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北京慧龍環(huán)科環(huán)境儀器有限公司
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普通光學(xué)顯微鏡的光路
2015-12-8 閱讀(3055)
1. 普通光學(xué)顯微鏡是一種精密的光學(xué)儀器。以往簡單的顯微鏡僅由 幾塊透鏡組成，而當(dāng)前使用的顯微鏡由一套透鏡組成。普通光學(xué)顯微鏡通常能將物體放大1500—2000倍。 （一）顯微鏡的構(gòu)造 普通光學(xué)顯微鏡的構(gòu)造可分為兩大部分：一為機(jī)械裝置，一為光學(xué)系統(tǒng)，這兩部分很好的配合，才能發(fā)揮顯微鏡的作用。 1、顯微鏡的機(jī)械裝置 顯微鏡的機(jī)械裝置包括鏡座、鏡筒、物鏡轉(zhuǎn)換器、載物臺(tái)、推動(dòng)器、粗動(dòng)螺旋、微動(dòng)螺旋等部件
?。?）鏡座 鏡座是顯微鏡的基本支架，它由底座和鏡臂兩部分組成。在它上面連接有載物臺(tái)和鏡筒，它是用來安裝光學(xué)放大系統(tǒng)部件的基礎(chǔ)。
（2）鏡筒 鏡筒上接接目鏡，下接轉(zhuǎn)換器，形成接目鏡與接物鏡（裝在轉(zhuǎn)換器下） 間的暗室。從物鏡的后緣到鏡筒尾端的距離稱為機(jī)械筒長。因?yàn)槲镧R的放大率是對(duì)一定的鏡筒長度而言的。鏡筒長度的變化，不僅放大倍率隨之變化，而且成像質(zhì)量 也受到影響。因此，使用顯微鏡時(shí)，不能任意改變鏡筒長度。上將顯微鏡的標(biāo)準(zhǔn)筒長定為160mm，此數(shù)字標(biāo)在物 鏡的外殼上。
?。?）物鏡轉(zhuǎn)換器 物鏡轉(zhuǎn)換器上可安裝3—4個(gè)接物鏡，一般是三個(gè)接物鏡（低倍、高倍、油鏡）。Nikon顯微鏡裝有四個(gè)物鏡。轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)換器，可以按需要將其中的任何一個(gè)接物 鏡和鏡筒接通，與鏡筒上面的接目鏡構(gòu)成一個(gè)放大系統(tǒng)。
?。?）載物臺(tái) 載物臺(tái)中央有一孔，為光線通路。在臺(tái)上裝有彈簧標(biāo)本夾和推動(dòng)器，其作用為固定或移動(dòng)標(biāo)本的位置，使得鏡檢對(duì)象恰好位于視野中心。
?。?）推動(dòng)器 是移動(dòng)標(biāo)本的機(jī)械裝置，它是由一橫一縱兩個(gè)推進(jìn)齒軸的金屬架構(gòu)成的，好的顯微鏡在縱橫架桿上刻有刻度標(biāo)尺，構(gòu)成很精密的平面座標(biāo)系。如果我們須重復(fù)觀察已 檢查標(biāo)本的某一部分，在*次檢查時(shí)，可記下縱橫標(biāo)尺的數(shù)值，以后按數(shù)值移動(dòng)推動(dòng)器，就可以找到原來標(biāo)本的位置。
?。?）粗動(dòng)螺旋 粗動(dòng)螺旋是移動(dòng)鏡筒調(diào)節(jié)接物鏡和標(biāo)本間距離的機(jī)件，老式顯微鏡粗螺旋向前扭，鏡頭下降接近標(biāo)本。新近出產(chǎn)的顯微鏡（如Nikon顯微 鏡）鏡檢時(shí)，右手向前扭載物臺(tái)上升，讓標(biāo)本接近物鏡，反之則下降，標(biāo)本脫離物鏡。
?。?）微動(dòng)螺旋 用粗動(dòng)螺旋只可以粗放的調(diào)節(jié)焦距，要得到清晰的物象，需要用微動(dòng)螺旋做進(jìn)一步調(diào)節(jié)。微動(dòng)螺旋每轉(zhuǎn)一圈鏡筒移動(dòng)0.1毫米（100微米）。新近出產(chǎn)的較高 檔次的顯微鏡的粗動(dòng)螺旋和微動(dòng)螺旋是共軸的。 2、顯微鏡的光學(xué)系統(tǒng) 顯微鏡的光學(xué)系統(tǒng)由反光鏡，聚光器，接物鏡，接目鏡等組成，光學(xué)系統(tǒng)使物體放大，形成物體放大像 。見圖1—2。
?。?）反光鏡 較早的普通光學(xué)顯微鏡是用自然光檢視物體，在鏡座上裝有反光鏡。反光鏡是由一平面和另一凹面的鏡子組成，可以將投射在它上面的光線反射到聚光器透鏡的中央，照明標(biāo)本。不用聚光器時(shí)用凹面 鏡，凹面鏡能起會(huì)聚光線的作用。用聚光器時(shí)，一般都用平面鏡。新近出產(chǎn)的較次的顯微鏡鏡座上裝有光源，并有電流調(diào)節(jié)螺旋，可通過調(diào)節(jié)電流大小調(diào)節(jié)光照 強(qiáng)度。
?。?）聚光器 聚光器在載物臺(tái)下面，它是由聚光透鏡、虹彩光圈和升降螺旋組成的。聚光器可分為明視場聚光器和暗視場聚光器。普通光學(xué)顯微鏡配置的都是明視場聚光器，明視 場聚光器有阿貝聚光器、齊明聚光器和搖出聚光器。阿貝聚光器在物鏡數(shù)值孔徑高于0.6時(shí)會(huì)顯示出色差和球差。齊明聚光器對(duì)色差、球差和慧差的校正程度很 高，是明視場鏡檢中質(zhì)量好的聚光器，但它不適于4倍以下的物鏡。搖出聚光器能將聚光器上透鏡從光路中搖出滿足低倍物鏡（4×）大視場照明的需要。
聚光器安裝在載物臺(tái)下，其作用是將光源經(jīng)反光鏡 反射來的光線聚焦于樣品上，以得到強(qiáng)的照明，使物象獲得明亮清晰的效果。聚光器的高低可以調(diào)節(jié)，使焦點(diǎn)落在被檢物體上，以得到大亮度。一般聚光器的焦 點(diǎn)在其上方1.25mm處，而其上升限度為載物臺(tái)平面下方0.1mm。因此，要求使用的載玻片厚度應(yīng)在0.8—1.2mm之間，否則被檢樣品不在焦點(diǎn)上， 影響鏡檢效果。聚光器前透鏡組前面還裝有虹彩光圈，它可以開大和縮小，影響著成像的分辨力和反差，若將虹彩光圈開放過大，超過物鏡的數(shù)值孔徑時(shí)，便產(chǎn)生光 斑；若收縮虹彩光圈過小，分辨力下降，反差增大。因此，在觀察時(shí)，通過虹彩光圈的調(diào)節(jié)再把視場光闌（帶有視場光闌的顯微鏡）開啟到視場周緣的外切處，使不 在視場內(nèi)的物體得不到任何光線的照明，以避免散射光的干擾。
?。?）物鏡 安裝在鏡筒前端轉(zhuǎn)換器上的接物透鏡利用光線使被檢物體*次造像，物鏡成像的質(zhì)量，對(duì)分辨力有著決定性的影響。物鏡的性能取決于物鏡的數(shù)值孔徑 （numerical apeature簡寫為NA），每個(gè)物鏡的數(shù)值孔徑都標(biāo)在物鏡的外殼上，數(shù)值孔徑越大，物鏡的性能越好。 物鏡的種類很多，可從不同角度來分類： 根據(jù)物鏡前透鏡與被檢物體之間的介質(zhì)不同，可分為： ①干燥系物鏡 以空氣為介質(zhì)，如常用的40×以下的物鏡，數(shù)值孔徑均小于1。 ②油浸系物鏡 常以香柏油為介質(zhì)，此物鏡又叫油鏡頭，其放大率為90×—100×，數(shù)值孔值大于1。根據(jù)物鏡放大率的高低，可分為： ①低倍物鏡 指1×—6×，NA值為0.04—0.15； ②中倍物鏡 指6×—25×，NA值為0.15— 0.40； ③高倍物鏡指25×—63×，NA值為0.35—0.95； ④油浸物鏡 指90×—100×，NA值為1.25—1.40。 根據(jù)物鏡像差校正的程度來分類可分為： ①消色差物鏡是常用的物鏡，外殼上標(biāo)有“Ach”字樣，該物鏡可以除紅光和青光形成的色差。鏡檢時(shí)通常與惠更斯目鏡配合使用。 ②復(fù)消色差物鏡 物鏡外殼上標(biāo)有“Apo”字樣，除能校正紅、藍(lán)、綠三色光的色差外，還能校正黃色光造成的相差，通常與補(bǔ)償目鏡配合使用。 ③特種物鏡 在上述物鏡基礎(chǔ)上，為達(dá)到某些特定觀察效果而制造的物鏡。如：帶校正環(huán)物鏡，帶視場光闌物鏡，相差物鏡，熒光物鏡，無應(yīng)變物鏡，無罩物鏡，長工作距離物鏡 等。目前在研究中常用的物鏡還有：半復(fù)消色差物鏡（FL），平場物鏡(Plan)，平場復(fù)消色差物鏡（Plan Apo）,超平場物鏡（Splan，超平場復(fù)消色差物鏡（Splan Apo）等。
?。?）目鏡 目鏡的作用是把物鏡放大了的實(shí)像再放大一次，并把物像映入觀察者的眼中。目鏡的結(jié)構(gòu)較物鏡簡單，普通光學(xué)顯微鏡的目鏡通常由兩塊透鏡組成，上端的一塊透鏡 稱“接目鏡”，下端的透鏡稱“場鏡”。上下透鏡之間或在兩個(gè)透鏡的下方，裝有由金屬制的環(huán)狀光闌或叫“視場光闌”，物鏡放大后的中間像就落在視場光闌平面 處，所以其上可安置目鏡測(cè)微尺。普通光學(xué)顯微鏡常用的目鏡為惠更斯目鏡（Huygens eyepiece），如要進(jìn)行研究用時(shí)，一般選用性能更好的目鏡，如補(bǔ)償目鏡（K）、平場目鏡（P）、廣視場目鏡（WF）。照相時(shí)選用照相目鏡 （NFK）。
?。ǘ┕鈱W(xué)顯微鏡的成像原理 顯微鏡的放大是通過透鏡來完成的，單透鏡成像具有像差，影響像質(zhì)。由單透鏡組合而成的透鏡組相當(dāng)于一個(gè)凸透鏡，放大作用更好。圖1—4是顯微鏡的成像原理 模式。AB為標(biāo)本 ?。ㄈ╋@微鏡的性能 顯微鏡分辨能力的高低決定于光學(xué)系統(tǒng)的各種條件。被觀察的物體必須放大率高，而且清晰，物體放大后，能否呈現(xiàn)清晰的細(xì)微結(jié)構(gòu)，首先取決于物鏡的性能，其次 為目鏡和聚光鏡的性能。
1、數(shù)值孔徑 也叫做鏡口率（或開口率），簡寫為N.A，在物鏡和聚光器上都標(biāo)有它們的數(shù)值孔徑，數(shù)值孔徑是物鏡和聚光器的主要參數(shù)，也是判斷它們性能的重要指標(biāo)。數(shù) 值孔徑和顯微鏡的各種性能有密切的關(guān)系，它與顯微鏡的分辨力成正比，與焦深成反比，與鏡象亮度的平方根成正比。數(shù)值孔徑可用下式表示： N.A=n.sin α 2 式中： n—物鏡與標(biāo)本之間的介質(zhì)析射率 α—物鏡的鏡口角 所謂鏡口角是指從物鏡光軸上的物點(diǎn)發(fā)出的光線與物鏡前透鏡有效直徑的邊緣所張的角度，見圖1—5。鏡口角α總是小于180°。因?yàn)榭諝獾恼凵渎蕿?，所以 干燥物鏡的數(shù)值孔徑總是小于1，一般為0.05—0.95；油浸物鏡如用香柏油（折射率為1.515）浸沒，則數(shù)值孔徑大可接近1.5。雖然理論上數(shù)值 孔徑的極限等于所用浸沒介質(zhì)的折射率，但實(shí)際上從透鏡的制造技術(shù)看，是不可能達(dá)到這一極限的。通常在實(shí)用范圍內(nèi)，油浸物鏡的大數(shù)值孔徑是1.4。幾 種物質(zhì)的介質(zhì)的折射率如下： 空氣為1.0，水為1.33，玻璃為1.5，甘油為1.47，香柏油為1.52。 介質(zhì)折射率對(duì)物鏡光線通路的影響見圖1—6。
2、分辨力 D可用下式表示： D=λ/2N.A. 可見光的波長為0.4—0.7微米，平均波長為0.55微米。若用數(shù)值孔 為0.65的物鏡，則D=0.55微米/2×0.65=0.42微米。這表示被檢 物體在0.42微米以上時(shí)可被觀察到，若小于0.42微米就不能視見。如果使用數(shù)值孔徑為1.25的物鏡，則D=2.20微米。凡被檢物體長度大于這個(gè)數(shù) 值，均能視見。由此可見，D值愈小，分辨力愈高，物象愈清楚。根據(jù)上式，可通過：（1）減低波長；（2）增大折射率；（3）加大鏡口角來提高分辨力。紫外 線作光源的顯微鏡和電子顯微鏡就是利用短光波來提高分辨力以檢視較小的物體的。物鏡分辨力的高低與造象是否清楚有密切的關(guān)系。目鏡沒有這種性能。目鏡只放 大物鏡所造的象。
3、放大率： 顯微鏡放大物體，首先經(jīng)過物鏡*次放大造象，目鏡在明視距離造成第二次放大象。放大率就是后的象和原物體兩者體積大小之比例。因此，顯微鏡的放大率 （V）等于物鏡放大率（V1）和目鏡放大率（V2）的乘積，即： V=V1×V2 比較的計(jì)算方法，可從下列公式求得 M= △ × D F1 F2 F1=接物鏡焦距，F(xiàn)2=接目鏡焦距 △=光學(xué)筒長，D=明視距離（=250毫米） △ =接物鏡的放大倍數(shù) D =接目鏡放大倍數(shù) M=顯微鏡放大倍數(shù) F1 F2 設(shè)△=160毫米 F1=4毫米 D=250毫米 F2=150毫米 則M= △ × D= 160 × 250 =40×16.7=668倍 F1 F2 4 15
4、焦深： 在顯微鏡下觀察一個(gè)標(biāo)本時(shí)，焦點(diǎn)對(duì)在某一象面時(shí)，物象清晰，這象面為目的面。在視野內(nèi)除目的面外，還能在目的面的上面和下面看見模糊的物象，這兩個(gè)面之 間的距離稱為焦深。物鏡的焦深和數(shù)值孔徑及放大率成反比：即數(shù)值孔徑和放大率愈大，焦深愈小。因此調(diào)節(jié)油鏡比調(diào)節(jié)低倍鏡要更加仔細(xì)，否則容易使物象滑過而找不到。
