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光学显微镜的成像原理

2013-10-16  发布者:admin 

光学显微镜是一种利用光学透镜产生影像放大效应的显微镜。

由物体入射的光被至少两个光学系统(物镜和目镜)放大。首先物镜产生一个被放大实像,人眼通过作用相当于放大镜的目镜观察这个已经被放大了的实像。一般的光学显微镜有多个可以替换的物镜,这样观察者可以按需要更换放大倍数。这些物镜一般被安置在一个可以转动的物镜盘上,转动物镜盘就可以使不同的目镜方便地进入光路,物镜盘的英文是Nosepiece,又译作鼻轮

十八世纪,光学显微镜的放大倍率已经提高到了1000倍,使人们能用眼睛看清微生物体的形态、大小和一些内部结构。直到物理学家发现了放大倍率与分辨率之间的规律,人们才知道光学显微镜的分辨率是有极限的,分辨率的这一极限限制了放大倍率的无限提高,1600倍成了光学显微镜放大倍率的最高极限,使得形态学的应用在许多领域受到了很大限制。

光学显微镜的分辨率受到光波长的限制,一般不超过0.3微米。假如显微镜使用紫外线作为光源或物体被放在油中的话,分辨率还可以得到提高。

光学显微镜依样品的不同可分为反射式透射式。反射显微镜的物体一般是不透明的,光从上面照在物体上,被物体反射的光进入显微镜。这种显微镜经常被用来观察固体等,多应用在工学、材料领域,在正立显微镜中,此类显微镜又称作金相显微镜。透射显微镜的物体是透明的或非常薄,光从可透过它进入显微镜。这种显微镜常被用来观察生物组织。

光学显微镜依其聚光镜(condenser)和物镜(Objective)的设计,可用来观察不同的样品。明视野(Brightfield)用来观察薄的染色生物组织样品,暗视野(Darkfield)功能的视野下,背景为黑色,能突显样品的细微面貌,观察未染色样品时,如活细胞,可利用相位差(Phase)功能。另外还有微分干涉差(differential interference contrast,DIC)功能,都常搭配在光学显微镜上。

依光源的不同,还有萤光显微镜、共聚焦显微镜等类别。

 

显微镜成像原理

 

现在的光学显微镜的构造非常的复杂精密,为了精准成像,显微镜的光学路径必须严谨的设计与控制。尽管如此,光学显微镜的运作原理是非常简单的。

最简单的物镜是由高分辨率的玻璃镜制成,有非常短的焦距,大概是160 mm左右,而产生了放大倒立成像,因此像是非常靠近试片来观察,经由对焦,其产生的是实像,不用经由目镜即可用肉眼看到,或者成像于纸张上。在多数的显微镜,目镜是双镜组成的,一个在眼睛,产生虚像,使肉眼看到放大成像;一个则靠近物镜,产生实像。

 

倒立显微镜

倒立显微镜是显微镜的一种,在穿透光观察下,明视野用之照明光源和聚光镜是来自机身上方,光线穿过聚光镜到达样品,再穿过位于样品下方的物镜,然后借由反射镜和透镜到达观察者的眼睛或成像仪器。对萤光显微镜而言,萤光激发光源和物镜同位于底部。由于激发光源可以是高功率大型雷射光源或弧光灯,倒立式的设计更能稳定显微镜镜的结构。倒立显微镜常用于观察培养中的细胞或组织,特别是应用在萤光的生物样品上。

 

解剖显微镜

解剖显微镜,又被称为实体显微镜立体显微镜,是为了不同的工作需求所设计的显微镜。利用解剖显微镜观察时,进入两眼的光各来自一个独立的路径,这两个光路径夹了一个小小的角度,因此在观察时,样品可以呈现立体的样貌。解剖显微镜的光路设计有两种:The Greenough ConceptThe Telescope Concept
解剖显微镜常常用在一些固体样本的表面观察,或是解剖、钟表制作和小电路板检查等工作上。

 

分类

正立显微镜

 正立显微镜是光学显微镜的一种,在穿透光观察下,光源由机身下面经过聚光镜到达样品,再穿过位于样品上方的物镜,然后借由反射镜和透镜到达观察者的眼睛或其他成像仪器。正立显微镜物镜和聚光镜中间的空间较小,适用于正立显微镜观察的物品,通常较薄,可夹于玻片中。正立显微镜的优点是结构简单,因此一般显微镜多属此类。

正立显微镜上的基本部件
  1. 接目镜 (ocular lens or eye-piece)
  2. 接物镜转轮(objective turret)或鼻轮(nosepiece)
  3. 接物镜(objective lens)
  4. 粗调节轮 / 器(coarse adjustment knob)
  5. 细 / 微调节轮 / 器(fine adjustment knob)
  6. 标本夹载物台(clip and stage)
  7. 反射镜(mirror)
  8. 光圈与聚光镜(condenser and diaphragm)