2018光電成像器件原理與應(yīng)用-光學(xué)系統(tǒng)和光學(xué)傳遞函數(shù)

光電成像器件原理與應(yīng)用

哈爾濱工程大學(xué)理學(xué)院2024/5/192(四)光學(xué)系統(tǒng)和光學(xué)傳遞函數(shù)光電成像器件原理與應(yīng)用

2024/5/193第一節(jié)、光電成像光學(xué)系統(tǒng)功能及特點(diǎn)第二節(jié)、成像光學(xué)系統(tǒng)特征參數(shù)第三節(jié)、光學(xué)傳遞函數(shù)像質(zhì)評(píng)價(jià)第四節(jié)、典型的光學(xué)系統(tǒng)第四章光學(xué)系統(tǒng)和光學(xué)傳遞函數(shù)2024/5/194

圖3－1微光成像系統(tǒng)示意圖

§3.1

光電成像光學(xué)系統(tǒng)功能及特點(diǎn)2024/5/195物鏡的技術(shù)特點(diǎn)：倒像。近貼微光管，輸出的來(lái)自物鏡像面的景物倒像必須用光纖扭像器或光學(xué)透鏡倒像器，才能為目鏡提供正立的輸入圖像。一、物鏡系統(tǒng)的功能及特點(diǎn)大的有效通光孔徑和高透過(guò)率。低照度分辨率(視距)應(yīng)與物鏡的有效孔徑和光透過(guò)率的平方根成正比。（提高信噪比）2024/5/196物鏡的技術(shù)特點(diǎn)長(zhǎng)的焦距。在中等微光(≥10－21x)照度下，有較高的空間極限分辨率(視距)。光敏面尺寸比人眼入瞳(≤φ8)大得多，要求物鏡盡可能提供更均勻的像面照度分布。在有效的空間頻率域中（低通濾波器），應(yīng)有好的調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)特性。2024/5/197二、目鏡系統(tǒng)功能及特點(diǎn)

放大熒光屏輸出圖像的細(xì)節(jié)，彌補(bǔ)人眼空間分辨能力的不足。裸眼41p／mm；微光管可達(dá)30～601p／mm；目鏡8x～15x，提取更豐富的景物細(xì)節(jié)信息。

放大的正像。大視場(chǎng)、高M(jìn)TF特性、高光能收集效率和低畸變等。

2024/5/198§3.2

成像光學(xué)系統(tǒng)特征參數(shù)像面照度Ek(1x)

儀器有效視場(chǎng)FOV(o)

儀器放大倍率β(倍)

儀器分辨角α(rad)

像差

2024/5/199對(duì)遠(yuǎn)距離目標(biāo)式中：ｆ數(shù)＝ｆ物/Ｄ物，T物為物鏡透過(guò)率對(duì)近距離式中：

像面照度Ek(1x)2024/5/1910儀器有效視場(chǎng)FOV(o)式中：dk為成像器件有效輸入直徑。視場(chǎng)角大，有利于捕獲目標(biāo)。要求探測(cè)器的面積大，噪聲與探測(cè)器尺寸成正比，信噪比降低。儀器放大倍率β(倍)（角放大率）式中：ｍ為成像器件的電子光學(xué)放大率。儀器分辨角α(rad)式中:Ｒ鑒別率(lp／mm)；W可分辨最小寬度；l觀察距離。2024/5/1911

像差

“理想成像位置”系由單色、近軸成像規(guī)律決定。

研究像差的性質(zhì)，估算像差的大小并設(shè)法校正和減小像差，是光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中一個(gè)極為重要的問(wèn)題。像差單色像差

色差

球差彗差像散場(chǎng)曲畸變―不同波長(zhǎng)成像的位置及大小都有所不同?？v向色差

橫向色差

球差:軸上點(diǎn)發(fā)出的同心光束經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)后，不再是同心光束，不同入射高度（孔徑角）的光線將交光軸于不同位置，相對(duì)于理想像點(diǎn)有不同程度的偏離，這就是球差。正透鏡――產(chǎn)生負(fù)球差；負(fù)透鏡――產(chǎn)生正球差；將正負(fù)透鏡組合，則有可能消除球差。彗差:軸外一點(diǎn)發(fā)出的寬光束通過(guò)一個(gè)消球差透鏡的不同環(huán)帶后仍不會(huì)聚于一點(diǎn)，在像面上呈現(xiàn)彗星形狀的光斑，這就是“彗差”。分為子午彗差和弧矢彗差；經(jīng)透鏡邊緣的光線所成的點(diǎn)像大于通過(guò)中間光線所成的像，只有主光線形成理想像點(diǎn)。

2024/5/1914

若系統(tǒng)不存在彗差，則這三條光線的像方光線應(yīng)該相交于一點(diǎn)，但是如果存在彗差，則可能會(huì)不再相交共點(diǎn)，而是失去了對(duì)稱(chēng)性。彗差——小視場(chǎng)大孔徑像差當(dāng)軸外點(diǎn)以細(xì)光束成像時(shí)，沒(méi)有彗差，由于子午面和弧矢面相對(duì)折射球面的位置不同，它們?cè)谇蛎嫔系慕鼐€曲率不等，子午像點(diǎn)和弧矢像點(diǎn)不重合，兩者分開(kāi)的軸向距離稱(chēng)為像散。

2024/5/1917由于像散的存在，觀察到的物點(diǎn)的像沿著光軸方向會(huì)有不同的形狀。場(chǎng)曲——物面為平面，折反射面為曲面場(chǎng)曲:像散必然引起像面彎曲。像散的大小隨視場(chǎng)而變，即物面上離光軸不同距離的各點(diǎn)在成像時(shí)，像散值各不相同，一個(gè)平面物必然形成兩個(gè)曲面像，即子午像面和弧矢像面。

畸變——主光線的實(shí)際角放大率不等于1畸變:主要是指主光線的像差。理想成像時(shí)，其垂軸放大率為常數(shù)。視場(chǎng)較大時(shí)，放大率隨視場(chǎng)而變，不再是常數(shù)，使像相對(duì)于物失去相似性，這種成像缺陷稱(chēng)為畸變。

位置色差——不同顏色的光在介質(zhì)中n不同色差:透鏡對(duì)不同波長(zhǎng)的光具有不同的折射率，導(dǎo)致入射復(fù)色平行光束被聚焦后，會(huì)有不同的焦點(diǎn)位置，稱(chēng)為色差。倍率色差2024/5/1922§3.3

光學(xué)傳遞函數(shù)像質(zhì)評(píng)價(jià)

空間頻率特性

描述方法：分辨率、調(diào)制傳遞函數(shù)。

一、分辨力高對(duì)比度的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試板圖案聚焦在像管的光陰極面上，用目視方法從熒光屏上每毫米尚能分辨得開(kāi)的黑白相間等寬矩形條紋的對(duì)數(shù)，即LP／mm。10-3lx2024/5/1923缺陷:極限分辨力一樣，成像質(zhì)量可能有很大差異。極限分辨力模糊不清，難以分辨。以目測(cè)為手段，受主觀因素的限制。2024/5/1924二、光學(xué)傳遞函數(shù)像質(zhì)評(píng)價(jià)評(píng)價(jià)像質(zhì)的幾個(gè)有關(guān)問(wèn)題

OTF和MTF

串聯(lián)系統(tǒng)的光學(xué)傳遞函數(shù)

調(diào)制傳遞函數(shù)的測(cè)試原理

調(diào)制傳遞函數(shù)的解析表達(dá)（經(jīng)驗(yàn)公式）傳遞函數(shù)在像質(zhì)評(píng)價(jià)上的意義

小結(jié)

2024/5/1925(1)點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)和線擴(kuò)展函數(shù)

物面點(diǎn)(x，y)，像面點(diǎn)(x′，y′)，則彌散斑的光能分布函數(shù)h(x′，y′)稱(chēng)為點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)。

評(píng)價(jià)像質(zhì)的幾個(gè)有關(guān)問(wèn)題

系統(tǒng)對(duì)點(diǎn)物的響應(yīng)由點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)來(lái)描述歸一化條件2024/5/1926

(2)線性成像系統(tǒng)條件——可疊加性迄今我們看到的絕大多數(shù)成像系統(tǒng)都可以看作一個(gè)線性的系統(tǒng)，光從樣品到像面的過(guò)程在數(shù)學(xué)上可以用擾動(dòng)與響應(yīng)表示。2024/5/1927成像元件滿足“等暈”成像條件。

對(duì)于像質(zhì)評(píng)價(jià)，像的大小、正倒是無(wú)關(guān)緊要的，總?cè)＝+1，可把物面和像面迭在一起對(duì)比。

(3)空間不變性共軛面上空間不變的區(qū)域稱(chēng)為等暈區(qū)。透鏡的傍軸區(qū)往往是等暈的。2024/5/1928若物平面I(x)，則像面的光強(qiáng)分布

物理意義：像面強(qiáng)度分布I′(x′)是各I(x)h(x′－x)疊加。即物的像是線擴(kuò)展函數(shù)對(duì)物函數(shù)的卷積

(4)卷積成像原理

(5)調(diào)制度

2024/5/1929

OTF和MTF

聯(lián)系物和像頻譜函數(shù)的函數(shù)關(guān)系稱(chēng)為光學(xué)傳遞函數(shù)（OpticalTransferFunction）。

設(shè)物光中有一個(gè)空間頻率為N的諧波根據(jù)卷積成像原理令δ＝x′-x2024/5/1930令結(jié)論：物面上某一空間頻率諧波經(jīng)線性成像系統(tǒng)成像后，在像面上仍為同一空間頻率的諧波，平均強(qiáng)度相同。交變部分振幅b，經(jīng)過(guò)光學(xué)系統(tǒng)后，像的振幅被調(diào)制減小為b·M(N)；位相由0偏移到φ。

2024/5/1931

M(N)

調(diào)制傳遞函數(shù)

MTF(ModulationTransfer

Function)

位相傳遞函數(shù)

PTF(PhaseTransferFunction)

H(N)＝M(N)e-iφ(N)H(N)被稱(chēng)為光學(xué)傳遞函數(shù)OTF(OpticalTransferFunction)

從數(shù)學(xué)上講，OTF是光學(xué)系統(tǒng)線擴(kuò)展函數(shù)h(δ)的歸一化后的傅里葉變換2024/5/1932光學(xué)傳遞函數(shù)（OTF）

由傅氏變換的卷積定理：定義：

若H(N)=1，則I’(N)=I(N)表示光學(xué)系統(tǒng)對(duì)任意諧波成份是完全透明，并對(duì)各次諧波無(wú)相位上的位移，即理想光學(xué)系統(tǒng)。實(shí)際上H(N)永遠(yuǎn)小于1，是空間頻率N的函數(shù)。MTF的物理意義：

2024/5/1933

對(duì)于由幾個(gè)獨(dú)立的線性光學(xué)元件級(jí)聯(lián)而成的線性成像系統(tǒng)，其光學(xué)傳遞函數(shù)如何？X0物面X1一次像面X2二次像面

I0(x0)

h1(x1-x0)

h2(x2-x1)

由卷積成像定理：

串聯(lián)系統(tǒng)的光學(xué)傳遞函數(shù)2024/5/1934對(duì)I2(x2)作傅氏變換：

作數(shù)學(xué)上變換－－→換積分次序

2024/5/1935串聯(lián)系統(tǒng)

n級(jí)耦合的光學(xué)系統(tǒng)傳遞函數(shù)結(jié)論：（1）復(fù)合系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)M(N)是各獨(dú)立系統(tǒng)M(N)之積（2）復(fù)合系統(tǒng)的位相傳遞因子φ(N)是各獨(dú)立系統(tǒng)φ(N)之和

研究和改進(jìn)光電成像系統(tǒng)襯度傳遞特性的重要依據(jù)2024/5/1936（1）調(diào)制度法

調(diào)制傳遞函數(shù)就等于正弦（余弦）圖案的調(diào)制度傳遞函數(shù)，只要測(cè)出正弦圖案的物和像的調(diào)制度，相除即可。調(diào)制傳遞函數(shù)的測(cè)試原理2024/5/1937（2）光學(xué)模擬傅立葉變換法定義：M(f)=︱F[h(x)]∣，對(duì)器件輸入δ(x)物，對(duì)輸出像函數(shù)h(x)進(jìn)行傅立葉變換，其模就是MTF。光學(xué)模擬傅氏變換法，就是將狹縫的像直接投射在不同頻率的正弦板上，作用相當(dāng)于下式

測(cè)試時(shí)，使正弦板沿垂直狹縫的方向掃描，并將其透光量用光電倍增管轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，以供記錄或顯示。2024/5/1938設(shè)狹縫亮度分布為矩形函數(shù)，即

b→0，

b>0，

入射狹縫為有限寬度時(shí)，像函數(shù)的傅立葉變換并不等于OTF，應(yīng)加修正因子。2024/5/1939（3）刀口響應(yīng)法

輸入“物”的亮度空間分布為一階躍波，像的亮度分布即階躍響應(yīng)函數(shù)E′(x)。

δ(x)E′(x)看E’(x)曲線的陡度。曲線越陡，成像質(zhì)量越高。E’(x)求H(x)，做傅立葉變換，得到OTF和MTF。H(x)S(x)2024/5/1940多數(shù)光電器件的MTFfc—特征頻率。

n—器件指數(shù)，n（1.1～2.1）器件或元件

fc（Lp/mm）

n

器件或元件

fc（Lp/mm）

n

光纖板(ф5.8um)

961.7一級(jí)單管

361.6光纖板(ф6um)

801.8ESB攝像管

101.4熒光屏（P20）

461.1返束視像管

501.6MCP倒像管

51.4Kodak膠卷

1600.6fc及n的值調(diào)制傳遞函數(shù)的解析表達(dá)（經(jīng)驗(yàn)公式）2024/5/1941測(cè)出MTF，可由解析式求出器件的特征頻率fc，即M(f)=1/e頻率，器件指數(shù)n由雙對(duì)數(shù)值給出：

由R個(gè)相同線性器件構(gòu)成串聯(lián)復(fù)合系統(tǒng)復(fù)合系統(tǒng)與分系統(tǒng)的頻率常數(shù)關(guān)系為

分系統(tǒng)越多，復(fù)合系統(tǒng)的頻率常數(shù)越小，MTF越差。2024/5/1942傳遞函數(shù)在像質(zhì)評(píng)價(jià)上的意義光學(xué)系統(tǒng)是一個(gè)空間頻率低通的線性濾波器

例如:電視攝像用的鏡頭，不要求高的分辨力，要求能對(duì)較低反襯度的景物獲得層次盡可能豐富的像，曲線Ⅰ好。

光刻用的鏡頭，物是反襯度很高的黑白線條或圖案，對(duì)像的要求主要是期望分辨力盡可能高，用曲線Ⅱ?yàn)橐恕?024/5/1943點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)和光學(xué)傳遞函數(shù)互為傅立葉變換。信息用頻譜描述才是準(zhǔn)確的，像質(zhì)用頻譜之比（OTF）來(lái)評(píng)價(jià)才反映本質(zhì)。要求光學(xué)系統(tǒng)在很寬的頻段內(nèi)都有很高的OTF值是不現(xiàn)實(shí)的，設(shè)計(jì)者可參照OTF曲線，按用途把注意力集中到最關(guān)心的頻段內(nèi)，研究如何提高和改善系統(tǒng)的性能。

小結(jié)便于處理聯(lián)合光學(xué)系統(tǒng)和光電結(jié)合系統(tǒng)（電視）的像質(zhì)評(píng)價(jià)問(wèn)題。

OTF只適用于空不變系統(tǒng)（等暈區(qū)）。如何評(píng)價(jià)空變系統(tǒng)的像質(zhì)問(wèn)題，仍需進(jìn)一步研究，目前的一種做法是“分區(qū)等暈處理”。一、顯微鏡系統(tǒng)

顯微鏡（microscope）指為提高人們獲得微小信息能力的光學(xué)儀器。往往把將近處物體進(jìn)行放大的光學(xué)系統(tǒng)稱(chēng)為顯微鏡系統(tǒng)。通常由物鏡和目鏡組成，實(shí)際是利用一個(gè)物鏡和一個(gè)目鏡產(chǎn)生兩級(jí)放大的復(fù)式顯微鏡。

因?yàn)楸挥^測(cè)的物體本身不發(fā)光，需借助外界照明，故顯微鏡還需要有一個(gè)照明系統(tǒng)。這些部分是較復(fù)雜的透鏡組合系統(tǒng)，尤其是物鏡更為復(fù)雜?！?.4

典型的光學(xué)系統(tǒng)顯微鏡系統(tǒng)設(shè)計(jì)

放大鏡較低的放大倍率不能滿足人們對(duì)近距離物體的極微小細(xì)節(jié)進(jìn)行觀察，須用顯微鏡這種更高放大倍率的組合光學(xué)系統(tǒng)。顯微鏡的目鏡和物鏡都是會(huì)聚透鏡，兩者間隔比它們各自的焦距大得多。

成像原理：物AB位于物方焦點(diǎn)外測(cè)附近，經(jīng)物鏡成一放大、倒立的實(shí)象A‘B’于目鏡物方焦面上或物方焦面內(nèi)側(cè)附近，再經(jīng)目鏡成放大虛象A“B”于明視距離甚至無(wú)限遠(yuǎn)處。顯微鏡系統(tǒng)設(shè)計(jì)顯微鏡的視覺(jué)放大率因顯微鏡實(shí)質(zhì)是一組合光組，其視覺(jué)放大率為：

顯微鏡的視覺(jué)放大率是物鏡垂軸放大率與目鏡視覺(jué)放大率的乘積。物鏡倍率常有4、10、40、100；目鏡有5、10、15。物鏡的垂軸放大率目鏡的視覺(jué)放大率顯微鏡系統(tǒng)設(shè)計(jì)

通用顯微鏡物鏡從物平面到像平面的距離（共軛距），不論放大率如何都是相等的，約為180mm；對(duì)生物顯微鏡，我國(guó)規(guī)定為195mm。

把物鏡和目鏡取下后，所剩的鏡筒長(zhǎng)度稱(chēng)為機(jī)械筒長(zhǎng)，也是固定的，有160mm、170mm、190mm。我國(guó)以160mm作為物鏡目鏡定位面的標(biāo)準(zhǔn)距離。顯微鏡系統(tǒng)設(shè)計(jì)顯微鏡的線視場(chǎng)物體經(jīng)物鏡后成像在視場(chǎng)光闌（直徑為D）上，則其線視場(chǎng)為：視場(chǎng)光闌的大小與目鏡的視場(chǎng)角的關(guān)系：

在選定目鏡后，顯微鏡的視覺(jué)放大率越大，其在物空間的線視場(chǎng)越小。顯微鏡系統(tǒng)設(shè)計(jì)顯微鏡的出瞳直徑

普通顯微鏡，物鏡框是孔徑光闌。復(fù)雜物鏡，其最后鏡組的鏡框?yàn)榭讖焦怅@。測(cè)量用顯微鏡，物鏡像方焦平面上設(shè)置專(zhuān)門(mén)的孔徑光闌?？讖焦怅@經(jīng)目鏡所成的像為出瞳（直徑為D‘）。NA=nsinu稱(chēng)為顯微物鏡的數(shù)值孔徑，與物鏡的垂軸放大率一起，刻在物鏡的鏡框上，是一重要光學(xué)參數(shù)。顯微鏡系統(tǒng)設(shè)計(jì)顯微鏡系統(tǒng)設(shè)計(jì)顯微鏡的分辨率和有效放大率

分辨率受孔徑光闌的影響，點(diǎn)源形成的像為一個(gè)衍射斑，稱(chēng)為艾里斑，集中83.78%的能量，代表中心位置。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。艾里斑半徑為a為：

顯微鏡的分辨率以能分辨的物方兩點(diǎn)間最短距離σ來(lái)表示，即：

若按道威判斷兩相鄰衍射斑中心距為0.85a時(shí)，能被分辨開(kāi)，即：系統(tǒng)的理想分辨率系統(tǒng)的理想分辨率

距離為σ的兩個(gè)點(diǎn)不僅被物鏡分辨，且通過(guò)目鏡放大，能被眼區(qū)分開(kāi)，設(shè)眼的分辨角距離為2’~4’。則在明視距離上對(duì)應(yīng)的線距離σ’為：把σ‘換算到物空間，按道威判斷取σ值，則：設(shè)λ=555nm，得：顯微鏡的有效放大率

一般最大的NA為1.5，則有效放大率最大不超過(guò)1500倍。

能夠被物鏡分辨的細(xì)節(jié)，要同時(shí)被眼睛分辨，要求顯微鏡有恰當(dāng)?shù)姆糯舐剩欢@微鏡的有效放大率范圍，又取決于物鏡的分辨率或數(shù)值孔徑。53

顯微鏡上標(biāo)明170mm/0.17；40/0.65。表示放大率為40，數(shù)值孔徑為0.65，機(jī)械筒長(zhǎng)170mm，物鏡對(duì)玻璃厚度d=0.17mm的玻璃蓋板校正像差的。顯微鏡系統(tǒng)設(shè)計(jì)顯微鏡系統(tǒng)設(shè)計(jì)顯微鏡的景深

當(dāng)眼通過(guò)顯微鏡調(diào)焦于某一平面（對(duì)準(zhǔn)平面）時(shí)，在對(duì)準(zhǔn)平面前和后一定范圍內(nèi)的物體也能清晰成像，此距離即為顯微鏡的景深。

不考慮眼睛調(diào)節(jié)能力時(shí)顯微鏡本身的景深，幾何景深；考慮眼睛調(diào)節(jié)能力帶來(lái)的景深，調(diào)節(jié)景深。顯微鏡系統(tǒng)設(shè)計(jì)顯微鏡的照明方式①透射光亮視場(chǎng)照明。光通過(guò)透明物體產(chǎn)生亮視場(chǎng)。②反射光亮視場(chǎng)照明。對(duì)不透明的物體，從上面照射產(chǎn)生漫射或規(guī)則的反射形成亮視場(chǎng)。③透射光暗視場(chǎng)照明。傾斜入射的照明光束在物體旁側(cè)向通過(guò)，光束通過(guò)物體結(jié)構(gòu)的衍射、折射和反射，射向物鏡，形成物體的像，則獲得暗視場(chǎng)。④反射光暗視場(chǎng)照明。在旁側(cè)入射到物體上的照明光束經(jīng)反射后在物鏡側(cè)向通過(guò)，若無(wú)缺陷的反射鏡作為物體，得到一均勻暗視場(chǎng)。顯微鏡系統(tǒng)設(shè)計(jì)透明物體的照明方法

生物顯微鏡多為透明標(biāo)本，常用透射光亮視場(chǎng)照明，分為臨界照明和柯勒照明。

臨界照明：把光源的像成在物平面上，故光源表面亮度的不均勻性會(huì)影響顯微鏡的觀察效果。聚光鏡的出瞳和像方視場(chǎng)分別與物鏡的入瞳和物方視場(chǎng)重合。顯微鏡系統(tǒng)設(shè)計(jì)

柯勒照明消除了臨界照明中物平面光照度不均勻的缺點(diǎn)，它由兩組透鏡組成，前組透鏡為柯勒鏡，后組透鏡為成像物鏡。

調(diào)節(jié)光闌2有利于減少有害的散射光，調(diào)節(jié)1減少有害的雜散光，提高對(duì)比度。柯勒鏡的孔闌聚光鏡的視闌柯勒鏡的視闌聚光鏡的孔闌顯微鏡系統(tǒng)設(shè)計(jì)不透明物體的照明方法

觀察不透明物體時(shí)，如金相顯微鏡，往往是采用從側(cè)面或上面照明的方法。最常見(jiàn)的是圖示的照明方法，利用顯微鏡的物鏡兼做聚光鏡。顯微鏡系統(tǒng)設(shè)計(jì)用暗視場(chǎng)觀察微粒的方法

用暗視場(chǎng)方法可以觀察超顯微質(zhì)點(diǎn)。所謂超顯微質(zhì)點(diǎn)，是指那些小于顯微鏡分辨極限的微小質(zhì)點(diǎn)。暗視場(chǎng)可以使進(jìn)入物鏡的是被微粒散射的光線，在暗的背景上產(chǎn)生亮的微粒像，對(duì)比度高，從而提高分辨率。

顯微鏡系統(tǒng)設(shè)計(jì)

暗視場(chǎng)分為單向和雙向照明。單向照明對(duì)觀察微粒的存在和運(yùn)動(dòng)是有效的，但對(duì)物體的細(xì)節(jié)再現(xiàn)不是有效的，有“失真現(xiàn)象”。

雙向照明可以消除這種失真現(xiàn)象，它是在普通三透鏡聚光鏡前放置一環(huán)形光闌，由聚光鏡最后一片和載物玻璃片間浸以液體，經(jīng)聚光鏡后的環(huán)形光束在玻璃蓋片內(nèi)全反射而不能進(jìn)入顯微物鏡，只有經(jīng)微粒散射的光進(jìn)入顯微物鏡。2024/5/1961物鏡類(lèi)型低倍（雙膠合型）中倍（里斯特型）高倍（阿米西型）高倍（浸油型）放大率3～68～1040～6390～100數(shù)值孔徑0.1～0.150.25～0.30.4～0.851.25～1.4

數(shù)值孔徑與放大倍率匹配關(guān)系2024/5/1962

望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)是一種能把遠(yuǎn)距離物體相對(duì)于眼睛的張角放大，便于進(jìn)行觀察和瞄準(zhǔn)的目視光學(xué)儀器。

工作原理

使入射的平行光束仍保持平行射出的光學(xué)系統(tǒng)。其物鏡的像方焦點(diǎn)和目鏡的物方焦點(diǎn)重合。即光學(xué)間隔Δ=0，是無(wú)焦系統(tǒng)。望遠(yuǎn)鏡的物鏡f0‘>0，目鏡有兩種：fe‘>0為開(kāi)普勒望遠(yuǎn)鏡，反之為伽利略望遠(yuǎn)鏡。開(kāi)普勒望遠(yuǎn)鏡二、望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)設(shè)計(jì)伽利略望遠(yuǎn)鏡望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)設(shè)計(jì)垂軸放大率：角放大率：

手持望遠(yuǎn)鏡的放大率不超過(guò)10倍，大地測(cè)量望遠(yuǎn)鏡大約為30倍，天文望遠(yuǎn)鏡更高。望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)設(shè)計(jì)

開(kāi)普勒望遠(yuǎn)鏡成倒像，需加入轉(zhuǎn)像系統(tǒng)成正像。轉(zhuǎn)像系統(tǒng)分為棱鏡轉(zhuǎn)像系統(tǒng)和透鏡轉(zhuǎn)像系統(tǒng)。

棱鏡轉(zhuǎn)像系統(tǒng)用于筒長(zhǎng)較短且結(jié)構(gòu)緊湊望遠(yuǎn)鏡中。不改變其放大率。軍用望遠(yuǎn)鏡棱鏡轉(zhuǎn)像系統(tǒng)望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)設(shè)計(jì)

透鏡轉(zhuǎn)像系統(tǒng)用于長(zhǎng)鏡筒的望遠(yuǎn)鏡中。增加系統(tǒng)的長(zhǎng)度，改變系統(tǒng)的視覺(jué)放大率，有單組和雙組兩種形式。雙組系統(tǒng)的兩轉(zhuǎn)像透鏡之間的光束是平行的，改變兩透鏡之間的距離不會(huì)影響系統(tǒng)的光學(xué)特性。

雙組透鏡轉(zhuǎn)像系統(tǒng)望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)設(shè)計(jì)

當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)較細(xì)長(zhǎng)，軸外光線的很大部分將不能通過(guò)轉(zhuǎn)像系統(tǒng)和目鏡，可在中間實(shí)像面上或其附近加一適當(dāng)光焦度的正透鏡，把軸外光線壓低以通過(guò)整個(gè)系統(tǒng)，這樣不必增加后面光學(xué)元件的口徑。這種透鏡稱(chēng)為場(chǎng)鏡，對(duì)系統(tǒng)的光焦度和放大率和像的位置幾乎不產(chǎn)生影響。場(chǎng)鏡的作用望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)設(shè)計(jì)

fe’<0為伽利略望遠(yuǎn)鏡，但因其沒(méi)有中間實(shí)像，不能設(shè)置用來(lái)瞄準(zhǔn)和定位的分劃板，且放大率小，應(yīng)用較少。望遠(yuǎn)系統(tǒng)的分辨率及工作放大率望遠(yuǎn)鏡的分辨率用極限分辨角φ表示，按瑞利判斷：按道威判斷：望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)設(shè)計(jì)其中D為望遠(yuǎn)鏡的入瞳直徑。

因望遠(yuǎn)鏡是目視光學(xué)儀器，受人眼分辨率限制，即兩個(gè)物點(diǎn)通過(guò)儀器后對(duì)人眼的視角必須大于人眼的視覺(jué)分辨率1’。

為滿足分辨率要求的最小視覺(jué)放大率，稱(chēng)為有效放大率。

為看起來(lái)舒服常取Γ的2~3倍，稱(chēng)為工作放大率。望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)設(shè)計(jì)高倍率的望遠(yuǎn)鏡必須增大物鏡的直徑。望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)設(shè)計(jì)望遠(yuǎn)鏡的視場(chǎng)

開(kāi)普勒望遠(yuǎn)鏡的物鏡框是孔徑光闌，也是入瞳；出瞳在目鏡外面，與人眼重合。目鏡框是漸暈光闌，一般允許有50%的漸暈。物鏡的后焦面上放置分劃板，為視場(chǎng)光闌。因此，望遠(yuǎn)鏡的物方視場(chǎng)角ω滿足：分劃板半徑

其2ω一般不超過(guò)15°，人眼觀察時(shí)，必須滿足光瞳相銜接，才能看到望遠(yuǎn)鏡的全視場(chǎng)。2024/5/1973例：用望遠(yuǎn)鏡觀察時(shí)要鑒別5公里處200毫米的間距，應(yīng)選用多大倍率的望遠(yuǎn)鏡？先求出直接觀察時(shí)的視角

因?yàn)槿搜鄣囊暯欠直媛蕿?’。儀器必須將視角0.138’擴(kuò)大1’以上，人眼才能分辨。所以儀器的視放大率至少應(yīng)為

應(yīng)選用8X以上的望遠(yuǎn)鏡。三、攝影系統(tǒng)

攝影系統(tǒng)是把平面或空間物體成像于感光元件接收面上的光學(xué)系統(tǒng)，由攝影物鏡和感光元件組成。包括：照相機(jī)、電影攝像機(jī)、顯微攝影系統(tǒng)、照相制版儀等。

攝影物鏡的光學(xué)特性特性參數(shù)：焦距、相對(duì)孔徑、視場(chǎng)角。決定成像大小決定像面照度決定成像范圍攝影系統(tǒng)設(shè)計(jì)視場(chǎng)視場(chǎng)的大小由物鏡的焦距和接收器的尺寸決定。拍遠(yuǎn)處物體時(shí)，像的大小為：拍近處物體時(shí)，像的大小為：

感光元件框是視場(chǎng)光闌和出窗，決定成像范圍。當(dāng)接收器尺寸一定時(shí)，物鏡的的焦距：越短，視場(chǎng)角越大。越長(zhǎng)，視場(chǎng)角越小。廣角物鏡遠(yuǎn)攝物鏡攝影系統(tǒng)設(shè)計(jì)視場(chǎng)

幾種常用攝影底片的規(guī)格如表所示。常用的面陣CCD器件的規(guī)格有512*512，1024*1024，2048*2048像元，單個(gè)像元尺寸0.013~0.014毫米。攝影系統(tǒng)設(shè)計(jì)普通照相機(jī)標(biāo)準(zhǔn)鏡頭的焦距為50mm。拍遠(yuǎn)處物體時(shí)，物方最大視場(chǎng)角為：底片的對(duì)角線長(zhǎng)度視場(chǎng)攝影系統(tǒng)設(shè)計(jì)分辨率

攝影系統(tǒng)的分辨率由物鏡的分辨率和接收器的分辨率決定，是以像面上每毫米內(nèi)能分辨開(kāi)的線對(duì)數(shù)表示。

設(shè)物鏡的分辨率為NL,接收器的分辨率為Nr，則系統(tǒng)分辨率N為：攝影系統(tǒng)設(shè)計(jì)分辨率按瑞利判斷，物鏡的分辨率為：

攝影物鏡存在較大像差，物鏡的實(shí)際分辨率小于理論分辨率；此外其分辨率還與被攝目標(biāo)對(duì)比度有關(guān)，因此評(píng)價(jià)其成像質(zhì)量要用光學(xué)傳遞函數(shù)。攝影系統(tǒng)設(shè)計(jì)像面照度主要取決于相對(duì)口徑光瞳垂軸放大率物體亮度對(duì)大視場(chǎng)物鏡，其視場(chǎng)邊緣的照度要比視場(chǎng)中心小很多。攝影系統(tǒng)設(shè)計(jì)

感光底片上的照度分布并不均勻。同一次曝光中，可能中心過(guò)度，邊緣不足。一般通過(guò)采用可變光闌（光圈）來(lái)控制孔徑光闌的大小。使用者根據(jù)天氣情況進(jìn)行選擇。

國(guó)標(biāo)規(guī)定F數(shù)為：1，1.4，2，2.8，4，5.6，8，11，16，22，32。

像面照度E′與曝光時(shí)間t的乘積為曝光量。若F提高一檔，則曝光時(shí)間增加一倍，才能保證曝光量不變。攝影系統(tǒng)設(shè)計(jì)攝影物鏡的類(lèi)型

攝影物鏡屬于大視場(chǎng)、大相對(duì)孔徑的光學(xué)系統(tǒng)，為了獲得較好的像質(zhì)，要校正軸上點(diǎn)像差，又要校正軸外點(diǎn)像差。普通攝影物鏡長(zhǎng)焦距攝影物鏡攝影系統(tǒng)設(shè)計(jì)變焦距攝影物鏡天塞物鏡攝影系統(tǒng)設(shè)計(jì)廣角物鏡遠(yuǎn)攝物鏡攝影系統(tǒng)設(shè)計(jì)雙高斯物鏡短焦距攝影物鏡目鏡是望遠(yuǎn)鏡和顯微鏡的一個(gè)組成部分，作用是把物鏡所成像通過(guò)目鏡成像在無(wú)限遠(yuǎn)，供人眼觀察。四、目鏡設(shè)計(jì)目鏡設(shè)計(jì)目鏡的光學(xué)特性（1）焦距短：望遠(yuǎn)鏡物鏡和目鏡焦距之間存在以下關(guān)系：

當(dāng)目鏡的焦距增加時(shí)，物鏡焦距很快增加(因?yàn)?/p>

>>1)，為減小儀器體積重量，須盡可能減小目鏡的焦距。

另外，儀器又要求一定的出瞳距離，這就限制了目鏡的焦距不能過(guò)小。一般望遠(yuǎn)鏡目鏡的焦距在10～40mm左右。

目鏡設(shè)計(jì)目鏡的光學(xué)特性

對(duì)顯微鏡的目鏡來(lái)說(shuō)，它的焦距和視放大率之間符合以下關(guān)系：

顯微鏡目鏡的視放大率Γ一般在10左右，顯微目鏡的焦距也在25mm左右。因此無(wú)論是望遠(yuǎn)鏡的目鏡，還是顯微鏡的目鏡，焦距短是它們的共同特點(diǎn)。目鏡設(shè)計(jì)目鏡的光學(xué)特性（2）相對(duì)孔徑比較小

由于目鏡的出射光束直接進(jìn)入人眼的瞳孔，人眼瞳孔的直徑一般在2～4mm左右變化，因此軍用望遠(yuǎn)系統(tǒng)的出瞳直徑一般在4mm左右。顯微鏡的出瞳直徑則為1～2mm左右。而目鏡的焦距約為1