光学系统的分辨本领
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显微镜的分辨本领
重要性
显微镜的分辨本领决定了其在科 学研究、医学诊断、工业检测等 领域的应用价值。
应用领域
生物学、医学、材料科学、半导 体工业等领域都需要高分辨本领 的显微镜进行观察和分析。
02
显微镜的基本原理
光学显微镜原理
光的折射与反射
光学显微镜通过透镜将光线折射 或反射，将物体放大并形成图像。
目镜与物镜
光学显微镜通常由目镜和物镜组成， 物镜将物体放大并形成中间像，目 镜再将中间像放大，最终在人眼中 形成清晰图像。
显微镜的分辨本领
• 引言 • 显微镜的基本原理 • 分辨本领的概念及影响因素 • 分辨本领在科学研究中的应用 • 未来展望与挑战
01
引言
主题简介
显微镜的分辨本领是指显微镜能够区 分两个相邻的点目标的最小距离。
分辨本领是衡量显微镜性能的重要参 数，它决定了显微镜的观察精度和细 节分辨能力。
重要性及应用领域
高分辨本领显微镜能够观察到微生物的形态和内部结构， 有助于微生物分类和鉴定，以及研究微生物与环境之间的 相互作用。
生物分子结构
高分辨本领显微镜能够观察生物分子的结构和动态，有助 于深入了解生物大分子的结构和功能，为药物设计和生物 工程提供有力支持。
材料科学
晶体结构
高分辨本领显微镜能够观察到材料的晶体结构和相变过程，有助于深入了解材料的物理和 化学性质，为新材料的研发和应用提供重要信息。
表面形貌
显微镜分辨本领的提高有助于更清晰地观察材料表面形貌和微观结构，了解材料的表面特 性和力学性能，有助于材料性能的优化和改进。
纳米材料
高分辨本领显微镜能够观察到纳米材料的结构和形态，有助于研究纳米材料的物理和化学 性质，为纳米科技的发展和应用提供有力支持。
光学系统的分辨本领
2R
R
2R
在S '点，x y 0,得到
r R x12 y12 2R
根据菲涅耳近似，在像面上的复振幅分布：
E~x, y expikR iR
E~x1,
y1
exp{ ik
2R
[(x
x1 ) 2
(
y
y1 ) 2
]}dx1dy1
会聚球面波
E x1, y1
A exp(ikr) r
r R x12 y12 2R
非指数项中： r R
E~x1,
y1
A R
exp(ikR) exp[
ik 2R
( x12
y12 )]
,带入得
E~x, y A' exp[ ik (x 2 y 2 )] iR 2R
exp[ik (
x R
x1
y R
y1 )]dx1dy1
在像面上观察到的
E~x, y C
E~x1,y1源自expikx1
x f
y1
y f
dx1dy1
近处点物的衍射像 是孔径光阑的夫琅 和费衍射图样
单色平面波时， E~x1, y1 1
C
exp[ik(x 2 y 2 )]
A'
2f if
2
透镜的分辨本领
几何光学：
( 经透镜 )
物点 象点
物(物点集合) 象(象点集合)
波动光学 ：
( 经透镜)
物点 象斑
物(物点集合) 象 (象斑集合)
§5－6 光学成像系统的衍射和分辨本领
实际情况： 1. 会聚球面波照射孔径。 2. 衍射像在焦平面轴线上，
D
L (x1,y1)
r
光学仪器的像分辨本领
4.光学仪器的像分辨本领1.在50公里远处有两只弧光灯，今用一通光孔径为40mm 的望远镜观察它们，并在物镜前置一宽度可调的缝，缝的宽度方向和两弧光灯连线方向一致。
观察发现，当缝宽减至30mm 时，两光源恰可被分辨，缝再窄就分辨不清了。
取波长为600nm，试问两弧光灯之间的距离是多少？解：恰可分辨时，满足瑞利判据，一个灯的中央衍射极大恰与另一灯的第一衍射极小相重，即最小分辨角为。
故两灯的间距为()a /sin1λθ−=mL l 1=⋅=∆θ2.一直径为2mm 的氦氖激光管，发出波长为632.8nm 的氦氖激光，问：射向远离我们公里的月球，则月球上的光斑有多大？若先将激光束扩束51076.3×成直径为5m 的光束，则射向月球在月球上的光斑又是多大？解：激光管直径为2mm 时，月球上光斑直径为m aL D 5109.2222.1×=×⋅=λ月地将激光扩束至5m 直径，增大了2500倍，则月球上光斑直径也缩小2500倍，为m21016.1×3.一对双星的角距离为，要用多大口径的望远镜才能把它们分辨开？''05.0这样的望远镜的正常放大率是多少？解：望远镜最小分辨角，已知，，故望远镜D /22.1λθ=µλ55.0=''05.0=θ物镜的口径直径为m D 77.222.1==θλ瞳孔直径d 在夜间可取成6mm，故望远镜正常放大率为倍462=D 4.宇航员声称他恰能分辨在他下面100公里地面上两个黄绿点光源。
若瞳孔直径为4mm，试估算这两个点光源的间距。
解：两个点光源的间距为m dL l 8.1622.1=×=λ5.一架光圈数最大为2.8的优质照相机，现在用它来拍摄天上的星点，试计算其像面上的像点有多大？解：已知，，像点大小就是艾里斑直径，它是，µλ55.0=8.2/'==D f F l 2而µλ88.1/22.1'=×=D f l 故直径为3.76微米。
光学成像系统的衍射和分辨本领
Z 0 1.220 = 3.832 1.635 = 5.136 2.233 = 7.016 2.679 = 8.417 3.238 = 10.174 3.699 = 11.620
［2J1(Z)/Z］2 1 0
0.0175 0
0.00415 0
0.0016
光能分布 83.78％ 0 7.22％ 0 2.77％ 0 1.46％
0
1.22
D
(52)
R
>0
能 分 辨
0
1.22
D
=0
恰
1.0
能
0.81
分
辨
θ0
<0
不 能 分 辨
人眼的最小分辨角约为 1，教室中最后一排(距黑板 15m )的学生对黑板上的两条黄线(5893Å)的最小分辨距 离为多少？并估计瞳孔直径大小。
*S1
dmin
*S2
L
I
解：当两黄线恰可分辨时，两爱里斑中心到人眼张角 为最小分辨角
➢瑞利判据:两个波长的亮条纹只有当它们的合强度曲线 中央极小值低于两边极大值的81%时,才算被分开
IM
0.81IM
G F
设有Sl 和S2 两个非相干点光源，间距为，它们到直
径为D 的圆孔距离为 R，则S1和S2对圆孔的张角 为
R
L
S1
S2
D
R
S1 和 S2 将分别在观察屏上形成各自的弗朗和费衍射
图样。假设其爱里斑中心关于圆孔的张角为0
dmin L
0
1
两条线的最小距离分辨角
1 1 π
dmin
0L
60 180
15 0.00436(m)
由于 因此
0
光学仪器的分辨本领
光学仪器的分辨本领第四章光学仪器的基本原理●学习⽬的通过本章的学习，使得学⽣熟悉光学仪器的基本原理，掌握如何使⽤这些光学仪器，了解基本光学仪器的构造和原理以及正确的使⽤⽅法。
●内容提要1、掌握光学仪器的基本⼯作原理；2、了解⼏何光学仪器的构造、使⽤⽅法；3、了解助视仪器的分辨率；4、光度学基础。
●重点1、光学仪器的基本⼯作原理；2、⼏何光学仪器的构造、使⽤⽅法；3、助视仪器的分辨率。
●难点1、光学仪器的基本⼯作原理；2、助视仪器的分辨率。
●计划学时计划授课时间6学时●教学⽅式及教学⼿段课堂集中式授课，采⽤多媒体教学。
●参考书⽬1、《光学教程》第三版姚启钧著，⾼等教育出版社，第四章2、《光学》第⼆版章志鸣等编著，⾼等教育出版社，第三章3、《光学原理》上册，玻恩，科学出版社，第三、四、五、六章§4.1 ⼏何光学仪器⼀、⼈的眼睛1. 眼球壁主要分为外、中、内三层外层由⾓膜、巩膜组成。
前1/6为透明的⾓膜，其余5/6为⽩⾊的巩膜，俗称“眼⽩”。
眼球外层起维持眼球形状和保护眼内组织的作⽤。
⾓膜是接受信息的最前哨⼊⼝。
⾓膜是眼球前部的透明部分，光线经此射⼊眼球。
⾓膜稍呈椭圆形，略向前突。
横径为11.5—12mm ，垂直径约10.5—11mm 。
周边厚约1mm ，中央为0.6mm 。
⾓膜前的⼀层泪液膜有防⽌⾓膜⼲燥、保持⾓膜平滑和光学特性的作⽤。
⾓膜含丰富的神经，感觉敏锐。
因此⾓膜除了是光线进⼊眼内和折射成像的主要结构外，也起保护作⽤，并是测定⼈体知觉的重要部位。
巩膜为致密的胶原纤维结构，不透明，呈乳⽩⾊，质地坚韧。
中层⼜称葡萄膜，⾊素膜，具有丰富的⾊素和⾎管，包括虹膜、睫状体和脉络膜三部分。
虹膜：呈环圆形，在葡萄膜的最前部分，位于晶体前，有辐射状皱褶称纹理，表⾯含不平的隐窝。
不同种族⼈的虹膜颜⾊不同。
中央有⼀2.5-4mm 的圆孔，称瞳孔。
睫状体：前接虹膜根部，后接脉络膜，外侧为巩膜，内侧则通过悬韧带与晶体⾚道部相连。
光学仪器的色分辨本领课件
的应用
中的角色
的价值
光学仪器在医疗领域广泛应 用，如内窥镜、眼科显微镜 等，帮助医生进行精准诊断 和治疗。
光学仪器在工业制造中发挥 关键作用，如光学测量仪器 用于精确测量，提高产品质 量。
光学仪器在科研领域具有重 要价值，如光谱仪用于物质 分析，推动科学研究的深入 发展。
02 色分辨本领的定义
色分辨本领的基本概念
滤光片是分光系统中的重要 组成部分，它能够选择性地 透过特定波长的光，从而将 不同波长的光分离开来，实 现色分辨。
色分辨在光谱分析中的应用
1 色分辨在光谱分析中的重要性
色分辨在光谱分析中扮演着关键角色，它可以精确测量和识别各种波长的光，从而获取物 质的详细信息。
2 色分辨技术的种类和应用
色分辨技术有多种，如棱镜分光、光栅分光等，它们广泛应用于环境监测、医学诊断等领 域，提供准确数据支持。
未来，色分辨技术将更加精 准，应用领域将更加广泛， 为人类的生活带来更多的便 利和可能性。
当前色分辨技术的应用领域
医学影像诊断
在医学领域，色分辨技术被广 泛应用于影像诊断，如X光、 CT、MRI等设备，帮助医生更 精确地识别和分析病灶。
光学显微镜观察
在生物学研究中，色分辨技术 使光学显微镜能够观察到更多 微小的细节，例如细胞结构、 分子组成等，推动了科学研究 的深入。
3 色分辨技术的挑战与未来发展
尽管色分辨技术已取得显著进步，但仍面临诸如精度、速度等挑战。然而，随着科技的发 展，我们期待看到更先进的色分辨技术的出现。
提升光学仪器色分辨的方法
色分辨原理的深入理 采用高分辨率的光学 利用先进的数字处理
解
元件
技术
通过掌握光的干涉、衍射和 偏振等基本原理，可以加深 对光学仪器色分辨的理解， 从而提升其性能。
物理光学课件：3_4光学成像系统的衍射和分辨本领
D
显微物镜
S1 u
0
S2
0.61 数值孔径 nsin u NA n sin u
S’2
u’
S’1
l
增大分辨率的方法：减小物距（减小物镜焦距）、增 大 n、减小波长。
电子显微镜可见区
光学显微镜可见区
近场光学显微镜可见区
纳米科 学
举例
0
1.22
D
在正常照明下，人眼瞳孔直径约为3mm，对于最
小刻度为毫米mm的尺子，离眼睛的距离不能超过
点光源距 离较大 可分辨
符合 瑞利 判据
点光源距 离太小
不可分辨
透镜的分辩本领 ( 经透镜 )
几何光学： 物点(集合) 象(点集合)
( 经透镜 )
波动光学 ： 物点 象斑
物点(集合) 象斑 (集合)
衍射限制了透镜的分辨能力。
二、几种常见的光学系统的分辨本领
（1）望远镜的分辨本领
点物对望远镜的张角：
§3－4 光学成像系统的衍射和分辨本领
一、像面上的夫琅和费衍射
L1
D L2
S
S’
夫琅和费
衍像
S’
系统
R
公式推导：
E x, y exp(ikR)
i R
E ( x1 ,
y1 )
exp
ik 2R
( x
x1 ) 2
(
y
y1 ) 2
dx1dy1
E ( x1 ,
y1 )
（2）照像物镜的分辨本领
感光底片上的最小分辨像距：
＝f 0 1.22 f D (mm)
感光底片上单位长度（mm）能分辨像点数：
N1 D
mm1
1.22 f
02-32.3 光学成像系统的分辨本领
1.22 0.55 10 6 6
1.12 107 rad
(3) 照相物镜的分辨本领
若照相物镜的孔径为 D，相应第一极小的 衍射角为 0，则底片上恰能分辨的两条直 线之间的距离 为
f0 1.22 f
(44) D
照相物镜的分辨本领用底片上每毫米内能成多少条恰能分开的线条数 N
表示：
N1 1D
(45)
1.22 f
1.22 0.55 10 3 2
3.3 104 rad
(2) 望远镜的分辨本领 望远镜的作用相当于增大人眼睛的瞳孔。设望 远镜物镜的圆形通光孔径直径为 D，则根据瑞 利判据，张角 为
0 1ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ22D
天文望远镜物镜的直径做得可达6m，对于0.55 m的单色光来说，比人 眼的分辨本领要大三干倍左右：
1.22 D
瑞利判据：两个强度波长的两条纹只有当
G IM
它们的合强度曲线中央极小值低于两边极
0.81IM
F
大值的81%时，才算被分开。
2) 几种光学成像系统的分辨本 (领1) 人眼睛的分辨本领
当人眼瞳孔直径为2mm 时，对于最敏 感的光波波长 =0.55 m，可以算得 人眼 的最小分辨角 e为
e
1.22 D
如图所示，设有Sl 和S2 两个非相 干点光源，间距为 ，它们到直径
为D 的圆孔距离为 R，则S1和S2对 圆孔的张角 为
L S1
S2
D
R
R
由于圆孔的衍射效应，S1和 S2 将分别在观察屏上形成各自的衍射图样。
假设其爱里斑关于圆孔的张角为 ，0 则由(40)式有
0
1.22 D
(42)
0
0
f
0.61 (40) a
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“天眼”
“慧眼”
0.5m2
500m
HXMT硬X射线望远镜 2017.6
Fast射电望远镜
2016.9
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
❖ 分辨率：光学系统分辨细微结构的能力。
望远镜
一般分辨率
高分辨率
显微镜 相机
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。
➢ 如何理解“充分利用分辨率”？ ➢ 设计思路？
1.22 取λ=555nm 4.67 ''
D
60 ''
仪
0
=
tan 仪 tan
60''
12.86
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： =25
f目=10mm
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。
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）
1. Born M, Wolf E. Principles of optics: electromagnetic theory of propagation, interference and diffraction of light[M]. Elsevier, 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，2011 4. 李林，应用光学（第4版），北京理工大学出版社，2010 5. Gardner J P, Mather J C, Clampin M, et al. The james webb space telescope[J]. Space Science Reviews, 2006, 123(4): 485-606. 6. Johns M, McCarthy P, Raybould K, et al. Giant Magellan Telescope: 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. Williams D B, Carter C B. The transmission electron microscope[J]. Transmission electron microscopy, 2009: 3-22. 9. Egerton R F. Physical principles of electron microscopy: an introduction to TEM, SEM, and AEM[M]. Springer, 2016.
❖ 显微镜成像分辨率的提升
0.61
NA 增大数值孔径
增大孔径角u
油 浸 物 镜 典型浸液：香柏油（n=1.52）
NA nsin u
减小波长
紫 外 滤 光 片
电 子 显 微 镜
3.工程应用分析
❖ 显微镜成像分辨率的提升
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
❖ 望远镜成像分辨率的提升 – 太空光学望远镜
❖ 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。
课堂小结
0
1.22
D
望远镜
• 增大通光口径; • 减小波长。
0.61
NA
显微镜
相机
N A
1.22
• 增大相对口径; • 减小波长。
u n NA nsin u
• 增大数值孔径; • 减小波长。
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。
创新：突破衍射极限
❖ 普通显微镜 （200nm）
❖ 超分辨率荧光显微镜 （20nm）
❖ 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
知识扩展
❖ 国际著名光学望 远镜的主镜尺寸 比较
知识扩展
❖ 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！
波多黎各
300m
阿雷西博射电望远镜
FAST球面射电望远镜（中国贵州）
500m
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？
凯克望远镜
FAST球面射电望远镜
10m
1.22
D
500m
中国贵州
射电 λ=1mm-30m 光学：λ=0.4-0.76μm
硬X射线：0.01nm～0.1nm
4.讨论探究
探究问题二：为何韦伯和哈勃的分辨率相近？
哈勃望远镜
韦伯望远镜
1.22
D
2.4m 分辨率：0.1角秒
可见光：λ=555nm
6.5m
2018年
分辨率：0.1角秒
近红外：λ=2000nm
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？
凯克望远镜
在2μm波长分 辨率理论值：
孔径 光阑
0
r0
R
0
1.22
D
r0 0R
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,则此像系统的分辨率
0
❖ 刚可分辨：
0
1.22
D
人眼：
1.22
555 106 1.22
1'
D
2
2.典型成像系统的分辨率
慧眼：HXMT硬X射线望远镜
500m
中国贵州 巨眼：FAST球面射电望远镜
知识扩展
❖ 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。
国家天文台兴隆基地的2.16米口径“通用型望远镜”。
物镜 uD
0
1.22
D
像 面
B
u'
A n n'1
'
l'
'
l
'0
1.22l
D
'
nsin u nsin u
sin u ' u ' D / 2 l'
0.61 0.61
nsin u NA
数值 孔径
显微物镜
u n NA nsin u
3.工程应用分析
❖ 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。
❖ 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。
❖ 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）
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）
“慧眼”
0.5m2
500m
HXMT硬X射线望远镜 2017.6
Fast射电望远镜
2016.9
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
❖ 分辨率：光学系统分辨细微结构的能力。
望远镜
一般分辨率
高分辨率
显微镜 相机
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。
➢ 如何理解“充分利用分辨率”？ ➢ 设计思路？
1.22 取λ=555nm 4.67 ''
D
60 ''
仪
0
=
tan 仪 tan
60''
12.86
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： =25
f目=10mm
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。
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）
1. Born M, Wolf E. Principles of optics: electromagnetic theory of propagation, interference and diffraction of light[M]. Elsevier, 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，2011 4. 李林，应用光学（第4版），北京理工大学出版社，2010 5. Gardner J P, Mather J C, Clampin M, et al. The james webb space telescope[J]. Space Science Reviews, 2006, 123(4): 485-606. 6. Johns M, McCarthy P, Raybould K, et al. Giant Magellan Telescope: 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. Williams D B, Carter C B. The transmission electron microscope[J]. Transmission electron microscopy, 2009: 3-22. 9. Egerton R F. Physical principles of electron microscopy: an introduction to TEM, SEM, and AEM[M]. Springer, 2016.
❖ 显微镜成像分辨率的提升
0.61
NA 增大数值孔径
增大孔径角u
油 浸 物 镜 典型浸液：香柏油（n=1.52）
NA nsin u
减小波长
紫 外 滤 光 片
电 子 显 微 镜
3.工程应用分析
❖ 显微镜成像分辨率的提升
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
❖ 望远镜成像分辨率的提升 – 太空光学望远镜
❖ 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。
课堂小结
0
1.22
D
望远镜
• 增大通光口径; • 减小波长。
0.61
NA
显微镜
相机
N A
1.22
• 增大相对口径; • 减小波长。
u n NA nsin u
• 增大数值孔径; • 减小波长。
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。
创新：突破衍射极限
❖ 普通显微镜 （200nm）
❖ 超分辨率荧光显微镜 （20nm）
❖ 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
知识扩展
❖ 国际著名光学望 远镜的主镜尺寸 比较
知识扩展
❖ 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！
波多黎各
300m
阿雷西博射电望远镜
FAST球面射电望远镜（中国贵州）
500m
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？
凯克望远镜
FAST球面射电望远镜
10m
1.22
D
500m
中国贵州
射电 λ=1mm-30m 光学：λ=0.4-0.76μm
硬X射线：0.01nm～0.1nm
4.讨论探究
探究问题二：为何韦伯和哈勃的分辨率相近？
哈勃望远镜
韦伯望远镜
1.22
D
2.4m 分辨率：0.1角秒
可见光：λ=555nm
6.5m
2018年
分辨率：0.1角秒
近红外：λ=2000nm
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？
凯克望远镜
在2μm波长分 辨率理论值：
孔径 光阑
0
r0
R
0
1.22
D
r0 0R
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,则此像系统的分辨率
0
❖ 刚可分辨：
0
1.22
D
人眼：
1.22
555 106 1.22
1'
D
2
2.典型成像系统的分辨率
慧眼：HXMT硬X射线望远镜
500m
中国贵州 巨眼：FAST球面射电望远镜
知识扩展
❖ 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。
国家天文台兴隆基地的2.16米口径“通用型望远镜”。
物镜 uD
0
1.22
D
像 面
B
u'
A n n'1
'
l'
'
l
'0
1.22l
D
'
nsin u nsin u
sin u ' u ' D / 2 l'
0.61 0.61
nsin u NA
数值 孔径
显微物镜
u n NA nsin u
3.工程应用分析
❖ 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。
❖ 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。
❖ 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）
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）