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（常用這種結(jié)構(gòu)），則整個顯微鏡系統(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)實質(zhì)上就是一個復(fù)雜化了的放大鏡故顯微鏡相當(dāng)于一個放大鏡！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

因為光環(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)兩個獨(dú)立的光強(qiáng)度相等的發(fā)光點(diǎn)逐漸靠近時，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物點(diǎn)的判據(jù)：點(diǎn)物S1的艾里斑中心恰好與另一個點(diǎn)物S2的艾里斑邊緣（第一衍射極小）相重合時，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：兩個相鄰像點(diǎn)之間的兩衍射斑中心距為0.85愛里斑半徑時，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，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，無畸變目鏡的設(shè)計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)計上應(yīng)滿足以下兩個原則：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)成有以下兩個特點(diǎn)：（1）發(fā)光面通過集光鏡成實像。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