光学显微镜的成象（几何成象）原理.PDF

光学显微镜的成象（几何成象）原理 只有当物体对人眼的张角不小于某一值时，肉眼才能区别其各个细 部，该量称为目视分辨率ε。在最佳条件下，即物体的照度为50~70lx 及其对比度较大时，可达到1。为易于观测，一般将该量加大到2， 并取此为平均目镜分辨率。 物体视角的大小与该物体的长度尺寸和物体至眼睛的距离有关。 有公式y=Lε 距离L 不能取得很小，因为眼睛的调节能力有一定限度，尤其是眼睛 在接近调节能力的极限范围工作时，会使视力极度疲劳。对于标准(正 视)而言，最佳的视距规定为250mm( 明视距离) 。这意味着，在没有仪 器的条件下，目视分辨率ε=2 的眼睛，能清楚地区分大小为0.15mm 的物体细节。 在观测视角小于1的物体时，必须使用放大仪器。放大镜和显微 镜是用于观测放置在观测人员近处应予放大的物体的。 （一）放大镜的成像原理 表面为曲面的玻璃或其他透明材料制成的光学透镜可以使物体放 大成像，光路图如图1 所示。位于物方焦点F 以内的物AB ，其大小 为y，它被放大镜成一大小为y 的虚像AB 。 放大镜的放大率 Γ=250/f 式中250-- 明视距离，单位为mm f--放大镜焦距，单位为mm 该放大率是指在250mm 的距离内用放大镜观察到的物体像的视角同 没有放大镜观察到的物体视角的比值。 （二）显微镜的成像原理 显微镜和放大镜起着同样的作用，就是把近处的微小物体成一放 大的像，以供人眼观察。只是显微镜比放大镜可以具有更高的放大率 而已。 图2 是物体被显微镜成像的原理图。图中为方便计，把物镜L1 和目镜L2 均以单块透镜表示。物体AB 位于物镜前方，离开物镜的距 离大于物镜的焦距，但小于两倍物镜焦距。所以，它经物镜以后，必 然形成一个倒立的放大的实像AB 。AB位于目镜的物方焦点F2 上， 或者在很靠近F2 的位置上。再经目镜放大为虚像AB后供眼睛观察。 虚像AB 的位置取决于F2 和AB之间的距离，可以在无限远处（当 AB位于F2 上时），也可以在观察者的明视距离处（当AB在图中焦 点F2 之右边时）。目镜的作用与放大镜一样。所不同的只是眼睛通过 目镜所看到的不是物体本身，而是物体被物镜所成的已经放大了一次 的像。 这样 （三）显微镜的重要光学技术参数 在镜检时，人们总是希望能清晰而明亮的理想图象，这就需要显 微镜的各项光学技术参数达到一定的标准，并且要求在使用时，必须 根据镜检的目的和实际情况来协调各参数的关系。只有，才能充分发 挥显微镜应有的性能，得到满意的镜检效果。 显微镜的光学技术参数包括：数值孔径、分辨率、放大率、焦深、 视场宽度、覆盖差、工作距离等等。这些参数并不都是越高越好，它 们之间是相互联系又相互制约的，在使用时，应根据镜检的目的和实 际情况来协调参数间的关系，但应以保证分辨率为准。 1． 数值孔径 数值孔径简写NA ，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）性能高低的重要标志。其数值的大小， 分别标刻在物镜和聚光镜的外壳上。 数值孔径（NA ）是物镜前透镜与被检物体之间介质的折射率（n ） 和孔径角（u ）半数的正弦之乘积。用公式表示如下：NA=nsinu/2 孔径角又称镜口角，是物镜光轴上的物体点与物镜前透镜的有 效直径所形成的角度。孔径角越大，进入物镜的光通亮就越大，它与 物镜的有效直径成正比，与焦点的距离成反比。 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n 值。基于这一原理，就产生了水浸物镜和 油浸物镜，因介质的折射率n 值大于 1，NA 值就能大于 1。 数值孔径最大值为1.4，这个数值在理论上和技术上都达到了极 限。目前，有用折射率高的溴萘作介质，溴萘的折射率为1.66,所以 NA 值可大于 1.4。 这里必须指出，为了充分发挥物镜数值孔径的作用，在观察时， 聚光镜的NA 值应等于或略大于物镜的NA 值。 数值孔径与其他技术参数有着密切的关系，它几乎决定和影响着 其他各项技术参数。它与分辨率成正比，与放大率成正比，与焦深成 反比，NA 值增大，视场宽度与工作距离都会相应地变小。 2 ． 分辨率 显微镜的分辨率是指能被显微镜清晰区分的两个物点的最小间 距，又称鉴别率。其计算公式是σ=λ/NA 式中σ为最小分辨距离；λ为光线的波长；NA 为物镜的数值孔径。可 见物镜的分辨率是由物镜的NA 值与照明光源