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显微镜简介(一)

第一章: 显微镜简史

随着科学技术的进步,人们越来越需要观察微观世界,显微镜正是这样的设备,它突破了人类的视觉极限,使之延伸到肉眼无法看清的细微结构。

显微镜是从十五世纪开始发展起来。从简单的放大镜的基础上设计出来的单透镜显微镜,到结构复杂的复式显微镜,以及相差,荧光,偏光,显微观察方式的出现,使之更广范地应用于医学,生物学,金属材料,化工等领域。

第二章 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. 影响成像的关键因素—相差

由于客观条件,任何光学系统都不能生成理论上理想的象,各种象差的存在影响了成像质量。下面分别简要介绍各种相差。

1. 色差(Chromatic aberration)

色差是透镜成像的一个严重缺陷,发生在多色光为光源的情况下,单色光不产生色差。白光由红 橙 黄 绿 青 蓝 紫 七种组成,各种光的波长不同 ,所以在通过透镜时的折射率也不同,这样物方一个点,在象方则可能形成一个色斑。

色差一般有位置色差,放大率色差。位置色差使像在任何位置观察,都带有色斑或晕环,使像模糊不清。而放大率色差使像带有彩色边缘。

2. 球差(Spherical aberration)

球差是轴上点的单色相差,是由于透镜的球形表面造成的。球差造成的结果是,一个点成像后,不在是个亮点,而是一个中间亮 边缘逐渐模糊的亮斑。从而影响成像质量。

球差的矫正常利用透镜组合来消除,由于凸、凹透镜的球差是相反的,可选配不同材料的凸凹透镜胶合起来给予消除。旧型号显微镜,物镜的球差没有完全矫正,应与相应的补偿目镜配合,才能达到纠正效果。目前OLYMPUS 新型显微镜的球差完全由物镜消除。

3. 慧差(Coma)

慧差属轴外点的单色相差。轴外物点以大孔径光束成象时,发出的光束通过透镜后,不再相交一点,则一光点的象便会得到一逗点壮,型如慧星,故称“慧差”。

4. 象散(Astigmatism)

象散也是影响清晰度的轴外点单色相差。当视场很大时,边缘上的物点离光轴远,光束倾斜大,经透镜后则引起象散。象散使原来的物点在成象后变成两个分离并且相互垂直的短线,在理想象平面上综合后,形成一个椭圆形的斑点。象散是通过复杂的透镜组合来消除。

5. 场曲(Curvature of field)

场 曲又称“象场弯曲”。当透镜存在场曲时,整个光束的交点不与理想象点重合,虽然在每个特定点都能得到清晰的象点,但整个象平面则是一个曲面。这样在镜检时 不能同时看清整个相面,给观察和照相造成困难。因此研究用显微镜的物镜一般都是平场物镜,这种物镜已经矫正了场曲。

6. 畸变(Distortion)

前面所说各种相差除场曲外,都影响象的清晰度。畸变是另一种性质的相差,光束的同心性不受到破坏。因此,不影响象的清晰度,但使象与原物体比,在形状上造成失真。

三 显微镜的成象(几何成象)原理

显 微镜之所以能将被检物体进行放大,是通过透镜来实现的。单透镜成象具有象差,严重影响成象质量。因此显微镜的主要光学部件都由透镜组合而成。从透镜的性能 可知,只有凸透镜才能起放大作用,而凹透镜不行。显微镜的物镜与目镜虽都由透镜组合而成,但相当于一个凸透镜。为便于了解显微镜的放大原理,简要说明一下 凸透镜的5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。

显微镜的成象原理就是利用上述(3)和(5)的规律把物体放大的。当物体处在物镜前F-2F(F为物方焦距)之间,则在物镜象方的二倍焦距以外形成放大的倒 立实象。在显微镜的设计上,将此象落在目镜的一倍焦距F1之内,使物镜所放大的第一次象(中间象),又被目镜再一次放大,最终在目镜的物方(中间象的同 侧)、人眼的明视距离(250mm)处形成放大的直立(相对中间象而言)虚象。因此,当我们在镜检时,通过目镜(不另加转换棱镜)看到的象于原物体的象, 方向相反。

四. OLYMPUS 显微镜光学系统简介

OLYMPUS 显微镜光学系统的设计有三种光学系统。

1 长筒光学系统(LB):OLYMPUS CH2、BH2显微镜是此种光路设计。

2 万能无限远校正光学系统(UIS):应用在OLYMPUS 最新型显微镜如BX IX CX 等。UIS是目前最先进的光路设计,它分体现了无限远校正方式的优越性。光线通过物镜后成为平行光束通过镜筒,并在结象透镜处折射或完成无相差的中间象。 物镜与观察筒内结象透镜之间可添加光学附件,而不影响总放大倍数。另外UIS 光学系统不需要安装附加校正透镜,在一切OLYMPUS BX系统构成中都能得到最佳的显微图象。


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