显微镜的解剖——放大的概念

显微镜的解剖——放大的概念

一个简单的显微镜或放大镜(透镜)产生在其上显微镜或放大镜被聚焦的物体的图像。简单放大镜镜片是双凸​​形状的,这意味着它们在中心处比在周边较厚如与图1的图像被由眼睛,好像它是在10英寸或25厘米的距离感知的放大镜所示(该参考,或传统的或常规的观看距离)。

由于图像似乎与对象位于镜头的同一侧,因此无法将其投影到屏幕上。这些图像被称为虚拟图像,它们看起来是直立的,而不是倒置的。图1展示了一个简单的放大镜是如何工作的。用一个简单的双凸透镜观察物体(在这种情况下,主体是一朵玫瑰)。如图1所示,从玫瑰反射的光以直线进入透镜。这种光线被透镜折射和聚焦,在视网膜上产生虚拟图像。玫瑰的图像被放大,因为我们认为物体(玫瑰)的实际大小是无穷大的,因为我们的眼睛将光线以直线追踪到虚拟图像(图1)。

当你看着显微镜,你是不是在看标本,你正在寻找在试样的形象。的图像显示在空间中“浮动”约10毫米以下的观察管的顶部(在目镜的固定光圈的电平),其中目镜被插入。你观察到的图像是不是有形的;它不能被抓住。它是一个“地图”或表示不同的颜色和/或从黑到白的灰色阴影的试样的。期望的是,所述图像将成为检体的准确表示;准确的细节,形状和颜色/强度。的含义是,它可能是可能的(并且是),以产生高度精确的图像。相反,它可能是(而且经常是)一切都太容易通过不正当的技术或装备差降低影象。

要了解显微镜的镜头如何运作的,你应该记得一些镜头行动中成像的基本原理。现在,我们将使用一个简单的双凸透镜审查几个不同的成像场景:

从一个对象,它是非常远离凸透镜的前灯(我们将假设我们的“对象”是在图2所示的长颈鹿)在透镜的后面的固定点将被带到一个焦点。这被称为透镜的焦点。我们都熟悉“烧玻璃”,它可以从阳光聚焦基本上平行光线烧一个洞,一张纸的想法。在垂直平面中的焦点所在是焦平面。

从凸透镜到焦平面的中心的距离是知道的焦距。(对于一个理想化的对称薄凸透镜,该距离是在透镜的前面或后面一样的。)我们的长颈鹿的图像现在出现在焦平面(如在图2中示出)。该图像是比对象(长颈鹿)小;它被反转并且能够在胶片上被捕获的真实图像。这是用于普通风景拍摄相机的情况。

现在对象移动至更接近透镜的前面,但仍然是在透镜的前两个以上焦距(这种情况在图3中阐述)。现在,影像在镜头后面的进一步发现。它比上面所描述的大,但仍高于对象小。图像反转,是一个真实图像。这是普通的人像摄影的情况。

物体被带到两次焦距在透镜的前面。现在的图像是透镜后面两种焦距,如图4所示,是大小为对象相同;它是真实的和倒。

现在的对象位于所述透镜的前一个和两个焦距之间(图5中示出)。现在,图像仍然从镜头后面渐行渐远。此时,图像被放大并且是比对象大;它仍然是倒置的,它是真实的。这种情况下,描述了在显微镜使用的所有有限的管长度的目标功能。这样有限的管长度的目标投射真实的,反转,并且放大的图像到显微镜的主体管。该图像进入对焦在目镜固定膜片的平面。从物镜(不一定其背部透镜)的后焦面的目镜的固定光阑的平面的距离是已知的物镜的光学管长度。

在最后一种情况下,物体位于凸透镜的前焦平面。在这种情况下,光线平行地从透镜中射出。该图像与物体位于透镜的同一侧,看起来是直立的(见图1)。该图像是虚拟图像,看起来好像距离眼睛10英寸,类似于一个简单的放大镜的功能;放大系数取决于透镜的曲率。

上面列出的最后一个案例描述了显微镜观察目镜的功能。目镜检查的“物体”是物镜放大、倒转、投影的实像。当人眼放在目镜上方时,眼睛的晶状体和角膜“看”这副二次放大的虚拟图像,并看到这个虚拟图像,仿佛它离眼睛10英寸,靠近显微镜的底部。

这种情况也说明了现在广泛使用的无限远校正目标的运作。对于这样的目的,所述对象或样本被定位在准确的物镜的前焦平面。从这样的透镜光射出在从每一个方位角的平行光线。为了将焦点带来这样的光线,该显微镜主体或双目观察头必须在光路中结合有管透镜,物镜和目镜,旨在使由物镜所形成的图像之间的聚焦在的平面目镜的固定光圈。无限远校正物镜的放大倍数等于管透镜由使用中的物镜的焦距除以焦距。例如,10X无限远校正目标,在奥林巴斯系列,将具有18毫米的焦距(180毫米/ 10)。

理解显微镜的一个简单方法是与幻灯机进行比较。想象一个幻灯机在它的末端打开,灯罩放在桌子上。灯泡发出的光通过一个冷凝透镜,然后穿过透明物,然后通过投影透镜到达屏幕上,屏幕与光束成直角,距离投影透镜一定距离。这个屏幕上的真实图像是反转的(颠倒和反转)并放大的。如果我们把屏幕拿开,用放大镜在太空中观察真实的图像,我们就可以进一步放大图像,从而产生另一个或第二级放大。

现在我们将更详细地描述显微镜的工作原理。显微镜的第一个透镜是离被检物体最近的透镜,因此称为物镜。来自外部或内部(显微镜体内)光源的光首先通过亚基聚光镜,亚基聚光镜形成一个清晰的光锥,集中在物体(试样)上。光通过试样进入物镜(类似于上述投影仪的投影透镜),物镜将试样的真实、倒置和放大图像投影到显微镜内称为中间图像平面的固定平面(如图6所示)。目标有几个主要功能:

  • 目标必须收集来自每个样品的各个部分或点的到来的光。
  • 该物镜必须有以重构从试样到图像(有时称为抗分)在各个对应点的各点的光线的能力。
  • 物镜的构造必须使其聚焦在离标本足够近的地方,以便将放大的真实图像投射到体管中。

中间图像平面通常位于约10毫米以下的显微镜镜筒的顶部在目镜的固定内部隔膜内的特定位置。物镜的后焦面和所述中间图像之间的距离被称为光管的长度。注意,该值是从一个显微镜的机械管长度,这是为了在目镜(目镜)被插入所述观察筒的顶部边缘,喷嘴(其中目标是安装)之间的距离不同。

目镜或目镜是离标本最远的光学部件,可在上端装入体管。在现代显微镜中,目镜被固定在显微镜观察管顶部的肩膀上,以防止它掉入管中。目镜的位置是这样的,它的眼睛(上)透镜进一步放大物镜投射的真实图像。观察者的眼睛看到这个二次放大的图像,就好像它离眼睛有10英寸(25厘米)的距离;因此,这张虚像看起来好像是在显微镜的底部附近。在有限管长度系统中,从显微镜观察管的顶部到物镜肩的距离通常为160毫米。这被称为机械管的长度,如上所述。目镜有几个主要功能:

  • 目镜用来进一步放大由物镜投射真实图像。
  • 在视觉观察中,目镜产生二次放大的虚拟图像。
  • 在显微照相技术中,它产生由物镜投射的二次放大的真实图像。这种增强的真实图像可以投射到照相机的胶片上,或者投射到目镜上方的屏幕上。
  • 目镜可以装配有秤,标记或十字线(通常被称为手提袋标线)使这些插入物的图像可以叠加在试样的图像上。

确定图像放大倍率的量的因素是目标放大率,其被构造的物镜光学元件的过程中预先确定的。目标通常具有放大权力,范围从1:1(1X)至100:1(100X),最常见的有能力的4X(或5X),10X,20X,40X(或50X),和100X。显微镜物镜的一个重要特征是其非常短的焦距相比普通手透镜(图1中示出)时,其允许给定的距离增加的放大倍率。主要的原因在于显微镜是在放大倍数如此高效是在如此短的光路中来实现,由于光学部件的短焦距两级放大。

目镜,目标一样,被归类在其放大的中间图像的能力方面。其放大系数5X和30X之间变化与具有10X-15X的值中最常用的目镜。显微镜的总视觉倍率由物镜和目镜的放大倍数值乘以的。例如,使用5X物镜是10X目镜产生50X的总视觉倍率同样地,在此范围的顶端,用100X物镜与30X目镜给出3000X的视觉倍率。

总放大倍数也取决于显微镜的管长度。大多数标准的固定管长度显微镜的管长度为160、170、200或210毫米,其中160毫米是最常见的透射光生物医学显微镜。许多设计用于半导体工业的工业显微镜的管长为210毫米。这些显微镜的物镜和目镜具有为特定管长度设计的光学特性,在不同管长度的显微镜中使用物镜或目镜将导致放大系数的变化(也可能导致光学像差透镜误差的增加)。无限修正显微镜也有目镜和物镜,目镜和物镜是根据显微镜的设计进行光学调谐的,这些目镜和物镜不应在具有不同无限管长度的显微镜之间互换。

现代研究显微镜是非常复杂的,往往有两落射和内置到显微镜住房diascopic照明。在这些显微镜设计收缩排除限制管长度与得到的需要160毫米物理尺寸以补偿显微镜主体和机械管的增加的物理尺寸。这是通过添加一组并行透镜缩短显微镜的表观机械管长度的完成。这些附加的透镜有时会引入附加的放大倍数(通常大约1.25-1.5X),必须计算两种视觉和显微照相放大倍率时加以考虑。这种额外的放大系数被称为在大多数显微镜制造商提供的用户手册的管因素。因此,如果与一组15X目镜的使用5X物镜,则总的视觉倍率变为93.75X(使用1.25X管因子)或112.5X(使用1.5X管因子)。

除了一些显微镜中使用的平行透镜外,制造商还可以提供额外的透镜(有时称为倍率变换器),这些透镜可以旋转到光路中以增加倍率因子。这样做通常是为了方便显微照相的样品框架。这些镜头的放大倍数通常很小,从1.25倍到2.5倍不等,但使用这些镜头可能会导致空的放大倍数,即图像放大,但没有解决额外细节的情况。图7用液晶DNA的显微照片说明了这类错误。图7(a)中的显微照片是在数值孔径为0.40的偏振光下,用一个20X平面消色差物镜拍摄的,照片放大了10倍。该显微照片的细节清晰,焦点清晰,揭示了该六角填充液晶聚合物的许多结构细节。相反,右边的显微照片(图7(b))是用4X平面消色差物镜拍摄的,数值孔径为0.10,摄影放大倍数为50倍。这张显微照片缺乏图7(a)所示的细节和清晰度,并显示了由于巨大放大倍数带来的空放大倍数而导致的明显的分辨率不足。

在选择目镜/物镜组合时应小心,以确保在不增加不必要伪影的情况下最佳放大试样细节。例如,为了达到250倍的放大倍数,显微镜可以选择一个25倍的目镜和一个10倍的物镜。同样放大倍数的另一种选择是10倍目镜和25倍物镜。由于25X物镜的数值孔径(约0.65)比10X物镜的数值孔径(约0.25)高,并且考虑到数值孔径值定义了物镜的分辨率,显然后一种选择是最好的。如果使用上述每个物镜/目镜组合制作相同视场的显微照片,很明显,与替代组合相比,10x目镜/25x物镜组合将产生在样品细节和清晰度方面优于替代组合的显微照片。

物镜/目镜组合的有效总放大倍数范围由系统的数值孔径确定。图像中存在的细节需要最小放大率才能被解析,这个值通常被任意设置为数值孔径(500×NA)的500倍。在光谱的另一端,图像的最大有效放大倍数通常设置为数值孔径(1000×NA)的1000倍。高于此值的放大率将不会产生进一步有用的信息或图像细节的更精细分辨率,并且通常会导致图像退化,如上所述。超过有效放大倍数的限制会导致图像出现空放大倍数的现象(见图7(a)和(b)),其中通过目镜或中间管透镜的放大倍数增加只会导致图像变得更大而没有相应的细节分辨率增加。表1列出了在有效放大范围内的常见物镜/目镜组合。

这些基本原则背后的化合物显微镜,不同于放大镜或简单的显微镜,使用一组串联排列的透镜的操作和构造。这些原则的阐述已导致发展,在过去的几百年,今天的精密仪器。现代显微镜往往与用于不同目的的可互换部件模块化;这样的显微镜能够产生从低到图像高倍率具有显着的清晰度和对比度的。

  • <<
  • >>

通过提交产品评论,您不仅可以与他人分享您的经验,还可以从研究社区的其他人那里获得有用的见解。
提交评论