應(yīng)用光學(xué)簡明教程 課件【ch13】顯微和望遠光學(xué)系統(tǒng)

應(yīng)用光學(xué)簡明教程光電&儀器類專業(yè)教材顯微和望遠光學(xué)系統(tǒng)第十三章放大鏡01一、放大鏡放大鏡的放大作用須以它和眼睛整合的放大效果來描述。放大鏡放大率是用所看到的像對眼睛所張角度的正切比物體直接對眼睛所張角度的正切。該比值稱為視覺放大率，以Γ表示。視覺放大率為若把放大虛像調(diào)焦到無限遠，即l'=∞，則上式變?yōu)榉糯箸R的放大率01一、放大鏡放大鏡的光束限制和視場02一、放大鏡放大鏡的光束限制和視場02顯微鏡系統(tǒng)及其特性02二、顯微鏡系統(tǒng)及其特性目鏡等同于放大鏡，對物鏡成像再次放大，如圖13.4所示。目鏡視覺放大，率如式給出，即顯微鏡的總放大率為上式表明，顯微鏡的視覺放大率與光學(xué)筒長△成正比，與物鏡及目鏡的焦距成反比。顯微鏡的成像原理01二、顯微鏡系統(tǒng)及其特性顯微鏡物鏡支撐面到目鏡支撐面之間的距離tm，稱為機械筒長，如圖13.5所示。機械筒長通常是標準化的，國際上有160mm、170mm和190mm三種標準。我國的標準為160mm。顯微鏡的機械筒長02二、顯微鏡系統(tǒng)及其特性顯微鏡光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)簡長△與目鏡和物鏡的結(jié)構(gòu)有關(guān)。為了在調(diào)換物鏡和目鏡時，避開重新調(diào)焦的操作便可清晰地看到物體的像，光學(xué)筒長應(yīng)該滿足一個齊焦條件。齊焦條件如下：(1)各組物鏡的共軛距T是標準的，國標上對生物顯微鏡共軛距規(guī)定的標準值為195mm。(2)目鏡的標準安裝面與物鏡的像面有固定的位置關(guān)系，國標上規(guī)定該距離to為10mm。(3)齊焦條件：目鏡調(diào)換時不再重新調(diào)焦，目鏡的鏡簡結(jié)構(gòu)應(yīng)保證其物方焦點與物鏡的像面重合。顯微鏡的機械筒長02二、顯微鏡系統(tǒng)及其特性通常，顯微鏡的視場光闌設(shè)置在物鏡的像平面上。由于顯微鏡的視場很小，而且要求像面上有均勻的照度，故不設(shè)專門的漸暈光闌。顯微鏡，特別是高倍顯微鏡，為了提高對目標細節(jié)的分辨能力，必須以很大的孔徑成像，所以顯微鏡頭軸上點像差達到完善的校正。通常，顯微鏡線視場不超過物鏡焦距的1/20，10倍顯微鏡物鏡的焦距f'=16mm，可取最大視場2y=0.8mm；40倍顯微鏡物鏡的焦距f'=4mm，取視場2y=0.2mm。顯微鏡的視場光闌和視場03二、顯微鏡系統(tǒng)及其特性顯微鏡的景深04顯微鏡的分辨率和有效放大率03三、顯微鏡的分辨率和有效放大率由于衍射，“點”源通過光學(xué)系統(tǒng)，在高斯像面上形成衍射斑，中心亮斑稱為艾里圓。光強分布為式中，J1(x)是一階一類貝塞爾函數(shù)。點源通過透鏡的衍射01三、顯微鏡的分辨率和有效放大率基于衍射理論，瑞利(Rayleigh)對光學(xué)系統(tǒng)的分辨率做了如下的闡述：兩個相鄰的“點”光源所成的像是兩個衍射斑，若兩個等光強的非相千點像之間的間隔等于艾里圓的半徑，即一個像斑的中心恰好落在另一個像斑的第一暗環(huán)處，則這兩個點就是可分辨的點，如圖13.9所示。當兩個點可分辨時，兩個彌散斑的疊加光強分布曲線的極大值和極小值之間的差異為1：0.736，且兩點中間的最小光強等于艾里圓x=1.916處光強的兩倍。光學(xué)儀器的分辨率02三、顯微鏡的分辨率和有效放大率光學(xué)儀器的分辨率02三、顯微鏡的分辨率和有效放大率顯微鏡的分辨率03分辨率公式：在斜射光照明時，分辨率的公式是由上述公式可見，顯微鏡的分辨率決定于數(shù)值孔徑NA，數(shù)值孔徑越大，分辨率越高。三、顯微鏡的分辨率和有效放大率顯微鏡的有效放大率04顯微鏡的物方兩點中間帶的光強超過一定值時，兩點才可分辨。按瑞利準則給出的比值是1：0.736，實際上人眼在對比度的分辨比上述比值更敏銳。但是，“分辨”只是物理概念，可分辨的兩點未必是能看清楚。只有使這兩點對人眼的張角大于人眼的極限分辨角，才能看清楚。為此，顯微鏡要有一定的放大率，放大兩點間的距離，再被眼睛區(qū)分。便于眼睛分辨的角距離為2'~4'，該角距離在眼睛的明視距離250mm處所能分辨的距離σ'應(yīng)為三、顯微鏡的分辨率和有效放大率顯微鏡的有效放大率04顯微鏡物鏡04四、顯微鏡物鏡顯微鏡物鏡主要的光學(xué)性能可用數(shù)值孔徑NA、線視場2y、焦距f、工作距l(xiāng)和放大率β表示，這些參數(shù)之間既有關(guān)聯(lián)也有約束。物鏡的放大率β受有效放大率的約束，過大的放大率可能造成視場大小與結(jié)構(gòu)的矛盾。顯微鏡物鏡的視場光闌一般設(shè)置在成像面上，大小用2y'表示。顯微鏡物鏡的物方視場為顯微鏡物鏡的一些主要參數(shù)，均刻在鏡簡上，如圖13.10所示。顯微鏡物鏡的光學(xué)特性01四、顯微鏡物鏡顯微鏡物鏡的基本類型02消色差物鏡是應(yīng)用最廣，數(shù)值孔徑能達到很大，像差校正以色差、球差和正弦差為主。由于高倍率顯微鏡物鏡數(shù)值孔徑很大，產(chǎn)生高級球差很嚴重。平衡高級球差的手段限于物鏡結(jié)構(gòu)復(fù)雜化及玻璃材料選擇。(1)低倍物鏡圖(2)中倍物鏡(3)高倍物鏡(4)浸液物鏡1.消色差物鏡四、顯微鏡物鏡顯微鏡物鏡的基本類型02復(fù)消色差物鏡主要用于專業(yè)顯微鏡，如金相顯微鏡。它除了校正軸上點的三種像差外，還要校正二級光譜，稱為復(fù)消色差物鏡。倍率色差用目鏡的值予以補償。為了校正二級光譜，可選用特種玻璃和螢石作為某些單片透鏡材料。這種物鏡結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，如圖13.12所示。圖中有陰影線的透鏡用螢石制造，高倍復(fù)消色差物鏡放大率為90*，數(shù)值孔徑為1.3。2.復(fù)消色差物鏡四、顯微鏡物鏡顯微鏡物鏡的基本類型02平視場物鏡主要用于顯微照相和顯微投影，要求校正像面彎曲。平視場消色差物鏡的倍率色差不大，不必用特殊目鏡補償；而平視場復(fù)消色差物鏡則必須用目鏡補償它的倍率色差。場曲的校正往往依靠若千個彎月形厚透鏡來實現(xiàn)。圖13.13給出一個放大率為40*、數(shù)值孔徑為0.85的平視場復(fù)消色差物鏡的結(jié)構(gòu)。圖13.13中有陰影線的透鏡是用螢石制造的。3.平視場物鏡四、顯微鏡物鏡顯微鏡物鏡的基本類型02反射式物鏡如圖13.14所示。它既能校正球差和正弦差，又不產(chǎn)生色差，常用作紫外顯微鏡物鏡。這種物鏡的數(shù)值孔徑可達到0.5。折反射式顯微鏡物鏡與反射式顯微鏡物鏡相比，數(shù)值孔徑有所增大。在反射物鏡的前面加一個半球形鏡片，如圖13.15所示。4.反射式和折反射式物鏡顯微鏡的照明系統(tǒng)05五、顯微鏡的照明系統(tǒng)1.透明物體的照明對于透明標本可以用透射光照明。透射照明的方式有兩種：(1)臨界照明(2)柯拉照明柯拉照明中的前組聚光鏡稱為柯拉鏡，它得到了光源的均勻照明，經(jīng)過聚光鏡后組成像在標本上。標本得到均勻照明，這是柯拉照明的重要特點。照明方法01五、顯微鏡的照明系統(tǒng)2.不透明物體的照明對不透明物體于采用從側(cè)面或者從上方照明。此時，標本是靠散射光或反射光成像。側(cè)面照明是把光源放在標本的斜.上方，有的顯微鏡用物鏡四周小燈泡形成斜照明，上方照明方式使物鏡兼做聚光鏡，如圖13.18所示。光源1發(fā)出的光經(jīng)光闌2投射到半反半透鏡3上，反射光線由物鏡4射向物面5，然后由物面5漫反射的光線再經(jīng)過物鏡4成像在像面6上。照明方法01五、顯微鏡的照明系統(tǒng)(1)單向暗視場照明(2)雙向暗視場照明雙向暗視場照明圖13.19為單向暗視場照明示意圖。

光學(xué)結(jié)構(gòu)如圖13.20所示。暗視場照明方法02五、顯微鏡的照明系統(tǒng)(1)色差設(shè)計時，取得最小值色差，故聚光鏡選料很重要。聚光鏡材料宜選用低色散光學(xué)玻璃(如K9玻璃)。對于柯拉照明，要求聚光鏡把其光闌成像在物面上，避免色差影響采用消色差聚光鏡方案。(2)球差球差存在將影響聚光鏡對光線的聚集能力，降低照明的效果。球差的校正公差通常以點源最小彌散斑相對光源的比值K表示：聚光鏡03五、顯微鏡的照明系統(tǒng)(3)聚光鏡常用的結(jié)構(gòu)形式①二片式如圖13.22(a)所示，可承擔(dān)的數(shù)值孔徑為0.8，浸液時其值為1.2。②三片式如圖13.22(b)所示，可承擔(dān)的數(shù)值孔徑為0.9，浸液時其值可達1.4。③五片式如圖13.22(c)所示，系統(tǒng)中有兩個膠合組和一個半球透鏡，所以可以滿足消球差、色差和正弦差校正的要求，可承擔(dān)的數(shù)值孔徑為0.9。④六片式如圖13.22(d)所示，用于高倍顯微鏡，浸液時數(shù)值孔徑可達1.4。聚光鏡03望遠系統(tǒng)06六、望遠系統(tǒng)望遠鏡的放大效果是視角的放大，可用視覺放大率描述這一感覺。視覺放大率定義為物體在望遠鏡中成的像對眼睛的張角與物體本身對眼睛張角的比值。望遠鏡的視覺放大率：望遠鏡的視覺放大率又可以表示為望遠鏡的視覺放大率01六、望遠系統(tǒng)望遠鏡的分辨率及工作放大率02這個放大率稱為正常放大率。六、望遠系統(tǒng)主觀亮度031.望遠鏡觀察點源時的主觀亮度六、望遠系統(tǒng)主觀亮度032.望遠鏡觀察面源時的主觀亮度六、望遠系統(tǒng)望遠鏡的出瞳距和調(diào)焦041.外調(diào)焦式望遠鏡外調(diào)焦式望遠鏡以調(diào)整目鏡相對物鏡位置的方式實現(xiàn)調(diào)焦。這種調(diào)焦方式的優(yōu)點是鏡筒長度發(fā)生了變化，但其結(jié)構(gòu)較簡單，像質(zhì)也易保證；其缺點是外形尺寸大，密封性較差。2.內(nèi)調(diào)焦式望遠鏡內(nèi)調(diào)焦式望遠鏡以調(diào)整物鏡內(nèi)部結(jié)構(gòu)的方式，達到調(diào)焦并保證目標的成像清晰度。內(nèi)調(diào)焦系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，密封性好，鏡筒的長度不變。但是，它的結(jié)構(gòu)和工藝復(fù)雜。望遠物鏡07七、望遠物鏡(1)雙膠合物鏡雙膠合望遠物鏡的特點是結(jié)構(gòu)簡單，制造和裝配方便，光能損失較小。(2)雙分離物鏡雙分離物鏡比雙膠合物鏡所適應(yīng)的孔徑略大。但是，這種物鏡的裝配和校正較麻煩，有較大的色球差。(3)三片型物鏡這種結(jié)構(gòu)形式校正像差的參數(shù)增多了，這種物鏡裝配和校正工藝較復(fù)雜，成本提高。(4)攝遠物鏡高倍率的望遠物鏡焦距較長，尺寸和質(zhì)量均大。折射式望遠物鏡01七、望遠物鏡(1)卡塞格林系統(tǒng)卡塞格林系統(tǒng)由一一個拋物面主反射鏡和一個雙曲面副反射鏡構(gòu)成，如圖13.32所示。拋物面的焦點和雙曲面的虛焦點F1’重合，F(xiàn)1'與雙曲面的實焦點F'是一對共軛點，星點經(jīng)兩個面反射后成像在點F’。這種結(jié)構(gòu)的特點是結(jié)構(gòu)緊湊，成倒像。主反射鏡和副反射鏡的場曲可以互相補償，有利于大視場觀測。反射式望遠物鏡02七、望遠物鏡(2)格里高里系統(tǒng)格里高里系統(tǒng)由一個拋物面主反射鏡和一個橢球面副反射鏡構(gòu)成，如圖13.33所示。拋物面的焦點F1'和橢球面的一個焦點F2重合，平行光聚焦在引上，然后經(jīng)過橢球面成像在另一個焦點F1'上。此系統(tǒng)成正立像。反射式望遠物鏡02七、望遠物鏡(1)施密特物鏡施密特物鏡是由一個球面反射鏡和一塊像差校正板構(gòu)成的，如圖13.34所示。折反射式望遠物鏡03七、望遠物鏡(2)馬克蘇托夫物鏡馬克蘇托夫物鏡使用彎月形厚透鏡校正主反射鏡的像差，稱為馬克蘇托夫校正板，如圖13.35所示。根據(jù)像差理論，彎月形透鏡半徑r1，r2和厚度d滿足關(guān)系式時，不產(chǎn)生色差，只產(chǎn)生單色像差，設(shè)計中使其值與主反射鏡的單色像差平衡。折反射式望遠物鏡03目鏡08八、目鏡目鏡是望遠鏡和顯微鏡的重要組成部分，它把物鏡已經(jīng)分辨的像再次放大，滿足目標對人眼視角識別的需要。一般，目鏡成的像或在無窮遠，或在眼睛的明視距離上。目鏡的光學(xué)特性由它的焦距f、視場角2ω'、出瞳直徑D’