光学显微分析

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• 瑞利判据：当一个点光源的衍射图样的中央最亮处刚好与 另一个点光源的衍射图样的第一级暗纹相重合时，这两个 点光源恰好能被分辨。
恰 能 分 辨
能 分 辨
不 能 分 辨
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分辨本领

此时, 样品上相应的两个物点间距离∆r。定义为透镜能 分辨的最小距离，也就是透镜的分辨本领。

∆r0═ R0/M
试 样 物 镜
眼 睛 目 镜
平面玻璃镜 （垂直照明 器）
目镜镜 筒
棱镜组 件
视场光 圈
聚 光 镜 光源
孔径光 圈 平面反射 镜
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偏光显微镜是用于研究所谓透明与不透明各向异性材料 的一种显微镜。凡具有双折射的物质，在偏光显微镜下就 能分辨的清楚.
载物台下装有起偏器，而在物镜与目镜之间装有检偏器，
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初级干涉图像对最终图像的影响
所有衍射 斑点成像
包括中心斑点的一排衍射斑 点成像
只留中心斑点
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物与象之来自百度文库的相似性

物象是由直射光和衍射光互相干涉形成的，不 让衍射光通过就不能成象，参与成象的衍射斑 点愈多，则物象与物体的相似性愈好。
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2.3 光学显微镜的构造
光学显微分析是利用可见光观 察物体的表面形貌和内部结构， 鉴定晶体的光学性质。 不同的研究目的要选用不同的 光学显微分析设备。
2.2 光学理论基础----物如何成像？
2.2.1 光的物理性质 2.2.2 光与固体物质的相互作用 2.2.3 阿贝成像原理
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衍射的形成(光的衍射)

衍射产生的基本条件： 只有缝、孔的宽度或 障碍物的尺寸跟波长相差不多或者比波长更 小时，才能观察到明显的衍射现象. 但也不能比波长小太多，当孔的宽度为波长 的大约 3/10 时波的衍射现象已经不明显 — 能 量减弱，衍射现象观察不到。
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2.2.3 阿贝成像原理
对于周期性结构的物体，图像的形成
用阿贝成像原理来解释。
光线通过细小的网孔时要发生衍射，
衍射光线向各个方向传播，凡是光程
差满足
k
(k=0，1，2，…)的，
互相加强。同一方向的衍射光则成为 平行光束。
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2.2.3 阿贝成像原理
平行光束通过物镜在后焦面上会聚；
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球面象差（简称球差）
边缘与中心部分 的折射光不能通过 光束的粗细。后者易减小孔径角，降低显微镜的分辨率。 会聚相交于一点。 折射率不同！
校正办法：采用组合透镜，或者调节孔径光阑，控制入射
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色象差
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由于组成白光的各色光波长不同，折射率 不同，因而成象的位置也不同。
象域弯曲
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垂直于光轴的直立的物体经过透镜后台形成一弯曲的象 面，称为象域弯曲。 象域弯曲是几种象差综合作用的结果。可以采用特制物 镜校正。如平面消色差物镜，或平面复消色差物镜。
M有效＝
∆r /∆r0
∆r为人眼分辨本领。
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2.4.4 光学透镜的像差
通常平行于透镜光轴的光线在通过透镜后并不会
聚集于一点，而是会聚成一个模糊的斑点或称弥
散圈。同样，一个物体通过透镜后也不可能形成 完全相似的像，图像往往发生了变形，造成这种 缺陷的主要原因就是透镜本身存在各种像差。
球差，色像差，像域弯曲
微镜中观察，故金相和普通显微镜的主要差别在于前者以 反射光，而后者以透射光照明。在金相显微镜中照明光束 从物镜方向射到被观察物体表面，被物面反射后再返回物 镜成像。
金相显微镜属于一种反光显微镜。
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垂直照明器：由反射器， 前偏光器，视场光阑、孔 径光阑部件组成， 作用是把从光源来的入 射光通过物镜垂直投射到 光片表面，再把光片表面 反射回来的光投射到目镜 焦平面内。 位置一般安置在物镜和 目镜之间的光路系统中。 玻片，棱镜
试样超越物平面所允许的厚度
两个容许弥散圆之间的距离，即是焦深．焦点深度． 景深指在保持物像清晰度的前提下，试样在物平面上下沿镜轴 可移动的距离。换言之，在景深范围内，样品位置的变化并不影 响物像的清晰度。
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本节总结


光学显微分析
发展史
理论基础（成象原理）
显微镜构造 主要参数 应用实例
(3). 物镜: 由多组透镜组成,连接在物镜转换器上,是决定放大
倍数及成像质量的重要部件. (4). 目镜:由眼透镜和场透镜组成.目镜中附有十字丝.倍数有10 ×和8 ×两种.
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物镜
物镜是显微镜中对成象质量优劣起决定性作用的
光学元件。
物镜位于被观察物体附近，是实现第一级放大的
镜头。在物镜转换器上同时装着几个不同放大倍率 的物镜，转动转换器就可让不同倍率的物镜进入工 作光路，物镜的放大倍率通常为5～100倍。
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•为了使不同的物镜和目
镜在安装组合后能正确对
焦，物镜镜筒连接面和目
镜安装面（目镜与镜筒的
连接面）的距离，以及物 镜的1次成像位置到目镜 安装面的距离a必须固定。 这个距离叫做机械筒长， 标准机械筒长为160 mm。
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NA= nsinα
物镜
n
α
α 盖玻片
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目镜
目镜是位于人眼附近实现第
形成衍射花样。衍射花样上的某个衍射 斑点是由不同物点的同级衍射光相干加 强形成的；同一物点上的光由于衍射分 解，对许多衍射斑点有贡献。
从同一物点发出的各级衍射光，在产
生相应的衍射斑点后继续传播，在象平
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面上又相互干涉，形成物象.
8.12 阿贝成像原理
阿贝成像原理
频 谱 面
图中光线不同的颜色 表示发自不同的物点.
像 面
A B
C

透 镜

C B A
f
阿贝成像原理
物是一系列不同空间频率的集合.入射光经物平面发生夫琅和费衍 射,在透镜后焦面（频谱面）上形成一系列衍射光斑 ,各衍射光斑发
出的球面次波在相面上相干叠加,形成像.
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2.2.3 阿贝成像原理
阿贝成像原理可以简单地描述为两次干涉作用：
二级放大的镜头，镜放大倍 率通常为5～20倍。按照所 能看到的视场大小，目镜可
分为视场较小的普通目镜，
和视场较大的大视场目镜(或 称广角目镜)两类。
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机械系统
(1). 镜座与镜臂: 支撑显微镜及连接光源,物台,镜筒. (2). 镜筒: 连接目镜和物镜的部件.
(3). 物镜转换器: 用于安装,选择不同倍数的物镜.

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衍射结果
一个点光源在像平面上将形成一个具有一定尺寸的中央亮斑及 其周围明暗相间的圆环所组成的衍射光斑。（埃利斑）
0.61M R0 n sin
84％
式中 n为介质折射率，λ照明光波长，α透镜孔径半角，M透 镜放大倍数. 说明埃利斑半径与照明光源波长成正比，与透镜数值孔径 nsinα成反比．
0.61 r0 n sin

分辨本领是由物镜的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，分辨率就越高。
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2.4.3 放大率和有效放大率

放大率就是放大倍数，是指被检验物体经物镜放大再经
目镜放大后，人眼所看到的最终图像的大小对原物体大
小的比值，是物镜和目镜放大倍数的乘积。


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物镜数值孔径
水浸物镜与油浸物镜:提高介质折射率! 干燥物镜的数值孔径为0.05-0.95，油浸物镜（香柏油）的数 26 值孔径为1.25。
2.4.2 分辨率
瑞利判据：两埃利斑 中心间距等于第一暗环 半径R0。
此时, 两中央峰之间叠
加强度比中央峰最大强 度低19％，因此肉眼仍 能分辨是两个物点的像

放大率Γ是物镜放大率β和目镜放大率Γ1的乘积： Γ=β×Γ1
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2.4.3 放大率和有效放大率
显微镜放大倍率的极限即有效放大倍率。 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 使过度地增大放大倍率，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。
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从而检测出物质的各向同性和各向异性 .
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2.4 光学显微镜的重要参数
2.4.1 数值孔径 2.4.2 分辨率 2.4.3 放大率和有效放大率 2.4.4 光学透镜的象差 2.4.5 景(场)深与焦深 2.4.6 工作距离
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2.4.1 数值孔径

数值孔径也称为镜口率，是表示物镜分辨细节能力的 参数，是判断物镜性能高低的重要标志。
基本构造相同,略有差别!
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细,粗调 节旋钮 弯臂
目镜
物镜(若干透
镜组成)
光学显微镜包括光
学系统和机械装置.
光学系统:目镜,物 镜,光源,聚光器.
载 物 台
机械装置:机架,目 镜筒,物镜转换器,载 物台,调焦机构.
光圈
反光镜 底座
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光学系统
(1). 光源: 分为自然光源和人工光源. (2). 聚光器: 在聚光镜架上部. 作用是使更多的光能集中到被观 察的部位.
2.4.5 景深与焦深
景深：是指在不影响透镜成像分辨本领的前提下，物平面可
沿透镜轴移动的距离。
焦深：是指在不影响透镜成像分辨率的前提下，像平面可沿
透镜轴移动的距离。
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在焦点前后，光线开始聚集和扩散，点的影像变成模糊的，形 成一个扩大的圆，这个圆就叫做弥散圆。 如果弥散圆的直径小于人眼的鉴别能力，在一定范围内实际影 象产生的模糊是不能辨认的。这个不能辨认的弥散圆就称为容 37 许弥散圆。在焦点的前、后各有一个容许弥散圆。
平行光束受到有周期性特征物体的散射作用形成
衍射谱，各级衍射波通过干涉重新在像平面上形
成反映物的特征的像。
干 涉 作 用
第一步“分解”; 第二步“合成”
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物与象之间的相似性

物与象之间的相似性由什么因素来决定?

实验:一个细金属网在显微镜透射光照射下,在 物镜后面焦面上产生初级干涉图像.在后焦面上 用遮蔽的方法改变允许透光的区域,使这些区域 上的衍射斑点数与方位都不一样,并观察相应的 最终图像.
(4). 载物台: 放置薄片用的可3600转动的圆形平台 (5). 焦准设备(升降系统): 分粗调和微调.调节焦距. (6). 聚光镜架:连接聚光镜, 上,下锁光圈等的部件 (7). 上,下锁光圈: 控制光的通过量.
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金相显微镜是专门用于观察金属和矿物等不透明物体金
相组织的显微镜。这些不透明物体无法在普通的透射光显

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（α）的正弦之乘积。NA= nsinα
孔径角是指：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

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2.4.1 数值孔径

孔径角越大，进入物镜的光通亮就越大，分辨率越高。 孔径角与物镜的有效直径成正比，与焦点的距离成反 比。 根据阿贝成像原理，衍射光线反映了物体形貌的细节， 因此一个物镜要反映物体的细节，必须能够接受尽量 多的高阶衍射光线。 物镜接收衍射光线的能力也强烈的依赖于在样品与镜 头之间的介质。因此，数值孔径的概念更加能够有效 的描述物镜的成像能力。