光學(xué)系統(tǒng)的分辨本領(lǐng)課件

貴州“慧眼”HXMT硬X射線望遠(yuǎn)鏡2017.6“天眼”Fast射電望遠(yuǎn)鏡2016.9貴州“慧眼”HXMT硬X射線望遠(yuǎn)鏡2017.6“天眼”Fas1成像系統(tǒng)的分辨率課程：物理光學(xué)

2017年7月成像系統(tǒng)的分辨率課程：物理光學(xué)2017年7月21.成像系統(tǒng)的分辨率相機(jī)顯微鏡望遠(yuǎn)鏡一般分辨率高分辨率分辨率：光學(xué)系統(tǒng)分辨細(xì)微結(jié)構(gòu)的能力。1.成像系統(tǒng)的分辨率相機(jī)顯微鏡望遠(yuǎn)鏡一般分辨率高分辨率分辨率31.成像系統(tǒng)的分辨率孔徑光闌分辨率的限制因素：成像系統(tǒng)孔徑光闌的衍射。1.成像系統(tǒng)的分辨率孔徑光闌分辨率的限制因素：成像系統(tǒng)孔徑光41.成像系統(tǒng)的分辨率瑞利判據(jù)：當(dāng)一象斑中心恰好落在另一象斑邊緣,則此兩物點(diǎn)恰可被分辨。瑞利1.成像系統(tǒng)的分辨率瑞利判據(jù)：當(dāng)一象斑中心恰好落在另一象斑邊51.成像系統(tǒng)的分辨率剛可分辨：人眼：1.成像系統(tǒng)的分辨率剛可分辨：人眼：6**2.典型成像系統(tǒng)的分辨率望遠(yuǎn)鏡最小分辨角：照像物鏡像面每毫米能分辨的線數(shù)N：D為通光孔徑A為相對孔徑恰可分辨**2.典型成像系統(tǒng)的分辨率望遠(yuǎn)鏡最小分辨角：照像物鏡像面每7案例分析現(xiàn)有一個通光口徑為30mm，焦距為250mm的物鏡鏡頭，設(shè)計一個目視望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu),要求充分利用分辨率。取λ=555nm正常放大率放大率一般設(shè)計為Γ0的1.5到3倍。這里可設(shè)計為：如何理解“充分利用分辨率”？設(shè)計思路？案例分析現(xiàn)有一個通光口徑為30mm，焦距為250mm的物鏡鏡82.典型成像系統(tǒng)的分辨率顯微鏡的分辨率：物面上最小分辨距離ε。u

物鏡像面數(shù)值孔徑顯微物鏡2.典型成像系統(tǒng)的分辨率顯微鏡的分辨率：物面上最小分辨距離ε93.工程應(yīng)用分析顯微鏡成像分辨率的提升減小波長增大數(shù)值孔徑紫外濾光片電子顯微鏡增大孔徑角u油浸物鏡典型浸液：香柏油（n=1.52）3.工程應(yīng)用分析顯微鏡成像分辨率的提升減小波長增大數(shù)值孔徑紫10東京大學(xué)開發(fā)的電子顯微鏡分辨率：0.045納米3.工程應(yīng)用分析顯微鏡成像分辨率的提升東京大學(xué)開發(fā)的電子顯微鏡分辨率：0.045納米3.工程應(yīng)用分113.工程應(yīng)用分析望遠(yuǎn)鏡成像分辨率的提升–太空光學(xué)望遠(yuǎn)鏡哈勃望遠(yuǎn)鏡2.4m口徑可見光觀測分辨率：0.1角秒韋伯望遠(yuǎn)鏡分辨率：0.1角秒6.5m口徑紅外觀測2018年哈勃韋伯3.工程應(yīng)用分析望遠(yuǎn)鏡成像分辨率的提升–太空光學(xué)望遠(yuǎn)鏡哈123.工程應(yīng)用分析望遠(yuǎn)鏡成像分辨率的提升–地基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡凱克望遠(yuǎn)鏡10m口徑分辨率：0.1角秒歐洲極大望遠(yuǎn)鏡39.3m口徑分辨率：0.01角秒2024年3.工程應(yīng)用分析望遠(yuǎn)鏡成像分辨率的提升–地基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡凱克13FAST球面射電望遠(yuǎn)鏡（中國貴州）阿雷西博射電望遠(yuǎn)鏡波多黎各300m500m3.工程應(yīng)用分析望遠(yuǎn)鏡成像分辨率的提升–射電望遠(yuǎn)鏡FAST球面射電望遠(yuǎn)鏡（中國貴州）阿雷西博射電望遠(yuǎn)鏡波多黎144.討論探究探究問題一：為何設(shè)計射電望遠(yuǎn)鏡要比光學(xué)望遠(yuǎn)鏡口徑大得多？FAST球面射電望遠(yuǎn)鏡500m中國貴州凱克望遠(yuǎn)鏡10mλ=1mm-30m射電λ=0.4-0.76μm光學(xué)：0.01nm～0.1nm硬X射線：4.討論探究探究問題一：為何設(shè)計射電望遠(yuǎn)鏡要比光學(xué)望遠(yuǎn)鏡口徑154.討論探究探究問題二：為何韋伯和哈勃的分辨率相近？6.5m哈勃望遠(yuǎn)鏡韋伯望遠(yuǎn)鏡2.4m2018年分辨率：0.1角秒分辨率：0.1角秒可見光：λ=555nm近紅外：λ=2000nm4.討論探究探究問題二：為何韋伯和哈勃的分辨率相近？6.5m16凱克望遠(yuǎn)鏡10m分辨率：0.1角秒4.討論探究探究問題三：為何凱克望遠(yuǎn)鏡的實際分辨率比理論分辨率小很多？在2μm波長分辨率理論值：大氣湍流影響成像自適應(yīng)光學(xué)消除大氣湍流的影響凱克望遠(yuǎn)鏡10m分辨率：0.1角秒4.討論探究探究問題三：17若同時觀察各熒光點(diǎn)，因衍射斑疊加，不可分辨。衍射極限：200nm創(chuàng)新：突破衍射極限超分辨熒光顯微技術(shù)典型：光激活定位顯微鏡（photoactivatedlocalizationmicroscopy，PALM）

若同時觀察各熒光點(diǎn)，因衍射斑疊加，不可分辨。衍射極限：20018用激光控制所有熒光點(diǎn)逐步亮，每亮一個得到一個衍射圓斑，找到它的中心，然后把所有亮斑中心位置描到右邊圖里。創(chuàng)新：突破衍射極限超分辨熒光顯微技術(shù)典型：光激活定位顯微鏡（photoactivatedlocalizationmicroscopy，PALM）

用激光控制所有熒光點(diǎn)逐步亮，每亮一個得到一個衍射圓斑，找到它19用激光控制所有熒光點(diǎn)逐步亮，每亮一個得到一個衍射圓斑，找到它的中心，然后把所有亮斑中心位置描到右邊圖里。創(chuàng)新：突破衍射極限超分辨熒光顯微技術(shù)典型：光激活定位顯微鏡（photoactivatedlocalizationmicroscopy，PALM）

用激光控制所有熒光點(diǎn)逐步亮，每亮一個得到一個衍射圓斑，找到它20用激光控制所有熒光點(diǎn)逐步亮，每亮一個得到一個衍射圓斑，找到它的中心，然后把所有亮斑中心位置描到右邊圖里。創(chuàng)新：突破衍射極限超分辨率熒光顯微技術(shù)典型：光激活定位顯微鏡（photoactivatedlocalizationmicroscopy，PALM）

用激光控制所有熒光點(diǎn)逐步亮，每亮一個得到一個衍射圓斑，找到它21用激光控制所有熒光點(diǎn)逐步亮，每亮一個得到一個衍射圓斑，找到它的中心，然后把所有亮斑中心位置描到右邊圖里。創(chuàng)新：突破衍射極限超分辨率熒光顯微技術(shù)典型：光激活定位顯微鏡（photoactivatedlocalizationmicroscopy，PALM）

用激光控制所有熒光點(diǎn)逐步亮，每亮一個得到一個衍射圓斑，找到它22用激光控制所有熒光點(diǎn)逐步亮，每亮一個得到一個衍射圓斑，找到它的中心，然后把所有亮斑中心位置描到右邊圖里。創(chuàng)新：突破衍射極限超分辨率熒光顯微技術(shù)典型：光激活定位顯微鏡（photoactivatedlocalizationmicroscopy，PALM）

用激光控制所有熒光點(diǎn)逐步亮，每亮一個得到一個衍射圓斑，找到它23用激光控制所有熒光點(diǎn)逐步亮，每亮一個得到一個衍射圓斑，找到它的中心，然后把所有亮斑中心位置描到右邊圖里。創(chuàng)新：突破衍射極限超分辨率熒光顯微技術(shù)典型：光激活定位顯微鏡（photoactivatedlocalizationmicroscopy，PALM）

用激光控制所有熒光點(diǎn)逐步亮，每亮一個得到一個衍射圓斑，找到它24用激光控制所有熒光點(diǎn)逐步亮，每亮一個得到一個衍射圓斑，找到它的中心，然后把所有亮斑中心位置描到右邊圖里。創(chuàng)新：突破衍射極限超分辨率熒光顯微技術(shù)典型：光激活定位顯微鏡（photoactivatedlocalizationmicroscopy，PALM）

用激光控制所有熒光點(diǎn)逐步亮，每亮一個得到一個衍射圓斑，找到它25用激光控制所有熒光點(diǎn)逐步亮，每亮一個得到一個衍射圓斑，找到它的中心，然后把所有亮斑中心位置描到右邊圖里。創(chuàng)新：突破衍射極限超分辨率熒光顯微技術(shù)典型：光激活定位顯微鏡（photoactivatedlocalizationmicroscopy，PALM）

用激光控制所有熒光點(diǎn)逐步亮，每亮一個得到一個衍射圓斑，找到它26用激光控制所有熒光點(diǎn)逐步亮，每亮一個得到一個衍射圓斑，找到它的中心，然后把所有亮斑中心位置描到右邊圖里。創(chuàng)新：突破衍射極限超分辨率熒光顯微技術(shù)典型：光激活定位顯微鏡（photoactivatedlocalizationmicroscopy，PALM）

用激光控制所有熒光點(diǎn)逐步亮，每亮一個得到一個衍射圓斑，找到它27用激光控制所有熒光點(diǎn)逐步亮，每亮一個得到一個衍射圓斑，找到它的中心，然后把所有亮斑中心位置描到右邊圖里。創(chuàng)新：突破衍射極限超分辨率熒光顯微技術(shù)典型：光激活定位顯微鏡（photoactivatedlocalizationmicroscopy，PALM）

用激光控制所有熒光點(diǎn)逐步亮，每亮一個得到一個衍射圓斑，找到它28用激光控制所有熒光點(diǎn)逐步亮，每亮一個得到一個衍射圓斑，找到它的中心，然后把所有亮斑中心位置描到右邊圖里。創(chuàng)新：突破衍射極限超分辨率熒光顯微技術(shù)典型：光激活定位顯微鏡（photoactivatedlocalizationmicroscopy，PALM）

用激光控制所有熒光點(diǎn)逐步亮，每亮一個得到一個衍射圓斑，找到它29用激光控制所有熒光點(diǎn)逐步亮，每亮一個得到一個衍射圓斑，找到它的中心，然后把所有亮斑中心位置描到右邊圖里。創(chuàng)新：突破衍射極限超分辨率熒光顯微技術(shù)典型：光激活定位顯微鏡（photoactivatedlocalizationmicroscopy，PALM）

用激光控制所有熒光點(diǎn)逐步亮，每亮一個得到一個衍射圓斑，找到它30光激活定位顯微鏡（已做成產(chǎn)品投入市場）創(chuàng)新：突破衍射極限普通顯微鏡（200nm）超分辨率熒光顯微鏡（20nm）光激活定位顯微鏡創(chuàng)新：突破衍射極限普通顯微鏡超分辨率熒光顯微31創(chuàng)新：突破衍射極限創(chuàng)新：突破衍射極限32知識擴(kuò)展國際著名光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的主鏡尺寸比較知識擴(kuò)展國際著名光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的主鏡尺寸比較33我國大型望遠(yuǎn)鏡工程狀況：射電望遠(yuǎn)鏡、硬X射線望遠(yuǎn)鏡已躋身國際主流行列；但光學(xué)望遠(yuǎn)鏡與國際相差很大！知識擴(kuò)展慧眼：HXMT硬X射線望遠(yuǎn)鏡巨眼：FAST球面射電望遠(yuǎn)鏡500m中國貴州我國大型望遠(yuǎn)鏡工程狀況：知識擴(kuò)展慧眼：HXMT硬X射線望遠(yuǎn)鏡34目前中國建造的最大的通用型光學(xué)望遠(yuǎn)鏡是2.16米望遠(yuǎn)鏡。全世界已有14架8—10米口徑的光學(xué)紅外望遠(yuǎn)鏡，沒有一架在中國。國內(nèi)研究者不得不借用國外的望遠(yuǎn)鏡時間。知識擴(kuò)展國家天文臺興隆基地的2.16米口徑“通用型望遠(yuǎn)鏡”。目前中國建造的最大的通用型光學(xué)望遠(yuǎn)鏡是2.16米望遠(yuǎn)鏡。知識35中國參與的國際合作項目30米望遠(yuǎn)鏡（TMT）知識擴(kuò)展方案一：中國參與建設(shè)在夏威夷的30米望遠(yuǎn)鏡國際合作建設(shè)項目；方案二：中國自建一個12米光學(xué)紅外望遠(yuǎn)鏡。2016年，國家發(fā)改委明確將“大型光學(xué)紅外望遠(yuǎn)鏡”列為“十三五”時期10個優(yōu)先支持建設(shè)的項目。中國參與的國際合作項目30米望遠(yuǎn)鏡（TMT）知識擴(kuò)展方案一：36一般光學(xué)顯微鏡的分辨率極限為200nm，要突破這個極限就必須避開光學(xué)成像的孔徑衍射。典型的方法是通過近場隱失波掃描成像。知識擴(kuò)展一般光學(xué)顯微鏡的分辨率極限為200nm，要突破這個極限就必須37望遠(yuǎn)鏡顯微鏡相機(jī)增大數(shù)值孔徑;減小波長。增大通光口徑;減小波長。增大相對口徑;減小波長。課堂小結(jié)望遠(yuǎn)鏡顯微鏡相機(jī)增大數(shù)值孔徑;增大通光口徑;增大相對口徑;課38作業(yè)布置與參考文獻(xiàn)查閱文獻(xiàn)，調(diào)研大型天文望遠(yuǎn)鏡相關(guān)研究背景，撰寫2000字以上調(diào)研報告。1.BornM,WolfE.Principlesofoptics:electromagnetictheoryofpropagation,interferenceanddiffractionoflight[M].Elsevier,2013.2.DeCusatis,C.,Enoch,J.Handbookofoptics(Vol.2).M.Bass(Ed.).NewYork:McGraw-Hill.(2001)3.郁道銀，工程光學(xué)（第3版），機(jī)械工業(yè)出版社，20114.李林，應(yīng)用光學(xué)（第4版），北京理工大學(xué)出版社，20105.GardnerJP,MatherJC,ClampinM,etal.Thejameswebbspacetelescope[J].SpaceScienceReviews,2006,123(4):485-606.6.JohnsM,McCarthyP,RaybouldK,etal.GiantMagellanTelescope:overview[C]//Proc.SPIE.2012,8444:84441H.7.鄭永春,高原.走近中國“天眼”——FAST射電望遠(yuǎn)鏡[J].軍事文摘,20