当前课程知识点：光电仪器设计 > 第6章 显微镜 > 6.4 显微镜成像原理、放大率及分辨率 > 6.4 显微镜成像原理、放大率及分辨率
大家好
这节课我们讲解显微镜的成像原理
放大率以及分辨率的概念
在上节课我们介绍了
显微镜的内部结构和光路
如这幅图所示
大家考虑一下
如果我们把它的成像系统抽象出来
从下至上
分别是样品
物镜
目镜和人眼
那么我们就可以得到这样的一幅光路
根据应用光学
或者几何光学里学过的基本的成像原理
我们知道
物镜的作用
是将样品放大以后的实像
成于中间像面上
而目镜的作用
是将中间像面的实像
成一个放大的虚像
最后我们眼睛的晶状体
将放大的虚像成于视网膜上
我们就看到了这个物体
那么显微镜总的放大倍率
应该是等于物镜的放大倍率
乘以目镜的放大倍率
从使用的角度上来说
如果我们知道
人眼在明视距离上
能够分辨的最小的间距
也就对应了我们能看清的虚像的间距是多少
如果我们又知道
样品上想分辨的最小的间距是多少的话
两者相除
就能够算出来总放大倍率的需求
然后就可以挑选合适的物镜
和目镜进行组合 观测
从标准化及最佳经济效益的观点出发呢
当前国际范围内的显微物镜
和目镜的放大倍数系列
都是按照优先数系来组合的
如这张表中所示
不过在实际的使用过程中
人们往往是边看边调
很少有人会预先设计好物镜和目镜的组合
具体的实验调节过程
我们将在后续的课程中介绍
如果不用人眼进行直接的观察
而是用面阵的探测器
比如说CCD
或者是CMOS
来接收物镜所成的实像的话
我们就把面阵探测器
放在中间像面的位置上
这个时候起放大作用的就只有物镜了
在计算所需的放大倍率的时候
我们用面阵探测器的像元尺寸
除以样品上想要分辨的最小间距
就可以了
那么根据理论推断
只要设计放大倍率足够大的物镜
以及目镜
是否无论多小的物体
我们都能够看清楚呢
可惜不是这样的
我们都知道
显微镜的分辨率是有上限的
那就是衍射极限
为了解释衍射极限
我们先看一个相关的概念
物镜的数值孔径
实际的成像系统
能够收集的光线都是有限的
对物镜来说
它的孔径光阑的大小
就限制了可以收集的光束的角度范围
像这张图中的α角所示
这个角也是成像的物方的孔径角
我们用物方的折射率
乘以物方孔径角的正弦
得到的就是数值孔径NA
在几何光学的理想成像系统中
一个点物是可以成一个点像的
这个点可以无限小
但是当我们考虑的问题
到达了光波长的量级
也就是几个微米以下的时候
光就会表现出波动性
受到衍射现象的影响
最小的点像
也是不可能小于衍射斑的大小的
而考虑到
显微镜多为圆形的孔径
点物通过物镜所成的像
也就是
物镜的圆形孔径的夫琅禾费衍射图形
所以衍射斑的大小
就可以用爱里斑的大小来计算了
爱里斑的大小与显微镜的数值孔径
以及成像的波长有关
如果我们把它换算到物方的话
满足这个公式
爱里斑的直径会等于1.22倍的波长
除以数值孔径NA
那么显而易见
当波长越短的情况下
或者是数值孔径越大的情况下
我们的爱里斑的尺寸就会越小
如果两个点物之间的距离离得比较近
比如说它们产生的爱里斑
第一级的极小重合的情况下
如这幅图所示
我们肯定还是能够分辨出来
这是两个点
因为这两个点的主极大是完全分开的
但是大家考虑一下
如果这两个物之间的距离继续接近
那么根据瑞利判据
当其中一个爱里斑的主极大中心
与它相邻的爱里斑的
第一级极小重合的时候
我们认为两个点刚刚好可以被分辨
这个时候得到的就是显微镜的分辨率
那么它应该等于爱里斑直径的一半
那如果我们用刚才那个公式
做一个简单的估算
我们就可以知道
由于可见光的波长
最短是400纳米左右
在不使用油浸物镜的情况下
显微物镜的数值孔径最大
也只能到接近1的程度
所以换算出来
可见光显微镜最高的分辨率
只能够到200纳米左右
回到前面物镜放大倍率选择的问题上
如果根据探测器的像元尺寸
和放大倍率
换算到物方的分辨率数值
已经小于这个衍射极限的数值的话
那么此时的分辨率是无效的
物镜的放大率也存在浪费
我们可以选择更低倍率的物镜
衍射极限是所有光学显微镜的
分辨率原理上的瓶颈
所以
如果不改变传统的成像方式
光学显微镜的分辨率
就不可能突破200个纳米
这样它的应用就非常的有限
那么后面我们将以STED
也就是受激发射耗损荧光显微镜技术为例
来详细地介绍
怎样才能够突破这个衍射极限
来实现超分辨成像
-1.1 为什么要学光电仪器设计
-1.2 课程简介
--1.2 课程简介
-1.3 学习方法和课程要求
-2.1 误差基本概念
-2.2 误差表示方法
-2.3 实验设计方法
-2.4 误差分析实例
-2.5 仪器误差分配
-第2章-仪器误差分析与分配-练习题
-3.1 什么是阿贝误差
-3.2 阿贝误差的补偿
-3.3 工程应用中如何补偿阿贝误差
-3.4 光学自适应原则
-第3章-光电仪器设计原则-练习题
-A1 走进光学实验室
-A2 调整光线与导轨平行
-A3 针孔滤波和光束的扩束准直
-A4 干涉实验
--A4 干涉实验
-A5 光纤耦合
--A5 光纤耦合
-4.1 泰曼格林干涉仪与双频干涉仪
-4.2 双频干涉仪的位相测量方法
-4.3 双频激光干涉仪的组成与使用
-4.4 神奇的角锥棱镜和猫眼反射镜
-4.5 平面镜干涉仪
-4.6 几何量测量用干涉仪
-4.7 干涉仪安装
-访谈 双频激光干涉仪开发过程中的点点滴滴
-4.8 菲索面形测量干涉仪
-4.9 面形测量干涉仪新进展
-4.10 菲索干涉仪使用
-第4章-干涉仪-练习题
-5.1 光谱仪分类与指标
-5.2 与能量相关的指标
-5.3 全息光栅色散型光谱仪
-5.4 中阶梯光栅色散型光谱仪
-5.5 傅立叶变换光谱仪
-5.6 傅立叶变换光谱仪的参数计算
-5.7 外差型傅立叶变换光谱仪
-5.8 空间调制傅立叶变换光谱仪
-5.9 原子吸收分光光度计使用
-5.10 紫外分光光度计使用
-访谈 浅谈国产光谱仪的发展
-第5章-光谱仪-练习题
-6.1 显微镜发展历史
-6.2 典型显微图像及其功能
-6.3 显微镜的基本结构
-6.4 显微镜成像原理、放大率及分辨率
-6.5 物镜和目镜、成像像差
-6.6 光源和滤波片、照明方式
-6.7 显微镜的操作方法
-6.8 超高分辨率受激发射耗损（STED）显微镜技术
-6.9 相衬显微成像技术
-访谈 国产显微镜发展历程
-访谈 显微镜最新发展趋势
-第6章-显微镜-练习题
-7.1 飞秒激光频率梳
-7.2 飞秒光梳测距1
-7.3 飞秒光梳测距2
-7.4 飞秒光梳光谱分析
-7.5 激光跟踪仪原理
-访谈 激光跟踪仪的发展和应用
-7.6 激光跟踪仪的功能演示
-第7章-光电仪器新进展-练习题
-8.1 标准器概述与光波波长
-8.2 标尺和度盘
-8.3 莫尔条纹的几何解释
-8.4 莫尔条纹的衍射光学解释
-8.5 光栅读数头
-8.6 光栅尺参数设计和误差
-第8章-标准器-练习题
-9.1 横纵向瞄准
-9.2 读数测微系统
-9.3 光电瞄准
--9.3 光电瞄准
-9.4 纵向定位概述和共焦法
-9.5 其他纵向定位方法
-第9章-横纵向瞄准-练习题
-B1 相机原理与摄影入门
-B2 相机的变焦和对焦技术
-B3 单反相机的基本操作
-B4 复杂场景下的拍摄技巧
-B5 浅谈构图和后期处理
-课程总结
--课程总结
-期末答疑
-考试--期末考试
