仪器光学系统设计及成像系统.ppt

1,仪器光学系统设计,2,课程基本内容,第一章 几何光学基本原理,3,第一章 几何光学基本原理,4,参考书籍,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）,5,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,6,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,7,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,8,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,9,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,10,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,11,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,12,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,13,一、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,14,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。,15,二、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,16,AO: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,17,全反射现象,现象,水,空气,A,I1,R1,I2,O1,O2,O3,O4,I0,18,发生全反射的条件,必要条件：n1n2 由光密介质进入光疏介质,充分条件：I1I0 入射角大于全反射角,1870年，英国科学家丁达尔全反射实验,19,全反射的应用,用棱镜代替反射镜：减少光能损失,20,4、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,21,光路可逆,光路可逆,A,B,1、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）,22,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？,23,5、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,24,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,25,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,26,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,27,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,28,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,29,透镜作用成像,A,A,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”。,30,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。,A,O,P,Q,P,Q,O,A,P,Q,成实像,31,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。,A,A,成虚像,32,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,33,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,34,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,35,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,36,如果一个物点对应唯一的像点 则平面成像为平面,37,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,38,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,B,A,A,B,39,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,40,5.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。,41,42,参考书籍,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-Paul R.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）,43,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,44,2.2、仪器光学理论-课程内容,45,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。,46,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,47,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500NA1000NA，望远镜0.2D0.75D。,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,48,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=1.22/D,2.6、光学系统设计评价,49,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,50,2.7、光学系统应用领域,51,52,2.1、典型仪器光学系统设计,53,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,54,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,55,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,56,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。,2.3、眼睛及其光学系统,57,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R0），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,58,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,59,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,60,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,61,2.4、放大镜,62,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,63,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,64,一般有,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,65,放大镜的光束限制,2.4、放大镜,66,2.4、放大镜,放大镜的光束限制图,渐晕,y2,y1,y3,yo,67,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,68,2.5、显微系统,69,1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,70,显微镜成像系统工作原理,2.5、显微系统,71,2.5、显微系统,显微镜成像系统工作原理,72,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,73,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,74,显微镜的视放大率公式,2.5、显微系统,75,2.5、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,76,2.5、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,77,2.5、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,78,2.5、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。,79,2.5、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,80,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,81,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,82,莱卡DMI6000 B,上海沪杏XPR系列反射偏光显微镜,2.5、显微系统,83,2)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,84,透射电镜的结构,透射式电子显微镜,2.5、显微系统,85,日立H-7650透射电子显微镜,螺原体,2.5、显微系统,86,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,2.5、显微系统,87,扫描电镜成像原理的简单图示,蔡司EVO MA15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,88,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,89,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,90,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,91,STM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 0.01 nm，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,92,b 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,93,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,94,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,95,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,96,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,97,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,98,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,99,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,100,望远镜系统基本类型,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,101,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,102,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,103,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,104,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,105,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(=5324)和色球(=4861)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320.5的可调滤光器，能获得全日面和局部区色球H单色像及色球纵向磁场。8cm CaII=3933全日面单色像望远镜，附有带宽2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,106,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,107,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=Large Multi-Object Spectroscopy Telescope 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,108,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,109,500米口径球面射电望远镜（Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope），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。,110,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8 m 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,美国夏威夷州莫纳克亚天文台与美国的凯克（Keck）10米望远镜,UT2:欧洲The Moon 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,112,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,113,2）.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(galactic plane)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,114,3）.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,115,1999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。,116,5）.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。,117,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,118,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,119,8）.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,120,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,121,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,122,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,123,2）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,124,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,2.7、照相和投影系统,2）摄影物镜,125,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,126,3）常用接收器规格,2.7、照相和投影系统,127,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，称作等价135mm典型的值。,2.7、照相和投影系统,128,4）分辨率,摄影系统的分辨率是以像平面上每毫米内能分辨开的线对数来表示，其大小取决于物镜的分辨率和接收器的分辨率。摄影胶片的分辨力很容易达到200lp/mm，CCD的分辨力取决于像素的大小，目前CCD的像素尺寸为614微米，对应的线对数为8535lp/mm。,2.7、照相和投影系统,129,5）摄影物镜的调焦,对不同距离的物体成像时，要保证像面位置不变，需要改变物镜位置，这一过程称为调焦外调焦 整组调焦 前组调焦内调焦,2.7、照相和投影系统,130,普通相机与数码相机镜头的等价焦距,2.7、照相和投影系统,131,6）新型照相摄影系统,光谱相机（光谱成像技术）,与地面光谱辐射计相比，成像光谱仪不是在“点”上的光谱测量，而是在连续空间上进行的光谱测量，因此它是光谱成像的，与传统多光谱遥感相比，其波段不是离散的而是连续的，因此从它的每个像元均能提取一,2.7、照相和投影系统,条光滑而完整的光谱曲线，如图所示。成像光谱仪解决了传统科学领域“成像无光谱”和“光谱不成像”的历史问题。,132,80年代，研制和发展了新型模块化航空成像光谱仪（MAIS）。这一成像光谱系统在可见近红外短波红外热红外多光谱扫描仪集成使用，从而使其总波段达到7072个。高光谱仪器的研制成功，为中国遥感科学家提供了新的技术手段。通过在我国西部干旱环境下的地质找矿试验，证明这一技术对各种矿物的识别以及矿化蚀变带的制图十分有利，成为地质研究和填图的有效工具。此后，中国又自行研制了更为先进的推帚式成像光谱仪（PHI）和实用型模块化成像光谱仪（OMIS）等。新的成像光谱系统不仅继续在地质和固体地球领域研究中发挥作用，而且在生物地球化学效应研究、农作物和植被的精细分类、城市地物甚至建筑材料的分类和识别方面都有很好的结果。,国内光谱相机发展情况,2.7、照相和投影系统,133,嫦娥一号的高光谱干涉成像光谱仪,2.7、照相和投影系统,134,国外光谱相机发展情况,在经过航空试验和成功运行应用之后，90年代末期终于迎来了高光谱遥感的航天发展。1999年美国地球观测计划（EOS）的Terra综合平台上的中分辨率成像光谱仪（MODIS），欧洲环境卫星（ENVISAT）上的MERIS，以及欧洲的CHRIS卫星相继升空，宣告了航天高光谱时代的来临。,2.7、照相和投影系统,135,美国EO-1高光谱成像卫星,欧洲Envisat高光谱成像卫星,2.7、照相和投影系统,136,光场相机,光场相机是一种新型数码相机。它以射线代替像素，捕捉光场而非光线，拍摄完毕后拍摄者可在电脑上对相片里任何一个地方对焦。,传统相机：先聚焦后成像光场相机：先成像后聚焦,2.7、照相和投影系统,137,神奇之处：这个系统可以捕捉有关场景光线方向的信息，因此它可以“聚焦”照片中的任何深度，哪怕在拍照后数年。一瞬间你就可以获得理想的照片，相机可以去掉笨重、耗电和昂贵的聚焦系统，你可以更快地完成拍照，即便非专业摄影师也不必担心对焦问题。镜头