Optyka instrumentalna

Wielkość: px

Rozpocząć pokaz od strony:

Download "Optyka instrumentalna"

Lech Szczepański
6 lat temu
Przeglądów:

1 Optyka instrumentalna wykład 8 27 kwietnia 2017

2 Wykład 7 Optyka geometryczna cd. Aberracje geometryczne Sferyczna Koma Astygmatyzm Krzywizna pola, dystorsja (polowe) Aberracja chromatyczna Miary jakości obrazowania PSF funkcja rozmycia punktu MTF funkcja transferu modulacji Apertura, źrenica wejściowa, wyjściowa Przesłona polowa Janość układu optycznego: apertura numeryczna, apertura względna (f-number, f/1, f/4, f/16) Śledzenie promieni (ray tracing)

3 Przyrządy optyczne: oko ludzkie y o d 0 y i Rogówka: powierzchnia asferyczna Soczewka: GRIN + refrakcja akomodacja: zmiana kształtu soczewki Odległość przedmiotu: 10 cm Krótko/daleko wzroczność Rozmiar źrenicy wejściowej: 2 8 mm Siatkówka: czopki (średnica 2 um, widzenie cz.-b.) pręciki (średnica 6 um, widzenie kolorowe 3 rodzaje pręcików) Odległość dobrego widzenia d 0 = 250 mm Zdolność rozdzielcza y i f 2 1 y o d 0 10 Odległość między czopkami 10 um zdolność rozdzielcza ok. 0,1 mm Kątowa zdolność rozdzielcza ok. 1

4 Lupa y i y o Powiększenie (kątowe) m L = y i/l y o /d o, (L = s i + l, odłegłość obrazu od oka) Lutowanie, l = f m L = d 0 /f Zegarmistrz, l 0 m L = d 0 1 Dla L d 0 m L = 1 + d 0 f Wygodne, L = m L = d 0 f L + 1 f Powiększenie 2-3 (ograniczone przez aberracje) Soczewka Codddingtona: m L = 10

5 Okular Przedmiot w skończonej odłegłości obraz pozorny w nieskończoności Powiększenie (jak dla lupy) Prosty przykład (Ramsden, XIX w.) Ramsden Erfle Nagler II

6 Luneta Oberwacja odległych obiektów Obiektyw (obraz rzeczywisty) Okular (obraz pozorny) Luneta afokalna: f ok = f ob (nieskończoność obraz rzeczywisty nieskończoność) Rozdzielczość kątowa M α = α i α o = f ob /f ok Zaprojektujmy lunetę: Założenia: M α = 50, standardowy okular 10 Obiektyw: achromat o f ob = 125 cm. f ok = 2,5 cm Średnica soczewki: 10 cm A źwy A = f ok f ob średnica ź. wyjściowej 2 mm mało!

7 Lornetka Luneta + odwracanie obrazu Pryzmat Porro (podwójny) Powiększenie typowo 10x Ograniczone przez stabilność ręki!

8 Teleskopy zwierciadlane Luneta refrakcyjna: ograniczona apertura soczewki (z przyczyn mechanicznych) Newtona lustro paraboloidalne, bardzo silne aberracje poza osią. Schmidta toroidalna płytka korygująca w śr. krzywizny koryguje komę i astygmatyzm, kosztem krzywizny pola. Newton i Schmidt konieczny bardzo długi tubus.

9 Teleskopy zwierciadlane Cassegraina moc optyczna rozłożona na 2 lustra (paraboloidalne i hiperboloidalne). Silne aberracje (koma) Maksutow-Cassegrain: lustro sferyczne, sferyczna płytka korygująca aberrację sferyczną, na płytkę napylone wtórne lustro Cassegraina. Ritchey-Chretien 2 lustra hiperboloidalne, mała koma, dominuje astygmatyzm i krzywizna pola.

10 Mikroskop optyczny Przedmiot w pobliżu ogniska obiektywu, obraz pośredni z powiększeniem M ob. Okluar o powiększeniu M ok. Całkowite powiększenie M = M ob M ok. W klasycznym mikroskopie standardowa odległość pomiędzy kołnierzem obiektywu o pośrednią płaszczyzną obrazową (16 20 cm, w zależności od producenta) Obiektyw skorygowany na nieskończoność: konieczna dodatkowa soczewka w tubusie (tube lens) aby wytworzyć obraz.

11 Obiektywy mikroskopowe Powiększenie (5 x 100 x ) Apertura numeryczna: (bez imersji) 1.4 (imersyjne). Ograniczenie dyfrakcyjne rozdzielczości: Odległość obrazu pośredniego: mm lub Grubość szkiełka nakrywkowego (typowo 0.14, przemysłowe: 0, ew. pierścień regulacyjny) Odległość robocza (WD): mm. Ew. inne informacje (rodzaj imersji, sposób korekcji aberracji: achromat, apochromat...)

12 Obiektywy zwierciadlane Zastosowanie: Ultrafiolet, podczerwień Brak aberracji chromatycznej Schwarzschilda (lustra sferyczne współśrodkowe, korekcja komy i astygmatyzmu) Offnera (pozaosiowy)

13 Oświetlenie Oświetlacze: transmisyjne (dia) odbiciowe (epi) Oświetlacz Kohlera Równomierne oświetlenie Możliwość regulacji średnicy oświetlonego obszaru

Miroskop Nomarskiego (differential interference contrast, DIC): pomiar gradientu drogi optycznej w próbce. Techniki mikroskopowe Standardowa, z oświetleniem transmisyjnym lub odbiciowym.

14 Miroskop Nomarskiego (differential interference contrast, DIC): pomiar gradientu drogi optycznej w próbce. Techniki mikroskopowe Standardowa, z oświetleniem transmisyjnym lub odbiciowym. Ciemnego pola (tylko światło rozproszone rejestrowane przez obiektyw). Polaryzacyjna (próbka pomiędzy skrzyżowanymi polaryzatorami, widoczne elementy próbki zmieniające polaryzację. Konieczny obiektyw bez dwółomności). Mikroskop z kontrastem fazowym (interferencja światła z próbki z przesuniętą w fazie wiązką oświetlającą obrazowanie obiektów fazowych: całkowicie przezroczystych. Nobel 1953: Frits Zernike, Holandia)

15 Techniki mikroskopowe Mikroskop fluorescencyjny (próbka zawiera znaczniki fluorescencyjne, np. GFP green fluorescent protein, pobudzane monochromatyczną wiązką laserową. Filtr widmowy przed płaszczyzną obrazową blokuje wiązkę pobudzającą). skaningowy: wiązka laserowa skupiona w płaszczyźnie przedmiotowej, skanuje powierzchnię próbki. Rozdzielczość ograniczona rozmiarem ogniska wiązki pobudzającej. konfokalny: dodatkowa przesłona w pobliżu płaszczyzny obrazowej przepuszcza sygnał fluorescencji tylko z pewnej głębokości próbki. Duża rozdzielczość pionowa. PALM Photoactivated localization microscopy, STORM stochastic optical reconstruction microscopy: fotoaktywowane migające fluorofory umożliwiają rozdzielenie położeń poniżej ograniczenia dyfrakcyjnego. Moerner Betzig, Nobel z chemii STED: mikroskopia subdyfrakcyjna wykorzysująca wygaszenie emisji fluoroforu przez silną wiązkę w kształcie obwarzanka. Hell, Nobel z chemii PALM, STORM, STED ograniczenie rozdzielczości przez parametry znacznika fluorescencyjnego, nie przez mikroskop.

16 Techniki subdyfrakcyjne Fluorescencyjne PALM, STORM (rozdzielczość <10 nm) STED (rozdzielczość <10 nm) Mikroskop dwufotonowy (obserwujemy fluorescencję wzbudzaną długością fali 2x mniejszą niż pobudzająca). 2 mniejsze ograniczenie dyfrakcyjne, lepsza rozdzielczość podłużna. Mikroskop skaningowy bliskiego pola (SNOM scanning near-field microscope). Oświetlenie próbki przez nanometrowych rozmiarów aperturę (końcówka wyciągniętego światłowodu z pokryciem metalicznym). Ze względu na dyfrakcję próbka musi byś w nanometrowej odległości o końcówki światłowodu. Tylko obrazowanie powierzchni. Rozdzielczość: poprzeczna 20 nm, <5 nm podłużna.

Podobne dokumenty

Optyka instrumentalna

Optyka instrumentalna wykład 7 20 kwietnia 2017 Wykład 6 Optyka geometryczna cd. Przybliżenie przyosiowe Soczewka, zwierciadło Ogniskowanie, obrazowanie Macierze ABCD Punkty kardynalne układu optycznego