典型系統(tǒng)-顯微鏡

1、顯微鏡顯微鏡7-3 顯微鏡顯微鏡顯微鏡是人眼的輔助工具。顯微鏡是人眼的輔助工具。對(duì)于工作在對(duì)于工作在可見(jiàn)光可見(jiàn)光波長(zhǎng)范圍波長(zhǎng)范圍的光學(xué)顯微鏡，的光學(xué)顯微鏡，按用途區(qū)分按用途區(qū)分，使用量較大的有，使用量較大的有三種三種：工具顯微鏡工具顯微鏡（主要應(yīng)用于精密機(jī)構(gòu)制造工業(yè)等方面進(jìn)行精密測(cè)（主要應(yīng)用于精密機(jī)構(gòu)制造工業(yè)等方面進(jìn)行精密測(cè)量）；量）；生物顯微鏡生物顯微鏡（主要應(yīng)用于生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、農(nóng)學(xué)等方面）；（主要應(yīng)用于生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、農(nóng)學(xué)等方面）；金相顯微鏡金相顯微鏡（主要應(yīng)用于冶金和機(jī)械制造工業(yè)，觀察研究（主要應(yīng)用于冶金和機(jī)械制造工業(yè)，觀察研究金相組織結(jié)構(gòu)）。金相組織結(jié)構(gòu)）。一、顯微鏡成像原理及其視覺(jué)放大

2、率一、顯微鏡成像原理及其視覺(jué)放大率1、成像原理、成像原理1）系統(tǒng)組成：成像系統(tǒng)（）系統(tǒng)組成：成像系統(tǒng)（物鏡物鏡+目鏡目鏡+眼睛）眼睛）+ 照明系統(tǒng)照明系統(tǒng)2）物鏡的像平面在目鏡的焦平面以內(nèi)或重合（此處設(shè)視闌）物鏡的像平面在目鏡的焦平面以內(nèi)或重合（此處設(shè)視闌）機(jī)械筒長(zhǎng)機(jī)械筒長(zhǎng): :物鏡支撐面到目鏡支撐面之間的距離物鏡支撐面到目鏡支撐面之間的距離，用，用tm表示。表示。是是把顯微鏡的物鏡和目鏡取下后，所剩的鏡筒長(zhǎng)度把顯微鏡的物鏡和目鏡取下后，所剩的鏡筒長(zhǎng)度.機(jī)械筒長(zhǎng)各國(guó)標(biāo)準(zhǔn)不同，有機(jī)械筒長(zhǎng)各國(guó)標(biāo)準(zhǔn)不同，有160mm，170mm和和190mm 等。等。我國(guó)規(guī)定機(jī)械筒長(zhǎng)為我國(guó)規(guī)定機(jī)械筒長(zhǎng)為160mm。

3、物平面到光學(xué)系統(tǒng)第一個(gè)物鏡的球面頂點(diǎn)的距離稱為物平面到光學(xué)系統(tǒng)第一個(gè)物鏡的球面頂點(diǎn)的距離稱為“工作工作距距”一些規(guī)定參數(shù)：一些規(guī)定參數(shù)：共軛距：顯微鏡物鏡從物平面到像平面的距離。（大約共軛距：顯微鏡物鏡從物平面到像平面的距離。（大約等于等于180mm）光學(xué)筒長(zhǎng)：光學(xué)筒長(zhǎng)：物鏡和目鏡的光學(xué)間隔物鏡和目鏡的光學(xué)間隔光學(xué)筒長(zhǎng)光學(xué)筒長(zhǎng)=F1F2機(jī)械筒長(zhǎng)機(jī)械筒長(zhǎng)共軛距（國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)）共軛距（國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)） 顯微鏡系統(tǒng)成像原理顯微鏡系統(tǒng)成像原理 顯微鏡和放大鏡起顯微鏡和放大鏡起著同樣的作用著同樣的作用 物鏡物鏡目鏡目鏡F1F1F2BAABA”B” 物鏡物鏡目鏡目鏡F1F1F2BAABA”B” AB 位于目鏡的物方

4、焦點(diǎn)位于目鏡的物方焦點(diǎn) F2 上或上或在很靠近在很靠近 F2 的位置上的位置上 此像在經(jīng)目鏡放大為虛像此像在經(jīng)目鏡放大為虛像A”B” 后供眼睛觀察。后供眼睛觀察。這說(shuō)明目鏡與這說(shuō)明目鏡與放大鏡的作用一樣。放大鏡的作用一樣。 2、視覺(jué)放大率、視覺(jué)放大率第二章例題4總的放大率總的放大率與與光學(xué)筒長(zhǎng)光學(xué)筒長(zhǎng)成正比成正比，和，和物鏡及目鏡的焦距成反比物鏡及目鏡的焦距成反比。 物體被物體被物鏡物鏡成的像位于成的像位于目鏡目鏡的物方焦點(diǎn)上或附的物方焦點(diǎn)上或附近，此像相對(duì)于物鏡像方焦點(diǎn)的距離為近，此像相對(duì)于物鏡像方焦點(diǎn)的距離為。式中有式中有負(fù)號(hào)負(fù)號(hào)，即當(dāng)顯微鏡系統(tǒng)具有正物鏡和正，即當(dāng)顯微鏡系統(tǒng)具有正物鏡和正

5、目鏡時(shí)（常用這種結(jié)構(gòu)），則整個(gè)顯微鏡系統(tǒng)目鏡時(shí)（常用這種結(jié)構(gòu)），則整個(gè)顯微鏡系統(tǒng)給出給出倒像倒像。2、視覺(jué)放大率、視覺(jué)放大率fe2250ffe21250ff f21 f f x11 f250它與放大鏡公式具有它與放大鏡公式具有完全相同完全相同的形式。顯微鏡系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上的形式。顯微鏡系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上就是一個(gè)就是一個(gè)復(fù)雜化了的放大鏡復(fù)雜化了的放大鏡常用的物鏡倍率：常用的物鏡倍率：4x、 10 x、 40 x和和100 x常用的目鏡倍率：常用的目鏡倍率：5x、10 x和和15x極限倍率：極限倍率：100*15=1500例題二、顯微鏡的光束限制 1）孔闌）孔闌觀察用觀察用 低倍：物鏡框（入瞳），出瞳位于眼瞳處

6、低倍：物鏡框（入瞳），出瞳位于眼瞳處 高倍：最后一組透鏡框高倍：最后一組透鏡框測(cè)量用測(cè)量用 一般在物鏡像方焦平面上，形成物方遠(yuǎn)心光路。一般在物鏡像方焦平面上，形成物方遠(yuǎn)心光路。 2）視闌：均設(shè)置在物鏡像平面處）視闌：均設(shè)置在物鏡像平面處(分化板分化板)入窗在物平面上，出窗在最后像平面上入窗在物平面上，出窗在最后像平面上3）漸暈 觀察用：觀察用：2 測(cè)量用：測(cè)量用：04）一般沒(méi)有消雜光光闌）一般沒(méi)有消雜光光闌1、光闌的設(shè)置、光闌的設(shè)置與其結(jié)構(gòu)及用途有關(guān)選定目鏡后，顯微鏡的視覺(jué)放大率越大，線視場(chǎng)越小選定目鏡后，顯微鏡的視覺(jué)放大率越大，線視場(chǎng)越小2、線視場(chǎng)、線視場(chǎng)出瞳直徑出瞳直徑D小于眼瞳小于眼瞳N

7、Ansinu，稱為顯微鏡的數(shù)值孔徑，是與，稱為顯微鏡的數(shù)值孔徑，是與配合選用的重要配合選用的重要光學(xué)參數(shù)，一同刻在鏡筒上。光學(xué)參數(shù)，一同刻在鏡筒上。3、出瞳直、出瞳直徑徑 人眼通過(guò)顯微鏡調(diào)焦在某一平面（對(duì)準(zhǔn)平面）上時(shí)，在人眼通過(guò)顯微鏡調(diào)焦在某一平面（對(duì)準(zhǔn)平面）上時(shí)，在對(duì)準(zhǔn)平面前和后一定范圍內(nèi)物體也能清晰成像，能清晰對(duì)準(zhǔn)平面前和后一定范圍內(nèi)物體也能清晰成像，能清晰成像的遠(yuǎn)、近物平面之間的距離稱作顯微鏡的景深。成像的遠(yuǎn)、近物平面之間的距離稱作顯微鏡的景深。4、景深、景深三、顯微鏡的分辨率和有效放大率自發(fā)光：自發(fā)光：0.61/NA；光源照明：；光源照明：/NA；斜照明：；斜照明：0.5/NA瑞利分辨

8、率標(biāo)準(zhǔn)是比較保守的，通常以道威判斷給出的分辨率值作為光學(xué)系統(tǒng)的目視衍射分辨率，或稱作理想分辨率。 當(dāng)兩個(gè)獨(dú)立的光強(qiáng)度相當(dāng)兩個(gè)獨(dú)立的光強(qiáng)度相等的發(fā)光點(diǎn)逐漸靠近時(shí)，等的發(fā)光點(diǎn)逐漸靠近時(shí)，其在系統(tǒng)像面上的愛(ài)里其在系統(tǒng)像面上的愛(ài)里斑也逐漸靠近，并開(kāi)始斑也逐漸靠近，并開(kāi)始有重疊的部分。有重疊的部分。這就引出光學(xué)系統(tǒng)對(duì)相鄰兩物點(diǎn)的分辨問(wèn)題。這就引出光學(xué)系統(tǒng)對(duì)相鄰兩物點(diǎn)的分辨問(wèn)題。 當(dāng)相鄰兩點(diǎn)的間隔，正好使一當(dāng)相鄰兩點(diǎn)的間隔，正好使一個(gè)衍射圖樣中的個(gè)衍射圖樣中的愛(ài)里斑中心愛(ài)里斑中心和和另一個(gè)圖樣的另一個(gè)圖樣的第一暗環(huán)第一暗環(huán)重合時(shí)重合時(shí)，兩個(gè)衍射圖樣的光強(qiáng)分布曲，兩個(gè)衍射圖樣的光強(qiáng)分布曲線相加而得到的合成光

9、強(qiáng)分布線相加而得到的合成光強(qiáng)分布曲線，兩個(gè)極大值之間存在的曲線，兩個(gè)極大值之間存在的一個(gè)極小值，能量約為極大值一個(gè)極小值，能量約為極大值的的80%。10.8r暗1從圖中可看出，兩個(gè)愛(ài)里斑的中心從圖中可看出，兩個(gè)愛(ài)里斑的中心距正好是愛(ài)里斑的半徑或衍射圖樣距正好是愛(ài)里斑的半徑或衍射圖樣的的第一暗環(huán)半徑第一暗環(huán)半徑（r暗暗1） 。以此作。以此作為為 光學(xué)系統(tǒng)能對(duì)無(wú)限遠(yuǎn)兩點(diǎn)的像分光學(xué)系統(tǒng)能對(duì)無(wú)限遠(yuǎn)兩點(diǎn)的像分辨得開(kāi)的辨得開(kāi)的最小距離最小距離瑞利判據(jù)。瑞利判據(jù)。由此由此確定光學(xué)系統(tǒng)的分辨本領(lǐng)。確定光學(xué)系統(tǒng)的分辨本領(lǐng)。 fD.D f.r2212211暗式中，式中，波長(zhǎng)，波長(zhǎng)，D入射光瞳直徑。入射光瞳直徑。顯

10、微系統(tǒng)顯微系統(tǒng)的分辨率是以剛能分辨的兩物點(diǎn)之間的距離來(lái)表示的的分辨率是以剛能分辨的兩物點(diǎn)之間的距離來(lái)表示的，稱為，稱為最小分辨距最小分辨距?？讖焦怅@（出瞳）P1P2z-Umax1UmaxA-原則上顯微系統(tǒng)并不滿足這一條件。原則上顯微系統(tǒng)并不滿足這一條件。注意到物鏡的像距要比它的出瞳直徑大得多。注意到物鏡的像距要比它的出瞳直徑大得多。)rad(D.221PP.211221maxmaxtgU.tgU. P PZA.ZA6102221221211孔徑光闌（出瞳）P1P2z-Umax1UmaxA-像方光束接近于平行光束，公式像方光束接近于平行光束，公式 還是可以應(yīng)用于顯微物鏡的。還是可以應(yīng)用于顯微物鏡

11、的。D P1P2,以以1表示像面上能表示像面上能分辨的兩點(diǎn)對(duì)分辨的兩點(diǎn)對(duì)出瞳中心的張角出瞳中心的張角，可得，可得相應(yīng)地相應(yīng)地 因因Umax角一般很小，所以角一般很小，所以maxmaxtgU.tgU.PPZA.ZA6102221221211610.UsinmaxUsinnUsin n由于顯微物鏡滿足正弦條件，即有由于顯微物鏡滿足正弦條件，即有 式中，式中，n像方介質(zhì)的折射率，總是空氣，像方介質(zhì)的折射率，總是空氣，n=1，而，而是是在物空間與在物空間與共軛的線量共軛的線量 式中，式中， 即為前面所提的顯微即為前面所提的顯微物鏡的物鏡的數(shù)值孔徑（數(shù)值孔徑（NA） NA.Usinn.max610610

12、NAUsinnmax它就是顯微物鏡的它就是顯微物鏡的最小分辨距最小分辨距即即分辨率分辨率，故有，故有 表明表明:顯微鏡的顯微鏡的分辨本領(lǐng)分辨本領(lǐng)取決于所用的取決于所用的光波波長(zhǎng)光波波長(zhǎng)和和物鏡的數(shù)值孔徑物鏡的數(shù)值孔徑。上式的得出是假設(shè)物點(diǎn)本身發(fā)光，并且兩個(gè)發(fā)光點(diǎn)是獨(dú)立上式的得出是假設(shè)物點(diǎn)本身發(fā)光，并且兩個(gè)發(fā)光點(diǎn)是獨(dú)立的（即非相干光源）。的（即非相干光源）。這種情況與實(shí)際情況不相符這種情況與實(shí)際情況不相符。若考慮部分相干情況，被照明物點(diǎn)所產(chǎn)生的衍射圖樣，若考慮部分相干情況，被照明物點(diǎn)所產(chǎn)生的衍射圖樣，在在滿足瑞利判據(jù)滿足瑞利判據(jù)時(shí)，上式中的系數(shù)一般要時(shí)，上式中的系數(shù)一般要加以修正加以修正。F這種

13、修正是以這種修正是以道威道威(Dawas)判斷判斷為依據(jù)的。為依據(jù)的。 NA.NA.50610850道威判斷道威判斷：兩個(gè)相鄰像點(diǎn)之間的兩衍射斑中心距兩個(gè)相鄰像點(diǎn)之間的兩衍射斑中心距為為0.85愛(ài)里斑半徑時(shí)，則能被光學(xué)系統(tǒng)分辨愛(ài)里斑半徑時(shí)，則能被光學(xué)系統(tǒng)分辨。應(yīng)應(yīng)充分利用充分利用物鏡的分辨率，使以被顯微鏡物鏡分物鏡的分辨率，使以被顯微鏡物鏡分辨出來(lái)的細(xì)節(jié)能同時(shí)被眼睛所看清，辨出來(lái)的細(xì)節(jié)能同時(shí)被眼睛所看清，顯微鏡必須顯微鏡必須有恰當(dāng)?shù)姆糯舐视星‘?dāng)?shù)姆糯舐?便于眼睛分辨的角距離為便于眼睛分辨的角距離為2 4。00029042500002902250.取取2為分辨角的為分辨角的下限下限， 4為為上限

14、上限，則在，則在明視距離明視距離250mm處能分辨開(kāi)兩點(diǎn)之間的距離處能分辨開(kāi)兩點(diǎn)之間的距離為為 是顯微鏡像空間被人眼所能分辨的線距離是顯微鏡像空間被人眼所能分辨的線距離換算到換算到顯微鏡的物方顯微鏡的物方NANA1000500有效放大有效放大率率580290.NA.偽分辨?zhèn)畏直娉^(guò)上限（無(wú)效放大，虛放大）超過(guò)上限（無(wú)效放大，虛放大）四、性能指標(biāo)計(jì)算舉例四、性能指標(biāo)計(jì)算舉例ffe21250NA.NA.50610850NAnsinu有兩個(gè)薄透鏡：f1=25mm，f2=24mm。解答：（1）若用第一個(gè)透鏡做顯微鏡的目鏡，求該目鏡的視覺(jué)放大率；（2）若用第二個(gè)透鏡做顯微鏡的物鏡，求其物像共軛距為196

15、mm時(shí)的物鏡垂軸放大率（4分）；（3）此時(shí)，物鏡應(yīng)放在物面后多遠(yuǎn)？（4）此時(shí)，該顯微鏡系統(tǒng)總的視覺(jué)放大率是多少？一顯微鏡物鏡的垂軸放大率，數(shù)值孔徑NA=0.1，共軛距L=180mm，物鏡框是孔徑光闌，目鏡焦距 （1）求顯微鏡的視覺(jué)放大率；（2）求出射光瞳直徑；（3）求出射光瞳距離（鏡目距）；（4）斜入射照明時(shí)，求顯微鏡的分辨率；0.55 mf25emm五、顯微物鏡五、顯微物鏡幾種典型物鏡的結(jié)構(gòu)型式：1、顯微物鏡的數(shù)值孔徑NAnsinu與應(yīng)匹配（表） 數(shù)值孔徑是物鏡的主要性能指標(biāo)，他決定了系統(tǒng)的分辨率、像差校正、物鏡結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度等。2、匹茲伐場(chǎng)曲的校正問(wèn)題低倍物鏡:由雙膠合物鏡組成中倍物鏡:由兩組雙膠合物鏡組成里斯特物鏡高倍物鏡:半球透鏡+里斯特物鏡阿米西物鏡阿貝浸液物鏡:阿米西物鏡+同心齊明透鏡復(fù)消色差物鏡平視場(chǎng)復(fù)消色差物鏡六、照明系統(tǒng)六、照明系統(tǒng)1、設(shè)計(jì)原則：、設(shè)計(jì)原則：1）光孔轉(zhuǎn)接原則：瞳、窗對(duì)應(yīng)；）光孔轉(zhuǎn)接原則：瞳、窗對(duì)應(yīng)；2）J照照J(rèn)物（拉赫不變量）物（拉赫不變量）光源光源+聚光鏡聚光鏡2、照明的方法、照明的方法生物顯微鏡多為透明標(biāo)本，常用透射光亮視場(chǎng)照明。臨界照明臨界照明柯勒照明柯勒照明照明出瞳照明出瞳成像入瞳成像入瞳照明出窗照明出窗成