高分辨力光学微扫描显微热成像系统设计与实现.
第 30卷第 5期 2009年 5月
仪器仪表学报
Chinese Journal of Scientific I nstru ment
Vol 130No 15M ay 2009
收稿日期 :2008203 Receiced Date:2008203 3基金项目 :北京市自然科学基金 (4062029 资助项目
高分辨力光学微扫描显微热成像系统设计与实现
3
高美静
1, 2
, 金伟其 1, 王霞 1, 徐超 1, 陈翼男
1
(1北京理工大学光电工程系 (2燕山大学光电子系摘要 :, 研究提出了一种基于光学平板旋转微扫描器的高分辨力显微热成像系统。 , 给出了微扫描器相关的参数设计、加工容差 , 并与 , 。利用该系统实际采 , 系统空间分辨力得到提高 , 可应用于高分辨力显微热分析。关键词 :; 高分辨力 ; 过采样重构中图分类号 :T N211 :A 国家标准学科分类代码 :510. 1060
D esi gn and im ple m en t a ti on of opti ca l m i cro 2scann i n g therma l
m i croscope imag i n g syste m w ith h i gh resoluti on
Gao Meijing 1, 2
, J in W eiqi 1
, W ang Xia 1
, Xu Chao 1
, Chen Yinan
1
(1D epart m ent of O ptical Engineering, B eijing Institute of Technology, B eijing 100081, China;
2D epart m ent of Photoelectron, Yanshan U niversity, Q inhuangdao 066004, China
Abstract:T o i m p r ove the s patial res oluti on of the devel oped ther mal m icr oscope based on the uncooled focal p lane arrays, a novel high res oluti on ther mal m icr oscope i m aging system with op tical p late r otating m icr o 2scanner is de 2signed . The working p rinci p le of the op tical p late r otating m icr o 2scanner is analyzed . Moreover, the para meter de 2sign, the err or analysis, the p r ocess t olerance, the technical para meters and the co mpositi on of the whole syste m are all given . The results of standard oversa mp le reconstructi on f or real ther mal m icr oscope i m ages show that the design of syste m is successful and achieves higher res oluti on . The syste m can be app lied int o many syste m swhich need high s patial res oluti on . Key words:
ther mal m icr oscope i m aging syste m;
op tical p late r otating m icr o 2scanner;
high res oluti on;
oversa mp le reconstructi on
1引言
为了满足大规模集成电路、生物医学和科学研究等领域对细微热分析的需求 , 国外上世纪 90年代开始推出显微热成像系统
[1]
, 但由于采用制冷型红外探测器作为
成像组件 , 不仅系统体积重量较大 , 而且价格昂贵 , 限制了系统的普及和使用
[2]
。由于非制冷焦平面探测器具有
较高性价比、无需制冷、功耗低、体积小、重量轻等特
性
[3]
, 近年来 , 随着非制冷焦平面探测器的发展和普及 ,
非制冷焦平面热成像系统也被用于电路板测试评价中 , 但其光学放大倍率大都小于 1, 即仍然为缩小成像 , 对于大规模集成芯片等的检测存在分辨力不足的问
题。作者已研制了一种基于 320×240长波非制冷焦平面探测器的显微热像仪
[425]
。
但对于更精细的观察 , 需要更高的系统空间分辨力。
1038仪器仪表学报第 30卷
由于显微红外物镜数值孔径 (NA 为 0. 44, 即红外光学系统的衍射限截止频率约为 44cyc /mm,对于单元尺寸45μm 的探测器 , 其采样率约为 22. 2cyc /mm,采样奈奎斯特频率为 11. 11cyc /mm,因此 , 显微热成像系统属于欠采样系统 , 可通过提高采样率或减小探测器单元尺寸来提高该显微热像仪的空间分辨力。采用大面阵小探测器单元的焦平面探测器受到工艺、价格及多种市场因素
限制。采用光学微扫描技术 [527]
是解决这一问题的有效技术之一 , 它可在现有成像器件基础上提高空间采样率 , 并通过图像处理方法 , 提高系统的空间分辨力。本文介像系统及其设计。
2图 1热像仪及采集的显微热图像
。
图 1基于非制冷焦平面探测器的显微热成像系统及其应用
Fig . 1Ther mal i m aging system based on uncooled focal
p lane detector m icroscope and its app lication
光学平板旋转微扫描原理如图 2所示 , 单块红外光
学平板位于红外显微物镜与非制冷焦平面探测器之间 , 而且与光轴保持一定倾角θ。如果平板的折射率 n 、厚度 d 和倾角θ确定 , 则当红外辐射穿过平板时由于折射作用 , 出射光线会在入射面内沿平板倾斜的方向移动距离Δ, 沿轴向位移距离Z
。
图 2单块平板平移光路分析图
Fig . 2Analysis of single p lane translati on op tics
Δ=d sin θ1-n 2
-sin 2
(1 Z =d cos θ1-
n 2
-sin 2
(2
式中:Δ和 Z 主要取决于光学平板的倾角θ、折射率 n 和厚度 d, 与入射光线的方向无关。
, 会集光束 , 以Δ为半径 45°、 135°、 225°和 (如图 3 , :
P =L /2
(3
式中 :L 为像素间距 ; 微扫描位移量为
:
Δ4
(4
当已知非制冷焦平面探测器像素间距 L , 由式 (4 确定Δ值 , 然后根据光学平板材料的折射率 n 和选择的平板厚度 d , 由式 (1 确定光学平板相对光轴的倾角θ。
图 3标准 2×2微扫描模式示意图
Fig . 3Sche matic diagra m of 2×2m icr oscanning mode
3光学平板旋转微扫描器的设计
光学平板旋转微扫描器由红外光学平板、精密光学平板支座、高精度自动旋转平台以及可编程控制器等组成。光学平板支座放置光学平板的倾斜面倾角为θ, 以保证光学平板与光轴保持一定倾角θ, 从而由微扫描控制器控制光学平板在如图3所示的 4个相隔 90°的位置处进行欠采样成像 , 然后利用亚像元图像处理及超分辨力图像算法得到高分辨力的图像。
光学平板旋转微扫描器结构简单、控制方便、容易与不同成像传感器配合使用 , 可以设计成为通用部件 , 但需要较高的加工和装调精度。
3. 1光学平板旋转微扫描器的参数设计
1 光学平板倾角θ
本系统非制冷焦平面探测器像素中心距L =45μm ,
红外光学平板选用锗 n =4. 0028, 选择光学平板厚度
d =1mm 。则由式 (4 和式 (1 计算得到:θ=1°12′ 54′ ′ , Z =0. 7500589mm 。其中Z 通过调节红外显微物镜的
第 5期高美静等 :高分辨力光学微扫描显微热成像系统设计与实现 1039
安装尺寸来补偿。
2 光学平板直径
光学平板直径需要通过分析整个显微热成像系统的光路来确定 , 在不损失成像红外辐射的前提下 , 结合系统的机械结构 , 确定光学平板透光直径为 26mm 。
平板参数将直接用来设计和加工光学平板、精密光学平板支座及与已有的显微热成像系统进行一体化的连接部件。为了满足系统要求 , 实际加工需要一些加工容差等。
3. 2光学平板旋转微扫描器的容差
由式 (1 可知光学平板玻璃材料的折射率 n 、平板厚度 d 和光学平板相对光轴的倾角θ方向位移Δ的精度。由式 (3 及式(4 Δ将影响欠采样图像的微位移 , P 将破坏标准 2×2, 影响最后的由于光学微扫描属于小角度扫描, θ值一般较小 , 式
(1 可简化为
Δ≈ d n
(5
设平板厚度 d 的容差为δd; 平板倾角θ的容差为δθ, 则
δd =δΔθn -1, δ
θ=δΔd n -1
(6 当光学平板的材料确定后 , 平板厚度 d 的容差δd 和倾角θ的容差δ
θ都将带来微位移Δ的误差。假定Δ的容许误差为δΔ, 则由式 (6 可确定容差δd 和容差δθ。当光学平板的平行度发生偏差时 , 两次折射后的光路偏
移Δ′ 值将和设计值Δ发生偏差。设 D 是光学平板距离成像
传感器的距离 , 平板平行度的容差δ
α可表示为:δα=
δΔ
D ? (
n 2
-sin 2
θ-1
(7
由于 D 越大 , 同样δ
α所产生的δΔ越大 , 对系统的影响就越大 , 所以 , 除减小平板的不平行度的同时 , 应尽量使光学平板靠近传感器。在本设计中光学平板距探测器的距离为
16mm 。
本设计设定位移Δ的容差9Δ=1μm , 则加工容差 :平板厚度 d 容差 9d =0. 0628mm; θ角度容差9θ=4. 5822′ ; 平板加工平行度容差9α=
0. 1431′ 。最终完成整
图 4微扫描机械系统结构图
Fig . 4M icr o 2scanning mechanical system
个光学平板旋转微扫描器的相关机械零部件的设计及装
配仿真 (见图 4 。
4高分辨力光学平板微扫描显微热成像系统
针对已研制的显微热像仪 [4]
设计光学平板支座及精密机械连接零部件 , , 完成高分辨
(见图 5 。
1红外显微物镜 2高精度自动旋转平台 3精密光学平板支座 4红外光
学平板 5非制冷焦平面探测器组件 6便携式彩色 /黑白图像采集卡
7笔记本电脑图像采集与处理及旋转台控制系统 8系统供电电源 9旋
转台精密控制器 10视频监视器 11热像仪及旋转台支撑机械结构
图 5高分辨力光学微扫描显微热成像系统结构简图
Fig . 5Structure of high res oluti on op tical m icr o 2scanning
ther mal m icr oscope i m aging syste m
在系统中由旋转台精密控制器控制高精度自动旋转
平台使显微热图像通过光学平板后 , 在四个依次相差
90°的倾角条件下采集 4幅欠采样图像 , 形成标准 2×2
微扫描模式 ; 非制冷焦平面探测器组件用于将红外显微物镜成的辐射图像转换为电子图像 , 并按标准视频输出 ; 图像采集卡依次将四帧低分辨力标准视频热图
像转化为数字图像 , 并存于计算机中 ; 显微热图像处理系统主要通过与获取微扫描图像相同的方式交叉融合 4幅低分辨力的欠采样图像为 1幅高分辨力的过采样热图像 , 同时完成热图像的显示、分析、存储和其它处理 ; 手动升降台及电源用于集成显微热成像装置 , 并提供工作电源。
图 6给出带有光学平板旋转微扫描器的显微热成像系统照片。表 1是光学微扫描显微热成像系统的技术指标。
图 6带有光学平板旋转微扫描器的显微热像仪
Fig . 6Ther mal i m aging system with op tical p late
r otating m icr o 2scanner
1040仪器仪表学报第 30卷
图 7为利用光学微扫描显微热成像系统采集的 4幅欠采样低分辨力显微热图像。图 8是利用图 7的 4幅欠采样图像按标准 2×2过采样进行直接插值重构的图像。
表 1光学微扫描显微热成像系统技术指标
Table 1Techn i ca l param eters of opti ca l m i cro scann i n g
ther ma l m i croscope i m ag i n g syste m 参
数
规格像素 640×480波长范围8~14μm
模拟视频输出 P AL (50Hz /NTSC(60Hz
显微物方线视场 <9mm
显微镜头焦距热灵敏度 <℃空间分辨率 m 帧频
50Hz
由于实验中理想高分辨力图像无法得到 , 根据目视效果和图像信息熵 (S NT
[9]
来比较实验结果。利用图 7
中的第一幅图像采用双线性放大法得到的图像信息熵
S NT =6. 0487。由实验结果和评价参数知 , 过采样重构
图像可以分辨的细节比双线性放大法更多更清晰 , 而且
较原始低分辨力图像的空间分辨力明显提高 , 证明了整
个系统设计的有效性。
5结论
为解决已研制的显微热像仪空间分辨力较低的问题 , 的显微热成像系统 , , 系统结 , 价格低 , 分辨力高 , 可促进显微。实际系统所采集热图像 , 系统的空间分辨力得到提高。
通过进一步完善系统超分辨力图像处理技术及其软件系统 , 可望得到超分辨力、高性能、实时的红外显微热像仪。参考文献
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[D].北京理工大学博士学位论文 , 2008:41258. G AO M J. I nvestigati on of high res oluti on op tical m icr o 2scanning ther mal m icr oscope i m aging system [D ].Doc 2t oral dissertati on of Beijing I nstitute of Technol ogy, 2008:41258.
作者简介
, 年获得 , 2008年获 , 现为燕山大学讲师 , 研究方向为多传感器信息融合、红外成像、图像处理等。
E 2mail:matlabgirl@sina . com. cn
Gao M e iji n g received BSc and MSc fr om Yanshan university
in 2000and 2002res pectively . She received her Ph D degree fr om Beijing I nstitute of Technol ogy in 2008. She is currently a struc 2t or in Yanshan university . Her main research f ocuses on the mul 2tisens or inf or mati on fusi on, infrared i m aging and digital i m age p r ocessing .
E 2mail:matlabgirl@sina . com.
cn
金伟其 , 1981年获北京工业学院学士学位 , 1990年获北京理工大学博士学位。现为北京理工大学教授、博士生导师。目前编写出版教材 3部 , 发表论文 200余篇。研究方向为夜视与红外技术、光电图像处理等。
E 2mail:jin wq@bit . edu . cn
J i n W e i q i , male, born in received BSc and Ph D both
fr om I in 1981and 1990, res pec 2. the Dep t . of Op tical Engi 2of I nfor mati on Science &Technol ogy, Beijing Technol ogy . He had published three books, and more than 200scientific papers in refereed j ournals and conference p r o 2
ceedings . H ismaj or research interests include l ow level light i m a 2ging, ther mal i m aging, and i m age p r ocessing . E 2mail:jin wq@bit . edu . cn
OLYMPUS光学显微镜标准操作程序
OLYMPUS光学显微镜标准操作程序 1.仪器简介 奥林巴斯(OLYMPUS）CX21型光学显微镜由奥林巴斯株式会社生产，光学系统由物镜、目镜、照明装置和光源等组成，倍率包括4倍、10倍、40倍和100倍，总放大倍率为40倍、100倍、400倍和1000倍。 2.光学显微镜原理 光学显微镜是由两组会聚透镜所组成，小的透镜代表一组焦距很短的透镜组即物镜。太的透镜代表身一组焦距较长的透镜即目镜。将被观察体置于物镜前的物方熊点的稍外方，物体发出的光线经物镜放大后成一倒立实像于目镜前焦点附近，再经目镜放大后，就获得—个经两次放大的倒立虚像，该虚像成在观察者的明视距离处。 3.基本资料和性能参数 3.1仪器基本性能资料 制造厂家：奥林巴斯折株式会社生产 设备型号：OLYMPUS CX21 基本原理：物理成像原理 3.2仪器工作环境要求 最大相对湿度：最大800%（31℃） 31℃以上的使用环境时，湿之间从80%呈线性下降到50%， 电源电压变动±10%以内 3.3 光学性能参数 倍率：4倍、10倍、40倍，100倍 数值孔径：0.10 0.25 0.65 1.25 工作距离W.D.(mm)：22.0 10.5 0.56 0.13 分辨率(um): 3.36 1.34 0.52 0.27 4.设备规格 4.1 光学系统：UIS光学系统（无限远校正光学系统） 4.2 照明系统：内置照明装置，6V20W卤素灯泡，非利普公司制造7388型 4.3 对焦机构：载物台高度调节机制，微调刻度：2.5um/格；微调一圈：0.3mm/圈；全行程盘：20mm；有粗调限位。粗调旋钮松紧度调整。 4.4 物镜转盘：4孔物镜转盘固定（朝前） 4.5 双眼镜筒：视野范围 I8 镜筒倾斜角落30度瞳距调整范围48-75mm。
(完整版)光学系统设计(一)答案
光学系统设计（一） 参考答案及评分标准 20 分） 二、填空题（本大题14小题。每空1分，共20 分） 21.球心处、顶点处、齐明点处（r n n n L '+=） 22.%100y y y q z ?''-'=' 23.0 24.球差 25.冕牌、火石 26.?ννν?2111-=、?ννν?2 122--= 27.两面的公共球心处、两面的公共球心处 28.阿贝常数、C F D D n n 1n --= ν 29.畸变 30.圆 31.0 32.二级光谱 33.f 00052.0L FCD '='? 34.EFFL 三、名词解释（本大题共5 小题。每小题2 分，共 10 分） 35．像差：实际光学系统所成的像和近轴区所成的像之间的差异称为像差。 评分标准：主要意思正确得2分。 36．子午场曲：某一视场的子午像点相对于高斯像面的距离称为子午像面弯曲，简称子午场曲。 评分标准：答对主要意思得2分。 37．二级光谱：如果光学系统已对两种色光校正了位置色差，这两种色光的公共像点相对于第三种色光的像点位置仍有差异，该差异称为二级光谱。 评分标准：答对主要意思得2分。 38.色球差：F 光的球差和C 光的球差之差，称为色球差，该差值也等于边缘光和近轴光色差之差。 评分标准：答对得2分。 39．渐晕：轴外点成像光束的宽度较轴上点成像光束的宽度要小，造成像平面边缘部分照度要比像平面中心部分照度低的现象，称为渐晕。 评分标准：答对主要意思得2分。
四、简答题（本大题共 6 小题。每小题 5 分，共30 分） 40．一物体的峰-谷比（peak to valley ）是λ23.0，问是否满足Rayleigh 条件？ 答：满足Rayleigh 条件，因为根据Rayleigh 判断，实际波面和参考波面之间的最大波像差(峰谷比)不超过0.25λ时，此波面可看作是无缺陷的成像质量较好。 评分标准：答对主要意思得5分。 41．在七种几何像差中，仅与孔径有关的像差有哪些？仅与视场有关的像差有哪些？与视场和孔径都有关系的又有哪些？ 答：仅与孔径有关的像差有：球差、位置色差；仅与视场有关的像差有：像散、场曲、畸变、倍率色差；与视场和孔径都有关系的有：彗差 评分标准：第一问中每个答案正确得1分，第二问中每个答案正确得0.5分，第三问中每个答案正确得1分。 42．一物体置于折射球面的球心处，其像在哪？放大倍率多少？若物在球面顶点，其像又在何位置？放大倍率多少？ 答：像分别在球心处和顶点处，放大倍率分别为n 1和1。 评分标准：两位置答对各得1分，第一个放大倍率答对得2分，第二个得1分。 43. 什么是焦深，若像面向前或向后离焦半倍焦深，引起的波像差多大？ 答：（1）实际像点无论在高斯像点之前或之后'?0l 范围内，波像差都不会超过1/4 波长，所以把'02l 定义为焦深，即20u n l 2''='λ （2）引起的波像差为4/λ。 评分标准：第一问答对大意得3分，第二问答案正确得2分。 44. 近视眼应佩戴何种透镜加以矫正？为什么？ 答：应佩戴凹透镜加以矫正，使光线经过水晶体后发散，重新汇聚到视网膜上。 评分标准：答对大意得5分。 45. 在对称式光学系统中，当1-=β时，哪几种初级像差可以得到自动校正？其它初级像差有何特性？ 答：垂轴像差：彗差、畸变、倍率色差均为0。 轴向像差：球差、像散、场曲、位置色差均为半部系统相应像差的两倍。 评分标准：第一问每个答案正确得1分，共3分；第二问每个答案正确得0.5分，共2分。 五、计算题（每题10分，共20分） 46．设计一齐明透镜，第一面曲率半径95m m r 1-=，物点位于第一面曲率中心处，第二球面满足启明条件，若该透镜厚度5mm d =，折射率5.1n =，该透镜位于空气中，求 （1）该透镜第二面的曲率半径； （2）该启明透镜的垂轴放大率。 解： （1）根据题意得，物点发出光线经第一面后按直线传播，相对于第二面，其物距100m m 595l 2-=--=，根据齐明条件100mm r n n n l 22 222-='+=，可得
透射电子显微镜的原理与应用
透射电子显微镜的原理及应用 一．前言 人的眼睛只能分辨1/60度视角的物体，相当于在明视距离下能分辨0.1mm 的目标。光学显微镜通过透镜将视角扩大，提高了分辨极限，可达到2000A 。。光学显微镜做为材料研究和检验的常用工具，发挥了重大作用。但是随着材料科学的发展，人们对于显微镜分析技术的要求不断提高，观察的对象也越来越细。如要求分表几十埃或更小尺寸的分子或原子。一般光学显微镜，通过扩大视角可提高的放大倍数不是无止境的。阿贝（Abbe ）证明了显微镜的分辨极限取决于光源波长的大小。在一定波长条件下，超越了这个极限度，在继续放大将是徒劳的，得到的像是模糊不清的。 图1-1（a ）表示了两个点光源O 、P 经过会聚透镜L ，在平面上形成像O ，、P ，的光路。实际上当点光源透射会聚成像时，由于衍射效应的作用在像平面并不能得到像点。图1-1（b ）所示，在像面上形成了一个中央亮斑及周围明暗相间圆环所组成的埃利斑（Airy ）。图中表示了像平面上光强度的分布。约84%的强度集中在中央亮斑上。其余则由内向外顺次递减，分散在第一、第二……亮环上。一般将第一暗环半径定义为埃利斑的半径。如果将两个光源O 、P 靠拢，相应的两个埃利斑也逐渐重叠。当斑中心O ，、P ，间距等于案例版半径时，刚好能分辨出是两个斑，此时的光点距离d 称为分辨本领，可表示如下： α λs in 61.0d n = （1-1） 式中，λ为光的波长，n 为折射系数，α孔径半角。上式表明分辨的最小距离与波长成正比。在光学显微镜的可见光的波长条件下，最大限度只能分辨2000A 。。于是，人们用很长时间寻找波长短，又能聚焦成像的光波。后来的X
落点实时光学测量系统的设计与实现
落点实时光学测量系统的设计与实现 飞行器落点的测量是某部队一项重要的任务,落点测量是否及时准确将对飞行试验结果的判别、后续残骸的搜索等产生很大的影响。但受飞行试验落点区域条件限制和机动性要求,超声波、雷达或无线电等定位设备在本文中并不适合,简易的光学测量系统最适合本文的应用。 传统的落点光学测量主要依靠某型望远镜捕获目标,利用人工读数的方式获得角度值信息,再通过数传电台将各观测点的信息传输至计算中心,中心操作手再手工将角度信息录入计算软件,得出交会结果,最后进行结果复核计算。这种传统的方式存在时效低、人为误差大等缺点,需要构建更加自动化、精确度更高的落点实时光学测量系统。 本论文正式针对上述实际问题,将比较成熟的光电编码技术与易于操作的望远镜进行组合,增加微处理器控制电路及收发数据、交会处理的软件,使操作手确认捕获到目标后,能自动完成角度信息采集、传输、交会计算和向上级指挥所发送结果的全过程,提高了测量速度、效率和精度。本文的主要内容为:1.落点实时光学测量系统的关键技术研究。 介绍了该系统中的关键技术,两点前向交会方法、高斯投影、光电编码技术等,并通过推导计算得出一种基于最小二乘法的交会算法的优化方法。2.落点实时光学测量系统的需求分析。 基于落点测量的实际情况,对落点测量的环境、条件及主要流程进行了全面分析。对需要开发的落点实时光学测量系统的需求进行分析。 3.落点实时光学测量系统的设计。在需求分析的基础上,完成系统设计,主要包括体系架构、功能结构、网络拓扑等。
4.落点实时光学测量系统的实现。搭建系统环境,采购并接入光电编码器、数传电台等硬件,完成了数据通信、数据处理、交会计算和辅助决策等功能的实现。 在此基础上,通过模拟计算对优化算法进行了验证。5.落点实时光学测量系统的测试。 为确保系统有较高的可靠性,对系统进行相关测试,发现并解决系统中存在的问题。目前,该系统已实际应用,机动性强、受环境干扰小、性能稳定,实现了提高落点测量速度,减小人为差错的目标。
光学显微镜的原理及构造
光学显微镜的原理及构造显微镜是人类认识物质微观世界的重要工具，是现代科学研究工作不可缺少的仪器之一。显微镜自1666年问世以来已有300多年的历史了，其间随着科学技术不断发展，显微镜的品种不断增加，结构和性能逐步得到完善和提高。 根据不同的使用用途，光学显微镜可分为普通光学显微镜、暗视野显微镜、相差显微镜、荧光显微镜、倒置显微镜、体视显微镜、偏光显微镜等10多种。目前，世界上许多国家都可以生产光学显微镜，牌名、种类繁杂，其中德国、日本等国制造的显微镜品质、数量占优势，但价格昂贵。 对于现代的光学显微镜，包括各种简单的常规检验用显微镜、万能研究以及万能照相显微镜等，首先要认识其构造及各部件的功能，同时要掌握正确的调试、使用和保养方法，才能在实际应用中面对各种要求时以不同的显微镜检方法，充分发挥显微镜应有的功能，提高常规检验工作效率. 光学显微镜的原理和构造 随着科学技术的发展，显微镜检方法由最传统的明视野、暗视野发展出了相差法、偏光方法；荧光方法也由透射光激发进展为落射光激发，使荧光效率大为提高；微分干涉相衬方法基于偏光方法，而巧妙地利用了微分干涉棱镜，使之能应用于医学与生物学的样品，又能应用于金相样品的分析与检验。 下面以德国ZEISS公司生产的Axioplan万能研究用显微镜，简单介绍万能显微镜的基本组成部件。 1. 显微镜主机体（stand） 显微镜的主机体设计成金字塔形，而底座的截面呈T字形，使显微镜的整体相当稳固。显微镜的光学部件和机构调节部件、光源的灯室、显微照相装置、电源变压稳压器等，都可安装在主机体上或主机体内。 2. 显微镜的底座（base） 底座和主机体通常组成一个稳固的整体。底座内通常装有透射光照明光路系统（聚光、集光和反光）部件，光源的滤光片组，粗/微调焦机构，光源的视场光阑也安装在底座上。 3. 透射光光源（tranilluminator） 透射光光源由灯室（lamp housing）、灯座（lamp socket）、卤素灯（halogen lamp）、集光与聚光系统（lamp collector and lamp condenser）及其调整装置组成。 4. 透射光光源与反射光光源的转换开关（toggle switch） 这是新一代AXIO系列显微镜特有的装置，透射光和反射光可通用。当具有透/反两用的配置时，利用这一转换开关能方便而又迅速的使透射光 和反射光互相转换。在纯透射光的配置中，这一开关就改为电源开关。
光学系统设计
光学系统设计(五) 一、单项选择题（本大题共 20小题。每小题 1 分，共 20 分） 在每小题列出的四个备选项中只有一个是正确的，请将其代码填写在题后的括号内。错选、多选或未选均无分。 1．对于密接双薄透镜系统，要消除二级光谱，两透镜介质应满足 ( )。 A.相对色散相同，阿贝常数相差较小 B.相对色散相同，阿贝常数相差较大 C.相对色散相差较大，阿贝常数相同 D.相对色散相差较小，阿贝常数相同 2．对于球面反射镜，其初级球差表达公式为 ( )。 A.?δ2h 81L =' B. ?δ2h 81L -=' C. ?δ2h 41 L =' D. ?δ2 h 41 L -=' 3．下列光学系统中属于大视场大孔径的光学系统是 ( )。 A.显微物镜 B.望远物镜 C.目镜 D. 照相物镜 4．场曲之差称为 ( )。 A.球差 B. 彗差 C. 像散 D. 色差 5．初级球差与视场无关，与孔径的平方成 ( )。 A.正比关系 B.反比关系 C.倒数关系 D.相反数关系 6．下面各像差中能在像面上产生彩色弥散斑的像差有( )。 A.球差 B.场曲 C.畸变 D.倍率色差 7．不会影响成像清晰度的像差是 ( )。 A.二级光谱 B.彗差 C.畸变 D.像散 8．下列光学系统中属于大视场小孔径的光学系统是 ( )。 A.显微物镜 B.望远物镜 C.目镜 D. 照相物镜 9．正弦差属于小视场的 ( )。 A.球差 B. 彗差 C. 畸变 D. 色差 10．初级子午彗差和初级弧矢彗差之间的比值为 ( )。 ：1 ：1 C.5：1 ：1 11．光阑与相接触的薄透镜重合时，能够自动校正 ( )。 A.畸变 B.场曲 C.球差 D.二级光谱 12．在子午像差特性曲线中，坐标中心为z B '，如0B '位于该点左侧，则畸变值为 ( )。 A.正值 B.负值 C.零 D.无法判断 13．厚透镜之所以在校正场曲方面有着较为重要的应用，是因为 ( )。 A.通过改变厚度保持场曲为零 B.通过两面曲率调节保持光焦度不变 C.通过改变厚度保持光焦度不变 D.通过两面曲率调节保持场曲为0 14．正畸变又称 ( )。 A.桶形畸变 B.锥形畸变 C.枕形畸变 D.梯形畸变 15．按照瑞利判断，显微镜的分辨率公式为 ( )。 A.NA 5.0λσ= B. NA 61 .0λ σ= C.D 014' '=? D. D 012' '=? 16．与弧矢平面相互垂直的平面叫作 ( )。 A.子午平面 B.高斯像面 C.离焦平面 D.主平面 17．下列软件中，如今较为常用的光学设计软件是 ( )。 软件 软件 软件 软件 18．光学传递函数的横坐标是 ( )。 A.波长数 B.线对数/毫米 C.传递函数值 D.长度单位 19．星点法检验光学系统成像质量的缺陷是 ( )。
光学测量技术详解
光学测量技术详解(图文) 光学测量是生产制造过程中质量控制环节上重要的一步。它包括通过操作者的观察进行的快速、主观性的检测，也包括通过测量仪器进行的自动定量检测。光学测量既可以在线下进行，即将工件从生产线上取下送到检测台进行测量；还可以在线进行，即工件无须离开产线；此外，工件还可以在生产线旁接受检测，完成后可以迅速返回生产线。 人的眼睛其实就是一台光学检测仪器；它可以处理通过晶状体映射到视网膜上的图像。当物体靠近眼球时，物体的尺寸感觉上会增加，这是因为图像在视网膜上覆盖的“光感器”数量增加了。在某一个位置，图像达到最大，此时再将物体移近时，图像就会失焦而变得模糊。这个距离通常为10英寸（250毫米）。在这个位置上，图像分辨率大约为0.004英寸（100微米）。举例来说，当你看两根头发时，只有靠得很近时才能发现它们之间是有空隙的。如果想进一步分辨更加清楚的细节的话，则需要进行额外的放大处理。 本部分设定了隐藏，您已回复过了，以下是隐藏的内容 人的眼睛其实就是一台光学检测仪器；它可以处理通过晶状体映射到视网膜上的图像。本图显示了人眼成 像的原理图。 人眼之外的测量系统 光学测量是对肉眼直接观察获得的简单视觉检测的强化处理，因为通过光学透镜来改进或放大物体的图像，可以对物体的某些特征或属性做出准确的评估。大多数的光学测量都是定性的，也就是说操作者对放大的图像做出主观性的判断。光学测量也可以是定量的，这时图像通过成像仪器生成，所获取的图像数据再用于分析。在这种情况下，光学检测其实是一种测量技术，因为它提供了量化的图像测量方式。 无任何仪器辅助的肉眼测量通常称为视觉检测。当采用光学镜头或镜头系统时，视觉检测就变成了光学测量。光学测量系统和技术有许多不同的种类，但是基本原理和结构大致相同。
显微成像系统资料
品名型号数量供货单价备注 奥林巴斯生物成像系统显微镜CX31 1套30000元见配置清单奥林巴斯生物显微镜CX23 1套25000元见配置清单备注：以上为人民币含税报价单，含运费和包装培训费，壹年保修期。 生物显微镜CX31技术规格： 用途：可观察普通染色的切片观察。 1．工作条件 1.1 适于在气温为摄氏-40℃～＋50℃的环境条件下运输和贮存，在电源220V （ 10%）/50Hz、气温摄氏-5℃～40℃和相对湿度85%的环境条件下运行。 1.2 配置符合中国有关标准要求的插头，或提供适当的转换插座。 2．主要技术指标 2.1 生物显微镜 *2.1.1 光学系统：无限远光学矫正系统，齐焦距离必须为国际标准45mm。 2.1.2 放大倍率：40-1000倍 *2.1.3 载物台：钢丝传动，无齿条结构，尺寸为188mm × 134mm，活动范围为 X轴向76mm × Y轴向50mm，双片标本夹 2.1.4 调焦机构：载物台垂直运动由滚柱（齿条—小齿轮）机构导向，采用粗 微同轴旋钮，粗调行程每一圈为36.8mm，总行程量为25mm，微调行程为每圈 0.2mm，具备粗调限位挡块和张力调整环 2.1.5 聚光镜：带有孔径光阑的阿贝聚光镜，N.A. 1.25，带有蓝色滤色片 *2.1.6 照明系统：内置6V30W卤素灯，内置透射光柯勒照明 *2.1.7 三目观察筒：视场数≥20，瞳距调节范围为48-75mm，铰链式 2.1.8 目镜：10X，带眼罩，视场数≥20带目镜测微尺 *2.1.9 物镜：平场消色差物镜4X（N.A.≥0.1）、10X（N.A.≥0.25）、40X（N.A.≥0.65）、 100X（N.A.≥1.25）
光学系统设计作业
显微物镜光学参数要求为：β=2?，NA =0.1，共轭距离为195mm 。 1）根据几何光学计算相应参数； 2）运用初级像差理论进行光学系统初始结构计算； 3）使用光学设计软件对初始结构进行优化，要求视场角o 5±； 4）根据系统的特点列出优化后结构的主要像差分析； 5）计算优化后结构的二级光谱色差。 一、显微物镜的基本参数计算 为有效控制显微镜的共轭距离，显微镜设计时，一般总是逆光路设计，即按1/β进行设计。该显微物镜视场小，孔径不大，只需要校正球差、正弦差和位置色差。因此，采用双胶合物镜。 '''' 1 2 195111l l l l l l f β==- -=-= 解，得 ''6513043.33l l f ==-= 正向光路 根据 '' ' J nuy n u y == sin NA n u = 在近轴情况下 NA nu = ' 2y y β== 由此可求解 ''' 0.05NA n u == 由此可知逆向光路的数值孔径 综上，该显微物镜的基本参数为 NA 'f 'l l 0.05 43.33 65 130- 二、求解初始基本结构
1）确定基本像差参量 根据校正要求，令'0L δ=、'0SC =、' 0FC L ?=，即 0C S S S I ∏ I ===∑∑∑，即 43332220 00 z C S h P S h h P Jh W S h C φφφφI I ∏ I ===+===∑∑∑ 解，得 0P W C I === 将其规化到无穷远 11sin 0.1NA n u ==，11n = 则 11sin 0.1/2u U β=?=-，11 6.5h l u mm =?= 规化孔径角为 110.1 20.3333071 6.543.33 u u h φ-== =-? 由公式 () ()() 21141522P P W u W W u μμ∞∞ =++++=++可求得规化后的基本像差参量 代入可得 0.36560.8832 P W ∞∞ ==- 2）选择玻璃组合 取冕牌玻璃在前 得 ( ) 2 00.850.1 0.155792P P W ∞ ∞ =-+=- 根据0P 和C I ，查表选取相近的玻璃组合为BaK7-ZF3，其参数为 Bak7:56,5688.111==v n ZF3:5.29,7172.122==v n 0010.11520, 4.295252, 2.113207P Q ?=-=-= 2.397505A =， 1.698752K = 3）求形状系数Q
讲义-高分辨电镜20130812
第六部分高分辨电镜的成像原理 及在材料科学中应用 6.1 高分辨电镜图像的类型 通过高分辨电镜得到的图像通常称为晶格像，这些图像中可以带给研究者的信息大不相同，主要是由于成像条件不同，以及样品厚度不同。了解这些影响因素才有利于研究者控制成像条件，获取研究所需要的有用信息。高分辨电镜图像可分为：晶格条纹；一维结构图像；二维晶格条纹；二维结构图像。 1)晶格条纹（lattice fringes） 晶格条纹像的成像条件没有严格限制，只要有两列电子波干涉成像即可，不要求对准晶带轴，在很宽的离焦条件和不同样品厚度下都可以观察到，所以很容易获得。在实际观测到的纳米颗粒（图6-1a）、微小第二相析出大都是晶格条纹像。这种图像只能用于观察对象的尺寸、形态，区分非晶态和结晶区，不能得出样品晶体结构相关的信息，不可模拟计算。尽管如此，当与材料制备加工的条件相结合，仍然可以有助研究分析。 2)一维结构图像(one-dimension structure images) 一维结构图像与晶格条纹像不同之处在于，成像时转动样品得到对应观察区域的一维衍射斑（图6-2），因此可以结合衍射斑和晶体结构模型来对观察区域的一维结构进行分析。在研究层错一位结构图像很有用。 图6-1a 纳米金颗粒的晶格条纹像
图6-2 一维结构图像 3)二维晶格像（two-dimensional lattice image） 大部分文献中出现的都是二维晶格像，此时晶体的某一晶带轴平行于入射电子束，因此相应的衍射花样对应晶胞的衍射谱。在不同的欠焦量下和样品厚度均可以获得二维晶格像，这是其大量出现的原因，也被广泛用于材料科学的研究中，用于获得位错、晶界、相界、析出、结晶等信息。要注意的是二维晶格像的花样是随着欠焦量、样品厚度以及光阑尺寸改变的，不能简单指定原子的位置。在不确定的成像条件下不能得到晶体的结构信息，可以计算模拟辅助分析。 4)二维结构图像(two-dimension structure images) 二维结构图像是严格控制条件下的二维晶格像，首先样品要很薄（小于10 nm），避免多次散射的不利影响；其次要使晶体的晶带轴严格平行于入射电子束；成像时欠焦量是控制（已知）的，通常最佳欠焦条件(Scherzer focus)下的图像衬度最大。尽管如此，晶体结构和原子位置并不能简单从图像上“看到”，欠焦量和样品厚度依然控制着晶格相的亮暗分布。 需要采用计算机辅助的图像模拟分析技术，才可能确定晶体结构以及原子位置。
光学投影层析三维成像测量实验系统的设计概述
光学投影层析三维成像测量实验系统的设计
摘要 光学投影式三维轮廓测量在机器/机器人视觉、CAD/CAM以及医疗诊断等领域有重要的应用，这种测量方法具有非接触性、无破坏、数据获取速度快等优点，其测量系统是宏观光学轮廓仪中最有发展前途的一种。 本课题拟采用激光光源（或普通卤素灯作为光源），应用光学系统、计算机控制，进行图像采集、图像处理，设计成像系统的断层图像重建及三维图像显示实验系统，并对其成像理论、成像质量及成像误差进行理论分析。该项目完成的光学投影层析三维成像测量实验系统适用于光学教学演示，其理论分析有利于学生积极的汲取现代光学发展的科研成果、思路和方法，从而潜移默化的培养学生的科学素养和创新能力。 关键词：光学投影层析，三维成像，CT技术
目录 1.引言 (1) 2.CT原理及重建算法 (2) 整个实验用到的理论相关联名称 2.1 CT技术原理 (3) 2.2 OPT原理简介 (4) 3.1 滤波反投影算法的快速实现 3. 光学投影层析三维成像测量实验系统 (5) 3.1实验系统的设计 (6) 3.2 光学投影层析三维成像测量实验系统 3.3 影响图像重建质量的因素分析 (7) 4. 结论 (11) 5. 参考文献 (13)
图表清单
1.引言 2002年4月英国科学家Sharpe在《Science》上首次报道了光学投影层析技术(optical projection tomography，OPT)，这是一种新的三维显微成像技术，是显微技术和CT技术的结合。光学投影层析巧妙的利用了光学成像中“景深”的概念，实现了光学CT，和其它光学三维成像技术相比，结构简单、成本较低、成像速度快，在对成像分辨率要求不高的情况下，容易建立起光学投影层析三维成像测量系统。 光学三维成像代表着光学领域的前沿技术，这些技术涉及光学、计算机和图像处理等相关领域的知识，通过本项目--光学投影层析三维成像测量实验系统的设计，将是基础光学通向现代光学科技的不可多得的窗口之一，不仅显示基础知识的生命力，也反映基础知识的时代性，而且本项目实现所需成本较低、物理思想清晰，适用于物理实验教学，并适合作为大学生的综合设计性物理实验项目进行开发研究，同时对于激发大学生的学习兴趣、开阔大学生的视野和思路、培养综合科研素养均有很大的帮助。 2 CT技术原理及重建算法 2.1 CT技术原理 CT（计算机断层成像，mography ComputerTo的缩写）技术的研究自20世纪50至70年代在美国和英国发起，美国科学家A.M. Cormark和英国科学家G. N. Hounsfield在研究核物理、核医学等学科时发明的，他们因此共同获得1979年的诺贝尔医学奖。第一代供临床应用的CT设备自1971年问世以来，随着电子技术的不断发展，CT技术不断改进，诸如螺旋式CT机、电子束扫描机等新型设备逐渐被医疗机构普遍采用。除此之外，CT技术还在工业无损探测、资源勘探、生态监测等领域也得到了广泛的应用。 与传统的X射线成像不同，CT有自己独特的成像特点。下面以一个一般的图示来说明。 如图1所示，假设有一个半透明状物体，如琼脂等，在其内部嵌入5个不同透明度的球，如果按照图1中（a）所示那样单方向地观察，因为其中有2个球被前面的1个球挡住，我们会误解为只有3个球，尽管重叠球的透明度比较低，但我们仍无法确定球的数目，更不可能知道每个球的透明度。而如果按照图1（b）
40倍显微物镜光学系统的设计
目录 摘要 I Abstract II 第一章绪论 1 1.1显微镜国内外发展情况 1 1.2 ZEMAX简介及原理 1 第二章物镜设计方案 2 2.1 物镜的种类 2 2.2高倍物镜的设计方案 9 第三章物镜设计参数及镜片选择 10 3.1物镜的数值孔径 10 3.2物镜的鉴别率 11 3.3物镜的有效放大倍数 11 3.4垂直鉴别率 12 3.5显微镜的视场 12 3.6 显微镜物镜设计中应校正的像差 13 3.7实际参数确定 13 第四章40×显微镜物镜光学系统仿真过程 16 4.1选择初始结构并设置参数 16 4.2自动优化 16 4.3 物镜的光线像差(Ray Aberration)分析 18 4.4 物镜的波像均方差(OPD)分析 18 4.5 物镜的光学传递函数(MTF)分析 19 4.6最终仿真参数分析 20 第五章心得体会 21 第六章参考文献 21 摘要 物镜是显微镜的结构组成中最为重要的光学元器件之一,它的原理则是利用光的折射成像原理，使被检测得物体通过光迹被物镜折射成像再传入人眼中,所以如何衡量一台显微镜质量的好坏，物镜的各项光学技术参数就成为了最为直接和影响成像质量的最重要的标准。物镜筒内是由分开一段距离并被固定的，一组或多组胶
合透镜组组装而成，目的是为了对像差和对像差公差的校正。物镜有许多具体的要求,比如透镜组的合轴或齐焦，因此物镜的结构极为复杂，需要具备精密的制作工艺。由于现代物镜的数值孔径（研究物镜的非常重要的一个参考数据）已经接近极限，物镜成像的视场中心的分辨率与研究的理论值几乎没有出入，也就意味着现代显微物镜已经达到了高度完善的地步，因此视场边缘的细致化与视场的增大化就成为我们现如今的研究工作。本次课设主要目的是设计出一个40×显微镜物镜光学系统。为了设计出相对完整的物镜光学系统，使得成像光斑（也就是误差）达到衍射极限，并能够完美的解决系统像差，主要的应用光学设计软件是ZEMAX，随后我们会详细介绍ZEMAX的发展历史和功能。设计显微物镜光学系统的过程就是个反复优化的过程，需要先经过计算机初步优化，系统分析，计算机调整参数，更改参数变量，再次进行优化，最终靠分析波前均方差和波像均方差等重要参数，评价模拟结果的点列图，设计出符合要求的显微物镜 关键词：显微物镜；ZEMAX；优化；光学系统 Abstract The most important objective is microscope optical components, use light was the first object, so direct relation with little influence imaging quality and technical parameters of the optical microscope, is the primary measure a quality standard. The structure is complex, objective, because of poor precision calibration, metal objects from the telescope in a certain distance apart and fixed lens groups. There are many specific objective requirements, such as close to axis. Modern microscope objectives, it has already reached the height already nearing their limits numerical aperture, view of theoretical resolution of the center with little difference has a narrow-sized microscope objectives. The view and improve the quality of imaging edge view, this study is still possible, still in the works. This class is mainly applied set ZEMAX optical design software, design and x microscope optical system accurately. Through computer optimization, system analysis - fine-tuning parameters - changing parameters optimized variables - again after repeated process, designed to eliminate system as the objectives and poor aspheric optics system, make whole disk image reached diffraction limit. The simulated results
光学设计作业答案Word版
现代光学设计作业 学号：2220110114 姓名：田训卿
一、光学系统像质评价方法 (2) 1.1 几何像差 (2) 1.1.1 光学系统的色差 (3) 1.1.2 轴上像点的单色像差─球差 (4) 1.1.3 轴外像点的单色像差 (5) 1.1.4 正弦差、像散、畸变 (7) 1.2 垂直像差 (7) 二、光学自动设计原理9 2.1 阻尼最小二乘法光学自动设计程序 (9) 2.2 适应法光学自动设计程序 (11) 三、ZEMAX光学设计.13 3.1 望远镜物镜设计 (13) 3.2 目镜设计 (17) 四、照相物镜设计 (22) 五、变焦系统设计 (26)
一、光学系统像质评价方法 所谓像差就是光学系统所成的实际像和理想像之间的差异。由于一个光学系统不可能理想成像，因此就存在光学系统成像质量优劣的问题，从不同的角度出发会得出不同的像质评价指标。 （1）光学系统实际制造完成后对其进行实际测量 ?星点检验 ?分辨率检验 （2）设计阶段的评价方法 ?几何光学方法：几何像差、波像差、点列图、几何光学传递函数 ?物理光学方法：点扩散函数、相对中心光强、物理光学传递函数 下面就几种典型的评价方法进行说明。 1.1 几何像差 几何像差的分类如图1-1所示。 图1-1 几何像差的分类
1.1.1 光学系统的色差 光波实际上是波长为400~760nm 的电磁波。光学系统中的介质对不同波长光的折射率不同的。如图1-2，薄透镜的焦距公式为 ()'121111n f r r ??=-- ??? (1-1) 因为折射率n 随波长的不同而改变，因此焦距也要随着波长的不同而改变， 这样，当对无限远的轴上物体成像时，不同颜色光线所成像的位置也就不同。我们把不同颜色光线理想像点位置之差称为近轴位置色差，通常用C 和F 两种波长光线的理想像平面间的距离来表示近轴位置色差，也成为近轴轴向色差。若l ′F 和l ′c 分别表示F 与C 两种波长光线的近轴像距，则近轴轴向色差为 '''FC F C l l l ?=- (1-2) 图1-2 单透镜对无限远轴上物点白光成像 当焦距'f 随波长改变时，像高'y 也随之改变，不同颜色光线所成的像高也不 一样。这种像的大小的差异称为垂轴色差，它代表不同颜色光线的主光线和同一基准像面交点高度（即实际像高）之差。通常这个基准像面选定为中心波长的理 想像平面。若'ZF y 和'ZC y 分别表示F 和C 两种波长光线的主光线在D 光理想像平面 上的交点高度，则垂轴色差为 '''FC ZF ZC y y y ?=- (1-3)
工程光学习题参考答案第七章典型光学系统
第七章 典型光学系统 1．一个人近视程度是D 2-（屈光度），调节范围是D 8，求： （1）远点距离； （2）其近点距离； （3）配戴100度近视镜，求该镜的焦距； （4）戴上该近视镜后，求看清的远点距离； （5）戴上该近视镜后，求看清的近点距离。 解： ① 21 -== r l R )/1(m ∴ m l r 5.0-= ② P R A -= D A 8= D R 2-= ∴ D A R P 1082-=--=-= m P l p 1.010 1 1-=-== ③f D '= 1 ∴m f 1-=' ④D D R R 1-=-=' m l R 1-=' ⑤P R A '-'= D A 8= D R 1-=' D A R P 9-=-'=' m l P 11.09 1 -=-=' 2．一放大镜焦距mm f 25='，通光孔径mm D 18=，眼睛距放大镜为mm 50，像距离眼睛在明视距离mm 250，渐晕系数为%50=k ，试求（1） 视觉放大率；（2）线视场；（3）物体的位置。 eye
已知：放大镜 mm f 25=' mm D 18=放 mm P 50=' mm l P 250='-' %50=K 求：① Γ ② 2y ③l 解： ① f D P '-'- =Γ1 25 501252501250-+=''-+'= f P f 92110=-+= ②由%50=K 可得： 18.050 *218 2=='= 'P D tg 放ω ωωtg tg '= Γ ∴02.09 18 .0==ωtg D y tg = ω ∴mm Dtg y 502.0*250===ω ∴mm y 102= 方法二： 18.0='ωtg Θ mm tg y 45*250='='ω mm l 200-=' mm f e 250=' mm l 2.22-= y y l l X '==='= 92.22200βΘ mm y 102= ③ l P D '-'= mm D P l 20025050-=-=-'=' f l l '=-'11125 112001=--l mm l 22.22-= 3．一显微镜物镜的垂轴放大率为x 3-=β，数值孔径1.0=NA ，共扼距mm L 180=，物镜框是孔径光阑，目镜焦距mm f e 25='。
(完整版)透射电子显微镜的现状与展望
透射电子显微镜的现状与展望 透射电子显微镜方面主要有：高分辨电子显微学及原子像的观察，像差校正电子显微镜，原子尺度电子全息学，表面的高分辨电子显微正面成像，超高压电子显微镜，中等电压电镜，120kV，100kV分析电镜，场发射枪扫描透射电镜及能量选择电镜等，透射电镜将又一次面 临新的重大突破；扫描电子显微镜方面主要有：分析扫描电镜和X射线能谱仪、X射线波谱仪和电子探针仪、场发射枪扫描电镜和低压扫描电镜、超大试样室扫描电镜、环境扫描电镜、扫描电声显微镜、测长／缺陷检测扫描电镜、晶体学取向成像扫描电子显微术和计算机控制扫描电镜等。扫描电镜的分辨本领可望达到0.2—0.3nm并观察到原子像。 电子显微镜(简称电镜，EM)经过五十多年的发展已成为现代科学技术中不可缺少的重要工具。我国的电子显微学也有了长足的进展。电子显微镜的创制者鲁斯卡(E.Ruska)教授因而获得了1986年诺贝尔奖的物理奖。电子与物质相互作用会产生透射电子，弹性散射电子，能量损失电子，二次电子，背反射电子，吸收电子，X射线，俄歇电子，阴极发光和电动力等等。电子显微镜就是利用这些信息来对试样进行形貌观察、成分分析和结构测定的。电子显微镜有很多类型，主要有透射电子显微镜(简称透射电镜，TEM)和扫描电子显微镜(简称扫描电镜，SEM)两大类。扫描透射电子显微镜(简称扫描透射电镜，STEM)则兼有两者的性能。 为了进一步表征仪器的特点，有以加速电压区分的，如：超高压(1MV)和中等电压(200— 500kV)透射电镜、低电压(～1kV)扫描电镜；有以电子枪类型区分的，如场发射枪电镜；有以用途区分的，如高分辨电镜，分析电镜、能量选择电镜、生物电镜、环境电镜、原位电镜、测长CD-扫描电镜；有以激发的信息命名的，如电子探针X射线微区分析仪(简称电子探针，EPMA)等。半个多世纪以来电子显微学的奋斗目标主要是力求观察更微小的物体结构、更细小的实体、甚至单个原子，并获得有关试样的更多的信息，如标征非晶和微晶，成分分布，晶粒形状和尺寸，晶体的相、晶体的取向、晶界和晶体缺陷等特征，以便对材料的显微结构进行综合分析及标征研究。近来，电子显微镜(电子显微学)，包括扫描隧道显微镜等，又有 了长足的发展。下面见介绍部分透射电镜和扫描电镜的主要性能 1.高分辨电子显微学及原子像的观察 材料的宏观性能往往与其本身的成分、结构以及晶体缺陷中原子的位置等密切相关。观察试样中单个原子像是科学界长期追求的目标。一个原子的直径约为1千万分之2—3mm。 因此，要分辨出每个原子的位置需要0.1nm左右的分辨本领，并把它放大约1千万倍。70年
超分辨成像技术的新发展
超分辨显微成像技术的新发展 马利红 引言 人类获得信息的主要器官是眼睛，然而靠人眼观察客观事物的空间分辨率的极限约为4 ′米，客观世界中人眼不能分辨的所有细微结构称为微观世界。显微成像技术将310- 微观过程或结构成放大图像，以便于人眼能够直接观察。研究微观世界所涉及的学科领域十分广泛，有生物、医学、材料科学、精密机械、微电子学、分子及原子物理、核物理等等，微观世界中细分的微量尺度原则上是无穷的，因而显微学是跨多学科的，其发展也是无止境的。 1665年，Robert Hooke用原始显微镜发现了池塘水中单细胞有机体，它的出现为人类打开了微观世界的大门。光学显微镜由此成为历代生物学家的主要研究工具之一。生物学家把显微镜作为一种主要工具来研究生物器官、组织和细胞，由此奠定了细胞学和组织学的基础，并对生物学、遗传学、微生物学、病理学和医学的发展起到了极大的推动作用。但传统光学显微镜有以下两个主要缺点：(1)受衍射极限的限制，其分辨率与照明波长是同一个数量级，具有一个数值孔径(NA=nsin(q))的传统光学显微镜，分辨极限l，称之为瑞利判据；(2)由于使用的是场光源，观测到的是一个宽视野图像，为0.61/NA 从而降低了信噪比，影响了图像的清晰度和分辨率。随着生物医学、材料科学等的发展对显微提出了更高的要求，不仅希望其具有更高的分辨率，而且能对样品进行无损成像，甚至希望可观察其三维图像。因此，传统的显微镜已不能满足要求。 电子显微镜的分辨率虽然远高于光学显微镜，但它需要在真空条件下工作，因此很难观察活的生物样品，另外电子束的照射也会使生物样品受到辐照损伤。电子显微镜、的局限以及高分辨显微的需求，迫使人们转向超经典衍射极限的光学超分辨理论和技术研究，利用新原理、新技术、新方法来实现光学高分辨力成像和检测。
光学显微镜的发展历史
杨拓拓 (苏州大学现代光学技术研究所，江苏苏州215000) 1基本原理 显微镜成像原理及视角放大率 显微镜由物镜和目镜组成。物体AB 在物镜前焦面稍前处，经物镜成放大、倒立的实像A'B'，它位于目镜前焦面或稍后处，经目镜成放大的虚像，该像位于无穷远或明视距离处。 图1-1显微镜系统光路图 牛顿放大率公式： f f x x ''= 'x 是像点到像方焦点的距离，x 是物点到物方焦点的距离。 根据牛顿放大率公式可得物镜的垂轴放大率为 '1'1'11--f f x ?== β 目镜的视觉放大率为： '22250 f =Γ 组合系统的放大率为 '2'121250f f ? -=Γ=Γβ 显微镜系统的像方焦距 ?-=/'2'1'f f f '250 f = Γ 显微镜系统成倒像轴向放大率 ' 1 f
'2'1'2'1/f f x x =β 若物点A 沿光轴移动很小的距离，则通过显微镜系统的像点'2A 将移动很大的距离，且移动 方向相同。 显微系统的角放大率 '2'1'2'1/x x f f =γ 即入射于物镜为大孔径光束，而由目镜射出为小孔径光束。 显微镜的孔径光阑 单组低倍显微物镜，镜框是孔径光阑。 复杂物镜一般以最后一组透镜的镜框作为孔径光阑。 对于测量显微镜，孔阑在物镜的象方焦面上，构成物方远心光路。 显微镜的视场光阑和视场 在显微物镜的象平面上设置了视场光阑来限制视场。由于显微物镜的视场很小，而且要求象面上有均匀的照度，故不设渐晕光阑。 显微镜是小视场大孔径成像，为获得大孔径并保证轴上点成像质量，显微镜线视场不超过物镜的1/20,线视场要求： 1 '120202β?=≤f y 显微镜的分辨率和有效放大率 光学仪器分辨率 瑞利判据：两个相邻的“点”光源所成的像是两个衍射斑，若两个等光强的非相干点像之间的间隔等于艾里圆的半径，即一个像斑的中心恰好落在另一个像斑的第一暗环处，则这两个点就是可分辨的点。当物面在无穷远时，以两点对光学系统的张角可表示两分辨点的距离，其值为：