应用光学简明教程 课件【ch13】显微和望远光学系统

应用光学简明教程光电&仪器类专业教材显微和望远光学系统第十三章放大镜01一、放大镜放大镜的放大作用须以它和眼睛整合的放大效果来描述。放大镜放大率是用所看到的像对眼睛所张角度的正切比物体直接对眼睛所张角度的正切。该比值称为视觉放大率，以Γ表示。视觉放大率为若把放大虚像调焦到无限远，即l'=∞，则上式变为放大镜的放大率01一、放大镜放大镜的光束限制和视场02一、放大镜放大镜的光束限制和视场02显微镜系统及其特性02二、显微镜系统及其特性目镜等同于放大镜，对物镜成像再次放大，如图13.4所示。目镜视觉放大，率如式给出，即显微镜的总放大率为上式表明，显微镜的视觉放大率与光学筒长△成正比，与物镜及目镜的焦距成反比。显微镜的成像原理01二、显微镜系统及其特性显微镜物镜支撑面到目镜支撑面之间的距离tm，称为机械筒长，如图13.5所示。机械筒长通常是标准化的，国际上有160mm、170mm和190mm三种标准。我国的标准为160mm。显微镜的机械筒长02二、显微镜系统及其特性显微镜光学系统的光学简长△与目镜和物镜的结构有关。为了在调换物镜和目镜时，避开重新调焦的操作便可清晰地看到物体的像，光学筒长应该满足一个齐焦条件。齐焦条件如下：(1)各组物镜的共轭距T是标准的，国标上对生物显微镜共轭距规定的标准值为195mm。(2)目镜的标准安装面与物镜的像面有固定的位置关系，国标上规定该距离to为10mm。(3)齐焦条件：目镜调换时不再重新调焦，目镜的镜简结构应保证其物方焦点与物镜的像面重合。显微镜的机械筒长02二、显微镜系统及其特性通常，显微镜的视场光阑设置在物镜的像平面上。由于显微镜的视场很小，而且要求像面上有均匀的照度，故不设专门的渐晕光阑。显微镜，特别是高倍显微镜，为了提高对目标细节的分辨能力，必须以很大的孔径成像，所以显微镜头轴上点像差达到完善的校正。通常，显微镜线视场不超过物镜焦距的1/20，10倍显微镜物镜的焦距f'=16mm，可取最大视场2y=0.8mm；40倍显微镜物镜的焦距f'=4mm，取视场2y=0.2mm。显微镜的视场光阑和视场03二、显微镜系统及其特性显微镜的景深04显微镜的分辨率和有效放大率03三、显微镜的分辨率和有效放大率由于衍射，“点”源通过光学系统，在高斯像面上形成衍射斑，中心亮斑称为艾里圆。光强分布为式中，J1(x)是一阶一类贝塞尔函数。点源通过透镜的衍射01三、显微镜的分辨率和有效放大率基于衍射理论，瑞利(Rayleigh)对光学系统的分辨率做了如下的阐述：两个相邻的“点”光源所成的像是两个衍射斑，若两个等光强的非相千点像之间的间隔等于艾里圆的半径，即一个像斑的中心恰好落在另一个像斑的第一暗环处，则这两个点就是可分辨的点，如图13.9所示。当两个点可分辨时，两个弥散斑的叠加光强分布曲线的极大值和极小值之间的差异为1：0.736，且两点中间的最小光强等于艾里圆x=1.916处光强的两倍。光学仪器的分辨率02三、显微镜的分辨率和有效放大率光学仪器的分辨率02三、显微镜的分辨率和有效放大率显微镜的分辨率03分辨率公式：在斜射光照明时，分辨率的公式是由上述公式可见，显微镜的分辨率决定于数值孔径NA，数值孔径越大，分辨率越高。三、显微镜的分辨率和有效放大率显微镜的有效放大率04显微镜的物方两点中间带的光强超过一定值时，两点才可分辨。按瑞利准则给出的比值是1：0.736，实际上人眼在对比度的分辨比上述比值更敏锐。但是，“分辨”只是物理概念，可分辨的两点未必是能看清楚。只有使这两点对人眼的张角大于人眼的极限分辨角，才能看清楚。为此，显微镜要有一定的放大率，放大两点间的距离，再被眼睛区分。便于眼睛分辨的角距离为2'~4'，该角距离在眼睛的明视距离250mm处所能分辨的距离σ'应为三、显微镜的分辨率和有效放大率显微镜的有效放大率04显微镜物镜04四、显微镜物镜显微镜物镜主要的光学性能可用数值孔径NA、线视场2y、焦距f、工作距l和放大率β表示，这些参数之间既有关联也有约束。物镜的放大率β受有效放大率的约束，过大的放大率可能造成视场大小与结构的矛盾。显微镜物镜的视场光阑一般设置在成像面上，大小用2y'表示。显微镜物镜的物方视场为显微镜物镜的一些主要参数，均刻在镜简上，如图13.10所示。显微镜物镜的光学特性01四、显微镜物镜显微镜物镜的基本类型02消色差物镜是应用最广，数值孔径能达到很大，像差校正以色差、球差和正弦差为主。由于高倍率显微镜物镜数值孔径很大，产生高级球差很严重。平衡高级球差的手段限于物镜结构复杂化及玻璃材料选择。(1)低倍物镜图(2)中倍物镜(3)高倍物镜(4)浸液物镜1.消色差物镜四、显微镜物镜显微镜物镜的基本类型02复消色差物镜主要用于专业显微镜，如金相显微镜。它除了校正轴上点的三种像差外，还要校正二级光谱，称为复消色差物镜。倍率色差用目镜的值予以补偿。为了校正二级光谱，可选用特种玻璃和萤石作为某些单片透镜材料。这种物镜结构较为复杂，如图13.12所示。图中有阴影线的透镜用萤石制造，高倍复消色差物镜放大率为90*，数值孔径为1.3。2.复消色差物镜四、显微镜物镜显微镜物镜的基本类型02平视场物镜主要用于显微照相和显微投影，要求校正像面弯曲。平视场消色差物镜的倍率色差不大，不必用特殊目镜补偿；而平视场复消色差物镜则必须用目镜补偿它的倍率色差。场曲的校正往往依靠若千个弯月形厚透镜来实现。图13.13给出一个放大率为40*、数值孔径为0.85的平视场复消色差物镜的结构。图13.13中有阴影线的透镜是用萤石制造的。3.平视场物镜四、显微镜物镜显微镜物镜的基本类型02反射式物镜如图13.14所示。它既能校正球差和正弦差，又不产生色差，常用作紫外显微镜物镜。这种物镜的数值孔径可达到0.5。折反射式显微镜物镜与反射式显微镜物镜相比，数值孔径有所增大。在反射物镜的前面加一个半球形镜片，如图13.15所示。4.反射式和折反射式物镜显微镜的照明系统05五、显微镜的照明系统1.透明物体的照明对于透明标本可以用透射光照明。透射照明的方式有两种：(1)临界照明(2)柯拉照明柯拉照明中的前组聚光镜称为柯拉镜，它得到了光源的均匀照明，经过聚光镜后组成像在标本上。标本得到均匀照明，这是柯拉照明的重要特点。照明方法01五、显微镜的照明系统2.不透明物体的照明对不透明物体于采用从侧面或者从上方照明。此时，标本是靠散射光或反射光成像。侧面照明是把光源放在标本的斜.上方，有的显微镜用物镜四周小灯泡形成斜照明，上方照明方式使物镜兼做聚光镜，如图13.18所示。光源1发出的光经光阑2投射到半反半透镜3上，反射光线由物镜4射向物面5，然后由物面5漫反射的光线再经过物镜4成像在像面6上。照明方法01五、显微镜的照明系统(1)单向暗视场照明(2)双向暗视场照明双向暗视场照明图13.19为单向暗视场照明示意图。

光学结构如图13.20所示。暗视场照明方法02五、显微镜的照明系统(1)色差设计时，取得最小值色差，故聚光镜选料很重要。聚光镜材料宜选用低色散光学玻璃(如K9玻璃)。对于柯拉照明，要求聚光镜把其光阑成像在物面上，避免色差影响采用消色差聚光镜方案。(2)球差球差存在将影响聚光镜对光线的聚集能力，降低照明的效果。球差的校正公差通常以点源最小弥散斑相对光源的比值K表示：聚光镜03五、显微镜的照明系统(3)聚光镜常用的结构形式①二片式如图13.22(a)所示，可承担的数值孔径为0.8，浸液时其值为1.2。②三片式如图13.22(b)所示，可承担的数值孔径为0.9，浸液时其值可达1.4。③五片式如图13.22(c)所示，系统中有两个胶合组和一个半球透镜，所以可以满足消球差、色差和正弦差校正的要求，可承担的数值孔径为0.9。④六片式如图13.22(d)所示，用于高倍显微镜，浸液时数值孔径可达1.4。聚光镜03望远系统06六、望远系统望远镜的放大效果是视角的放大，可用视觉放大率描述这一感觉。视觉放大率定义为物体在望远镜中成的像对眼睛的张角与物体本身对眼睛张角的比值。望远镜的视觉放大率：望远镜的视觉放大率又可以表示为望远镜的视觉放大率01六、望远系统望远镜的分辨率及工作放大率02这个放大率称为正常放大率。六、望远系统主观亮度031.望远镜观察点源时的主观亮度六、望远系统主观亮度032.望远镜观察面源时的主观亮度六、望远系统望远镜的出瞳距和调焦041.外调焦式望远镜外调焦式望远镜以调整目镜相对物镜位置的方式实现调焦。这种调焦方式的优点是镜筒长度发生了变化，但其结构较简单，像质也易保证；其缺点是外形尺寸大，密封性较差。2.内调焦式望远镜内调焦式望远镜以调整物镜内部结构的方式，达到调焦并保证目标的成像清晰度。内调焦系统结构紧凑，密封性好，镜筒的长度不变。但是，它的结构和工艺复杂。望远物镜07七、望远物镜(1)双胶合物镜双胶合望远物镜的特点是结构简单，制造和装配方便，光能损失较小。(2)双分离物镜双分离物镜比双胶合物镜所适应的孔径略大。但是，这种物镜的装配和校正较麻烦，有较大的色球差。(3)三片型物镜这种结构形式校正像差的参数增多了，这种物镜装配和校正工艺较复杂，成本提高。(4)摄远物镜高倍率的望远物镜焦距较长，尺寸和质量均大。折射式望远物镜01七、望远物镜(1)卡塞格林系统卡塞格林系统由一一个抛物面主反射镜和一个双曲面副反射镜构成，如图13.32所示。抛物面的焦点和双曲面的虚焦点F1’重合，F1'与双曲面的实焦点F'是一对共轭点，星点经两个面反射后成像在点F’。这种结构的特点是结构紧凑，成倒像。主反射镜和副反射镜的场曲可以互相补偿，有利于大视场观测。反射式望远物镜02七、望远物镜(2)格里高里系统格里高里系统由一个抛物面主反射镜和一个椭球面副反射镜构成，如图13.33所示。抛物面的焦点F1'和椭球面的一个焦点F2重合，平行光聚焦在引上，然后经过椭球面成像在另一个焦点F1'上。此系统成正立像。反射式望远物镜02七、望远物镜(1)施密特物镜施密特物镜是由一个球面反射镜和一块像差校正板构成的，如图13.34所示。折反射式望远物镜03七、望远物镜(2)马克苏托夫物镜马克苏托夫物镜使用弯月形厚透镜校正主反射镜的像差，称为马克苏托夫校正板，如图13.35所示。根据像差理论，弯月形透镜半径r1，r2和厚度d满足关系式时，不产生色差，只产生单色像差，设计中使其值与主反射镜的单色像差平衡。折反射式望远物镜03目镜08八、目镜目镜是望远镜和显微镜的重要组成部分，它把物镜已经分辨的像再次放大，满足目标对人眼视角识别的需要。一般，目镜成的像或在无穷远，或在眼睛的明视距离上。目镜的光学特性由它的焦距f、视场角2ω'、出瞳直径D’