光學(xué)顯微鏡成像原理.doc

光學(xué)顯微鏡成像原理物體介于物鏡的焦距和二倍焦距之間，成倒立放大的實(shí)相，據(jù)凸透鏡成像規(guī)律，知實(shí)相在異側(cè)二倍焦距之外。實(shí)相位于目鏡焦點(diǎn)或者焦點(diǎn)之內(nèi)，被再次放大，形成放大的虛像。而人的眼睛是可以看到虛像的（這個(gè)原理自然清楚）。要搞清顯微鏡的使用原理，就得對(duì)物理中的凸透鏡成像有所理解。 只有當(dāng)物體對(duì)人眼的張角不小于某一值時(shí)，肉眼才能區(qū)別其各個(gè)細(xì)部，該量稱為目視分辨率。在最佳條件下，即物體的照度為5070lx及其對(duì)比度較大時(shí)， 可達(dá)到1。為易于觀測(cè)，一般將該量加大到2，并取此為平均目鏡分辨率。物體視角的大小與該物體的長(zhǎng)度尺寸和物體至眼睛的距離有關(guān)。有公式y(tǒng)=L距離L不能取得很小，因?yàn)檠劬Φ恼{(diào)節(jié)能力有一定限度，尤其是眼睛在接近調(diào)節(jié)能力的極限范圍工作時(shí)，會(huì)使視力極度疲勞。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)(正視)而言，最佳的視距規(guī) 定為250mm(明視距離)。這意味著，在沒有儀器的條件下，目視分辨率=2的眼睛，能清楚地區(qū)分大小為0.15mm的物體細(xì)節(jié)。在觀測(cè)視角小于1的物體時(shí)，必須使用放大儀器。放大鏡和顯微鏡是用于觀測(cè)放置在觀測(cè)人員近處應(yīng)予放大的物體的。（一） 放大鏡的成像原理表面為曲面的玻璃或其他透明材料制成的光學(xué)透鏡可以使物體放大成像，光路圖如圖1所示。位于物方焦點(diǎn)F以內(nèi)的物AB，其大小為y，它被放大鏡成一大小 為y的虛像AB。放大鏡的放大率=250/f式中250-明視距離，單位為mmf-放大鏡焦距，單位為mm該放大率是指在250mm的距離內(nèi)用放大鏡觀察到的物體像的視角同沒有放大鏡觀察到的物體視角的比值。（二） 顯微鏡的成像原理顯微鏡和放大鏡起著同樣的作用，就是把近處的微小物體成一放大的像，以供人眼觀察。只是顯微鏡比放大鏡可以具有更高的放大率而已。圖2是物體被顯微鏡成像的原理圖。圖中為方便計(jì)，把物鏡L1和目鏡L2均以單塊透鏡表示。物體AB位于物鏡前方，離開物鏡的距離大于物鏡的焦距，但小 于兩倍物鏡焦距。所以，它經(jīng)物鏡以后，必然形成一個(gè)倒立的放大的實(shí)像AB。 AB位于目鏡的物方焦點(diǎn)F2上，或者在很靠近F2的位置上。再經(jīng)目鏡放大為虛像AB后供眼睛觀察。虛像AB的位置取決于F2和 AB之間的距離，可以在無(wú)限遠(yuǎn)處（當(dāng)AB位于F2上時(shí)），也可以在觀察者的明視距離處（當(dāng)AB在圖中焦點(diǎn)F2之右邊時(shí)）。目鏡的作用與放大鏡 一樣。所不同的只是眼睛通過目鏡所看到的不是物體本身，而是物體被物鏡所成的已經(jīng)放大了一次的像。（三） 顯微鏡的重要光學(xué)技術(shù)參數(shù)在鏡檢時(shí)，人們總是希望能清晰而明亮的理想圖象，這就需要顯微鏡的各項(xiàng)光學(xué)技術(shù)參數(shù)達(dá)到一定的標(biāo)準(zhǔn)，并且要求在使用時(shí)，必須根據(jù)鏡檢的目的和實(shí)際情況 來(lái)協(xié)調(diào)各參數(shù)的關(guān)系。只有這樣，才能充分發(fā)揮顯微鏡應(yīng)有的性能，得到滿意的鏡檢效果。顯微鏡的光學(xué)技術(shù)參數(shù)包括：數(shù)值孔徑、分辨率、放大率、焦深、視場(chǎng)寬度、覆蓋差、工作距離等等。這些參數(shù)并不都是越高越好，它們之間是相互聯(lián)系又相互 制約的，在使用時(shí)，應(yīng)根據(jù)鏡檢的目的和實(shí)際情況來(lái)協(xié)調(diào)參數(shù)間的關(guān)系，但應(yīng)以保證分辨率為準(zhǔn)。1 數(shù)值孔徑數(shù)值孔徑簡(jiǎn)寫NA，數(shù)值孔徑是物鏡和聚光鏡的主要技術(shù)參數(shù)，是判斷兩者（尤其對(duì)物鏡而言）性能高低的重要標(biāo)志。其數(shù)值的大小，分別標(biāo)刻在物鏡和聚光鏡 的外殼上。數(shù)值孔徑（NA）是物鏡前透鏡與被檢物體之間介質(zhì)的折射率（n）和孔徑角（u）半數(shù)的正弦之乘積。用公式表示如下：NA=nsinu/2孔徑角又稱鏡口角，是物鏡光軸上的物體點(diǎn)與物鏡前透鏡的有效直徑所形成的角度?？讖浇窃酱?，進(jìn)入物鏡的光通亮就越大，它與物鏡的有效直徑成正比， 與焦點(diǎn)的距離成反比。顯微鏡觀察時(shí)，若想增大NA值，孔徑角是無(wú)法增大的，唯一的辦法是增大介質(zhì)的折射率n值?；谶@一原理，就產(chǎn)生了水浸物鏡和油浸物鏡，因介質(zhì)的折射率 n值大于1，NA值就能大于1。數(shù)值孔徑最大值為1.4，這個(gè)數(shù)值在理論上和技術(shù)上都達(dá)到了極限。目前，有用折射率高的溴萘作介質(zhì)，溴萘的折射率為1.66所以NA值可大于 1.4。這里必須指出，為了充分發(fā)揮物鏡數(shù)值孔徑的作用，在觀察時(shí)，聚光鏡的NA值應(yīng)等于或略大于物鏡的NA值。數(shù)值孔徑與其他技術(shù)參數(shù)有著密切的關(guān)系，它幾乎決定和影響著其他各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)。它與分辨率成正比，與放大率成正比，與焦深成反比，NA值增大，視場(chǎng)寬 度與工作距離都會(huì)相應(yīng)地變小。OLYMPUS現(xiàn)在推出了世界最先進(jìn)的物鏡設(shè)計(jì)理念與最先進(jìn)的精密加工技術(shù)使50倍物鏡的數(shù)值孔徑在0.8的情況下工作距 離達(dá)到1毫米100倍物鏡的數(shù)值孔徑在0.9的情況下工作距離達(dá)到1毫米這幾乎是一個(gè)接近于理論的數(shù)值.2 分辨率顯微鏡的分辨率是指能被顯微鏡清晰區(qū)分的兩個(gè)物點(diǎn)的最小間距，又稱鑒別率。其計(jì)算公式是=/NA式中為最小分辨距離；為光線的波長(zhǎng)；NA為物鏡的數(shù)值孔徑?？梢娢镧R的分辨率是由物鏡的NA值與照明光源的波長(zhǎng)兩個(gè)因素決定。NA值越大，照明光線波 長(zhǎng)越短，則值越小，分辨率就越高。要提高分辨率，即減小值，可采取以下措施（1） 降低波長(zhǎng)值，使用短波長(zhǎng)光源。（2） 增大介質(zhì)n值以提高NA值（NA=nsinu/2）。（3） 增大孔徑角u值以提高NA值。（4） 增加明暗反差。3 放大率和有效放大率由于經(jīng)過物鏡和目鏡的兩次放大，所以顯微鏡總的放大率應(yīng)該是物鏡放大率和目鏡放大率1的乘積：=1顯然，和放大鏡相比，顯微鏡可以具有高得多的