显微镜.docx
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显微镜
现在的光学显微镜可把物体放大1600倍,分辨的最小极限达0.11微米,国内显微镜机械筒长度一般是160毫米。
显微镜系统中共轭距是物镜物方焦点到目镜物方焦点的距离。
物镜通过转换器旋转式接到镜筒的下端面
目镜以插入式接镜筒的上端面
应满足齐焦要求:
调换物镜后,不需再调焦就能看到像。
a. 物镜调换后,像面不动,物面不动——物镜共轭距不变(195mm)
b.物镜像面即目镜前焦面不动——物镜像面在上端面以下10mm处
c.机械筒长——上下端面之间的距离(160mm),有的显微镜机械筒长可调
调换物镜(目镜)后微调焦不可避免,故还必须有微动机构
具有中间实像面,可放置分划板,用于测量(构成测微目镜)
当中间实像A’位于Fe之前时,A”为实像,可投影到屏上。
也可用图像传感器接收实像,构成电子目镜。
物镜是显微镜最复杂和最重要的部分,在宽光束中工作(孔径大),但这些光束与光轴的倾角较小(视场小);目镜在窄光束中工作,但其倾角大(视场大).当计算物镜与目镜,在消除象差上有很大差别。
成像原理
显微镜主要由目镜和物镜来进行成像,它们都是凸透镜,焦距不同。
物镜的凸透镜焦距小于目镜的凸透镜的焦距。
物镜相当于投影仪的镜头,物镜成像规律:
f
u 这里的正立是相对于物镜所成的像)故最后成出来的像是倒立放大的。 光学显微镜是根据凸透镜的成像原理,要经过凸透镜的两次成像。 第一次先经过物镜(凸透镜1)成像,这时候的物体应该在物镜(凸透镜1)的一倍焦距和两倍焦距之间,根据物理学的原理,成的应该是放大的倒立的实像。 而后以第一次成的物像作为“物体”,经过目镜的第二次成像。 由于我们观察的时候是在目镜的另外一侧,根据光学原理,第二次成的像应该是一个虚像,这样像和物才在同一侧。 因此第一次成的像应该在目镜(凸透镜2)的一倍焦距以内,这样经过第二次成像,第二次成的像是一个放大的正立的虚像。 如果相对实物说的话,应该是倒立的放大的虚像。 反光镜用来反射,照亮被观察的物体。 反光镜一般有两个反射面: 一个是平面镜,在光线较强时使用;一个是凹面镜,在光线较弱时使用,可会聚光线。 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。 对正常眼,位于上,显微镜光学筒长为。 放大倍数 显微镜包括两组透镜——物镜和目镜。 显微镜的的放大倍数主要通过物镜来保证,物镜的最高放大倍数可达100倍,目镜的放大倍数可达25倍。 物镜的放大倍数可由下式得出: M物=L/F1,式中: L——显微镜的光学筒长度(即物镜后焦点与目镜前焦点的距离);F1——物镜焦距。 而A′B′再经目镜放大后的放大倍数则可由以下公式计算: M目=D/F2,式中: D——人眼明视距离(250mm)F2——目镜焦距。 显微镜的总放大倍数应为物镜与目镜放大倍数的乘积,即: M总=M物×M目=250L/F1*F2。 显微镜的放大倍数是由目镜、物镜和镜筒的长度所决定的,显微镜目镜长度与放大倍数呈负相关,物镜长度与放大倍数呈正相关,即目镜长度越长,放大倍数越低;物镜长度越长,放大倍数越高。 一般的物镜配置是4倍、10倍、40倍、100倍,目镜常规配置是10倍,另外还有16倍、20倍等。 F数 F数就是f/d,f为焦距,d为入射光瞳直径,为相对孔径的倒数,决定了像面照度,决定了设计的难度,光学设计还有: 1像空间F数: 计算无穷远共轭点时的轴上有效焦距与近轴入瞳孔径的比值。 2近轴F数: 就是忽略了像差的有效f数。 3工作F数: 此F数比像空间F数有用,由于它基于镜头的实际共轭面的真实光线。 不同类型的目镜,其视场数不同,倍率高的目镜,视场数小。 视场数(一般简写为F.N.)以毫米为单位,定义为样品图像范围的目镜光阑尺寸,是通过目镜实际看到的光阑直径,即 通过目镜能观察到的物体表面的实际范围(实际视场)(F.O.V),显微镜系统物方视场FN=目镜视场数FN/物镜放大率。 一般来说,F.N.特指目镜,而非物镜。 所以我们可以在目镜看到F.N.=22等等,意指目镜的视场直径为22mm。 对于物镜,在国外文献中,一般提到视场,均指其像方视场——实际上就是目镜的物方视场——有时我们也称之为“中间像面视场”。 所以,从这个意义上讲,F.N.其实是指中间像面而言。 简单而言,传统显微镜的视场数在6-18左右(就常见的10×目镜而言)。 目前来看,一般视场数超过18就可称之为大视场显微镜。 国内很多产品已经超过20,大多国际产品在22左右。 分辨率 在明视距离(25cm)之处,正常人眼所能看清相距0.073mm(对应角度60’’)的两个物点,这个0.073mm的数值,即为正常人眼的分辨距离。 显微镜的分辨距离越小,即表示它的分辨力越高,也就是表示它的性能越好。 当用普通的中央照明法(使光线均匀地透过标本的明视照明法)时,显微镜的分辨距离为d=0.61λ/NA,式中d——物镜的分辨距离,单位nm,λ——照明光线波长,单位nm,NA——物镜的数值孔径,例如油浸物镜的数值孔径为1.25。 可见光波长范围为400—700nm,取其平均波长550nm,则d=270nm,约等于照明光一半。 一般地,用可见光照明的显微镜分辨力的极限是0.2μm,线波长一半。 出瞳 在望远镜和显微镜等目视光学仪器中,人眼的瞳孔必须与出瞳重合才能看到整个视场,为了避免眼睫毛与系统最后一面相碰而妨碍观察,出瞳距离不能小于一定的数值。 实验室仪器或一般的普通仪器,要求最少的出瞳距离约为6mm;军用光学仪器中,考虑到加眼罩和带防毒面具,出瞳距离较长,一般为20mm左右。 目视光学仪器的出瞳在外面,是在出射光线共同经过的最小的口径的位置。 眼睛的瞳孔在此处时最容易让最多的光线进入眼睛。 出瞳位置在目镜像方焦点 Fe’稍后处,出瞳在总的像方焦点上,人眼瞳有可能与之重合,接收所有成像光。 因为出瞳与整个系统的像方焦面重合,设像方孔径角为,因系统满足正弦条件 即 故 即 其中称数值孔径 由放大率公式 孔径光阑 低倍物镜的孔径光阑——为单组物镜框本身;高倍物镜的孔径光阑——多组物镜的最后一组镜框,或在 Fo’处专设孔阑。 视场光阑 通常在中间实像面上专设视场光阑,因此显微镜系统无渐晕,视场有清晰边界。 假设物面上线视场为,则视阑直径为。 理论上视阑直径越大,则物方线视场越大。 实际上显微镜的视场都很小,因为大了以后不能给出满意的像质。 显微镜的物镜 通用显微镜物镜从物平面到像平面的距离称为共轭距,不论显微镜放大率如何,共轭距都是相等的。 物镜的共轭距离分有限远和无限远两种。 早期的共轭距均为有限远,一般统一为195mm。 目前,国际上较为先进的显微镜都是无限远光路的,无限远物镜的共轭距离为∞。 物镜共轭距的规定,是从低倍物镜到高倍物镜的共轭距不变,保证了显微镜从低倍到高倍时仍能保持清晰的物像。 在一架显微镜上,通常都配有若干个不同倍率的物镜目镜供互换使用。 为了保证物镜的互换性,要求不同倍率的显微镜物镜的共轭距离(物平面到像平面的距离)相等。 各国生产的通用显微镜物镜的共轭距离大约为190mm左右,我国规定为195mm。 这也要求各物镜的齐焦距离相同,目前统一为45mm。 随着放大倍数由低到高,其结构也相应复杂。 低倍物镜可以用双胶合,中倍物镜用双双胶合,高倍物镜用双胶合+前片,数值孔径更大的阿贝物镜则需要浸油。 10×0.25物镜 20×0.4物镜 40×0.65复消色差物镜 60×0.8物镜 100×1.3浸水物镜 50×0.6折反射UV物镜 计算物镜焦距 设物镜的物距为-l,像距为l’,已知共轭距L=195mm,放大率为=-10,则,l’-l=L,可求出,又由得出。 工作距离 PLL5X/0.1工作距离: 17.9mm PLL10X/0.25工作距离: 20.2mm PLL20X/0.40工作距离: 8.80mm PLL50X/0.70工作距离: 3.68mm PLL100X/0.85(干镜Dry)工作距离: 0.40mm 以上工作距离是长工作距离物镜的,还有普通物镜的,普通物镜比这个长工作距离的要再小些。 数值孔径 数值孔径表征物镜的聚光能力,是物镜的重要性质之一,通常以“NA”表示。 物镜的数值孔径大小决定了物镜的分辨能力(鉴别)及有效放大倍数。 根据理论推导得出: NA=nsinθ。 数值孔径是显微镜物镜最主要的光学特性,它决定了物镜的衍射分辨率,根据显微镜物镜衍射分辨率的计算公式: 公式中,代表显微镜物镜能分辨的最小物点间隔;为光的波长,对目视光学仪器来说,取平均波长;为物镜的数值孔径。 因此要提高显微镜物镜的分辨率,必须增大数值孔径。 在明视距离(250mm)处,正常人眼所能看清,相距0.073mm(对应角度60’’)的两个物点,经过显微镜放大后对眼睛的视角取2’,则显微镜视角放大率,由于显微镜的分辨距离,可以求出数值孔径。 显微镜物镜的倍率、数值孔径、显微镜目镜的焦距与系统出射光瞳直径之间满足以下关系: 式中,为目镜的视放大率。 为了保证人眼观察的主观亮度,出射光瞳直径最好不小于。 在一定的数值孔径下,如果目镜的倍率越小,就要求物镜有更高的倍率,但是物镜的倍率越高,工作距离越短,这给显微镜的使用造成不方便,因此一般希望尽量提高目镜的倍率,但目镜由于受到出射光瞳距离的限制,焦距不能太小,通常目镜的最高倍率为,因此物镜倍率越高,要求物镜的数值孔径越大。 数值孔径与相对孔径之间近似符合以下关系: 一个的显微镜物镜,高倍率的显微镜物镜(不包括浸液物镜),其数值孔径最大可能达到,其相对孔径可以达到2。 相对孔径大,是显微镜物镜的一个特点。 放大倍数 物镜的放大倍数,是指物镜在线长度上放大实物倍数的能力指标。 有两种表示方法,一种是直接在物镜上刻度出如8×、10×、45×等,物镜放大倍数公式为M物=L/f物,L是光学镜筒长度,L值在设计时是很准确的,但实际应用时,因不好量度,常用机械镜筒长度。 机械镜筒长度是指从显微镜目镜接口处之直线距离。 每一物镜上都用数字标明了机械镜筒长度。 另一种则是在物镜上刻度出该物镜的焦距f,焦距越短,放大倍数越高。 物镜系统设计及优化 物镜是由若干个透镜组合而成的一个透镜组。 物镜的结构复杂,制作精密,通常都由透镜组组合而成,各镜片间彼此相隔一定的距离,以减少像差。 每组透镜都由不同材料、不同参数的一或数块透镜胶合而成。 物镜一般位于显微镜筒的下方,接近所观察的物体,由8~10片透镜组成。 其作用一是放大(给物体造成一个放大的实像),二是保证像的质量,三是提高分辨率。 常用物镜可按放大率分为低倍(4×)、中倍(10×或20×)、高倍(40×)和油浸物镜(100×)。 低倍(NA≤0.2与β≤10X),中倍(NA≤0.65与β≤40X),高倍(NA>0.65与β>40X)。 物镜有许多具体的要求,如合轴,齐焦。 齐焦既是在镜检时,当用某一倍率的物镜观察图像清晰后,在转换另一倍率的物镜时,其成像亦应基本清晰,齐焦距离是指,对准焦点时的物镜镜体定位面到物体表面的距离。 ZEISSICCS光学系统齐焦距离是45mm。 而且像的中心偏离也应该在一定的范围内,也就是合轴程度。 齐焦性能的优劣和合轴程度的高低是显微镜质量的一个重要标志,它是与物镜的本身质量和物镜转换器的精度有关。 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,所以对物镜的校正是很重要的。 显微物镜是一消球差系统。 这意味着: 就轴上的一对共轭点而言,消除了球差并且实现了正弦条件时,每一物镜仅有两个这种消球
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