視錐細胞在明視條件下可檢測亮度和顏色信息，弱照明時，視覺主要由視桿細胞起作用。眼睛自動變化，以適應周圍光亮度變化的這種能力和過程稱為“適應”。“適應”有“亮適應”和“暗適應”。告訴你，眼睛能在最大亮度與最小亮度的比值高達1012這樣大的亮度變化范圍內工作！厲害吧！2.3、眼睛及其光學系統(tǒng)58眼睛的分辨率、對準精度和景深

眼睛觀察空間物體時，物體對人眼構成一定的張角。定義眼睛剛好能分辨開物空間兩點對眼睛物方節(jié)點張角的最小值為眼睛分辨率。其倒數(shù)定義為視角敏銳度。眼睛對線條的變形，如在某點發(fā)生曲折或錯開時，則具有更高的敏銳度（可達10″）。敏銳度提高的原因是由于一直線的像刺激著同一列視神經(jīng)細胞，另一直線的像又刺激著它旁邊的另一列視神經(jīng)細胞，因而眼睛能敏銳地感覺它們之間的位置差，也稱為對準精度。當眼睛調焦在某一對準平面時，眼睛不必調節(jié)就能同時看清對準平面前后某一距離的物體，稱為眼睛的景深。2.3、眼睛及其光學系統(tǒng)59雙目立體視覺眼睛除了能感覺區(qū)分物體的大小、形狀、亮暗及表面顏色外，還能估計區(qū)分物體的遠近，即具有空間深度的感覺或叫立體視覺。立體視覺的形成必須建立在“合像”的基礎上，這是與單眼視覺的重要區(qū)別。所謂“合像”是指雙眼視覺具有將空間一個物體（點）在兩眼視網(wǎng)膜上生成的兩個像，在我們的視覺印象中匯合為一個像的能力。如圖，

雙眼之所以具有在大范圍內估計物體距離、比較其遠近的空間深度感覺，主要是由于它能根據(jù)物體對雙眼構成的“視差角”大小，來靈敏地判斷物體距離的遠近。我們稱雙眼的這種視覺特性為“體視效應”或“立體感”。所謂“視差角”，系指物點對眼睛基線—連接兩眼節(jié)點的連線的張角。2.3、眼睛及其光學系統(tǒng)60放大鏡的工作原理放大鏡的視覺放大率放大鏡的光束限制2.4、放大鏡61放大鏡又稱助視鏡，當被觀察物體的細節(jié)對眼睛的張角小于最小分辨角（1‘）時，眼睛便無法分辨其細節(jié)，只能借助于目視光學儀器將其放大后再去觀察。由此引入視覺放大率。放大鏡工作原理放大鏡的工作原理2.4、放大鏡62

視覺放大率定義：通過目視光學儀器觀察物體時，其像對眼睛張角的正切與直接看物體時物體對眼睛張角的正切之比

視覺放大率是一種主觀放大率（用人眼測量像的大?。煌谇懊娼榻B的三種客觀放大率。2.4、放大鏡63一般有當時（物體放在放大鏡的物方焦點上）當時（正常眼一般把像點調到明視距離處）當時（眼睛緊靠放大鏡）2.4、放大鏡64放大鏡的光束限制放大鏡與人眼組合成一個組合光學系統(tǒng)孔徑光闌：人眼瞳孔，又是出瞳視場光闌：放大鏡，又是出、入窗2.4、放大鏡652.4、放大鏡放大鏡的光束限制圖66漸暈y2y1y3yo提高放大鏡放大率的可能性一般將確定為放大鏡的視放大率。放大率取決于焦距，與焦距成反比。當單透鏡的焦距不能減小時，放大率受到限制，于是，有了顯微鏡。2.4、放大鏡67顯微系統(tǒng)構成顯微鏡成像原理顯微鏡視放大率顯微鏡分辨力顯微鏡有效放大率顯微鏡應用2.5、顯微系統(tǒng)68[1]顯微系統(tǒng)的構成與原理照明系統(tǒng)＋成像系統(tǒng)成像系統(tǒng)=物鏡＋目鏡

2.5、顯微系統(tǒng)69顯微鏡成像系統(tǒng)工作原理2.5、顯微系統(tǒng)702.5、顯微系統(tǒng)顯微鏡成像系統(tǒng)工作原理71人眼直接觀察物體人眼觀察顯微鏡的像顯微鏡的視覺放大率2.5、顯微系統(tǒng)[2]顯微鏡的視放大率72顯微鏡為兩次放大，放大率為兩次放大的乘積顯微鏡實質上就是一個組合的放大鏡

2.5、顯微系統(tǒng)[2]顯微鏡的視放大率73顯微鏡的視放大率公式2.5、顯微系統(tǒng)74752.5、顯微系統(tǒng)[3]顯微鏡的線視場若目鏡確定，顯微鏡的視覺放大率越大，物空間的線視場越小。線視場取決于放在目鏡前焦平面上的視場光闌的大小，物體經(jīng)物鏡就成像在視場光闌內。設視場光闌為DO，則線視場762.5、顯微系統(tǒng)[4]顯微鏡的出瞳直徑普通物鏡，物鏡框是孔徑光闌復雜物鏡，最后鏡組的鏡框為孔徑光闌測量顯微鏡，專門設置孔徑光闌孔徑光闌經(jīng)目鏡所成的像為出瞳一般顯微鏡的出瞳直徑小于眼瞳直徑772.5、顯微系統(tǒng)[5]顯微鏡的分辨率和有效放大率分辨率，主要與數(shù)值孔徑相關。有效放大率，在一定范圍內的才細節(jié)清晰。約為782.5、顯微系統(tǒng)[6]顯微鏡的景深人眼通過顯微鏡調焦在某一對準平面時，在對準平面前后某一距離的物體也能清晰成像，該距離范圍稱為顯微鏡的景深。數(shù)值孔徑越大，放大倍率越高，景深越小。792.5、顯微系統(tǒng)[7]顯微鏡的照明1透射光亮視場照明2反射光亮視場照明3透射光暗視場照明4反射光暗視場照明透明物體不透明物體物體亮，背景暗物體亮，背景暗物平面應位于物鏡的物方焦距點到兩倍焦距點之間，以實現(xiàn)物鏡的一級放大。物平面應位于整個顯微鏡組合物方焦點以外，并十分靠近物方焦點處，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。

顯微鏡因為有中間實像，可以在中間實像處放置分劃板，能實現(xiàn)對物體的瞄準和測量。2.5、顯微系統(tǒng)對顯微鏡成像的幾點分析80顯微鏡應用1）第一代顯微鏡---光學顯微鏡成像過程：光線→反光鏡→遮光器→通光孔→標本（一定要透明）→物鏡的透鏡（第一次放大成倒立實像）→鏡筒→目鏡（再放大成虛像）→眼。物鏡的作用：使被觀察物體成一個倒立的放大的實像。像投影儀的鏡頭。目鏡的作用：把物鏡成的實像，再一次放大成虛像。像放大鏡的鏡頭，把物體的像放大。2.5、顯微系統(tǒng)81萊卡DMI6000B上海滬杏XPR系列反射偏光顯微鏡2.5、顯微系統(tǒng)822)第二代顯微鏡----電子顯微鏡不使用光線而利用電子流來照射標本來觀察的顯微鏡。由于電子用肉眼看不出，因此就使電子透過觀察材料，而映在涂有螢光劑的板子上，這種方法稱為穿透式電子顯微鏡。另一種方法是以電流在觀察材料的表面移動，然后使觀察材料所放出的二次電子流映在真空管上，以這種方式觀察的稱為掃描式電子顯微鏡。穿透式電子顯微鏡可放大80萬倍，可以看出分子的形象；掃描式電子顯微鏡可用以觀察立體的表面，放大倍率約20萬倍。2.5、顯微系統(tǒng)83電子照明系統(tǒng)成象系統(tǒng)觀察記錄系統(tǒng)真空系統(tǒng)供電及保護系統(tǒng)透射電鏡的結構透射式電子顯微鏡2.5、顯微系統(tǒng)84日立H-7650透射電子顯微鏡螺原體2.5、顯微系統(tǒng)85掃描電子顯微鏡電子槍接受、轉變成光子放大、轉換成電壓信號電子束電磁透鏡樣品表面掃描線圈次級電子信號探測器光電倍增管顯象管/熒光屏樣品表面上相應點所發(fā)出的次級電子數(shù)熒光點的亮度2.5、顯微系統(tǒng)86電子槍燈絲電磁透鏡探測器電磁透鏡掃描線圈的束偏轉器樣品托樣品顯象管次級電子掃描電鏡成像原理的簡單圖示蔡司EVOMA15型掃描電子顯微鏡TESCAN公司FERA3-等離子源聚焦離子束2.5、顯微系統(tǒng)87掃描電鏡照片演示人耳聽毛細胞的掃描電鏡照片人RBC的掃描電鏡照片有被小泡的掃描電鏡照片2.5、顯微系統(tǒng)88細胞褶皺的掃描電鏡照片分裂溝的掃描電鏡照片掃描電鏡照片演示89第三代顯微鏡——掃描探針顯微鏡（SPM）也可簡稱為納米顯微鏡。1982年賓尼和羅雷爾發(fā)明了掃描隧道顯微鏡（STM），使人類實現(xiàn)了觀察單個原子的原望；1985年賓尼發(fā)明了可適用于非導電樣品的原子力顯微鏡（AFM），也具有原子分辨率，與掃描隧道顯微鏡一起構建了掃描探針顯微鏡（SPM）系列。1986年賓尼和羅雷爾被授予諾貝爾物理學獎金。從1830年到1982年150年內，人類眼睛的也從200nm“看”到了0.1nm，提高了2000倍。葛.賓尼海.羅雷爾2.5、顯微系統(tǒng)90STM具有如下獨特的優(yōu)點：a具有原子級高分辨率，STM在平行于和垂直于樣品表面方向上的分辨率分別可達0.1nm

和0.01nm，即可以分辨出單個原子。這是中國科學院化學所的科技人員利用納米加工技術在石墨表面通過搬遷碳原子而繪制出的世界上最小的中國地圖。2.5、顯微系統(tǒng)91b可實時得到實空間中樣品表面的三維圖像，可用于具有周期性或不具備周期性的表面結構的研究，這種可實時觀察的性能可用于表面擴散等動態(tài)過程的研究。

c可以觀察單個原子層的局部表面結構，而不是對體相或整個表面的平均性質，因而可直接觀察到表面缺陷。表面重構、表面吸附體的形態(tài)和位置，以及由吸附體引起的表面重構等．硅111面原子重構象

對硅片進行高溫加熱和退火處理，在加熱和退火處理的過程中硅表面的原子進行重新組合，結構發(fā)生較大變化，這就是所謂的重構。2.5、顯微系統(tǒng)92尖銳金屬探針在樣品表面掃描，利用針·尖-樣品間納米間隙的量子隧道效應引起隧道電流與間隙大小呈指數(shù)關系，獲得原子級樣品表面形貌特征圖象。

掃描隧道顯微鏡的基本原理2.5、顯微系統(tǒng)93掃描隧道顯微鏡的應用

掃描隧道顯微鏡已在材料、物理、化學、生命等科學領域得到了廣泛的應用，特別是在金屬、半導體和超導體等材料研究中取得了突破性進展。高序石墨樣品的表面原子排列圖

金膜表面的原子團簇圖像掃描光柵樣品2.5、顯微系統(tǒng)94原子力顯微鏡（AFM）

掃描隧道顯微鏡工作時必須實時通過檢測針尖和樣品間隧道電流變化實現(xiàn)樣品表面成像的，因此它只能用于觀察導體或半導體材料的表面結構，不能實現(xiàn)對絕緣體表面形貌的觀察。2.5、顯微系統(tǒng)95它與掃描隧道顯微鏡主要不同點：是掃描隧道顯微鏡檢測的是針尖和樣品間的隧道電流，而原子力顯微鏡檢測的是針尖和樣品間的力。原子力顯微鏡的工作原理AFM的工作原理原子力顯微鏡是一種類似于掃描隧道顯微鏡的顯微技術，它的儀器構成（機械結構和控制系統(tǒng)）在很大程度上與掃描隧道顯微鏡相同。如用三維壓電掃描器，反饋控制器等。2.5、顯微系統(tǒng)96原子力顯微鏡的應用高定向氮化硼的AFM原子圖像原子力顯微鏡已成為表面科學研究的重要手段，在金屬、無機、半導體、電子、高分子等材料中得到了廣泛應用。沉積于云母片上的抗體分子的AFM成像氧化鋅薄膜的AFM圖(單位：nm)原子力顯微鏡對金的觀測2.5、顯微系統(tǒng)97望遠系統(tǒng)的組成望遠系統(tǒng)的放大率望遠系統(tǒng)的分類及特點望遠系統(tǒng)的分辨力望遠系統(tǒng)的有效放大率望遠系統(tǒng)的光束限制望遠鏡的輔助系統(tǒng)國內外典型望遠鏡介紹2.6、望遠系統(tǒng)98改變目鏡位置可以觀察近距離物體★組成：物鏡+目鏡★特點：物鏡的像方焦點重合于目鏡的物方焦點。

無焦系統(tǒng)2.6、望遠系統(tǒng)99望遠鏡系統(tǒng)基本類型反射物鏡目鏡2）開普勒望遠鏡3）反射型望遠鏡1）伽利略望遠鏡特點：目鏡焦距為正光組有中間實像，成倒像；結構長特點：目鏡焦距為負光組

無中間實像，成正立像；結構短特點：無色差，光路短，孔徑大，有中心遮攔2.6、望遠系統(tǒng)100人眼直接觀察事物體對人眼的張角與物體對儀器的張角相等望遠系統(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

2.6、望遠系統(tǒng)101理論極限分辨角

望遠鏡的分辨力取決于入瞳直徑D（mm）2.6、望遠系統(tǒng)102望遠系統(tǒng)的光束限制孔徑光闌：望遠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外側附近。視場光闌：物鏡像方焦面上的分劃板是視場光闌，直徑為：或2.6、望遠系統(tǒng)103望遠鏡中的輔助系統(tǒng)－轉像系統(tǒng)

透鏡轉像一般有兩種形式單組正透鏡和雙組正透鏡棱鏡轉像2.6、望遠系統(tǒng)104典型望遠鏡介紹-國內多通道太陽望遠鏡由五個不同功能的望遠鏡組成35cm太陽磁場望遠鏡：能獲得光球(λ=5324?)和色球(λ=4861?)的矢量磁場及視線速度場。10cm全日面矢量磁場和視線速度場望遠鏡，附有帶寬0.1A的萬能雙折射濾光器。14cm色球望遠鏡，有帶寬32?±0.5?的可調濾光器，能獲得全日面和局部區(qū)色球Hα單色像及色球縱向磁場。8cmCaIIλ=3933?全日面單色像望遠鏡，附有帶寬2?的daystar濾光片。60cm多通道太陽望遠鏡主鏡。北京懷柔2.6、望遠系統(tǒng)105

目前中國最大的天文光學望遠鏡云南天文臺正在安裝調試的2.4米光學望遠鏡（英國TTL公司制造）該望遠鏡主要技術參數(shù):

口徑：2400mm；

系統(tǒng)焦比：F/8

具有3個角秒的指向精度，及良好的跟蹤精度。云南麗江2.6、望遠系統(tǒng)106大面積天區(qū)多目標天體的光譜巡天望遠鏡（LAMOST）大型天文光譜望遠鏡

=LAMOST=LargeMulti-ObjectSpectroscopyTelescope特點

大視場與大口徑兼顧有效口徑=4米效能同時觀測4000個20.5星等的星系的光譜完成時間200601河北興隆2.6、望遠系統(tǒng)107上海天文臺25米射電望遠鏡

1986年建成，1987年投入使用

是國內最早建成的大型射電望遠鏡。該射電望遠鏡由一面直徑25米的拋物面天線、五個工作波段（18cm，13cm，6cm，3.6cm和1.3cm)的接收系統(tǒng)、高精確度氫原子鐘時頻系統(tǒng)和兩套國際先進水平的數(shù)據(jù)機理系統(tǒng)（MK4和VLBA）組成。上海佘山2.6、望遠系統(tǒng)108109500米口徑球面射電望遠鏡（Five-hundred-meterApertureSphericalradioTelescope），簡稱FAST，位于貴州省黔南布依族苗族自治州平塘縣克度鎮(zhèn)大窩凼的喀斯特洼坑中。

2.6、望遠系統(tǒng)500米口徑球面射電望遠鏡被譽為“中國天眼”，是由中國科學院國家天文臺主導建設，具有我國自主知識產(chǎn)權、世界最大單口徑、最靈敏的射電望遠鏡。綜合性能是著名的射電望遠鏡阿雷西博的十倍。截至2018年9月12日，500米口徑球面射電望遠鏡已發(fā)現(xiàn)59顆優(yōu)質的脈沖星候選體，其中有44顆已被確認為新發(fā)現(xiàn)的脈沖星。典型望遠鏡介紹-國外1、美國于1992年，1996年建成的兩個10米口徑的凱克I和凱克II號望遠鏡，其聯(lián)合干涉觀測相當于一架口徑14米望遠鏡的威力。

2、歐南天文臺(ESO)建造的超大望遠鏡(VLT)，由4架口徑8米的望遠鏡組成(=16m)；

3、美國、英國等六國聯(lián)合建造的雙子座望遠鏡由兩個8m望遠鏡組成，于1998年完成一架，第二架于2000年完成。

4、日本的8.2m昴星團望遠鏡也已投入使用。2.6、望遠系統(tǒng)110美國夏威夷州莫納克亞天文臺與美國的凱克（KeckⅠ）10米望遠鏡UT2:歐洲TheMoon魁陰

主要的終端設備為兩架大型攝譜儀，預計在未來10年內，可獲得50萬個恒星的光譜。VLT每個重400噸，鏡面重22噸。大型雙子望遠鏡（北）

聯(lián)合天文中心

美國夏威夷莫納克亞1999年大型雙子望遠鏡（南）

托洛洛山美洲天文臺

智利色洛·帕瑞那

直徑8米望遠鏡111著名的空間天文望遠鏡1）哈勃望遠鏡于1990年發(fā)射升空。22年來這部功勛卓著的望遠鏡重新改變了我們對宇宙的認識，向公眾奉獻了大批精彩絕倫的太空靚照。然而最近哈勃望遠鏡遭受了硬件失靈的故障，令其無法與地面實現(xiàn)通訊。但美宇航局正在制定一個復蘇“大天文臺”的計劃，令“哈勃”望遠鏡至少服役到2013年.2.6、望遠系統(tǒng)1122）.康普頓伽馬射線太空望遠鏡于1991年經(jīng)由“亞特蘭蒂斯”號航天飛機發(fā)射升空，用以觀測宇宙中的高能射線?？灯疹D攜帶的先進儀器向世人揭示了高能伽馬射線爆發(fā)的分布情況，使科學家繪制出諸如上圖這樣的精彩地圖，該圖顯示集中于銀道面(galacticplane)沿線的伽馬射線爆發(fā)。2000年，在陀螺儀發(fā)生故障后，康普頓被安全地脫離了軌道。2.6、望遠系統(tǒng)1133）.錢德拉X射線太空望遠鏡錢德拉望遠鏡用以觀測黑洞和以高能光形式存在的超新星等物體。它拍攝的具有340年歷史的超新星殘骸“仙后座A”向天文學家揭示了這種爆發(fā)的恒星可能是宇宙射線的重要來源。宇宙射線是不斷轟擊地球的高能粒子。2.6、望遠系統(tǒng)114

1999年12月，多鏡片X射線觀測衛(wèi)星(現(xiàn)稱)發(fā)射升空，歐洲天文學家從此擁有了他們自己的X射線觀測臺。這顆衛(wèi)星裝備了三部X射線望遠鏡，因其奇異的飛行軌道而著稱，這種飛行軌道可令其長時間、不間斷觀測深空。XMM-牛頓讓歐洲天文學界獲得了諸多突破，4）.XMM-牛頓2.6、望遠系統(tǒng)如觀測到迄今在遙遠宇宙看到的最大星系團。這個龐大的星系團(上圖右側)證明了一種稱為暗能量的神秘力量的存在。據(jù)說，暗能量加速了宇宙的膨脹速度?？茖W家表示，如此巨大的星系團可能是在宇宙初期形成的。1155）.威爾金森微波各向異性探測器

美宇航局在1992年發(fā)射了一艘航天器，對宇宙微波背景輻射的微小變化進行探測。威爾金森微波各向異性探測器發(fā)射于2001年，多年來一直在研究宇宙微波背景輻射更為細微的變化，令科學家對大爆炸后宇宙狀況有初步了解。如上圖所示，美宇航2.6、望遠系統(tǒng)局在2003年公布了一幅根據(jù)威爾金森微波各向異性探測器數(shù)據(jù)繪制的早期宇宙地圖。這些數(shù)據(jù)證實宇宙已擁有137億年歷史。116發(fā)射于2003年的斯皮策太空望遠鏡(右圖)通過收集紅外光，為天文學家們解決了這個難題。紅外光是與某個熱量有關的電磁輻射的無形模式，這種熱量是氣云所不能阻擋的。通過斯皮策太空望遠鏡攜帶的攝像機，天文學家對星系、新形成的行星系及形成恒星的區(qū)域(如左側的W5區(qū)域)進行了前所未有的勘測。6）.斯皮策太空望遠鏡

2.6、望遠系統(tǒng)117黑洞被稱為太空中的旋渦，將一切東西吸引在其周圍。但是，當黑洞吞噬恒星時，它們還會以近乎光速的速度向外噴涌釋放伽馬射線的氣體。為何會發(fā)生這種情況？2008年7月發(fā)射的費米伽馬射線太空望遠鏡可能會揭開這個謎底，這部望遠鏡的目標是研究高能輻射物，另外還有可能揭開暗物質的神秘面紗，有助于進一步了解宇宙中最極端環(huán)境中我們聞所未聞的物質。暗物質是伽馬射線爆發(fā)的來源。2.6、望遠系統(tǒng)7）.費米伽馬射線太空望遠鏡1188）.詹姆斯·韋伯太空望遠鏡

定于2013年發(fā)射，將利用其7倍于哈勃太空望遠鏡的聚光能力對太空展開探索。詹姆斯·韋伯望遠鏡的核心部分是18面六邊形鏡子，它們將統(tǒng)一行動，用以聚焦遙遠、年輕宇宙中的物體。最新研究發(fā)現(xiàn)可能會提供從恒星、星系、行星形成到太陽系演變等一切事情的線索。2.6、望遠系統(tǒng)119照相系統(tǒng)攝影物鏡常用接收器分辨力調焦新型照相攝影系統(tǒng)2.7、照相和投影系統(tǒng)120攝影（照相）系統(tǒng)

包括光學照相機、電視攝像機、CCD攝像機和數(shù)碼照相機等。投影系統(tǒng)幻燈機、書寫投影儀、液晶投影儀、放映機等。2.7、照相和投影系統(tǒng)121組成由攝影物鏡和感光器件組成感光器件

感光膠片、CCD/CMOS、電子光學變像管、電視攝像管物鏡主要參數(shù)：

焦距：f；視場：；相對孔徑：或光圈數(shù)：1）照相系統(tǒng)2.7、照相和投影系統(tǒng)1222）攝影物鏡焦距焦距決定成像的大小比例拍攝遠處物體拍攝近處物體

航攝鏡頭的焦距可達數(shù)百毫米甚至數(shù)米2.7、照相和投影系統(tǒng)123相對孔徑相對孔徑?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，對應的像平面照度依次減半。光圈值按公比的等比級數(shù)變化

F1.422.845.681116222.7、照相和投影系統(tǒng)2）攝影物鏡124視場視場決定攝影系統(tǒng)成像的范圍，視場的大小由物鏡的焦距和接收器的尺寸決定。長焦距和短焦距物鏡分別稱作遠攝物鏡和廣角物鏡。普通照相機標準鏡頭的焦距介于兩者之間

2.7、照相和投影系統(tǒng)2）攝影物鏡1253）常用接收器規(guī)格

名稱長×寬（mm）

名稱長×寬（mm）135膠片36×241〞CCD12.8×9.6120膠片60×602/3〞CCD8.8×6.616mm電影膠片

10.4×7.51/2〞CCD6.4×4.835mm電影膠片

22×161/3〞CCD4.4×3.3航攝膠片180×1801/4〞CCD3.2×2.4230×2302.7、照相和投影系統(tǒng)126同一視場采用不同的接收器，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)碼相機與使用

28-72mm鏡頭的傳統(tǒng)膠卷相機的視場范圍可以是完全一樣的。使問題更復雜化的是，數(shù)碼相機中使用的CCD大小并非完全一樣。一般人使用

135mm膠卷的相機時，很容易根據(jù)視場要求選擇鏡頭的類型。為使數(shù)碼相機的此參數(shù)也容易識別，許多制造商都將CCD鏡頭的焦距用等價135mm膠片的焦距來標稱，稱作「等