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显微镜的基本光学原理

光线在均匀的各向同性介质中,两点之间以直线传播,当通过不同密度介质的透明物体时,则发生折射现象,这是由于光在不同介质的传播速度不同造成的。当与透明物面不垂直的光线由空气射入透明物体(如玻璃)时,光线在其介面改变了方向,并和法线构成折射角。

二、透镜的性能

透镜是组成显微镜光学系统的最基本的光学元件,物镜目镜及聚光镜等部件均由单个和多个透镜组成。依其外形的不同,可分为凸透镜(正透镜)和凹透镜(负透镜)两大类。

当一束平行于光轴的光线通过凸透镜后相交于一点,这个点称“焦点”,通过交点并垂直光轴的平面,称“焦平面”。焦点有两个,在物方空间的焦点,称“物方焦点”,该处的焦平面,称“物方焦平面”;反之,在象方空间的焦点,称“象方焦点”,该处的焦平面,称“象方焦平面”。

光线通过凹透镜后,成正立虚像,而凸透镜则成正立实像。实像可在屏幕上显现出来,而虚像不能。

三、影响成像的关键因素—相差

由于客观条件,任何光学系统都不能生成理论上理想的象,各种象差的存在影响了成像质量。下面分别简要介绍各种相差。

1 色差(Chromatic aberration

色差是透镜成像的一个严重缺陷,发生在多色光为光源的情况下,单色光不产生色差。白光由红 绿 七种组成,各种光的波长不同 ,所以在通过透镜时的折射率也不同,这样物方一个点,在象方则可能形成一个色斑。

色差一般有位置色差,放大率色差。位置色差使像在任何位置观察,都带有色斑或晕环,使像模糊不清。而放大率色差使像带有彩色边缘

2 球差(Spherical aberration)

球差是轴上点的单色相差,是由于透镜的球形表面造成的。球差造成的结果是,一个点成像后,不在是个亮点,而是一个中间亮 边缘逐渐模糊的亮斑。从而影响成像质量。

球差的矫正常利用透镜组合来消除,由于凸、凹透镜的球差是相反的,可选配不同材料的凸凹透镜胶合起来给予消除。旧型号显微镜,物镜的球差没有完全矫正,应与相应的补偿目镜配合,才能达到纠正效果。一般新型显微镜的球差完全由物镜消除。

3 慧差(Coma)

慧差属轴外点的单色相差。轴外物点以大孔径光束成象时,发出的光束通过透镜后,不再相交一点,则一光点的象便会得到一逗点壮,型如慧星,故称“慧差”。

4 象散(Astigmatism

象散也是影响清晰度的轴外点单色相差。当视场很大时,边缘上的物点离光轴远,光束倾斜大,经透镜后则引起象散。象散使原来的物点在成象后变成两个分离并且相互垂直的短线,在理想象平面上综合后,形成一个椭圆形的斑点。象散是通过复杂的透镜组合来消除。

5 场曲(Curvature of field

场曲又称“象场弯曲”。当透镜存在场曲时,整个光束的交点不与理想象点重合,虽然在每个特定点都能得到清晰的象点,但整个象平面则是一个曲面。这样在镜检时不能同时看清整个相面,给观察和照相造成困难。因此研究用显微镜的物镜一般都是平场物镜,这种物镜已经矫正了场曲;。

6 畸变(Distortion

前面所说各种相差除场曲外,都影响象的清晰度。畸变是另一种性质的相差,光束的同心性不受到破坏。因此,不影响象的清晰度,但使象与原物体比,在形状上造成失真。

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