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奥林巴斯显微镜,光的折射原理

2014-02-24  发布者:admin 

 当电磁辐射,在可见光的形式,由一种物质或介质到另一个移动时,光波可以经历这种现象称为折射 ,这是由在光的方向上的弯曲或变化表现出来。 发生折射的光通过从一种介质到另一种时,才会有两种材料之间的折射指数的差。 折射效应负责各种熟知的现象,如被部分浸没在水中的物体的表观弯曲并在热,沙地中观察到的海市蜃楼。 可见光的折射也是镜片的一个重要特征,使他们能够将光束聚焦到一个点。

十九世纪初lacemakers依靠装满水的玻璃球集中或烛光凝聚到他们的工作的一小块区域,以帮助他们更清楚地看到细节。 图1示出lacemaker的聚光镜在1800年代提出,它由布置在左右一蜡烛台上的圆一些玻璃球,从蜡烛被聚焦或集中到几个亮点使光。 的玻璃球作为一个大的收集表面的光线,然后将其朝着一个共同的焦点以类似于凸透镜的折射方式的曲面。 聚光镜或收集镜头还利用现代显微镜等光学仪器,集中光线,就像早期的lacemaker的聚光镜依靠折射同样的原则。

作为光从一种物质进入另一个的推移,它会沿直线穿过同方向没有变化渡之间的两种物质的头组件(垂直或发病率的90度角)的边界时。 然而,如果在任何其它角度的光的影响的边界将被弯曲或折射,折射度增加,因为光束逐渐倾斜一个更大的角度相对于所述边界。 作为一个例子,光引人注目水的光束垂直地将不被折射,但是如果光束进入的水以微小的角度将被折射到一个非常小的程度。 如果光束的角度甚至更远的增加,将光与折射的比例不断上升的进入角度。 早期的科学家们认识到在该光穿过介质界面的反射和折射后产生的角之间的比例是一个非常精确的制造折射效应的材料的特性。

几个世纪以来,人类已经注意到一个相当奇怪,但明显的事实。 当一个直杆或棒部分浸没在水中,极不再出现连败,但在不同的角度或方向(见图2这种效果的说明与一杯水苏打水吸管)偏关。 当它离开水,在水中的物体的错觉引起显得既歪曲和近于他们真的是光线被折射。 图2中的吸管将被放大并稍微扭曲,由于折射反射的光波从吸管的表面上。 海浪必须先通过水,然后通过玻璃/水边界,最后通过的空气。 光波从吸管的面(正面和背面)来被转移到一个更大的程度比那些从吸管的中心来,使其显得更大比它确实是。

早在第一世纪(公元),古希腊天文学家,地理学家托勒密试图以数学解释弯曲的发生额(或折射),但他提出的法律后来被确定为不可靠的。 在17世纪,荷兰数学家斯涅耳成功地开发了定义与事件有关的比例和折射角度,这后来被称为物质的弯曲动力折射率值的规律。 实际上,更多的物质是能够弯曲或折射光线,较大的折射率值被认为是。 在水中的棍子看上去折弯,因为光线从反射棒突然被弯曲在空气 - 水界面达到了我们的眼前。 令他失望,斯内尔从来没有发现这折射效果的原因。

在1678年,另一个荷兰科学家惠更斯设计了一种数学关系来解释斯涅尔意见和建议的材料的折射率有关,在该光通过该物质传播速度。 惠更斯确定有关的光路的角度在两种材料的比率具有不同折射率应等于通过每个材料通过时该光的行进速度的比值。 因此,他推测,光会传播得慢通过具有更大的折射率的材料。 换句话说,光通过的材料的速度反比于它的折射率。 虽然这一点已经被实验证实,它不会立即明显,大部分十七,十八世纪调查谁缺来测量光速的可靠手段。 这些科学家,光出现在旅游以相同的速度,而不管通过它传递的材料。 这是150年后惠更斯去世,光的速度是衡量足够的精度来证明他的理论正确。

扩充了原先的想法,一个透明的物质或材料的折射率被定义为相对速度,光穿过材料移动就其速度在真空中。 按照惯例,在真空的折射率被定义为具有值1.0,它作为一个普遍接受的参考点。 折射的其它透明材料,通过对变量 n通常被识别的指数,是通过下式定义

N(折射率)= C / V

其中 ,c是光的速度在真空中,并且v是光在材料中的声速。 因为真空的折射率被定义为1.0,和光达到其最大速度,在真空(即不含任何材料)的所有其它透明材料的折射率超过1.0的值,并且可以通过测量技术数量。 对于大多数实际目的,空气(1.0003)的折射率是如此接近,它可以被利用来计算未知材料的折射率真空。 几种常见的透明材料所测量的折射率示于表1。 具有较高折射率的材料慢光速到比低折射率更大的程度。 在效果上,据说这些材料更折射,并且它们表现出折射的输入光线通过空中接口一个较大的角度。

折射率数值 
对于选定的介质
材料 折光指数
空气 1.0003
1.333
甘油 1.473
浸油 1.515
玻璃(皇冠) 1.520
玻璃(弗林特) 1.656
锆石 1.920
钻石 2.417
硫化铅 3.910
表1

当光波通过从少折射率介质(如空气)以更折射率介质(例如水)时,波的速度减小。 反之,当光从一个更折射介质(水)传递到一个更小的折射介质(空气)的波的速度增加。 正常被定义为一个线垂直于边界或界面,两种物质之间。 入射在所述第一介质的角度,相对于所述正常的,并折射到第二介质中的角度(也相对于正常),将不同比例的两种物质之间的折射率之差。 如果一个光波通过从较低折射率的介质中,以更高的折射率的一个,它被弯向正常。 然而,如果波从高折射率的介质行进到较低折射率的介质中,它被弯曲远离所述正常。 斯涅尔定律描述了两个光波的角度和折射的2的指数之间的关系材料

n1 × sin(θ1) = n2 × sin(θ2)

在斯涅耳方程中, 变量n(1)表示其中入射光线传播介质的折射率,而N(2)是通过它的折射光线传播介质的折射率。 θ的值(1)表示的角度(相对于正常),在该入射线照射到边界,θ(2)是在该折射光线行进的角度。

还有,可以从斯奈尔方程得出几个重要的点。 n(1)是小于n(2),折射角总是大于入射角(弯曲朝向正常)小。 可替换地,当n(2)是小于n(1),折射角总是大于入射角(弯曲远离正常)。 当两个折射率相等(N(1)= N(2)),则该两个角度也必须是相等的,从而使光通过,而折射。

图3示出了刚才描述的对n(1)大于n,(2)n(1)比为45度的任意入射角N(2)以下的两种情况。 介质包括空气和水以1.000和1.333的折射率,分别为。 对图3的左手侧,一个光波穿过空气入射到水性表面成45度角,并且在从正常的32度角进入水中被折射。 如果情况正好相反,光线在水中具有相同入射角传递到空气中时被折射在一个70度角。

重新安排,以在不同的形式,斯涅尔定律表明,该事件与折射角的正弦之比等于一个常数,n,这是在两种介质的光的速度(或折射指数)的比值。 这个比例中n2/n1被称为这两个物质的相对折射指数。

相对折射指数= sin(θ1)/sin(θ2) = nr = n2/n1

折射率概念的另一个方面,下面(图4),用于将光束从空气穿过玻璃和水并再度出现入空气的情况下示出。注意到,虽然两个光束相对于所述正常的(60度)输入多折射材料通过入射角相同的角度时,折射玻璃比大于约6度为水,由于玻璃的折射率越高。

光束被折射进入时,再次在退出更高折射率材料,折射在从入口路径逆转的方向。 两光束射在同一角度来看,人对入境,但出口的点被横向移动以及沿边界由于在遍历每两个高折射率材料所采取的光束不同的角度路径。 折射的这种效果是非常重要的透镜设计,用于控制成像光线的精确焦点。

光的折射是在透镜的物理的一个重要方面,特别是关于如何将单个透镜或多个透镜系统被设计和构造。 在一个简单的凸透镜,光波从物体反射由透镜收集并折射朝向光轴会聚在后焦点(图5)。 相对于该透镜的前焦点的对象的相对位置,确定对象进行成像。 如果该对象被定位超出从透镜的焦点的距离的两倍,那么它会出现较小的和倒置的,必须通过附加的透镜以放大的大小进行成像。 然而,当该对象是靠近透镜比前焦点,该图像显示直立和较大的,因为可以很容易地显示出一个简单的放大镜。

一些所造成的光线折射现象往往在日常生活中观察到的。 其中最常见的是几乎每个人谁试图伸手触摸和东西淹没在水中经历。 看出,在水中的物体,通常将显示为在一个不同的深度比它实际上是,由于光线的折射,因为它们从水中行进到空气中。 眼睛和大脑追踪光线回水中,就好像他们没有折射,而是从物体行驶在一条直线上,产生出现在更浅的深度的对象的虚像。

这个概念是很好的假象鱼在浅水的实际深度,通过折射作用产生,从湖泊或池塘(见图6)岸边观察时说明。当我们通过水同行,观察周围的池塘里游泳的鱼,他们似乎是更接近表面比他们真的是。 另一方面,从鱼的角度来看,世界出现扭曲和上面的水的压缩,由于通过折射达到鱼的眼睛反射和透射光中创建的虚拟图像。事实上,由于折射,对岸边渔民似乎是远离鱼(从鱼的角度来看),比他或她真的是。

这一现象可用来确定用光学显微镜的液体的折射率。 能够容纳液体,具有标记(或刻度)的扁平细胞置于内侧玻璃表面构造(或购买)该实验。 一个显微镜目镜必须有一个毕业的分划板在主图像平面的线插入宽度的扁平细胞标记的测量。 之前加入未知折射率的液体给细胞,在显微镜聚焦在标记在单元的底部与分划板上的标记的位置的另外的测量。 接着,少量的液体被加入到细胞并在显微镜被重新聚焦在标记(通过液)和一个新的测量。 显微镜最终聚焦在液体的表面上,而第三个读数被记录,通过测量分划板上的标记的位置。 未知的液体的折射率,然后,可以使用下列公式计算:

折射率(n)= D(测量)/ D(表观)

其中,D(测量值)是使用显微镜测得的深度(从液体的表面上的空单元中的标记的位置),和D(表观 )是标记测量有和没有液体。

尽管它通常是真实的光必须通过从一种物质进入另一个经过折射,有一些情况,其中的扰动,如温度梯度,可产生足够的波动的折射率在一个单一的介质生成的折射效果。 如果它们具有显著不同的温度,空气的大气中的重叠层是负责产生什么常被称为海市蜃楼 ,这种现象在其中的物体的虚拟图象被观察到的被定位的上面或下面的实际对象。

层次感的温暖和凉爽的空气是特别常见的过沙漠地区,海洋和热沥青路面,如停车场和高速公路。 这是可视化的实际效果海市蜃楼取决于空气冷却器是否覆盖温暖的空气,反之亦然(图7(a))。 一种海市蜃楼的出现颠倒的虚像真正的对象的正下方,而当温暖的空气层的地面或水面附近是密集的,较冷的空气上面躺着被困发生。 从向下行进到相邻的地面(或水)的较暖空气的对象光被向上折射向着地平线。 在某一点的光到达的暖空气的临界角,并且向上弯曲通过全内反射 ,从而在虚拟图像中出现的对象下面。

海市蜃楼的另一种形式,称为若隐若现 ,当暖空气谎言笼罩了一层较冷的空气,并共同在大型水体,可能会保持相对凉爽时高于水面的空气在白天加热(参见图7(b发生))。 光线从一个对象,如船在水面上,通过冷空气进入暖空气向上移动向下朝向的视线观察者的路线折射。 光线然后从出现的对象上方起源,它似乎“织机”高于其实际位置。 这是常见的船舶在地平线附近海面出现漂浮在水面上。

可见光的波长色散

虽然参照通常为标准的和固定的折射率的物质制成,仔细测量表明,折射针对特定材料的索引与辐射的频率(波长),或可见的光的颜色而变化。 换句话说,这种物质具有许多的折射率可能不同或轻微,或一个显著程度,光的颜色或波长的改变。 这种变化发生的几乎所有的透明介质,并已被称为色散 。 分散由特定的材料呈现的程度取决于多少随波长的折射率的变化。 为任何物质,作为光增加的波长,折射率(或光的弯曲)而减小。 换句话说,蓝色光,其包括在可见光的最短波长区域,被折射在显著更大的角比是红光,它具有最长的波长。 它是光通过普通玻璃,它负责熟悉的分裂光成它的组成色通过棱镜的色散

在十七世纪后期,艾萨克·牛顿爵士进行了一系列的实验,导致了他的发现可见光的频谱,并证明了白光是由色彩的有序数组开始,蓝色的一端,并通过绿色,黄色的进展和橙,最后用红色止于另一端。 工作在一个黑暗的房间里,牛顿放置了一个玻璃棱镜在新兴的阳光透过钻入百叶窗孔的窄波束的前面。 当太阳光穿过棱镜,色彩的有序光谱投射到屏幕放置在棱镜的后面。

从这个实验中,牛顿的结论是,白光从很多颜色的混合物中产生的,并且该棱镜扩散或“分散的”白色光通过折射每种颜色以不同的角度,使他们能够容易地分离(图8)。 牛顿无法进一步细分各种颜色,这是他试图通过使分散的光的单色通过第二棱镜。 然而,当他把一个第二棱镜非常接近的第一,使所有的颜色分散进入第二棱镜,牛顿发现颜色被重新组合以再次产生白光。 这一发现产生确凿的证据表明,白光是由颜色的光谱,可以很容易地分离和团聚的。

分散的现象在各种常见的观察中起着至关重要的作用。 彩虹导致当太阳光被雨滴落下穿过大气层折射,产生的光谱颜色,密切模仿壮观的显示与棱镜证明。 此外,通过精美切口宝石制造的发泡性的颜色,如钻石,导致白色光,被折射并分散以精确的角度刻面。

当测量的透明物质的折射率,在测量中所用的特定波长必须被识别。 这是因为分散体是依赖于波长的现象,而测得的折射率将依赖于光的用于测定的波长。 表2分类可见光在各种介质中分散如由折射率为三个不同的光的波长(或颜色)的变化。

可见光的色散值
材料 蓝色 
(486.1纳米)
黄色 
(589.3纳米)
 
(656.3纳米)
皇冠玻璃 1.524 1.517 1.515
火石玻璃 1.639 1.627 1.622
1.337 1.333 1.331
的Cargille油 1.530 1.520 1.516
二硫化碳 1.652 1.628 1.618
表2

最常用的波长来测量折射率的值是由钠灯,其特点为589.3纳米的平均波长的强而紧密排列的双峰发射。 该光被称为D线谱,并表示在表2中列出的黄色光。 同样,F线C线谱对应于蓝光和红光的氢气发出的特定波长(也列在表2)。 从上表中给出的值,很明显,增加光的波长从486.1纳米(蓝色或F线)到656.3纳米(红色或C线)产生的折射率的明显减少对特定介质。 分散体可以定量定义,使用三个特定波长为黄色,蓝色和红色的光,如

色散= ν = (n(D)-1)/(n(F)-n(C))

其中,n是材料的折射率在由D,F和 C指定一个特定的波长,它代表钠和氢的谱线如上面所讨论(见表2)。许多因素发挥关键作用于各种材料的色散值,包括元素和分子组成,并且该结晶晶格的形态。 几种无机固体具有异常高的分散体,包括铬酸盐,重铬酸盐,氰化物,钒酸盐和复合卤化物。 当纳入某些材料的有机取代基也可以促进高色散值。

分散也负责色差,镜头神器从折射率变化随波长产生的。 当白色光通过一个简单的凸透镜通过,几个联络点出现在接近,它们对应于元件的波长的细微折射率差。 这种效果往往会产生周围物体的图像颜色(红色或蓝色,这取决于聚焦) 光晕 。 这种像差的校正是通过使用的具有不同色散特性的材料构成的两个或更多个透镜元件的组合来实现。 一个很好的例子是使用两个表冠和火石玻璃两个独立的元件构成的消色差双合透镜系统。

反射的临界角

光学显微镜的一个重要概念是反思 ,这是一个必要的因素选择是否使用干式或油浸目标在高倍镜下观察样本时要考虑的临界角 。 在穿过高折射率的介质进入折射率低的介质中,所采取的光波的路径是由相对于两种介质之间的边界处的入射角决定的。 如果入射角增大到超过一个特定的值(取决于两种介质的折射率),它达到一个点处的角度是如此之大,没有光被折射到较低折射率的介质中,如示于图9中。 在该图中,个别光线通过红色或黄色的颜色的箭头从较高的折射率(n(2))的介质移动到较低的折射率(n(1))中的一种表示。 发病的每个单独的光线的角度被表示为值,i和折射由变量,R的角度。 四个黄色的光线都有发病(一)足够低,以使他们能够通过两种介质的界面的角度。 然而,两个红色光线具有入射角超过反射(约41度的水和空气的例子)的临界角,并反映任一进入介质或返回到较高的折射率介质之间的边界处。

临界角的现象发生时,折射(图9中角R)的角度变得等于90度和斯涅耳定律简化为

sin(θ) = n(1)/n(2)

其中(θ)现在被称为临界角(表示为变量 c)。 如果具有较低折射率的介质为空气(n = 1.00),公式简化为:

sin c = 1/n(2)

时的临界角被超过一个特定的光波,它表现出的全内反射回介质。 通常较高折射率介质被认为是内部的介质,因为空气中(具有1.0的折射率)是在大多数情况下,周围或外部介质。 试图像试样具有比玻璃盖和物镜前透镜之间的空气介质的其他时这个概念是在光学显微镜尤为关键。 最常见的液浸介质(空气以外)具有折射率等于用于该目的前透镜元件和盖玻片的玻璃是专门的油。

光学设备,从显微镜和望远镜摄像机,电荷耦合器件(CCD),视频投影机,甚至是人的眼睛,依靠在的事实,光可以聚焦,折射和反射的根本途径。 光的折射产生的各种现象,包括海市蜃楼,彩虹,和好奇的错觉比如做鱼似乎在游泳更浅的水比他们真的是。 折射也会造成厚壁啤酒杯,以更充分地显现比它确实是,而且欺骗我们,以为太阳是设置几分钟后比它确实。 数以百万计的人使用折射的力量来纠正视力缺陷与眼镜和隐形眼镜,这使他们看到的世界更清晰。 通过了解光线的这些属性,以及如何控制它们,我们能够看到的细节,是看不见的肉眼,无论它们位于在显微镜载玻片上或在一个遥远的星系。