應(yīng)用光學(xué)簡(jiǎn)明教程 課件【ch13】顯微和望遠(yuǎn)光學(xué)系統(tǒng)

應(yīng)用光學(xué)簡(jiǎn)明教程光電&儀器類(lèi)專(zhuān)業(yè)教材顯微和望遠(yuǎn)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(lái)描述。放大鏡放大率是用所看到的像對(duì)眼睛所張角度的正切比物體直接對(duì)眼睛所張角度的正切。該比值稱(chēng)為視覺(jué)放大率，以Γ表示。視覺(jué)放大率為若把放大虛像調(diào)焦到無(wú)限遠(yuǎn)，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(chǎng)02一、放大鏡放大鏡的光束限制和視場(chǎng)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(duì)物鏡成像再次放大，如圖13.4所示。目鏡視覺(jué)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(jué)放大率與光學(xué)筒長(zhǎng)△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(chēng)為機(jī)械筒長(zhǎng)，如圖13.5所示。機(jī)械筒長(zhǎng)通常是標(biāo)準(zhǔn)化的，國(guó)際上有160mm、170mm和190mm三種標(biāo)準(zhǔn)。我國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)為160mm。顯微鏡的機(jī)械筒長(zhǎng)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(jiǎn)長(zhǎng)△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(shí)，避開(kāi)重新調(diào)焦的操作便可清晰地看到物體的像，光學(xué)筒長(zhǎng)應(yīng)該滿(mǎn)足一個(gè)齊焦條件。齊焦條件如下：(1)各組物鏡的共軛距T是標(biāo)準(zhǔn)的，國(guó)標(biāo)上對(duì)生物顯微鏡共軛距規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)值為195mm。(2)目鏡的標(biāo)準(zhǔn)安裝面與物鏡的像面有固定的位置關(guān)系，國(guó)標(biāo)上規(guī)定該距離to為10mm。(3)齊焦條件：目鏡調(diào)換時(shí)不再重新調(diào)焦，目鏡的鏡簡(jiǎn)結(jié)構(gòu)應(yīng)保證其物方焦點(diǎn)與物鏡的像面重合。顯微鏡的機(jī)械筒長(zhǎng)02二、顯微鏡系統(tǒng)及其特性通常，顯微鏡的視場(chǎng)光闌設(shè)置在物鏡的像平面上。由于顯微鏡的視場(chǎng)很小，而且要求像面上有均勻的照度，故不設(shè)專(zhuān)門(mén)的漸暈光闌。顯微鏡，特別是高倍顯微鏡，為了提高對(duì)目標(biāo)細(xì)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(diǎn)像差達(dá)到完善的校正。通常，顯微鏡線(xiàn)視場(chǎng)不超過(guò)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(chǎng)2y=0.8mm；40倍顯微鏡物鏡的焦距f'=4mm，取視場(chǎng)2y=0.2mm。顯微鏡的視場(chǎng)光闌和視場(chǎng)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(diǎn)”源通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)，在高斯像面上形成衍射斑，中心亮斑稱(chēng)為艾里圓。光強(qiáng)分布為式中，J1(x)是一階一類(lèi)貝塞爾函數(shù)。點(diǎn)源通過(guò)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(duì)光學(xué)系統(tǒng)的分辨率做了如下的闡述：兩個(gè)相鄰的“點(diǎn)”光源所成的像是兩個(gè)衍射斑，若兩個(gè)等光強(qiáng)的非相千點(diǎn)像之間的間隔等于艾里圓的半徑，即一個(gè)像斑的中心恰好落在另一個(gè)像斑的第一暗環(huán)處，則這兩個(gè)點(diǎn)就是可分辨的點(diǎn)，如圖13.9所示。當(dāng)兩個(gè)點(diǎn)可分辨時(shí)，兩個(gè)彌散斑的疊加光強(qiáng)分布曲線(xiàn)的極大值和極小值之間的差異為1：0.736，且兩點(diǎn)中間的最小光強(qiáng)等于艾里圓x=1.916處光強(qiáng)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(shí)，分辨率的公式是由上述公式可見(jiàn)，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(diǎn)中間帶的光強(qiáng)超過(guò)一定值時(shí)，兩點(diǎn)才可分辨。按瑞利準(zhǔn)則給出的比值是1：0.736，實(shí)際上人眼在對(duì)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(diǎn)未必是能看清楚。只有使這兩點(diǎn)對(duì)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(diǎn)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(xiàn)視場(chǎng)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(guò)大的放大率可能造成視場(chǎng)大小與結(jié)構(gòu)的矛盾。顯微鏡物鏡的視場(chǎng)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(chǎng)為顯微鏡物鏡的一些主要參數(shù)，均刻在鏡簡(jiǎn)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(lèi)型02消色差物鏡是應(yīng)用最廣，數(shù)值孔徑能達(dá)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(jí)球差很?chē)?yán)重。平衡高級(jí)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(lèi)型02復(fù)消色差物鏡主要用于專(zhuān)業(yè)顯微鏡，如金相顯微鏡。它除了校正軸上點(diǎn)的三種像差外，還要校正二級(jí)光譜，稱(chēng)為復(fù)消色差物鏡。倍率色差用目鏡的值予以補(bǔ)償。為了校正二級(jí)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(xiàn)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(lèi)型02平視場(chǎng)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(chǎng)消色差物鏡的倍率色差不大，不必用特殊目鏡補(bǔ)償；而平視場(chǎng)復(fù)消色差物鏡則必須用目鏡補(bǔ)償它的倍率色差。場(chǎng)曲的校正往往依靠若千個(gè)彎月形厚透鏡來(lái)實(shí)現(xiàn)。圖13.13給出一個(gè)放大率為40*、數(shù)值孔徑為0.85的平視場(chǎng)復(fù)消色差物鏡的結(jié)構(gòu)。圖13.13中有陰影線(xiàn)的透鏡是用螢石制造的。3.平視場(chǎng)物鏡四、顯微鏡物鏡顯微鏡物鏡的基本類(lèi)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(dá)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(gè)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(duì)于透明標(biāo)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(chēng)為柯拉鏡，它得到了光源的均勻照明，經(jīng)過(guò)聚光鏡后組成像在標(biāo)本上。標(biāo)本得到均勻照明，這是柯拉照明的重要特點(diǎn)。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(duì)不透明物體于采用從側(cè)面或者從上方照明。此時(shí)，標(biāo)本是靠散射光或反射光成像。側(cè)面照明是把光源放在標(biāo)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(xiàn)由物鏡4射向物面5，然后由物面5漫反射的光線(xiàn)再經(jīng)過(guò)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(chǎng)照明(2)雙向暗視場(chǎng)照明雙向暗視場(chǎng)照明圖13.19為單向暗視場(chǎng)照明示意圖。

光學(xué)結(jié)構(gòu)如圖13.20所示。暗視場(chǎng)照明方法02五、顯微鏡的照明系統(tǒng)(1)色差設(shè)計(jì)時(shí)，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(duì)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(duì)光線(xiàn)的聚集能力，降低照明的效果。球差的校正公差通常以點(diǎn)源最小彌散斑相對(duì)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(shí)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(shí)其值可達(dá)1.4。③五片式如圖13.22(c)所示，系統(tǒng)中有兩個(gè)膠合組和一個(gè)半球透鏡，所以可以滿(mǎn)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(shí)數(shù)值孔徑可達(dá)1.4。聚光鏡03望遠(yuǎn)系統(tǒng)06六、望遠(yuǎn)系統(tǒng)望遠(yuǎn)鏡的放大效果是視角的放大，可用視覺(jué)放大率描述這一感覺(jué)。視覺(jué)放大率定義為物體在望遠(yuǎn)鏡中成的像對(duì)眼睛的張角與物體本身對(duì)眼睛張角的比值。望遠(yuǎn)鏡的視覺(jué)放大率：望遠(yuǎn)鏡的視覺(jué)放大率又可以表示為望遠(yuǎn)鏡的視覺(jué)放大率01六、望遠(yuǎn)系統(tǒng)望遠(yuǎn)鏡的分辨率及工作放大率02這個(gè)放大率稱(chēng)為正常放大率。六、望遠(yuǎn)系統(tǒng)主觀亮度031.望遠(yuǎn)鏡觀察點(diǎn)源時(shí)的主觀亮度六、望遠(yuǎn)系統(tǒng)主觀亮度032.望遠(yuǎn)鏡觀察面源時(shí)的主觀亮度六、望遠(yuǎn)系統(tǒng)望遠(yuǎn)鏡的出瞳距和調(diào)焦041.外調(diào)焦式望遠(yuǎn)鏡外調(diào)焦式望遠(yuǎn)鏡以調(diào)整目鏡相對(duì)物鏡位置的方式實(shí)現(xiàn)調(diào)焦。這種調(diào)焦方式的優(yōu)點(diǎn)是鏡筒長(zhǎng)度發(fā)生了變化，但其結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，像質(zhì)也易保證；其缺點(diǎn)是外形尺寸大，密封性較差。2.內(nèi)調(diào)焦式望遠(yuǎn)鏡內(nèi)調(diào)焦式望遠(yuǎn)鏡以調(diào)整物鏡內(nèi)部結(jié)構(gòu)的方式，達(dá)到調(diào)焦并保證目標(biāo)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(zhǎng)度不變。但是，它的結(jié)構(gòu)和工藝復(fù)雜。望遠(yuǎn)物鏡07七、望遠(yuǎn)物鏡(1)雙膠合物鏡雙膠合望遠(yuǎn)物鏡的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(yuǎn)物鏡高倍率的望遠(yuǎn)物鏡焦距較長(zhǎng)，尺寸和質(zhì)量均大。折射式望遠(yuǎn)物鏡01七、望遠(yuǎn)物鏡(1)卡塞格林系統(tǒng)卡塞格林系統(tǒng)由一一個(gè)拋物面主反射鏡和一個(gè)雙曲面副反射鏡構(gòu)成，如圖13.32所示。拋物面的焦點(diǎn)和雙曲面的虛焦點(diǎn)F1’重合，F(xiàn)1'與雙曲面的實(shí)焦點(diǎn)F'是一對(duì)共軛點(diǎn)，星點(diǎn)經(jīng)兩個(gè)面反射后成像在點(diǎn)F’。這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，成倒像。主反射鏡和副反射鏡的場(chǎng)曲可以互相補(bǔ)償，有利于大視場(chǎng)觀測(cè)。反射式望遠(yuǎn)物鏡02七、望遠(yuǎn)物鏡(2)格里高里系統(tǒng)格里高里系統(tǒng)由一個(gè)拋物面主反射鏡和一個(gè)橢球面副反射鏡構(gòu)成，如圖13.33所示。拋物面的焦點(diǎn)F1'和橢球面的一個(gè)焦點(diǎn)F2重合，平行光聚焦在引上，然后經(jīng)過(guò)橢球面成像在另一個(gè)焦點(diǎn)F1'上。此系統(tǒng)成正立像。反射式望遠(yuǎn)物鏡02七、望遠(yuǎn)物鏡(1)施密特物鏡施密特物鏡是由一個(gè)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(yuǎn)物鏡03七、望遠(yuǎn)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(chēng)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(mǎn)足關(guān)系式時(shí)，不產(chǎn)生色差，只產(chǎn)生單色像差，設(shè)計(jì)中使其值與主反射鏡的單色像差平衡。折反射式望遠(yuǎn)物鏡03目鏡08八、目鏡目鏡是望遠(yuǎn)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(mǎn)足目標(biāo)對(duì)人眼視角識(shí)別的需要。一般，目鏡成的像或在無(wú)窮遠(yuǎn)，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(chǎng)角2ω'、出瞳直徑D’