5章典型光学系统ppt课件.ppt
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1、2022/12/27,1,5-1 放大镜和显微镜的工作原理,物体对眼睛的视角,不仅取决于物体的大小,还取决于该物体到眼睛的距离,距离越近视角越大,在近处观察细小物体其视角小于人眼极限分辨角,就需要借助放大镜或显微镜将其放大,使像的视角大于人眼的极限分辨角 扩大视角是目视光学仪器的第一个要求,一、放大镜的工作原理,在利用仪器观察时,目标通过仪器后应成像在无限远处,即要求仪器出射平行光束 对目视光学仪器的第二个要求,人眼在观察物体时完全放松的自然状态,即无限远目标成像到视网膜上。,2022/12/27,2,因为眼睛通过放大镜或显微镜等目视光学仪器来观察物体时,所看到的是在眼睛视网膜上的物体像的大小
2、。,放大镜的放大率为:,通过放大镜观察物体时,物体像的视角正切与人眼直接观察该物体时的视角正切之比。,这种放大率称为视角放大率。用字母 表示,放大镜的放大率,与眼睛一起使用的目视光学仪器,其放大作用不能由横向放大率来表征。,2022/12/27,3,物体经放大镜成像的简图,虚像AB 对眼睛所张的视角的正切为,眼睛直接去观察物体时,是将其放在明视距离250mm处。此时物体对人眼张角的正切为,2022/12/27,4,放大镜的放大率可由下式求得,将横向放大率 代入上式得,2022/12/27,5,由此可见,放大镜的放大率,除了和其焦距有关之外,还和眼睛离开放大镜的距离有关,在实际使用过程中,眼瞳大
3、致位于放大镜的像方焦点的附近,放大镜的放大率仅由放大镜的焦距f 所决定,焦距越大则放大率越小。,上式分母中的a相对于x而言,是一个很小的值,可以略去。,放大镜放大率的公式,通常采用以下形式,2022/12/27,6,二、 显微镜的工作原理,对于工作在可见光波长范围的光学显微镜,按用途区分,使用量较大的有三种:,工具显微镜(主要应用于精密机构制造工业等方面进行精密测量);,生物显微镜(主要应用于生物学、医学、农学等方面);,金相显微镜(主要应用于冶金和机械制造工业,观察研究金相组织结构)。,显微镜是人眼的辅助工具,显微镜的光学系统由物镜和目镜两个部分组成。,2022/12/27,7,显微镜系统成
4、像原理,显微镜和放大镜起着同样的作用,物镜,目镜,F1,F1,F2,B,A,A,B,A”,B”,2022/12/27,8,AB 位于目镜的物方焦点 F2 上或在很靠近 F2 的位置上,此像 再经目镜放大为虚像A”B” 后供眼睛观察。这说明目镜与放大镜的作用一样。,2022/12/27,9,经过物镜和目镜的两次放大,所以显微镜系统总的放大率应该是物镜横向放大率和目镜放大率e的乘积。,物体被物镜成的像A B 位于目镜的物方焦点上或附近,此像相对于物镜像方焦点的距离为(物镜和目镜的光学间隔),在显微镜系统中称为光学筒长,设物镜的焦距为f1, 则物镜的放大率为,2022/12/27,10,物镜的像被目
5、镜放大,其放大率为,式中: f2 为目镜的焦距。由此,显微镜系统的总放大率为,可见显微镜系统的放大率与光学筒长成正比,和物镜及目镜的焦距成反比。,式中有负号,即当显微镜系统具有正物镜和正目镜时(常用这种结构),则整个显微镜系统给出倒像。,2022/12/27,11,根据组合光组的焦距公式可知,整个显微镜的总焦距f 和物镜及目镜焦距之间符合以下关系:,将其代入上式中,则有,它与放大镜公式具有完全相同的形式。显微镜系统实质上就是一个复杂化了的放大镜,2022/12/27,12,在显微镜系统中存在着中间像,故可以在物镜的实像平面上放置分划板,对被观察物体进行测量,并且在该处还可以设置视场光阑以消除渐
6、晕现象。,精密测量用的显微系统与一般观察显微镜有一定的区别。,为后面讨论的内容叙述方便,有必要对测量显微系统有一个初步的概念。,2022/12/27,13,19JA型万能工具显微镜的光学系统图。,照明光源,集光镜,滤色片,可变光阑,平面反射镜,聚光镜,保护玻璃,工作台,物镜,工件,光阑(孔径光阑),斯密特棱镜,保护玻璃,分划板,目镜,测角分划板,测角光源,滤色片,读数显微镜,可变光阑位于聚光镜的物方焦平面上,孔径光阑位于物镜的像方焦平面上(形成了什么光组?),物镜有四种放大倍率:1x、1.5 x、3 x和5 x;目镜的放大率为10 x,2022/12/27,14,显微镜物镜物平面到像平面的距离
7、称为共轭距,在显微镜中,取下显微物镜和目镜后,所剩下的镜筒长度即物镜支撑面到目镜支撑面之间的距离称为机械筒长,用tm表示。,对于一台显微镜来说,机械筒长是固定的机械筒长各国标准是不同的,有160mm,170mm和190mm 等。 我国规定机械筒长为160mm。,物平面到光学系统第一个物镜的球面顶点的距离称为“工作距”,2022/12/27,15,显微镜光学筒长的选择应该满足齐焦要求,即使显微镜物镜在变换过程中显微镜物镜的像面不变,这样当变换物镜时不需要重新调焦,就可以看到物体的像。,2022/12/27,16,为此,在显微镜设计时要注意满足以下要求:,(1)物镜变换时,物镜物平面与像平面位置不
8、变,即共轭距T不变,规定T=195mm,物镜像平面在镜筒上表面以下10mm ;,(2)目镜的物方焦点 在目镜支承面以下10mm处,对所有不同放大倍率的目镜都要满足这项要求,使目镜的物方焦点 与像点A重合;,满足上述要求设计的显微镜,有很强的互换性,变换目镜和物镜以后就能看到像,稍加微调就可以看到清晰的像。,2022/12/27,17,四.显微镜与放大镜比较 显微镜有很高的放大倍率,可以通过变换物镜和目镜改变放大倍率,而且人眼与物体间的距离很大易于操作,观察,显微镜工作台下可以安置照明系统,显微镜物镜所成的中间实像处可以安置分划板进行测量,观察用。 放大镜廉价,使用方便,低倍率时使用普遍。,20
9、22/12/27,18,当相邻两点的间隔,正好使一个衍射图样中的爱里斑中心和另一个图样的第一暗环重合时,两个衍射图样的光强分布曲线相加而得到的合成光强分布曲线,两个极大值之间存在的一个极小值,能量约为极大值的80%。,1,0.8,r暗1,瑞利指出:这种合成的衍射图样还是可以看出是由两个发光点构成的。,5-2 显微系统的分辨率,2022/12/27,19,1,0.8,r暗1,从图中可看出,两个爱里斑的中心距正好是爱里斑的半径。,瑞利就以爱里斑半径或衍射图样的第一暗环半径(r暗1)作为 光学系统能对无限远两点的像分辨得开的最小距离称之为瑞利判据;,按此判据,即可确定光学系统的分辨本领。,2022/
10、12/27,20,按照夫琅和费衍射理论,无限远的发光点在望远系统焦平面上所形成的衍射图样,其第一暗环的半径(即爱里斑半径)可表示为,式中,波长,D入射光瞳直径。,2022/12/27,21,显微系统的分辨率是以刚能分辨的两物点之间的距离来表示的,称为最小分辨距。,孔径光阑(出瞳),P1,P2,z,-Umax,1,Umax,A,-,上述公式是从无穷远物点的衍射而得的。,原则上显微系统并不满足这一条件。,注意到物镜的像距要比它的出瞳直径大得多。,2022/12/27,22,像方光束接近于平行光束,公式,还是可以应用于显微物镜的。,D P1P2,以1表示像面上能分辨的两点对出瞳中心的张角,可得,相应
11、地,2022/12/27,23,因Umax角一般很小,所以,由于显微物镜满足正弦条件,即有,式中,n像方介质的折射率,总是空气,n=1,而是在物空间与共轭的线量,2022/12/27,24,式中, 即为前面所提的显微物镜的数值孔径(NA),它就是显微物镜的最小分辨距即分辨率,故有,表明:显微镜的分辨本领取决于所用的光波波长和物镜的数值孔径。,上式的得出是假设物点本身发光,并且两个发光点是独立的(即非相干光源)。这种情况与实际情况不相符。,若考虑部分相干情况,被照明物点所产生的衍射图样,在满足瑞利判据时,上式中的系数一般要加以修正。,2022/12/27,25,这种修正是以道威(Dawas)判断
12、为依据的。,道威判断:两个相邻像点之间的两衍射斑中心距为0.85爱里斑半径时,则能被光学系统分辨。,为充分利用物镜的分辨率,使已被显微镜物镜分辨出来的细节能同时被眼睛所看清,显微镜必须有恰当的放大率,便于眼睛分辨的角距离为2 4。,2022/12/27,26,设所使用光线的波长为550nm,上式成为,取2为分辨角的下限, 4为上限,则在明视距离250mm处能分辨开两点之间的距离为,是显微镜像空间被人眼所能分辨的线距离,换算到显微镜的物方,相当于显微镜的分辨率乘以视觉放大率,得到,满足上式的放大率称为显微镜的有效放大率,2022/12/27,27,一、显微系统的线视场,其视场的大小用能看到的物方
13、直径表示被称为物方线视场(简称为线视场),线视场的大小与显微系统放大率、数值孔径NA以及结构尺寸有关,线视场是显微系统光学性能之一,物方线视场实际上就是系统的入窗。,显微系统是用来观察、分辨物体的细节(生物显微镜)或瞄准(工具显微镜)的,5-3 显微系统的光学性能,2022/12/27,28,要求视场内的照度适宜、均匀、成像清晰、没有渐晕、杂散光的干扰小,视场光阑应安放在物镜像平面处。,不同的显微系统其孔径光阑的位置也不同,生物显微镜的孔径光阑就是物镜框,工具显微镜孔径光阑放在物镜像方焦平面上,构成物方远心光路,2022/12/27,29,使用显微系统过程中,要求能方便更换物镜和目镜,同时,也
14、要求一次调焦清晰后,在更换不同倍率的物镜或目镜时,不需要二次调焦,即视场中心物象位置关系不发生变动,更换物镜并能保持成像清晰是采用不同倍率物镜的物像共轭加上主面之间的距离相等的方法来实现的,被称为齐焦,更换物镜的倍率(1X、1.5X、3X、5X),物方线视场的大小也随之改变(21mm、14mm、7mm、4.2mm),2022/12/27,30,二、显微镜的景深,当显微镜调焦至某一物平面(称为对准平面)时,如果位于其前后的物平面仍能被观察者看清楚,则该两平面之间的距离称为显微镜的景深。,A1,B1,A,B,出瞳,F,Z,-dx,-x,2a,AB是对准平面的像(称之为景象平面),A1B1是位于对准
15、平面之前的物平面的像。,2022/12/27,31,A1点的成像光束在景象平面上截出直径为z的弥散斑,从图中可得,dx与x相比很小,得,2022/12/27,32,z看起来是一个点像,它对出瞳中心的张角必须不大于眼睛的极限分辨角。,2dx可认为是在像方能同时看清楚的景像平面前后两个平面之间的深度即,将2dx换算到物空间去,即可得到显微镜景深的表达式。这只要将2dx除以轴向放大率即可。,2022/12/27,33,根据有关公式有,由此可得,或,由上式可见,显微镜的放大率越高、数值孔径越大,景深越小。,2022/12/27,34,三、显微镜的照明系统,(一)照明系统的设计原则,照明系统要满足以下要
16、求:,1)保证有足够的光能;,2)有足够的照明范围和均匀的亮度;,3)照明光束应充满物镜的入瞳;,4)尽可能减少杂光进入物镜,以免降低像面的对比度;,5)满足仪器尺寸布局要求;,2022/12/27,35,2、照明系统的拉赫不变量应大于或等于物镜的拉赫不变量,即,根据上述要求,照明系统在设计上应满足以下两个原则:,1、光孔转接原则,设照明系统的入瞳位置为光源的位置,则照明系统的出瞳应与物镜的入瞳重合;,(二)亮视场的照明方式,1、直接照明,利用自然光或灯泡照明。,2、临界照明,光源发光面通过聚光镜成像在物面上或其附近的照明方式称为临界照明。,2022/12/27,36,其缺点是光源亮度的不均匀
17、性将直接反映在物面上,同,时也不满足光孔转接原则,即聚光镜的出瞳位置和物镜的入瞳位置不重合。,电影放映机大多采用这种照明方式。读数显微镜中刻线尺或度盘的照明也常采用。,2022/12/27,37,3、柯勒照明,集光镜,视场光阑,孔径光阑,聚光镜,物面,这种照明方式克服了临界照明不均匀的缺点。,它的构成有以下两个特点:,(1)发光面通过集光镜成实像。,该像面上可安放可调的孔径光阑,再经聚光镜成像于物镜的入瞳位置。因此充分利用了光能并满足光孔转接原则。,2022/12/27,38,柯勒照明系统分为远心照明和非远心照明。,远心柯勒照明特点:,孔径光阑位于聚光镜的物方焦面上,组成像方远心光路;视场光阑
18、的位置根据需要选定。,4、反射照明,(2)集光镜框或其后面附近可安放可变的视场光阑,控制照明视场的大小,避免杂光射入物镜。,2022/12/27,39,四、显微系统的物镜,(一)显微物镜的特点,在选用或设计显微物镜时所考虑的光学性能主要有:,数值孔径,放大率,NA的大小直接影响分辨本领和成像亮度,它是物镜的 主要性能指标。,对于不同倍率的物镜,像方视场2y为一定值,所以高倍物镜视场小。,线视场,2022/12/27,40,精密测量用的显微物镜就有以下特点:,1、在满足一定瞄准和读数精度的条件下,物镜放大率一般不高,约在1x10 x之间;,2、物镜的放大率要求严格准确,允差0.050.1%;,6
19、、为了减小物镜有视差引起的放大率误差,孔径光阑设置在物镜的像方焦平面上,构成物方远心光路。,3、工作距离和线视场都较大,以满足观测一定大小零 件的要求;,4、在校正轴上像差时,也要校正轴外像差,像质要求 较高;,5、物镜的数值孔径较小(最常用NA=0.1);为了保证像的照度,照明系统的光源常用低电压、小功率、高亮度的,2022/12/27,41,(二)显微物镜,显微物镜根据用途不同分为:,消色差显微物镜,复消色差物镜,平场消色差物镜,40X0.95复消色显微物镜,普通显微物镜大多数属于消色差型,只需校正球差、正弦差、轴向色差即可,但边缘像质较差。,平场复消色差物镜,40X0.85平场复消色显微
20、物镜,折反射显微物镜,2022/12/27,42,按数值孔径NA的大小由四种型式,1、双胶型 =15x NA=0.10.15,2、李斯特型 =820 x NA=0.250.30,3、阿米西型 =2540 x NA=0.400.65,4、阿贝油浸型 =90100 x NA=1.251.40,2022/12/27,43,精密测量中的显微镜,使用高倍物镜的不多。一般均采用低倍和中倍物镜;但要求平像场;,所以与同倍其它物镜相比,其结构形式比较复杂。,下图是工具显微镜1X物镜的两种结构。视场20mm,工作距离80mm,数值孔径0.03。,孔径光阑,孔径光阑,下图是工具显微镜3X及5X物镜的结构。视场分别
21、为6.7mm和4mm,工作距离80mm和53mm,数值孔径0.09和0.15。,2022/12/27,44,下图是工具显微镜10X物镜的结构。视场2mm,工作距离20mm,数值孔径0.16。,下图是工具显微镜40X物镜的结构。视场0.5mm,工作距离10.5mm,数值孔径0.35。,孔径光阑,孔径光阑,2022/12/27,45,复习,显微镜成像原理视角放大率、有效放大率显微镜光束限制、像有明显边界(目镜若不拦截光线,无渐晕现象)显微镜物镜主要参数光学筒长、机械筒长、共轭距,5-4 望远系统,一、望远系统的一般性质,物镜(入瞳),视场光阑,目镜,出瞳,F1,F2,物镜的像方焦点应与目镜的物方焦
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