应用光学第八章(编辑修改稿)

应用光学第八章(编辑修改稿)内容摘要：

分辨极限经适当的放大后恰好达到人眼的分辨能力的适当放大率。 已知人眼的极限分辨角为 1′，在明视距离上对应的线距离 为 39。   39。 把 换算到显微镜的物空间，有 （ 831） 第三节 显微镜系统 满足上式的视觉放大率称为显微镜的有效放大率。 说明有效放大率的选取应视其数值孔径，放大率低于 500NA时，物镜的分辨能力没有被充分利用，人眼不能分辨已被物镜分辨的物体细节；放大率高于 1000NA，称作无效放大，不能使被观察的物体细节分辨得更细微。 一般浸液物镜的最大数值孔径为 ，故显微镜能达到的有效放大率不超过。  mmNA NA 264239。 ~ 439。 按道威判断取 值，则 设照明光的平均波长为 ，得 式（ 832）称为显微镜的极限有效放大率。 由于人眼在1′的极限分辨状态下容易疲劳，故常取眼睛容易分辨的角距离为 ，实际有效放大率在式（ 832）的基础上增大 2～ 4倍，近似表示为 （ 832） 500NA  1000NA1500≤ ≤ （ 833） ，求该显微镜的放大率、物镜和目镜的放大率、物镜的数值孔径、物镜的焦距以及工作距离。 第三节 显微镜系统 例 81 一台生物显微镜的分辨力 m 2 362  72   NA 6  12ell    lll  ll llf o考虑到物镜的放大率与数值孔径的关系，取物镜的放大率为 则目镜的放大率为 一般生物显微镜的共轭距 ( )国家规定为 195毫米，则工作距离 物镜的焦距 取实际放大率为 mm mm 解：由式（ 831）得显微镜的有效放大率 由式（ 313）得物镜的数值孔径 返回 第三节 显微镜系统 五、显微物镜 从显微镜的工作原理中我们知道，物镜的作用是提供被观测目标的放大像，显微镜的分辨率和放大率都主要依赖于物镜（因目镜提供的放大率有限）。 物镜的放大率和数值孔径反映了其的主要性能。 显微物镜的数值孔径和放大率是互相联系的，数值孔径大，分辨率就高，也就需要足够的放大率来达到有效放大。 目前，国内生产的显微物镜，其数值孔径和放大率的匹配关系如表 81所示。 物镜类型 低倍 （双胶合型） 中倍 （李斯特型） 高倍 （阿米西型） 高倍 （油浸型） 放大率 3～ 6 6～ 10 40～ 63 80～ 100 数值孔径 ～ ～ ～ ～ 表 81 第三节 显微镜系统 显微物镜除了按倍率划分有低、中、高倍之外，还有 油浸型显微物镜，主要目的是提高数值孔径，用于高分辨率场合； 复消色差物镜，用于对色差有特殊要求的场合； 平场物镜，用于显微镜照相和投影。 物镜 折射式 反射式 折反射式 消色差物镜 复消色差物镜 平像场（复）消色差物镜  第三节 显微镜系统 低倍物镜 中倍物镜 高倍物镜 平像场复消色差物镜 反射式物镜 第三节 显微镜系统 显微物镜除了按倍率划分有低、中、高倍之外，还有 油浸型显微物镜，主要目的是提高数值孔径，用于高分辨率场合； 复消色差物镜，用于对色差有特殊要求的场合； 平场物镜，用于显微镜照相和投影。 六、显微镜的照明方法 显微镜成像的目标一般本身不发光，需要用照明系统对目标照明后使其成像，照明系统是显微镜的重要组成部分。 按照明方式的不同，照明分亮视场照明和暗视场照明，亮视场照明中，照明光束将物体照亮后直接进入成像系统，使物体成像。 暗视场照明中，倾斜入射的照明光束完全不进入成像系统，能进入成像系统的只是被受照物体表面的微粒散射或衍射的光线，成像后得到的是暗视场中的这些亮的微粒像。 亮视场照明和暗视场照明又都各有反射式和透射式，反射式用于不透明物体的照明，透射式用于透明物体的照明。 第三节 显微镜系统 图 89表示了所述的四种不同的照明方法。 图 8－ 9 显微镜的照明方法 a) 透射光亮视场照明 b) 透射光暗视场照明 c) 反射光亮视场照明 d) 反射光暗视场照明 第三节 显微镜系统 生物显微镜多为透明标本，常用透射光亮视场照明。 其照明方式又主要分为两种，即临界照明和柯拉照明。 图 810和图 811分别示出这两种照明方式的光路。 临界照明把光源的经聚光镜直接成像在物平面上，物体可以获得很高的亮度，但另一方面，光源表面亮度的不均匀性也会直接反映在物面上，影响显微镜的观察效果。 临界照明中聚光镜的出射光瞳和像方视场分别与物镜的入射光瞳和物方视场重合。 当物镜的入射光瞳在无限远时，聚光镜的孔径光阑放在其前焦平面上。 图 810 第三节 显微镜系统 柯勒照明消除了临界照明中物平面光照度不均匀的缺点。 柯勒镜（即照明系统前组）把光源放大成像在聚光镜的前焦平面上，照明系统的视场光阑就位于该焦平面，聚光镜(照明系统后组 )又把视场光阑成像在无限远，即照明系统的出窗与显微镜的入瞳重合。 照明系统的孔径光阑紧贴在柯勒镜后，被聚光镜成像在物平面上，即照明系统的出瞳与显微镜的入窗重合，决定了被照明的物平面的大小。 由于聚光镜的孔径光阑面具有均匀的照明，将其成像在物面上，物体也能获得均匀的照明。 图 811 第三节 显微镜系统 照明系统与成像系统的配合有两点很重要，一是瞳窗要衔接，这样既能保证物体的照明范围又可以充分利用光能，二是照明系统必须提供被照物体有足够的孔径角，以与成像系统的数值孔径相匹配，以确保成像系统的性能。 七、显微镜的其它组合 在典型的显微镜中，加入辅助物镜，构成筒长无限的物镜。 物体准确地位于物镜的物方焦面处，经物镜成像于无限远，在平行光路中加入辅助物镜，则在辅助物镜焦面处得到物体倒立的放大像。 这种显微物镜的优点是，物镜和辅助物镜之间是平行光，有利于装配和调整，且可以在其间加入棱镜、滤光片和偏振片，而不会引起像点位置的变化及产生双像、叠影等。 这种显微物镜的放大率由下式决定 39。 39。 39。 12ffyy  （ 834） 第三节 显微镜系统 这种组合还可以利用来设计焦度计（一种检查眼镜片折光度的仪器），在物镜的焦平面处放一带有标记的分划板，由前面分析可知，辅助物镜的像方焦面上得到标记的倒立实像，该像可以用投影屏接收。 在物镜和辅助物镜之间放置被测镜片，并使被测镜片的后顶点与物镜的像方焦点重合，由于被测镜片有折光度，像点偏离投影屏而使标记变得模糊。 为此，移动分划板的位置，使得标记像在投影屏上再次清晰，由移动的距离就可求出被测镜片的折光度。 若设分划板自焦点移动向左取负向右取正，根据牛顿公式有 xfx o239。 39。 x 被测Flx 39。 其中， 为分划板的移动量， 为被测透镜物方焦点位置，其相应的折光度为 239。 1 0 0 01ofxlSD  （ 835） 第三节 显微镜系统 显微镜与摄影系统组合可以构成显微摄影系统，此时摄影物镜直接置于目镜的后方，使目镜所成的虚像，经摄影物镜后，成像在照相底片或 CCD等接收器上。 此时，显微镜摄影的物像放大率为 25039。  摄影f （ 836） 为了简化结构，摄影物镜还可以直接用目镜代替，物体经物镜所成的像，直接利用目镜成像在照相底片上，此时的目镜称为摄影目镜，为使整个共轭物像距不致于太大，目镜应设计成负光组。 此时，显微镜摄影的物像放大率为 eo   （ 837） 返回 结束 第四节 望远镜系统 一、望远系统的工作原理 二、望远镜的视放大率 三、望远镜的光束限制 四、望远系统的分辨力及有效放大率 五、望远镜中的辅助系统 六、望远物镜的类型 七、望远镜计算举例 在第三章中已经介绍了望远系统的基本特点，它也是由物镜和目镜组成， 物镜的像方焦点和目镜的物方焦点重合，即光学间隔 △ =0，因而望远镜是无焦系统。 在整个系统中，物镜为正光组，目镜可以是正光组，也可以是负光组，前者是刻普勒型望远镜，后者是伽利略型望远镜。 如果将物镜和目镜都看作单透镜，则望远镜物镜到目镜的距离（称为筒长） L为 第四节 望远镜系统 一、望远系统的工作原理 39。 39。 eo ffL  （ 838） 第四节 望远镜系统 图 815 开普勒望远镜的工作原理如图 815所示。 物镜在其像方焦面上成一倒立的实像，故可在中间像的位置处放置一分划板，用作瞄准或测量。 该系统特点是，结构长，筒长为物镜和目镜的焦距之和，成倒立像。 为了使像正立，需要在系统中增加正像的光组（透镜组或棱镜组）。 这将增加系统的结构尺寸和复杂程度。 但由于可同时用于对远距离物体的放大、测量和瞄准，因此刻普勒望远镜在天文、军用、测量方面应用较广。 第四节 望远镜系统 伽利略望远镜的工作原理如图 816所示。 物体经物镜所成的像在目镜的虚焦点处，系统不能形成中间实像，因此无法安装分划板，不能应用于测量系统，但由于结构短（筒长为物镜和目镜的焦距绝对值之差），成正立像，可以方便用于远距离观察。 伽利略望远镜过去主要用于观剧，现在常用在照相机中作为取景和测距系统，在激光应用中作为扩束系统。 图 816 返回 式中， D和 D’分别是望远镜的入瞳和出瞳的大小， 视放大率是望远镜最重要的光学性能之一，我们按照视觉放大率的定义来计算望远系统的视放大率。 由于是对无限远物体成像，同一目标对人眼的张角 与对望远镜的张角 第四节 望远镜系统 二、望远镜的视放大率 e  e39。  i  tgtgtgtgei 39。 （望远镜的物方视场角）是相等的，即 而成像在无限远，像对人眼的张角又等于望远镜的像方视场角，即 （ 839） ， ，根据公式 811，有 表明望远镜的视放大率就等于其角放大率，由角放大率与垂轴放大率的关系（式 314）及图 816的几何关系，很容易得出 eoffDD 39。 39。 39。 1   （ 840） 39。 of 39。 ef和 分别是物镜和目镜的焦距。 第四节 望远镜系统 由式（ 840）可知，望远镜的视觉放大率（绝对值）与物体的位置无关，仅取决于望远系统的结构，这和一般光学系统不一样，一般光学系统的放大率都是随着共轭物像位置的不同而不同，在望远镜中，欲增大视觉放大率，只能改变系统的结构，例如，增大物镜的焦距或减少目镜的焦距。 公式（ 840）还表明，任何一对共轭位置的物像经望远镜成像后，视场角增大，而横向比率是缩小的，人眼通过望远镜看到的远处目标像，并不是增大而是减小，但由于视角变大，人眼感觉是物体被拉近了，因此变得能够看清或分辨。 返回 在开普勒望远镜中，物镜框是孔径光阑，也是入瞳，与显微镜一样，出瞳在目镜的像方焦点以外的附近处，与人眼重合，可以根据视放大率和入瞳的大小计算出瞳的大小（式 840）。 为了减小系统的横向尺寸，目镜框充当了渐晕光阑，一般允许有 50%的渐晕。 物镜的后焦平面上可放置分划板，分划板框即是望远镜的视场光阑。 由图 816可以求出，望远镜的物方视场角 第四节 望远镜系统 三、望远镜的光束限制 039。 / 39。 tg y f 为 （ 841） 式中， 39。 y 是视场光阑即分划板半径。 215由于物镜的焦距较长，刻普勒望远镜的视场 一般不超。 人眼通过开普勒望远镜观察时，必须使眼瞳位于系统的出瞳处，才能观察到望远镜的全视场。 过 第四节 望远镜系统 伽利略望远镜一般以人眼的瞳孔作为孔径光阑，同时又是望远系统的出瞳。 物镜框为视场光阑，同时又是望远系统的入射窗。 由于望远系统的视场光阑不与物面（或像面）重合，因此伽利略望远系统对大视场一般存在渐晕现象，如图 817所示。 由图 817可知，当视场为 50%渐晕（ K＝ ）时，其视场角为 2 zDtgl 图 817 第四节 望远镜系统 zl2 zDtgl D 22 2239。 ( 39。 39。 )z。