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放大镜
一个几个世纪以来就众所周知的解决方法:
放大镜。
当把放大镜放在眼睛与被观察的物体之间时,所有的物体都被放大了。
然而这种方法的局限性是:
放大倍数要超过8倍或者10倍是不可能的。
任何人想要观察更多的细节就必须使用“复合式”放大镜。
如果一个透镜的放大倍数不足以满足我们的需要,那么可以将若干个透镜一个接一个的排列起来。
此时的放大效果将会是乘积式增大,即形成了显微镜。
显微镜的发展史:
早在公元前一世纪,人们就已发现通过球形透明物体去观察微小物体时,可以使其放大成像,后来逐渐对球形玻璃表面能使物体放大成像的规律有了认识。
1590年,荷兰和意大利的眼镜制造者已经造出类似显微镜的放大仪器。
1610年前后,意大利的伽利略和德国的开普勒在研究望远镜的同时,改变物镜和目镜之间的距离,得出合理的显微镜光路结构,当时的光学工匠遂纷纷从事显微镜的制造、推广和改进。
17世纪中叶,英国的胡克和荷兰的列文胡克,都对显微镜的发展作出了卓越的贡献。
1665年前后,胡克在显微镜中加入粗动和微动调焦机构、照明系统和承载标本片的工作台。
这些部件经过不断改进,成为现代显微镜的基本组成部分。
1673~1677年期间,列文胡克制成单组元放大镜式的高倍显微镜,其中九台保存至今。
胡克和列文胡克利用自制的显微镜,在动、植物机体微观结构的研究方面取得了杰出的成就。
19世纪70年代,德国人阿贝奠定了显微镜成像的古典理论基础。
在显微镜本身结构发展的同时,显微观察技术也在不断创新:
1850年出现了偏光显微术;
1893年出现了干涉显微术;
1935年荷兰物理学家泽尔尼克创造了相衬显微术,他为此在1953年获得了诺贝尔物理学奖
显微镜的成像原理
当把待观察物体放在物镜焦点外侧靠近焦点处时,在物镜后所成的实像恰在目镜焦点内侧靠近焦点处,经目镜再次放大成一虚像。
观察到的是经两次放大后的倒立虚像
透镜的成像缺陷——像差
像差就是指理想的成像和光学系统的实际成像之间的差异。
无像差的成像,即理想成像的条件必须满足下述三点:
(i)由一个点发出的、通过成像光学系统的所有光线应该归结于同一点。
(ii)与光轴垂直的、同一平面上各点的成像点应该在同一平面上。
(iii)与光轴垂直的、同一平面上的物体平面形状应该与成像平面上的形状有相似关系。
但是,在实际的光学系统中,完全满足理想成像的条件很难做到,往往存在着影响成像性能的“像差”。
1、色差:
色差是不同颜色的光线穿过透镜之后汇聚在不同焦距上的现象。
色差分为位置色差和放大率色差两种。
位置色差使像在任何位置上观察都带有色斑与晕环,使图像模糊不清。
放大率色差使像带有彩色边缘,同样影响像的清晰度和分辨率。
色差的校正:
1、采用单色光源,但在日常工作中,单色光源无法获得真实的彩色图像信息,往往很少采用。
2、利用凸、凹透镜组进行色差校正。
是常规手段。
2、球差:
亦称球面像差。
轴上物点发出的光束,经光学系统以后,与光轴夹不同角度的光线交光轴于不同位置,因此,在像面上形成一个圆形弥散斑,这就是球差
球差会使一个光点成像后不再是一个亮点,而是一个中间亮,边缘逐渐模糊的亮斑。
球差的校正依然采用凸凹透镜组来实现。
3、慧差:
彗差属轴外点的单色像差。
轴外物点以大孔径光束成像时,发出的光束通过透镜后,不再相交一点,则一光点的像便会得到一逗点壮,型如彗星,故称“彗差”。
慧差因为会形成一个模糊的亮斑,因此会破坏图像的真实和清晰度。
慧差的校正与球场的校正方式一样,都是通过凸凹透镜组来实现的。
4、像散:
当视场很大时,边缘上的物点离光轴远,光束倾向大,经透镜成像后则引起象散。
象散会使图像形成一个椭圆形的斑点,同样会影响图像的真实与清晰度。
5、场曲:
场曲因大视场所引起,使得图像变得弯曲。
6、畸变:
畸变是由于光束倾向度大而引起的,使像平面上个处的放大率不同,像的各部分表现出与原物体不成比例。
显微镜的结构
光源(灯箱)
灯箱,提供用户获得图像的光源,多采用卤素灯作为照明灯泡。
分为反射光照明光源和透射光照明光源两种。
反射光照明用户观察不透明或半透明材料,透射光照明用户观察透明材料。
现有厂家的显微镜都采用柯勒式照明方式。
透射光科勒照明反射光科勒照明
功能模块盒
功能模块盒用于放置观察分析模块(棱镜),用于不同材料的各类分析用,可放置明场、暗场、偏光、微分干涉等分析模块。
模块盒所能放置的模块个数各厂家的显微镜是有差异的。
也是考量显微镜研究级别高低的一个参数。
有些厂家的模块转换采用转盘形势,有些厂家采用推拉方式。
物镜转盘
物镜转盘用户放置物镜的地方,各厂家不同类型显微镜物镜转盘所能放置的物镜个数也不相同,显微镜倍数的改变就是通过拨转物镜转盘改变观察物镜来实现的。
放置个数的多少也是衡量显微镜研究级别高低的一个参数。
物镜
物镜是由若干个透镜组合而成的一个透镜组。
组合使用的目的是为了克服单个透镜的成像缺陷,提高物镜的光学质量。
显微镜的放大作用主要取决于物镜,物镜质量的好坏直接影响显微镜映像质量,它是决定显微镜的分辨率和成像清晰程度的主要部件。
一、物镜参数-数值孔径
数值孔径又叫做镜口率,简写为N.A。
它是由物体与物镜间媒质的折射率n与物镜孔径角的一半(a\2)的正弦值的乘积,其大小由下式决定:
N.A=n*sina/2
数值孔径简写NA(蔡司公司的数值孔径简写CF),数值孔径是物镜和聚光镜的主要技术参数,是判断两者(尤其对物镜而言)性能高低(即消位置色差的能力,蔡司公司的数值孔是代表消位置色差和倍率色差的能力),的重要标志。
其数值的大小,分别标科在物镜和聚光镜的外壳上。
显微镜观察时,若想增大NA值,孔径角是无法增大的,唯一的办法是增大介质的折射率η值。
基于这一原理,就产生了水浸系物镜和油浸物镜,因介质的折射率η值大于1,NA值就能大于1。
数值孔径与其它技术参数有着密切的关系,它几乎决定和影响着其它各项技术参数。
它与分辨率成正比,与放大率成正比,焦深与数值孔径的平方成反比,NA值增大,视场宽度与工作距离都会相应地变小。
二、物镜参数-分辨率
分辨率是指显微镜能够区分的两个清晰点之间的最小距离。
分辨率的高低决定了获得图像组织细节信息的多少。
同一样品不同分辨率下的图像效果
500倍图像效果1000倍图像效果
分辨率计算公式为:
注明:
利用公式所得到的分辨率为理论值,实际显微镜获得的分别率根据样品的不同、周围光线环境的不同、显微镜技术的不同会有较大的变化。
因此通过公式计算的分别率只具有指导意义,不同厂家的实现技术不同,其获得的实际分辨率效果往往具有一定差距。
提高分辨率的方法:
1、利用短波长的光作为光源,但因为现有光学显微镜往往采用可见光作为光源以保证图像的颜色信息的真实性,因此更为有效的方式应该是增加短波长的通过率,在这一点上只有蔡司做的极为专业。
2、增加NA值,因为物镜在制作完成后其NA值已经固定不变,因此实际所采用的手段就是更换物镜(高级别物镜、高介质折射率物镜、更高倍数物镜)。
3、增加明暗反差,采用光路处理技术,降低光路中杂散光对成像质量的影响,也可以提高分辨率。
三、物镜参数-放大倍数
显微镜的放大倍数:
是指物体经物镜放大在经过目镜放大后,人眼所看到的图像大小与原物体大小的比值。
显微镜常用的放大倍数有5、10、20、50、100几个倍数,有些倍数现有市场只有部分用户会使用如1.25、2.5、63、150等。
显微镜的放大倍数是指长度的放大,而不是指面积的放大。
显微镜总的放大倍数=物镜放大倍数×
目镜的放大倍数。
目镜常用的放大倍数为10倍,也被称为标准放大倍数,因此显微镜的总放大倍数最高不会超过1000倍。
有效放大倍数:
对于某一显微镜而言,在其可分辨能力之内的图像放大,叫做有效放大。
此时的图像放大不失图像表面的细节。
无效放大倍数:
显微镜分辨能力以外的图像放大,叫做无效放大,无效放大只放大了图像的轮廓,而不能放大和分辨图像表面的细节。
四、物镜参数-景深(焦深)
景深:
对焦点前后景物较为清晰的范围,即为景深。
从对焦点至物镜前的最近清晰点为景深前界限,从对焦点至后面的最远清晰点为景深的后界限。
从前界限至对焦点为前景深,从对焦点至至景深的后界限为后景深前后景深之和为全景深,简称景深。
前景深的清晰范围小于后景深约为全景深的1/3。
显微镜景深的计算公式:
其中K为常数240um,M为显微镜总放大倍数
通过公式我们可以了解到景深与放大倍数和分辨率是成反比的,因此在要求高数值孔径获得高分别率是一定会导致景深的降低。
通过计算我们也可以知道显微镜的景深范围大致是从几微米——零点几个微米。
这就要求我们的样本表面的高低起伏应该在微米级别内方可获得一幅清晰图像。
因此显微镜下观察的样品都需要制样(使用的常用设备为切割机、镶嵌机、磨抛机)。
因为样品的制备水平与实际操作人员的操作水平有一定的关系,因此高分辨率下的显微镜对于磨样人的水平是有一定严格要求的,也可以说只有在保证样品表面高低起伏在景深允许范围内的情况下,高分辨率才有意义。
五、物镜参数—工作距离
工作距离也叫物距,即指物镜前透镜的表面到被检物体之间的距离。
随着数值孔径的增大(分辨率的提高)工作距离会缩短,在某些特殊行业,对于物镜的工作距离是有特殊要求的,例如高温金相显微镜,因为物镜需要与热台保持足够长的工作距离,以避免温度过高而损害物镜,因此在相同倍数情况下,需要使用长工作距离物镜,因此也就损失了分辨率。
物镜的分类:
1、根据使用的介质折射率的不同:
干燥系物镜,以空气作为介质,多用于材料学领域
水浸系物镜,以水作为介质,多用户生命科学领域
油浸系物镜,以香柏油作为介质,物镜外壳上标有OIL的字符,多用户煤炭、石油、地质等行业。
2、根据色差校正程度的不同:
消色差物镜,物镜外壳上常有(Ach)字符,现在各厂家很少对其标准,结构比较简单,仅能校正轴上点的位置色差(红、兰二色),成本较低。
复消色差物镜,结构复杂,采用特种玻璃或萤石、氟石等材料制作,物镜外壳上标有APO符合。
这种物镜可校正红、绿、蓝三色光的色差。
对于各种像差的校正也极为完善,比相同倍数的消色差物镜具有更高的数值孔径。
适用于高级研究。
蔡司的AOP物镜可对七色光进行色差校正。
半复消色差物镜,物镜外壳上标有FL符号,有些厂家不标,色差校正程度介于消色差物镜和复消色差物镜之间。
是国内各进口显微镜厂家经常配的一种物镜。
3、平场物镜,因为物镜都要进行场曲的校正,因此现在各厂家生产的物镜都为平场物镜,因此在物镜叫法上就有了平场消色差物镜,平场半复消色差物镜,平场复消色差物镜的叫法。
4、无应变物镜(偏光专用物镜),这种物镜在透镜组的装配中克服了应力的存在,用于专业的偏光显微镜观察,物镜外壳上标有PO或POL的符号。
5、长工作距离物镜,在材料学领域主要用于高倍高温金相显微镜领域。
物镜的其他概念
合轴:
就是在进行镜检时,当用某一个倍率的物镜观察图像清晰后,在转换另一倍率的物镜时,象的中心偏离应在一定允许范围内。
齐焦:
就是在进行镜检时,当用某一个倍率的物镜观察图像清晰后,在转换另一倍率的物镜时,其成象亦应基本清晰。
全系统齐焦:
在满足齐焦和合轴的基础下,计算机上所显示的图像也是清晰的,蔡司的就是全系统齐焦。
载物台
载物台也叫镜台,在物镜的下方或上方,用以放置需要观察的标本,形状有方、圆两种,中央有一通光孔(反射光载物台没有),载物台上可装配弹簧夹,用以夹持标本,载物台下有推进器调手柄,可使标本作左右、前后方向的移动。
载物台的设计要具有超强的耐久性和便于标本的观察,即显微镜的操作更为稳定、更加耐用。
根据不同用途的显微镜,其形状、大小、承重、结构亦有所不同。
方形台圆形台
调焦机构
调焦机构用于调整载物台与物镜之间的工作距离,以保证样品能够处于物镜的焦点处获得最佳的图像效果。
对于正立式显微镜,调焦机构控制载物台的上下移动,对于倒置式显微镜,调焦机构控制物镜转盘的上下移动。
调焦机构分内、外两个调焦旋钮,内侧的大圈为粗调,外测的小圈的微调。
①粗调节器(粗螺旋):
大螺旋称粗调节器,移动时可使镜台作快速和较大幅度的升降,所以能迅速调节物镜和标本之间的距离使物象呈现于视野中,通常在使用低倍镜时,先用粗调节器迅速找到物象。
②细调节器(细螺旋):
小螺旋称细调节器,移动时可使镜台缓慢地升降,多在运用高倍镜时使用,从而得到更清晰的物象,并借以观察标本的不同层次和不同深度的结构。
调焦机构要求机构精密且稳定,长时间使用不会出现齿轮咬合不紧,导致载物台或物镜转盘下滑的现象。
目镜
目镜也是显微镜的主要组成部分,它的主要作用是将由物镜放大所得的实像再次放大,从而在明视距离处形成一个清晰的虚像;
因此它的质量将最后影响到物像的质量。
某些目镜(如补偿目镜)除了有放大作用外,还能将物镜造像过程中产生的残余像差予以校正。
常用的目镜放大倍数有:
8×
、10×
、12.5×
、16×
等多种,标准放大倍数为10倍。
目镜的作用是把物镜放大的实像(中间像)再放大一遍,并把物像映入观察者的眼中,实质上目镜就是一个放大镜。
已知显微镜的分辨率能力是由物镜的数值孔径所决定的,而目镜只是起放大作用。
因此,对于物镜不能分辨出的结构,目镜放的再大,也仍然不能分辨出。
目镜的视场数:
在目镜上除了标有放大倍数外,还标有市场数,通常的参数有18、20、22、23、25、26.5等,用于计算实际观察市场的大小即视场直径。
视场直径也称视场宽度,是指在显微镜下看到的圆形视场内所能容纳被检物体的实际范围。
视场直径23-25最为科学,大视场容易引起场曲。
F=FN/MobF:
视场直径,FN:
视场数,Mob:
物镜放大率。
视场数(FieldNumber,简写为FN),标刻在目镜的镜筒外侧。
由公式可看出:
1.视场直径与视场数成正比。
2.增大物镜的倍数,则视场直径减小。
因此,若在低倍镜下可以看到被检物体的全貌,而换成高倍物镜,就只能看到被检物体的很小一部份。
视频采集
显微镜的成像除了可以通过目镜进行观察外,图像往往要进行存储,并通过相关软件进行分析。
因此在原有双目镜筒的基础上增加了一个光学输出口,即三目镜筒,如下图。
在光学出口处,我们可以采用两种类型的视频采集设备,数码照相机和工业用数字摄像头。
数码照相机:
采用民用数码照相机的某些品牌和型号的产品,如佳能A640。
优点:
成本低廉,除了可用户显微图像采集外,还可以用户日常工作和生活拍照。
缺点,成像质量较差。
工业用数字摄像头:
工业用数字摄像头分为两大类,CCD感光靶面和CMOS感光靶面。
市场上主流产品为CCD类型的。
工业用数字摄像头基本参数有,像素(常用130万、300万、500万、1200万像素),靶面尺寸(1英寸、1/2英寸、2/3英寸、3/4英寸)。
优点,成像质量高。
缺点,成本较高。
对于用户来说,300万像素的摄像头都可以满足用户的基本需要,过高的像素会对计算机硬件提出极高的要求,采集照片时容易发生延时效应。
显微镜的观察方式(分析功能)
对于不同特性的材料,光学显微镜会采用不同的观察分析功能来实现对材料组织结构的有效分析,常用的观察方式有明场、暗场、偏光、微分干涉、荧光等。
一、明场
1、工作原理:
入射光通过聚光镜(透明材料)或物镜(不透明材料或半透明材料)垂直照射到样品上,照亮样品的光透过样品或经样品表面反射经过物镜放大成像,在通过目镜放大被人眼观察。
因为大部的光会进入目镜,因此整个图像的视野是明亮的,故成为明场。
2、应用,明场主要用于分析样品的组织全貌,适用于所有材料,是最基本的分析观察方式。
二、暗场
利用丁道尔现象,入射光通过暗场聚光镜或物镜的暗场聚光环,与样品表面成一定的角度照射样品,并且入射过不会通过物镜进行放大,样品表面的漫反射光经过物镜放大成像后,在经过目镜进行观察。
因此整个视野背景是黑暗的,只有部分组织边缘或微小颗粒能够成像。
2、应用:
暗场观察功能主要用于观察明场下所观察不到的细小颗粒和晶界边缘,但在实际应用过程中能够用到暗场的用户很少。
三、偏光
1、原理:
晶体根据其结构特性分为各向同性晶体(以金属材料为主)和各向异性晶体(以非金属材料为主)。
各项异性材料的组织结构需要采用偏振光方能观察到,偏光主要用于分析具有各项异性的非金属材料。
自然光和偏振光
光是一种电磁波,属于横波(振动方向与传播方向垂直)。
一切实际的光源,如日光、烛光、日光灯及钨丝灯发出的光都叫自然光。
这些光都是大量原子、分子发光的总和。
虽然某一个原子或分子在某一瞬间发出的电磁波振动方向一致,但各个原子和分子发出的振动方向也不同,这种变化频率极快,因此,自然光是各个原子或分子发光的总和,可认为其电磁波的振动在各个方向上的几率相等。
自然光在穿过某些物质,经过反射、折射、吸收后,电磁波的振动可以被限制在一个方向上,其他方向振动的电磁波被大大削弱或消除。
这种在某个确定方向上振动的光称为偏振光。
偏振光的振动方向与光波传播方向所构成的平面称为振动面。
偏光分析功能主要是通过起偏器将自然光转换为偏振光,偏振光经过样品后在通过检偏器(分析镜)后,利用目镜进行观察与分析。
比较常用的偏光观察方式为正交偏光即起偏器与检偏器旋转角度垂直的状态。
2、应用,观察各向异性的非金属材料
四、微分干涉相衬
自然光先经过起偏器成为偏振光,而后在经过干涉棱镜(也叫干涉滑尺)分开角度很小的相干光。
偏振光由于样品表面粗糙程度的不同,突起位置会第一时间反射回去,而凹陷位置会延迟一个时间反射,因此将这些信息反映到图像上,就可以形成表现样品表面高低起伏的图像信息。
2、应用,反映样品表面的高低起伏状态
五、荧光,因荧光观察分析功能多用于生命科学领域,在材料学领域仅有部分石油和地质行业的用户会涉及到荧光分析,因此在这里将不作详细介绍!
光学显微镜的种类
一、金相显微镜
金相显微镜主要用于鉴定和分析金属内部结构组织,它是金属学研究金相的重要仪器,是工业部门鉴定产品质量的关键设备,该仪器配用摄像装置,可摄取金相图谱,并对图谱进行测量分析,对图象进行编辑、输出、存储、管理等功能.。
金相显微镜又可分为正立式和倒置式两种。
两者的区别为:
正立式显微镜光路短,光路设计简单,光损少,制样要求高,样品高度有要求,方便多视场观察,镜头不易落灰易维护,适用于研究单位。
倒置式显微镜光路长,光损较大,光路设计较复杂,制样要求较低,对样品高低无要求,检测方便快速,不适合多视场分析,同等配置下倒置显微镜的价格要高于正立式显微镜。
正立式显微镜倒置式显微镜
二、偏光显微镜
偏光显微镜是专用于各向异性非金属材料检测的专业显微镜。
除了配有专业的起偏器和检偏器外,往往还需要配置其它专用设备,例如,可360度旋转的专用载物台。
而金相显微镜的载物台多是方形台。
偏光显微镜的基本要求:
1、通常配置360度旋转的载物台
2、需要偏光专用物镜,在锥光观察情况下尤为重要
3、可升级锥光观察功能
4、可配置各类补偿片
偏光镜检术的方式
a.正相镜检(Orthscope):
又称无畸变镜检,其特点是使用低倍物镜,不用伯特兰透镜(BertrandLens),被研究对象可直接用偏振光研究。
同时为使照明孔径变小,推开聚光镜的上透镜。
正相镜检用于检查物体的双折射性。
当起偏检偏处在交位置时,视野完全变黑,把样品放在载物台旋转一周,如果视野仍为黑,则说明是单折射体,如是为四明四暗则为双折射性体。
b.锥光镜检(Conoscope):
又称干涉镜检,研究在偏振光干涉时产生的干涉图样,这种方法用于观察物体的单轴或双轴性。
常用于地质行业。
三、体式显微镜
体式显微镜又称“实体显微镜”或“立体显微镜”,在观察物体时能产生正立的三维空间影像。
立体感强,成像清晰和宽阔,又具有长工作距离,并是适用范围非常广泛的常规显微镜。
操作方便、直观、检定效率高,适用于微米级失效分析、断口检测、电子工业生产线的检验、印刷线路板的检定、印刷电路组件中出现的焊接缺陷(印刷错位、塌边等)的检定、单板PC的检定、及所有对样品表面有细致观察的领域,配测量软件可以测量各种数据。
它有如下特点:
1.双目镜筒中的左右两光束不是平行,而是具有一定的夹角——体视角(一般为12度---15度),因此成像具有三维立体感;
2.像是直立的,便于操作,这是由于在目镜下方的棱镜把像倒转过来的缘故;
3.虽然放大率不如常规显微镜,但其工作距离很长
4.焦深大,便于观察被检物体的全层。
5.视场直径大。
目前立体镜的光学结构是:
由一个共用的初级物镜,对物体成像后的两光束被两组中间物镜——变焦镜分开,并成一体视角再经各自的目镜成像,它的倍率变化是由改变中间镜组之间的距离而获得的,因此又称为“连续变倍体视显微镜”(Zoom—stereomicroscope)。
随着应用的要求,目前体视镜可选配丰富的选购附件,如荧光,照相,摄像,冷光源等等。
体式显微镜的样品无需制样,主要用户分析样品表面的图像信息,而金相显微镜与偏光显微镜都是分析样品内部组织结构,两种有着本质区别不可互相替代。
四、激光共聚焦显微镜
原理:
使用激光作为光源,采用共轭成像的原理,X、Y方向逐点扫描样品表面,合成图像切片,在移动Z周,采集多层切片,形成图像栈,将所有图像栈的信息进行合成,形成可以测量垂直高度和表面粗糙度及轮廓的三维表面形貌图像。
。
共聚焦显微镜用途:
1.高分辨率观察的显微镜
常规显微镜的分辨率,0.35μm是极限,
激光共聚焦显微镜的分辨率为0.1-0.2μm,
所以在亚微米级观察上可以代替电
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