光学系统的分辨本领

贵州“慧眼”HXMT硬X射线望远镜20.5m2017.6“天眼”Fast射电望远镜2016.9500m成像系统的分辨率课程：物理光学2017年7月1.成像系统的分辨率相机显微镜望远镜一般分辨率高分辨率分辨率：光学系统分辨细微结构的能力。1.成像系统的分辨率01.22D00rR0孔径光阑R0r分辨率的限制因素：成像系统孔径光阑的衍射。1.成像系统的分辨率瑞利判据：当一象斑中心恰好落在另一象斑边缘,则此两物点恰可被分辨。瑞利1.成像系统的分辨率01.22D刚可分辨：0人眼：1.22D6555101.2221'**'f1S2SD02.典型成像系统的分辨率望远镜01.22D最小分辨角：照像物镜像面每毫米能分辨的线数N：'011.22ANfD为通光孔径'DAfA为相对孔径恰可分辨案例分析现有一个通光口径为30mm，焦距为250mm的物镜镜头，设计一个目视望远镜系统主要结构,要求充分利用分辨率。1.22D取λ=555nm4.67''060tan''=tan仪正常放大率放大率一般设计为Γ0的1.5到3倍。这里可设计为：如何理解“充分利用分辨率”？设计思路？25=1286.10f=mm目仪60''2.典型成像系统的分辨率显微镜的分辨率：物面上最小分辨距离ε。u物镜像面数值孔径'l01.22'''llDD01.22Dn'1nsinsinnunu/2sin'''Duul0.610.61sinnuNA'uunsinNAnu显微物镜'AB3.工程应用分析显微镜成像分辨率的提升sinNAnu0.61NA减小波长增大数值孔径紫外滤光片电子显微镜增大孔径角u油浸物镜典型浸液：香柏油（n=1.52）东京大学开发的电子显微镜分辨率：0.045纳米3.工程应用分析显微镜成像分辨率的提升3.工程应用分析望远镜成像分辨率的提升–太空光学望远镜哈勃望远镜2.4m口径可见光观测分辨率：0.1角秒韦伯望远镜分辨率：0.1角秒6.5m口径红外观测2018年哈勃韦伯3.工程应用分析望远镜成像分辨率的提升–地基光学望远镜凯克望远镜10m口径分辨率：0.1角秒欧洲极大望远镜39.3m口径分辨率：0.01角秒2024年FAST球面射电望远镜（中国贵州）阿雷西博射电望远镜波多黎各300m500m3.工程应用分析望远镜成像分辨率的提升–射电望远镜4.讨论探究探究问题一：为何设计射电望远镜要比光学望远镜口径大得多？1.22DFAST球面射电望远镜500m中国贵州凯克望远镜10mλ=1mm-30m射电λ=0.4-0.76μm光学：0.01nm～0.1nm硬X射线：4.讨论探究探究问题二：为何韦伯和哈勃的分辨率相近？1.22D6.5m哈勃望远镜韦伯望远镜2.4m2018年分辨率：0.1角秒分辨率：0.1角秒可见光：λ=555nm近红外：λ=2000nm凯克望远镜10m分辨率：0.1角秒4.讨论探究探究问题三：为何凯克望远镜的实际分辨率比理论分辨率小很多？在2μm波长分辨率理论值：1.220.05D角秒大气湍流影响成像自适应光学消除大气湍流的影响若同时观察各荧光点，因衍射斑叠加，不可分辨。衍射极限：200nm创新：突破衍射极限超分辨荧光显微技术典型：光激活定位显微镜（photoactivatedlocalizationmicroscopy，PALM）用激光控制所有荧光点逐步亮，每亮一个得到一个衍射圆斑，找到它的中心，然后把所有亮斑中心位置描到右边图里。创新：突破衍射极限超分辨荧光显微技术典型：光激活定位显微镜（photoactivatedlocalizationmicroscopy，PALM）用激光控制所有荧光点逐步亮，每亮一个得到一个衍射圆斑，找到它的中心，然后把所有亮斑中心位置描到右边图里。创新：突破衍射极限超分辨荧光显微技术典型：光激活定位显微镜（photoactivatedlocalizationmicroscopy，PALM）用激光控制所有荧光点逐步亮，每亮一个得到一个衍射圆斑，找到它的中心，然后把所有亮斑中心位置描到右边图里。创新：突破衍射极限超分辨率荧光显微技术典型：光激活定位显微镜（photoactivatedlocalizationmicroscopy，PALM）用激光控制所有荧光点逐步亮，每亮一个得到一个衍射圆斑，找到它的中心，然后把所有亮斑中心位置描到右边图里。创新：突破衍射极限超分辨率荧光显微技术典型：光激活定位显微镜（photoactivatedlocalizationmicroscopy，PALM）用激光控制所有荧光点逐步亮，每亮一个得到一个衍射圆斑，找到它的中心，然后把所有亮斑中心位置描到右边图里。创新：突破衍射极限超分辨率荧光显微技术典型：光激活定位显微镜（photoactivatedlocalizationmicroscopy，PALM）用激光控制所有荧光点逐步亮，每亮一个得到一个衍射圆斑，找到它的中心，然后把所有亮斑中心位置描到右边图里。创新：突破衍射极限超分辨率荧光显微技术典型：光激活定位显微镜（photoactivatedlocalizationmicroscopy，PALM）用激光控制所有荧光点逐步亮，每亮一个得到一个衍射圆斑，找到它的中心，然后把所有亮斑中心位置描到右边图里。创新：突破衍射极限超分辨率荧光显微技术典型：光激活定位显微镜（photoactivatedlocalizationmicroscopy，PALM）用激光控制所有荧光点逐步亮，每亮一个得到一个衍射圆斑，找到它的中心，然后把所有亮斑中心位置描到右边图里。创新：突破衍射极限超分辨率荧光显微技术典型：光激活定位显微镜（photoactivatedlocalizationmicroscopy，PALM）用激光控制所有荧光点逐步亮，每亮一个得到一个衍射圆斑，找到它的中心，然后把所有亮斑中心位置描到右边图里。创新：突破衍射极限超分辨率荧光显微技术典型：光激活定位显微镜（photoactivatedlocalizationmicroscopy，PALM）用激光控制所有荧光点逐步亮，每亮一个得到一个衍射圆斑，找到它的中心，然后把所有亮斑中心位置描到右边图里。创新：突破衍射极限超分辨率荧光显微技术典型：光激活定位显微镜（photoactivatedlocalizationmicroscopy，PALM）用激光控制所有荧光点逐步亮，每亮一个得到一个衍射圆斑，找到它的中心，然后把所有亮斑中心位置描到右边图里。创新：突破衍射极限超分辨率荧光显微技术典型：光激活定位显微镜（photoactivatedlocalizationmicroscopy，PALM）用激光控制所有荧光点逐步亮，每亮一个得到一个衍射圆斑，找到它的中心，然后把所有亮斑中心位置描到右边图里。创新：突破衍射极限超分辨率荧光显微技术典型：光激活定位显微镜（photoactivatedlocalizationmicroscopy，PALM）光激活定位显微镜（已做成产品投入市场）创新：突破衍射极限普通显微镜（200nm）超分辨率荧光显微镜（20nm）创新：突破衍射极限知识扩展国际著名光学望远镜的主镜尺寸比较我国大型望远镜工程状况：射电望远镜、硬X射线望远镜已跻身国际主流行列；但光学望远镜与国际相差很大！知识扩展慧眼：HXMT硬X射线望远镜巨眼：FAST球面射电望远镜500m中国贵州目前中国建造的最大的通用型光学望远镜是2.16米望远镜。全世界已有14架8—10米口径的光学红外望远镜，没有一架在中国。国内研究者不得不借用国外的望远镜时间。知识扩展国家天文台兴隆基地的2.16米口径“通用型望远镜”。中国参与的国际合作项目30米望远镜（TMT）知识扩展方案一：中国参与建设在夏威夷的30米望远镜国际合作建设项目；方案二：中国自建一个12米光学红外望远镜。2016年，国家发改委明确将“大型光学红外望远镜”列为“十三五”时期10个优先支持建设的项目。一般光学显微镜的分辨率极限为200nm，要突破这个极限就必须避开光学成像的孔径衍射。典型的方法是通过近场隐失波扫描成像。知识扩展un望远镜显微镜相机01.22D1.22AN0.61NA•增大数值孔径;•减小波长。•增大通光口径;•减小波长。•增大相对口径;•减小波长。sinNAnu课堂小结作业布置与参考文献查阅文献，调研大型天文望远镜相关研究背景，撰写2000字以上调研报告。1.BornM,WolfE.Principlesofoptics:electromagnetictheoryofpropagation,interferenceanddiffractionoflight[M].Elsevier,2013.2.DeCusatis,C.,Enoch,J.Handbookofoptics(Vol.2).M.Bass(Ed.).NewYork:McGraw-Hill.(2001)3.郁道银，工程光学（第3版），机械工业出版社，20114.李林，应用光学（第4版），北京理工大学出版社，20105.GardnerJP,MatherJC,ClampinM,etal.Thejameswebbspacetelescope[J].SpaceScienceReviews,2006,123(4):485-606.6.JohnsM,McCarthyP,RaybouldK,etal.GiantMagellanTelescope:overview[C]//Proc.SPIE.2012,8444:84441H.7.郑永春,高原.走近中国“天眼”——FAST射电望远镜[J].军事文摘,2016(20):46-49.8.WilliamsDB,CarterCB.Thetransmissionelectronmicroscope[J].Transmissionelectronmicroscopy,2009:3-22.9.EgertonRF.Physicalprinciplesofelectronmicroscopy:anintroductiontoTEM,SEM,andAEM[M].Springer,2016.