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显微镜的结构及基础知识

2013-10-16  发布者:admin 

显微镜的结构及基础知识

显微镜: 显微镜是用于放大微小物体使其被人的肉眼能清晰看到的仪器。显微镜分光学显微镜和电子显微镜。

光学显微镜是在1590年由荷兰的杨森父子所首创。现在的光学显微镜可把物体放大1600倍,分辨的最小极限达0.2微米。

电子显微镜是在1931年在德国柏林由克诺尔和哈罗斯卡首先装配完成的。这种显微镜用高速电子束代替光束。由于电子流的波长比光波短得多,所以电子显微镜的放大倍数可达80万倍,分辨的最小极限达0.2纳米。1963年开始使用的扫描电子显微镜更可使人看到物体表面的微小结构。
 
 显微镜的发明,使人看到了许多以前从未看到过的生物,如细菌、病毒等,也使人看到了生物的许多微小结构,如线粒体的结构,从而对生物学的发展起着重要的推动作用。显微镜是生物学研究的重要仪器之一。在医学、工农业生产中显微镜也有着重要用途,例如在医学诊断上,可对人血液中的红细胞进行病理分析并计数等。

 

 

显微镜的结构及基础知识

显微镜的放大原理:

 显微镜的放大原理:由物镜将被观测物体(标本)放大为可以被屏幕接收映射的实像,通过目镜的转换,使物镜成的实像再次放大并让其成在人眼正常看物体的明視距离处。

人眼看物体的正常距离放大镜的原理

明视距离:250mm (人眼看物体的正常距离)    放大镜的原理:人眼观察到的是放大的虚像

 

 

显微镜的结构及基础知识

显微镜的结构:

被观测物体早期显微镜和现代显微镜

被观测物体(标本)-物镜-光阑-目镜-人眼       早期显微镜-------现代显微镜

 

 

显微镜的结构及基础知识

普通显微镜主要由3部分构成:

光学放大系统:由物镜和目镜组成,是显微镜的主体。(为了消除球差和色差,目镜和物镜都由复杂的透镜组构成。)

照明系统:包括光源和聚光镜。

机械装置:用于固定材料和使观察方便。

 

放大率和有效放大率(又称放大倍数):

物体通过显微镜要经过物镜和目镜两次放大,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 = β Γ1 

 

显微镜可以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。放大率是显微镜的重要参数,但也不能盲目相信放大率越高越好。显微镜放大倍率的极限即有效放大倍率,被称为镜头的分辨率。 分辨率和放大倍率是两个不同的但又互有联系的概念。 当选用的物镜数值孔径不够大,即分辨率不够高时,显微镜不能分清物体的微细结构,此时即使过度地增大放大倍率,得到的也只能是一个轮廓虽大但细节不清的图像,称为无效放大倍率。反之如果分辨率已满足要求而放大倍率不足,则显微镜虽已具备分辨的能力,但因图像太小而仍然不能被人眼清晰视见。所以为了充分发挥显微镜的分辨能力,应使数值孔径与显微镜总放大倍率合理匹配。

 

镜头分辨率(有效放大率)

 显微镜物象是否清楚不仅决定于放大倍数,还与显微镜的分辨力(resolution)有关,分辨力是指显微镜(或人的眼睛距目标25cm处)能分辨物体最小间隔的能力,分辨力的大小决定于光的波长和 数值孔径(又称:镜口率)以及介质的折射率,用公式表示为:

显微镜的分辨力: R=0.61λ /NA

 NA=nSin α/2 (数值孔径)

 式中: λ 为成像光线的波长;

 n = 标本和物镜之间介质折射率;

 α = 镜口角(标本对物镜镜口的张角) ;

 NA = 数值孔径(Numeric Aperture)。

 镜口角总是要小于180˚,所以 Sin α /2 的最大值必然小于 

 

 介质的折射率 n

介质

空气

香柏油

α溴萘

折射率

1

1.33

1.515

1.66

 制作光学镜头所用的玻璃折射率为1.65~1.78,所用介质的折射率越接近玻璃的越好。对于干燥物镜来说,介质为空气,数值孔径一般为0.05~0.95;油镜头用香柏油为介质,数值孔径可接近1.5

显微镜的分辨力与放大率的关系式: 500NA<Γ<1000NA 

 

景深: 

景深为聚焦深度的简称,即在使用显微镜时,当焦点对准某一物体时,不仅位于该点平面上的各点都可以看清楚,而且在此平面的上下一定深度内,也能看得清楚,这个清楚部分的深度就是景深。景深大,可以看到被检物体的深层;而景深小,则只能看到被检物体的一薄层。景深与其它技术参数有以下关系: 

1)景深与总放大倍数及物镜的数值孔径成反比。 (2)景深增大,分辨率降低。 

 

 显微镜的结构及基础知识

显微镜物镜的基本类型:

a.消色差物镜(Achromatic objective  这是应用最广泛的一类显微物镜,外壳上常有"Ach"字样。它校正了轴上点的位置色差(红,蓝二色)、球差(黄绿光)和正弦差,保持了齐明条件。轴外点的象散不超过允许值(4屈光度),二级光谱未校正。 

b.复消色差物镜(Apochromatic objective) 这类物镜的结构复杂,透镜采用了特种玻璃或萤石等材料制作而成,物镜的外壳上标有"Apo"字样。它对两个色光实现了正弦条件,要求严格地校正轴上点的位置色差(红,蓝二色)、球差(红,蓝二色)和正弦差,同时要求校正二级光谱(再校正绿光的位置色差)。其倍率色差并不能完全校正,一般须用目镜补偿。

c.平场物镜(Plan objective 平场物镜是在物镜的透镜系统中增加一快半月形的厚透镜,以达到校正场曲的缺陷,提高视场边缘成像质量的目的。平场物镜的视场平坦,更适用于镜检和显微照相。对于平视场消色差物镜,其倍率色差不大,不必用特殊目镜补偿。而平视场复消色差物镜,则必须用目镜来补偿它的倍率色差。

d.特种物镜 所谓"特种物镜"是在上述物镜的基础上,专门为达到某些特定的观察效果而设计制造的。主要有以下几种:相衬物镜(Phase-contrast objective),荧光物镜(Fluorescenceobjective),偏光无应力物镜(Polarizeobjective,带校正环物镜(Correction collar objective)等。

还有按显微镜结构分类的: 1)按显微镜镜筒长:透射光用160mm镜筒,带0.17mm厚或更厚的盖玻片;反射光用190mm镜筒,不带盖玻片;透射光与反射光用镜筒,筒长无限大。(2)按浸法特征:非浸式(干式)、浸式(油浸、水浸、甘油浸及其它浸法)。 (3)按光学装置:透射式、反射式以及折反射式。

 

光学显微镜成像光波:

光学显微镜的成像研究和设计,是以人眼可见光光线(人们常说的:可见光)的物理现象为基础进行的。可见光的波长为400~700nm,因此 光学显微镜分辨力数值不会小于0.2μm。人眼的分辨力是0.2mm,所以一般光学显微镜设计的最大光学放大倍数通常为1000X

 

 

显微镜的结构及基础知识

电子显微镜成像机理:

光学显微镜的分辨力受可见光波长的限制,质量较好的光学显微镜的分辨极限约为0.2μm。小于光波波长的物体因衍射而不能成像。为了观察到更细微的物体和结构,科学家采用更短波长的电子射线来代替光波,设计出了电子显微镜。电子微粒高速运动时,其行为类似光波的传播过程。运动电子的电子波波长随其速度而定,给其增压达到50万伏时,电子波波长约为0.001nm,即电子射线的波长约为可见光的十万分之一。其分辨力的极限约为,其放大倍数比最高级的光学显微镜要高很多级。以电子射线为成像光源的显微镜称为电子显微镜。