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        1. 光學顯微鏡基本知識

          發布時間:2024-04-14
          光學顯微鏡在過去半個多世紀以來一直是生命科學和材料科學的標準工具。為了經濟有效地使用此工具,它對了解光學的基礎知識尤其有幫助,尤其是對于每個顯微鏡的組成部分而言。
          鏡片和鏡子諸如顯微鏡,望遠鏡和雙筒望遠鏡的光學儀器使用光學元件來產生物體的圖像。用于成像物體的兩個見的元素是凸透鏡和凹透鏡。
          圖1-2:凸透鏡(左),凹透鏡(右)
          鏡頭在光學顯微鏡中更為常見。因此,在接下來的基本顯微鏡功能探索中,我們將專注于鏡頭。凹透鏡用于反射望遠鏡的成像。凹透鏡通常也用于照明,例如汽車應用中的前燈。
          通過鏡頭成像在探討這種鏡片的工作原理之前,必須弄清鏡片的關鍵術語和定義。曾經(誤用)放大鏡作為燃燒玻璃的每個人都發現,當鏡頭對準太陽時會產生“熱點”。這就是聯絡點。從鏡頭中心到該焦點的距離稱為焦距。
          當用不同類型的凸透鏡再現該實驗時,人們會發現焦距主要取決于透鏡的曲率。實際上,較小的曲率半徑導致較短的焦距。將會發現另一個事實:大直徑的鏡片比小直徑的鏡片更“有效”?;谶@個結論,我們已經定義了鏡頭的兩個重要的基準數據:焦距和光圈(直徑)。
          為了簡化透鏡直徑的處理,通常相對于焦距來表示。在顯微鏡領域,該參數稱為光圈(也稱為數值光圈na)。數值孔徑定義為na = n sinα,其中n是填充物體和透鏡之間空間的介質的折射率,α是可以進入透鏡的大光錐的半角(圖3)。 )。攝影師通過物鏡的f值定義物鏡的光圈。這被定義為焦距與透鏡直徑的比率(n = f / d)(圖4)。與na值相反,較小的f值表示較大的孔徑。
          圖3:顯微鏡鏡頭光圈的定義
          圖4:攝影鏡頭光圈的定義
          再說一次:是什么使物體的圖像有時比物體小,有時比物體大?答案是:在給定的焦距下,相對距離決定了尺寸!
          在討論圖像生成時,有一個重要的細節需要考慮:每個鏡頭都嚴格地關聯了兩個“關鍵點”:焦點(鏡頭前一個和鏡頭后一個)。
          以下示例描述了鏡頭形成的圖像的典型情況:1.物體與鏡頭有無限距離
          在這種情況下,假定從物體到透鏡的平行光線。它們在鏡頭中重新定向,以在后焦點平面內相遇并在焦點平面內生成圖像。
          圖5:無限距離處的物體
          2.物體位于相對較大的距離處(例如,焦距的100倍)
          這種情況下產生的圖像小于對象(約為原始對象大小的100 倍)。
          圖6:遠距離物體
          3.物體位于鏡頭前焦距的兩倍處。
          該位置創建的對象圖像大小與對象本身相同(復制比例為1:1)。圖像位于距鏡頭后側焦距兩倍的位置。順便說一下,這是您從物體到圖像的短總距離。
          圖7:位于焦平面兩倍處的物體
          4.物體位于焦點的前面,但在焦距的兩倍范圍內。
          在這些條件下,將生成大于對象的圖像。
          圖8:單焦平面和雙焦平面之間的物體
          5.物體位于鏡頭的焦點上。
          在這種情況下,將生成一個虛擬圖像,而不是真實的圖像。光線將以平行方式離開鏡頭。除非我們使用符合情況1的條件的其他光學系統(例如,眼睛),否則無法找到圖像。
          圖9:焦平面中的物體
          為了簡化對基本光學原理的理解,簡化了以上描述和圖示。實際上,幾乎所有成像元件都包含一個以上的鏡頭。上面的附圖將光學元件展示為理想的“薄透鏡”。在探索了單步成像的這些標準情況之后,我們現在將這些發現應用于兩步光學儀器:復式顯微鏡。
          復式顯微鏡光學顯微鏡分兩步放大對象。在這兩個步驟中,都使用了像凸透鏡一樣起作用的光學系統。在上述兩種情況下使用了兩個組件:
          步是將對象放置在單焦點和雙焦點之間。結果是放大的真實圖像。這種顯微鏡鏡頭(實際上是由多個鏡頭組成的光學系統)稱為物鏡。
          然后,使用第二個鏡頭精確地在其前焦點上拾取該圖像。結果,我們生成一束平行光線,但不是真實圖像。該光學元件稱為目鏡。人眼能夠處理此平行光束并在其視網膜上生成圖像。
          后,這是顯微鏡可以期望的:可以放大的物體觀察到的細節,而肉眼無法察覺。
          實用提示:眼睛必須放在顯微鏡上方一小段距離。從技術上講,我們眼睛的瞳孔必須與顯微鏡的出瞳位于同一位置。當增加顯微鏡照明的光強度時,可以容易地看到該出瞳。它是目鏡上方可見的明亮窄點。
          當使用雙目鏡筒兩只眼睛觀看時,正確的定位變得尤為重要。必須正確調整兩個目鏡之間的距離,以匹配眼睛的距離。
          圖10:復式顯微鏡,示意圖
          我們如何拍攝顯微圖像?由于光學顯微鏡的常規輸出是平行光線,因此必須首先生成真實圖像。幸運的是,標準的緊湊型數碼相機像我們的眼睛一樣包括一個鏡頭(稱為物鏡)。該鏡頭可以應付很遠距離的物體。攝影師稱此距離為“無限”。換句話說:來自這些物體的光線以平行的方式到達我們。
          將緊湊型相機放在顯微鏡目鏡后面時,我們可以通過顯微鏡拍照。為了避免沮喪:這種組合所獲得的結果非常有限。這是因為緊湊型相機的光學設計沒有考慮顯微鏡。幾個尺寸(直徑,距離)限制了實際使用。因此,為光學顯微鏡的特殊條件設計的數碼相機可用于不同的應用。
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