第七章显微光学系统2

第七章显微光学系统2/3/20231

对于工作在可见光波长范围的光学显微镜一、分类工具显微镜（主要应用于精密机构制造工业等方面进行精密测量）；大工显，小工显，万工显，光学分度头，双管显微镜，测长仪等。生物显微镜（主要应用于生物学、医学、农学等）。金相显微镜（主要应用于冶金和机械制造工业，观察研究金相组织结构）。二、原理

构成：由物镜系统、目镜系统和照明系统三部分组成。§7-1显微镜的工作原理2/3/20232显微系统的构成照明系统＋成像系统成像系统=物镜＋目镜

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显微镜系统成像原理物镜目镜F1F1’F2BAA’B’A”B”2/3/20234

物镜目镜F1F1’F2BAA’B’A”B”两次放大：

1.物镜的实像放大A’B’

位于目镜的物方焦点F2

的附近；

2.像A’B’又经目镜放大为虚像A”B”后供眼睛观察。2/3/20235

经过物镜和目镜的两次放大，所以显微镜系统总的放大率Γ为：设物镜的焦距为f1′,则物镜的放大率为三、视角放大率其中

Δ=F’1F2

称为物镜和目镜的光学间隔。Fe’FeABA’B’A”B”FoFo′Δ

y-y′2/3/20236物镜的像被目镜放大，其放大率为显微镜系统的总放大率为式中负号意义，当显微镜系统具有正物镜和正目镜时（常用这种结构），则整个显微镜系统给出倒像。

2/3/20237根据组合光组的焦距公式可知，整个显微镜的总焦距f’和物镜及目镜焦距之间符合以下关系：将其代入上式中，则有它与放大镜公式具有完全相同的形式。显微镜系统实质上就是一个复杂化了的放大镜故显微镜相当于一个放大镜！2/3/20238§7-2

显微镜的光束限制

一、

孔径光阑的设置1.低倍物镜的孔径光阑——为单组物镜框本身。2.精密测量显微镜（高倍物镜)的孔径光阑——在F1′处专设孔径光阑构成物方远心光路。

出瞳在目镜的像方焦点附近，人眼瞳与之重合，接收所有成像光。

入瞳位于物空间无穷远处。Fe’FeABA’B’A”B”FoFo’Δ

y-y′出瞳2/3/20239二、视场光阑的设置

在显微镜系统中存在着中间像，故可以在物镜的实像平面上放置分划板—视场光阑。入射窗与物镜物面重合，出射窗与像面重合。该处设置视场光阑以消除渐晕现象。2/3/202310§7-3显微光学系统的分辨率一、

显微镜的分辨率显微镜的分辨率是指分辨细节的能力。通常以刚能分辨的两物点之间的距离来表示的，称为最小分辨距。按衍射理论，无穷远自身发光的物点，在焦平面上所成的像不是几何点，而是一个由一系列光环组成的衍射图样。2/3/202311中央亮斑称为爱里斑，其上集中了总能量的83.78%接着是第一级暗环然后是第一级亮环，其能量是总能量的7.22%；爱里斑的半径：2/3/202312

因为光环的能量主要集中在爱里斑上，所以可以把它看作理想系统的点像；当两个独立的光强度相等的发光点逐渐靠近时，其在系统像面上的爱里斑也逐渐靠近，并开始有重叠的部分。这就引出光学系统对相邻两物点的分辨问题。2/3/202313瑞利给出恰可分辨两个物点的判据：点物S1的艾里斑中心恰好与另一个点物S2的艾里斑边缘（第一衍射极小）相重合时，恰可分辨两物点。瑞利判据S1S2S1S2S1S2可分辨恰可分辨不可分辨100%75%2/3/202314称为显微物镜的数值孔径（NA）

二、最小分辨距公式

表明:显微镜的分辨本领取决于所用的光波波长和物镜的数值孔径。道威判断：两个相邻像点之间的两衍射斑中心距为0.85爱里斑半径时，则能被光学系统分辨。想一想：提高光学显微镜分辨本领可以采取那些方法？2/3/202315三、显微镜的有效放大率

“有效放大率”的由来：

再代入并取

近似写作：

★A”B”入瞳S有效放大率

2/3/202316

§7-4

显微镜的景深

影响显微镜景深的诸多因素

(1).几何景深：由于人眼分辨本领的限制，允许物点成像为一定大小的弥散斑；(2).调节景深：由于人眼具有调节能力，使得一定纵深范围内的物体可以被清晰观察；(3).物理景深：因衍射效应而形成的景深

*

几何

调节

物理景深

景深

景深结论：例：求得：

要求物面非常平整！2/3/202317

§7-5显微镜的物镜系统一、显微物镜的光学性能数值孔径放大率应满足齐焦要求：调换物镜后，不需再调焦就能看到像。线视场共轭距(180mm)焦距2/3/202318二、显微物镜的技术参数意义垂轴放大率与数值孔径的的匹配关系

工作距——β越高，工作距越短，如100倍物镜：～0.2mm。镜头上的参数标识：

倍率/N.A.机械筒长/盖玻片厚度如：40/0.6510/0.25160/0.17∞/0垂轴放大率——影响着系统的视觉放大率和物镜的焦距

机械筒长、盖玻片厚度——提示使用条件。注意调焦方式金相显微镜一般而言，

2.54102540601000.070.100.250.400.650.851.25大致匹配关系

（油浸）数值孔径N.A.——最重要的技术性能参数；2/3/202319油

电子显微镜用加速的电子束代替光束，其波长约0.1nm，用它来观察分子结构。

2/3/202320由于显微镜要求分辨率高，则数值孔径NA大，放大率M要与之相适应，因而物镜的放大率也要相应匹配，并在规定机械筒长下使用（例如，160mm）。物镜的参数标明在外壳上。2/3/202321三、显微物镜的像差

物镜属于小视场、大孔径系统。主要像差为：球差、彗差和位置色差。在显微照相、测量和显微投影用途中，还需校正像面弯曲。

校正像差的主要方法：

使用多组双胶合透镜：校正球差和位置色差

使用齐明透镜，降低系统像差负担；

恰当安排孔径光阑位置，尽可能扩大满足正弦条件的区域。

使用厚透镜：校正像面弯曲。

可使用单色光照明：避免引入色差。

2/3/202322四、显微物镜分类1.显微物镜根据用途不同分为：消色差显微物镜复消色差物镜平场消色差物镜40X0.95复消色显微物镜普通显微物镜大多数属于消色差型，只需校正球差、正弦差、轴向色差即可，但边缘像质较差。平场复消色差物镜40X0.85平场复消色显微物镜折反射显微物镜2/3/2023232.按数值孔径NA的大小由四种型式1、双胶型β=1~5xNA=0.1~0.15

2、李斯特型β

=8~20xNA=0.25~0.302/3/202324

3、阿米西型β

=25~40xNA=0.40~0.65

4、阿贝油浸型β

=90~100x

，A=1.25~1.402/3/202325一）、目镜的技术参数

§7-6

目镜系统相对镜目距p’/f’——

影响像差的大小。镜目距p’——目镜最后一面到系统出瞳的距离，＞6mm。

视度调节范围——允许目镜相对于分划板的移动量。焦距——决定目镜放大能力，影响系统的视觉放大率；工作距

——目镜第一面到分划板的距离。

N

(折光度)—

适用的近、远视范围Fe正常眼Fe近视眼Fe远视眼2/3/202326二）、目镜的像差

14目镜属于较小孔径、较大视场系统。主要像差为：彗差、畸变、像散、场曲和倍率色差。因目镜通常倍率较小，实像和分划刻度产生同等像差，故对校正像差的要求通常不高。目镜是一种中等孔径、大视场、短焦距、光阑在外面的光学系统。三）常见的目镜分类1、惠更斯目镜和冉斯登目镜2/3/202327惠更斯目镜由两块平凸透镜组成，其间隔为d。场镜所产生的轴外差很大，很难予以补偿。所以该目镜结构不宜在视场光阑平面上设置分划板，因此惠更斯目镜不宜用在测量仪器中。场镜接目镜物镜像面视场光阑接目镜物方焦面出射光瞳（眼瞳）d2/3/202328冉斯登目镜由两块凸面相对的平凸透镜组成，其间隔d小于惠更斯目镜两透镜的间距。在成像质量上，由于冉斯登目镜的间隔小，所以冉斯登目镜的场曲小于惠斯登目镜的场曲。场镜接目镜视场光阑（物镜像平面目镜前焦面）出瞳（眼瞳）d2/3/2023292、凯涅尔目镜凯涅尔目镜可认为是冉斯登的接目镜改成双胶合镜组而得到的。改成双胶合透镜就能在校正彗差和像散的同时，校正好倍率色差。3、对称式目镜对称式目镜是应用非常广泛的中等视场目镜。它由两个双胶合镜组构成。2/3/2023304、无畸变目镜无畸变目镜是由一个平凸的接目镜和一组三胶合的透镜组构成的。出瞳这种目镜的镜目距很大，所以在有相同的镜目距时，无畸变目镜的设计焦距可以选得小一些，使结构更加紧凑一些。这种特点非常适用于大地测量仪器和军用仪器。2/3/2023315、广角目镜广角目镜是为适应大视场系统而设计的。由于视场角增大，场曲也随之增大。为了保证像差的要求，目镜的结构必须复杂化，或在系统中加入负光焦度的透镜；或增加正透镜组的数目，是光焦度分散。下图是两种视场在60°以上的广角目镜，接目镜用两块透镜代替。I型出瞳II型出瞳2/3/202332四）光学显微镜的相关规范

光学显微镜为通用基础仪器，国家对其结构、机械与光学参数有统一要求。

机械筒长：物镜固定面与目镜固定面之间的距离。(160

mm)光学筒长：物镜后焦点与目镜前焦点之间的距离；工作距离：物(目)镜第一面与物面之间的距离；镜目距(出瞳距)：目镜最后一面与出瞳之间的距离；(﹥6

mm

)物像共轭距：物镜的物面与物镜的像面之间的距离。(195

mm

)物镜像面与目镜固定面距离：10

mm，以保证分划板固定。目镜的视度调节范围：5屈光度。物镜倍率：2.5～100倍；目镜倍率：5～20倍。FeFoFo′Δ

y-y′-y〞出瞳2/3/202333§7-7显微镜的照明系统(一)照明系统的基本要求1）保证有足够的光能；2）有足够的照明范围和均匀的亮度；3）照明光束应充满物镜的入瞳；4）尽可能减少杂光进入物镜，以免降低像面的对比度；5）满足仪器尺寸布局要求；2/3/2023342、照明系统的拉赫不变量应大于或等于物镜的拉赫不变量，即根据上述要求，照明系统在设计上应满足以下两个原则：1、光孔转接原则设照明系统的入瞳位置为光源的位置，则照明系统的出瞳应与物镜的入瞳重合；2/3/202335（二）亮视场的照明方式1、直接照明利用自然光或灯泡照明。2、临界照明光源发光面通过聚光镜成像在物面上或其附近的照明方式称为临界照明。2/3/202336其缺点是光源亮度的不均匀性将直接反映在物面上，同时也不满足光孔转接原则，即聚光镜的出瞳位置和物镜的入瞳位置不重合。电影放映机大多采用这种照明方式。读数显微镜中刻线尺或度盘的照明也常采用。2/3/2023373、柯勒照明集光镜视场光阑孔径光阑聚光镜物面它的构成有以下两个特点：（1）发光面通过集光镜成实像。该像面上可安放可调的孔径光阑，再经聚光镜成像于物镜的入