[理学]第二 章光学仪器及其成像的基本原理.ppt

第二章 显微镜光学仪器及其成像的基本原理 一、基本的光学元件 光学元件是基于光的直线传播、光的折射、光的反射、以及对光的选择性吸收等规律，对光线进行调控操作的物理器件。 最常见的有光学元件：透镜、反射镜、滤光片、光栅。 在显微镜操作中也有时候需要用到不透光的挡光板。 透镜 透镜是由透明物质（如玻璃等）制成的一种光学元件。透镜是显微镜技术中应用最多的光学元件，可以分为凸透镜、凹透镜、棱镜和平面透镜等 除了有时候利用平面镜对光线的直线传播外（如照相机镜头的保护镜片、载物玻片），透镜一般都是利用光的折射，所以又称折射镜，其折射面是两个球面，或一个球面一个平面、或两个平面。 凸透镜和凹透镜 单个具有球面的透镜一般可以分为两大类：凸透镜和凹透镜。 凸透镜具有会聚光线的作用，所以也叫会聚透镜。凹透镜具有发散光线的作用，所以也叫发散透镜。 各种凸透镜和凹透镜 中央部分比边缘部分厚的叫凸透镜， 有双凸、平凸、凹凸三种； 中央部分比边缘部分薄的叫凹透镜， 有双凹、平凹、凸凹三种。 透镜组合 放大镜是最简单的视野放大设备，只由一个凸透镜组成。 即使最简单的普通光学显微镜都是由多个光学元件组成。 透镜的组合有多种多样，可以满足人们不同的需要。 其他光学元件 凸透镜和凹透镜是显微镜的主要光学元件。除此之外，利用棱镜、平面镜和反光镜等光学元件可以改变光路的特性，在复杂显微镜中是必不可少的。 还有，滤光片、光栅是特殊显微镜的重要组成元件，在暗视野显微镜中还用到挡光板作为调节元件。 反光镜 各种反光镜在显微镜中通常用来改变光路，使得成像便于人们的观察。 二、透镜成像的有关的概念 以显微镜物镜的成像原理为例来说明，先介绍几个概念：主光轴、光心、焦点、焦平面、弥散园、景深和屈光度。 1、主光轴、光心、 透镜两球面的球心的连线称为透镜的主光轴，简称主轴，主轴与透镜的交点称为光学中心，简称为光心。 包含主轴的任一平面，称为主截面，透镜都制成圆片形，而以主轴为对称轴。圆片的直径称为透镜的孔径。 物点在主轴上时，由于对称性，任一主截面内的光线分布都相同，故通常只研究一个主截面。 透镜的厚度 透镜两表面在其主轴上的间隔称为透镜的厚度。 如果透镜的厚度比起两球面的曲率半径小得多，或者透镜的厚度对透镜的屈光度影响可以忽略不计，这种透镜称为薄透镜。 若透镜的厚度与球面的曲率半径相比不能忽略，则称为厚透镜。 理论研究以薄透镜为理想透镜来进行分析，而实际应用中常常要考虑透镜厚度带来的影响。 2、焦点、焦平面、 一束平行于主轴的光线入射到正透镜上，经过透镜的折射光线将会聚到主轴上某点，然后再以锥状的扩散开来，这个聚集所有光线的一点，就叫做焦点。 透镜的焦点有两个（根据光路可逆原理），物方焦点和像方焦点，分用F和F′表示。从透镜中心到焦点的距离称为镜头的焦距。物方焦点到透镜的距离称为物方焦距，用f表示。像方焦点到透镜的距离称为像方焦距，用f′表示。 凸透镜的焦点是汇集光学聚集的实焦点，而通过凹透镜的光线是发散的，由发散光线的反向延长线汇集到一点为凹透镜的虚焦点。 通过焦点并垂直于光轴的平面为焦平面。 平行于光轴的光线汇集于焦点，其他平行光束汇集于焦平面上。 焦点的简单测量方法： 3、弥散圆 在焦点前后，光线开始聚集和扩散，如果在这些地方放上光屏，得到点的影象变成模糊的，形成一个扩大的圆，这个圆就叫做弥散圆。 当弥散圆的尺寸达到一定程度后，人眼将认为其是模糊的。 如果弥散圆的直径小于人眼的鉴别能力，在一定范围内实际影象产生的模糊是不能辨认的。这个刚好能够辨认的弥散圆就称为容许弥散圆。 在用相机照相显微摄影时，通常要调焦，使得感光胶片处在的位置在焦点处，或焦点前后两个容许弥散园的范围内，这样得到的相片才是清晰的。 在显微镜的光轴上有一段距离范围内物体被看得清晰。超出这段距离的物体就模糊不清。这段距离位于显微镜焦点的上下很小的范围之内。 在焦点前后各有一个容许弥散圆，这两个弥散圆之间的距离是能够清晰成像的上下限叫焦点深度，也叫焦深。 焦点深度 焦深的运用 一是使得我们的眼睛在前后一定范围内可以看清物体，便于我们在运用显微镜时代操作； 二是在用胶卷进行显微摄影的时候，选用合适的胶卷。不同的胶片面积都有不同的容许弥散圆直径的数值定义。一般常用的是：例如以画面放大为5x7英寸的照片，观察距离为25~30cm前提，35mm照相镜头的容许弥散圆，大约是底片对角线长度的1/1000~1/1500左右。 4、景深 通常，凸透镜的曲率决定了它的焦距。成像平面和透镜中心的距离（像距）决定了能够在焦平面上清晰成像的景物的距离（物距）。光圈的大小决定进入镜头光的多少。 只有位于物距处的景物才能在像平面上清晰成像：位于物距之前（近处）的景物成像于像平面之后；而位于物距之后（远处）的景物成像于像平面之前。