15 目视光学系统.放大镜,显微镜

摄影物镜直接代替目镜，该目镜称为摄影目镜，为 使整个共轭物像距不致于太大，目镜应设计成负光组。
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数字显微镜
显微物镜的像面上，直接放置CCD接收器，连接到 计算机上，还可以对显微镜的图像进行测量和实时处理， 图像的大小也可以通过CCD靶面上的象素面积计算出来
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二、显微物镜的基本类型： 低倍物镜（3×~6×） 双胶合透镜 中倍物镜（里斯特~）（6×~8×） (两组双胶合透镜) 高倍物镜（>=40×） 阿米西物镜 阿贝浸液物镜
①消色差物镜：
②复消色差物镜（ 90× ）:金相显微镜-筒长无限. ③平视场物镜：显微照相、显微投影：校正场曲. ④反射式和折反式物镜：是否有反射面.
不发光物体的分辨率：
0.5 垂直照明： ； 倾斜照明： NA NA NA 或 , 分辨率 浸泡溶液，减小入射波长 NA 分辨率
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2、有效放大率
眼睛的分辨最小角距离（角分辨本领）min 2 ~ 4
1、透明物体照明：利用照明系统发出的光线直接照射到
物体上，经过透射后，进入显微镜成像。
1）临界照明 透明物体照明 2）柯拉照明
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§15.6 显微镜的照明系统
1）临界照明：光源经过聚光镜所成的像与物平面重合 相当于物平面上置光源。
优点：亮度高，结构简单 缺点：照度不均匀
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一、照明方法
聚光镜应有与显微物镜相同或稍大的NA 要求：聚光镜前放置的可变光阑为聚光镜的孔阑 改变孔阑大小，可改变进入物镜光束的孔径角，使 之与物镜的NA相适应
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如果使用10×的目镜， 则据公式可以求得物镜的放大倍数为：
73 b 7.3 目 10
由此可知，使用一个8×的显微物镜即能满足要求。
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3. 目镜主要光学特性参数有：
①视觉放大率：
250 0 f目
②目镜的线视场（由视场光阑的大小决定）
③镜目距（出瞳距离）：
l Z 6mm
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视角放大率Γ
当被观察物体的细节对眼睛的张角小于最小分辩角 （1’）时，眼睛便无法分辩其细节，只能借助于目视光学 仪器将其放大后再去观察。由此引入视觉放大率。
视角放大率：因视网膜上像的大小和视角的正切成正比， 把同一目标用仪器观察的视角ω仪 和人眼直接观察的视角 ω眼 二者正切之比称为目视光学仪器的“视角放大率”。 视角放大率实际表示了用仪器观察和用人眼直接观 察时，视网膜上像的大小之比，它描述了仪器放大作用的 tg仪 大小。
④目镜的通光口径： 由渐晕系数及几何关系决定
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§15.5
一、物镜的光学特性参数
① 放大率b 物 f1
显微镜物镜
②数值孔径NA：NA决定了物镜的分辨能力 ③线视场：
④工作距离：从物镜的第一个面顶点到物面的距离。
⑤物镜的通光口径：
NA n sin U D 2l tgU
显微镜为两次放大，放 大率为两次放大的乘积 显微镜实质上就 是一个组合的放大镜
x1 物镜放大倍率：b 1 f1 f1
250mm 目镜的视觉放大倍率： 2 f 2 显微镜系统的总的放大倍率： b 1 2
250mm
f1 f 2
f1 f 2 250m m 显微镜的组合焦距为： f f
2y
2 y
b物
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四、显微镜的景深
显微镜的景深
nf 250mm n 2dx NA NA
显微镜的放大率越高，数值孔径越大，景深越小。
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§15.4 显微镜的分辨率和有效放大率
1、分辨率（用分辨距离σ表示）
两个发光点的分辨率：
1.22 0.61 2n sin U NA
NA
出射瞳直径：D
500NA
NA称为显微镜的数值孔径，是表征显微镜特性的重要参量。
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三、 显微镜的光束限制
3. 显微镜的视场光阑和视场 在显微物镜的象平面上设置了视场光阑来限制视场。 由于显微物镜的视场很小，而且要求象面上有均匀的 照度，故不设渐晕光阑。 显微镜的视场以线视场，即成像物体的最大尺寸表示， 它由视阑y′的大小决定。线视场y与视阑大小y′的关系 为：
满足正弦条件有：n sin U y n sin U y
f物 y 1 而 y b 物
n 1 n sin U
f物 n sin U
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三、 显微镜的光束限制
2. 显微系统的出射光瞳直径
NA n sin U
a f显 n sin U f显 NA 250mm
2 y 2 f tg k 0.5 500h 线视场 2 y 0lz
注：放大镜的视场与与焦距成反比、放 大率、放大镜口径、观察距离有关。
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15.3 显微镜系统及其特性
显微系统的构成
照明系统＋成像系统
成像系统= 物镜＋目镜
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1.显微镜成像的成像原理
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显微镜的光学和机械尺寸要求
物镜的共轭距T为195mm(生物显微镜)
物镜实像面到目镜支撑面距离t0为10mm
目镜镜筒：保证目镜物方焦点与物镜的像面重合
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三、 显微镜的光束限制
1. 孔径光阑： 单组低倍显微物镜，镜框是孔径光阑； 复杂物镜一般以最后一组透镜的镜框作为孔径光阑； 对于测量显微镜，孔阑在物镜的象方焦面上，构成物 方远心光路。
调节J2 ，可使之与不同数值孔径的物镜相匹配； 调节J1 ，可改变物平面上的照明范围，使之能与 不同倍率物镜的视场相适应。
瞳→视场，视场→瞳
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一、照明方法
2. 非透明物体的照明系统： 不透明物体利用侧面自 然光或侧面加小灯泡进行 照明，靠物体的反射光或 散射光进入物镜成像。 另外，利用物镜本身兼作聚光镜。 光源经半透半反镜和显微物镜照 明物体，物体的反射光再经物镜 和半透半反镜成像。
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NOTE： 1）物平面应位于物镜的物方焦点到两倍焦距之间， 以实现物镜的一级放大。
2 ）物平面应位于整个显微镜组合物方焦点以内， 并十分靠近物方焦点处，以使得物体经显微镜成像于 250mm以外至∞处。 3 ）显微镜可以通过调换不同倍率的物镜和目镜， 方便迅速地获得显微镜的多种放大率。 显微镜因为有中间实像，能实现对物体的瞄准和测量。
光源 →物镜物面：视场对视场，瞳对瞳
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一、照明方法
2）柯拉照明 特点：把光源像成在物镜入瞳面上。 优点：亮度高，结构简单 缺点：照度不均匀
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光源通过前置镜L成像在聚光镜前可变光阑J2上， 要求： 聚光镜把此光源像再次成在物镜的入瞳上；在 紧靠L后面设另一可变光阑J1，具有均匀的亮度， 被聚光镜成像在物面上。
放大镜与人眼组合成一个组合系统 孔径光阑：人眼瞳孔 视场光阑：放大镜 视场光阑与物（像面）不重合，必产生渐晕
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二、放大镜的光束限制和视场
h a k 1 : tg1 lz h k 0.5 : tg lz h a k 0 : tg 2 lz
眼睛的分辨最小线距离 — —分辨本领 mim 250mm 2 0.00029 mim f min 250mm 4 0.00029
换算到物空间分辨本领： 0.5 又 斜照： 0 取 NA 550nm 527 NA 1054 NA
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照明系统与成像系统的匹配
应注意两点：
① 瞳窗要衔接，这样既能保证物体的照明范围又可 以充分利用光能；
② 照明系统必须提供被照物体有足够的孔径角，能 满足成像系统的数值孔径，以确保成像系统的性能。
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15.6.2 暗场照明
利用特殊的照明系统实现倾斜照射试样，主要的照 明光线不能进入物镜视场，而能够进入物镜成像的只 是试样表面的微粒所散射或衍射的光线。
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Example
例：用两个焦距都是50mm的正透镜组成一个10倍的显微 镜，问物镜、目镜的倍率及物镜和目镜之间的间隔？
250mm f f f1 f 2
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二、 显微镜的机械筒长
机械筒长：物镜支撑面到目镜支撑面的距离 ： 160mm(china)/170mm/190mm

tg眼
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15.2 放大镜
视角太小，看不清 h
物
视角ω
明视距离 ~ 25cm
放大镜 凸透镜放大
h’
ω’
h F f
定义放大镜的放大率:
h' = tanω ' M = (b = ) h tanω
由于像差的存在，f ’不能太小
0 250 f
单透镜的M < 10倍
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二、放大镜的光束限制和视场
用显微镜观察体时，眼瞳应与出射光瞳重合。
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三、 显微镜的光束限制
2. 显微系统的出射光瞳直径
若孔阑设置在物镜像方焦面，则出瞳位于显微系统 目镜系统的后焦面上。 用显微镜观察体时，眼瞳应与出射光瞳重合。
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2. 显微系统的出射光瞳直径
U '较小 a f sin U 出瞳半径： f目tgU a 目
近似为500 NA 1000 NA
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显微镜目镜
2、有效放大率
500 NA 1000 NA
显微镜的放大率取决于物镜的分辨率或数值孔径。
当使用比有效放大率下限(500NA)更小的放大率时， 不能看清物镜已分辨出的某些细节。
若用比有效放大率上限(1000NA)更高的放大率，是 无效放大，并不能使被观察物体的细节更清晰。
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金相显微镜(metallurgical microscope )
用入射照明来观察金属试样表面(金相组织)的显微镜。 可以在计算机上很方便地观察金相图像，从而对金相图 谱进行分析，评级等以及对图片进行输出、打印。
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§15.6 显微镜的照明系统
1.透明物体照明 照明方法 2.不透明物体照明
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筒长无限的显微物镜
物镜
辅助物镜
f2 ' y' b y f1 '
优点：物镜和辅助物镜之间是平行光，有利于装配 和调整，可以在其间加入棱镜、滤光片和偏振片，而不会 引起像点位置的变化及产生双像、叠影等。
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显微摄影系统－显微镜与摄影系统组合
摄影物镜直接置于目镜的后方，使目镜所成的虚像， 成像在照相底片或CCD上。
151概述152放大镜153显微镜系统及其特性154显微镜的分辨率和有效放大率155显微镜物镜156显微镜的照明系统视角放大率当被观察物体的细节对眼睛的张角小于最小分辩角1时眼睛便无法分辩其细节只能借助于目视光学仪器将其放大后再去观察
第十五章 目视光学系统
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内容
§ 15.1 概述 § 15.2 放大镜 § 15.3 显微镜系统及其特性 § 15.4 显微镜的分辨率和有效放大率 § 15.5 显微镜物镜 § 15.6 显微镜的照明系统
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15.6.3
1、聚光镜的作用：
聚光镜
均匀照明 汇聚光能 色差 球差 两片式 三片式 五片式 六片式
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2、对聚光镜的像差要求：
3、聚光镜的结构形式：
补：显微镜应用的拓展
(自学)
从对物体成像的特点来分，对近距离成像的光学系 统都可以归类于显微镜，近代显微镜常在系统中加入其它 镜组，以扩大显微镜的功能。
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例题：如果要求读数显微镜的瞄准精度为0.001mm，求显 微镜的放大率。
解 人眼直接观察0.001mm的物体所对应的视角为：
0.001 tge 4 106 250
人眼的视角分辨力为60〃，因此要求显微镜的视放大率：
tg ' tg 60" 73 6 tg 4 10