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判斷顯微鏡物鏡的優(yōu)劣

 顯微鏡光學(xué)系統(tǒng)的主要構(gòu)件是顯微鏡物鏡目鏡,其任務(wù)是放大,并獲得清晰的圖像,市場(chǎng)上顯微鏡物鏡種類(lèi)很多,究竟如何判斷物鏡的優(yōu)劣呢?

一.物鏡的類(lèi)型
顯微鏡物鏡的優(yōu)劣直接影響顯微鏡成象的質(zhì)量,這與象差的校正有關(guān),因此,物鏡是根據(jù)象差校正的程度分類(lèi)的.在第一透鏡成象的象差分晰中已知:對(duì)映象質(zhì)量影響最大的是球面差、色差和象場(chǎng)彎曲,前二項(xiàng)對(duì)映象中央部分的清晰度有很大影響,而彎場(chǎng)彎曲對(duì)攝影邊緣部分有極大影響。

這里,就常用的幾種物鏡特性說(shuō)明如下。

●消色差及平面消色差物鏡
這兩種物鏡球差色差的校僅為黃、綠、二個(gè)波區(qū),仍然存在其他波區(qū)的球差和色差,因而映象不有得到各色彩間的真實(shí)關(guān)系,當(dāng)焦點(diǎn)變動(dòng)時(shí)可以看到殘余的色差。但一般低倍放大時(shí)影響不大。鑒于其黃綠波區(qū)校正較佳,使用時(shí)宜以黃綠光作為照明光源,或在入色、紅色濾光片,以免顯著暴露未校正的色差。

消色左物鏡常與福根目鏡或校正目鏡相配合,用于低倍、中倍放大。因其結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單,映象中央部分象差大致可以校正,價(jià)格又低,故應(yīng)用較多。一般臺(tái)式顯微鏡物鏡多屬此類(lèi)。

平面消色差物鏡對(duì)象場(chǎng)彎曲作了進(jìn)一步校正,因此投象平直,使視域邊緣與中心能同時(shí)清晰成象。所以適于金相顯微鏡攝影。

●復(fù)消色差物鏡及平面復(fù)消色差物鏡
復(fù)消色差物鏡是由多組透鏡組合而成的。色差的校正實(shí)際上等于可風(fēng)光的全部波區(qū),但部分放大率色差仍然存在。當(dāng)其與福根目鏡或其它簡(jiǎn)單組合目鏡配用時(shí),這些殘存的色差會(huì)使映像邊緣略帶色彩。因此,需要與補(bǔ)償型目鏡配合使用。復(fù)消色差物鏡對(duì)于光源無(wú)任何限制,白光照明也可得到良好的效果。若加入藍(lán)色或黃色濾光片效果更佳。它是顯微鏡中最優(yōu)良的一種物鏡。

平面消色差物鏡除進(jìn)一步作象彎曲的校正外,其它象差校正程度與復(fù)消色物鏡相同。使用復(fù)消色差物鏡造象的平坦程度不如消色差物鏡,而平面復(fù)消色段物鏡可使映象清晰、平坦、進(jìn)一步提高成象質(zhì)量。

●半復(fù)消色差物鏡
顯微鏡就象差校正程度而言,半復(fù)消色差物鏡介于消色差與復(fù)消色差物鏡之間,但其它光學(xué)性質(zhì)都與復(fù)消色差物鏡接近。其售價(jià)較低廉,常用來(lái)替代復(fù)消色差物鏡,使用時(shí)最好能與補(bǔ)償型目鏡相配合。

此外,尚有特殊用途的高溫反射物鏡,折反型物鏡、紫外線(xiàn)物鏡等,都在各專(zhuān)用顯微鏡中有專(zhuān)述。

二.顯微鏡物鏡的性質(zhì)

●物鏡的數(shù)值孔徑
顯微鏡物鏡的數(shù)值孔徑表征物鏡的聚光能力,是物鏡的重要性質(zhì)之一,增強(qiáng)物鏡的聚光能力可提高物鏡的鑒別率。
數(shù)值孔徑通常以符號(hào)“N.A.”表示(即Numerical Aperture)。根據(jù)理論的推導(dǎo)得出:
N.A.=n.sinu
式中n──物鏡與觀(guān)察之間介質(zhì)的折射率;
    u──物鏡的孔徑半角

因此,有兩個(gè)提高數(shù)字孔徑的途徑:
●增大透鏡的直徑或減少物鏡的焦距,以增大孔徑半角u。此法因?qū)е孪蟛钤龃蠹爸圃炖щy,實(shí)際上sinu的最大值只能達(dá)到0.95

●增加物鏡與觀(guān)察之間的折射率n。是介質(zhì)對(duì)物鏡數(shù)值孔徑影響示意圖。當(dāng)光線(xiàn)沿光軸方向射向觀(guān)察物時(shí),自物體S處發(fā)出的反射光除沿SO方向反射外,尚有(S1 S1′)(S2,S2′)等衍射光。(a)是以空氣為介質(zhì)(又稱(chēng)干系物鏡)的情況,只有(S1 S1′)內(nèi)的衍射光可以通過(guò)物鏡,(S1 S1′)以外的衍射光如(S2,S2′)均不能通過(guò)物鏡。(b)是物鏡與觀(guān)察之間以松柏油或其它油為介質(zhì)(又稱(chēng)油浸物鏡)時(shí),由于折射率n增加,使衍射光的角度變狹,致使(S2,S2′)甚至(S3,S′3)內(nèi)的衍射光均可通過(guò)物鏡。因而使物鏡通過(guò)盡可能多的衍射光束,利于鑒別組織細(xì)節(jié)。

在相同介質(zhì)中,波長(zhǎng)短的光源將有較大的折射率。同理,也將有較多的衍射光束進(jìn)入物鏡。

一般高倍顯微鏡物鏡常設(shè)計(jì)為油鏡。油鏡是按某一介質(zhì)特別設(shè)計(jì)的,因此應(yīng)按指定介質(zhì)使用。最常用的介質(zhì)是松柏油(n=1.515),其最大數(shù)值孔徑N.A=1.40;用a-壹代溴萘為介質(zhì),n=1.658,最高數(shù)值孔徑可達(dá)1.60。

●物鏡的鑒別率及顯微鏡的有效放大倍數(shù)
顯微鏡物鏡的鑒別率是指物鏡具有將兩個(gè)物點(diǎn)清晰分辨的最大能力,以?xún)蓚€(gè)物點(diǎn)能清晰分辨的最小距離d的倒數(shù)表示。d愈小,表示物鏡的鑒別率愈高。

要明白鑒別率可以有一定的限度,這就要用光通過(guò)透鏡后產(chǎn)生衍射現(xiàn)象來(lái)解釋。物體通過(guò)光學(xué)儀器成象時(shí),每一物點(diǎn)對(duì)應(yīng)有一象點(diǎn),但由于光的衍射,物點(diǎn)的象不再是一個(gè)幾何點(diǎn),而是有一定大小的衍射亮斑??拷膬蓚€(gè)物點(diǎn)所成的象一兩個(gè)亮斑如果互相重疊,則導(dǎo)致這兩個(gè)物點(diǎn)分辨不清,從而限制了光學(xué)系統(tǒng)的分辨本領(lǐng)一分辨率。顯然,象面上衍射圖象中央亮斑半徑愈大,系統(tǒng)的分辨本領(lǐng)愈小。

如何確定物鏡的極限分辨率,這可由物點(diǎn)A1、A2通過(guò)透鏡后的衍射進(jìn)行分析。A1′、A2′為物點(diǎn)A1、A2的衍射圖象,呈同心環(huán)狀。中心的光線(xiàn)強(qiáng)度最大,衍射環(huán)的光強(qiáng)度隨環(huán)直徑的增加而逐漸減弱。

瑞利(Rayleigh)提出一個(gè)推測(cè)(又稱(chēng)瑞利準(zhǔn)則):認(rèn)為當(dāng)A1′衍射花樣的第一極小值正好落在A2′衍射花樣的極大值時(shí),A1、A2是可以分辨的,將此時(shí)定出的兩物點(diǎn)距離A1、A2作為光學(xué)統(tǒng)的分辨極限。θ0稱(chēng)為極限分辨角。不言而喻,當(dāng)θ>θ0時(shí)是完全可分辨的,θ<θ0時(shí)是不可分辨的。

由圓孔衍射理論得到:θ0=1.22λ / D

式中λ──入射光波長(zhǎng);
    D──入射光的最大允許孔徑(透鏡直徑)。
    因?yàn)?theta;0很小,所以由圖2-4得:
                                                              

d′≈θ0=1.22λS / D
    顯微鏡物鏡在設(shè)計(jì)時(shí),總是使它滿(mǎn)足阿貝正弦條件的,即ndsinu=n′d′sinu′

式中n和n′為物、象所在空間的折射率,成象總是在空氣介質(zhì)中,故n′=1;u各u′分別為光線(xiàn)在物、象空間共軛點(diǎn)上的孔徑角;d和d′分別為物點(diǎn)、象點(diǎn)中心斑的間距。

考慮到顯微鏡中入射光并非都是平行光,有傾斜光線(xiàn),對(duì)上式系數(shù)作適當(dāng)?shù)男拚?,所以式中nsinu就是物鏡的數(shù)值孔徑,因此,上式或者寫(xiě):d=0.5λ  /N.A

因此表明:物鏡的數(shù)值孔徑愈大,入射光的波長(zhǎng)愈短,則物鏡的分辨能力愈高。在可見(jiàn)光中,觀(guān)察時(shí)常用黃綠光(λ ≈4400A),則可使分辨能力提高25%左右。

對(duì)于光學(xué)金相顯微鏡,若用藍(lán)色光,采用油浸物鏡,那么物鏡的最大分辨能力約為1600A。

金相顯微鏡的鑒別率最高只能達(dá)到物鏡的鑒別率,故物鏡的鑒別率又可稱(chēng)為顯微鏡的鑒別率。因?yàn)槟跨R是不能進(jìn)一步增大整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)鑒別率的,它最多不過(guò)是用來(lái)保證物鏡鑒別率的充分利用。若想進(jìn)一步提高顯微鏡的鑒別率應(yīng)采用更短波長(zhǎng)的電子波,這就是電子顯微鏡。

在顯微鏡中保證物鏡的鑒別率充分利用時(shí)所對(duì)應(yīng)的顯微鏡的放大倍數(shù),稱(chēng)為顯微鏡的有效放大倍數(shù)。有效放大倍數(shù)可由以下關(guān)系推出:人眼在明視距離(250mm)處的分辨能力為0.15~0.30,因此,需將物鏡鑒別的距離d經(jīng)顯微鏡放大后成0.15~0.30mm方能被人眼分辨。若以M表示顯微鏡的放大倍數(shù),則
d.m=0.15~0.30
M=0.15~0.30 / d=(0.15~0.30)(N.A.) / 0.5λ =0.3~0.6 N.A. / λ

由此可知:顯微鏡的有效放大倍數(shù)由物鏡的數(shù)值孔徑及入射光波長(zhǎng)決定。已知有效放大倍數(shù)就可以正確選擇物鏡和目鏡的配合,以充分發(fā)揮物鏡的鑒別能力而又不致造成虛放大。

例如:選用N.A.=0.65的32×物鏡,當(dāng)λ=5500A時(shí), M有效=(500~1000)N.A.=325~650×

因此,應(yīng)選擇10~20倍的目鏡配用。如果目鏡的倍數(shù)低于10倍,未充分發(fā)揮物鏡的鑒別能力;如果目鏡的倍數(shù)高于20倍,將會(huì)造成虛放大,仍不能顯示物鏡鑒別率的微細(xì)結(jié)構(gòu)。

●垂直鑒別率
垂直鑒別率又稱(chēng)景深,定義為在固定相點(diǎn)的情況下,成象面沿軸向移動(dòng)仍能保持圖象清晰的范圍。表征物鏡對(duì)應(yīng)位于不同平面上目的物細(xì)節(jié)能否清晰成象的一個(gè)性質(zhì),垂直鑒別率的大小由滿(mǎn)意成象的平面的兩個(gè)極限位置(位于聚焦平面之前和之后)間的距離來(lái)量度。

如果人跟分辨能力為0.15~0.30mm,n為目的物所在介質(zhì)的折射率,(N.A.)為物鏡的數(shù)值孔徑,M為顯微鏡的放大倍數(shù),則垂直鑒別率h可由下式求出:
h=n / (N.A.).M ×(0.15~0.30)mm
由上式可知:如果要求較大的垂直鑒別率,最好選用數(shù)值孔徑小的物鏡,或減少孔徑光闌以縮小物鏡的工作孔徑,這樣就不可避免降低了顯微鏡的分辨能力。這兩個(gè)矛盾因素,只能被具體情況決定取舍。

●物鏡的放大率
由第一章顯微鏡放大原理中可知:物鏡的放大率M=△/F物,這表明,在確定了物鏡的焦距(F物)以后,放大率隨顯微鏡的光學(xué)鏡筒長(zhǎng)(△)而變化。只有確定了光學(xué)顯微鏡筒長(zhǎng)△以后,物鏡的放大率才有意義。因此,物鏡的放大率是按設(shè)計(jì)的光學(xué)鏡筒長(zhǎng)來(lái)標(biāo)定的,必須在指定的鏡筒長(zhǎng)度上使用,否則其放大倍數(shù)將改變。

●顯微鏡鏡筒長(zhǎng)度
物鏡的像差是依據(jù)一定位置的映象來(lái)校正的。如是以光學(xué)鏡筒長(zhǎng)為△時(shí)校正的透鏡成象情況:G(綠光)R(紅光)均成象于O′處,沒(méi)有象差:(a)(c)分別為鏡筒短于及長(zhǎng)于原設(shè)計(jì)時(shí)的情況,使象差復(fù)又呈現(xiàn)。因此,物鏡一定要在規(guī)定的機(jī)械鏡筒長(zhǎng)度的距離,對(duì)指定的一套光學(xué)儀器是固定不變的。一般顯微鏡的機(jī)械鏡筒長(zhǎng)度多數(shù)為160mm,170mm,190mm,此外,金相顯微鏡在攝影時(shí),由于放大倍率不同,映象投射距離變動(dòng)成象,物鏡的象差均已校正。

三.顯微鏡物鏡的性能標(biāo)志
物鏡的主要性能已標(biāo)注在物鏡的外殼上,內(nèi)容包括:

●物鏡類(lèi)型
國(guó)產(chǎn)物鏡標(biāo)有物鏡類(lèi)別的漢語(yǔ)拼音字頭,如平面消色差物鏡標(biāo)“PC”

西歐各國(guó)產(chǎn)物鏡多標(biāo)有物鏡類(lèi)別的英文名稱(chēng)或字頭,如平面消色差物鏡標(biāo)以“Plana—pchromatic或PI”,消色差物鏡標(biāo)以“Achromatic”復(fù)消色差物鏡標(biāo)有“Apochromatic”

●放大倍數(shù)
如標(biāo)以15×,20×,32×,40×等分別表示其放大倍數(shù)為15倍,20倍。32倍,40倍。

●顯微鏡數(shù)值孔徑
物鏡數(shù)值孔徑的數(shù)值均有直接標(biāo)注,如0.30,0.65,0.95等分別表示物鏡的數(shù)值孔徑為0.30,0.65,0.95

●適用的機(jī)械鏡筒長(zhǎng)度
如標(biāo)有170mm,190mm,∞/0分別表示物鏡適用的機(jī)械筒長(zhǎng)度為170mm,190mm,無(wú)限長(zhǎng)。

●油浸物鏡
凡油浸物鏡均有特別標(biāo)志,刻以HI,oil,國(guó)產(chǎn)物鏡刻以“油”或漢語(yǔ)拼音字頭“y”。


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