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奥林巴斯显微镜,光的衍射原理

2014-03-02  发布者:admin 

 我们认为经典的光一如既往行驶在直线的,但是当光波经过近一个障碍,他们往往会弯曲周围的屏障,成为传播出去。 当光波经过的一个角落里,或通过开口或缝隙,它是物理上的近似大小,或者比光的波长更小的光发生衍射。

衍射的一个非常简单的演示可以牵着你的手在光源的前方,慢慢地关闭两个手指同时观察它们之间传输的光进行。 当手指接近对方,并提出非常接近,你开始看到一系列平行于手指暗线。 平行线实际上是衍射图案。当灯是“弯曲”周围的颗粒是大小为光的波长相同的顺序上,也可能发生这种现象。 这方面的一个很好的例子是阳光被云层,我们经常提及的一线希望 ,如图1所示,与一个美丽的夕阳在大海的衍射。

我们经常可以观察到蓝色,粉红色,紫色和绿色在生成时,光线从水滴在云衍射云柔和的色调。 衍射的量依赖于光的波长,具有更短的波长被衍射以比长的更大的角度(实际上,蓝色和紫色光被衍射以较高的角度比红光)。 由于光波穿越大气遇到水的液滴,如下图所示,首先折射的水空中接口,那么它会反映为它再次遇到界面。 光束,还是行驶在水滴内,再次折射,因为它射到界面为三分之一时间。 这与最后一个界面相互作用折射的光返回到大气中,但它也衍射如下所示的光的一部分。 此衍射元件导致这种现象称为切利尼的光环 (又称Heiligenschein影响 ),其中光的亮环围绕着观察者的头部的阴影。

条款衍射散射往往可互换使用,且被认为是几乎同义的。 衍射描述的光散射一个专门情况,其中一个对象与有规律重复的功能(例如衍射光栅)产生光的衍射图案的有序衍射。 在现实世界中最对象是非常复杂的形状,并应考虑的许多个别衍射特征可以共同产生一个随机散射光组成。

其中一个经典的和最基本的概念,涉及衍射是单缝衍射光学实验,首先在十九世纪初进行。 当光波传播通过的狭缝(或孔),结果将依赖于相对于入射光束的波长的孔的物理尺寸。 这一点在图3假设从点源S,类似于将由一个产生光发射的相干的,单色波激光 ,穿过孔径d,而衍射,与主入射光束着陆在点P与第一在 Q存在的次最大值。

如该图所示的左侧,在波长(λ)比孔宽度(d)小得多,波简单地向前行进在一条直线上,就如同将好像它是一个粒子或无孔被目前。 然而,当波长大于所述孔的大小,我们遇到根据等式的光的衍射

sinθ = λ/d

其中θ是入射中央传播方向和第一最小的衍射图案之间的夹角。 该实验产生是由二次最大值在两侧明亮的中央最大值,每个成功的次极大减少从中心的距离增加强度。 图4说明了光束强度与衍射半径的情节了这一点。注意,次最大值之间发生的最小值位于π的整数倍。

这个实验最早是由奥古斯丁菲涅尔谁,以及托马斯·杨,产生了重要的证据证实了光的传播的波解释。 从上面的图中,我们看到一个相干的,单色的光(在本例中, 激光照明)从 L发射的光被孔径ð衍射。 菲涅尔假设第一阶最大值在点Q(定义为εQ)的振幅会由下式给出

dεQ = α(A/r)f(χ)d

其中A是入射波的振幅,rd和q之间的距离,和f(χ)χ的函数,由菲涅耳引入倾斜因子。

光的衍射限制任何光学仪器分辨能力起着至关重要的作用(例如:相机,望远镜,望远镜,显微镜,和眼睛)。 分辨能力是光学仪器的生产,两个相邻点独立的图像的能力。 这通常是通过在仪器上的透镜和反射镜的质量和周围介质(通常是空气)的性质决定的。 光的波动性强制极限所有光学仪器的分辨能力。

我们的衍射的讨论已经使用了一个缝隙,通过它的光被衍射光圈。 然而,所有的光学仪器有圆孔,例如眼或显微镜的圆形光圈和镜头的瞳孔。 圆形的孔产生的衍射图案类似上述的那些,除了图案自然呈现圆形对称。的衍射图案由一个圆孔径产生的数学分析中描述的公式

sinθ(1) = 1.22(λ/d)

其中,θ(1)是一阶衍射最小值(第一暗环)的角位置,λ是入射光的波长,d是孔的直径,并且1.22为常数。 在大多数情况下,角度θ(1)非常小,所以近似,角度的sin和棕褐色几乎是相等的收益率

θ(1) ≅ 1.22(λ/d)

从这些方程中很明显的,在中央的最大成正比λ/ D使这个最大更加散开为较长的波长和更小的孔。 衍射的二次mimina设置限制,以在光学显微镜的物镜的放大率有用,由于光通过这些镜头固有衍射。 不管如何完善该透镜可以是由透镜产生的光的点光源的图像是伴随着二次和更高阶的最大值。 这可以仅消除该镜片是否有一个无限的直径。 分开的距离小于θ两个对象(1)不能得到解决,无论多么高放大倍率的动力。 虽然这些方程,推导出用于从孔径光无限远处的点光源的像,这是当d被代入物镜的直径的显微镜的分辨能力的合理近似。

因此,如果两个对象驻留在一个距离 D相互分开,并在从观察者的距离为L时,它们之间的角度(以弧度表示)为

θ = D / L

这使我们能够凝结的最后两个方程来产率

D(0) = 1.22(λL/d)

其中D(0),使他们能够得到解决对象之间的最小间距。 使用此公式中,人眼能解决由0.056毫米的距离隔开的物体,但在视网膜的光感受器不太够靠近在一起,以允许这种程度的分辨率,和0.1毫米是在正常情况下更逼真的数字。

光学显微镜的分辨能力是由若干因素,包括所讨论的那些确定的,但在最理想的情况下,这个数目是约0.2微米。 这个数目必须考虑到显微镜的光学对准,透镜的质量,以及光的用于图像样本的主要波长的光。 虽然它往往是没有必要计算每个目标的精确分辨能力(并会在大多数情况下是浪费时间),了解的显微镜镜头的能力,也适用于现实世界中是很重要的。