第7章 典型光學(xué)系統(tǒng)2

1、第七章 典型光學(xué)系統(tǒng)顯微鏡與照明系統(tǒng)本節(jié)要點(diǎn)顯微鏡及照明系統(tǒng)1. 顯微鏡的成像原理、放大倍率2. 顯微鏡的基本結(jié)構(gòu)和齊焦條件3. 顯微鏡的光束限制4. 顯微鏡的景深及相關(guān)因素5. 顯微鏡的分辨率，數(shù)值孔徑，有效放大率與數(shù)值孔徑關(guān)系6. 顯微鏡的物鏡和目鏡，鏡目距和工作距離7. 顯微鏡的臨界照明與柯拉照明，兩對(duì)共軛關(guān)系，照明系統(tǒng)應(yīng)滿足的條件引言典型光學(xué)系統(tǒng)包括眼睛放大鏡顯微鏡望遠(yuǎn)鏡攝影系統(tǒng)投影與放映系統(tǒng)§ 7-3 顯微鏡與照明系統(tǒng)   顯微鏡的成像原理  返回本章要點(diǎn)顯微鏡由物

2、鏡和目鏡組成。物體AB在物鏡前焦面稍前處，經(jīng)物鏡成放大、倒立的實(shí)像A'B'，它位于目鏡前焦面或稍后處，經(jīng)目鏡成放大的虛像，該像位于無窮遠(yuǎn)或明視距離處。   顯微鏡的放大率  返回本章要點(diǎn)對(duì)正常眼，位于上，顯微鏡光學(xué)筒長(zhǎng)為。顯微鏡是復(fù)雜的放大鏡 顯微鏡的機(jī)構(gòu)返回本章要點(diǎn)物鏡通過轉(zhuǎn)換器旋轉(zhuǎn)式接到鏡筒的下端面目鏡以插入式接鏡筒的上端面應(yīng)滿足齊焦要求：調(diào)換物鏡后，不需再調(diào)焦就能看到像。a. 物鏡調(diào)換后，像面不動(dòng)，物面不動(dòng) 物鏡共軛距不變（195mm)b. 物鏡像面即目鏡前焦面不動(dòng)在上端面以下10mm處c. 機(jī)械筒長(zhǎng)上

3、下端面 之間的距離（160mm），有的顯微鏡機(jī)械筒長(zhǎng)可調(diào)調(diào)換物鏡（目鏡）后微調(diào)焦不可避免，故還必須有微動(dòng)機(jī)構(gòu)雙目鏡筒是通過加反射棱鏡和平行平板實(shí)現(xiàn)的，要使兩條光路光程相同金相顯微鏡的物鏡常用前置物鏡和鏡筒透鏡構(gòu)成，前置物鏡為無窮遠(yuǎn)共軛距的。 具有更大的放大率，二次放大  人眼離物面較遠(yuǎn)，使用方便 物鏡和目鏡可調(diào)換，從而得到多種放大率 具有中間實(shí)像面，可放置分劃板，用于測(cè)量（構(gòu)成測(cè)微目鏡） 當(dāng)中間實(shí)像A位于 Fe之前時(shí)，A”為實(shí)像，可投影到屏上。也可用圖像傳感器接收實(shí)像，構(gòu)成電子目鏡 顯微鏡的光束限制返回本章要點(diǎn) 1. 孔徑光闌低倍物鏡

4、的孔徑光闌為單組物鏡框本身高倍物鏡的孔徑光闌多組物鏡的最后一組鏡框，或在 Fo處專設(shè)孔闌 2. 出瞳位置在目鏡像方焦點(diǎn) Fe稍后處，考慮到出瞳在總的像方焦點(diǎn)上，人眼瞳有可能與之重合，接收所有成像光。 3. 出瞳的大小與數(shù)值孔徑  返回本章要點(diǎn)因?yàn)槌鐾c整個(gè)系統(tǒng)的像方焦面重合，設(shè)像方孔徑角為，則有因系統(tǒng)滿足正弦條件即因故即其中稱數(shù)值孔徑由放大率公式 5. 顯微鏡的景深  返回本章要點(diǎn),設(shè) 為眼睛的極限分辨角，要求經(jīng)推導(dǎo)得利用并結(jié)合公式得所以。想一想，這意味著什么？以上是顯微鏡本

5、身的景深，而人眼的調(diào)節(jié)可以允許顯微鏡的像在到之間。由于出瞳與系統(tǒng)的像方焦點(diǎn)重合，在物方允許的所以由于眼睛調(diào)節(jié)所允許的景深范圍為，即顯微鏡的總的景深為，經(jīng)計(jì)算可知是很小的。  顯微鏡的分辨率與有效放大率返回本章要點(diǎn) 1. 顯微鏡的分辨率根據(jù)夫瑯和費(fèi)圓孔衍射理論，考慮物鏡出瞳到像面的衍射，像面上相距最近的兩點(diǎn)對(duì)出瞳的張角，其中D為出瞳直徑?？紤]正弦條件得可見，分辨本領(lǐng)隨波長(zhǎng)的減小而提高，隨數(shù)值孔徑的增大而提高。想一想：數(shù)值孔徑大要求n大和U大，而U總是小于90度的，還有什么辦法可以提高數(shù)值孔徑？ 2. 顯微鏡的有效放大率  返回

6、本章要點(diǎn)想一想：顯微鏡的放大率是否越大越好？用顯微鏡可以看清怎樣細(xì)小的細(xì)節(jié)？如果不能被顯微鏡分辨導(dǎo)致眼睛不能分辨，放得再大也沒有用，稱無效放大。顯微鏡能分辨而眼睛不能分辨，稱為放大不足。取當(dāng)物面被照明時(shí)的最小分辨距為人眼最小分辨角取 2分到 4分，則眼睛最小分辨距應(yīng)為按主色光波長(zhǎng)0.00055mm計(jì)算，得這稱為顯微鏡的有效放大率?？梢姅?shù)值孔徑與放大率要匹配，如最大的數(shù)值孔徑取1.5的話，顯微鏡的最高有效放大率為1500倍。  顯微鏡的物鏡返回本章要點(diǎn)光學(xué)系統(tǒng)的主要參數(shù)是，即焦距、孔徑和視場(chǎng)，在此與有關(guān)。由于顯微鏡要求分辨率高，則數(shù)值孔徑A大，放大率M要與之相適應(yīng)，因而物鏡的

7、放大率也要相應(yīng)匹配，并在規(guī)定機(jī)械筒長(zhǎng)下使用（例如，160mm）。生物顯微鏡的標(biāo)本放在載玻片上，上面蓋上蓋玻片，在設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮蓋玻片。物鏡的參數(shù)標(biāo)明在外殼上。隨著放大倍數(shù)由低到高，其結(jié)構(gòu)也相應(yīng)復(fù)雜。低倍物鏡可以用雙膠合，中倍物鏡用雙雙膠合，高倍物鏡用雙膠合前片，數(shù)值孔徑更大的阿貝物鏡則需要浸油。10×0.25物鏡20×0.4物鏡40×0.65復(fù)消色差物鏡60×0.8物鏡100×1.3浸水物鏡50×0.6折反射UV物鏡  顯微鏡的目鏡返回本章要點(diǎn)相當(dāng)于放大鏡，其入瞳就是物鏡的出瞳，其出瞳在 Fe稍后處，與 F重合一般

8、有二片(組)：朝向物方的稱向場(chǎng)鏡，朝向眼睛的稱接目鏡。由，要有一定的放大倍率應(yīng)取較小的焦距。由于物鏡的放大倍率作用，目鏡的視場(chǎng)較大而相對(duì)孔徑較小，是短焦距小孔徑大視場(chǎng)系統(tǒng)。目鏡還有兩個(gè)重要參數(shù)：1.鏡目距接目鏡最后一面到眼瞳（出瞳）的距離，一般要求2.工作距離向場(chǎng)鏡第一面到目鏡前焦面（物鏡像面）的距離。由于物鏡的像面要安裝分劃板，工作距離應(yīng)保證近視眼觀察時(shí)不能因調(diào)焦而使目鏡碰到分劃板。10倍目鏡10倍高眼點(diǎn)目鏡10倍大視場(chǎng)目鏡20倍目鏡  顯微鏡的照明系統(tǒng)對(duì)于不發(fā)光的透明物面，采用透射光照明，有臨界照明和柯拉照明兩種。1.臨界照明   返回本章要點(diǎn)光源通過聚光鏡與物面共軛，聚光鏡前焦面上的可變光闌與顯微物鏡后焦面上的孔徑光闌共軛。照明系統(tǒng)應(yīng)滿足：聚光鏡的像方孔徑角大于等于顯微物鏡的物方孔徑角。由于光源像通過聚光鏡成在物面上，臨界照明是一種不均勻照明。2.柯拉照明由于被光源均勻照明的J1成像在物面上，柯拉照明是一種均