显微镜

2025-09-23

显微镜

现在的光学显微镜可把物体放大1600倍,分辨的最小极限达0.11微米,国内显微镜机械筒长度一般是160毫米。

显微镜系统中共轭距是物镜物方焦点到目镜物方焦点的距离。

物镜通过转换器旋转式接到镜筒的下端面 目镜以插入式接镜筒的上端面 应满足齐焦要求:调换物镜后,不需再调焦就能看到像。 a. 物镜调换后,像面不动,物面不动——物镜共轭距不变(195mm) b. 物镜像面即目镜前焦面不动——物镜像面在上端面以下10mm处 c. 机械筒长——上下端面之间的距离(160mm),有的显微镜机械筒长可调 调换物镜(目镜)后微调焦不可避免,故还必须有微动机构 具有中间实像面,可放置分划板,用于测量(构成测微目镜) 当中间实像A’位于 Fe之前时,A”为实像,可投影到屏上。也可用图像传感器接收实像,构成电子目镜。 物镜是显微镜最复杂和最重要的部分,在宽光束中工作(孔径大),但这些光束与光轴的倾角较小(视场小);目镜在窄光束中工作,但其倾角大(视场大).当计算物镜与目镜,在消除象差上有很大差别。

成像原理

显微镜主要由目镜和物镜来进行成像,它们都是凸透镜,焦距不同。物镜的凸透镜焦距小于目镜的凸透镜的焦距。物镜相当于投影仪的镜头,物镜成像规律:

f

显微镜由物镜和目镜组成。物体AB在物镜前焦面稍前处,经物镜成放大、倒立的实像A'B',它位于目镜前焦面或稍后处,经目镜成放大的虚像,该像位于无穷远或明视距离处。对正常眼,

位于

上,显微镜光学筒长为

放大倍数

显微镜包括两组透镜——物镜和目镜。显微镜的的放大倍数主要通过物镜来保证,物镜的最高放大倍数可达100倍,目镜的放大倍数可达25倍。物镜的放大倍数可由下式得出:M物=L/F1,式中:L——显微镜的光学筒长度(即物镜后焦点与目镜前焦点的距离);F1——物镜焦距。而A′B′再经目镜放大后的放大倍数则可由以下公式计算:M目=D/F2,式中:D——人眼明视距离(250mm) F2——目镜焦距。显微镜的总放大倍数应为物镜与目镜放大倍数的乘积,即:M总=M物×M目=250L/F1*F2。显微镜的放大倍数是由目镜、物镜和镜筒的长度所决定的,显微镜目镜长度与放大倍数呈负相关,物镜长度与放大倍数呈正相关,即目镜长度越长,放大倍数越低;物镜长度越长,放大倍数越高。一般的物镜配置是4倍、10倍、40倍、100倍,目镜常规配置是10倍,另外还有16倍、20倍等。

F数

F数就是f/d,f为焦距,d为入射光瞳直径,为相对孔径的倒数,决定了像面照度,决定了设计的难度,光学设计还有:1像空间F数:计算无穷远共轭点时的轴上有效焦距与近轴入瞳孔径的比值。2近轴F数:就是忽略了像差的有效f数。3工作F数:此F数比像空间F数有用,由于它基于镜头的实际共轭面的真实光线。不同类型的目镜,其视场数不同,倍率高的目镜,视场数小。视场数(一般简写为F.N.)以毫米为单位,定义为样品图像范围的目镜光阑尺寸,是通过目镜实际看到的光阑直径,即 通过目镜能观察到的物体表面的实际范围(实际视场)(F.O.V),显微镜系统物方视场FN=目镜视场数FN/物镜放大率。一般来说,F.N.特指目镜,而非物镜。所以我们可以在目镜看到F.N.=22等等,意指目镜的视场直径为22mm。对于物镜,在国外文献中,一般提到视场,均指其像方视场——实际上就是目镜的物方视场——有时我们也称之为“中间像面视场”。所以,从这个意义上讲,F.N.其实是指中间像面而言。简单而言,传统显微镜的视场数在6-18左右(就常见的10×目镜而言)。目前来看,一般视场数超过18就可称之为大视场显微镜。国内很多产品已经超过20,大多国际产品在22左右。

分辨率

在明视距离(25cm)之处,正常人眼所能看清相距0.073mm(对应角度60’’)的两个物点,这个0.073mm的数值,即为正常人眼的分辨距离。显微镜的分辨距离越小,即表示它的分辨力越高,也就是表示它的性能越好。当用普通的中央照明法(使光线均匀地透过标本的明视照明法)时,显微镜的分辨距离为d=0.61λ/NA,式中d——物镜的分辨距离,单位nm,λ——照明光线波长,单位 nm,NA ——物镜的数值孔径,例如油浸物镜的数值孔径为1.25。可见光波长范围为400—700nm ,取其平均波长550 nm,则d=270 nm,约等于照明光一半。一般地,用可见光照明的显微镜分辨力的极限是0.2μm,线波长一半。

出瞳

在望远镜和显微镜等目视光学仪器中,人眼的瞳孔必须与出瞳重合才能看到整个视场,为了避免眼睫毛与系统最后一面相碰而妨碍观察,出瞳距离不能小于一定的数值。实验室仪器或一般的普通仪器,要求最少的出瞳距离约为6mm;军用光学仪器中,考虑到加眼罩和带防毒面具,出瞳距离较长,一般为20mm左右。目视光学仪器的出瞳在外面,是在出射光线共同经过的最小的口径的位置。眼睛的瞳孔在此处时最容易让最多的光线进入眼睛。

出瞳位置在目镜像方焦点 Fe’稍后处,出瞳在总的像方焦点上,人眼瞳有可能与之重合,接收所有成像光。因为出瞳与整个系统的像方焦面重合,设像方孔径角为

,因系统满足正弦条件


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