2018光电成像器件原理与应用-光学系统和光学传递函数.ppt

光电成像器件原理与应用光电成像器件原理与应用哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学理学院理学院光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数2024/5/1 周三2(四四)光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光电成像器件原理与应用光电成像器件原理与应用光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数2024/5/1 周三3第一节、光电成像光学系统功能及特点第一节、光电成像光学系统功能及特点第二节、成像光学系统特征参数第二节、成像光学系统特征参数第三节、光学传递函数像质评价第三节、光学传递函数像质评价第四节、典型的光学系统第四节、典型的光学系统第四章第四章 光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数2024/5/1 周三4 图图31 微光成像系微光成像系统统示意示意图图 3.1 光电成像光学系统功能及特点光电成像光学系统功能及特点光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数2024/5/1 周三5物镜的物镜的技术特点技术特点：倒像倒像。近贴微光管，输出的来自物镜像面的。近贴微光管，输出的来自物镜像面的景物倒像必须用光纤扭像器或光学透镜倒像景物倒像必须用光纤扭像器或光学透镜倒像器，才能为目镜提供正立的输入图像。器，才能为目镜提供正立的输入图像。一、物镜系统的功能及特点一、物镜系统的功能及特点大的有效通光孔径和高透过率大的有效通光孔径和高透过率。低照度分辨。低照度分辨率率(视距视距)应与物镜的有效孔径和光透过率的平应与物镜的有效孔径和光透过率的平方根成正比。（提高信噪比）方根成正比。（提高信噪比）光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数2024/5/1 周三6物镜的技术特点物镜的技术特点长的焦距长的焦距。在中等微光。在中等微光(10(102 21x)1x)照度下，照度下，有较高的空间极限分辨率有较高的空间极限分辨率(视距视距)。光敏面尺寸比人眼入瞳光敏面尺寸比人眼入瞳(8)(8)大得多，要求大得多，要求物镜尽可能提供更物镜尽可能提供更均匀的像面照度均匀的像面照度分布。分布。在有效的空间频率域中（在有效的空间频率域中（低通滤波器低通滤波器），应），应有好的调制传递函数有好的调制传递函数(MTFMTF)特性。特性。光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数2024/5/1 周三7二、目镜系统功能及特点二、目镜系统功能及特点放大荧光屏输出图像的细节，弥补人眼空间分放大荧光屏输出图像的细节，弥补人眼空间分辨能力的不足。裸眼辨能力的不足。裸眼41p41pmmmm；微光管可达；微光管可达3030601p601pmmmm；目镜；目镜8 8x x1515x x，提取更丰富的景物细节信息。，提取更丰富的景物细节信息。放大的放大的正像正像。大视场大视场、高高MTFMTF特性特性、高光能收集高光能收集效率效率和和低畸变低畸变等。等。光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数2024/5/1 周三83.23.2成像光学系统特征参数成像光学系统特征参数p像面照度像面照度E Ek k(1x)(1x)p仪器有效视场仪器有效视场FOV(FOV(o o)p仪器放大倍率仪器放大倍率(倍倍)p仪器分辨角仪器分辨角(rad)(rad)p像差像差 光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数2024/5/1 周三9n对远距离目标对远距离目标式中：数物/物，T物为物镜透过率n对近距离对近距离式中：p像面照度像面照度E Ek k(1x)(1x)光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数2024/5/1 周三10p仪器有效视场仪器有效视场FOV(FOV(o o)式中：dk为成像器件有效输入直径。视场角大，有利于捕获目标。要求探测器的面积大，噪声与探测器尺寸成正比，信噪比降低。p仪器放大倍率仪器放大倍率(倍倍)（角放大率）（角放大率）式中：为成像器件的电子光学放大率。p仪器分辨角仪器分辨角(rad)(rad)式中:鉴别率(lpmm)；W可分辨最小宽度；l观察距离。光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数2024/5/1 周三11p像差像差 “理想成像位置理想成像位置”系由单色、近轴成像规律决定。系由单色、近轴成像规律决定。研究像差的性质，估算像差的大小并设法校正研究像差的性质，估算像差的大小并设法校正和减小像差，是光学系统设计中一个极为重要的和减小像差，是光学系统设计中一个极为重要的问题。问题。像差像差单色像差单色像差 色差色差 球差球差彗差彗差像散像散场曲场曲畸变畸变不同波长成像的位置及大小都有所不同。不同波长成像的位置及大小都有所不同。纵向色差纵向色差横向色差横向色差光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数球差球差:轴上点发出的同心光束经光学系统后，不再是同心轴上点发出的同心光束经光学系统后，不再是同心光束，不同入射高度（光束，不同入射高度（孔径角孔径角）的光线将交光轴于不同位的光线将交光轴于不同位置，相对于理想像点有不同程度的偏离，这就是球差。正透置，相对于理想像点有不同程度的偏离，这就是球差。正透镜镜产生负球差；负透镜产生负球差；负透镜产生正球差；将正负透镜组产生正球差；将正负透镜组合，则有可能消除球差。合，则有可能消除球差。光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数彗差:轴外一点发出的宽光束通过一个消球差透镜的不同环带后仍不会聚于一点，在像面上呈现彗星形状的光斑，这就是“彗差”。分为子午彗差和弧矢彗差；经透镜边缘的光线所成的点像大于通过中间光线所成的像，只有主光线形成理想像点。光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数2024/5/1 周三14 若系统不存在彗差，则这三条光线的像方光线应该若系统不存在彗差，则这三条光线的像方光线应该相交于一点，但是如果存在彗差，则可能会不再相交共相交于一点，但是如果存在彗差，则可能会不再相交共点，而是点，而是失去了对称性失去了对称性。光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数彗差彗差小视场大孔径像差小视场大孔径像差光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数当轴外点以细光束成像时，没有彗差，由于子午面和弧矢面相对折射球面的位置不同，它们在球面上的截线曲率不等，子午像点和弧矢像点不重合，两者分开的轴向距离称为像散。光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数2024/5/1 周三17由于像散的存在，观察到的物点的像沿着光轴方向会有由于像散的存在，观察到的物点的像沿着光轴方向会有不同的形状。不同的形状。光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数场曲场曲物面为平面，折反射面为曲面物面为平面，折反射面为曲面场曲:像散必然引起像面弯曲。像散的大小随视场而变，即物面上离光轴不同距离的各点在成像时，像散值各不相同，一个平面物必然形成两个曲面像，即子午像面和弧矢像面。光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数畸变畸变主光线的实际角放大率不等于主光线的实际角放大率不等于1畸变:主要是指主光线的像差。理想成像时，其垂轴放大率为常数。视场较大时，放大率随视场而变，不再是常数，使像相对于物失去相似性，这种成像缺陷称为畸变。光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数位置色差位置色差不同颜色的光在介质中不同颜色的光在介质中n不同不同色差:透镜对不同波长的光具有不同的折射率，导致入射复色平行光束被聚焦后，会有不同的焦点位置，称为色差。光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数倍率色差倍率色差光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数2024/5/1 周三223.3 光学传递函数像质评价光学传递函数像质评价 空间频率特性空间频率特性 描述方法：描述方法：分辨率分辨率、调制传递函数调制传递函数。一、分辨力一、分辨力高对比度的高对比度的标准测试板标准测试板图案图案聚焦在像管的光阴极面上，用聚焦在像管的光阴极面上，用目视方法从荧光屏上每毫米尚目视方法从荧光屏上每毫米尚能分辨得开的黑白相间等宽矩能分辨得开的黑白相间等宽矩形条纹的对数，即形条纹的对数，即LPLPmmmm。10-3lx光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数2024/5/1 周三23缺陷缺陷:p极限分辨力一样，成像质量可能有很大差异。极限分辨力一样，成像质量可能有很大差异。p极限分辨力模糊不清，难以分辨。极限分辨力模糊不清，难以分辨。p以目测为手段，受主观因素的限制。以目测为手段，受主观因素的限制。光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数2024/5/1 周三24二、光学传递函数像质评价二、光学传递函数像质评价p评价像质的几个有关问题评价像质的几个有关问题pOTFOTF和和MTFMTFp串联系统的光学传递函数串联系统的光学传递函数 p调制传递函数的测试原理调制传递函数的测试原理 p调制传递函数的解析表达（调制传递函数的解析表达（经验公式经验公式）p传递函数在像质评价上的意义传递函数在像质评价上的意义 p小结小结 光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数2024/5/1 周三25(1)(1)点扩展函数和线扩展函数点扩展函数和线扩展函数 物面点物面点(x，y)，像面点，像面点(x，y)，则弥散斑的光能分布，则弥散斑的光能分布函数函数h(x，y)称为称为点扩展函数。点扩展函数。p评价像质的几个有关问题评价像质的几个有关问题系统对点物的响应由系统对点物的响应由点扩展函数点扩展函数来描述来描述归一化条件归一化条件光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数2024/5/1 周三26(2)(2)线性成像系统条件线性成像系统条件可叠加性可叠加性l迄迄今今我我们们看看到到的的绝绝大大多多数数成成像像系系统统都都可可以以看看作作一一个个线线性性的的系系统统，光光从从样样品品到到像像面面的的过过程程在在数数学学上上可可以以用扰动与响应表示。用扰动与响应表示。光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数2024/5/1 周三27l成像元件满足成像元件满足“等晕等晕”成像条件。成像条件。l对于像质评价，像的大小、正倒是无关紧要的，总取对于像质评价，像的大小、正倒是无关紧要的，总取V V+1+1，可把物面和像面迭在一起对比。，可把物面和像面迭在一起对比。(3)(3)空间不变性空间不变性l共轭面上空间不变的区域称为共轭面上空间不变的区域称为等晕区。等晕区。l透镜的傍轴区往往是等晕的。透镜的傍轴区往往是等晕的。光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数2024/5/1 周三28若物平面若物平面I(x)I(x)，则像面的光强分布，则像面的光强分布 物理意义：物理意义：像面强度分布像面强度分布I(x)I(x)是各是各I(x)h(xI(x)h(xx)x)叠加。叠加。即物的像是线扩展函数对物函数的卷积即物的像是线扩展函数对物函数的卷积(4)(4)卷积成像原理卷积成像原理(5)(5)调制度调制度 光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数2024/5/1 周三29p OTFOTF和和MTFMTF 联系物和像频谱函数的函数关系称为联系物和像频谱函数的函数关系称为光学传递函数光学传递函数（Optical Transfer Function）。）。设物光中有一个空间频率为设物光中有一个空间频率为N N的谐波的谐波根据卷积成像原理根据卷积成像原理令令x-xx-x光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数2024/5/1 周三30令 结论：结论：l物面上某一空间频率谐波经线性成像系统成像后，在像面物面上某一空间频率谐波经线性成像系统成像后，在像面上仍为同一空间频率的谐波，平均强度相同。上仍为同一空间频率的谐波，平均强度相同。l交交变变部部分分振振幅幅b，经经过过光光学学系系统统后后，像像的的振振幅幅被被调调制制减小为减小为bM(N)；位相由；位相由0偏移到偏移到。光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数2024/5/1 周三31 M(N)调制传递函数调制传递函数 MTF(Modulation Transfer Function)位相传递函数位相传递函数 PTF(Phase Transfer Function)H(N)M(N)e-i(N)H(N)被称为被称为光学传递函数光学传递函数OTF(Optical Transfer Function)从数学上讲，从数学上讲，OTFOTF是光学系统线扩展函数是光学系统线扩展函数h(h()的归一化的归一化后的傅里叶变换后的傅里叶变换光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数2024/5/1 周三32光学传递函数（光学传递函数（OTF）由傅氏变换的卷积定理：由傅氏变换的卷积定理：定义定义：若H(N)=1，则I(N)=I(N)表示光学系统对任意谐波成份是完全透明，并对各次谐波无相位上的位移，即理想光学系统。实际上H(N)永远小于1，是空间频率N的函数。MTFMTF的物理意义：的物理意义：光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数2024/5/1 周三33 对于由几个独立的线性光学元件级联而成的线性成像系统，对于由几个独立的线性光学元件级联而成的线性成像系统，其光学传递函数如何？其光学传递函数如何？X0物面物面 X1一次像面一次像面 X2二次像面二次像面I0(x0)h1(x1-x0)h2(x2-x1)由卷积成像定理：由卷积成像定理：p串联系统的光学传递函数串联系统的光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数2024/5/1 周三34对对I I2 2(x(x2 2)作傅氏变换：作傅氏变换：作数学上变换作数学上变换换积分次序换积分次序 光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数2024/5/1 周三35串联系统串联系统n n级耦合的光学系统传递函数级耦合的光学系统传递函数结论：结论：（1 1）复合系统的调制传递函数）复合系统的调制传递函数M(N)M(N)是各独立系统是各独立系统M(N)M(N)之积之积（2 2）复合系统的位相传递因子）复合系统的位相传递因子(N)(N)是各独立系统是各独立系统(N)(N)之和之和 研究和改进光电成像系统研究和改进光电成像系统衬度传递特性衬度传递特性的重要依据的重要依据光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数2024/5/1 周三36（1）调制度法）调制度法 调制传递函数就等于正弦（余弦）图案的调制度传递调制传递函数就等于正弦（余弦）图案的调制度传递函数，只要测出正弦图案的物和像的调制度，相除即可。函数，只要测出正弦图案的物和像的调制度，相除即可。p调制传递函数的测试原理调制传递函数的测试原理光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数2024/5/1 周三37（2 2）光学模拟傅立叶变换法）光学模拟傅立叶变换法定义：定义：M(f)=Fh(x)，对器件输入，对器件输入(x)物，对输出像函物，对输出像函数数h(x)进行傅立叶变换，其模就是进行傅立叶变换，其模就是MTF。光学模拟傅氏变换法光学模拟傅氏变换法，就是将狭缝的像直接投射在不同，就是将狭缝的像直接投射在不同频率的正弦板上，作用相当于下式频率的正弦板上，作用相当于下式 测试时，使正弦板沿垂测试时，使正弦板沿垂直狭缝的方向扫描，并直狭缝的方向扫描，并将其透光量用光电倍增将其透光量用光电倍增管转换成电信号，以供管转换成电信号，以供记录或显示。记录或显示。光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数2024/5/1 周三38设狭缝亮度分布为设狭缝亮度分布为矩形函数矩形函数，即，即 b0b0，b0b0，入射狭缝为有限宽度时，像函数的傅立叶变换并不等于入射狭缝为有限宽度时，像函数的傅立叶变换并不等于OTFOTF，应加修正因子。，应加修正因子。光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数2024/5/1 周三39（3 3）刀口响应法）刀口响应法 输入输入“物物”的亮度空间分布为的亮度空间分布为一阶跃波一阶跃波，像的亮度分布，像的亮度分布即即阶跃响应函数阶跃响应函数E(x)E(x)。(x)E(x)u看看E E(x)(x)曲线的陡度。曲线越陡，成像质量越高。曲线的陡度。曲线越陡，成像质量越高。uE E(x)(x)求求H(x)，做傅立叶变换，得到，做傅立叶变换，得到OTF和和MTF。H(x)S(x)光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数2024/5/1 周三40多数光电器件的多数光电器件的MTFMTFf fc c特征频率。特征频率。n n器件指数，器件指数，n n（1.11.12.12.1）器件或元件 fc（Lp/mm）n 器件或元件 fc（Lp/mm）n 光纤板光纤板(5.8um)961.7一级单管一级单管 361.6光纤板光纤板(6um)801.8ESB摄像管摄像管 101.4荧光屏（荧光屏（P20）461.1返束视像管返束视像管 501.6MCP倒像管倒像管 51.4Kodak胶卷胶卷 1600.6fc及n的值p调制传递函数的解析表达调制传递函数的解析表达（经验公式经验公式）光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数2024/5/1 周三41测出测出MTFMTF，可由解析式求出器件的，可由解析式求出器件的特征频率特征频率f fc c，即，即M(f)=1/eM(f)=1/e频率，频率，器件指数器件指数n n由双对数值给出：由双对数值给出：由由R R个相同线性器件构成个相同线性器件构成串联复合系统串联复合系统复合系统与分系统的频率常数关系为复合系统与分系统的频率常数关系为 分系统越多，复合系统的频率常数越小，分系统越多，复合系统的频率常数越小，MTFMTF越差。越差。光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数2024/5/1 周三42p传递函数在像质评价上的意义传递函数在像质评价上的意义u光学系统光学系统是一个空间是一个空间频率低通的频率低通的线性滤波器线性滤波器例如例如:电视摄像用的镜头电视摄像用的镜头，不要求高的分辨力，要求能，不要求高的分辨力，要求能对较低反衬度的景物获得层次尽可能丰富的像，曲线对较低反衬度的景物获得层次尽可能丰富的像，曲线好。好。光刻用的镜头光刻用的镜头，物是反衬度很高的黑白线条或图案，对，物是反衬度很高的黑白线条或图案，对像的要求主要是期望分辨力尽可能高，用曲线像的要求主要是期望分辨力尽可能高，用曲线为宜。为宜。光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数2024/5/1 周三43点扩展函数和光学传递函数互为傅立叶变换。点扩展函数和光学传递函数互为傅立叶变换。信息用信息用频谱频谱描述才是准确的，像质用频谱之比（描述才是准确的，像质用频谱之比（OTFOTF）来评价才反映本质。来评价才反映本质。要求光学系统在很宽的频段内都有很高的要求光学系统在很宽的频段内都有很高的OTFOTF值是不值是不现实的，设计者可参照现实的，设计者可参照OTFOTF曲线，按用途把注意力集中到曲线，按用途把注意力集中到最关心的频段内，研究如何提高和改善系统的性能。最关心的频段内，研究如何提高和改善系统的性能。p小结小结便于处理联合光学系统和光电结合系统（电视）的像便于处理联合光学系统和光电结合系统（电视）的像质评价问题。质评价问题。OTFOTF只适用于只适用于空不变系统空不变系统（等晕区等晕区）。如何评价空）。如何评价空变系统的像质问题，仍需进一步研究，目前的一种做法变系统的像质问题，仍需进一步研究，目前的一种做法是是“分区等晕处理分区等晕处理”。光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数一、显微镜系统一、显微镜系统 显微镜（显微镜（microscope）指为提高人们）指为提高人们获得微小信息能力获得微小信息能力的的光学仪器。往往把将近处物体进行放大的光学系统称为显微镜系统。光学仪器。往往把将近处物体进行放大的光学系统称为显微镜系统。通常由物镜和目镜组成，实际是利用一个物镜和一个目镜产生两级通常由物镜和目镜组成，实际是利用一个物镜和一个目镜产生两级放大的复式显微镜。放大的复式显微镜。因为被观测的物体本身不发光，需借助外界照明，故显微镜还因为被观测的物体本身不发光，需借助外界照明，故显微镜还需要有一个需要有一个照明系统照明系统。这些部分是较复杂的透镜组合系统，尤其是。这些部分是较复杂的透镜组合系统，尤其是物镜更为复杂。物镜更为复杂。3.4 典型的光学系统典型的光学系统光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数显微镜系统设计 放大镜较低的放大倍率不能满足人们对近距离物体的极微小细放大镜较低的放大倍率不能满足人们对近距离物体的极微小细节进行观察，须用显微镜这种更高放大倍率的组合光学系统。显微节进行观察，须用显微镜这种更高放大倍率的组合光学系统。显微镜的目镜和物镜都是会聚透镜，两者间隔比它们各自的焦距大得多。镜的目镜和物镜都是会聚透镜，两者间隔比它们各自的焦距大得多。成像原理成像原理：物：物AB位于物方焦点外测附近，经物镜成一放大、位于物方焦点外测附近，经物镜成一放大、倒立的实象倒立的实象AB于目镜物方焦面上或物方焦面内侧附近，再经目镜于目镜物方焦面上或物方焦面内侧附近，再经目镜成放大虚象成放大虚象A“B”于明视距离甚至无限远处。于明视距离甚至无限远处。光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数显微镜系统设计显微镜的视觉放大率显微镜的视觉放大率因显微镜实质是一组合光组，其视觉放大率为：因显微镜实质是一组合光组，其视觉放大率为：显微镜的视觉放大率是物镜垂轴放大率与目镜视觉放大率的乘积。显微镜的视觉放大率是物镜垂轴放大率与目镜视觉放大率的乘积。物镜倍率常有物镜倍率常有4、10、40、100；目镜有；目镜有5、10、15。物镜的垂物镜的垂轴放大率轴放大率目镜的视觉目镜的视觉放大率放大率光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数显微镜系统设计 通用通用显显微微镜镜物物镜镜从物平面到像平面的距离（共从物平面到像平面的距离（共轭轭距），不距），不论论放放大率如何都是相等的，大率如何都是相等的，约为约为180mm；对对生物生物显显微微镜镜，我国，我国规规定定为为195mm。把物把物镜镜和目和目镜镜取下后，所剩的取下后，所剩的镜镜筒筒长长度称度称为为机械筒机械筒长长，也是固，也是固定的，有定的，有160mm、170mm、190mm。我国以。我国以 160mm作作为为物物镜镜目目镜镜定位面的定位面的标标准距离。准距离。光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数显微镜系统设计显微镜的线视场显微镜的线视场物体经物镜后成像在视场光阑（直径为物体经物镜后成像在视场光阑（直径为D）上，则其线视场为）上，则其线视场为：视场光阑的大小与目视场光阑的大小与目镜的视场角的关系：镜的视场角的关系：在选定目镜后，显微镜的视觉放大率越大，其在物空间的线视在选定目镜后，显微镜的视觉放大率越大，其在物空间的线视场越小。场越小。光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数显微镜系统设计显微镜的出瞳直径显微镜的出瞳直径 普通显微镜，物镜框是孔径光阑。复杂物镜，其最后镜组的镜框普通显微镜，物镜框是孔径光阑。复杂物镜，其最后镜组的镜框为孔径光阑。测量用显微镜，物镜像方焦平面上设置专门的孔径光阑。为孔径光阑。测量用显微镜，物镜像方焦平面上设置专门的孔径光阑。孔径光阑经目镜所成的像为出瞳（直径为孔径光阑经目镜所成的像为出瞳（直径为D）。）。NA=nsinu称为显微物镜的数值孔径，与物镜的垂轴放大率称为显微物镜的数值孔径，与物镜的垂轴放大率一起，刻在物镜的镜框上，是一重要光学参数。一起，刻在物镜的镜框上，是一重要光学参数。光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数显微镜系统设计光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数显微镜系统设计显微镜的分辨率和有效放大率显微镜的分辨率和有效放大率 分辨率受孔径光阑的影响，点源形成的像为一个衍射斑，称为分辨率受孔径光阑的影响，点源形成的像为一个衍射斑，称为艾里斑，集中艾里斑，集中83.78%的能量，代表中心位置。根据瑞利判断，两的能量，代表中心位置。根据瑞利判断，两个相邻像点之间的间隔等于艾里斑的半径时，则能被光学系统分辨。个相邻像点之间的间隔等于艾里斑的半径时，则能被光学系统分辨。艾里斑半径为艾里斑半径为a为：为：显微镜的分辨率以能分辨的物方两点间最短距离显微镜的分辨率以能分辨的物方两点间最短距离来表示，即：来表示，即：若按道威判断两相邻衍射斑中心距为若按道威判断两相邻衍射斑中心距为0.85a时，能被分辨开，即：时，能被分辨开，即：系统的理想系统的理想分辨率分辨率系统的理系统的理想分辨率想分辨率光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数 距离距离为为的两个点不的两个点不仅仅被物被物镜镜分辨，且通分辨，且通过过目目镜镜放大，能被眼放大，能被眼区分开，区分开，设设眼的分辨角距离眼的分辨角距离为为24。则则在明在明视视距离上距离上对应对应的的线线距距离离为为：把把换算到物空间，按道威判断取换算到物空间，按道威判断取值，则：值，则：设设=555nm，得：，得：显微镜的有显微镜的有效放大率效放大率 一般最大的一般最大的NA为为1.5，则则有效放大率最大有效放大率最大不超不超过过1500倍。倍。能够被物镜分辨的细节，要同时被眼睛分辨，要求显微镜有恰当的放能够被物镜分辨的细节，要同时被眼睛分辨，要求显微镜有恰当的放大率；而显微镜的有效放大率范围，又取决于物镜的分辨率或数值孔径。大率；而显微镜的有效放大率范围，又取决于物镜的分辨率或数值孔径。光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数53 显显微微镜镜上上标标明明170mm/0.17；40/0.65。表示放大率。表示放大率为为40，数，数值值孔孔径径为为0.65，机械筒，机械筒长长170mm，物，物镜对镜对玻璃厚度玻璃厚度d=0.17mm的玻璃盖的玻璃盖板校正像差的。板校正像差的。显微镜系统设计显微镜系统设计光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数显微镜系统设计显微镜的景深显微镜的景深 当眼通过显微镜调焦于某一平面（对准平面）时，在对准当眼通过显微镜调焦于某一平面（对准平面）时，在对准平面前和后一定范围内的物体也能清晰成像，此距离即为显微平面前和后一定范围内的物体也能清晰成像，此距离即为显微镜的镜的景深景深。不考虑眼睛调节能力时显微镜本身的景深，不考虑眼睛调节能力时显微镜本身的景深，几何景深几何景深；考虑眼睛调节能力带来的景深，考虑眼睛调节能力带来的景深，调节景深调节景深。光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数显微镜系统设计显微镜的照明方式显微镜的照明方式透射光亮视场照明。光通过透明透射光亮视场照明。光通过透明物体产生亮视场。物体产生亮视场。反射光亮视场照明。对不透明的物体，从上面照射产生漫射或规反射光亮视场照明。对不透明的物体，从上面照射产生漫射或规则的反射形成亮视场。则的反射形成亮视场。透射光暗视场照明。倾斜入射的照明光束在物体旁侧向通过，光透射光暗视场照明。倾斜入射的照明光束在物体旁侧向通过，光束通过物体结构的衍射、折射和反射，射向物镜，形成物体的像，束通过物体结构的衍射、折射和反射，射向物镜，形成物体的像，则获得暗视场。则获得暗视场。反射光暗视场照明。在旁侧入射到物体上的照明光束经反射后在反射光暗视场照明。在旁侧入射到物体上的照明光束经反射后在物镜侧向通过，若无缺陷的反射镜作为物体，得到一均匀暗视场。物镜侧向通过，若无缺陷的反射镜作为物体，得到一均匀暗视场。光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数显微镜系统设计透明物体的照明方法透明物体的照明方法 生物显微镜多为透明标本，常用透射光亮视场照明，分为生物显微镜多为透明标本，常用透射光亮视场照明，分为临界照明和柯勒照明。临界照明和柯勒照明。临界照明临界照明：把光源的像成在物平面上，故光源表面亮度的：把光源的像成在物平面上，故光源表面亮度的不均匀性会影响显微镜的观察效果。不均匀性会影响显微镜的观察效果。聚光镜的出瞳和像方视场分别与物镜的入瞳和物方视场重合。聚光镜的出瞳和像方视场分别与物镜的入瞳和物方视场重合。光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数显微镜系统设计 柯勒照明消除了临界照明中物平面光照度不均匀的缺点，它柯勒照明消除了临界照明中物平面光照度不均匀的缺点，它由两组透镜组成，前组透镜为柯勒镜，后组透镜为成像物镜。由两组透镜组成，前组透镜为柯勒镜，后组透镜为成像物镜。调节调节光光阑阑2有利于减少有害的散射光，有利于减少有害的散射光，调节调节1减少有害的减少有害的杂杂散散光，提高光，提高对对比度。比度。柯勒镜的孔阑柯勒镜的孔阑聚光镜的视阑聚光镜的视阑柯勒镜的视阑柯勒镜的视阑聚光镜的孔阑聚光镜的孔阑光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数显微镜系统设计不透明物体的照明方法不透明物体的照明方法 观察不透明物体时，如金相显微镜，往往是采用从侧面或上观察不透明物体时，如金相显微镜，往往是采用从侧面或上面照明的方法。最常见的是图示的照明方法，利用显微镜的物面照明的方法。最常见的是图示的照明方法，利用显微镜的物镜兼做聚光镜。镜兼做聚光镜。光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数显微镜系统设计用暗视场观察微粒的方法用暗视场观察微粒的方法 用暗视场方法可以观察用暗视场方法可以观察超显微质点超显微质点。所谓超显微质点，是指那。所谓超显微质点，是指那些小于显微镜分辨极限的微小质点。暗视场可以使进入物镜的是被些小于显微镜分辨极限的微小质点。暗视场可以使进入物镜的是被微粒散射的光线，在暗的背景上产生亮的微粒像，对比度高，从而微粒散射的光线，在暗的背景上产生亮的微粒像，对比度高，从而提高分辨率。提高分辨率。光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数显微镜系统设计 暗视场分为单向和双向照明。暗视场分为单向和双向照明。单向照明单向照明对观察微粒的存在和运动对观察微粒的存在和运动是有效的，但对物体的细节再现不是有效的，有是有效的，但对物体的细节再现不是有效的，有“失真现象失真现象”。双向照明双向照明可以消除这种失真现象，它是在普通三透镜聚光镜前放可以消除这种失真现象，它是在普通三透镜聚光镜前放置一环形光阑，由聚光镜最后一片和载物玻璃片间浸以液体，经聚光置一环形光阑，由聚光镜最后一片和载物玻璃片间浸以液体，经聚光镜后的环形光束在玻璃盖片内全反射而不能进入显微物镜，只有经微镜后的环形光束在玻璃盖片内全反射而不能进入显微物镜，只有经微粒散射的光进入显微物镜。粒散射的光进入显微物镜。光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数2024/5/1 周三61物镜类型低倍（双胶合型）中倍（里斯特型）高倍（阿米西型）高倍（浸油型）放大率36810406390100数值孔径0.10.150.250.30.40.851.251.4 数值孔径与放大倍率匹配关系数值孔径与放大倍率匹配关系光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数2024/5/1 周三62光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数 望望远镜远镜系系统统是一种能把是一种能把远远距离物体相距离物体相对对于眼睛的于眼睛的张张角放大，便于角放大，便于进进行行观观察和瞄准的目察和瞄准的目视视光学光学仪仪器。器。工作原理工作原理 使入射的平行光束仍保持平行射出的光学系使入射的平行光束仍保持平行射出的光学系统统。其物。其物镜镜的像方焦点的像方焦点和目和目镜镜的物方焦点重合。即光学的物方焦点重合。即光学间间隔隔=0，是无焦系，是无焦系统统。望。望远镜远镜的物的物镜镜f00，目，目镜镜有两种：有两种：fe0为为开普勒望开普勒望远镜远镜，反之，反之为为伽利略望伽利略望远镜远镜。开普开普勒望勒望远镜远镜二、望远镜系统二、望远镜系统光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数望远镜系统设计伽利伽利略望略望远镜远镜光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数望远镜系统设计垂轴放大率：垂轴放大率：角放大率：角放大率：手持望手持望远镜远镜的放大率不超的放大率不超过过10倍，大地倍，大地测测量望量望远镜远镜大大约为约为30倍，倍，天文望天文望远镜远镜更高。更高。光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数望远镜系统设计 开普勒望开普勒望远镜远镜成倒像，需加入成倒像，需加入转转像系像系统统成正像。成正像。转转像系像系统统分分为为棱棱镜转镜转像系像系统统和和透透镜转镜转像系像系统统。棱棱镜转镜转像系像系统统用于筒用于筒长较长较短且短且结结构构紧紧凑望凑望远镜远镜中。不改中。不改变变其放其放大率。大率。军用望远镜军用望远镜棱镜转像系统棱镜转像系统 光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数光学系统和光学传递函数望远镜系统设计 透镜转像系统透镜转像系统用于长镜筒的望远镜中。增加系统的长度，改用于长镜筒的望远镜中。增加系统的长度，改变系统的视觉放大率，有单组和双组两种形式。双组系统的两转变系统的视觉放大率，有单组和双组两种形式。双组系统的两转像透镜之间的光束是平行的，改变两透镜之间的距离不会影响系像透镜之间的光束是平行的，改变两透镜之间的距离不