望远镜显微镜实验原理

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1、望远镜显微镜实验原理.txt成熟不是心变老，而是眼泪在眼里打转却还保持微笑。把一切平 凡的事做好既不平凡，把一切简单的事做对既不简单。实验设备-显微镜和望远镜的成像原理 （一）显微镜的基本光学原理（一） 折射和折射率 光线在均匀的各向同性介质中，两点之间以直 线传播，当通过不同密度介质的透明物体时，则发生折射现象，这是由于光在不同介质的传 播速度不同造成的。当与透明物面不垂直的光线由空气射入透明物体（如玻璃）时，光线在其 介面改变了方向，并和法线构成折射角。（二）透镜的性能 透镜是组成显微镜光学系统的最 基本的光学元件，物镜目镜及聚光镜等部件均由单个和多个透镜组成。依其外形的不同，可 分为凸透

2、镜（正透镜）和凹透镜（负透镜）两大类。当一束平行于光轴的光线通过凸透镜后相交 于一点，这个点称焦点，通过交点并垂直光轴的平面，称焦平面。焦点有两个，在物方 空间的焦点，称物方焦点，该处的焦平面，称物方焦平面；反之，在象方空间的焦点， 称象方焦点，该处的焦平面，称象方焦平面。 光线通过凹透镜后，成正立虚像，而凸透 镜则成正立实像。实像可在屏幕上显现出来，而虚像不能。（三） 凸透镜的五种成象规律 1. 当物体位于透镜物方二倍焦距以外时，则在象方二倍焦距以内、焦点以外形成缩小的倒立实 象； 2. 当物体位于透镜物方二倍焦距上时，则在象方二倍焦距上形成同样大小的倒立实象； 3. 当物体位于透镜物方二倍

3、焦距以内，焦点以外时，则在象方二倍焦距以外形成放大的倒立 实象； 4. 当物体位于透镜物方焦点上时，则象方不能成象； 5. 当物体位于透镜物方焦点 以内时，则象方也无象的形成，而在透镜物方的同侧比物体远的位置形成放大的直立虚象。 三、 光学显微镜的成象（几何成象）原理 只有当物体对人眼的张角不小于某一值时，肉眼 才能区别其各个细部，该量称为目视分辨率。在最佳条件下，即物体的照度为5070lx及 其对比度较大时，可达到1。为易于观测，一般将该量加大到2，并取此为平均目镜分辨率。 物体视角的大小与该物体的长度尺寸和物体至眼睛的距离有关。有公式 y=L 距离 L 不能取 得很小，因为眼睛的调节能力有

4、一定限度，尤其是眼睛在接近调节能力的极限范围工作时， 会使视力极度疲劳。对于标准（正视）而言，最佳的视距规定为250mm（明视距离）。这意味着， 在没有仪器的条件下，目视分辨率 =2的眼睛，能清楚地区分大小为0.15mm的物体细节。在 观测视角小于1的物体时，必须使用放大仪器。放大镜和显微镜是用于观测放置在观测人员 近处应予放大的物体的。（一） 放大镜的成像原理 表面为曲面的玻璃或其他透明材料制成 的光学透镜可以使物体放大成像，光路图如图1所示。位于物方焦点F以内的物AB,其大小 为y，它被放大镜成一大小为y的虚像AB。放大镜的放大率=250/f式中250明视距 离，单位为mm f放大镜焦距，

5、单位为mm该放大率是指在250mm的距离内用放大镜观察到 的物体像的视角同没有放大镜观察到的物体视角的比值。（二） 显微镜的成像原理 显微镜 和放大镜起着同样的作用，就是把近处的微小物体成一放大的像，以供人眼观察。只是显微 镜比放大镜可以具有更高的放大率而已。图2是物体被显微镜成像的原理图。图中为方便计， 把物镜L1和目镜L2均以单块透镜表示。物体AB位于物镜前方，离开物镜的距离大于物镜的 焦距，但小于两倍物镜焦距。所以，它经物镜以后，必然形成一个倒立的放大的实像AB。 AB 位于目镜的物方焦点F2 上,或者在很靠近F2的位置上。再经目镜放大为虚像AB后 供眼睛观察。虚像AB的位置取决于F2和

6、AB之间的距离，可以在无限远处（当AB位 于F2上时），也可以在观察者的明视距离处（当AB在图中焦点F2之右边时）。目镜的作用 与放大镜一样。所不同的只是眼睛通过目镜所看到的不是物体本身，而是物体被物镜所成的 已经放大了一次的像。 （三） 显微镜的重要光学技术参数 在镜检时，人们总是希望能清晰 而明亮的理想图象，这就需要显微镜的各项光学技术参数达到一定的标准，并且要求在使用 时，必须根据镜检的目的和实际情况来协调各参数的关系。只有这样，才能充分发挥显微镜 应有的性能，得到满意的镜检效果。 显微镜的光学技术参数包括：数值孔径、分辨率、放大 率、焦深、视场宽度、覆盖差、工作距离等等。这些参数并不都

7、是越高越好，它们之间是相 互联系又相互制约的，在使用时，应根据镜检的目的和实际情况来协调参数间的关系，但应 以保证分辨率为准。1.数值孔径数值孔径简写NA,数值孔径是物镜和聚光镜的主要技术 参数，是判断两者（尤其对物镜而言）性能高低的重要标志。其数值的大小，分别标刻在物 镜和聚光镜的外壳上。数值孔径（NA）是物镜前透镜与被检物体之间介质的折射率（n）和 孔径角（u）半数的正弦之乘积。用公式表示如下：NA=nsinu/2孔径角又称镜口角，是物 镜光轴上的物体点与物镜前透镜的有效直径所形成的角度。孔径角越大,进入物镜的光通亮 就越大，它与物镜的有效直径成正比，与焦点的距离成反比。 显微镜观察时，若

8、想增大 NA 值，孔径角是无法增大的，唯一的办法是增大介质的折射率n值。基于这一原理，就产生了 水浸物镜和油浸物镜，因介质的折射率n值大于1,NA值就能大于1。数值孔径最大值为1.4, 这个数值在理论上和技术上都达到了极限。目前，有用折射率高的溴萘作介质，溴萘的折射 率为1.66,所以NA值可大于1.4。这里必须指出，为了充分发挥物镜数值孔径的作用，在观 察时，聚光镜的NA值应等于或略大于物镜的NA值。数值孔径与其他技术参数有着密切的关 系，它几乎决定和影响着其他各项技术参数。它与分辨率成正比，与放大率成正比，与焦深 成反比，NA值增大，视场宽度与工作距离都会相应地变小。2.分辨率显微镜的分辨

9、率是 指能被显微镜清晰区分的两个物点的最小间距，又称鉴别率。其计算公式是O =入/NA式中 O为最小分辨距离；入为光线的波长；NA为物镜的数值孔径。可见物镜的分辨率是由物镜的 NA值与照明光源的波长两个因素决定。NA值越大，照明光线波长越短，则O值越小，分辨率 就越高。要提高分辨率，即减小O值，可采取以下措施（1）降低波长入值，使用短波长光 源。（2）增大介质n值以提高NA值（NA=nsinu/2）0 （3）增大孔径角u值以提高NA值。（4） 增加明暗反差。 3. 放大率和有效放大率 由于经过物镜和目镜的两次放大，所以显微镜总 的放大率应该是物镜放大率B和目镜放大率1的乘积：=B1显然，和放大

10、镜相比， 显微镜可以具有高得多的放大率，并且通过调换不同放大率的物镜和目镜，能够方便地改变 显微镜的放大率。 放大率也是显微镜的重要参数，但也不能盲目相信放大率越高越好。显微 镜放大倍率的极限即有效放大倍率。 分辨率和放大倍率是两个不同的但又互有联系的概念。 有关系式：500NA1000NA当选用的物镜数值孔径不够大，即分辨率不够高时，显微镜不 能分清物体的微细结构，此时即使过度地增大放大倍率，得到的也只能是一个轮廓虽大但细 节不清的图像，称为无效放大倍率。反之如果分辨率已满足要求而放大倍率不足，则显微镜 虽已具备分辨的能力，但因图像太小而仍然不能被人眼清晰视见。所以为了充分发挥显微镜 的分辨

11、能力，应使数值孔径与显微镜总放大倍率合理匹配。 4. 焦深 焦深为焦点深度的简 称，即在使用显微镜时，当焦点对准某一物体时，不仅位于该点平面上的各点都可以看清楚， 而且在此平面的上下一定厚度内，也能看得清楚，这个清楚部分的厚度就是焦深。焦深大, 可 以看到被检物体的全层，而焦深小，则只能看到被检物体的一薄层，焦深与其他技术参数有 以下关系：（1） 焦深与总放大倍数及物镜的数值孔径成反比。（2） 焦深大，分辨率降低。 由 于低倍物镜的景深较大，所以在低倍物镜照相时造成困难。在显微照相时将详细介绍。 5. 视 场直径（Field Of View）观察显微镜时，所看到的明亮的圆形范围叫视场，它的大小

12、是由 目镜里的视场光阑决定的。视场直径也称视场宽度，是指在显微镜下看到的圆形视场内所能 容纳被检物体的实际范围。视场直径愈大，愈便于观察。有公式F=FN/B式中F:视场直径， FN：视场数（FieldNumber,简写为FN,标刻在目镜的镜筒外侧），B :物镜放大率。由公式 可看出：（1） 视场直径与视场数成正比。（2） 增大物镜的倍数，则视场直径减小。因此， 若在低倍镜下可以看到被检物体的全貌，而换成高倍物镜，就只能看到被检物体的很小一部 份。 6. 覆盖差 显微镜的光学系统也包括盖玻片在内。由于盖玻片的厚度不标准，光线从 盖玻片进入空气产生折射后的光路发生了改变，从而产生了相差，这就是覆盖

13、差。覆盖差的 产生影响了显微镜的成响质量。国际上规定，盖玻片的标准厚度为0.17mm，许可范围在0.16-0.18mm，在物镜的制造上已将此厚度范围的相差计算在内。物镜外壳上标的0.17，即 表明该物镜所要求的盖玻片的厚度。 7 工作距离 WD 工作距离也叫物距，即指物镜前透镜 的表面到被检物体之间的距离。镜检时，被检物体应处在物镜的一倍至二倍焦距之间。因此， 它与焦距是两个概念，平时习惯所说的调焦，实际上是调节工作距离。 在物镜数值孔径一定 的情况下，工作距离短孔径角则大。 数值孔径大的高倍物镜，其工作距离小。 （四） 物镜 物镜是显微镜最重要的光学部件，利用光线使被检物体第一次成象，因而直

14、接关系和影响成 象的质量和各项光学技术参数，是衡量一台显微镜质量的首要标准。 物镜的结构复杂，制作 精密，由于对象差的校正，金属的物镜筒内由相隔一定距离并被固定的透镜组组合而成。物 镜有许多具体的要求，如合轴,齐焦。 齐焦既是在镜检时，当用某一倍率的物镜观察图象清 晰后，在转换另一倍率的物镜时，其成象亦应基本清晰，而且象的中心偏离也应该在一定的 范围内，也就是合轴程度。齐焦性能的优劣和合轴程度的高低是显微镜 质量的一个重要标志， 它是与物镜的本身质量和物镜转换器的精度有关。 现代显微物镜已达到高度完善，其数值孔 径已接近极限，视场中心的分辨率与理论值之区别已微乎其微。但继续增大显微物镜视场与

15、提高视场边缘成象质量的可能性仍然存在，这种研究工作，至今仍在进行。 显微物镜与目镜 在参于成象这点上是有区别的。物镜是显微镜最复杂和最重要的部分，在宽光束中工作（孔径 大），但这些光束与光轴的倾角较小（视场小）；目镜在窄光束中工作，但其倾角大（视场大）。 当计算物镜与目镜，在消除象差上有很大差别。 与宽光束有关的象差是球差、慧差以及位置 色差；与视场有关的象差是象散、场曲、畸变以及倍率包差。显微物镜是一消球差系统。这 意味着：就轴上的一对共轭点而言，消除了球差并且实现了正弦条件时，每一物镜仅有两个 这种消球差点。因此，物体与象的计算位置的任何改变均导致象差变大。实验设备-显微镜和望远镜的成像原理（一）