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金相顯微鏡的原理 日期:2019.05.17

一、顯微鏡的原理

眾所周知,放大鏡可以用來幫助眼睛觀察微小的物體。我們先來討論-下放大鏡 的放大原理。


物體在人眼網膜上成象的大小,決定於物體對眼睛節點所對的角度0

 

這時,實物高為h,對眼睛的張角為0。正常人眼睛看物體時,適宜的距離大

約在250毫米左右,在這個距離(y =250毫米)眼睛可以很好地區分物體的細微部分而不過 度疲勞,因此,250毫米這個距離稱為明視距離”。

 

通過放大鏡後,高度為h的物體,視角變成了

所以,放大鏡的放大率等於:

借放大鏡所看到的視角9") 0^= h/f _ / =250

以眼睛看到物體在近點的視角(e) — — h// — f — f

由上圖也可寫成: 放火率--j = -2!0


由上可知,雖然透鏡的焦距愈短,放大率就愈大,但實際上不可能用焦距f)很短的 放大鏡來觀察。透鏡的曲率半徑太小,眼睛所觀察到的範圍就更小,目像差愈顯著,所以放 大鏡一般均在20倍以下。若要再提高放大倍數,就必須用顯微鏡。

 

顯微鏡通常由物鏡和目鐿兩次放大而得到倍數較高的放 大象。物體AB經物鏡放大成象A/B%                                             經目鏡放大成象

A"B"〇

  1. 物鏡與目鏡倍數的定義和選擇依據 40/0.65——表示物鏡40倍,數值孔徑N,A. = 0,65

160/0——表示機械筒長為160毫米的金相用物鏡,“ 0 ”

表示蓋玻片的厚度=〇 (即表示沒冇蓋玻片)。

有的物鏡標為160/0.17,表示該物鏡用於蓋玻片為0.17厚的透射光(生物)顯微鏡係統。 〇〇/——表示該物鏡用於機械筒長為無限遠的金相顯微鏡。

 

對於有限筒長:物鏡放大倍數=>

對於機械筒長為無限遠的係統:物泣放大倍數=

物鏡焦Mi 物鏡焦距

(對於機械筒長為無限遠的係統,補結透鏡焦距部標準已規定為250毫米。由上式可 知,物鏡的焦g巨愈短,倍數也就愈大。

目鏡放大倍數=人眼明視取」駕=-2 5 曰位撒目釀距目鏡錢

顯微鏡的總放火倍數=物鏡放大倍數X目鏡放人倍H 物鏡與0鏡倍數的選擇,主要M采用優先數係係列:

R5    係列   公比   5-\/101.6

R10 係列     公比   RIO-1Dv/lF 1.25

所以部標準規定:

物鏡(倍數)係列:2.5X4 x6.3xlx16 x25 x4x63 xl〇〇x。 目鏡(倍數)係列:6.3x8xlx12.5XlSx2x

優點:①優先數係中,任何一個數值均為優先數。

②優先數係中,任意兩項之積或商,任意一項的整數開方或乘方,都為優先數。 @物鏡與目鏡組合後,可以多次重複出現常用的整數倍,如100父、400 乂、500 乂、 1000 X ••…•見下表

lOx

25 x

40 x

63 x

100X

8 x

80x

200 x

320 x

500 x

800 x

lx

100 x

250 x

400 x

63x

1000 x

12.5x

125 x

312 x

500 x

787 x

1250 x

16x

I60x

400 x

64x

1000 x

1600 x

 

優先係數 目前歐州、東德、西德在顯微鏡中都已廣泛采用了優先數係來分配物鏡和

目鏡的倍率,國產顯微鏡也正在逐步過度采用,後完全采用。例如我們廠的}(JL—02立式

。和X J G04大型金相顯微鏡的所有物鏡和目鏡都已采用了優先數係係列的配置。

物鏡的分類

例:本廠的4〇x消色差物鏡40X/0.65 160/0,17的光學結構(見上圖》)

  • 平場消色差(Planachromat )物鏡t

除滿足消色差〔對F—C消到2 ( d—D) 5N<^〕之外,還要求(見上圖b )

Xs和Xt 1倍焦深,(Xs - Xt) ": 1倍焦深。

例:本廠的PC40X平場消色差物鏡:PC40 X/0.65 〇〇/0的光學結構見上圖c )

PC為“平場消色差”的代號。

  • 複消色差(AP〇chr〇mat )物鏡:

除(F—C )消色差要求滿足外,對(F—D )或(C—D )也要求消到2 ( d—D ) AN

  • 平場S消色差Plane—Field APochromat )物鏡:

即除了滿足以上平場的要求外,再加上複消色差的要求。對於彩色攝影”,當然 是釆用平場複消色差物鏡。近年來,也有單位搞了半複消色差物鏡”。

 

注:   C光  波長入= 6563埃

D光      入=5893玫

Ft    入二 4861 坎

  1. 顯微鏡的鑒別率(鑒別能力)

顯微鏡的鑒別率,主要是由物鏡的鑒別能力所決定。對於鑒別能力不同的兩個物鏡,試 樣的細微糸fl織都可以配成相同的倍數,冏樣被放火若幹倍。這樣雖然幾何放大-樣,但對鑒 別力高的物鏡,則能分辨出試樣上相鄰的2個點.而鑒別力低的物鏡,我們隻能看到連在一 片的輪廓而分不開相鄰的2個點。

物錯的鑒別率鑒別力:即物鏡所能清晰分辨;丨丨物體相鄰兩點的小距離&,根據理 論推導,4得K式:

我們總是希望愈小愈好。由上式可知:

  1.  )鑒別率的極限波長成正比。波K; 越短,&也越小。
  2. ) &與數位孔徑N.A.成反比。物鏡的N.A越大,則&也越小。

山此可見,物鐃的數值孔徑及波長對鑒別率冇直接影響,其數值孔徑越大,光的波長越 短,則物鏡的鑒別率就越高。這樣,在顯微鏡中就可以看到更細的粒子。

因此,金相顯微鏡常常附冇各種“濾色片”,一方麵為了消除一些色差,另一方麵有時 也用一些黃、綠、藍等濾色片,把光的波長減短來觀察,以提高鑒別能力。(濾色片與試樣 顏色配合好還可提高襯度。

(4 )物鏡的數值孔徑(N.A.)與放大倍數的關係

數值孔徑通常以N.A.表示。(N.A.Numerical Aperture的縮寫。)它表征若

物鏡的集光能力。上麵已經說明,物鏡的鑒別能力和數值孔徑有很大關係,物鏡的鑒別能力

主要決定於進入物鏡的光線錐所張開的角度,即決定於其角孔徑的大小,角孔徑越大的物鏡

鑒別率就越高。

數值孔徑(N.A,)= n sin p -It n-一•物鏡前片玻璃到試樣之間的介質的折射率

u——角孔徑的一半 例:4x 物鏡幹係統)n = 1 u = 40°30/ 2   u-81°

M. A. = n sin =1 x sin.iosesO’ = 0.65 前而已經提到,顯微鏡的分辨能力決定於物鏡的數值孔徑

(N.A.)和照明光源的波長1 5 = 0^)。&的數值一般都很小,經過物鏡和目鏡兩次

放大後,才能被人眼所觀察到。由於人眼的實際小觀察角在2"4 z之間,相當於在明視 距離2 5 0毫米處,人眼能看到的鑒別能力在0.15?0.3 0毫米之間。

設人眼鑒別能力為e,若要使物鏡鑒別的細微部分能為人眼所觀察,必須放大至M= ^倍。

e      e      2 e (N.A ) 2 e

M= h = (A— -_ = T(1X.A.)

V 2N.A./

所以,顯微鏡的冇效放大倍數應在500 ( N.A.)?1000 ( N.A.)之間。在選用放大倍數時 ,若不足500 (N.A.),表示使用不當,未能充分發揮其作用。若大於1〇〇〇 (N.A.),表示 此時空虛放大(空放),象雖然放大到了一定的倍數,但不能分辨出細微的部分。所 以,我們一般決定了試驗的放大倍數以後,還要根據數值孔徑(N.A.)的大小來適當地選 擇物鏡。

例如 4x 物鏡N.A. ) =0.65

則有效的放大倍數應在50x 0.65 )倍?1000X 0.65 )倍即 325倍?650倍範圍

內。

又如 25x 物鏡N. A.) 0.40

則有效的放大倍數=500 >< 0,40?]_000 x C。40 = 200倍~400倍

N.A. = n sin 口中,由於sin ji總是• 1 (sin # = 1 ,則物鏡的工作距離=0 ),所 以,幹係統(空氣為介質)的ft筻其N.A。總;11。即使采用了油為介質,目前,大倍 物鏡的N.A•也隻能做到1。40 (Le;t] “MMS” TS0倍物境N;A, = 1.40)。所以光學顯微 鏡的放大倍數就有一定的司限性,-苡隻能在1500倍以下肓玟。若要再提高放大倍數,隻能 用波長入比普通可見光短的電子束來代替光源的電子顯微鏡來工作了。

(普通可見光,如D光,入=53S3埃,而電子束的入=0.05埃)

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