仪器光学系统设计及成像系统

仪器光学系统设计1课程基本内容第二章

仪器光学设计基本理论第三章

典型成像仪器光学系统设计第四章

非成像仪器光学系统设计第五章

仪器光学系统装调理论及方法第一章

几何光学基本原理2第一章几何光学基本原理3参考书籍《工程光学》-郁道银、谈恒英（工科经典）《应用光学与光学设计基础》-迟泽英（内容全面）《几何光学》-张以谟（使用广泛）《应用光学》-王文生（光学设计详细）《光学原理》-马科斯.波恩（德）；埃米尔.沃尔夫（美）（经典，全面详细）4光学要解决的问题光的外在？

光的内在？·光的本性问题光的传播规律量子光学物理光学几何光学波动学说光线概念经典物理学量子物理学·光子学说5第一节

光波与光线

研究光的意义:90%信息由视觉获得,光波是视觉的载体

光是什么？弹性粒子－弹性波－电磁波－波粒二象性1666年：牛顿提出微粒说，弹性粒子1678年：惠更斯提出波动说，以太中传播的弹性波1873年：麦克斯韦提出电磁波解释，电磁波1905年：爱因斯坦提出光子假设20世纪：人们认为光具有波粒二象性6第一节

光波与光线

一般情况下,可以把光波作为电磁波看待，光波波长λ7光的本质是电磁波光的传播实际上是波动的传播物理光学：

研究光的本性，并由此来研究各种光学现象几何光学：

研究光宏观的传播规律和传播现象8可见光：波长在400-760nm范围

红外波段：波长比可见光长

紫外波段：波长比可见光短9

可见光：400-760nm

单色光：同一种波长

复色光：由不同波长的光波混合而成频率和光速，波长的关系在透明介质中，波长和光速同时改变，频率不变

10几何光学的研究对象和光线概念几何光学研究对象

不考虑光的本性研究光的传播规律和传播现象

特点不考虑光的本性，把光认为是光线11光线是能够传输能量的几何线，具有方向光波的传播问题就变成了几何的问题所以称之为几何光学当几何光学不能解释某些光学现象，例如干涉、衍射时，再采用物理光学的原理光线是光学系统简化设计的重要前提，是成像光学系统设计的理论基础12一、光的传播现象的分类第二节

几何光线基本定律灯泡空气玻璃13光的传播可以分类为：1、光在同一种介质中的传播；2、光在两种介质分界面上的传播。14二、几何光学基本定律1、光线在同一种均匀透明介质中时：直线传播定律·成分均匀透光2、光线在两种均匀介质分界面上传播时，

反射定律3、折射定律

15AO:入射光线OB:反射光线OC:折射光线NN:过投射点所做的分界面法线I1:入射光线和分界面法线的夹角，入射角R1:反射光线和分界面法线的夹角，反射角I2:折射光线和分界面法线的夹角，折射角16全反射现象现象水空气AI1R1I2O1O2O3O4I017发生全反射的条件

必要条件：n1>n2由光密介质进入光疏介质

充分条件：I1>I0入射角大于全反射角

1870年，英国科学家丁达尔全反射实验18全反射的应用

用棱镜代替反射镜：减少光能损失194、独立传播定律不同光源发出的光在空间某点相遇，彼此不发生影响，各自独立传播理解：独立传播定律与干涉现象区别不认识的人（不共源，性质差异大）-相遇-各自回家-独立传播定律认识的熟人（同源；性质差异小（相位/振幅））-相遇-聊一会-相互影响-干涉现象20光路可逆光路可逆AB1、现象狙击手最怕看到什么？门上猫眼？原因：光直线传播定律（光线基本原理）

物象共轭原理（光学系统基本原理）21应用光路可逆：求焦点光学设计中，逆向计算：目镜，显微物镜等焦距仪原理？225、费马原理费马原理：光从一点A传播到另一点B，无论经过多少介质，走过什么样的路径，其光程是稳定的。（具有稳定值或极值）广义多元微分为零将四条基本定律进行统一概括光程：几何路径与折射率的乘积理解：揭示的是光传播的稳定性，即光程具有极值，光程是极大、极小还是其他定值可以通过变微分公式算出23马吕斯定律：光线束在各向同性均匀介质中传播时，始终保持与波面的正交性，并且入射波面与出射波面各对应点之间的光程为定值6、马吕斯定律理解：马吕斯定律定义了光线传播方向，同时从波前角度阐释了光线传播过程中光程的特征24第三节

光学系统类别和成像的概念

各种各样的光学仪器显微镜:观察细小的物体望远镜:观察远距离的物体各种光学零件——反射镜、透镜和棱镜25光学系统：把各种光学零件按一定方式组合起来，满足一定的要求26光学系统分类

按介质分界面形状分：

球面系统：系统中的光学零件均由球面构成

非球面系统：系统中包含有非球面共轴球面系统：系统光学零件由球面构成，并且具有一条对称轴线

按有无对称轴分：

共轴系统：系统具有一条对称轴线，光轴非共轴系统：没有对称轴线

27成像基本概念透镜类型正透镜：凸透镜，中心厚，边缘薄，使光线会聚,也叫会聚透镜会聚：出射光线相对于入射光线向光轴方向折转

负透镜：凹透镜，中心薄，边缘厚，使光线发散，也叫发散透镜发散：出射光线相对于入射光线向远离光轴方向折转28透镜作用－－－成像AA’A’点称为物体A通过透镜所成的像点。而把A称为物点A′为实际光线的相交点，如果在A′处放一屏幕，则可以在屏幕上看到一个亮点，这样的像点称为实像点。

A和A′称为共轭点。A’与A互为物像关系，在几何光学中称为“共轭”。29透镜成像原理正透镜：正透镜中心比边缘厚，光束中心部分走的慢，边缘走的快。AOPQPQO’A’P’Q’成实像30负透镜:负透镜边缘比中心厚，所以和正透镜相反，光束中心部分走得快，边缘走得慢。AA’成虚像31名词概念像：出射光线的交点

实像点：出射光线的实际交点

虚像点：出射光线延长线的交点物：入射光线的交点

实物点：实际入射光线的交点虚物点：入射光线延长线的交点32像空间：像所在的空间

实像空间：系统最后一面以后的空间

虚像空间：系统最后一面以前的空间整个像空间包括实像和虚像空间物空间：物所的空间实物空间：系统第一面以前的空间虚物空间：系统第一面以后的空间

整个物空间包括实物和虚物空间注意：虚物的产生虚像的检测33第四节

理想像和理想光学系统

通俗理解：如果要成像清晰，必须一个物点成像为一个像点

为什么要定义理想像波前理解：入射面为球面波，出射面也为球面波光束形态理解：入射光为同心光束，出射光也为同心光束光程理解：同系统任意两条光线走过的光程相等34如果一个物点对应唯一的像点

则直线成像为直线直线OO为入射光线，其对应的出射光线为QQ，需要证明QQ是OO的像。

在OO上任取一点A，OO可看作是A点发出的很多光线中的一条，A的唯一像点为A’，A’是所有出射光线的会聚点，A’当然在其中的一条QQ上。因为A点是在OO上任取的，即OO上所有点都成像在QQ上，所以QQ是OO的像

35如果一个物点对应唯一的像点

则平面成像为平面36

符合点对应点，直线对应直线，平面对应平面的像称为理想像

能够成理想像的光学系统称为理想光学系统

37

共轴理想光学系统的成像性质1.轴上点成像在轴上2.过光轴的某一截面内的物点对应的像点位在同一平面内3.过光轴任一截面内的成像性质是相同的

空间的问题简化为平面问题，系统可用过光轴的一个截面来代表38BAA’B’

共轴理想光学系统的成像性质4.当物平面垂直于光轴时，像平面也垂直于光轴39

5.当物平面垂直于光轴时，像与物完全相似

像和物的比值叫放大率

所谓相似，就是物平面上无论什么部位成像，都是按同一放大率成像。即放大率是一个常数。

40第二章

仪器光学设计基本理论41参考书籍《光学仪器总体设计》-王家琪（航天相机方面权威）《光学系统设计》-Milton.Laikin（美）（光学设计常用）《光学设计》-刘钧，高明（内容详实全面）《光机系统设计》-PaulR.Yoder（光机结构最权威经典参考书）《反射棱镜与平面镜系统》-连铜淑（装调与稳像领域最权威详实的著作）《实用光学技术手册》-机械工业出版社（精简版光学手册，偶尔闲翻最佳书品）42

what：仪器中的光学总体技术when：1979年，薛鸣球院士首次提出，仪器中光学总体设计why：光学总体设计是光学仪器设计的先行和关键how：技术指标

光学方案

机电控一体化2.1、仪器光学理论-概念仪器光学课程主要讲述光学理论在仪器设计领域的工程应用432.2、仪器光学理论-课程内容仪器光学设计成像光学系统设计人眼光学系统放大镜光学系统显微光学系统望远光学系统照相光学系统非成像光学系统设计照明光学系统（能量）激光光学系统（测量）44第一阶段：根据仪器总体技术要求（性能指标、外形体积、重量及相关技术条件），从仪器总体（光学、机械、电路及计算技术）出发，拟定光学系统原理图，并初步计算系统外形尺寸，以及系统中各部分要求的光学特性等。一般称这一阶段的设计为“初步设计”或者“外形尺寸计算”。第二阶段：根据初步设计结果，确定每个镜头的具体结构参数（半径、厚度、间隔、玻璃材料），以保证满足系统光学特性和成像质量的要求。这一阶段的设计称为“像差设计”，一般简称“光学设计”。2.3、光学系统设计设计仪器中的光学系统，大体上可分为两个阶段。这两个阶段既有区别又有联系。在不同类型的仪器中所占的地位和工作量不同。如大部分军用光学仪器中，初步设计比较繁重，而像差设计相对比较容易；一般显微镜和照相机中，初步设计比较简单，而像差设计比较复杂。45 光学设计就是选择和安排光学系统中各光学零件的材料、曲率和间隔，使得系统的成像符合应用要求。一般设计过程基本是减小像差到可以忽略不计的程度。光学设计可以概括为以下几个步骤：

（1）选择系统的类型 （2）分配元件的光焦度和间隔 （3）校正初级像差 （4）减小残余像差（高级像差） 以上每个步骤可以包括几个环节，重复地循环这几个步骤，最终会找到一个满意的结果。2.4、光学系统设计步骤46光学系统基本特性

数值孔径或相对孔径、线视场或角视场、系统放大率或焦距。

相关参数：光瞳大小和位置、共轭距等。系统外形尺寸

系统的外形尺寸，即系统的轴向尺寸和径向尺寸。成像质量要求

按其用途不同的光学系统具有不同的成像质量。望远系统和显微系统中心

视场成像质量要求较高，照相物镜要求整个视场都具有较好的成像质量。仪器使用要求

根据仪器的使用条件，光学系统应具有一定的稳定性、抗振性、耐热性和

耐寒性，保证仪器在特定的环境下能正常工作。

光学系统的使用要求应考虑技术和物理上实现的可能性。例如：生物显微

镜500NA<Г<1000NA，望远镜0.2D≤Г≤0.75D。光学仪器的用途和使用条件对其光学系统提出了特定要求，在光学设计之前一定要了解这一特定要求，大致有以下几个方面：2.5、光学系统设计要求47光学系统成像质量

点成像弥散斑尺寸，衍射效应或几何像差，弥散斑尺寸及能量分布，图像对比度衰减，系统整体质量。像质评价方法a瑞利判断：实际波面与理想波面之间的最大波像差小于

1/4波长，此波面可看作是无缺陷的。

b分辨率：当一个点的衍射图中心与另一个点衍射图的第一

暗环重合时，恰好能分辨。衍射理论的最小分辨角

Δθ=1.22λ/D2.6、光学系统设计评价48点列图

弥散斑对应于成像点或光线，集中30%以上的点或光线的圆形区域为实际有效的弥散斑。适合大像差光学系统。光学传递函数MTF

傅里叶光学认为光学系统是线性不变系统，传递频率不变。但受限光学仪器，并非所有的频谱都能传递。用光学传递函数表示光学系统在成像中的传递能力。与像差和衍射效果有关。2.6、光学系统设计评价49日常应用摄像机、照相机（光学防抖）光存储（如超大孔径读写物镜）光通信（如梯度折射率光学材料，微透镜阵列）光显示（大视场、大孔径物镜）科研与生产领域芯片技术（制造、检测）医疗设备（治疗、诊断）军事国防应用紫外、红外观测遥感、遥测、侦查2.7、光学系统应用领域503典型仪器光学系统设计51主要内容眼睛光学系统放大镜光学系统显微镜光学系统望远镜光学系统照相、摄影光学系统2.1、典型仪器光学系统设计52

绝大多数光学系统均为成像系统，按成像接收器可将其区分为：助视光学系统和直接成像系统。助视光学系统后面用眼睛观察，即眼睛作为系统的光能接收器，如放大镜、显微镜和各类望远系统等；直接成像系统是以感光底片、光电探测器、屏幕等作为光能接收器，如照相机、摄影系统、投影仪等。在现代光学仪器理论中，光学是最基本的，几何光学可近似描写光学仪器的主要性能，对于一般的应用这种近似描述已足够准确，因此光学仪器的基础理论主要是几何光学。2.2、经典仪器光学系统设计-绪论53眼睛及其光学系统眼睛的调节及校正眼睛的适应特性（辐射接收器）眼睛的分辨率、对准精度和景深双目立体视觉2.3、眼睛及其光学系统54成像光学系统设计思想源于眼睛拓展、提高眼睛功能替代眼睛功能望远镜系统显微镜系统照相/摄影系统2.3、眼睛及其光学系统55眼睛及其光学系统光轴与视轴：光轴是光学上的对称轴；视轴是眼球光学系统的节点与黄斑中心凹的连线。两者交角约为5°。眼睛光学系统中视轴最重要。眼睛的光学系统犹如照相机：其角膜与水晶体的组合相当于照相机的物镜（不同的是，它具有调节能力）；其虹膜和瞳孔相当于照相机的可变光阑；视网膜相当于照相机的感光底片；脉络膜相当于照相机的暗匣。成像时，来自物体的光线经过角膜和水晶体折射后，成像在视网膜上，使视觉细胞受到刺激，视网膜将光信号转变为人体电脉冲，并借助于视神经系统传至大脑的信息处理系统，产生视觉。视网膜上所成的像为倒像，但由于神经系统内部作用的结果，人的感觉仍为正立的。5°脉络膜2.3、眼睛及其光学系统56眼睛的调节及校正由物体发出的光线，经角膜和水晶体的折射而成像在视网膜上的过程，称为“眼屈光”。为看清任意距离的物体眼睛自动调焦的过程称为屈光状态的“调节”。按屈光情况可将眼睛分为两类：若远点在无限远处（即R=0）称为“正常眼”；若不合此条件（即R≠0），则称“屈光异常”或“非正常眼”。眼睛的这类缺陷常见有两种：球面屈光异常（近视和远视）与散光。近视眼远视眼散光眼2.3、眼睛及其光学系统57眼睛的适应特性（辐射接收器）眼睛之所以具有视觉，即能看见物体并区别其细节，是由于具有不同亮度及色度的物体在成像视网膜上所引起的光刺激不同所致。视网膜由视杆细胞（约1亿多）和视锥细胞（约7百万）构成。视杆细胞对光亮度的反应非常灵敏（10-3lx）,但它不能辨别颜色；视锥细胞在明视条件下可检测亮度和颜色信息，弱照明时，视觉主要由视杆细胞起作用。眼睛自动变化，以适应周围光亮度变化的这种能力和过程称为“适应”。“适应”有“亮适应”和“暗适应”。告诉你，眼睛能在最大亮度与最小亮度的比值高达1012这样大的亮度变化范围内工作！厉害吧！2.3、眼睛及其光学系统58眼睛的分辨率、对准精度和景深

眼睛观察空间物体时，物体对人眼构成一定的张角。定义眼睛刚好能分辨开物空间两点对眼睛物方节点张角的最小值为眼睛分辨率。其倒数定义为视角敏锐度。眼睛对线条的变形，如在某点发生曲折或错开时，则具有更高的敏锐度（可达10″）。敏锐度提高的原因是由于一直线的像刺激着同一列视神经细胞，另一直线的像又刺激着它旁边的另一列视神经细胞，因而眼睛能敏锐地感觉它们之间的位置差，也称为对准精度。当眼睛调焦在某一对准平面时，眼睛不必调节就能同时看清对准平面前后某一距离的物体，称为眼睛的景深。2.3、眼睛及其光学系统59双目立体视觉眼睛除了能感觉区分物体的大小、形状、亮暗及表面颜色外，还能估计区分物体的远近，即具有空间深度的感觉或叫立体视觉。立体视觉的形成必须建立在“合像”的基础上，这是与单眼视觉的重要区别。所谓“合像”是指双眼视觉具有将空间一个物体（点）在两眼视网膜上生成的两个像，在我们的视觉印象中汇合为一个像的能力。如图，

双眼之所以具有在大范围内估计物体距离、比较其远近的空间深度感觉，主要是由于它能根据物体对双眼构成的“视差角”大小，来灵敏地判断物体距离的远近。我们称双眼的这种视觉特性为“体视效应”或“立体感”。所谓“视差角”，系指物点对眼睛基线—连接两眼节点的连线的张角。2.3、眼睛及其光学系统60放大镜的工作原理放大镜的视觉放大率放大镜的光束限制2.4、放大镜61放大镜又称助视镜，当被观察物体的细节对眼睛的张角小于最小分辨角（1‘）时，眼睛便无法分辨其细节，只能借助于目视光学仪器将其放大后再去观察。由此引入视觉放大率。放大镜工作原理放大镜的工作原理2.4、放大镜62

视觉放大率定义：通过目视光学仪器观察物体时，其像对眼睛张角的正切与直接看物体时物体对眼睛张角的正切之比

视觉放大率是一种主观放大率（用人眼测量像的大小），不同于前面介绍的三种客观放大率。2.4、放大镜63一般有当时（物体放在放大镜的物方焦点上）当时（正常眼一般把像点调到明视距离处）当时（眼睛紧靠放大镜）2.4、放大镜64放大镜的光束限制放大镜与人眼组合成一个组合光学系统孔径光阑：人眼瞳孔，又是出瞳视场光阑：放大镜，又是出、入窗2.4、放大镜652.4、放大镜放大镜的光束限制图66渐晕y2y1y3yo提高放大镜放大率的可能性一般将确定为放大镜的视放大率。放大率取决于焦距，与焦距成反比。当单透镜的焦距不能减小时，放大率受到限制，于是，有了显微镜。2.4、放大镜67显微系统构成显微镜成像原理显微镜视放大率显微镜分辨力显微镜有效放大率显微镜应用2.5、显微系统68[1]显微系统的构成与原理照明系统＋成像系统成像系统=物镜＋目镜

2.5、显微系统69显微镜成像系统工作原理2.5、显微系统702.5、显微系统显微镜成像系统工作原理71人眼直接观察物体人眼观察显微镜的像显微镜的视觉放大率2.5、显微系统[2]显微镜的视放大率72显微镜为两次放大，放大率为两次放大的乘积显微镜实质上就是一个组合的放大镜

2.5、显微系统[2]显微镜的视放大率73显微镜的视放大率公式2.5、显微系统74752.5、显微系统[3]显微镜的线视场若目镜确定，显微镜的视觉放大率越大，物空间的线视场越小。线视场取决于放在目镜前焦平面上的视场光阑的大小，物体经物镜就成像在视场光阑内。设视场光阑为DO，则线视场762.5、显微系统[4]显微镜的出瞳直径普通物镜，物镜框是孔径光阑复杂物镜，最后镜组的镜框为孔径光阑测量显微镜，专门设置孔径光阑孔径光阑经目镜所成的像为出瞳一般显微镜的出瞳直径小于眼瞳直径772.5、显微系统[5]显微镜的分辨率和有效放大率分辨率，主要与数值孔径相关。有效放大率，在一定范围内的才细节清晰。约为782.5、显微系统[6]显微镜的景深人眼通过显微镜调焦在某一对准平面时，在对准平面前后某一距离的物体也能清晰成像，该距离范围称为显微镜的景深。数值孔径越大，放大倍率越高，景深越小。792.5、显微系统[7]显微镜的照明1透射光亮视场照明2反射光亮视场照明3透射光暗视场照明4反射光暗视场照明透明物体不透明物体物体亮，背景暗物体亮，背景暗物平面应位于物镜的物方焦距点到两倍焦距点之间，以实现物镜的一级放大。物平面应位于整个显微镜组合物方焦点以外，并十分靠近物方焦点处，以使得物体经显微镜成像于250mm以外至∞处。显微镜可以通过调换不同倍率的物镜和目镜，方便迅速地获得显微镜的多种放大率。

显微镜因为有中间实像，可以在中间实像处放置分划板，能实现对物体的瞄准和测量。2.5、显微系统对显微镜成像的几点分析80显微镜应用1）第一代显微镜---光学显微镜成像过程：光线→反光镜→遮光器→通光孔→标本（一定要透明）→物镜的透镜（第一次放大成倒立实像）→镜筒→目镜（再放大成虚像）→眼。物镜的作用：使被观察物体成一个倒立的放大的实像。像投影仪的镜头。目镜的作用：把物镜成的实像，再一次放大成虚像。像放大镜的镜头，把物体的像放大。2.5、显微系统81莱卡DMI6000B上海沪杏XPR系列反射偏光显微镜2.5、显微系统822)第二代显微镜----电子显微镜不使用光线而利用电子流来照射标本来观察的显微镜。由于电子用肉眼看不出，因此就使电子透过观察材料，而映在涂有萤光剂的板子上，这种方法称为穿透式电子显微镜。另一种方法是以电流在观察材料的表面移动，然后使观察材料所放出的二次电子流映在真空管上，以这种方式观察的称为扫描式电子显微镜。穿透式电子显微镜可放大80万倍，可以看出分子的形象；扫描式电子显微镜可用以观察立体的表面，放大倍率约20万倍。2.5、显微系统83电子照明系统成象系统观察记录系统真空系统供电及保护系统透射电镜的结构透射式电子显微镜2.5、显微系统84日立H-7650透射电子显微镜螺原体2.5、显微系统85扫描电子显微镜电子枪接受、转变成光子放大、转换成电压信号电子束电磁透镜样品表面扫描线圈次级电子信号探测器光电倍增管显象管/荧光屏样品表面上相应点所发出的次级电子数荧光点的亮度2.5、显微系统86电子枪灯丝电磁透镜探测器电磁透镜扫描线圈的束偏转器样品托样品显象管次级电子扫描电镜成像原理的简单图示蔡司EVOMA15型扫描电子显微镜TESCAN公司FERA3-等离子源聚焦离子束2.5、显微系统87扫描电镜照片演示人耳听毛细胞的扫描电镜照片人RBC的扫描电镜照片有被小泡的扫描电镜照片2.5、显微系统88细胞褶皱的扫描电镜照片分裂沟的扫描电镜照片扫描电镜照片演示89第三代显微镜——扫描探针显微镜（SPM）也可简称为纳米显微镜。1982年宾尼和罗雷尔发明了扫描隧道显微镜（STM），使人类实现了观察单个原子的原望；1985年宾尼发明了可适用于非导电样品的原子力显微镜（AFM），也具有原子分辨率，与扫描隧道显微镜一起构建了扫描探针显微镜（SPM）系列。1986年宾尼和罗雷尔被授予诺贝尔物理学奖金。从1830年到1982年150年内，人类眼睛的也从200nm“看”到了0.1nm，提高了2000倍。葛.宾尼海.罗雷尔2.5、显微系统90STM具有如下独特的优点：a具有原子级高分辨率，STM在平行于和垂直于样品表面方向上的分辨率分别可达0.1nm

和0.01nm，即可以分辨出单个原子。这是中国科学院化学所的科技人员利用纳米加工技术在石墨表面通过搬迁碳原子而绘制出的世界上最小的中国地图。2.5、显微系统91b可实时得到实空间中样品表面的三维图像，可用于具有周期性或不具备周期性的表面结构的研究，这种可实时观察的性能可用于表面扩散等动态过程的研究。

c可以观察单个原子层的局部表面结构，而不是对体相或整个表面的平均性质，因而可直接观察到表面缺陷。表面重构、表面吸附体的形态和位置，以及由吸附体引起的表面重构等．硅111面原子重构象

对硅片进行高温加热和退火处理，在加热和退火处理的过程中硅表面的原子进行重新组合，结构发生较大变化，这就是所谓的重构。2.5、显微系统92尖锐金属探针在样品表面扫描，利用针·尖-样品间纳米间隙的量子隧道效应引起隧道电流与间隙大小呈指数关系，获得原子级样品表面形貌特征图象。

扫描隧道显微镜的基本原理2.5、显微系统93扫描隧道显微镜的应用

扫描隧道显微镜已在材料、物理、化学、生命等科学领域得到了广泛的应用，特别是在金属、半导体和超导体等材料研究中取得了突破性进展。高序石墨样品的表面原子排列图

金膜表面的原子团簇图像扫描光栅样品2.5、显微系统94原子力显微镜（AFM）

扫描隧道显微镜工作时必须实时通过检测针尖和样品间隧道电流变化实现样品表面成像的，因此它只能用于观察导体或半导体材料的表面结构，不能实现对绝缘体表面形貌的观察。2.5、显微系统95它与扫描隧道显微镜主要不同点：是扫描隧道显微镜检测的是针尖和样品间的隧道电流，而原子力显微镜检测的是针尖和样品间的力。原子力显微镜的工作原理AFM的工作原理原子力显微镜是一种类似于扫描隧道显微镜的显微技术，它的仪器构成（机械结构和控制系统）在很大程度上与扫描隧道显微镜相同。如用三维压电扫描器，反馈控制器等。2.5、显微系统96原子力显微镜的应用高定向氮化硼的AFM原子图像原子力显微镜已成为表面科学研究的重要手段，在金属、无机、半导体、电子、高分子等材料中得到了广泛应用。沉积于云母片上的抗体分子的AFM成像氧化锌薄膜的AFM图(单位：nm)原子力显微镜对金的观测2.5、显微系统97望远系统的组成望远系统的放大率望远系统的分类及特点望远系统的分辨力望远系统的有效放大率望远系统的光束限制望远镜的辅助系统国内外典型望远镜介绍2.6、望远系统98改变目镜位置可以观察近距离物体★组成：物镜+目镜★特点：物镜的像方焦点重合于目镜的物方焦点。

无焦系统2.6、望远系统99望远镜系统基本类型反射物镜目镜2）开普勒望远镜3）反射型望远镜1）伽利略望远镜特点：目镜焦距为正光组有中间实像，成倒像；结构长特点：目镜焦距为负光组

无中间实像，成正立像；结构短特点：无色差，光路短，孔径大，有中心遮拦2.6、望远系统100人眼直接观察事物体对人眼的张角与物体对仪器的张角相等望远系统的视放大率等于仪器的角放大率视放大率还可以表示为

2.6、望远系统101理论极限分辨角

望远镜的分辨力取决于入瞳直径D（mm）2.6、望远系统102望远系统的光束限制孔径光阑：望远镜的物镜框就是孔径光阑，也是入瞳，出瞳位于目镜像方焦点外侧附近。视场光阑：物镜像方焦面上的分划板是视场光阑，直径为：或2.6、望远系统103望远镜中的辅助系统－转像系统

透镜转像一般有两种形式单组正透镜和双组正透镜棱镜转像2.6、望远系统104典型望远镜介绍-国内多通道太阳望远镜由五个不同功能的望远镜组成35cm太阳磁场望远镜：能获得光球(λ=5324Å)和色球(λ=4861Å)的矢量磁场及视线速度场。10cm全日面矢量磁场和视线速度场望远镜，附有带宽0.1A的万能双折射滤光器。14cm色球望远镜，有带宽32ű0.5Å的可调滤光器，能获得全日面和局部区色球Hα单色像及色球纵向磁场。8cmCaIIλ=3933Å全日面单色像望远镜，附有带宽2Å的daystar滤光片。60cm多通道太阳望远镜主镜。北京怀柔2.6、望远系统105

目前中国最大的天文光学望远镜云南天文台正在安装调试的2.4米光学望远镜（英国TTL公司制造）该望远镜主要技术参数:

口径：2400mm；

系统焦比：F/8

具有3个角秒的指向精度，及良好的跟踪精度。云南丽江2.6、望远系统106大面积天区多目标天体的光谱巡天望远镜（LAMOST）大型天文光谱望远镜

=LAMOST=LargeMulti-ObjectSpectroscopyTelescope特点

大视场与大口径兼顾有效口径=4米效能同时观测4000个20.5星等的星系的光谱完成时间200601河北兴隆2.6、望远系统107上海天文台25米射电望远镜

1986年建成，1987年投入使用

是国内最早建成的大型射电望远镜。该射电望远镜由一面直径25米的抛物面天线、五个工作波段（18cm，13cm，6cm，3.6cm和1.3cm)的接收系统、高精确度氢原子钟时频系统和两套国际先进水平的数据机理系统（MK4和VLBA）组成。上海佘山2.6、望远系统108109500米口径球面射电望远镜（Five-hundred-meterApertureSphericalradioTelescope），简称FAST，位于贵州省黔南布依族苗族自治州平塘县克度镇大窝凼的喀斯特洼坑中。

2.6、望远系统500米口径球面射电望远镜被誉为“中国天眼”，是由中国科学院国家天文台主导建设，具有我国自主知识产权、世界最大单口径、最灵敏的射电望远镜。综合性能是著名的射电望远镜阿雷西博的十倍。截至2018年9月12日，500米口径球面射电望远镜已发现59颗优质的脉冲星候选体，其中有44颗已被确认为新发现的脉冲星。典型望远镜介绍-国外1、美国于1992年，1996年建成的两个10米口径的凯克I和凯克II号望远镜，其联合干涉观测相当于一架口径14米望远镜的威力。

2、欧南天文台(ESO)建造的超大望远镜(VLT)，由4架口径8米的望远镜组成(=16m)；

3、美国、英国等六国联合建造的双子座望远镜由两个8m望远镜组成，于1998年完成一架，第二架于2000年完成。

4、日本的8.2m昴星团望远镜也已投入使用。2.6、望远系统110美国夏威夷州莫纳克亚天文台与美国的凯克（KeckⅠ）10米望远镜UT2:欧洲TheMoon魁阴

主要的终端设备为两架大型摄谱仪，预计在未来10年内，可获得50万个恒星的光谱。VLT每个重400吨，镜面重22吨。大型双子望远镜（北）

联合天文中心

美国夏威夷莫纳克亚1999年大型双子望远镜（南）

托洛洛山美洲天文台

智利色洛·帕瑞那

直径8米望远镜111著名的空间天文望远镜1）哈勃望远镜于1990年发射升空。22年来这部功勋卓著的望远镜重新改变了我们对宇宙的认识，向公众奉献了大批精彩绝伦的太空靓照。然而最近哈勃望远镜遭受了硬件失灵的故障，令其无法与地面实现通讯。但美宇航局正在制定一个复苏“大天文台”的计划，令“哈勃”望远镜至少服役到2013年.2.6、望远系统1122）.康普顿伽马射线太空望远镜于1991年经由“亚特兰蒂斯”号航天飞机发射升空，用以观测宇宙中的高能射线。康普顿携带的先进仪器向世人揭示了高能伽马射线爆发的分布情况，使科学家绘制出诸如上图这样的精彩地图，该图显示集中于银道面(galacticplane)沿线的伽马射线爆发。2000年，在陀螺仪发生故障后，康普顿被安全地脱离了轨道。2.6、望远系统1133）.钱德拉X射线太空望远镜钱德拉望远镜用以观测黑洞和以高能光形式存在的超新星等物体。它拍摄的具有340年历史的超新星残骸“仙后座A”向天文学家揭示了这种爆发的恒星可能是宇宙射线的重要来源。宇宙射线是不断轰击地球的高能粒子。2.6、望远系统114

1999年12月，多镜片X射线观测卫星(现称)发射升空，欧洲天文学家从此拥有了他们自己的X射线观测台。这颗卫星装备了三部X射线望远镜，因其奇异的飞行轨道而著称，这种飞行轨道可令其长时间、不间断观测深空。XMM-牛顿让欧洲天文学界获得了诸多突破，4）.XMM-牛顿2.6、望远系统如观测到迄今在遥远宇宙看到的最大星系团。这个庞大的星系团(上图右侧)证明了一种称为暗能量的神秘力量的存在。据说，暗能量加速了宇宙的膨胀速度。科学家表示，如此巨大的星系团可能是在宇宙初期形成的。1155）.威尔金森微波各向异性探测器

美宇航局在1992年发射了一艘航天器，对宇宙微波背景辐射的微小变化进行探测。威尔金森微波各向异性探测器发射于2001年，多年来一直在研究宇宙微波背景辐射更为细微的变化，令科学家对大爆炸后宇宙状况有初步了解。如上图所示，美宇航2.6、望远系统局在2003年公布了一幅根据威尔金森微波各向异性探测器数据绘制的早期宇宙地图。这些数据证实宇宙已拥有137亿年历史。116发射于2003年的斯皮策太空望远镜(右图)通过收集红外光，为天文学家们解决了这个难题。红外光是与某个热量有关的电磁辐射的无形模式，这种热量是气云所不能阻挡的。通过斯皮策太空望远镜携带的摄像机，天文学家对星系、新形成的行星系及形成恒星的区域(如左侧的W5区域)进行了前所未有的勘测。6）.斯皮策太空望远镜

2.6、望远系统117黑洞被称为太空中的旋涡，将一切东西吸引在其周围。但是，当黑洞吞噬恒星时，它们还会以近乎光速的速度向外喷涌释放伽马射线的气体。为何会发生这种情况？2008年7月发射的费米伽马射线太空望远镜可能会揭开这个谜底，这部望远镜的目标是研究高能辐射物，另外还有可能揭开暗物质的神秘面纱，有助于进一步了解宇宙中最极端环境中我们闻所未闻的物质。暗物质是伽马射线爆发的来源。2.6、望远系统7）.费米伽马射线太空望远镜1188）.詹姆斯·韦伯太空望远镜

定于2013年发射，将利用其7倍于哈勃太空望远镜的聚光能力对太空展开探索。詹姆斯·韦伯望远镜的核心部分是18面六边形镜子，它们将统一行动，用以聚焦遥远、年轻宇宙中的物体。最新研究发现可能会提供从恒星、星系、行星形成到太阳系演变等一切事情的线索。2.6、望远系统119照相系统摄影物镜常用接收器分辨力调焦新型照相摄影系统2.7、照相和投影系统120摄影（照相）系统

包括光学照相机、电视摄像机、CCD摄像机和数码照相机等。投影系统幻灯机、书写投影仪、液晶投影仪、放映机等。2.7、照相和投影系统121组成由摄影物镜和感光器件组成感光器件

感光胶片、CCD/CMOS、电子光学变像管、电视摄像管物镜主要参数：

焦距：f；视场：；相对孔径：或光圈数：1）照相系统2.7、照相和投影系统1222）摄影物镜焦距焦距决定成像的大小比例拍摄远处物体拍摄近处物体

航摄镜头的焦距可达数百毫米甚至数米2.7、照相和投影系统123相对孔径相对孔径决定像面照度中心边缘光圈分值的方法：每增大一挡光圈值，对应的像平面照度依次减半。光圈值按公比的等比级数变化

F1.422.845.681116222.7、照相和投影系统2）摄影物镜124视场视场决定摄影系统成像的范围，视场的大小由物镜的焦距和接收器的尺寸决定。长焦距和短焦距物镜分别称作远摄物镜和广角物镜。普通照相机标准镜头的焦距介于两者之间

2.7、照相和投影系统2）摄影物镜1253）常用接收器规格

名称长×宽（mm）

名称长×宽（mm）135胶片36×241〞CCD12.8×9.6120胶片60×602/3〞CCD8.8×6.616mm电影胶片

10.4×7.51/2〞CCD6.4×4.835mm电影胶片

22×161/3〞CCD4.4×3.3航摄胶片180×1801/4〞CCD3.2×2.4230×2302.7、照相和投影系统126同一视场采用不同的接收器，要求的物镜焦距也不相同。胶片的尺寸大，要求物镜的焦距也大。CCD接收器小，镜头焦距也小。使用

6-15mm镜头和一定大小CCD的数码相机与使用

28-72mm镜头的传统胶卷相机的视场范围可以是完全一样的。使问题更复杂化的是，数码相机中使用的CCD大小并非完全一样。一般人使用

135mm胶卷的相机时，很容易根据视场要求选择镜头的类型。为使数码相机的此参数也容易识别，许多制造商都将CCD镜头的焦距用等价135mm胶片的焦距来标称，称作「等