2011年11月21日 星期一

顯微鏡物鏡的基礎知識

1、物鏡的主要參數
(1)放大率β
(2)數值孔徑NA
(3)機械筒長L:在顯微鏡中,物鏡支承面到目鏡支承面之間的距離稱為機械筒長。對於一台顯微鏡來說,機械筒長是固定的。我國規定機械筒長是160毫米。
(4)蓋玻片厚度d
(5)工作距離WD
這些參數,大多刻在物鏡筒上。
有一種所謂筒長無限的顯微物鏡,這種物鏡的後方一般帶有輔助物鏡(也叫補償物鏡或鏡筒物鏡),被觀察物體位於物鏡前焦點上,經過物鏡以後,成像在無限遠,再經過輔助物鏡成像在輔助物鏡的焦平面上。在物鏡和輔助物鏡之間是平行光,所以中間距離比較自由一些,可以加入棱鏡等光學元件。
2、物鏡的基本類型
(1)按顯微鏡鏡筒長度(以mm計):透射光用160鏡筒,帶0.17mm厚或更厚的蓋玻片;反射光用190鏡筒,不帶蓋玻片;透射光與反射光用鏡筒,筒長無限大。
(2)按浸法特徵:非浸式(乾式)、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。
(4)按數值孔徑和放大倍數:低倍(NA≤0.2與β≤10X),中倍(NA≤0.65與β≤40X),高倍(NA>0.65與β>40X)。
(5)按校正像差的情況不同,通常分為消色差物鏡,半复消色差物鏡,复消色差物鏡,平視場消色差物鏡,平視場复消色差物鏡和單色物鏡。
a、消色差物鏡
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屬光度),二級光譜未校正。
數值孔徑為0.1~0.15的低倍消色差物鏡一般由兩片透鏡膠合在一起的雙膠物鏡構成。數值孔徑至0.2的消色差物鏡由兩組雙膠透鏡構成。當數值孔徑增大到0.3時,再加入一平凸透鏡,該平凸透鏡決定著物鏡的焦距,而其它透鏡則補償由其平面與球面產生的像差。高倍物鏡的平面像差可用浸法消除。高倍消色差物鏡一般均為浸式,由四部分構成:前片透鏡、新月形透鏡及兩個雙膠透鏡組。
b、复消色差物鏡
這類物鏡的結構複雜,透鏡採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。
由於對各種像差的校正極為完善,比響應倍率的消色差物鏡有更大的數值孔徑,這樣不僅分辨率高,象質量優而且也有更高的有效放大率。因此,复消色差物鏡的性能很高,適用於高級研究鏡檢和顯微照相。
c、半复消色差物鏡半复消色差物鏡又稱氟石物鏡,物鏡的外殼上標有"FL"字樣。在結構上透鏡的數目比消色差物鏡多,比复消色差物鏡少,成像質量上,遠較消色差物鏡為好,接近於復消色差物鏡。d、平視場物鏡平場物鏡是在物鏡的透鏡系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。而平視場复消色差物鏡,則必須用目鏡來補償它的倍率色差。e、單色物鏡這類物鏡由石英、熒石或氟化鋰制的一組單片透鏡構成。只能在紫外線光譜區的個別區內使用(寬度不超過20mm),可見光譜區不能採用單色物鏡。這類物鏡均製成反射式與折反射式系統。主要缺點是相當大一部分光束在中心被遮蔽(入瞳面積的25%)。在新型折反射系統中,由於採用半透明反射鏡以及物鏡的膠合結構,使這一缺點大為減輕,從而可以取消反射鏡框的遮光。並且兩同軸反射鏡的殘餘像差是互相補償的,同時用透鏡組來增大數值孔徑。若係統的校正滿意,孔徑達到NA=1.4時,中心遮蔽可不超過入瞳面積的4%。f、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:(a)帶校正環物鏡:在物鏡的中部裝有環裝的調節環,當轉動調節環時,可調節物鏡內透鏡組之間的距離,從而校正由蓋玻片厚度不標準引起的覆蓋差。調節環上的刻度可從0 .11--.023,在物鏡的外殼上也標科有此數字,表明可校正蓋玻片從0.11-0.23mm厚度之間的誤差。(b)帶虹彩光闌的物鏡:在物鏡鏡筒內的上部裝有虹彩光闌,外方也可以旋轉的調節環,轉動時可調節光闌孔徑的大小,這種結構的物鏡是高級的油浸物鏡,它的作用是在暗視場鏡檢時,往往由於某些原因而使照明光線進入物鏡,使視場背景不夠黑暗,造成鏡檢質量的下降。這時調節光闌的大小,使背景變黑,使被檢物體更明亮,增強鏡檢效果。(c)相襯物鏡:這種物鏡是由於相襯鏡檢術的專用物鏡,其特點是在物鏡的後焦平面處裝有相板。(d)無罩物鏡:有些被檢物體,如塗抹製片等,上面不能加用蓋玻片,這樣在鏡檢時應使用無罩物鏡,否則圖像質量將明顯下降,特別是在高倍鏡檢時更為明顯。這種物鏡的外殼上常標刻NC,同時在蓋玻片厚度的位置上沒有0.17的字樣,而標刻著"0"。(e)長工作距離物鏡:這種物鏡是倒置顯微鏡的專用物鏡,它是為了滿足組織培養,懸浮液等材料的鏡檢而設計。四、目鏡目鏡的作用是把物鏡放大的實象(中間象)再放大一級,並把物象映入觀察者的眼中,實質上目鏡就是一個放大鏡。已知顯微鏡的分辨率能力是由物鏡的數值孔徑所決定的,而目鏡只是起放大作用。因此,對於物鏡不能分辨出的結構,目鏡放的再大,也仍然不能分辨出。五、聚光鏡聚光鏡裝在載物台的下方。小型的顯微鏡往往無聚光鏡,在使用數值孔徑0.40以上的物鏡時,則必須具有聚光鏡。聚光鏡不僅可以彌補光量的不足和適當改變從光源射來的光的性質,而且將光線聚焦於被檢物體上,以得到最好的照明效果。聚光鏡的的結構有多種,同時根據物鏡數值孔徑的大小,相應地對聚光鏡的要求也不同。1、阿貝聚光鏡:這是由德國光學大學大師恩斯特.阿貝(Ernst Abbe)設計。阿貝聚光鏡由兩片透鏡組成,有較好的聚光能力,但是在物鏡數值孔徑高於0.60時,則色差,球差就顯示出來。因此,多用於普通顯微鏡上。2、消色差聚光鏡:這種聚光鏡又名"消球差聚光鏡"和"齊明聚光鏡",它由一系列透鏡組成,它對色差球差的校正程度很高,能得到理想的圖像,是明場鏡檢中質量最高的一種聚光鏡,其NA值達1.4 。因此,在高級研究顯微鏡常配有此種聚光鏡。它不適用於4 X以下的低倍物鏡,否則照明光源不能充滿整個視場。3、搖出式聚光鏡:在使用低倍物鏡時(如4X),由於視場大,光源所形成的光錐不能充滿真整個視場,造成視場邊緣部分黑暗,只中央部分被照亮。要使視場充滿照明,就需將聚光鏡的上透鏡從光路中搖出。4、其它聚光鏡聚光鏡除上述明場使用的類型外,還有作特殊用圖的聚光鏡。如暗視場聚光鏡,相襯聚光鏡,偏光聚光鏡,微分乾涉聚光鏡等,以上聚光鏡分別適用於相應的觀察方式。六、照明方法顯微鏡的照明方法按其照明光束的形成,可分為"透射式照明",和"落射式照明"兩大類。前者適用於透明或半透明的被檢物體,絕大數生物顯微鏡屬於此類照明法;後者則適用於非透明的被檢物體,光源來自上方,又稱""反射式照明"。主要應用與金相顯微鏡或熒光鏡檢法。1、透射式照明生物顯微鏡多用來觀察透明標本,需要以透射光來照明。有兩種照明方式:(1)臨界照明光源經過聚光鏡後,成像於物平面上。若忽略光能的損失,則光源像的亮度與光源本身相同,因此,這種方法相當於在物平面上放置光源。顯然在臨界照明中,如果光源表面亮度不均勻,或明顯地表現出細小的結構,如燈絲等,那麼就要嚴重影響顯微鏡觀察效果,這是臨界照明的缺點。其補救的方法是在光源的前方放置乳白和吸熱濾色片,使照明變得較為均勻和避免光源的長時間的照射而損傷被檢物體。用透射光照明時,物鏡成像光束的孔徑角,被聚光鏡像方光束的孔徑角所決定,為使物鏡的數值孔徑得到充分利用,聚光鏡應有與物鏡相同或稍大的數值孔徑。(2)柯拉照明臨界照明中物面光照度不均勻的缺點,在柯拉照明中可以消除。在光源1與聚光鏡5之間加一輔助聚光鏡2。可見,由於不是直接把光源,而是把被光源均勻照明了的輔助聚光鏡2(也稱為柯拉鏡)成像在標本6上,所以物鏡的視場(標本)得到均勻的照明。2、落射式照明在觀察不透明物體時,例如通過金相顯微鏡觀察金屬磨片,往往是採用從側面或者從上面加以照明的方式。此時,被觀察物體的表面上沒有蓋玻璃片,標本像的產生是靠進入物鏡的反射或散射光線。3、用暗視場來觀察微粒的照明方法用暗視場方法可以觀察超顯微質點。所謂超顯微質點,是指那些小於顯微鏡分辨極限的微小質點。暗視場照明的原理是:不使主要的照明光線進入物鏡,能夠進入物鏡成像的只是由微粒所散射的光線。因此,在暗的背景上給出了亮的微粒的像,視場背景雖暗,但襯度(對比)很好,可以使分辨率提高。暗視場照明又有單向和雙向之分:(1)單向暗視場照明,由照明器2發出的光線,經不透明的標本片1反射後,主要的光線都沒有進入物3,進入物鏡的光線主要是由微粒或凸凹不平的細部所散射的光線。顯然,這種單向的暗視場照明,對觀察微粒的存在和運動是有效的,但對物體細節的再現不是有效的,即存在"失真"的現象。(2)雙向暗視場照明雙向暗視場照明,可以消除單向所產生的失真缺點。在普通的三透鏡聚光鏡前面,安置一個環形光闌,即可實現雙向暗視場照明。在聚光鏡的最後一片與載物玻璃片之間浸以液體,而蓋玻璃片與物鏡之間是乾的。於是,經過聚光鏡的環形光束,在蓋玻璃片內全反射而不能進入物鏡,形成如圖中的迴路。進入物鏡的只是由標本上的微粒所散射的光線,形成了雙向暗視場照明。

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