典型光學系統(tǒng)與設計

典型光學系統(tǒng)與設計第一頁，共五十一頁，2022年，8月28日典型光學系統(tǒng)望遠鏡顯微鏡投影和攝像第二頁，共五十一頁，2022年，8月28日望遠鏡望遠鏡是一種用于觀察遠距離物體的目視光學儀器，能把遠物很小的張角按一定倍率放大，使之在像空間具有較大的張角，使本來無法用肉眼看清或分辨的物體變清晰可辨。望遠鏡是目視光學系統(tǒng)，其放大率為視覺放大率：第三頁，共五十一頁，2022年，8月28日第一個望遠鏡是伽利略發(fā)明的第四頁，共五十一頁，2022年，8月28日第五頁，共五十一頁，2022年，8月28日望遠鏡的種類折射式：伽利略望遠鏡和多普勒望遠鏡反射式折反共用第六頁，共五十一頁，2022年，8月28日第七頁，共五十一頁，2022年，8月28日折射式第八頁，共五十一頁，2022年，8月28日反射式：色差來源于不同的波長通過透鏡具有不同的折射率，因此具有不同的焦距，而反射鏡對不同波長來說反射角是一致的牛頓望遠鏡反射望遠鏡沒用上透鏡，因此沒有折射望遠鏡的色差問題，現(xiàn)今世界上最好的望遠鏡都是反射望遠鏡，用的都是反射鏡面，例如夏威夷毛那基峰的十米Keck望遠鏡。第九頁，共五十一頁，2022年，8月28日反射式望遠鏡的例子：第十頁，共五十一頁，2022年，8月28日第十一頁，共五十一頁，2022年，8月28日第十二頁，共五十一頁，2022年，8月28日第十三頁，共五十一頁，2022年，8月28日為什么又有了折反望遠鏡？反射和折射望遠鏡各有優(yōu)劣反射可以無色差，但校正其他像差困難折射可以矯正其他像差，但校正色差困難于是折反射就是綜合利用了兩者的優(yōu)勢折反射望遠鏡，是在球面反射鏡的基礎上，再加入用于校正像差的折射元件，可以避免困難的大型非球面加工，又能獲得良好的像質(zhì)量。第十四頁，共五十一頁，2022年，8月28日施密特望遠鏡：它在球面反射鏡的球心位置處放置一施密特校正板。它是一個面是平面，另一個面是輕度變形的非球面，使光束的中心部分略有會聚，而外圍部分略有發(fā)散，正好矯正球差和彗差。馬克蘇托夫望遠鏡：在球面反射鏡前面加一個彎月型透鏡，選擇合適的彎月透鏡的參數(shù)和位置，可以同時校正球差和彗差。第十五頁，共五十一頁，2022年，8月28日以馬克蘇托夫望遠鏡為例：第十六頁，共五十一頁，2022年，8月28日第十七頁，共五十一頁，2022年，8月28日第十八頁，共五十一頁，2022年，8月28日第十九頁，共五十一頁，2022年，8月28日讓我們把反射和折反的圖放一起比較下注意：比較像差的大小要看圖像的范圍。這里反射彌散斑范圍1000um，而折射僅40um。所以如果兩個放到一個比例下比較，折反射的像差遠小于反射的第二十頁，共五十一頁，2022年，8月28日比較下反射和折反的MTF圖：同樣，應注意橫坐標的范圍：顯然折反式在很高的頻率仍具有較高的MTF反射折反第二十一頁，共五十一頁，2022年，8月28日Cassegrain-typeRitchieCretien望遠鏡第二十二頁，共五十一頁，2022年，8月28日632.8nm這個波長可以看做沒球差第二十三頁，共五十一頁，2022年，8月28日第二十四頁，共五十一頁，2022年，8月28日在較大空間頻率范圍內(nèi)，都有較大的MTF值第二十五頁，共五十一頁，2022年，8月28日常數(shù)場曲，無畸變！第二十六頁，共五十一頁，2022年，8月28日可見這個望遠鏡是設計相當完美的一個第二十七頁，共五十一頁，2022年，8月28日顯微鏡顯微鏡由物鏡和目鏡組成物體AB在物鏡前焦面稍前處，經(jīng)物鏡成放大、倒立的實像A'B'，它位于目鏡前焦面或稍后處，經(jīng)目鏡成放大的虛像，該像位于無窮遠或明視距離處第二十八頁，共五十一頁，2022年，8月28日舉一個Zemax顯微鏡的設計例子在用ZEMAX軟件進行設計時，將顯微鏡倒置設計。設置參數(shù)如下：垂直放大率為0.04，物方數(shù)值孔徑為0.016，物高為25mm，物方半視場高度為12.5mm。第二十九頁，共五十一頁，2022年，8月28日從system菜單里點General子菜單，可以直接設置物方數(shù)值孔徑而要定義物體的大小，則必須從Syetem菜單fielddata子菜單里錄入這里我們先后考察三個物體，分別為軸上點、軸外9mm、軸外12.5mm物體。第三十頁，共五十一頁，2022年，8月28日定義透鏡表面參數(shù)第三十一頁，共五十一頁，2022年，8月28日第三十二頁，共五十一頁，2022年，8月28日第三十三頁，共五十一頁，2022年，8月28日第三十四頁，共五十一頁，2022年，8月28日第三十五頁，共五十一頁，2022年，8月28日第三十六頁，共五十一頁，2022年，8月28日設置變量，開始優(yōu)化使用默認目標函數(shù)第三十七頁，共五十一頁，2022年，8月28日第三十八頁，共五十一頁，2022年，8月28日第三十九頁，共五十一頁，2022年，8月28日第四十頁，共五十一頁，2022年，8月28日顯微鏡的現(xiàn)代變革放大鏡是最簡單的顯微鏡后來人們使用目鏡和物鏡共同構成的光學顯微鏡，使人類的視野進入微觀領域，觀測到了細胞等用電子代替光：電子顯微鏡但上世紀八十年代開始，顯微鏡技術發(fā)生了一次具有歷史意義的革新：掃描隧道顯微鏡、原子力顯微鏡等第四十一頁，共五十一頁，2022年，8月28日分辨率：人眼或儀器

能分辨物體的最小間距（角分辨）。人眼分辨率：在明視距離內(nèi)只擁有1分的分辨率或0.1mm。顯微鏡：最高1600倍放大率，實際上有象差，受衍射極限

影響.分劃板

L

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顯微探測歷史回顧：

當

=0.3m

所以，傳統(tǒng)光學顯微鏡分辨率極限是為提高分辨率，減小波長

從可見光——紫外光——x射線而更短的波長、電子射線GobackfromHistory第四十二頁，共五十一頁，2022年，8月28日用電子代替光，這或許是一個反常規(guī)的主意。但是還有更令人吃驚的。1983年，IBM公司蘇黎世實驗室的兩位科學家GerdBinnig和HeinrichRohrer發(fā)明了掃描隧道顯微鏡（STM）。這種顯微鏡比電子顯微鏡更激進，它完全失去了傳統(tǒng)顯微鏡的概念。

諾貝爾獎：ErnstRuska，GerdBinnig和HeinrichRohrer（從左至右）分別因為發(fā)明電子顯微鏡和掃描隧道顯微鏡而分享1986年的諾貝爾物理學獎。電子顯微鏡的發(fā)明者盧斯卡掃描隧道顯微鏡的發(fā)明者賓尼格和羅勒。

GobackfromHistory天才的賓尼格和羅勒，在隨后兩年又發(fā)明了原子力顯微鏡，這是納米科學做為獨立科學出現(xiàn)的重要標志第四十三頁，共五十一頁，2022年，8月28日第四十四頁，共五十一頁，2022年，8月28日投影和攝像系統(tǒng)這兩個有些類似，光學部分差不多倒過來用與望遠鏡顯微鏡系統(tǒng)不同的是，投影與攝像的關鍵部分有兩個，一是照明系統(tǒng)，必須保證足夠的照度才能清晰成像；二是光學系統(tǒng)，即要有一個好的成像物鏡。第四十五頁，共五十一頁，2022年，8月28日投影儀就是把待投影的圖像放在一個物鏡一倍和二倍焦距之間，這樣能在遠處的屏幕上成像。但其實際結構卻復雜的多，以我們教室頭上的投影儀為例，它的內(nèi)部是怎樣的呢？第四十六頁，共五十一頁，2022年，8月28日注意:在投影機中所使用的液晶板中每個液晶晶體代表一個象素，并沒有針對紅、綠、藍等顏色差別。為了清晰再現(xiàn)圖像色彩，它其實是使用了三張LCD液晶板來分別再現(xiàn)三種顏色，然后再經(jīng)過光學系統(tǒng)的把這些分離的顏色合成再一起，投影在屏幕上，就組成了一副完整的圖像。第四十七頁，共五十一頁，2022年，8月28日第四十八頁，共五