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物體介于物鏡的焦距和二倍焦距之間,成倒立放大的實(shí)相,據(jù)凸透鏡成像規(guī)律,知實(shí)相在異側(cè)二倍焦距之外。實(shí)相位于目鏡焦點(diǎn)或者焦點(diǎn)之內(nèi),被再次放大,形成放大的虛像。而人的眼睛是可以看到虛像的(這個(gè)原理自然清楚)。要搞清顯微鏡的使用原理,就得對(duì)物理中的凸透鏡成像有所理解。
只有當(dāng)物體對(duì)人眼的張角不小于某一值時(shí),肉眼才能區(qū)別其各個(gè)細(xì)部,該量稱為目視分辨率。在*條件下,即物體的照度為50~70lx及其對(duì)比度較大時(shí), 可達(dá)到1'。為易于觀測(cè),一般將該量加大到,并取此為平均目鏡分辨率物體視角的大小與該物體的長(zhǎng)度尺寸和物體至眼睛的距離有關(guān)。有公式y(tǒng)=Lε
距離L不能取得很小,因?yàn)檠劬Φ恼{(diào)節(jié)能力有一定限度,尤其是眼睛在接近調(diào)節(jié)能力的極限范圍工作時(shí),會(huì)使視力極度疲勞。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)(正視)而言,*的視距規(guī) 定為250mm(明視距離)。這意味著,在沒(méi)有儀器的條件下,目視分辨率ε=2'的眼睛,能清楚地區(qū)分大小為0.15mm的物體細(xì)節(jié)。
在觀測(cè)視角小于1'的物體時(shí),必須使用放大儀器。放大鏡和顯微鏡是用于觀測(cè)放置在觀測(cè)人員近處應(yīng)予放大的物體的。
(一) 放大鏡的成像原理
表面為曲面的玻璃或其他透明材料制成的光學(xué)透鏡可以使物體放大成像,光路圖如圖1所示。位于物方焦點(diǎn)F以內(nèi)的物AB,其大小為y,它被放大鏡成一大小 為y'的虛像A'B'。
放大鏡的放大率Γ=250/f'式中250--明視距離,單位為mm f'--放大鏡焦距,單位為mm 該放大率是指在250mm的距離內(nèi)用放大鏡觀察到的物體像的視角同沒(méi)有放大鏡觀察到的物體視角的比值。
?。ǘ?顯微鏡的成像原理
顯微鏡和放大鏡起著同樣的作用,就是把近處的微小物體成一放大的像,以供人眼觀察。只是顯微鏡比放大鏡可以具有更高的放大率而已。
圖2是物體被顯微鏡成像的原理圖。圖中為方便計(jì),把物鏡L1和目鏡L2均以單塊透鏡表示。物體AB位于物鏡前方,離開(kāi)物鏡的距離大于物鏡的焦距,但小 于兩倍物鏡焦距。所以,它經(jīng)物鏡以后,必然形成一個(gè)倒立的放大的實(shí)像A'B'。 A'B'位于目鏡的物方焦點(diǎn)F2上,或者在很靠近F2的位置上。再經(jīng)目鏡放大為虛像A''B''后供眼睛觀察。虛像A''B''的位置取決于F2和 A'B'之間的距離,可以在無(wú)限遠(yuǎn)處(當(dāng)A'B'位于F2上時(shí)),也可以在觀察者的明視距離處(當(dāng)A'B'在圖中焦點(diǎn)F2之右邊時(shí))。目鏡的作用與放大鏡 一樣。所不同的只是眼睛通過(guò)目鏡所看到的不是物體本身,而是物體被物鏡所成的已經(jīng)放大了一次的像。
?。ㄈ?顯微鏡的重要光學(xué)技術(shù)參數(shù)
在鏡檢時(shí),人們總是希望能清晰而明亮的理想圖象,這就需要顯微鏡的各項(xiàng)光學(xué)技術(shù)參數(shù)達(dá)到一定的標(biāo)準(zhǔn),并且要求在使用時(shí),必須根據(jù)鏡檢的目的和實(shí)際情況 來(lái)協(xié)調(diào)各參數(shù)的關(guān)系。只有這樣,才能充分發(fā)揮顯微鏡應(yīng)有的性能,得到滿意的鏡檢效果。
顯微鏡的光學(xué)技術(shù)參數(shù)包括:數(shù)值孔徑、分辨率、放大率、焦深、視場(chǎng)寬度、覆蓋差、工作距離等等。這些參數(shù)并不都是越高越好,它們之間是相互又相互 制約的,在使用時(shí),應(yīng)根據(jù)鏡檢的目的和實(shí)際情況來(lái)協(xié)調(diào)參數(shù)間的關(guān)系,但應(yīng)以保證分辨率為準(zhǔn)。
1. 數(shù)值孔徑
數(shù)值孔徑簡(jiǎn)寫NA,數(shù)值孔徑是物鏡和聚光鏡的主要技術(shù)參數(shù),是判斷兩者(尤其對(duì)物鏡而言)性能高低的重要標(biāo)志。其數(shù)值的大小,分別標(biāo)刻在物鏡和聚光鏡 的外殼上。
數(shù)值孔徑(NA)是物鏡前透鏡與被檢物體之間介質(zhì)的折射率(n)和孔徑角(u)半數(shù)的正弦之乘積。用公式表示如下:NA=nsinu/2 孔徑角又稱"鏡口角",是物鏡光軸上的物體點(diǎn)與物鏡前透鏡的有效直徑所形成的角度。孔徑角越大,進(jìn)入物鏡的光通亮就越大,它與物鏡的有效直徑成正比, 與焦點(diǎn)的距離成反比。顯微鏡觀察時(shí),若想增大NA值,孔徑角是無(wú)法增大的,*的辦法是增大介質(zhì)的折射率n值?;谶@一原理,就產(chǎn)生了水浸物鏡和油浸物鏡,因介質(zhì)的折射率 n值大于1,NA值就能大于1。
數(shù)值孔徑zui大值為1.4,這個(gè)數(shù)值在理論上和技術(shù)上都達(dá)到了極限。目前,有用折射率高的溴萘作介質(zhì),溴萘的折射率為1.66所以NA值可大于 1.4。
這里必須指出,為了充分發(fā)揮物鏡數(shù)值孔徑的作用,在觀察時(shí),聚光鏡的NA值應(yīng)等于或略大于物鏡的NA值。數(shù)值孔徑與其他技術(shù)參數(shù)有著密切的關(guān)系,它幾乎決定和影響著其他各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)。它與分辨率成正比,與放大率成正比,與焦深成反比,NA值增大,視場(chǎng)寬 度與工作距離都會(huì)相應(yīng)地變小。OLYMPUS現(xiàn)在推出了世界的物鏡設(shè)計(jì)理念與的精密加工技術(shù)使50倍物鏡的數(shù)值孔徑在0.8的情況下工作距 離達(dá)到1毫米100倍物鏡的數(shù)值孔徑在0.9的情況下工作距離達(dá)到1毫米這幾乎是一個(gè)接近于理論的數(shù)值.
2. 分辨率
顯微鏡的分辨率是指能被顯微鏡清晰區(qū)分的兩個(gè)物點(diǎn)的zui小間距,又稱"鑒別率"。其計(jì)算公式是σ=λ/NA式中σ為zui小分辨距離;λ為光線的波長(zhǎng);NA為物鏡的數(shù)值孔徑。可見(jiàn)物鏡的分辨率是由物鏡的NA值與照明光源的波長(zhǎng)兩個(gè)因素決定。NA值越大,照明光線波 長(zhǎng)越短,則σ值越小,分辨率就越高。要提高分辨率,即減小σ值,可采取以下措施
?。?) 降低波長(zhǎng)λ值,使用短波長(zhǎng)光源。
?。?) 增大介質(zhì)n值以提高NA值(NA=nsinu/2)。
?。?) 增大孔徑角u值以提高NA值。
(4) 增加明暗反差。
3. 放大率和有效放大率
由于經(jīng)過(guò)物鏡和目鏡的兩次放大,所以顯微鏡總的放大率Γ應(yīng)該是物鏡放大率β和目鏡放大率Γ1的乘積:Γ=βΓ1 顯然,和放大鏡相比,顯微鏡可以具有高得多的放大率,并且通過(guò)調(diào)換不同放大率的物鏡和目鏡,能夠方便地改變顯微鏡的放大率。 放大率也是顯微鏡的重要參數(shù),但也不能盲目相信放大率越高越好。顯微鏡放大倍率的極限即有效放大倍率。