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[推荐]显微镜的光学原理与性能
来源:  作者:本站
 传统的光学显微镜主要由光学系统及支撑它们的机械结构组成,光学系统包括物镜、目镜和聚光镜,都是由各种光学玻璃做成的复杂化了的放大镜。物镜将标本放大成像,其放大倍率M物由下式决定:M物=Δ∕f’物 ,式中f’物是物镜的焦距,Δ可理解为物镜与目镜间的距离。目镜将物镜所成之像再次放大,成一个虚像在人眼前250mm处供人观察,这是多数人感觉最舒适的观察位置,目镜的倍率M目=250/f’目,f’目是目镜的焦距。显微镜的总放大倍率是物镜与目镜的乘积,即M=M物*M目=Δ*250∕f’目*f;物。可见,减小物镜及目镜焦距将使总放大倍率提高,这是用显微镜可以看到细菌等微生物的关键,也是其与普通放大镜的区别所在。

  那么,是否可以设想无限制地减少f’物f’目,以便提高放大倍率,使我们能看到更加细微的物体呢?回答是否定的!这是因为用以成像的光本质是一种电磁波,因而在传播过程中免不了产生衍射和干涉现象,就像日常所见水面的波纹遇到障碍时能绕行,两列水波相遇时能互相加强或削弱一样。当从一个点状的发光物点发出的光波进入物镜时,物镜的边框阻碍了光的传播,产生衍射和干涉,经物镜后无法再会集于一点,而是形成有一定大小的光斑,外围还有强度微弱并逐渐减弱的一系列光环,我们称中心亮斑为艾里斑,两个发光点靠近到一定距离时两光斑就会重叠,直至无法确认为两个光斑。瑞利提出了一个判定标准,认为当两光斑中心相距等于艾里斑半径时,两光斑是能分辨的,经计算,这时候两个发光点间的距离e=0.61入∕n.sinA=0.61入∕N.A,式中,入为光波波长,人眼可接收的光波波长约为0.4—0.7um,n为发光点所处介质的折射率,如处在空气中,n≈1,处在水中,n≈1.33,而A为发光点对物镜边框张角之半,N.A称为物镜的数值孔径。从上式可见,物镜能分辨的两点间的距离受到了光的波长和数值孔径的限制,由于人眼视觉最敏锐的波长约为0.5um,而A角不可能超过90度,sinA总小于1,对于可用的透光介质最大折射率约为1.5,故 e值始终大于0.2um,这是光学显微镜能分辨的最小极限距离。通过显微镜放大成像,若想将能被具有某些N.A值的物镜分辨率的物点间距e放大到足以被人眼分辨,则需M.e≥0.15mm,此处0.15mm为实验得出的人眼能分辨的置于眼前250mm处两微物间的最小距离,故M≥(0.15∕0.61入)N.A≈500N.A ,为使观察不致太费力,M扩大一倍便足够了,即500N.A≤M≤1000N.A,是显微镜总倍率的合理选取范围,再大的总放大倍率是没有意义的,因为物镜数值孔径已经限制了最小可分辨距离,提高放大倍率已不可能分辨出更小的物体细节了。
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