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显微镜简介(二)

第三章 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。

一. 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,分别标科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(h)和孔径角(u)半数的正玄之乘积。用公式表示如下:

NA=hsinu/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h值。基于这一原理,就产生了水浸系物镜和油浸物镜,因介质的折射率h值大于一,NA值就能大于一。

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。

二. 分辨率

分辨率又称“鉴别率”,“解想力”。是衡量显微镜性能的又一个重要技术参数。

显微镜的分辨率用公式表示为:d=l/NA

式中d为最小分辨距离;l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d值越小,分辨率就越高。

要提高分辨率,即减小d值,可采取以下措施

1. 降低波长l值,使用短波长光源。

2.曾大介质h值和提高NA值(NA=hsinu/2)。

3.增大孔径角。

4.增加明暗反差。

三. 放大率

放大率就是放大倍数,是指被检验物体经物镜放大再经目镜放大后,人眼所看到的最终图象的大小对原物体大小的比值,是物镜和目镜放大倍数的乘积。

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,在选择时应首先考虑物镜的数值孔径。

四. 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镜成反比。

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。

五. 视场直径(Field of view)

观察显微镜时,所看到的明亮的原形范围叫视场,它的大小,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。

F=FN/Mob

F: 视场直径,FN:视场数,Mob:物镜放大率。

视场数(Field Number, 简写为FN),标刻在目镜的镜筒外侧。

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。

OLYMPUS SWH 目镜的视场数可达26.5 ,目前是世界上最大的。

六. 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。物镜外壳上标科的确0.17,即表明该物镜要求盖玻片的厚度。

七. 工作距离

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。

第四章 显微镜的光学附件

显微镜得不偿失光学部件包括物镜,目镜,聚光镜及照明装置几个部分。各光学部件都直接决定和影响光学性能的优劣,现分述如下:

一.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。

物镜的种类很多,可从不同的角度分类,现分类介绍。

根据物镜相差校正的程度进行分类,可分为:

1.消色差物镜(Achromatic objective):如OLYMPUS ACH10X,ACH40X,ACH100XO 等。这是常见的物镜,外壳上常有“Ach”字样。这类物镜仅能校正轴上点的位置色差(红,蓝二色)和球差(黄绿光)以及消除近轴点慧差。不能校正其它色光的色差和球差,且场曲很大。

2. 复消色差物镜(Apochromatic objective): 复消色差物镜的结构复杂,透镜采用了特种玻璃或萤石等材料制作而成,物镜的外壳上标有“Apo” 字样 ,如OLYMPUS UPLAPO 系列物镜,PLAPO 系列物镜等。参见图3(FIG3)。这种物镜不仅能校正红绿蓝三色光的色差,同时能校正红,蓝二色光的球差。由于对各种相差的校正极为完善,比响应倍率的消色差物镜有更大的数值孔径,这样不仅分辨率高,象质量优而且也有更高的有效放大率。因此,复消色差物镜的性能很高,适用于高级研究镜检和显微照相.

3. 半复消色差物镜( Semi apochromatic objedtive): 半复消色差物镜又称氟石物镜,物镜,物镜的外壳上标有“FL”字样,如OLYMPUS UPLFL系列物镜。在结构上透镜的数目比消色差物镜多,比负消色差物镜少,成象质量上,远较消色差物镜为好,接近于复消色差物镜。平场物镜(Plan objective ):平场物镜是在物镜的透镜系统中增加一快半月形的厚透镜,以达到校正场曲的缺陷。平场物镜的视场平坦,更适用于镜检和显微照象。


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