顯微鏡的成像原理

眾所周知，放大鏡是最簡(jiǎn)單的一種光學(xué)儀器， 它實(shí)際上是一塊會(huì)聚透鏡（凸透鏡），利用它可以將物體放大。其成像光學(xué)原理如圖1-1所示。

當(dāng)物體AB置于透鏡焦距f以外時(shí)，得到倒立的放大實(shí)像A′B′（如圖2-1（a）），它的位置在2 倍焦距以外。若將物體AB放在透鏡焦距內(nèi)，就可看到一個(gè)放大正立的虛象A′B′（如圖2-1（b））。影像的長(zhǎng)度與物體長(zhǎng)度之比（A′B′/AB）就是放大鏡的放大倍數(shù)（放大率）。若放大鏡到物體之間的距離a近似等于透鏡的焦距（a≈f），而放大鏡到像間的距離b近似相當(dāng)于人眼明視距離（250mm），則放大鏡的放大倍數(shù)為：N=b/a=250/f。

 （a）實(shí)像放大 （b）虛像放大

圖2-1 放大鏡光學(xué)原理圖

由上式知，透鏡的焦距越短，放大鏡的放大倍數(shù)越大。一般采用的放大鏡焦距在10～100mm范圍內(nèi)，因而放大倍數(shù)在2.5～25倍之間。進(jìn)一步提高放大倍數(shù)，將會(huì)由于透鏡焦距縮短和表面曲率過(guò)分增大而使形成的影像變得模糊不清。為了得到更高的放大倍數(shù)，就要采用顯微鏡，顯微鏡可以使放大倍數(shù)達(dá)到1500～2000倍。

顯微鏡不象放大鏡那樣由單個(gè)透鏡組成，而是由兩級(jí)特定透鏡所組成。靠近被觀察物體的透鏡叫做物鏡，而靠近眼睛的透鏡叫做目鏡。借助物鏡與目鏡的兩次放大，就能將物體放大到很高的倍數(shù)。圖2-2所示是在顯微鏡中得到放大物像的光學(xué)原理圖。

圖2-2 顯微鏡光學(xué)原理圖

被觀察的物體AB放在物鏡之前距其焦距略遠(yuǎn)一些的位置，由物體反射的光線穿過(guò)物鏡，經(jīng)折射后得到一個(gè)放大的倒立實(shí)象，目鏡再將實(shí)像放大成倒立虛像，這就是我們?cè)陲@微鏡下研究實(shí)物時(shí)所觀察到的經(jīng)過(guò)二次放大后的物像。

在設(shè)計(jì)顯微鏡時(shí)，讓物鏡放大后形成的實(shí)像位于目鏡的焦距f目之內(nèi)，并使最終的倒立虛像在距眼睛250mm處成像，這時(shí)觀察者看得最清晰。

三、透鏡的像差

透鏡成像規(guī)律是依據(jù)近軸光線得出的結(jié)論。

【近軸光線】是指與光軸接近平行（即夾角很小）的光線。

【像差】實(shí)際成像與理想成像之間的偏離。像差的存在影響象的清晰度、物和象之間的相似性、降低了光學(xué)儀器的精確性。

按像差產(chǎn)生原因可分為兩類：一類是單色光成像時(shí)的像差，叫做單色像差。如球差、慧差、像散、像場(chǎng)彎曲和畸變均屬單色像差；另一類是多色光成像時(shí)，由于介質(zhì)折射率隨光的波長(zhǎng)不同而引起的像差，叫做色差。色差又可分為位置色差和放大率色差。

1.球差

透鏡成像的主要缺陷就是球面差和色差（波長(zhǎng)差）。球面差是指由于球面透鏡的中心部分和邊緣部分的厚度不同，造成不同折射現(xiàn)象，致使來(lái)自于試樣表面同一點(diǎn)上的光線經(jīng)折射后不能聚集于一點(diǎn)（圖2-3），因此使影像模糊不清。球面像差的程度與光通過(guò)透鏡的面積有關(guān)。光圈放得越大，光線通過(guò)透鏡的面積越大，球面像差就越嚴(yán)重；反之，縮小光圈，限制邊緣光線射入，使用通過(guò)透鏡中心部分的光線，可減小球面像差。但光圈太小，也會(huì)影響成像的清晰度。色差的產(chǎn)生是由于白光中各種不同波長(zhǎng)的光線在穿過(guò)透鏡時(shí)折射率不同，其中紫色光線的波長(zhǎng)最短，折射率最大，在距透鏡最近處成像；紅色光線的波長(zhǎng)最長(zhǎng)，折射率最小，在距透鏡最遠(yuǎn)處成像；其余的黃、綠、藍(lán)等光線則在它們之間成像。這些光線所成的像不能集中于一點(diǎn)，而呈現(xiàn)帶有彩色邊緣的光環(huán)。色差的存在也會(huì)降低透鏡成像的清晰度，也應(yīng)予以校正。通常采用單色光源（或加濾光片），也可使用復(fù)合透鏡。如圖2-3所示。

（a）球面像差（b）色差

圖2-3 透鏡產(chǎn)生像差的示意圖

2.場(chǎng)曲

垂直于透鏡光軸的物體經(jīng)過(guò)透鏡折射后，每一物點(diǎn)均能得到一個(gè)像點(diǎn)，但全部像點(diǎn)不在一個(gè)平面上，即最清晰的像呈現(xiàn)在一個(gè)曲面上，這種像差稱為場(chǎng)曲。

3.畸變

影響像與物幾何相似性的像差稱為畸變。畸變也是由于光束的傾斜度較大而引起的，造成透鏡近軸部分的放大率與邊緣部分放大率不一致。

顯微鏡的物鏡和目鏡

一、物鏡

（一）物鏡的類型

1.消色差及平場(chǎng)消色差物鏡

消色差物鏡限于校正黃綠光范圍的球差，校正紅綠光范圍的色差。

平場(chǎng)消色差物鏡對(duì)場(chǎng)曲和象散作進(jìn)一步校正。

2.復(fù)消色差及平面復(fù)消色差物鏡

復(fù)消色差物鏡的軸向色差在紅、綠、紫三個(gè)光區(qū)內(nèi)均已校正。球差校正的范圍為綠光、紫光區(qū)，存在部分的垂軸色差。

平場(chǎng)復(fù)消色差物鏡具有復(fù)消色差物鏡的優(yōu)點(diǎn)、場(chǎng)曲也得到進(jìn)一步校正。

3.半復(fù)消色差物鏡

（二）物鏡的構(gòu)造

各種透鏡固定在金屬圓筒內(nèi)的復(fù)式透鏡組。

（三）物鏡的性能

物鏡質(zhì)量?jī)?yōu)劣與像差校正程度有關(guān)。

1.數(shù)值孔徑

數(shù)值孔徑表征物鏡的聚光能力，嚴(yán)重影響顯微鏡的分辨力。

①介質(zhì)的折射率n增大，NA變大。常用油作為介質(zhì)。

②增大α，NA變大。措施有：增加透鏡的直徑，但是給像差的校正帶來(lái)困難；縮短物鏡的焦距，這是目前常用的方法。實(shí)際上α最大不能大于70°。

2.分辨能力

用能分辨兩點(diǎn)間最小距離d的倒數(shù)1/d表示。

此外，實(shí)際上衍射現(xiàn)象限制了物鏡的分辨能力。

成像時(shí)，目鏡進(jìn)一步對(duì)物鏡的像放大，但不能提高分辨力。因此，顯微鏡的分辨力主要決定于物鏡的分辨能力。

3.放大倍數(shù)

→M有效=500～1000NA。

4.景深

【景深】對(duì)高低不平的物體的能清晰成像的能力。

景深一般是以物體能同時(shí)清晰成像時(shí)最高點(diǎn)到最低點(diǎn)之間的距離。

（四）物鏡的工作距離

指第一個(gè)物鏡晶片到被觀察物體之間的軸向距離。

一般高倍物鏡的工作距離只有0.2～0.3mm。為此在物鏡內(nèi)裝有彈簧起緩沖作退讓作用。

（五）物鏡的標(biāo)志

1.物鏡類型

消色差物鏡一般不標(biāo)符號(hào)。例如

復(fù)消色差物鏡——“FS”；平場(chǎng)消色差物鏡——“PC”；平場(chǎng)半復(fù)消色差物鏡——“PF”。

2.放大倍數(shù)

放大倍數(shù)用數(shù)字和符號(hào)表示，有時(shí)省去符號(hào)，如40×。有時(shí)物鏡把焦距刻在外殼上。

3.數(shù)值孔徑

直接標(biāo)在外殼上，往往略去“NA”符號(hào)。

放大倍數(shù)和數(shù)值孔徑聯(lián)合標(biāo)識(shí)，如40×/0.65。

4.機(jī)械鏡筒長(zhǎng)

長(zhǎng)度不同的物鏡不能互換。

5.蓋玻片厚度

6.介質(zhì)符號(hào)

 

二、目鏡

可起放大、校正像差作用。

（一）惠更斯目鏡圖

特點(diǎn)：

1.不能單獨(dú)作為放大鏡使用，又稱負(fù)型目鏡。

2.結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，未校正像差。

（二）補(bǔ)償目鏡圖

特點(diǎn)：

1.可以單獨(dú)作為放大鏡使用，又稱正型目鏡。

2.具有“色過(guò)正”特性，即過(guò)度地校正了垂軸色差，適合于平場(chǎng)消色差物鏡、平場(chǎng)復(fù)消色差物鏡。

3.像差校正較好。

（三）攝影目鏡圖

特點(diǎn)類似于補(bǔ)償目鏡，還能在規(guī)定的放大倍數(shù)范圍內(nèi)，可得到足夠平坦的像面。

（四）測(cè)微目鏡

1.固定式測(cè)微目鏡

相似于負(fù)型目鏡，在目鏡的光闌處加入一片有刻度的分劃板。

2.游動(dòng)式測(cè)微目鏡

目鏡上裝有固定的刻度玻璃外，還有一塊可以移動(dòng)的玻璃片。

顯微鏡的照明系統(tǒng)

調(diào)整光束、改變采光方式、完成光線行程的轉(zhuǎn)換。

一、光源及其使用方法

（一）光源

要求：足夠的發(fā)光強(qiáng)度，并可調(diào)；發(fā)光均勻；發(fā)熱小；光源位置可調(diào)；光源壽命長(zhǎng)、成本低等。

1.低壓鎢絲燈（白熾燈）

特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、發(fā)光面積小、光強(qiáng)度高而且均勻，但是發(fā)光效率低（10%）、亮度低、壽命短等。

2.鹵鎢燈

特點(diǎn)：發(fā)光效率高，體積小，亮度高。

3.氙燈

特點(diǎn)：發(fā)光效率高，體積小，發(fā)光穩(wěn)定，光強(qiáng)度大等。

（二）光源使用方法

1.科勒照明

2.臨界照明

二、垂直照明器及照明方式

【垂直照明器】借助一套專門的裝置，將金相顯微鏡的側(cè)向光線垂直轉(zhuǎn)向的裝置。有平面玻璃反射鏡、全反射棱鏡、暗場(chǎng)用環(huán)形反射鏡。

照明方式有明場(chǎng)照明、暗場(chǎng)照明。

（一）明場(chǎng)照明

光路：光源物鏡→試樣表面→反射光→物鏡。

這樣試樣表面平坦部分在視場(chǎng)中明亮，而凹陷部位在視場(chǎng)中呈現(xiàn)黑色。

1.垂直光照明

最基本的照明法。照明時(shí)，光線均勻垂直射在試樣表面，被浸濕后的式樣凹凸處無(wú)陰影產(chǎn)生，得到清晰平坦的圖像。

光路：水平光線→45°平面鏡→垂直射到物鏡→試樣→反射光經(jīng)物鏡成像→平面鏡→目鏡。

特點(diǎn)：

（1）光線強(qiáng)度損失較大。普通的損失率高達(dá)90%，若涂一層硫化鋅、硫化銀高反射系數(shù)鍍層，制成半反射半透射的反射鏡，可減少損失。

（2）圖像亮度低，襯度低，缺乏立體感。

（3）光線充滿物鏡，使得圖像的分辨力提高。

2.斜射照明

照明光線與顯微鏡體的光軸至少傾斜30°。

特點(diǎn)：提高分辨力，可呈現(xiàn)跟多顯微組織細(xì)節(jié)，并使試樣表面凸出部分產(chǎn)生陰影，增加了影像襯度和立體感。

（1）調(diào)節(jié)孔徑光闌中心位置

調(diào)整孔徑光闌→偏離光軸中心→物鏡→斜射光射在試樣表面。

注意：光闌偏移量和斜射光角度，否則出現(xiàn)浮雕圖像而失真。

（2）棱鏡反射照明

在垂直照明器內(nèi)將棱鏡作為折光元件。

特點(diǎn)：

光損失極少，鏡筒內(nèi)炫光少，圖像亮度大，襯度高。但是棱鏡擋住了物鏡孔徑的一半，使得有效值孔徑減小，分辨能力下降。適合低放大倍數(shù)下使用。

（二）暗場(chǎng)照明

1.原理

照明光束從物鏡周邊以很大的角度投射到試樣表面。這樣，試樣拋光部分的光線不會(huì)進(jìn)入視場(chǎng)，而被腐蝕的組織凹陷部分的一部分光線能進(jìn)入視場(chǎng)成像。于是試樣的組織便以明亮的物象呈現(xiàn)在暗黑的視場(chǎng)內(nèi)，故為暗場(chǎng)照明。

2.特點(diǎn)和應(yīng)用

（1）物鏡有效數(shù)值孔徑增加，提高了物鏡的分辨力。可以觀察到超微粒子。

（2）減輕了光線多次通過(guò)物鏡界面引起的反射和炫光，提高了襯度。

（3）能觀察非金屬夾雜物的透明度及其固有色彩，有利于鑒別非金屬夾雜物。

3.暗場(chǎng)照明的調(diào)節(jié)使用

在明場(chǎng)照明下觀察試樣組織后，按下列步驟進(jìn)行暗場(chǎng)觀察。

（1）將暗場(chǎng)反射聚光鏡安裝在物鏡座上，將環(huán)形光闌插入光程中，推入環(huán)形反射鏡。

（2）調(diào)節(jié)暗場(chǎng)反射聚光使其焦點(diǎn)剛好在試樣表面。

（3）在暗場(chǎng)觀察時(shí)，將孔徑光闌開大作為視場(chǎng)光闌。調(diào)節(jié)視場(chǎng)光闌，以控制環(huán)狀光束的粗細(xì)。

（4）進(jìn)行調(diào)焦操作使像清晰。

三、顯微鏡的光學(xué)行程圖

1.直立式（正置式）

要求：試樣表面與載物臺(tái)平行；試樣不能太大。

2.倒立式

要求：試樣不能過(guò)重。

四、光闌

作用：①改善光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量。②決定通過(guò)系統(tǒng)的光通量。③攔截系統(tǒng)中有害的雜散光等。

1.孔徑光闌

位于光源聚光鏡之后，用來(lái)控制物鏡孔徑角。

孔徑光闌↓→孔徑角↓→景深↑，消除寬光束單色像差，提高襯度；分辨力↓。

孔徑光闌調(diào)節(jié)時(shí)，視野內(nèi)的亮度也會(huì)發(fā)生變化，但這不是目的。調(diào)整亮度應(yīng)采用更換光源或調(diào)節(jié)光源電壓等措施。

2.視場(chǎng)光闌

限制光學(xué)系統(tǒng)成像范圍的光闌稱為視場(chǎng)光闌。應(yīng)調(diào)整到目鏡觀察到的視場(chǎng)不再增大為止。

五、濾色片

1.增加多相合金組織在金相照片（黑白）上的襯度。

2.有助于鑒別帶有色彩組織的微細(xì)部分。

3.校正消色差物鏡的殘余色差。

4.提高物鏡的分辨能力。

 

顯微鏡的機(jī)械系統(tǒng)

顯微鏡的機(jī)械系統(tǒng)主要包括以下幾個(gè)部分：

1.底座、鏡臂、托架

2.載物臺(tái)

3.鏡筒

4.調(diào)焦機(jī)構(gòu)

顯微鏡的調(diào)整與使用

一、光源的調(diào)整

1.照明均勻性——光源燈絲的位置不在光軸上，使聚光后的光束不對(duì)稱。

2.視場(chǎng)亮度——光源發(fā)出的光線經(jīng)聚光后不落在孔徑光闌的平面上。

調(diào)整：

1.調(diào)整光源使之位于光軸上——把孔徑光闌開大，將一小張圖紙或毛玻璃片放在孔徑光闌處，徑向調(diào)整光源，觀察光闌，將燈絲影像調(diào)到光闌中心。

2.調(diào)整亮度——調(diào)節(jié)燈絲的軸向位置，使燈絲影像調(diào)到最小，即燈絲在孔徑光闌中心聚焦。

二、測(cè)微目鏡的校正

原因：鏡頭的實(shí)際放大倍數(shù)與公稱放大倍數(shù)不一致。

校正方法：

將物鏡測(cè)微尺放在載物臺(tái)上→調(diào)焦使測(cè)微尺的第n格與測(cè)微目鏡的m格對(duì)齊→則目鏡中每一小格的實(shí)際長(zhǎng)度為

三、載物臺(tái)機(jī)械中心的調(diào)整

要求載物臺(tái)的機(jī)械中心與光學(xué)系統(tǒng)的主光軸同心。移動(dòng)載物臺(tái)，使測(cè)微目鏡中的十字線與刻度尺的十字線重合、直到中心重合或調(diào)到很小的同心圓為止。

四、顯微鏡的調(diào)焦

利用粗調(diào)和細(xì)調(diào)手輪，將載物臺(tái)上的式樣與物鏡之間調(diào)整到合適的距離，獲得清晰圖像。

1.先用低倍作概略觀察，再換作高倍研究細(xì)節(jié)。2.消色差物鏡調(diào)焦時(shí)應(yīng)以中心清晰為準(zhǔn)。

五、油浸系物鏡的使用

凡物鏡前透鏡與試樣間的介質(zhì)為液體的物鏡，稱為液浸系物鏡。

油浸系物鏡的數(shù)值孔徑大、放大倍數(shù)也高，而工作距離很小

金相顯微鏡的維護(hù)保養(yǎng)

一、光學(xué)零件的維護(hù)和保養(yǎng)

1.生霉和起霧

生霉：鏡頭表面呈現(xiàn)出蜘蛛絲狀物質(zhì)

霧：鏡頭表面出現(xiàn)微小露水狀的一層物質(zhì)

防止：放在干燥、通風(fēng)處。鏡頭用完放入干燥器內(nèi)

2.脫膠

原因：外界溫度巨變，膠層與玻璃膨脹系數(shù)不同、受到較大振動(dòng)與沖擊或有機(jī)液體浸入膠層。

3.劃傷、裂紋和破損

光學(xué)零件表面，為了提高其光學(xué)性質(zhì)，常涂鍍上一層不同性質(zhì)的薄膜，維護(hù)和擦拭時(shí)容易脫落