东南大学电子学院《现代光学基础》补充内容3——显微镜
显微镜的结构和功能PPT课件
3、将反光镜放在直立的位置
4、将显微镜放回原处
显微镜的成像
光线→反光镜→遮光器→通光孔→标本（一定要透明） →物镜的透镜→镜筒→目镜→眼
光学显微镜的使用过程
1、显微镜的使用步骤
取镜安放 → 对光 → 放置玻片标本和调焦 →
观察 → 收放
2、使用显微镜应注意的问题
使用过程中应该保持显微镜的清洁
用显微镜观察标本时对实验材料和
操作方法有哪些要求？ 归纳小结：
一、取镜和安放 右手握、左手托、略偏左、安目镜 二、对光 （1）低倍物镜对准通光孔。 （2）左眼看，右眼睁。 （3）转动反光镜，看到明亮的视野。
三、观察 （1） 标本放在载物台上，压住，正对通光 孔。 （2） 眼看物镜 ，镜筒下降，直到接近标本。 （3） 左眼注视目镜，镜筒缓缓上升，直到 看清物像.
对光
把所要观察玻片 标本放在载物台 上，用压片夹压 住，标本正对 通光孔
放置标本
注意：此时眼睛一定要 看着物镜！
下降镜筒
物镜距离玻片2-3mm
调准焦距
注意：左眼看目镜，右 眼同时要睁开
观察和绘图
收放
1、观察完毕，先提升镜筒，取
下玻片标本
2、转动转换器，使两个物镜伸
向前方，将镜筒缓慢降至最低
显微镜的结构和功能
光学显微镜
电子显微镜
光学显微镜
光学显微镜是利用光线照明为光 源 ，使微小物体放大影像的仪器。 实际上，细菌和线粒体，是光学 显微镜下能清晰看到的最小物体。
电子显微镜
电子显微镜，简称电 镜，是根据电子光学 原理，用电子束和电 子透镜代替光束和光 学透镜，使物质的细 微结构在非常高的放 大倍数下成像的仪器。
显微镜的结构名称及功能
关于光学显微镜的资料
关于光学显微镜的资料光学显微镜是一种基于光学原理的显微镜，是生物学、物理学、化学等学科中必不可少的实验工具。
光学显微镜的工作原理是利用光学透镜和光学物镜使细小物体放大的一种工具，越大物体的光学显微镜则需要更强的放大倍数。
本文将介绍光学显微镜的主要部件以及它们在显微镜性能和应用中的作用。
一、光学显微镜的主要部件 1. 物镜和目镜光学显微镜的主要部件是物镜和目镜。
物镜是显微镜的下部组件，其作用是将待观察的细胞或细胞结构放大，而目镜则位于显微镜的上部，主要用于放大像。
物镜和目镜的组合决定了显微镜的放大倍数。
2. 光源和反射镜光学显微镜需要一个光源来照亮待观察的样本。
典型的光源是汞灯或LED。
反射镜（如化脓性感染病患周围的玻璃盖片）反射光源所发出的光使其聚焦到物镜上并在样品上形成一个清晰的影像。
3. 旋转器和台式显微镜旋转器是显微镜的平台，通常配备有可以旋转的物镜，以便观察样品的不同部分。
台式显微镜被设计为一种更加紧凑、移动性更高的变体。
二、光学显微镜的性能 1. 分辨率分辨率是显微镜的一个重要性能参数，它表示能够分辨的两个小物体之间的距离。
分辨率受到物镜的放大倍数、波长和数值孔径的影响。
更高的放大倍数和更高的数值孔径将提高分辨率，而更短的波长也可以提高分辨率。
2. 棱镜系统和激光共焦显微镜一些显微镜还配备了棱镜系统或激光共焦显微镜。
棱镜系统可以用来照明器和样品之间的夹角更改以调整影像。
而激光共焦显微镜采用激光作为光源，利用激光直接照射样品并聚焦到物镜上，以使成像具有更高的分辨率。
3. 相差显微镜相差显微镜是一种特殊的显微镜，它使用不同的光学透镜和光源组合使观察者能够看到样品的细微结构，而这些结构在常规照明下通常不可见。
相差显微镜在生物学和材料学领域中的应用非常广泛。
三、光学显微镜的应用在生物学中，光学显微镜已经成为分析和理解微分子、单细胞和细胞信号传递等生物过程重要的工具。
通过显微镜可以研究微生物的运动、生殖、细胞结构的变化，如细胞分裂，还可以直接观察胚胎的发育过程；在化学中，显微镜是分析结晶、化合物的物理形态以及分子化合物需分析分子结构等不可或缺的工具。
现代光学基础试卷及答案
东 南 大 学 考 试 卷（A 卷）课程名称 现代光学基础 考试学期10-11-2得分适用专业考试形式闭卷考试时间长度 120分钟一、 选择和填空题(共18题,共36分, 每题二分)、1. 将折射率为1.50的有机玻璃浸没在油中，油的折射率为1.10，试问光线从有机玻璃射向有机玻璃与油的界面时全反射临界角是（ A ） A 、arcsin(1.10/1.50)； B 、1.10/1.50； C 、arctan(1.10/1.50)； D 、arccos(1.10/1.50)； E 、arctan(1.50/1.10)。
2. 杨氏实验装置中，光源的波长为600nm ，两狭缝的间距为2mm ，试问在离缝300cm 处的光屏上观察到干涉花样的间距是多少毫米（ B ） A 、4.5mm ； B 、0.9mm ； C 、3.1mm ； D 、4.1mm ； E 、5.2mm 。
3．在下列光的实验中，正确的说法是：（ A ） A 、法布里-珀罗干涉仪是多光束干涉仪； B 、迈克耳逊干涉仪是分波面干涉仪； C 、夫琅禾费衍射是一种近场衍射； D 、杨氏双缝干涉是分振幅干涉仪。
4. 一物体置于焦距为8cm 的薄凸透镜左边12cm 处，将另一焦距为6cm 的薄凸透镜放在第一个透镜右侧30 cm 处，最后成像的性质是：（ E ） A 、倒立的实像； B 、 放大的虚像； C 、 放大的实像； D 、 缩小的虚像； E 、成像于无穷远处。
5. 假定汽车车灯的波长是500nm 的绿光，汽车两个前车灯的间距为1.22m ，人眼在夜间的瞳孔直径D ＝5mm ，考虑光波衍射所产生的影响，人眼能区分两只汽车前灯的最大距离是多少公里（ C ）？A 、1km ；B 、3km ；C 、10km ；D 、30km ；E 、100km 。
6. 对于理想光具组基点和基面的描述，以下说法错误的是（ B ） A. 主点是一对共轭点； B. 焦点是一对共轭点；C. 节点是一对共轭点；D. 两主平面上的任一对等高点共轭。
东南大学现代光学基础2011-12A答卷
东南大学考试卷（A卷）课程名称现代光学基础考试学期11-12-2 得分Array适用专业考试形式闭卷考试时间长度120分钟一．选择和填空题(共18题，共36分，每题二分)1. 将扬氏双缝干涉实验装置放入折射率为n的介质中，其条纹间隔是空气中的（ A ）A. 1/n倍B. n 2倍C. n倍D. 以上结果都不对2. 由折射率为n = 1.65 的玻璃制成的薄凸透镜，前后两球面的曲率半径均为40cm，其像方焦距约等于多少cm ？（ D ）A. 20B. 21C. 25D. 313.为使透镜（n=1.5）达到增透的目的，在其表面镀一层氟化镁（n=1.38）薄膜。
若可见光的中心波长为500nm，则该薄膜的厚度至少为：（ C ）A. 5nm；B. 30nm；C. 91nm；D. 250nm。
4. 一波长为5000Å的单色平行光，垂直射到0.02cm宽的狭缝上，在夫琅禾费衍射花样中心两旁第二条暗纹之间的距离为3mm，则所用透镜的焦距为（ D ）A. 60mmB. 60cmC. 30mmD. 30cm5. 将一等腰直角棱镜( n1=1.50)置于水中( n2=4/3)，光垂直入射于一直角面上，则光在镜斜面上:（ B ）A. 将发生全反射；B. 不能发生全反射；C. 可能发生全反射；D. 无法判定能否发生全反射。
6. 凹面反射镜的曲率半径为40cm ，如果一实物经过该凹面反射镜产生放大的倒立的实像，则物体到面镜的距离可能是: （ C ）A. 10cm；B. 20cm；C. 30cm；D. 40cm。
7.单缝衍射装置中将缝宽增大一倍，则中央衍射极大光强增至原来得（4 ）倍。
共6 页第1 页8. 在菲涅耳圆孔衍射中，对轴线上P点圆孔只能露出3个菲涅耳半波带，设每个半波带对P点的振幅贡献均为a，则P点的合振幅为( B ).A，0；B，a；C，3a；D，2a9. 游泳池的实际水深比站在池边的人所感觉到的水深要（A ）：A，更深：； B，更浅； C，不变； D，不能确定。
现代分析技术：1-光学显微镜
人类历史上第一次观察到的细胞
现代分析技术
显微镜发展过程3
• 19世纪70年代，德国阿贝奠 定了显微镜成像的波动光学 理论基础
• 1880s，蔡司显微镜——现 代小型生物显微镜原型
• 1850，出现偏光显微镜 • 1893，出现干涉显微镜 • 1935，出现相衬显微镜 • 1931，发明电子显微镜 • 1989，发明扫描隧道显微镜
• 载物台：放置样品
• 粗调旋钮、微调旋钮
– 调节样品与物镜距离， 使其清晰成像
• 光源
– 提供照射样品的光线 – 一般采用可见光，波长
380~780nm – 特殊情况下采用紫外光
现代分析技术
物镜(objective)
• 第一个接收到被观测样品 光线的透镜
• 对样品进行初步放大 • 决定显微镜分辨率的关键
N2
N1
B
B2
B1
现代分析技术
纵向球差
• 纵向球差：边缘光线的 像点和傍轴光线像点的 距离差。
B
–正球差，光线从左到右， 边缘光线像点在近轴光 线像点左边，凸透镜。
–负球差，光线从左到右， 边缘光线像点在近轴光 线像点右边，凹透镜。 B
N2 N1 B2 B1
B1 B2
现代分析技术
横向球差
• 横向球差：边缘光线在傍轴光线的成像面上与光轴的距离。
究中心的
沙粒，放大4倍。 摄影：王言平，中国北京天文馆
现代分析技术
光学显微镜成像举例
破裂的砷化镓太阳能电池膜，放大50倍 摄影：丹尼斯•卡拉汉(Dennis Callahan)
美国加州理工学院
微芯片表面三维结构，放大500倍 摄影：阿尔弗雷德•帕西卡(Alfred Pasieka)
东南大学现代光学基础2013-14试卷A
东 南 大 学 考 试 卷（ A 卷）课程名称 现代光学基础 考试学期 13-14-2 得分 适用专业 考试形式 闭卷 考试时间长度 120分钟一．选择和填空题(共18题，共36分，每题二分) 1．在尖劈所生成的等厚干涉图样中，若尖劈的顶角加大，则干涉条纹间距将[ ]. A. 增大； B. 减小； C. 不变； D. 不确定。
2．菲涅耳小圆屏衍射图样的中心是[ ]. A. 亮点； B. 暗点； C. 不确定； D. 随接受屏至衍射屏的距离的变化而发生交替的亮暗变化。
3．用会聚透镜对实物进行成像时，如希望获得一倒立放大的实像，实物必须位于透镜前[ ] A. 一倍焦距外到二倍焦距内； B. 二倍焦距以远； C. 一倍焦距内； D. 无法确定。
4． 自然光以60°的入射角照射到某两介质交界面时，反射光为完全线偏振光，则折射光为[ ] A. 部分偏振光且折射角是30°. B. 完全线偏振光且折射角是30°. C. 部分偏振光，但须知两种介质的折射率才能确定折射角． D. 完全线偏振光, 但须知两种介质的折射率才能确定折射角. 5．两偏振片堆叠在一起，一束自然光垂直入射其上时没有光线通过．当其中一偏振片慢慢转动180°时透射光强度发生的变化为[ ]。
A ．光强先增加，后减小，再增加． B ．光强先增加，后又减小至零．C ．光强单调增加．D ．光强先增加，然后减小，再增加，再减小至零．6. 某水箱里注水(n=1.333)深2m ，箱底有一硬币，则硬币的像似深度为[ ]A ，1m ；B ，2m ；C ，1.5m ；D ，2.666m7．在单缝夫琅禾费衍射实验中，若减小缝宽，其他条件不变，则中央明条纹[ ]A. 宽度变小；B. 宽度变大；C. 宽度不变，且中心强度也不变；D. 宽度不变，但中心强度变小。
8．某元素的特征光谱中含有波长分别为λ1＝450 nm和λ2＝750 nm (1 nm＝10-9m)的光谱线．在光栅光谱中，这两种波长的谱线有重叠现象，重叠处λ2的谱线的级数将是[ ]A. 2 ，3 ，4 ，5 ．．．．．．B. 2 ，5 ，8 ，11．．．．．．C. 2 ，4 ，6 ，8 ．．．．．．D. 3 ，6 ，9 ，12．．．．．．9．光的干涉和衍射现象反映了光的________性质．光的偏振现像说明光波是__________波。
《显微镜》ppt课件
吸收滤色镜 暗场聚光镜
汞灯 激发滤色镜
落射荧光显微镜原理
三、相 衬 显 微 镜
光线只有通过染色标本时其波长、振幅发生变化， 人眼才能看见。
活细胞和未染色的标本由于光的波长和振幅不发生 变化，人眼看不到，但其相位有变化，因此利用光 的干涉和衍射效应把透过标本不同区域的光波光程 差转变成振幅差，使细胞内各种结构之间呈现清晰 可见的明暗对比。
一般情况下，物镜的数值孔径赿大，其工作距离赿小。
四、像 差 和 色 差
(一) 像差
1．球差( spheric aberration ) 2．彗差(broom aberration) 3．像散(astigmatism) 4．场曲 5．畸变(distortion)
(二) 色差
(一)、像 差 (aberration)
较高数值孔径 干物镜
油
油
最高数值孔径 油浸物镜
(三) 分 辨 率
分辨率：显微镜的最重要参数，能够区分开两 个质点的最小距离。
0.61λ D=
N•sinα/2
D：分 辨 率 λ ：光波的波长 N：介质折射率 α ：物镜镜口角
N与D成反比 ，λ与D成正比
提高显微镜分辨率的方法
（1）增大物镜的数值孔径 在物镜和盖玻片之间充以n 较大的油，如香柏油n =1.52,
光轴 透镜的彗差
透镜
3．像 散 (astigmatism)
远离光轴的物点发出的光，即使是以细光束成像也不可能 会聚于一点，而是在像空间不同的成像面上或者成椭圆弥 散斑，或者在特殊位置形成圆形弥散斑，甚至是形成两个 垂直方向上的短亮线，这种成像缺陷称为像散。
一般来说，透镜像散随透镜形状、光阑位置而异，可以用 正、负透镜适当组合而消除。
近场光学1
第八章
近场光学
胡国华 东南大学先进光子学中心
1
第一节：
近场光学及近场光学显微镜 概述
2
一、近场光学及近场光学显微镜概念
近场光（表面波）
•近场：从物体表面到一个波长以内的距离。 •远场：从近场以外一直延伸到无穷远的区域。
3
一、近场光学及近场光学显微镜概念 1、近场光学：
E ( x, z Z ) du exp[i
2 2 ux]exp[i (1 u 2 )(Z )]
du '4 E0 cos u0' d (sin u ' L / u ')exp[i
2 2 (1 u '2 ) ]sin(u u ')l /(u u '))exp[i (u u 2 ) x]
三、近场光学显微镜概述
用近场光学显微镜观察硅表面
22
23
三、近场光学显微镜概述
（a）是美国标准局用原子力显微镜检测直径为100nm聚 乙烯材料的像，分辨率为1nm （b）采用近场光学显微镜观测的影像，分辨率为20nm。24
三、近场光学显微镜概述
电解液中得到的硫酸根离子吸附在 铜单晶(111)表面的图象
一、辐射场和隐失场
E( x, y, z)=A( x, y, z)exp[-i(kx x kx y kz z)]
• 隐失场的表达式 ：
-z E ( x, y, z, t ) A( x, y, z )exp[-i(k x x k x y)]exp( ) Rd
36
二、隐失场理论
1、隐失场的特征
0.610 y n sin
显微镜的四大光学原理 显微镜如何操作
显微镜的四大光学原理显微镜如何操作一．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亮物体时，则发生折射现像，这是由于光在不同介质的传播速度不同造成的。
当与透亮物面不垂直的光线由空气射入透亮物体一．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亮物体时，则发生折射现像，这是由于光在不同介质的传播速度不同造成的。
当与透亮物面不垂直的光线由空气射入透亮物体（如玻璃）时，光线在其介面更改了方向，并和法线构成折射角。
二．透镜的性能透镜是构成显微镜光学系统的最基本的光学元件，物镜、目镜及聚光镜等部件均由单个和多个透镜构成。
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，在像方空间的焦点，称“像方焦点”，该处的焦平面，称“像方焦平面”。
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．影响成像的关键因素—像差由于客观条件，任何光学系统都不能生成理论上理想的像，各种像差的存在影响了成像质量。
下面分别简要介绍各种像差。
1．色差色差是透镜成像的一个严重缺陷，发生在多色光为光源的情况下，单色光不产生色差。
白光由红橙黄绿青蓝紫七种构成，各种光的波长不同，所以在通过透镜时的折射率也不同，这样物方一个点，在像方则可能形成一个色斑。
光学系统最紧要的功能就是消色差。
色差一般有位置色差，放大率色差。
位置色差使像在任何位置察看都带有色斑或晕环，使像模糊不清。
而放大率色差使像带有彩色边缘。
2．球差球差是轴上点的单色相差，是由于透镜的球形表面造成的。
球差造成的结果是，一个点成像后，不在是个亮点，而是一个中心亮边缘渐渐模糊的亮斑，从而影响成像质量。
东南大学电子学院《现代光学基础》补充内容4——矢量光束
非均匀偏振光场
空变偏振光场
Adv. Opt. Photon. 1, 1 (2009).
5
矢量光场：概念、生成、传播和应用
研究矢量光场 研究矢量光场？ ？
频 波 率 长 频 域 位 相
光 场
空 域
偏振态
时 域
脉 冲 宽度/线型
振 幅
常规调控的手段主要涉及标量光场的振幅和位相等 调控光传播行为有效途径之一：采用以光子晶体为代表的人 工微结构材料
被动生成 被动生成
Mach-Zehnder干涉
Opt. Commun. 213, 241 (2002)
37
矢量光场：概念、生成、传播和应用
被动生成 被动生成
Sagnac干涉
Appl. Opt. 45, 8393 (2006)
基于Sagnac干涉仪的矢量光场激光谐振腔
38 38
矢量光场：概念、生成、传播和应用
被动生成 被动生成
梯形Sagnac干涉
Opt. Express 20, 21715 (2012).
基于梯形Sagnac干涉仪的任意空间 变化偏振光束
39
矢量光场：概念、生成、传播和应用
普通路径干涉
基于4f系统任意矢量光场的生成
Vector Field
分成两部分 将常规光场 将常规光场分成两部分 空变位相 携带 携带空变位相
34
1/4波片 Opt. Lett. 33, 95 (2008)
矢量光场：概念、生成、传播和应用
被动生成 被动生成
亚波长光栅 光纤
工作波长10.6 m Appl. Phys. Lett. 79, 1587 (2001) Opt. Lett. 27, 1141 (2002) Opt. Lett. 29, 238 (2004)
东南大学《现代光学基础》复习总结
《现代光学基础》复习总结第一章几何光学费马原理：光在指定的两点间传播，实际的光程总是一个极值。
即光沿光程为最小值、最大值或恒定值的路程传播，一般情况下，实际光程大多是极小值。
光在平面上反射不改变光的单心性，光在分界面上折射将破坏光的单心性。
在水面上沿竖直方向看水中物体时，像最清晰，像似深度y y n n y <='12，沿着倾斜角度较大的方向观看时，像的清晰度由于像散而受到破坏。
当光由光密介质射向光疏介质时，全反射临界角12arcsin n n i c =，光导纤维中光的入射临界角2221arcsin n n u -=。
通过测量棱镜的最小偏向角可计算棱镜的折射率，最小偏向角A i -=102θ，折射角22A i =，即折射率2sin2sinsin sin 021A A i i n +==θ。
球面镜反射：物像公式：f r s s '==+'1211，横向放大率ss y y '-='=β，球面镜反射将破坏光的单心性；球面镜折射：物像公式：r n n s n s n -'=-''，光焦度r n n -'=Φ，横向放大率n ns s y y '⋅'='=β，球面镜折射将破坏光的单心性。
物方焦距r n n n f -'-=，像方焦距r n n n f -''='，即n nf f '-='。
高斯物像公式：1=+''s f s f ，牛顿公式：()()f f f s f s x x '='-'-='；薄透镜成像：物像公式：221112r n n r n n s n s n -+-=-'，光焦度2211r n n r n n -+-=Φ，横向放大率ss y y '='=β，高斯公式：s f s f +''1=，牛顿公式：()()f f f s f s x x '='-'-='。
显微镜的基础介绍
显微镜的基本结构可分为光学系统和机械装置两大部分。
一、显微镜的光学系统显微镜的光学系统主要包括物镜、目镜、聚光镜和光源系统四个主要部件。
其次还包括滤光片、载玻片和盖玻片。
（一）物镜物镜一般都是在物镜转换器上旋着。
它是显微镜的最主要部件。
显微镜的放大及分辩作用主要由它来担当。
其优劣直接决定了显微镜的主要光学性能。
为了校正象差和色差（所谓象差是指所成的像与原物在形状上的差别；色差是指所成的像与原物在颜色上的差别），物镜都由多块透镜组成，而且放大倍数越高，结构越复杂。
一般的物镜所观察到的像面总是有些弯曲，即靠中间部分清晰，靠边缘部分比较模糊，要想让边缘清楚，需要调节显微镜的微调钮。
但是边缘部分清楚后，中间部分又变的模糊了。
这除了不便观察外，更主要地是无法对其进行摄影。
有鉴于此尼康开发了平场物镜可以较好地校正像面弯曲，使整个视场平坦,但其结构也相应地复杂些。
在有的尼康高倍物镜和油镜内还装有弹簧，在物镜前端受压时，镜头可以退缩回来。
这样一方面可以保护镜头，另一方面也不会把载玻片和盖玻片压碎。
这种物镜称为弹簧物镜。
（1） 1.物镜的分类显微镜的物镜虽然细分起来多达数百种，但是一般可采用下述三种分法：根据象差消正情况可分三类：A.消色差物镜：这是最常见的物镜，虽然能完全校正光谱中的C线（红光）和F线（青光）的色差，但严格地说还不能完全矫正其他色光的色差，消色差物镜通常与惠通斯目镜配合。
B.复消色差的物镜：这种物镜中的透镜一部分用荧石制成，性能很高，能使光谱中的红光、蓝光和黄光在同一焦平面上成象，通常与补偿目镜配合使用。
C.平场物镜：以上两种物镜都存在共有的缺点，即是象面弯曲问题（场曲）。
由于场曲的存在而使视场边缘的象模糊不清，为此科学工作者前后又研制成功了平场消色差物镜和平场复消色差物镜。
所谓平场消色差物镜就是将物镜的场现象消除到最小程度，使视场边缘部分同样得到清晰的象，不过这种物镜的结构较为复杂，从设计到制造到增加了困难，尤其是平场复消色差物镜，它是在光学系统中加入弯月形厚透镜用来矫正物镜的象面弯曲。
现代电子显微分析第一章电子光学基础选编
加速电压的大小决定了电子运动的速度
电子束在电位分界面（等电位面）的折射
与光的折射现象十分相似
当 电 子 从 低 电 位 区 V1 进 入 高 电 位区V2时，有折射角，也即电子 的运动轨迹趋向于法线。反之电 子的轨迹将离开法线。
2. 静电透镜 一定形状的等电位曲面簇可以使电子束聚焦成像。
光学显微镜和电子显微镜均是光学放大仪器，它们的 几何成像规律是一样的。不同之处：
①光源不同 ②透镜不同 ③环境不同
可见光
电子束 玻璃
电场或磁场 空气或油
真空
不同电子加速电压的电子波长
加速电压(KV)
20 30 50 100 200 1000
λ不修正 (nm)
0.00859 0.00698 0.00548 0.00388 0.00275 0.00123
1.3.4 电磁透镜的光学性质 1）电磁透镜物距、像距和焦距三者关系与光镜相似：
11 1 uv f
u - 物距；v - 像距；f - 焦距
放大倍数M
M f u f
2）电磁透镜的焦距可用下式近似计算
f
16
3 3
mRU e(NI )2
R—透镜半径；U—电子加速电压;NI — 电磁透镜的激磁安匝数，m —电子的质 量；e —电子电荷
F
பைடு நூலகம்
qv
B
式中，q-运动正电荷
v-正电荷运动速度
B-正电荷所在位置磁感应强度，与磁场强度H关系：B = H
F
qvB sin(v, B)
F力的方向垂直于电荷运动速度和磁感应强度所决定的平面， 按矢量叉积VB的左手法则来确定。
对电子而言，其带负电荷，F方向由BV决定，其 运动方式有如下几种情形：
东南大学现代光学基础2012-13试卷A答
东 南 大 学 考 试 卷（ A 卷）课程名称 现代光学基础 考试学期12-13-2得分适用专业考试形式闭卷考试时间长度 120分钟一．选择和填空题(共18题，共36分，每题二分)1．一个用折射率n=1.75的玻璃做成的凸透镜放入以下哪种介质中时, 其焦距最长 ( C )A. n=1.的空气B. n=1.33的水C. n=1.58的苯胺D. n=1.45的油2．如果你有如下四种透镜,你会选用哪二种以组成放大倍数尽量大的伽利略望远镜,以便现场观看体育比赛.( B )和( D )A. 像方焦距=5厘米的凸透镜B. 像方焦距=10厘米的凸透镜C. 像方焦距=1厘米的凸透镜D. 像方焦距= －1厘米的凹透镜3．做实验时,如果想用一单色自然光获得圆偏振光，应选用以下哪二种器件.( B ) 和（ A ）A. 1/4波片B. 偏振片C. 1/8波片D. 1/2波片 4．做夫琅和费圆孔衍射实验时,如果将圆孔的直径增加一倍,则爱里斑中心位置的光强将 ( D )A.为原来的二倍B.为原来的四倍C.为原来的八倍D.为原来的十六倍5．将波长为λ的单色光从空气垂直入射到折射率为n 的透明介质膜上，要使反射光得到加强，薄膜的厚度最少应为( A ) A.λ/4n ； B.λ/2n ； C.λ/4； D.λ/2。
6. 一块衍射光栅总宽为3cm ，以波长为600nm 的光垂直照射，第二级主极大出现于衍射角为300处。
则光栅的总刻度线数为 （ A ） A. 1.25×104 B. 2.5×104 C. 6.25×103 D. 9.48×1037．某种透明媒质对于空气的临界角(指全反射)等于45°，光从空气射向此媒质时的布儒斯特角是 ( D )A. 35.3°；B. 40.9°；C. 45°；D. 54.7°8．在杨氏双缝干涉实验中，若单色光源S到双缝S1和S2的距离相等，则观察屏上中央明条纹位于图中O处，现将光源S向下移动到示意图中的S’位置，则( B )A. 中央明纹向上移动，且条纹间距增大；B. 中央明纹向上移动，且条纹间距不变；C. 中央明纹向下移动，且条纹间距增大；D. 中央明纹向下移动，且条纹间距不变。
显微镜
提高显微镜分辨率的方法： 提高显微镜分辨率的方法：
（1）增大物镜的数值孔径 在物镜和盖玻片之间充以n 较大的油，如香柏 较大的油， =1.52,不仅使 增大， 油n =1.52,不仅使n 增大，而且孔径角α 也增大。 也增大。 （2）用短波长的光照射 如紫外光显微镜，电子显微镜。 如紫外光显微镜，电子显微镜。
3.2分辨率(鉴别距离)：显微镜能分辨的最小距离，用D 3.2分辨率(鉴别距离)：显微镜能分辨的最小距离，用D表示。 显微镜的鉴别距离越小，分辨率越高。
D=0.61λ/ n sin α
D：分辨率 λ:光波的波长 n:介质折射率 λ:光波的波长 n:介质折射率 α:物镜镜口角 α:物镜镜口角
3.3孔径角：由标本上一点发出的进入物镜最边缘光线L 3.3孔径角：由标本上一点发出的进入物镜最边缘光线L和进入 物镜中心光线OA之间的夹角α 物镜中心光线OA之间的夹角α称为孔径角。 3.4数值孔径(N.A)：令N·A 3.4数值孔径(N.A)：令N·A = nsin α, 叫物镜的数值孔径。
人眼 0.2mm/250mm 光学显微镜：0.2um 光学显微镜：0.2um 电子显微镜：0.2nm 电子显微镜：0.2nm
1.显微镜的发展 1.显微镜的发展
1.1 人眼：人眼观察物体的能力是有限的。 一 人眼：人眼观察物体的能力是有限的 。 般的情况下， 25cm的明视距离内 ， 般的情况下 ， 在 25cm 的明视距离内， 人眼只 能分辨相距0 能分辨相距0.1-0.2mm的两个物体。也就是说， mm的两个物体。也就是说， 当两个物体相距不到0 mm的时候， 当两个物体相距不到0.1mm的时候，人眼就会 把它们看成是一个物体了。 把它们看成是一个物体了 。 这个极限便称为 人眼的分辨本领。 人眼的分辨本领。 人眼视锥细胞直径为4 微米 ， 人眼视锥细胞直径为 4 微米， 对应的视 角约为30 秒 这个角度就是视角的极限。 角约为 30秒 ， 这个角度就是视角的极限 。 一 般要能清晰的分辨两个点，视角须在1分以上。 般要能清晰的分辨两个点，视角须在1分以上。 高 1 米的物体距眼睛3400 米时， 视角为1 分 。 米的物体距眼睛 3400米时 ， 视角为 1
什么是光学显微镜、电子显微镜及两者的区别
什么是光学显微镜、电子显微镜及两者的区别来源：金相显微镜 显微镜是一种精密的光学仪器，已有300多年的发展史。
自从有了显微镜，人们看到了过去看不到的许多微小生物和构成生物的基本单元——细胞。
什么是光学显微镜：光学显微镜是利用光学原理，把人眼所不能分辨的微小物体放大成像，以供人们提取微细结构信息的光学仪器。
什么是电子显微镜：电子显微镜是以电子束为照明源，通过电子流对样品的透射或反射及电磁透镜的多级放大后在荧光屏上成像的大型仪器，而光学显微镜则是利用可见光照明，将微小物体形成放大影像的光学仪器。
光学显微镜与电子显微镜的区别：概括起来，电镜与光镜主要有以下几个方面的区别：1.照明源不同。
电子显微镜所用的照明源是电子枪发出的电子流；而光学显微镜的照明源是可见光(日光或灯光)，由于电子流的波长远短于光波波长，故电镜的放大及分辨率显著地高于光镜。
2.透镜不同。
电子显微镜中起放大作用的物镜是电磁透镜(能在中央部位产生磁场的环形电磁线圈)；而光学显微镜的物镜则是玻璃磨制而成的光学透镜。
电子显微镜中的电磁透镜共有三组，分别与光镜中聚光镜、物镜和目镜的功能相当。
3.成像原理不同。
在电子显微镜中，作用于被检样品的电子束经电磁透镜放大后打到荧光屏上成像或作用于感光胶片成像。
其电子浓淡的差别产生的机理是，电子束作用于被检样品时，入射电子与物质的原子发生碰撞产生散射，由于样品不同部位对电子有不同散射度，故样品电子像以浓淡呈现；而光学显微镜中样品的物像以亮度差呈现，它是由被检样品的不同结构吸收光线多少的不同所造成的。
4.所用标本制备方式不同，电子显微镜观察所用组织细胞标本的制备程序较复杂，技术难度和费用都较高，在取材、固定、脱水和包埋等环节上需要特殊的试剂和操作，最后还需将包埋好的组织块放人超薄切片机切成50～100nm厚的超薄标本片；而光学显微镜观察的标本则一般置于载玻片上，如普通组织切片标本、细胞涂片标本、组织压片标本和细胞滴片标本等。
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OUTLINE
7.1 Optical Microscopy 7.2 Confocal Microscopy 7.3 Applications of Confocal Microscopy in Biomedicine
7.1 Optical Microscopy
Three goals:
produce a magnified image of the specimen, separate the details in the image, render the details visible to the human eye or camera.
第七章 共焦显微光学
Chapter 7 Confocal Microscopy Optics
东南大学先进光子学中心 Advanced Photonics Center Southeast University
崔一平 CUI Yiping Cyp@
355
532
3.0
1.0 Ti:Sapphire
2535
188
790 395 790
2.0 2.0 0.8
506 1012 81
Pinhole
Scanning System
Detectors
Resolution and Contrast
Response of A Optical System Point Spread Function (PSF) The properties of the intensity point spread function in the image plane as well as in the axial direction are major factors in determining the resolution of a microscope. Intensity point spread function extends in all three dimensions Lateral components of the intensity distribution: Airy disk.
Image appears on same side of lens as object, cannot be projected onto a screen: virtual image (upright, not inverted).
Light reflected from the rose enters the lens in straight lines, refracted and focused by the lens to produce a virtual image on the retina. Image of the rose magnified: perceive actual size of object to be at infinity; eyes trace light rays back in straight lines to virtual image
Resolution and Contrast
Resolution and Contrast
Order Zero Crossings 3.8 7.0 10.2 Peaks I 100 1.7 0.4
1 2 3
4
13.3
0.2
Resolution and Contrast
Resolution and Contrast
Simple single lens devices that are often hand-held, such as a magnifying glass. Multiple-lens designs with objectives and condensers (compound)
Microscopy: History
Resolution and Contrast
Axial Resolution Widefield Microscope: No optical sectioning capability (a) Confocal Microscope: Optical sectioning capability (b)
advances in fluorochrome stains and monoclonal antibody techniques: explosive growth in the use of fluorescence microscopy in both biomedical analysis and cell biology. optical microscope most important biomedical optic
f< So < 2f
Image formation on Retina
do~25cm
Combination of Lens and Eye
Simple microscope: bi-convex lens, image perceived by eye as if it were at a distance of 10 inches or 25 centimeters (near point)
Human Medulla
Rabbit Muscle Fibers
sunflower pollen grain
Lasers
The far field begins at a distance, z, defined by
(A(0) is the beam diameter at the exit aperture and is the laser wavelength)
Simple Compound
Microscopy: History
Microscopy: History
Microscopy: Importance
Biomedical sciences: overall morphological features of specimens; quantitative tool
Combination of Lens and Eye
MP = doD at l = f; Decrease l or L, increase MP: MP = doD + 1 at l = 0; L= do Increase l or L, decrease MP (D = 1/f); do = near pt~25 cm
In Widefield Microscope Rayleigh criterion for resolution states that two points are resolved when the first minimum (zero crossing) of one Airy disk is aligned with the central maximum of the second Airy disk. The contrast value is 26.4 percent rlateral = 0.6 / NA
Forensic scientists: hairs, fibers, clothing, blood stains, bullets, and other items associated with crimes
Simple Magnification
So >>>2f
So > 2f
So = 2f
Benefits of Confocal Microscopy
Reduced blurring of the image from light scattering Increased effective resolution Improved signal to noise ratio Z-axis scanning, Depth perception in Zsectioned images Magnification can be adjusted electronically
Resolution and Contrast
In confocal configurations Pointwise Illumination Scanning + Pointwise Detection PSFconf.=PSFillum.*PSFdetc. ~70%*PSFwidefield Therefore, rlateral = 0.4 / NA
Explosive growth in physical and materials sciences; semiconductor industry,
observe surface features of high-tech materials and integrated circuits
Control depth of field Elimination or reduction of background information away from the focal plane Capability to collect serial optical sections from thick specimens
z = A02/
Wavelength(nm)
Beam Diameter(mm) Argon-Ion
Far Field Distance(cm)
488 514
0.6 1.0 Helium-Neon
74 195
543
594 612 632
0.4
0.7 0.7 0.7 Nd:YAG
30
Confocal Microscopy