顯微鏡的光學(xué)原理
一.折射和折射率
光線在均勻的各向同性介質(zhì)中,兩點(diǎn)之間以直線傳播,當(dāng)通過不同密度介質(zhì)的透明物體時(shí),則發(fā)生折射現(xiàn)像,這是由于光在不同介質(zhì)的傳播速度不同造成的。當(dāng)與透明物面不垂直的光線由空氣射入透明物體(如玻璃)時(shí),光線在其介面改變了方向,并和法線構(gòu)成折射角。
二.透鏡的性能
透鏡是組成顯微鏡光學(xué)系統(tǒng)的最基本的光學(xué)元件,物鏡、目鏡及聚光鏡等部件均由單個(gè)和多個(gè)透鏡組成。依其外形的不同,可分為凸透鏡(正透鏡)和凹透鏡(負(fù)透鏡)兩大類。當(dāng)一束平行于光軸的光線通過凸透鏡后相交于一點(diǎn),這個(gè)點(diǎn)稱“焦點(diǎn)”,通過交點(diǎn)并垂直光軸的平面,稱“焦平面”。焦點(diǎn)有兩個(gè),在物方空間的焦點(diǎn),稱“物方焦點(diǎn)”,該處的焦平面,稱“物方焦平面”;反之,在像方空間的焦點(diǎn),稱“像方焦點(diǎn)”,該處的焦平面,稱“像方焦平面”。光線通過凹透鏡后,成正立虛像,而凸透鏡則成正立實(shí)像。實(shí)像可在屏幕上顯現(xiàn)出來,而虛像不能。
三.影響成像的關(guān)鍵因素—像差
由于客觀條件,任何光學(xué)系統(tǒng)都不能生成理論上理想的像,各種像差的存在影響了成像質(zhì)量。下面分別簡要介紹各種像差。
1.色差 色差是透鏡成像的一個(gè)嚴(yán)重缺陷,發(fā)生在多色光為光源的情況下,單色光不產(chǎn)生色差。白光由紅 橙 黃 綠 青 藍(lán) 紫 七種組成,各種光的波長不同 ,所以在通過透鏡時(shí)的折射率也不同,這樣物方一個(gè)點(diǎn),在像方則可能形成一個(gè)色斑。光學(xué)系統(tǒng)最主要的功能就是消色差。
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觀察都帶有色斑或暈環(huán),使像模糊不清。而放大率色差使像帶有彩色邊緣。
2.球差 球差是軸上點(diǎn)的單色相差,是由于透鏡的球形表面造成的。球差造成的結(jié)果是,一個(gè)點(diǎn)成像后,不在是個(gè)亮點(diǎn),而是一個(gè)中間亮邊緣逐漸模糊的亮斑,從而影響成像質(zhì)量。
球差的矯正常利用透鏡組合來消除,由于凸、凹透鏡的球差是相反的,可選配不同材料的凸凹透鏡膠合起來給予消除。舊型號(hào)顯微鏡,物鏡的球差沒有完全矯正,應(yīng)與相應(yīng)的補(bǔ)償目鏡配合,才能達(dá)到糾正效果。一般新型顯微鏡的球差完全由物鏡消除。
BL-160Z科研級(jí)三目攝像生物顯微鏡
3.慧差 慧差屬軸外點(diǎn)的單色像差。軸外物點(diǎn)以大孔徑光束成像時(shí),發(fā)出的光束通過透鏡后,不再相交一點(diǎn),則一光點(diǎn)的像便會(huì)得到一逗點(diǎn)狀,型如慧星,故稱“慧差”。
4.像散 像散也是影響清晰度的軸外點(diǎn)單色像差。當(dāng)視場很大時(shí),邊緣上的物點(diǎn)離光軸遠(yuǎn),光束傾斜大,經(jīng)透鏡后則引起像散。像散使原來的物點(diǎn)在成像后變成兩個(gè)分離并且相互垂直的短線,在理想像平面上綜合后,形成一個(gè)橢圓形的斑點(diǎn)。像散是通過復(fù)雜的透鏡組合來消除。
5.場曲 場曲又稱“像場彎曲”。當(dāng)透鏡存在場曲時(shí),整個(gè)光束的交點(diǎn)不與理想像點(diǎn)重合,雖然在每個(gè)特定點(diǎn)都能得到清晰的像點(diǎn),但整個(gè)像平面則是一個(gè)曲面。這樣在鏡檢時(shí)不能同時(shí)看清整個(gè)像面,給觀察和照相造成困難。因此研究用顯微鏡的物鏡一般都是平場物鏡,這種物鏡已經(jīng)矯正了場曲。
6.畸變 前面所說各種像差除場曲外,都影響像的清晰度。畸變是另一種性質(zhì)的像差,光束的同心性不受到破壞。因此,不影響像的清晰度,但使像與原物體比,在形狀上造成失真。
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