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1、,贵州,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,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,刚可分辨：,人眼：,2.典型成像系统的分辨率,望远镜,最小分辨角：,照像物镜,像面每毫米能分辨的线数N：,D为通光孔径,A为相对孔径,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。,
2、取=555nm,正常放大率,放大率一般设计为0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？,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。,u,物镜,像面,数值孔径,显微物镜,3.工程应用分析,显微镜成像分辨率的提升,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.
3、1角秒,6.5m口径,红外观测,2018年,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）,500m,3.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？,=1mm-30m,射电,=0.4-0.76m,光学：,0.01nm0.1nm,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？,6.5m,哈勃望远镜,韦伯望远镜,2.4m,2018年,分辨率：0.1
4、角秒,分辨率：0.1角秒,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2m波长分辨率理论值：,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（photoactivated localization microscopy，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（photoactivated localiza
5、tion microscopy，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（photoactivated localization microscopy，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（photoactivated localization microscopy，PALM）,用激光控制所有荧光点逐步亮，每亮一个得
6、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（photoactivated localization microscopy，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（photoactivated localization microscopy，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
7、射极限,超分辨率荧光显微技术典型：光激活定位显微镜（photoactivated localization microscopy，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（photoactivated localization microscopy，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（photoactivated
8、 localization microscopy，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（photoactivated localization microscopy，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（photoactivated localization microscopy，PALM）,用激光控制所有荧光
9、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（photoactivated localization microscopy，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（photoactivated localization microscopy，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,创新：突破衍射极限,知识扩展,国际著名
10、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,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810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
11、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,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。,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. Born M, Wolf E. Principles of optics: electromagnetic theory of propagation, interference and diffraction of lightM. El
12、sevier, 2013.2. DeCusatis, C.,Enoch, J. Handbook of optics (Vol. 2). M. Bass (Ed.). New York: 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. Gardner J P, Mather J C, Clampin M, et al. The james webb space telescopeJ. Space Science Reviews, 2006, 123(4): 485-606.6. J
13、ohns M, McCarthy P, Raybould K, et al. Giant Magellan Telescope: overviewC/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. Williams D B, Carter C B. The transmission electron microscopeJ. Transmission electron microscopy, 2009: 3-22.9. Egerton R F. Physical principles of electron microscopy: an introduction to TEM, SEM, and AEMM. Springer, 2016.,谢谢指导！,
