15 目视光学系统.放大镜,显微镜

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
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
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。
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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
2 y 2 f tg k 0.5 500h 线视场 2 y 0lz
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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.
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：
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
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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如果使用10×的目镜， 则根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
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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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。
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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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。
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
NA
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。
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
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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
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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。
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。
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
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
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
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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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。
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
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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。
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。

tg眼
3
15.2 放大镜
2. 显微瞳位于显微系统 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
满足正弦条件有：n sin U y n sin U y
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