第18课【典型系统-显微镜】

1、第七章第七章 典型光学系统典型光学系统7-3 显微镜显微镜显微镜是人眼的辅助工具。显微镜是人眼的辅助工具。对于工作在对于工作在可见光可见光波长范围波长范围的光学显微镜，的光学显微镜，按用途区分按用途区分，使用量较大的有，使用量较大的有三种三种：工具显微镜工具显微镜（主要应用于精密机构制造工业等方面进行精密测（主要应用于精密机构制造工业等方面进行精密测量）；量）；生物显微镜生物显微镜（主要应用于生物学、医学、农学等方面）；（主要应用于生物学、医学、农学等方面）；金相显微镜金相显微镜（主要应用于冶金和机械制造工业，观察研究（主要应用于冶金和机械制造工业，观察研究金相组织结构）。金相组织结构）。一、

2、显微镜成像原理及其视觉放大率一、显微镜成像原理及其视觉放大率1、成像原理、成像原理1）系统组成：成像系统（）系统组成：成像系统（物镜物镜+目镜目镜+眼睛）眼睛）+ 照明系统照明系统2）物镜的像平面在目镜的焦平面以内或重合（此处设视阑）物镜的像平面在目镜的焦平面以内或重合（此处设视阑）机械筒长机械筒长: :物镜支撑面到目镜支撑面之间的距离物镜支撑面到目镜支撑面之间的距离，用，用tm表示。表示。是是把显微镜的物镜和目镜取下后，所剩的镜筒长度把显微镜的物镜和目镜取下后，所剩的镜筒长度.机械筒长各国标准不同，有机械筒长各国标准不同，有160mm，170mm和和190mm 等。等。我国规定机械筒长为我国

3、规定机械筒长为160mm。物平面到光学系统第一个物镜的球面顶点的距离称为物平面到光学系统第一个物镜的球面顶点的距离称为“工作工作距距”一些规定参数：一些规定参数：共轭距：显微镜物镜从物平面到像平面的距离。（大约共轭距：显微镜物镜从物平面到像平面的距离。（大约等于等于180mm）光学筒长：光学筒长：物镜和目镜的光学间隔物镜和目镜的光学间隔光学筒长光学筒长=F1F2机械筒长机械筒长共轭距（国家标准）共轭距（国家标准） 显微镜系统成像原理显微镜系统成像原理 显微镜和放大镜起显微镜和放大镜起着同样的作用着同样的作用 物镜物镜目镜目镜F1F1F2BAABA”B” 物镜物镜目镜目镜F1F1F2BAABA”

4、B” AB 位于目镜的物方焦点位于目镜的物方焦点 F2 上或上或在很靠近在很靠近 F2 的位置上的位置上 此像在经目镜放大为虚像此像在经目镜放大为虚像A”B” 后供眼睛观察。后供眼睛观察。这说明目镜与这说明目镜与放大镜的作用一样。放大镜的作用一样。 2、视觉放大率、视觉放大率第二章例题4总的放大率总的放大率与与光学筒长光学筒长成正比成正比，和，和物镜及目镜的焦距成反比物镜及目镜的焦距成反比。 物体被物体被物镜物镜成的像位于成的像位于目镜目镜的物方焦点上或附的物方焦点上或附近，此像相对于物镜像方焦点的距离为近，此像相对于物镜像方焦点的距离为。式中有式中有负号负号，即当显微镜系统具有正物镜和正，即

5、当显微镜系统具有正物镜和正目镜时（常用这种结构），则整个显微镜系统目镜时（常用这种结构），则整个显微镜系统给出给出倒像倒像。2、视觉放大率、视觉放大率fe2250ffe21250ff f21 f f x11 f250它与放大镜公式具有它与放大镜公式具有完全相同完全相同的形式。显微镜系统实质上的形式。显微镜系统实质上就是一个就是一个复杂化了的放大镜复杂化了的放大镜常用的物镜倍率：常用的物镜倍率：4x、 10 x、 40 x和和100 x常用的目镜倍率：常用的目镜倍率：5x、10 x和和15x极限倍率：极限倍率：100*15=1500例题二、显微镜的光束限制 1）孔阑）孔阑观察用观察用 低倍：物镜

6、框（入瞳），出瞳位于眼瞳处低倍：物镜框（入瞳），出瞳位于眼瞳处 高倍：最后一组透镜框高倍：最后一组透镜框测量用测量用 一般在物镜像方焦平面上，形成物方远心光路。一般在物镜像方焦平面上，形成物方远心光路。 2）视阑：均设置在物镜像平面处）视阑：均设置在物镜像平面处(分化板分化板)入窗在物平面上，出窗在最后像平面上入窗在物平面上，出窗在最后像平面上3）渐晕 观察用：观察用：2 测量用：测量用：04）一般没有消杂光光阑）一般没有消杂光光阑1、光阑的设置、光阑的设置与其结构及用途有关选定目镜后，显微镜的视觉放大率越大，线视场越小选定目镜后，显微镜的视觉放大率越大，线视场越小2、线视场、线视场出瞳直径出

7、瞳直径D小于眼瞳小于眼瞳NAnsinu，称为显微镜的数值孔径，是与，称为显微镜的数值孔径，是与配合选用的重要配合选用的重要光学参数，一同刻在镜筒上。光学参数，一同刻在镜筒上。3、出瞳直、出瞳直径径 人眼通过显微镜调焦在某一平面（对准平面）上时，在人眼通过显微镜调焦在某一平面（对准平面）上时，在对准平面前和后一定范围内物体也能清晰成像，能清晰对准平面前和后一定范围内物体也能清晰成像，能清晰成像的远、近物平面之间的距离称作显微镜的景深。成像的远、近物平面之间的距离称作显微镜的景深。4、景深、景深三、显微镜的分辨率和有效放大率自发光：自发光：0.61/NA；光源照明：；光源照明：/NA；斜照明：；斜

8、照明：0.5/NA瑞利分辨率标准是比较保守的，通常以道威判断给出的分辨率值作为光学系统的目视衍射分辨率，或称作理想分辨率。 当两个独立的光强度相当两个独立的光强度相等的发光点逐渐靠近时，等的发光点逐渐靠近时，其在系统像面上的爱里其在系统像面上的爱里斑也逐渐靠近，并开始斑也逐渐靠近，并开始有重叠的部分。有重叠的部分。这就引出光学系统对相邻两物点的分辨问题。这就引出光学系统对相邻两物点的分辨问题。 当相邻两点的间隔，正好使一当相邻两点的间隔，正好使一个衍射图样中的个衍射图样中的爱里斑中心爱里斑中心和和另一个图样的另一个图样的第一暗环第一暗环重合时重合时，两个衍射图样的光强分布曲，两个衍射图样的光强

9、分布曲线相加而得到的合成光强分布线相加而得到的合成光强分布曲线，两个极大值之间存在的曲线，两个极大值之间存在的一个极小值，能量约为极大值一个极小值，能量约为极大值的的80%。10.8r暗1从图中可看出，两个爱里斑的中心从图中可看出，两个爱里斑的中心距正好是爱里斑的半径或衍射图样距正好是爱里斑的半径或衍射图样的的第一暗环半径第一暗环半径（r暗暗1） 。以此作。以此作为为 光学系统能对无限远两点的像分光学系统能对无限远两点的像分辨得开的辨得开的最小距离最小距离瑞利判据。瑞利判据。由此由此确定光学系统的分辨本领。确定光学系统的分辨本领。 fD.D f.r2212211暗式中，式中，波长，波长，D入射

10、光瞳直径。入射光瞳直径。显微系统显微系统的分辨率是以刚能分辨的两物点之间的距离来表示的的分辨率是以刚能分辨的两物点之间的距离来表示的，称为，称为最小分辨距最小分辨距。孔径光阑（出瞳）P1P2z-Umax1UmaxA-原则上显微系统并不满足这一条件。原则上显微系统并不满足这一条件。注意到物镜的像距要比它的出瞳直径大得多。注意到物镜的像距要比它的出瞳直径大得多。)rad(D.221PP.211221maxmaxtgU.tgU. P PZA.ZA6102221221211孔径光阑（出瞳）P1P2z-Umax1UmaxA-像方光束接近于平行光束，公式像方光束接近于平行光束，公式 还是可以应用于显微物镜

11、的。还是可以应用于显微物镜的。D P1P2,以以1表示像面上能表示像面上能分辨的两点对分辨的两点对出瞳中心的张角出瞳中心的张角，可得，可得相应地相应地 因因Umax角一般很小，所以角一般很小，所以maxmaxtgU.tgU.PPZA.ZA6102221221211610.UsinmaxUsinnUsin n由于显微物镜满足正弦条件，即有由于显微物镜满足正弦条件，即有 式中，式中，n像方介质的折射率，总是空气，像方介质的折射率，总是空气，n=1，而，而是是在物空间与在物空间与共轭的线量共轭的线量 式中，式中， 即为前面所提的显微即为前面所提的显微物镜的物镜的数值孔径（数值孔径（NA） NA.Us

12、inn.max610610NAUsinnmax它就是显微物镜的它就是显微物镜的最小分辨距最小分辨距即即分辨率分辨率，故有，故有 表明表明:显微镜的显微镜的分辨本领分辨本领取决于所用的取决于所用的光波波长光波波长和和物镜的数值孔径物镜的数值孔径。上式的得出是假设物点本身发光，并且两个发光点是独立上式的得出是假设物点本身发光，并且两个发光点是独立的（即非相干光源）。的（即非相干光源）。这种情况与实际情况不相符这种情况与实际情况不相符。若考虑部分相干情况，被照明物点所产生的衍射图样，若考虑部分相干情况，被照明物点所产生的衍射图样，在在满足瑞利判据满足瑞利判据时，上式中的系数一般要时，上式中的系数一般

13、要加以修正加以修正。F这种修正是以这种修正是以道威道威(Dawas)判断判断为依据的。为依据的。 NA.NA.50610850道威判断道威判断：两个相邻像点之间的两衍射斑中心距两个相邻像点之间的两衍射斑中心距为为0.85爱里斑半径时，则能被光学系统分辨爱里斑半径时，则能被光学系统分辨。应应充分利用充分利用物镜的分辨率，使以被显微镜物镜分物镜的分辨率，使以被显微镜物镜分辨出来的细节能同时被眼睛所看清，辨出来的细节能同时被眼睛所看清，显微镜必须显微镜必须有恰当的放大率有恰当的放大率 便于眼睛分辨的角距离为便于眼睛分辨的角距离为2 4。00029042500002902250.取取2为分辨角的为分辨

14、角的下限下限， 4为为上限上限，则在，则在明视距离明视距离250mm处能分辨开两点之间的距离处能分辨开两点之间的距离为为 是显微镜像空间被人眼所能分辨的线距离是显微镜像空间被人眼所能分辨的线距离换算到换算到显微镜的物方显微镜的物方NANA1000500有效放大有效放大率率580290.NA.伪分辨伪分辨超过上限（无效放大，虚放大）超过上限（无效放大，虚放大）四、性能指标计算举例四、性能指标计算举例ffe21250NA.NA.50610850NAnsinu有两个薄透镜：f1=25mm，f2=24mm。解答：（1）若用第一个透镜做显微镜的目镜，求该目镜的视觉放大率；（2）若用第二个透镜做显微镜的物

15、镜，求其物像共轭距为196mm时的物镜垂轴放大率（4分）；（3）此时，物镜应放在物面后多远？（4）此时，该显微镜系统总的视觉放大率是多少？一显微镜物镜的垂轴放大率，数值孔径NA=0.1，共轭距L=180mm，物镜框是孔径光阑，目镜焦距 （1）求显微镜的视觉放大率；（2）求出射光瞳直径；（3）求出射光瞳距离（镜目距）；（4）斜入射照明时，求显微镜的分辨率；0.55 mf25emm五、显微物镜五、显微物镜几种典型物镜的结构型式：1、显微物镜的数值孔径NAnsinu与应匹配（表） 数值孔径是物镜的主要性能指标，他决定了系统的分辨率、像差校正、物镜结构复杂程度等。2、匹兹伐场曲的校正问题低倍物镜:由双胶合物镜组成中倍物镜:由两组双胶合物镜组成里斯特物镜高倍物镜:半球透镜+里斯特物镜阿米西物镜阿贝浸液物镜:阿米西物镜+同心齐明透镜复消色差物镜平视场复消色差物镜六、照明系统六、照明系统1、设计原则：、设计原则：1）光孔转接原则：瞳、窗对应；）光孔转接原则：瞳、窗对应；2）J照照J物（拉赫不变量）物（拉赫不变量）光源光源+聚光镜聚光镜2、照明的方法、照明的方法生物显微镜多为透明标本，常用透射光亮视场照明。临界照明临界照明柯勒照明柯勒照明照明出瞳照明出瞳成像入瞳成像入瞳照明出窗照明出窗