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光学显微镜 – 基础入门

Schematic of the focal point  Focal_point_schematic.jpg

150多年来,光学显微镜一直都是生命科学研究以及材料科学当中的标准工具之一。要经济有效地使用这一工具,了解光学的基础知识,尤其是构成每一台显微镜的基本组成部分将会获得很大的帮助。

透镜与反光镜

诸如显微镜、望远镜和双筒望远镜这样的光学仪器都使用光学元件来形成物体的图像。成像物体最常用的两种元件是会聚透镜和凹面镜。

透镜在光学显微镜中更为常见,因此我们将在下面探索显微镜的基本功能时集中讨论透镜。凹面镜用于反射式望远镜的成像。凹面镜经常也用于照明,如汽车大灯的应用。

经透镜形成的图像

深入了解透镜的工作原理之前需要对关键术语及定义予澄清。曾经(误)将放大镜当作“燃烧镜”来用的人都会发现,透镜面向太阳时会形成“热点”。这个点就叫做焦点。从透镜的中心到这个焦点的距离叫做焦距

使用不同类型的会聚透镜来再现这个实验时就会发现,焦距主要取决于透镜的曲率。事实上,曲率半径越小,焦距越短。同时还会发现另一个事实:大直径的透镜比小直径的透镜更“有效”。根据这个结论,我们就定义了透镜的两个最重要的基准数据:焦距和开口(直径)。

为简化透镜直径的处理,通常会用相对于焦距的关系数值来表示。在显微镜领域,该参数称为孔径(也叫:数值孔径NA)。数值孔径的定义是 NA = n sin α,式中n为物体与透镜之间填充介质的折射率,α为入射透镜的光锥的最大半角(图3)。摄影师根据镜头本身的f值定义光圈。该数值定义为焦距与镜头直径的比值(N = f/D)(图4)。与NA数值相反,f数值越小则光圈越大。

再思考一下:是什么使得物体的像有时比物体小,有时又比物体大?答案是:对于给定的焦距,是相对距离决定了尺寸!

在讨论成像时有一个重要细节需要考虑:每个透镜都有两个“关键点”:焦点(一个在透镜前,一个在透镜后)。

以下举例描述了透镜成像的典型情形:

1. 物体与透镜之间的距离无限大

在这种情况下假设从物体到透镜之间为平行射线。射线在透镜中被重新定向,在后焦点所处的平面上相遇并在焦点所处平面上成像。

2. 物体处在相对较大的距离上(如焦距的100倍)

这种情况形成的图像比物体小(约为原始物体大小的1/100)。

3. 物体位于透镜正前方,距离为焦距的两倍。

该位置上会形成与物体本身大小相同的物体图像(复制比例1:1)。图像位于距透镜后侧焦距两倍的位置。顺便说一下,这是从物体到图像的最短总距离。

4. 物体位于焦点正前方但仍在2倍焦距范围内。

这些情况下所形成的像就会大于物体。

5. 物体就在透镜焦点上。

这种情况下会生成虚像而非实像。射线将以平行方式离开透镜。除非我们使用另一套光学系统,例如我们的眼睛,否则无法找到图像,这符合例1的情形。

为了更容易理解基本的光学原理,上述描述和图表已被简化。实际上,几乎所有的成像元件都由一个以上的透镜组成。上图将光学元件呈现为理想化的“薄透镜”。在探索了单步成像的这些标准情况之后,我们现在将把这些发现应用到两步光学仪器中:复合显微镜。

复合显微镜

光学显微镜分两步放大物体。在这两个步骤中,都使用了类似会聚透镜一样的光学系统。这两个组件用于上述两种情况:

1.    第一步是将物体放置在单倍焦点和两倍焦点之间,获得放大后实像。这种显微镜透镜(实际上是由几个透镜组成的光学系统)被称为物镜。

2.    然后用另一个透镜在它的前焦点处精确地采集到这幅图像,其结果是形成了一束平行光线,但不是真实的图像。这种光学元件叫做目镜。人眼能够处理这种平行光束并在视网膜上生成图像。

3.    最后是人们从显微镜获得的:物体可在放大比例下观察并呈现出裸眼无法检测到的细节。

实际使用提示:眼睛必须与显微镜相隔一小段距离。从技术上讲,我们的瞳孔必须与显微镜的出瞳孔处在同一位置上。当显微镜照明的光强度增加时,可以容易地看到该出瞳孔:它是目镜上方可见的明亮窄斑。

用双眼通过双筒显微镜观察时,正确的位置变得尤为重要。必须精确调整两个目镜之间的距离,以匹配眼睛的距离。

放大的虚拟图像

我们如何对显微镜图像进行拍照?

由于光学显微镜的常规输出是一束平行光线,因此必须首先形成实像。幸运的是,标准的紧凑型数字摄像头和我们的眼睛一样有一个透镜(称为物镜)。这种透镜可以处理很远的物体。摄影师称这种距离为“无限”。换句话说:来自这些物体的光线以平行的方式到达我们的眼睛。

当在显微镜目镜后面放置一个小型照摄像头时,我们可以通过显微镜拍照。不过要提醒一下:这种组合获得的结果非常有限。这是因为紧凑型摄像头的光学设计没有考虑显微镜。一些尺寸(直径、距离)限制了实际使用。因此,可使用为光学显微镜的特殊条件设计的专用数字摄像头来满足不同的应用需求。

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