隨著科學技術的進步,人們越來越需要觀察微觀世界,顯微鏡正是這樣的設備,它突破了人類的視覺極限,使之延伸到肉眼無法看清的細微結構。
顯微鏡是從十五世紀開始發(fā)展起來。從簡單的放大鏡的基礎上設計出來的單透鏡顯微鏡,到結構復雜的復式顯微鏡,以及相差,熒光,偏光,顯微觀察方式的出現(xiàn),使之更廣范地應用于醫(yī)學,生物學,金屬材料,化工等領域。
一. 折射和折射率
光線在均勻的各向同性介質中,兩點之間以直線傳播,當通過不同密度介質的透明物體時, 則發(fā)生折射現(xiàn)象,這是由于光在不同介質的傳播速度不同造成的。當與透明物面不垂直的光線由空氣射入透明物體(如玻璃)時,光線在其介面改變了方向,并和法線構成折射角。
透鏡是組成顯微鏡光學系統(tǒng)的基本的光學元件,物鏡目鏡及聚光鏡等部件均由單個和多個透鏡組成。依其外形的不同,可分為凸透鏡(正透鏡)和凹透鏡(負透鏡)兩大類。
當一束平行于光軸的光線通過凸透鏡后相交于一點,這個點稱"焦點",通過交點并垂直光軸的平面,稱"焦平面"。焦點有兩個,在物方空間的焦點,稱"物方焦點",該處的焦平面, 稱"物方焦平面";反之,在象方空間的焦點,稱"象方焦點",該處的焦平面,稱"象方焦平面 "。
光線通過凹透鏡后,成正立虛像,而凸透鏡則成正立實像。實像可在屏幕上顯現(xiàn)出來, 而虛像不能。
由于客觀條件,任何光學系統(tǒng)都不能生成理論上理想的象,各種象差的存在影響了成像質量。下面分別簡要介紹各種相差。
色差是透鏡成像的一個嚴重缺陷,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 紫 七種組成,各種光的波長不同 ,所以在通過透鏡時的折射率也不同,這樣物方一個點,在象方則可能形成一個色斑。
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
球差是軸上點的單色相差,是由于透鏡的球形表面造成的。球差造成的結果是,一個點成像后,不在是個亮點,而是一個中間亮 邊緣逐漸模糊的亮斑。從而影響成像質量。
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。舊型號顯微鏡,物鏡的球差沒有*矯正,應與相應的補償目鏡配合,才能達到糾正效果。一般新型顯微鏡的球差*由物鏡消除。
慧差屬軸外點的單色相差。軸外物點以大孔徑光束成象時,發(fā)出的光束通過透鏡后,不再相交一點,則一光點的象便會得到一逗點壯,型如慧星,故稱"慧差"。
象散也是影響清晰度的軸外點單色相差。當視場很大時,邊緣上的物點離光軸遠,光束傾斜大,經(jīng)透鏡后則引起象散。象散使原來的物點在成象后變成兩個分離并且相互垂直的短線, 在理想象平面上綜合后,形成一個橢圓形的斑點。象散是通過復雜的透鏡組合來消除。
場曲又稱"象場彎曲"。當透鏡存在場曲時,整個光束的交點不與理想象點重合,雖然在每個特定點都能得到清晰的象點,但整個象平面則是一個曲面。這樣在鏡檢時不能同時看清整個相面,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;。
前面所說各種相差除場曲外,都影響象的清晰度?;兪橇硪环N性質的相差,光束的同心性不受到破壞。因此,不影響象的清晰度,但使象與原物體比,在形狀上造成失真。
顯微鏡之所以能將被檢物體進行放大,是通過透鏡來實現(xiàn)的。單透鏡成象具有象差,嚴重影響成象質量。因此顯微鏡的主要光學部件都由透鏡組合而成。從透鏡的性能可知,只有凸透鏡才能起放大作用,而凹透鏡不行。顯微鏡的物鏡與目鏡雖都由透鏡組合而成,但相當于一個凸透鏡。為便于了解顯微鏡的放大原理,簡要說明一下凸透鏡的5 種成象規(guī)律:
倒立實象;
(2) 當物體位于透鏡物方二倍焦距上時,則在象方二倍焦距上形成同樣大小的倒立實象;
(3) 當物體位于透鏡物方二倍焦距以內,焦點以外時,則在象方二倍焦距以外形成放大的倒立實象;
(4) 當物體位于透鏡物方焦點上時,則象方不能成象;
(5) 當物體位于透鏡物方焦點以內時,則象方也無象的形成,而在透鏡物方的同側比物體遠的位置形成放大的直立虛象。
顯微鏡的成象原理就是利用上述(3)和(5)的規(guī)律把物體放大的。當物體處在物鏡前F2F
(F 為物方焦距)之間,則在物鏡象方的二倍焦距以外形成放大的倒立實象。在顯微鏡的設計上,將此象落在目鏡的一倍焦距F1 之內,使物鏡所放大的次象(中間象),又被目鏡再一次放大,終在目鏡的物方(中間象的同側)、人眼的明視距離(250mm)處形成放大的直立(相對中間象而言)虛象。因此,當我們在鏡檢時,通過目鏡(不另加轉換棱鏡)看到的象于原物體的象,方向相反。
顯微鏡光學系統(tǒng)的設計有三種光學系統(tǒng)。
1 長筒光學系統(tǒng)
2 萬能無限遠校正光學系統(tǒng):是目前的光路設計,它分體現(xiàn)了無限遠校正方式的*性。光線通過物鏡后成為平行光束通過鏡筒,并在結象透鏡處折射或完成無相差的中間象。物鏡與觀察筒內結象透鏡之間可添加光學附件,而不影響總放大倍數(shù)。另外這種光學系統(tǒng)不需要安裝附加校正透鏡,都能得到較好的顯微圖象。