显微镜是如何把标本放大的(放大的概念)

2021-09-07 09:16:08 admin 8

显微镜是咋样把观察的物体放大的呢?

 物体放在显微镜载物台上,通过物镜的抓取,再传输到目镜筒上,我们就能看见标本的形态了,在通过物镜数值孔径时候,物镜的放大倍数和目镜的倍数,决定着标本的放大倍数。下面我们来聊聊,显微镜放大的原理吧。

一个简单的显微镜或放大镜(透镜)产生物体的图像,显微镜或放大镜聚焦在该物体上。简单的放大镜透镜是双凸透镜,这意味着它们的中心比外围厚,如图 1 中的放大镜所示。 眼睛感知图像时,就好像它在 10 英寸或 25 厘米的距离(参考,或传统常规观看距离)。

由于图像似乎与物体在镜头的同一侧,因此无法投影到屏幕上。这种图像被称为虚拟图像,它们看起来是直立的,而不是倒立的。图 1 展示了一个简单的放大镜是如何工作的。使用简单的双凸透镜观察物体(在这种情况下,主体是玫瑰)。从玫瑰花反射的光以直线进入晶状体,如图 1 所示。这些光被晶状体折射和聚焦,在视网膜上产生虚像。玫瑰的图像被放大,因为我们认为物体(玫瑰)的实际大小在无穷远处,因为我们的眼睛以直线将光线追踪回虚拟图像(图 1)。这将在下面更详细地讨论。

简单放大

探索简单的放大镜如何操作以增加物体的感知尺寸。

当您看显微镜时,您不是在看标本,而是在看图像标本的。图像似乎“漂浮”在插入目镜的观察管顶部下方约 10 毫米处(在目镜固定光圈的水平面)。你观察到的图像是无形的;它无法掌握。它是一个“地图”或样本的各种颜色和/或从黑色到白色的灰色阴影的表示。期望图像将是标本的准确表示;精确到细节、形状和颜色/强度。其含义是很可能(并且正在)生成高度准确的图像。相反,通过不正确的技术或糟糕的设备可能(并且经常)很容易使图像质量下降。

要了解显微镜镜头的功能,您应该回忆一下镜头在成像过程中的一些基本原理。我们现在将使用简单的双凸透镜回顾几种不同的成像场景:

来自距离凸透镜前部很远的物体的光(我们假设我们的“物体”是图 2 中所示的长颈鹿)将在透镜后面的固定点聚焦。这被称为镜头焦点我们都熟悉“燃烧玻璃”的想法,它可以聚焦来自太阳的基本平行光线,在一张纸上烧一个洞。焦点所在的垂直平面是焦平面

凸透镜中心到焦平面的距离称为焦距(对于理想化的对称薄凸透镜,该距离在透镜前后是相同的。)我们的长颈鹿图像现在出现在焦平面上(如图 2 所示)。图像小于物体(长颈鹿);它是倒置的,是能够在胶片上捕捉到的真实图像。用于普通风景摄影的相机就是这种情况。

图像放大

探索如何通过简单的薄双凸透镜放大长颈鹿的图像。

物体在镜头前被带到两倍焦距处。图像现在位于镜头后面两个焦距处,如图 4 所示。它与物体大小相同;它是真实的和倒置的。

物体现在位于镜头前一到两个焦距之间(如图 5 所示)。现在图像离镜头后部更远了。这次,图像被放大,比物体大;它仍然是倒置的,它是真实的。本案例描述了显微镜中使用的所有有限管长物镜的功能。这种有限管长物镜将真实、倒置和放大的图像投射到显微镜的镜筒中。该图像在目镜中的固定光圈平面处聚焦。从物镜(不一定是其后透镜)的后焦平面到目镜固定光圈平面的距离称为物镜光管长度

在最后一种情况下,物体位于凸透镜的前焦平面上。在这种情况下,光线从透镜平行射出。图像与物体位于镜头一侧,看起来是直立的(见图 1)。该图像是虚拟图像,看起来好像距离眼睛 10 英寸,类似于简单放大镜的功能;放大系数取决于镜头的曲率。

上面列出的最后一个案例描述了显微镜观察目镜的功能。目镜检查的“物体”是物镜投影的放大、倒置、真实的图像。当人眼放在目镜上方时,眼睛的晶状体和角膜“看”这个二次放大的虚像,看到这个虚像就好像它离眼睛 10 英寸,靠近显微镜的底部。

这个案例还描述了现在广泛使用的无限远校正物镜的功能。对于此类物镜,物体或样本正好位于物镜的前焦平面上。来自这种透镜的光从每个方位角以平行光线的形式出现。为了使这些光线聚焦,显微镜主体或双目观察头必须在物镜和目镜之间的光路中加入一个管透镜,旨在使物镜形成的图像聚焦在物体的平面上。目镜固定光圈。无限远校正物镜的放大倍数等于管镜的焦距(对于奥林巴斯设备,这是 180 毫米,尼康使用200mm焦距;其他制造商使用其他焦距)除以所用物镜的焦距。例如,奥林巴斯系列中的 10X 无限远校正物镜的焦距为 18mm (180mm/10)。

物镜焦距

了解放大倍率和镜筒长度的变化如何影响物镜焦距。

了解显微镜的一种简单方法是通过与我们大多数人都熟悉的幻灯机进行比较。想象一下幻灯机的一端打开,灯罩放在桌子上。来自灯泡的光通过一个聚光透镜,然后通过透明体,然后通过投影透镜到与投影透镜相距给定距离的光束成直角放置的屏幕上。该屏幕上的真实图像倒置(上下颠倒)并放大。如果我们把屏幕拿掉,用放大镜来观察空间中的真实图像,我们可以进一步放大图像,从而产生另一个或二级放大。

现在我们将更详细地描述显微镜的工作原理。显微镜的第一个镜头是离被检查物体最近的镜头,因此被称为物镜来自外部或内部(显微镜体内)光源的光首先通过台下聚光镜,形成一个清晰的光锥,集中在物体(标本)上。光穿过样品并进入物镜(类似于上述投影仪的投影镜头),然后将样品的真实、倒置和放大图像投影到显微镜内的固定平面,称为中间图像平面(如图 6 所示)。目标有几个主要功能:

  • 物镜必须收集来自样品各个部分或点的光。

  • 物镜必须能够将来自样品各个点的光重新组成图像中的各个对应点(有时称为反点)。

  • 必须构造物镜,使其聚焦到足够靠近标本的位置,以便将放大的真实图像投射到体管中。

中间像平面通常位于显微镜镜筒顶部下方约 10 毫米处,位于目镜固定内光阑内的特定位置物镜后焦平面与中间图像之间的距离称为光管长度请注意,该值与显微镜机械管长度不同,后者是物镜转盘(安装物镜的地方)到插入目镜(目镜)的观察管顶部边缘之间的距离。

目镜或目镜安装在上端的镜筒中,是离样品最远的光学组件。在现代显微镜中,目镜通过显微镜观察管顶部的肩部固定到位,以防止其掉入管中。目镜的放置使其眼睛(上)透镜进一步放大物镜投影的真实图像。观察者的眼睛在距离眼睛 10 英寸(25 厘米)的地方看到这个二次放大的图像;因此,这个虚拟图像看起来好像靠近显微镜的底部。在有限管长系统中,从显微镜观察管顶部到物镜肩部(它适合物镜转换器的位置)的距离通常为 160 毫米。如上所述,这被称为机械管长度。目镜有几个主要功能:

  • 目镜用于进一步放大物镜投影的真实图像。

  • 在目视观察中,目镜产生二次放大的虚像。

  • 在显微摄影中,它产生由物镜投射的二次放大的真实图像。这种增强的真实图像可以投影到相机中的摄影胶片上,或投影到目镜上方的屏幕上。

  • 目镜可以安装刻度、标记或十字准线(通常称为分划线、分划线或分划线),这样这些插入物的图像可以叠加在样品的图像上。

决定图像放大量的因素是物镜放大率,它是在物镜光学元件的构造过程中预先确定的。物镜通常具有从 1:1 (1X) 到 100:1 (100X) 的放大倍率,最常见的放大倍率为 4X(或 5X)、10X、20X、40X(或 50X)和 100X。显微镜物镜的一个重要特征是它们的焦距非常短,与普通手持镜头相比,可以在给定距离内提高放大倍率(如图 1 所示)。显微镜在放大方面如此高效的主要原因是由于光学组件的焦距很短,因此在如此短的光路上实现了两级放大。

目镜与物镜一样,根据其放大中间图像的能力进行分类。它们的放大倍数在 5X 和 30X 之间变化,最常用的目镜的值为 10X-15X。显微镜视觉放大倍数是通过将物镜和目镜的放大倍数相乘得出的。例如,使用 5X 物镜和 10X 目镜可产生 50X 的总视觉放大率,同样,在刻度的顶端,使用 100X 物镜和 30X 目镜可产生 3000X 的视觉放大率。

总放大倍数还取决于显微镜的管长。大多数标准固定管长显微镜的管长为 160、170、200 或 210 毫米,其中 160 毫米是透射光生物医学显微镜最常见的管长。许多设计用于半导体行业的工业显微镜的管长为 210 毫米。这些显微镜的物镜和目镜具有针对特定镜筒长度设计的光学特性,在不同镜筒长度的显微镜中使用物镜或目镜会导致放大倍数的变化(也可能导致镜头光学像差增加)错误)。无限远校正显微镜还有目镜和物镜,可根据显微镜的设计进行光学调整,

现代研究显微镜非常复杂,并且通常在显微镜外壳中内置了落射和透射照明器。这些显微镜的设计限制排除了将管长度限制在 160 毫米的物理尺寸,从而需要补偿显微镜主体和机械管的增加物理尺寸。这是通过添加一组平行透镜来缩短显微镜的表观机械管长度来完成的。这些额外的镜头有时会引入额外的放大倍数(通常约为 1.25-1.5X),在计算视觉和显微照片放大倍数时必须考虑到这一点。这个额外的放大系数被称为管系数在大多数显微镜制造商提供的用户手册中。因此,如果 5X 物镜与 15X 组目镜一起使用,则总视觉放大倍数变为 93.75X(使用 1.25X 管系数)或 112.5X(使用 1.5X 管系数)。

除了某些显微镜中使用的平行透镜外,制造商还可能提供额外的透镜(有时称为放大倍数转换器),可以将其旋转到光路中以增加放大倍数。这样做通常是为了方便显微摄影的标本取景。这些镜头通常具有非常小的放大倍数,范围从 1.25X 到 2.5X,但使用这些镜头可能会导致空放大,图像被放大,但没有解决额外细节的情况。这种类型的错误在图 7 中用液晶 DNA 的显微照片进行了说明。图 7(a) 中的显微照片是用 20X 平面消色差物镜在数值孔径为 0.40 的偏振光下拍摄的,并以 10X 的系数放大。在这张显微照片中,细节清晰,焦点清晰,揭示了这种六边形填充液晶聚合物的许多结构细节。相反,右侧的显微照片(图 7(b))是用 4X 平面消色差物镜拍摄的,数值孔径为 0.10,并以 50X 的系数放大。

在选择目镜/物镜组合时应小心,以确保标本细节的最佳放大倍数,而不会增加不必要的伪影。例如,要实现 250X 的放大倍率,显微镜师可以选择一个 25X 目镜与 10X 物镜耦合。相同放大倍率的另一种选择是带有 25X 物镜的 10X 目镜。因为 25X 物镜具有比 10X 物镜(大约 0.25)更高的数值孔径(大约 0.65),并且考虑到数值孔径值定义了目标的分辨率,很明显,后者是最好的选择。如果使用上述每个物镜/目镜组合制作相同视场的显微照片,很明显,与替代组合相比,10x 目镜/25x 物镜组合将产生在标本细节和清晰度方面表现出色的显微照片。

有用总放大倍数的范围对于物镜/目镜组合,由系统的数值孔径定义。要解析图像中存在的细节,必须有一个最小放大倍数,并且该值通常被随意设置为数值孔径 (500 × NA) 的 500 倍。在光谱的另一端,图像的最大有用放大倍数通常设置为数值孔径 (1000 × NA) 的 1000 倍。高于此值的放大倍数不会产生更多有用信息或图像细节的更精细分辨率,并且通常会导致图像质量下降,如上所述。超过有用放大倍数的限制会导致图像出现空放大的现象(见图7(a)和(b)),其中通过目镜或中间管镜头增加放大倍数只会导致图像放大倍数,而细节分辨率没有相应增加。表 1 列出了位于有用放大倍率范围内的常见物镜/目镜组合。

有用放大倍数范围
(500-1000 × 物镜 NA)
目标
(不适用)
目镜
10倍12.5 倍15倍20 倍25倍
2.5 倍
(0.08)
---------XX
4X
(0.12)
------XXX
10X
(0.35)
XXXXX
25X
(0.55)
XXXX---
40X
(0.70)
XXX------
60X
(0.95)
XXX------
100 倍
(1.40)
XX---------
x = 良好的组合
表格1

这些基本原理构成了复合显微镜的操作和构造的基础,与放大镜或简单显微镜不同,它采用一组串联排列的透镜。在过去的几百年里,这些原则的阐述导致了当今精密仪器的发展。现代显微镜通常采用模块化设计,可互换部件用于不同目的;这种显微镜能够产生具有显着清晰度和对比度的从低到高放大率的图像。



通过这些阐述,我们对于显微镜的放大概念有木有初步的了解呢?

详细了解,敬请致电021-51602084.