第七章顯微光學(xué)系統(tǒng)2

第七章顯微光學(xué)系統(tǒng)2/3/20231

對于工作在可見光波長范圍的光學(xué)顯微鏡一、分類工具顯微鏡（主要應(yīng)用于精密機(jī)構(gòu)制造工業(yè)等方面進(jìn)行精密測量）；大工顯，小工顯，萬工顯，光學(xué)分度頭，雙管顯微鏡，測長儀等。生物顯微鏡（主要應(yīng)用于生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、農(nóng)學(xué)等）。金相顯微鏡（主要應(yīng)用于冶金和機(jī)械制造工業(yè)，觀察研究金相組織結(jié)構(gòu)）。二、原理

構(gòu)成：由物鏡系統(tǒng)、目鏡系統(tǒng)和照明系統(tǒng)三部分組成?！?-1顯微鏡的工作原理2/3/20232顯微系統(tǒng)的構(gòu)成照明系統(tǒng)＋成像系統(tǒng)成像系統(tǒng)=物鏡＋目鏡

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顯微鏡系統(tǒng)成像原理物鏡目鏡F1F1’F2BAA’B’A”B”2/3/20234

物鏡目鏡F1F1’F2BAA’B’A”B”兩次放大：

1.物鏡的實(shí)像放大A’B’

位于目鏡的物方焦點(diǎn)F2

的附近；

2.像A’B’又經(jīng)目鏡放大為虛像A”B”后供眼睛觀察。2/3/20235

經(jīng)過物鏡和目鏡的兩次放大，所以顯微鏡系統(tǒng)總的放大率Γ為：設(shè)物鏡的焦距為f1′,則物鏡的放大率為三、視角放大率其中

Δ=F’1F2

稱為物鏡和目鏡的光學(xué)間隔。Fe’FeABA’B’A”B”FoFo′Δ

y-y′2/3/20236物鏡的像被目鏡放大，其放大率為顯微鏡系統(tǒng)的總放大率為式中負(fù)號意義，當(dāng)顯微鏡系統(tǒng)具有正物鏡和正目鏡時(shí)（常用這種結(jié)構(gòu)），則整個(gè)顯微鏡系統(tǒng)給出倒像。

2/3/20237根據(jù)組合光組的焦距公式可知，整個(gè)顯微鏡的總焦距f’和物鏡及目鏡焦距之間符合以下關(guān)系：將其代入上式中，則有它與放大鏡公式具有完全相同的形式。顯微鏡系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上就是一個(gè)復(fù)雜化了的放大鏡故顯微鏡相當(dāng)于一個(gè)放大鏡！2/3/20238§7-2

顯微鏡的光束限制

一、

孔徑光闌的設(shè)置1.低倍物鏡的孔徑光闌——為單組物鏡框本身。2.精密測量顯微鏡（高倍物鏡)的孔徑光闌——在F1′處專設(shè)孔徑光闌構(gòu)成物方遠(yuǎn)心光路。

出瞳在目鏡的像方焦點(diǎn)附近，人眼瞳與之重合，接收所有成像光。

入瞳位于物空間無窮遠(yuǎn)處。Fe’FeABA’B’A”B”FoFo’Δ

y-y′出瞳2/3/20239二、視場光闌的設(shè)置

在顯微鏡系統(tǒng)中存在著中間像，故可以在物鏡的實(shí)像平面上放置分劃板—視場光闌。入射窗與物鏡物面重合，出射窗與像面重合。該處設(shè)置視場光闌以消除漸暈現(xiàn)象。2/3/202310§7-3顯微光學(xué)系統(tǒng)的分辨率一、

顯微鏡的分辨率顯微鏡的分辨率是指分辨細(xì)節(jié)的能力。通常以剛能分辨的兩物點(diǎn)之間的距離來表示的，稱為最小分辨距。按衍射理論，無窮遠(yuǎn)自身發(fā)光的物點(diǎn)，在焦平面上所成的像不是幾何點(diǎn)，而是一個(gè)由一系列光環(huán)組成的衍射圖樣。2/3/202311中央亮斑稱為愛里斑，其上集中了總能量的83.78%接著是第一級暗環(huán)然后是第一級亮環(huán)，其能量是總能量的7.22%；愛里斑的半徑：2/3/202312

因?yàn)楣猸h(huán)的能量主要集中在愛里斑上，所以可以把它看作理想系統(tǒng)的點(diǎn)像；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)，其在系統(tǒng)像面上的愛里斑也逐漸靠近，并開始有重疊的部分。這就引出光學(xué)系統(tǒng)對相鄰兩物點(diǎn)的分辨問題。2/3/202313瑞利給出恰可分辨兩個(gè)物點(diǎn)的判據(jù)：點(diǎn)物S1的艾里斑中心恰好與另一個(gè)點(diǎn)物S2的艾里斑邊緣（第一衍射極小）相重合時(shí)，恰可分辨兩物點(diǎn)。瑞利判據(jù)S1S2S1S2S1S2可分辨恰可分辨不可分辨100%75%2/3/202314稱為顯微物鏡的數(shù)值孔徑（NA）

二、最小分辨距公式

表明:顯微鏡的分辨本領(lǐng)取決于所用的光波波長和物鏡的數(shù)值孔徑。道威判斷：兩個(gè)相鄰像點(diǎn)之間的兩衍射斑中心距為0.85愛里斑半徑時(shí)，則能被光學(xué)系統(tǒng)分辨。想一想：提高光學(xué)顯微鏡分辨本領(lǐng)可以采取那些方法？2/3/202315三、顯微鏡的有效放大率

“有效放大率”的由來：

再代入并取

近似寫作：

★A”B”入瞳S有效放大率

2/3/202316

§7-4

顯微鏡的景深

影響顯微鏡景深的諸多因素

(1).幾何景深：由于人眼分辨本領(lǐng)的限制，允許物點(diǎn)成像為一定大小的彌散斑；(2).調(diào)節(jié)景深：由于人眼具有調(diào)節(jié)能力，使得一定縱深范圍內(nèi)的物體可以被清晰觀察；(3).物理景深：因衍射效應(yīng)而形成的景深

*

幾何

調(diào)節(jié)

物理景深

景深

景深結(jié)論：例：求得：

要求物面非常平整！2/3/202317

§7-5顯微鏡的物鏡系統(tǒng)一、顯微物鏡的光學(xué)性能數(shù)值孔徑放大率應(yīng)滿足齊焦要求：調(diào)換物鏡后，不需再調(diào)焦就能看到像。線視場共軛距(180mm)焦距2/3/202318二、顯微物鏡的技術(shù)參數(shù)意義垂軸放大率與數(shù)值孔徑的的匹配關(guān)系

工作距——β越高，工作距越短，如100倍物鏡：～0.2mm。鏡頭上的參數(shù)標(biāo)識：

倍率/N.A.機(jī)械筒長/蓋玻片厚度如：40/0.6510/0.25160/0.17∞/0垂軸放大率——影響著系統(tǒng)的視覺放大率和物鏡的焦距

機(jī)械筒長、蓋玻片厚度——提示使用條件。注意調(diào)焦方式金相顯微鏡一般而言，

2.54102540601000.070.100.250.400.650.851.25大致匹配關(guān)系

（油浸）數(shù)值孔徑N.A.——最重要的技術(shù)性能參數(shù)；2/3/202319油

電子顯微鏡用加速的電子束代替光束，其波長約0.1nm，用它來觀察分子結(jié)構(gòu)。

2/3/202320由于顯微鏡要求分辨率高，則數(shù)值孔徑NA大，放大率M要與之相適應(yīng)，因而物鏡的放大率也要相應(yīng)匹配，并在規(guī)定機(jī)械筒長下使用（例如，160mm）。物鏡的參數(shù)標(biāo)明在外殼上。2/3/202321三、顯微物鏡的像差

物鏡屬于小視場、大孔徑系統(tǒng)。主要像差為：球差、彗差和位置色差。在顯微照相、測量和顯微投影用途中，還需校正像面彎曲。

校正像差的主要方法：

使用多組雙膠合透鏡：校正球差和位置色差

使用齊明透鏡，降低系統(tǒng)像差負(fù)擔(dān)；

恰當(dāng)安排孔徑光闌位置，盡可能擴(kuò)大滿足正弦條件的區(qū)域。

使用厚透鏡：校正像面彎曲。

可使用單色光照明：避免引入色差。

2/3/202322四、顯微物鏡分類1.顯微物鏡根據(jù)用途不同分為：消色差顯微物鏡復(fù)消色差物鏡平場消色差物鏡40X0.95復(fù)消色顯微物鏡普通顯微物鏡大多數(shù)屬于消色差型，只需校正球差、正弦差、軸向色差即可，但邊緣像質(zhì)較差。平場復(fù)消色差物鏡40X0.85平場復(fù)消色顯微物鏡折反射顯微物鏡2/3/2023232.按數(shù)值孔徑NA的大小由四種型式1、雙膠型β=1~5xNA=0.1~0.15

2、李斯特型β

=8~20xNA=0.25~0.302/3/202324

3、阿米西型β

=25~40xNA=0.40~0.65

4、阿貝油浸型β

=90~100x

，A=1.25~1.402/3/202325一）、目鏡的技術(shù)參數(shù)

§7-6

目鏡系統(tǒng)相對鏡目距p’/f’——

影響像差的大小。鏡目距p’——目鏡最后一面到系統(tǒng)出瞳的距離，＞6mm。

視度調(diào)節(jié)范圍——允許目鏡相對于分劃板的移動(dòng)量。焦距——決定目鏡放大能力，影響系統(tǒng)的視覺放大率；工作距

——目鏡第一面到分劃板的距離。

N

(折光度)—

適用的近、遠(yuǎn)視范圍Fe正常眼Fe近視眼Fe遠(yuǎn)視眼2/3/202326二）、目鏡的像差

14目鏡屬于較小孔徑、較大視場系統(tǒng)。主要像差為：彗差、畸變、像散、場曲和倍率色差。因目鏡通常倍率較小，實(shí)像和分劃刻度產(chǎn)生同等像差，故對校正像差的要求通常不高。目鏡是一種中等孔徑、大視場、短焦距、光闌在外面的光學(xué)系統(tǒng)。三）常見的目鏡分類1、惠更斯目鏡和冉斯登目鏡2/3/202327惠更斯目鏡由兩塊平凸透鏡組成，其間隔為d。場鏡所產(chǎn)生的軸外差很大，很難予以補(bǔ)償。所以該目鏡結(jié)構(gòu)不宜在視場光闌平面上設(shè)置分劃板，因此惠更斯目鏡不宜用在測量儀器中。場鏡接目鏡物鏡像面視場光闌接目鏡物方焦面出射光瞳（眼瞳）d2/3/202328冉斯登目鏡由兩塊凸面相對的平凸透鏡組成，其間隔d小于惠更斯目鏡兩透鏡的間距。在成像質(zhì)量上，由于冉斯登目鏡的間隔小，所以冉斯登目鏡的場曲小于惠斯登目鏡的場曲。場鏡接目鏡視場光闌（物鏡像平面目鏡前焦面）出瞳（眼瞳）d2/3/2023292、凱涅爾目鏡凱涅爾目鏡可認(rèn)為是冉斯登的接目鏡改成雙膠合鏡組而得到的。改成雙膠合透鏡就能在校正彗差和像散的同時(shí)，校正好倍率色差。3、對稱式目鏡對稱式目鏡是應(yīng)用非常廣泛的中等視場目鏡。它由兩個(gè)雙膠合鏡組構(gòu)成。2/3/2023304、無畸變目鏡無畸變目鏡是由一個(gè)平凸的接目鏡和一組三膠合的透鏡組構(gòu)成的。出瞳這種目鏡的鏡目距很大，所以在有相同的鏡目距時(shí)，無畸變目鏡的設(shè)計(jì)焦距可以選得小一些，使結(jié)構(gòu)更加緊湊一些。這種特點(diǎn)非常適用于大地測量儀器和軍用儀器。2/3/2023315、廣角目鏡廣角目鏡是為適應(yīng)大視場系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的。由于視場角增大，場曲也隨之增大。為了保證像差的要求，目鏡的結(jié)構(gòu)必須復(fù)雜化，或在系統(tǒng)中加入負(fù)光焦度的透鏡；或增加正透鏡組的數(shù)目，是光焦度分散。下圖是兩種視場在60°以上的廣角目鏡，接目鏡用兩塊透鏡代替。I型出瞳I(xiàn)I型出瞳2/3/202332四）光學(xué)顯微鏡的相關(guān)規(guī)范

光學(xué)顯微鏡為通用基礎(chǔ)儀器，國家對其結(jié)構(gòu)、機(jī)械與光學(xué)參數(shù)有統(tǒng)一要求。

機(jī)械筒長：物鏡固定面與目鏡固定面之間的距離。(160

mm)光學(xué)筒長：物鏡后焦點(diǎn)與目鏡前焦點(diǎn)之間的距離；工作距離：物(目)鏡第一面與物面之間的距離；鏡目距(出瞳距)：目鏡最后一面與出瞳之間的距離；(﹥6

mm

)物像共軛距：物鏡的物面與物鏡的像面之間的距離。(195

mm

)物鏡像面與目鏡固定面距離：10

mm，以保證分劃板固定。目鏡的視度調(diào)節(jié)范圍：5屈光度。物鏡倍率：2.5～100倍；目鏡倍率：5～20倍。FeFoFo′Δ

y-y′-y〞出瞳2/3/202333§7-7顯微鏡的照明系統(tǒng)(一)照明系統(tǒng)的基本要求1）保證有足夠的光能；2）有足夠的照明范圍和均勻的亮度；3）照明光束應(yīng)充滿物鏡的入瞳；4）盡可能減少雜光進(jìn)入物鏡，以免降低像面的對比度；5）滿足儀器尺寸布局要求；2/3/2023342、照明系統(tǒng)的拉赫不變量應(yīng)大于或等于物鏡的拉赫不變量，即根據(jù)上述要求，照明系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上應(yīng)滿足以下兩個(gè)原則：1、光孔轉(zhuǎn)接原則設(shè)照明系統(tǒng)的入瞳位置為光源的位置，則照明系統(tǒng)的出瞳應(yīng)與物鏡的入瞳重合；2/3/202335（二）亮視場的照明方式1、直接照明利用自然光或燈泡照明。2、臨界照明光源發(fā)光面通過聚光鏡成像在物面上或其附近的照明方式稱為臨界照明。2/3/202336其缺點(diǎn)是光源亮度的不均勻性將直接反映在物面上，同時(shí)也不滿足光孔轉(zhuǎn)接原則，即聚光鏡的出瞳位置和物鏡的入瞳位置不重合。電影放映機(jī)大多采用這種照明方式。讀數(shù)顯微鏡中刻線尺或度盤的照明也常采用。2/3/2023373、柯勒照明集光鏡視場光闌孔徑光闌聚光鏡物面它的構(gòu)成有以下兩個(gè)特點(diǎn)：（1）發(fā)光面通過集光鏡成實(shí)像。該像面上可安放可調(diào)的孔徑光闌，再經(jīng)聚光鏡成像于物鏡的入