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手术显微镜光学构件及成像原理

2022-08-11 11:12:25

(一) 折射和折射率

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zui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) 凸透镜的五种成象规律

1. 当物体位于透镜物方二倍焦距以外时,则在象方二倍焦距以内、焦点以外形成缩小的倒立实象;

2. 当物体位于透镜物方二倍焦距上时,则在象方二倍焦距上形成同样大小的倒立实象;    

3. 当物体位于透镜物方二倍焦距以内,焦点以外时,则在象方二倍焦距以外形成放大的倒立实象;

4. 当物体位于透镜物方焦点上时,则象方不能成象;

5. 当物体位于透镜物方焦点以内时,则象方也无象的形成,而在透镜物方的同侧比物体远的位置形成放大的直立虚象。


二 光学显微镜的成象(几何成象)原理


只有当物体对人眼的张角不小于某一值时,肉眼才能区别其各个细部,该量称为目视分辨率ε。在zui佳条件下,即物体的照度为50~70lx及其对比度较大时,可达到1'。为易于观测,测量显微镜,一般将该量加大到2',并取此为平均目镜分辨率。

物体视角的大小与该物体的长度尺寸和物体至眼睛的距离有关。有公式y=Lε

距离L不能取得很小,因为眼睛的调节能力有一定限度,尤其是眼睛在接近调节能力的范围工作时,会使视力疲劳。对于标准(正视)而言,zui佳的视距规定为250mm(明视距离)。这意味着,在没有仪器的条件下,目视分辨率ε=2'的眼睛,能清楚地区分大小为0.15mm的物体细节。


在观测视角小于1'的物体时,需要使用放大仪器。放大镜和显微镜是用于观测放置在观测人员近处应予放大的物体的。


(一) 放大镜的成像原理

表面为曲面的玻璃或其他透明材料制成的光学透镜可以使物体放大成像,光路图如图1所示。位于物方焦点F以内的物AB,其大小为y,它被放大镜成一大小为y'的虚像A'B'。


放大镜的放大率

Γ=250/f'

式中250--明视距离,单位为mm

f'--放大镜焦距,单位为mm


该放大率是指在250mm的距离内用放大镜观察到的物体像的视角同没有放大镜观察到的物体视角的比值。


(二) 显微镜的成像原理


显微镜和放大镜起着同样的作用,就是把近处的微小物体成一放大的像,以供人眼观察。只是显微镜比放大镜可以具有更高的放大率而已。

其实质是一个二步成像的过程,*步成像由物镜完成,二步成像由目镜完成。*次先经过物镜成像,这时候的物体应该在物镜(凸透镜1)的一倍焦距和两倍焦距之间,根据物理学的原理,成的应该是放大的倒立的实像。而后以*次成的物像作为“物体”,经过目镜的二次成像。由于我们观察的时候是在目镜的另外一侧,根据光学原理,二次成的像应该是一个虚像,这样像和物才在同一侧。因此*次成的像应该在目镜(凸透镜2)的一倍焦距以内,这样经过二次成像,二次成的像是一个放大的正立的虚像。如果相对实物说的话,应该是倒立的放大的虚像。


(三) 显微镜的重要光学技术参数


在镜检时,人们总是希望能清晰而明亮的理想图象,这就需要显微镜的各项光学技术参数达到一定的标准,并且要求在使用时,需要根据镜检的目的和实际情况来协调各参数的关系。只有这样,才能充分发挥显微镜应有的性能,得到满意的镜检效果。

显微镜的光学技术参数包括:数值孔径、分辨率、放大率、焦深、视场宽度、覆盖差、工作距离等等。这些参数并不都是越高越好,它们之间是相互又相互制约的,在使用时,应根据镜检的目的和实际情况来协调参数间的关系,但应以保证分辨率为准。


1. 数值孔径

  

数值孔径简写NA,数值孔径是物镜和聚光镜的主要技术参数,是判断两者(尤其对物镜而言)性能高低的重要标志。其数值的大小,分别标刻在物镜和聚光镜的外壳上。

数值孔径(NA)是物镜前透镜与被检物体之间介质的折射率(n)和孔径角(u)半数的正弦之乘积。用公式表示如下:NA=nsinu/2

孔径角又称"镜口角",是物镜光轴上的物体点与物镜前透镜的有效直径所形成的角度。孔径角越大,进入物镜的光通亮就越大,它与物镜的有效直径成正比,与焦点的距离成反比。   

显微镜观察时,若想加大NA值,孔径角是无法加大的,*的办法是加大介质的折射率n值。基于这一原理,就产生了水浸物镜和油浸物镜,因介质的折射率n值大于1,NA值就能大于1。

数值孔径zui大值为1.4,这个数值在理论上和技术上都达到了。目前,有用折射率高的溴萘作介质,溴萘的折射率为1.66,所以NA值可大于1.4。这里需要指出,为了充分发挥物镜数值孔径的作用,在观察时,聚光镜的NA值应等于或略大于物镜的NA值。 数值孔径与其他技术参数有着密切的关系,它几乎决定和影响着其他各项技术参数。它与分辨率成正比,与放大率成正比,与焦深成反比,NA值加大,视场宽度与工作距离都会相应地变小。


2. 分辨率

显微镜的分辨率是指能被显微镜清晰区分的两个物点的zui小间距,又称"鉴别率"。其计算公式是σ=λ/NA

式中σ为zui小分辨距离;λ为光线的波长;NA为物镜的数值孔径。可见物镜的分辨率是由物镜的NA值与照明光源的波长两个因素决定。NA值越大,照明光线波长越短,则σ值越小,分辨率就越高。

要提高分辨率,即减小σ值,可采取以下措施

(1) 降低波长λ值,使用短波长光源。

(2) 加大介质n值以提高NA值(NA=nsinu/2)。

(3) 加大孔径角u值以提高NA值。

(4) 加明暗反差。


3. 放大率和有效放大率

由于经过物镜和目镜的两次放大,所以显微镜总的放大率Γ应该是物镜放大率β和目镜放大率Γ1的乘积:

显然,和放大镜相比,显微镜可以具有高得多的放大率,并且通过调换不同放大率的物镜和目镜,能够方便地改变显微镜的放大率。

放大率也是显微镜的重要参数,但也不能盲目相信放大率越高越好。显微镜放大倍率的即有效放大倍率。

分辨率和放大倍率是两个不同的但又互有的概念。有关系式:500NA<Γ<1000NA

当选用的物镜数值孔径不够大,即分辨率不够高时,显微镜不能分清物体的微细结构,此时即使过度地加大放大倍率,得到的也只能是一个轮廓虽大但细节不清的图像,称为无效放大倍率。反之如果分辨率已满足要求而放大倍率不足,则显微镜虽已具备分辨的能力,但因图像太小而仍然不能被人眼清晰视见。所以为了充分发挥显微镜的分辨能力,应使数值孔径与显微镜总放大倍率合理匹配。


4. 焦深

焦深为焦点深度的简称,即在使用显微镜时,当焦点对准某一物体时,不仅位于该点平面上的各点都可以看清楚,而且在此平面的上下一定厚度内,也能看得清楚,这个清楚部分的厚度就是焦深。焦深大, 可以看到被检物体的全层,而焦深小,则只能看到被检物体的一薄层,焦深与其他技术参数有以下关系:


(1) 焦深与总放大倍数及物镜的数值孔径成反比。

(2) 焦深大,分辨率降低。

由于低倍物镜的景深较大,所以在低倍物镜照相时造成困难。在显微照相时将详细介绍。


5. 视场直径(Field Of View)

观察显微镜时,所看到的明亮的圆形范围叫视场,它的大小是由目镜里的视场光阑决定的。

视场直径也称视场宽度,是指在显微镜下看到的圆形视场内所能容纳被检物体的实际范围。视场直径愈大,愈便于观察。

有公式 F=FN/β

式中F: 视场直径,FN:视场数(Field Number, 简写为FN,标刻在目镜的镜筒外侧),β:物镜放大率。

由公式可看出:

(1) 视场直径与视场数成正比。

(2) 加大物镜的倍数,则视场直径减小。因此,若在低倍镜下可以看到被检物体的全貌,而换成高倍物镜,就只能看到被检物体的很小一部份。

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