人眼、光学显微镜以及电子显微镜成像原理、分辨率及其影响因素

人眼、光学显微镜以及电子显微镜成像原理、分辨率及其影响因素

文章主要从人眼成像原理入手，逐步介绍光学显微镜以及电子显微镜的成像原理、分辨率和分辨率的影响因素。分三部分作简要说明。

一人眼成像

1 、人眼结构

人眼成像原理图如下，所取的距离为250米，则人眼成像见下图1：

图1 人眼结构原理图

2 、成像原理

自然界各种物体在光线的照射下，不同颜色可以反射出明暗不同的光线，这些光线透过角膜、晶状体、玻璃体的折射，眼球中的角膜和晶状体的共同作用，相当于一个“凸透镜”，在视网膜上形成倒立、缩小的实像，构成光刺激。视网膜上的感光细胞（圆锥和杆状细胞）受光的刺激后，经过一系列的物理化学变化，转换成神经冲动，由视神经传入大脑层的视觉中枢，然后我们就能看见物体了,经过大脑皮层的综合分析，产生视觉，人就看清了正立的立体像。

人的眼睛是个复杂的成像系统，而人的大脑像CPU处理这些图像，让人能在视觉上感知到图像。人眼成像最主要的是晶状体和视网膜。晶状体调整眼睛的焦距是光束集中到富有视锥细胞和视柱细胞的视网膜上，在进行光电（生物电）变化，由视觉神经把信号传至大脑生成图像。人类的目标就是能制造出能过可以和眼睛相媲美的视觉系统，这是机器智能化的关键部分。

3 、分辨率

说及人眼分辨率首先需要知道如下几个概念：

（1）视角：观看物体时，人眼对该物体所张的角度。

（2）分辨角：人眼的分辨角：指刚能看出两黑点时，两黑点对人眼的张角。（3）分辨力：人眼分辨图像细节的能力称为分辨力，可用分辨角来衡量，分辨角的倒数为分辨力。它也反映了人眼的视力。分辨力还与照度及景物相对对比度有关。

人眼分辨率指的是人眼能够分辨两个相邻的点或者线的能力，通常以刚能被分开的两点或两线与眼睛瞳孔中心所成的张角表示。其最小分辨的距离在0.2mm 左右。要观察和分析更小的距离时，就必须借助于专门仪器。观看物体时，能清晰看清视场区域对应的分辨率为2169 ×1213。再算上上下左右比较模糊的区域，最后的分辨率在6000×4000。

4 、分辨率影响因素

分辨率的大小由视网膜分辨影像能力的大小来判定,具体是由眼的屈光介质

决定如角膜、晶体、玻璃体等，如果屈光介质变得混浊或存在不正即近视、远视、散光等时,即使视网膜功能良好，也会看不清。

二光学显微镜

1 、成像原理图

图2 光学显微镜成像原理图

2 、成像原理

古典的光学显微镜只是光学元件和精密机械元件的组合，它以人眼作为接收器来观察放大的像。后来在显微镜中加入了摄影装置，以感光胶片作为可以记录和存储的接收器。现代又普遍采用光电元件、电视摄象管和电荷耦合器等作为显微镜的接收器，配以微型电子计算机后构成完整的图象信息采集和处理系统。

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，光学显微镜就是利用这一原理把微小物体放大到人眼足以观察的尺寸。近代的光学显微镜通常采用两级放大，分别由物镜和目镜完成。被观察物体位于物镜的前方，被物镜作第一级放大后成一倒立的实象，然后此实像再被目镜作第二级放大，成一虚象，人眼看到的就是虚像。而显微镜的总放大倍率就是物镜放大倍率和目镜放大倍率的乘积。放大倍率是指直线尺寸的放大比。

3 、分辨率

光学显微镜的分辨率是指成像物体上能分辨出来的两个物点间的最小距离。光学显微镜的分辨本领由于所用光波的波长而受到限制。小于光波波长的物体因衍射而不能成像。可见光的波长为390到770nm，因此光学显微镜的放大倍数一般为500-1000倍，分辨极限约200 nm。几何光学上来说，主要是通过透镜的设计，材料的应用来消除色差以及像的畸变，物理光学上来说，就是增大数值孔径，扩大入瞳口径等。来获得清晰的物象。

4 、分辨率影响因素

影响光学显微镜分辨率的主要是像差，再者就是光学的衍射了。有很多种像差，有的可以消除有的只能改进，衍射在几何光学范畴内是没办法解决的。光学显微镜可以观察到由细胞到识别和辨认细胞器基本形态，主要受光的波长限制。三电子显微镜

1 、成像原理图

借助光学显微镜，人们能用肉眼直接看到细胞、细菌和其他微生物，分辨本领可达200nm左右．但不管放大倍数具体多大，更小的东西始终看不清了。在光学显微镜中，利用点光源发出的光波进入显微镜时，由于光的衍射，使成的像不是一个完全清晰的点，而是有一定大小的光斑．随着生产和科学技术的发展，人们对微观世界的探索要求越来越迫切，推动科学家发明了电子显微镜．这是受德布罗意物质波的启发而来的。电子显微镜成像原理图如图3所示。

图 3 电子显微镜成像原理图

2 、成像原理

电子显微镜中有一个电子枪，电子在枪集束射出，正像光学显微镜中利用光学透镜的成像作用得到显微的放大像一样，在电子显微镜中用磁透镜，使电子束会聚成像。我们把一片待观察的物体，例如一片很薄的晶体，放在电子显微镜中，电子束就会射向这片物体上，在一块荧光幕上就会得到一个放大的影像。如果在电子显微镜中用感光的底片代替荧幕的话就可以得到一张微观世界的珍贵图片。而一些特别好的电子显微镜，甚至可以观察到一些巨分子的结构！

3 、分辨率

电子显微镜是以电子束来代替可见光束，观察物体时，分辨率就没有波长要在可见光谱之内的限制，波长短，且能聚焦不过电子透镜无法作得像光学透镜那样完美。因此理论上，电子显微镜所具有的分辨率并不可靠。目前电子显微镜的分辨率可达10-7厘米(约为原子直径的两倍)。通常电子显微镜的放大率是200～200 000倍，再经照相放大可达1000 000倍。电子显微镜的分辨率（约0.2nm）。电子显微镜可以观察的范围由细胞器结构一直到分子水平。

4 、分辨率影响因素

电子显微镜分辨率的提高取决于电磁透镜的制造水平不断提高，球差系数逐渐下降；电子显微镜的加速电压不断提高。为了获得高亮度且相干性好的照明源，电子枪由早期的发夹式钨灯丝，发展到LaB6单晶灯丝，现在又开发出场发射电子枪。

从波的角度看，波长越短，衍射现象越不明显，因此，要提高成像分辨率必须改用波长比可见光短得多的射线．根据德布罗意物质波长关系式λ=h/mv，可