显微镜放大倍数的概念

2018-08-17 16:54:57 Pooher Inc. 214

简单的显微镜或放大镜(透镜)会产生显微镜或放大镜聚焦的物体图像。简单的放大镜镜片是双凸的,这意味着它们在中心处比在外围更厚,如图1中的放大镜所示。图像被眼睛感知,就好像它在10英寸或25厘米的距离(参考或传统或传统观看距离)。

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由于图像与物体位于镜头的同一侧,因此无法投射到屏幕上。这样的图像被称为虚拟图像,并且它们直立而不倒置。图1展示了一个简单的放大镜如何操作。物镜(在这种情况下,主体是玫瑰)正在用一个简单的双凸透镜观看。如图1所示,由玫瑰反射的光线以直线进入镜头。该光线被镜片折射并聚焦,以在视网膜上产生虚像。玫瑰的图像被放大了,因为我们感觉到物体(玫瑰)的实际尺寸为无穷大,因为我们的眼睛将光线以直线回溯到虚像(图1)。这在下面更详细地讨论。

当你观察显微镜时,你并没有看样本,而是看着样本的图像。在目镜插入的观察管顶部以下(在目镜的固定光阑的水平处),图像似乎“浮动”在大约10毫米处。你观察的图像不是有形的;它不能被抓住。它是从“黑到白”的各种颜色和/或灰色阴影的“地图”或样本表示。期望是图像将是样本的准确表示;准确的细节,形状和颜色/强度。其含义是,它可能(而且正在)产生高度准确的图像。相反,它可能(通常是)很容易通过不适当的技术或不良的设备来降低图像质量。

要了解显微镜的透镜如何工作,您应该回想一下图像形成中透镜动作的一些基本原理。我们现在将使用一个简单的双凸透镜来回顾几种不同的成像方案:

来自距离凸透镜前端非常远的物体的光线(我们假定我们的“物体”是图2中所示的长颈鹿)将会在镜头后面的固定点处聚焦。这被称为镜头的焦点。我们都熟悉“燃烧玻璃”的概念,它可以聚焦来自太阳的基本上平行的光线,在纸张上烧出一个洞。焦点所在的垂直平面是焦平面。

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从凸透镜中心到焦平面的距离称为焦距。 (对于理想化的对称薄凸透镜,这个距离在透镜的前面或后面是相同的。)我们长颈鹿的图像现在出现在焦平面上(如图2所示)。图像比对象(长颈鹿)小;它是倒置的,并且是能够在电影上捕获的真实图像。用于普通风景摄影的相机就是这种情况。

该物体现在移近镜头前端,但在镜头前仍有两个以上的焦距(这种情况见图3)。现在,图像被发现在镜头后面。它比上面描述的大,但仍然比对象小。图像被倒置,并且是真实的图像。普通人像摄影就是这种情况。

物体被带到镜头前焦距的两倍。如图4所示,图像现在是镜头后的两个焦距。它与物体的大小相同;它是真实的和倒置的。

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该物体现在位于镜头前方一至两个焦距之间(如图5所示)。现在图像离镜头背面还有更远的距离。这一次,图像被放大并比对象大;它仍然是倒置的,它是真实的。这种情况描述了显微镜中使用的所有有限管长度物镜的功能。这种有限的管长度物镜将真实的,倒置的和放大的图像投射到显微镜的主体管中。该图像聚焦在目镜固定光圈的平面上。从物镜的后焦平面(不一定是其后透镜)到目镜固定光阑平面的距离称为物镜的光管长度。

在最后一种情况下,物体位于凸透镜的前焦平面上。在这种情况下,光线平行从镜头射出。图像与物体位于镜头的同一侧,并且显示为直立(参见图1)。图像是一个虚拟图像,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;放大倍数取决于镜头的曲率。

上面列出的最后一种情况描述了显微镜观察目镜的功能。目镜检查的“物体”是物镜所放大的倒置真实图像。当人眼位于目镜上方时,眼睛的晶状体和角膜“看着”这个二次放大的虚像,并且看到这个虚像,好像它距离眼睛10英寸,靠近显微镜的底部。

这个案例还描述了现在广泛使用的无限校正物镜的功能。对于这样的物镜,物体或标本恰好位于物镜的前焦平面上。来自这种透镜的光线从每个方位角的平行光线中出现。为了使这样的光线聚焦,显微镜主体或双目观察头必须在物镜和目镜之间的光路中包含管透镜,其设计成使物镜形成的图像聚焦在物镜的平面上目镜的固定光阑。无限校正物镜的放大倍数等于管透镜的焦距(对于奥林巴斯设备,这是180mm,尼康使用200mm的焦距;其他制造商使用其他焦距)除以使用中的物镜的焦距。例如,奥林巴斯系列中的10倍无限远校正物镜焦距为18mm(180mm / 10)。

理解显微镜的一种简单方法是通过与幻灯机进行比较,这是我们大多数人熟悉的一种设备。幻灯片放映机在灯座搁在桌子上时,可以看到它的一端。灯泡发出的光通过聚光透镜,然后透过透明体,然后通过投影透镜到与投影透镜相距给定距离的光束成直角的屏幕上。这个屏幕上的真实图像呈现倒置(颠倒和颠倒)并放大。如果我们要拿走屏幕,而用放大镜来检查太空中的真实图像,我们可以进一步放大图像,从而产生另一个或二级放大。

现在我们将描述显微镜如何更详细地工作。显微镜的第一个镜头是最接近被检查对象的镜头,因此被称为物镜。来自外部或内部(在显微镜主体内)光源首先通过分屏聚光镜,形成一个明确定义的光锥,该光锥集中在物体(样本)上。光通过样品并进入物镜(类似于上述投影仪的投影透镜),其然后将样品的真实的,倒置的和放大的图像投影到称为中间图像平面的显微镜内的固定平面(如图6所示)。物镜有几个主要功能:

物镜必须收集来自样本各个部分或点的光线。

物镜必须有能力将来自样本各点的光重新组合到图像中的各个对应点(有时称为反点)。

物镜的构造必须使其足够靠近标本,以便将放大的真实图像投影到身体管中。

中间图像平面通常位于目镜固定内部光阑内特定位置的显微镜主体管顶部下方约10毫米处。物镜的后焦平面与中间图像之间的距离称为光管长度。请注意,该值与显微镜的机械管长度不同,该值是物镜(物镜安装处)与物镜(目镜)插入的观察管顶部边缘之间的距离。

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目镜或目镜,它装在上端的主体管中,是距样品最远的光学部件。在现代显微镜中,目镜通过显微镜观察管顶部的肩部固定到位,防止其落入管内。目镜的位置是这样的,它的眼睛(上)透镜进一步放大了物镜投影的真实图像。观察者的眼睛看到这个二次放大的图像,好像它距离眼睛10英寸(25厘米)的距离;因此这个虚拟图像看起来好像它靠近显微镜的底部。从显微镜观察管顶部到物镜肩部(装入鼻托)的距离在有限管长系统中通常为160 mm。这被称为如上所述的机械管长度。目镜有几个主要功能:

目镜用来进一步放大物镜所投影的真实图像。

在视觉观察中,目镜产生二次放大的虚像。

在显微摄影中,它会产生由物镜投影的二次放大的实像。这种增强的真实图像可以投射到照相机中的照相胶片上或投影在目镜上方的屏幕上。

目镜可以安装刻度尺,标记或十字准线(通常称为格线,网格或分划板),以便可以将这些插入图像叠加在样品图像上。

决定图像放大倍数的因素是在构建物镜光学元件期间预先确定的物镜放大率。物镜通常具有从1:1(1X)到100:1(100X)范围的放大功率,最常见的功率是4X(或5X),10X,20X,40X(或50X)和100X。显微镜物镜的一个重要特点是它们的焦距非常短,与普通的手动镜头相比,可以在给定的距离上增加放大倍数(如图1所示)。由于光学元件的焦距短,显微镜在放大倍率上如此高效的主要原因是在这样短的光路上实现的两级放大。

目镜等目镜根据其放大中间图像的能力进行分类。它们的放大倍数在5X和30X之间变化,最常用的目镜值为10X-15X。显微镜的总视觉放大倍数是通过乘以物镜和目镜的放大倍数得出的。例如,使用带10X目镜的5X物镜会产生50X的总视觉放大倍数,同样,在量表的顶端,使用带30X目镜的100X物镜可以获得3000X的视觉放大倍率。

总放大倍数也取决于显微镜的管长。大多数标准固定管长度显微镜的管长度为160,170,200或210毫米,其中160毫米是透射光生物医学显微镜最常见的。许多设计用于半导体行业的工业显微镜具有210毫米的管长。这些显微镜的物镜和目镜具有针对特定管长设计的光学特性,并且在不同管长度的显微镜中使用物镜或目镜会导致放大系数的变化(并且还可能导致光学像差透镜错误)。无限远校正显微镜还具有根据显微镜设计进行光学调整的目镜和物镜,这些显微镜在不同无限长管的显微镜之间不应互换。

现代研究显微镜非常复杂,并且往往在显微镜外壳内置有episcopic和dioscopic照明器。这些显微镜的设计收缩不能将管长限制到160毫米的物理尺寸,从而需要补偿显微镜主体和机械管的额外物理尺寸。这是通过添加一组平行透镜来缩短显微镜的表观机械管长度。这些额外的镜头有时会引入额外的放大倍数(通常在1.25-1.5倍左右),在计算视觉和显微摄影放大倍率时必须考虑到这些因素。这种额外的放大倍数被称为大多数显微镜制造商提供的用户手册中的管因子。因此,如果5X物镜与15X目镜一起使用,则总视觉放大倍数变为93.75X(使用1.25X管因子)或112.5X(使用1.5X管因子)。

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除了在一些显微镜中使用的平行化镜片之外,制造商还可以提供额外的镜片(有时称为放大镜转换器),其可以旋转到光学路径中以增加放大倍数。这通常是为了在显微摄影的样本框架中提供便利。这些镜头通常具有从1.25X到2.5X范围内的很小的放大倍数,但使用这些镜头可能会导致放大,这种情况下图像被放大,但没有其他细节得到解决。这种类型的错误在图7中用液晶DNA的显微照片说明。图7(a)中的显微照片是在具有0.40的数值孔径的偏振光下用20X平面消色差物镜拍摄的,并且被放大了10倍的照片。在这张显微照片中,细节清晰,焦点锐利,揭示了这种六方包装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,照片放大50倍。这张显微照片缺乏图7(a)所示的细节和清晰度,并且显示由巨大程度的放大引入的空放大倍数造成的分辨率明显不足。

在选择目镜/物镜组合时要小心,以确保样本细节的最佳放大倍数,而不会增加不必要的伪影。例如,要实现250X的放大倍数,显微镜专家可以选择与10X物镜耦合的25X目镜。相同放大倍数的替代选择是具有25X物镜的10X目镜。由于25X物镜比10X物镜(大约0.25)具有更高的数值孔径(大约0.65),并且考虑到数值孔径值定义了物镜的分辨率,很明显后者的选择将是最好的。如果使用上述每种物镜/目镜组合制作相同视场的显微照片,很明显10倍目镜/ 25x物镜二重奏产生的照片显微照片在样本细节和清晰度方面优于其他组合。

物镜/目镜组合的有用总放大倍率范围由系统的数值孔径定义。对于图像中存在的细节需要解析的最小放大倍数,并且该值通常相当随意设置为500倍数值孔径(500×NA)。在光谱的另一端,图像的最大有用放大倍数通常设置为数值孔径(1000×NA)的1000倍。如上所述,放大率高于此值将不会产生更多有用的信息或更精细的图像细节分辨率,并且通常会导致图像质量下降。超过有用放大倍数的限制会导致图像受到空放大现象的影响(参见图7(a)和(b)),其中通过目镜或中间透镜镜头的放大倍率增加仅导致图像变得更加放大而没有细节分辨率相应增加。表1列出了位于有用放大倍数范围内的常见物镜/目镜组合。

有用的放大范围

(物镜500-1000×NA)

物镜
(NA)
目镜
10x12.5x15x20x25x
2.5X
(0.08)
---------xx
4X
(0.12)
------xxx
10X
(0.35)
xxxxx
25X
(0.55)
xxxx---
40X
(0.70)
xxx------
60X
(0.95)
xxx------
100X
(1.40)
xx---------
x = 良好的组合

表格1

这些基本原理是复合显微镜的操作和构造的基础,这与放大镜或简单显微镜不同,它采用一组串联排列的透镜。 这些原则的制定导致了过去几百年来当今复杂仪器的发展。 现代显微镜通常是模块化的,具有可互换部件用于不同的目的; 这样的显微镜能够产生具有显着清晰度和对比度的从低到高放大率的图像。


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查看原始的英语文章:The Concept of Magnification

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