显微镜原理，显微镜成像原理，光学显微镜的原理

发布时间：2025-02-08 热度：264

显微镜原理，显微镜成像原理，光学显微镜的原理

显微镜是一种用于放大微小物体的光学仪器，其基本原理涉及光学、透镜性能和成像规律等多个方面。以下是显微镜原理的详细分析：

一、基本结构与组成

显微镜主要由以下部分组成：

二、光学原理

1. 折射和折射率

• 光线在均匀的各向同性介质中沿直线传播，但当通过不同密度介质的透明物体时，会发生折射现象。这是因为光在不同介质中的传播速度不同。例如，当光线从空气射入玻璃时，在界面处光线会改变方向，并与法线构成折射角。

2. 透镜的性能

• 透镜是显微镜光学系统的基本元件，物镜、目镜及聚光镜等部件均由单个和多个透镜组成。透镜可分为凸透镜（正透镜）和凹透镜（负透镜）两大类。

• 当一束平行于光轴的光线通过凸透镜后相交于一点，这个点称为“焦点”，通过交点并垂直光轴的平面，称“焦平面”。焦点有两个，在物方空间的焦点，称“物方焦点”，该处的焦平面，称“物方焦平面”；反之，在象方空间的焦点，称“象方焦点”，该处的焦平面，称“象方焦平面”。光线通过凹透镜后，成正立虚像，而凸透镜则成正立实像，实像可在屏幕上显现出来，而虚像不能。

3. 凸透镜的成像规律

• 当物体位于透镜物方二倍焦距以外时，则在象方二倍焦距以内、焦点以外形成缩小的倒立实象。

• 当物体位于透镜物方二倍焦距上时，则在象方二倍焦距上形成同样大小的倒立实象。

• 当物体位于透镜物方二倍焦距以内，焦点以外时，则在象方二倍焦距以外形成放大的倒立实象。

• 当物体位于透镜物方焦点上时，则象方不能成象。

• 当物体位于透镜物方焦点以内时，则象方也无象的形成，而在透镜物方的同侧比物体远的位置形成放大的直立虚象。

三、显微镜的成像原理

1. 光学显微镜成像原理

• 物体位于物镜前方，离开物镜的距离大于物镜的焦距，但小于两倍物镜焦距。所以，它经物镜以后，必然形成一个倒立的放大的实像。这个实像靠近目镜的焦点位置上，再经目镜放大为虚像后供眼睛观察。目镜的作用与放大镜一样，所不同的只是眼睛通过目镜所看到的不是物体本身，而是物体被物镜放大了一次的像。

2. 电子显微镜成像原理

• 电子显微镜是根据电子光学原理，用电子束和电子透镜代替光束和光学透镜，使物质的细微结构在非常高的放大倍数下成像的仪器。电子显微镜的分辨能力以它所能分辨的相邻两点的最小间距来表示。例如，20世纪70年代，透射式电子显微镜的分辨率约为0.3纳米（人眼的分辨本领约为0.1毫米）。现在电子显微镜最大放大倍率超过300万倍，而光学显微镜的最大放大倍率约为2000倍，所以通过电子显微镜就能直接观察到某些重金属的原子和晶体中排列整齐的原子点阵。

四、显微镜的重要光学技术参数

1. 数值孔径（NA）

• 数值孔径简写NA，是物镜和聚光镜的主要技术参数，是判断两者（尤其对物镜而言）性能高低的重要标志。其数值的大小，分别标刻在物镜和聚光镜的外壳上。数值孔径（NA）是物镜前透镜与被检物体之间介质的折射率（n）和孔径角（u）半数的正弦之乘积，即NA = nsin(u/2)。孔径角又称“镜口角”，是物镜光轴上的物体点与物镜前透镜的有效直径所形成的角度。孔径角越大，进入物镜的光通量就越大，它与物镜的有效直径成正比，与焦点的距离成反比。显微镜观察时，若想增大NA值，孔径角是无法增大的，唯一的办法是增大介质的折射率n值。基于这一原理，就产生了水浸物镜和油浸物镜，因介质的折射率n值大于1，NA值就能大于1。数值孔径最大值为1.4，这个数值在理论上和技术上都达到了极限。目前，有用折射率高的溴萘作介质，溴萘的折射率为1.66，所以NA值可大于1.4。为了充分发挥物镜数值孔径的作用，在观察时，聚光镜的NA值应等于或略大于物镜的NA值。数值孔径与其他技术参数有着密切的关系，它几乎决定和影响着其他各项技术参数。它与分辨率成正比，与放大率成正比，与焦深成反比，NA值增大，视场宽度与工作距离都会相应地变小。

2. 分辨率

• 显微镜的分辨率是指能被显微镜清晰区分的两个物点的最小间距，又称“鉴别率”。其计算公式是σ = λ/NA。式中σ为最小分辨距离；λ为光线的波长；NA为物镜的数值孔径。可见物镜的分辨率是由物镜的NA值与照明光源的波长两个因素决定。NA值越大，照明光线波长越短，则σ值越小，分辨率就越高。要提高分辨率，即减小σ值，可采取降低波长λ值（使用短波长光源）、增大介质n值以提高NA值（NA = nsin(u/2)）、增大孔径角u值以提高NA值、增加明暗反差等措施。

3. 放大率和有效放大率

• 由于经过物镜和目镜的两次放大，所以显微镜总的放大率Γ应该是物镜放大率β和目镜放大率Γ₁的乘积，即Γ = βΓ₁。显然，和放大镜相比，显微镜可以具有高得多的放大率，并且通过调换不同放大率的物镜和目镜，能够方便地改变显微镜的放大率。但放大率也不是越高越好，显微镜放大倍率的极限即有效放大倍率。