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显微镜基础知识
  • 发布日期:2011-01-21      浏览次数:625
    • 显微镜简史
           
            随着科学技术的进步,人们越来越需要观察微观世界,显微镜正是这样的设备,它突破了人类的视觉极限,使之延伸到肉眼无法看清的细微结
      构。

            显微镜是从十五世纪开始发展起来。从简单的放大镜的基础上设计出来的单透镜显微镜,到1847年德国蔡司研制的结构复杂的复式显微镜,以
      及相差,荧光,偏光,显微观察方式的出现,使之更广范地应用于金属材料,生物学,化工等领域。

      显微镜的基本光学原理

      一. 折射和折射率

            光线在均匀的各向同性介质中,两点之间以直线传播,当通过不同密度介质的透明物体时,则发生折射现像,这是由于光在不同介质的传播速
      度不同造成的。当与透明物面不垂直的光线由空气射入透明物体(如玻璃)时,光线在其介面改变了方向,并和法线构成折射角。

      二. 透镜的性能

            透镜是组成显微镜光学系统的zui基本的光学元件,物镜、目镜及聚光镜等部件均由单个和多个透镜组成。依其外形的不同,可分为凸透镜(正透
      镜)和凹透镜(负透镜)两大类。当一束平行于光轴的光线通过凸透镜后相交于一点,这个点称“焦点”,通过交点并垂直光轴的平面,称“焦平面”。焦点有两个,在物方空间的焦点,称“物方焦点”,该处的焦平面,称“物方焦平面”;反之,在像方空间的焦点,称“像方焦点”,该处的焦平面,称“像方焦平面”。

            光线通过凹透镜后,成正立虚像,而凸透镜则成正立实像。实像可在屏幕上显现出来,而虚像不能。

      影响成像的关键因素—像差

            由于客观条件,任何光学系统都不能生成理论上理想的像,各种像差的存在影响了成像质量。下面分别简要介绍各种像差。

            1. 色差(Chromatic aberration)

            色差是透镜成像的一个严重缺陷,发生在多色光为光源的情况下,单色光不产生色差。白光由红 橙 黄 绿 青 蓝 紫 七种组成,各种光的波长
      不同 ,所以在通过透镜时的折射率也不同,这样物方一个点,在像方则可能形成一个色斑。光学系统zui主要的功能就是消色差。色差一般有位置色差,放大率色差。位置色差使像在任何位置观察都带有色斑或晕环,使像模糊不清。而放大率色差使像带有彩色边缘。

            2. 球差(Spherical aberration)

            球差是轴上点的单色相差,是由于透镜的球形表面造成的。球差造成的结果是,一个点成像后,不在是个亮点,而是一个中间亮边缘逐渐模糊
      的亮斑,从而影响成像质量。
            球差的矫正常利用透镜组合来消除,由于凸、凹透镜的球差是相反的,可选配不同材料的凸凹透镜胶合起来给予消除。旧型号显微镜,物镜的
      球差没有完全矫正,应与相应的补偿目镜配合,才能达到纠正效果。一般新型显微镜的球差完全由物镜消除。

            3. 慧差(Coma)

            慧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状,型如慧
      星,故称“慧差”。

            4. 像散(Astigmatism)

            像散也是影响清晰度的轴外点单色像差。当视场很大时,边缘上的物点离光轴远,光束倾斜大,经透镜后则引起像散。像散使原来的物点在成
      像后变成两个分离并且相互垂直的短线,在理想像平面上综合后,形成一个椭圆形的斑点。像散是通过复杂的透镜组合来消除。

            5. 场曲(Curvature of field)

            场曲又称“像场弯曲”。当透镜存在场曲时,整个光束的交点不与理想像点重合,虽然在每个特定点都能得到清晰的像点,但整个像平面则是
      一个曲面。这样在镜检时不能同时看清整个像面,给观察和照相造成困难。因此研究用显微镜的物镜一般都是平场物镜,这种物镜已经矫正了场曲。

            6. 畸变(Distortion)

            前面所说各种像差除场曲外,都影响像的清晰度。畸变是另一种性质的像差,光束的同心性不受到破坏。因此,不影响像的清晰度,但使像与
      原物体比,在形状上造成失真。

      显微镜的成像(几何成像)原理

            显微镜之所以能将被检物体进行放大,是通过透镜来实现的。单透镜成像具有像差,严重影响成像质量。因此显微镜的主要光学部件都由透镜
      组合而成。从透镜的性能可知,只有凸透镜才能起放大作用,而凹透镜不行。显微镜的物镜与目镜虽都由透镜组合而成,但相当于一个凸透镜。为便于了解显微镜的放大原理,简要说明一下凸透镜的5种成像规律:

            (1) 当物体位于透镜物方二倍焦距以外时,则在像方二倍焦距以内、焦点以外形成缩小的倒立实像;
            (2) 当物体位于透镜物方二倍焦距上时,则在像方二倍焦距上形成同样大小的倒立实像;
            (3) 当物体位于透镜物方二倍焦距以内,焦点以外时,则在像方二倍焦距以外形成放大的倒立实像;
            (4) 当物体位于透镜物方焦点上时,则像方不能成像;
            (5) 当物体位于透镜物方焦点以内时,则像方也无像的形成,而在透镜物方的同侧比物体远的位置形成放大的直立虚像。

            显微镜的成像原理就是利用上述(3)和(5)的规律把物体放大的。当物体处在物镜前F-2F(F为物方焦距)之间,则在物镜像方的二倍焦距以
      外形成放大的倒立实像。在显微镜的设计上,将此像落在目镜的一倍焦距F1之内,使物镜所放大的*次像(中间像),又被目镜再一次放大,zui终在目镜的物方(中间像的同侧)、人眼的明视距离(250mm)处形成放大的直立(相对中间像而言)虚像。因此,当我们在镜检时,通过目镜(不另加转换棱镜)看到的像于原物体的像,方向相反。

      显微镜光学系统简介

            显微镜光学系统的设计有三种光学系统。

            1 . 长筒光学系统。
            2 . 无限远校正光学系统:是较先进的光路设计,它体现了无限远校正方式的优越性。光线通过物镜后成为平行光束通过镜筒,并在结像
      透镜处折射或完成无像差的中间像。物镜与观察筒内结像透镜之间可添加光学附件,而不影响总放大倍数。另外这种光学系统不需要安装附加校正透镜,都能得到zui佳的显微图像。
            3. 无限远双重色差校正光学系统:是目前zui先进的光路设计,不但能矫正位置色差,同时还能矫正倍率色差可提高水平分辨率12%,提供
      zui高反差、zui高衬度、zui高分辨率的zui锐利图象。 

       

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