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顯微鏡的結構及基礎知識

2013-10-16  發布者:admin 

顯微鏡的結構及基礎知識

顯微鏡: 顯微鏡是用於放大微小物體使其被人的肉眼能清晰看到的儀器。顯微鏡分光學顯微鏡和電子顯微鏡。

光學顯微鏡是在1590年由荷蘭的楊森父子所首創。現在的光學顯微鏡可把物體放大1600倍,分辨的最小極限達0.2微米。

電子顯微鏡是在1931年在德國柏林由克諾爾和哈羅斯卡首先裝配完成的。這種顯微鏡用高速電子束代替光束。由於電子流的波長比光波短得多,所以電子顯微鏡的放大倍數可達80萬倍,分辨的最小極限達0.2納米。1963年開始使用的掃描電子顯微鏡更可使人看到物體表麵的微小結構。
 
 顯微鏡的發明,使人看到了許多以前從未看到過的生物,如細菌、病毒等,也使人看到了生物的許多微小結構,如線粒體的結構,從而對生物學的發展起著重要的推動作用。顯微鏡是生物學研究的重要儀器之一。在醫學、工農業生產中顯微鏡也有著重要用途,例如在醫學診斷上,可對人血液中的紅細胞進行病理分析並計數等。

 

 

顯微鏡的結構及基礎知識

顯微鏡的放大原理:

 顯微鏡的放大原理:由物鏡將被觀測物體(標本)放大為可以被屏幕接收映射的實像,通過目鏡的轉換,使物鏡成的實像再次放大並讓其成在人眼正常看物體的明視距離處。

人眼看物體的正常距離放大鏡的原理

明視距離:250mm (人眼看物體的正常距離)    放大鏡的原理:人眼觀察到的是放大的虛像

 

 

顯微鏡的結構及基礎知識

顯微鏡的結構:

被觀測物體早期顯微鏡和現代顯微鏡

被觀測物體(標本)-物鏡-光闌-目鏡-人眼       早期顯微鏡-------現代顯微鏡

 

 

顯微鏡的結構及基礎知識

普通顯微鏡主要由3部分構成:

光學放大係統:由物鏡和目鏡組成,是顯微鏡的主體。(為了消除球差和色差,目鏡和物鏡都由複雜的透鏡組構成。)

照明係統:包括光源和聚光鏡。

機械裝置:用於固定材料和使觀察方便。

 

放大率和有效放大率(又稱放大倍數):

物體通過顯微鏡要經過物鏡和目鏡兩次放大,所以顯微鏡總的放大率Γ應該是物鏡放大率β和目鏡放大率Γ1 的乘積: 

 

即 Γ = β Γ1 

 

顯微鏡可以通過調換不同放大率的物鏡和目鏡,能夠方便地改變顯微鏡的放大率。放大率是顯微鏡的重要參數,但也不能盲目相信放大率越高越好。顯微鏡放大倍率的極限即有效放大倍率,被稱為鏡頭的分辨率。 分辨率和放大倍率是兩個不同的但又互有聯係的概念。 當選用的物鏡數值孔徑不夠大,即分辨率不夠高時,顯微鏡不能分清物體的微細結構,此時即使過度地增大放大倍率,得到的也隻能是一個輪廓雖大但細節不清的圖像,稱為無效放大倍率。反之如果分辨率已滿足要求而放大倍率不足,則顯微鏡雖已具備分辨的能力,但因圖像太小而仍然不能被人眼清晰視見。所以為了充分發揮顯微鏡的分辨能力,應使數值孔徑與顯微鏡總放大倍率合理匹配。

 

鏡頭分辨率(有效放大率)

 顯微鏡物象是否清楚不僅決定於放大倍數,還與顯微鏡的分辨力(resolution)有關,分辨力是指顯微鏡(或人的眼睛距目標25cm處)能分辨物體最小間隔的能力,分辨力的大小決定於光的波長和 數值孔徑(又稱:鏡口率)以及介質的折射率,用公式表示為:

顯微鏡的分辨力: R=0.61λ /NA

 NA=nSin α/2 (數值孔徑)

 式中: λ 為成像光線的波長;

 n = 標本和物鏡之間介質折射率;

 α = 鏡口角(標本對物鏡鏡口的張角) ;

 NA = 數值孔徑(Numeric Aperture)。

 鏡口角總是要小於180˚,所以 Sin α /2 的最大值必然小於 

 

 介質的折射率 n

介質

空氣

香柏油

α溴萘

折射率

1

1.33

1.515

1.66

 製作光學鏡頭所用的玻璃折射率為1.65~1.78,所用介質的折射率越接近玻璃的越好。對於幹燥物鏡來說,介質為空氣,數值孔徑一般為0.05~0.95;油鏡頭用香柏油為介質,數值孔徑可接近1.5

顯微鏡的分辨力與放大率的關係式: 500NA<Γ<1000NA 

 

景深: 

景深為聚焦深度的簡稱,即在使用顯微鏡時,當焦點對準某一物體時,不僅位於該點平麵上的各點都可以看清楚,而且在此平麵的上下一定深度內,也能看得清楚,這個清楚部分的深度就是景深。景深大,可以看到被檢物體的深層;而景深小,則隻能看到被檢物體的一薄層。景深與其它技術參數有以下關係: 

1)景深與總放大倍數及物鏡的數值孔徑成反比。 (2)景深增大,分辨率降低。 

 

 顯微鏡的結構及基礎知識

顯微鏡物鏡的基本類型:

a.消色差物鏡(Achromatic objective  這是應用最廣泛的一類顯微物鏡,外殼上常有"Ach"字樣。它校正了軸上點的位置色差(紅,藍二色)、球差(黃綠光)和正弦差,保持了齊明條件。軸外點的象散不超過允許值(4屈光度),二級光譜未校正。 

b.複消色差物鏡(Apochromatic objective) 這類物鏡的結構複雜,透鏡采用了特種玻璃或螢石等材料製作而成,物鏡的外殼上標有"Apo"字樣。它對兩個色光實現了正弦條件,要求嚴格地校正軸上點的位置色差(紅,藍二色)、球差(紅,藍二色)和正弦差,同時要求校正二級光譜(再校正綠光的位置色差)。其倍率色差並不能完全校正,一般須用目鏡補償。

c.平場物鏡(Plan objective 平場物鏡是在物鏡的透鏡係統中增加一快半月形的厚透鏡,以達到校正場曲的缺陷,提高視場邊緣成像質量的目的。平場物鏡的視場平坦,更適用於鏡檢和顯微照相。對於平視場消色差物鏡,其倍率色差不大,不必用特殊目鏡補償。而平視場複消色差物鏡,則必須用目鏡來補償它的倍率色差。

d.特種物鏡 所謂"特種物鏡"是在上述物鏡的基礎上,專門為達到某些特定的觀察效果而設計製造的。主要有以下幾種:相襯物鏡(Phase-contrast objective),熒光物鏡(Fluorescenceobjective),偏光無應力物鏡(Polarizeobjective,帶校正環物鏡(Correction collar objective)等。

還有按顯微鏡結構分類的: 1)按顯微鏡鏡筒長:透射光用160mm鏡筒,帶0.17mm厚或更厚的蓋玻片;反射光用190mm鏡筒,不帶蓋玻片;透射光與反射光用鏡筒,筒長無限大。(2)按浸法特征:非浸式(幹式)、浸式(油浸、水浸、甘油浸及其它浸法)。 (3)按光學裝置:透射式、反射式以及折反射式。

 

光學顯微鏡成像光波:

光學顯微鏡的成像研究和設計,是以人眼可見光光線(人們常說的:可見光)的物理現象為基礎進行的。可見光的波長為400~700nm,因此 光學顯微鏡分辨力數值不會小於0.2μm。人眼的分辨力是0.2mm,所以一般光學顯微鏡設計的最大光學放大倍數通常為1000X

 

 

顯微鏡的結構及基礎知識

電子顯微鏡成像機理:

光學顯微鏡的分辨力受可見光波長的限製,質量較好的光學顯微鏡的分辨極限約為0.2μm。小於光波波長的物體因衍射而不能成像。為了觀察到更細微的物體和結構,科學家采用更短波長的電子射線來代替光波,設計出了電子顯微鏡。電子微粒高速運動時,其行為類似光波的傳播過程。運動電子的電子波波長隨其速度而定,給其增壓達到50萬伏時,電子波波長約為0.001nm,即電子射線的波長約為可見光的十萬分之一。其分辨力的極限約為,其放大倍數比最高級的光學顯微鏡要高很多級。以電子射線為成像光源的顯微鏡稱為電子顯微鏡。 



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