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顯微鏡的成像原理 日期:2018.12.04
眾所周知,放大鏡是最簡單的一種光學儀器, 它實際上是一塊會聚透鏡(凸透鏡),利 用它可以將物體放大。其成像光學原理如圖 1-1 所示。

當物體 AB 置於透鏡焦距 f 以外時,得到倒立的放大實像 AB′(如圖 1-1a)),它 的位置在 2 倍焦距以外。若將物體 AB 放在透鏡焦距內,就可看到一個放大正立的虛象 A B′(如圖 1-1b))。映象的長度與物體長度之比(AB/AB)就是放大鏡的放大倍數(放 大率)。若放大鏡到物體之間的距離 a 近似等於透鏡的焦距(af),而放大鏡到像間的距離 b 近似相當於人眼明視距離(250mm),則放大鏡的放大倍數為:N=b/a=250/f


由上式知,透鏡的焦距越短,放大鏡的放大倍數越大。一般采用的放大鏡焦距在 10~100mm 範圍內,因而放大倍數在 2.5~25 倍之間。進一步提高放大倍數,將會由於透鏡 焦距縮短和表麵曲率過分增大而使形成的映象變得模糊不清。為了得到更高的放大倍數,就 要采用顯微鏡,顯微鏡可以使放大倍數達到 1500~2000 倍。

顯微鏡不象放大鏡那樣由單個透鏡組成,而是由兩級特定透鏡所組成。靠近被觀察物體 的透鏡叫做物鏡,而靠近眼睛的透鏡叫做目鏡。借助物鏡與目鏡的兩次放大,就能將物體放 大到很高的倍數(~2000 倍)。圖 1-2 所示是在顯微鏡中得到放大物像的光學原理圖。





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透鏡成像規律是依據近軸光線得出的結論。近軸光線是指與光軸接近平行(即夾角很小)

的光線。由於物理條件的限製,實際光學係統的成像與近軸光線成像不同,兩者存在偏離, 這種相對於近軸成像的偏離就叫做像差。像差的產生降低了光學儀器的精確性。按像差產生 原因可分為兩類:一類是單色光成像時的像差,叫做單色像差。如球差、慧差、像散、像場 彎曲和畸變均屬單色像差;另一類是多色光成像時,由於介質折射率隨光的波長不同而引起 的像差,叫做色差。色差又可分為位置色差和放大率色差。

透鏡成像的主要缺陷就是球麵差和色差(波長差)。球麵差是指由於球麵透鏡的中心部 分和邊緣部分的厚度不同,造成不同折射現象,致使來自於試樣表麵同一點上的光線經折射 後不能聚集於一點(圖 1-3),因此使映像模糊不清。球麵像差的程度與光通過透鏡的麵積 <

有關。光圈放得越大,光線通過透鏡的麵積越大,球麵像差就越嚴重;反之,縮小光圈,限 製邊緣光線射入,使用通過透鏡中心部分的光線,可減小球麵像差。但光圈太小,也會影響 成像的清晰度。色差的產生是由於白光中各種不同波長的光線在穿過透鏡時折射率不同,其 中紫色光線的波長最短,折射率最大,在距透鏡最近處成像;紅色光線的波長最長,折射率 最小,在距透鏡最遠處成像;其餘的黃、綠、藍等光線則在它們之間成像。這些光線所成的 像不能集中於一點,而呈現帶有彩色邊緣的光環。色差的存在也會降低透鏡成像的清晰度, 也應予以校正。通常采用單色光源(或加濾光片),也可使用複合透鏡。如圖 1-3 所示。









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