光學(xué)顯微鏡的成像原理

2020-09-04 09:34:29

光學(xué)顯微鏡是一種利用光學(xué)透鏡產(chǎn)生影像放大效應(yīng)的顯微鏡。

由物體入射的光被至少兩個(gè)光學(xué)系統(tǒng)(物鏡和目鏡)放大。首先物鏡產(chǎn)生一個(gè)被放大實(shí)像,人眼通過作用相當(dāng)于放大鏡的目鏡觀察這個(gè)已經(jīng)被放大了的實(shí)像。一般的光學(xué)顯微鏡有多個(gè)可以替換的物鏡,這樣觀察者可以按需要更換放大倍數(shù)。這些物鏡一般被安置在一個(gè)可以轉(zhuǎn)動(dòng)的物鏡盤上,轉(zhuǎn)動(dòng)物鏡盤就可以使不同的目鏡方便地進(jìn)入光路,物鏡盤的英文是Nosepiece,又譯作鼻輪。

十八世紀(jì),光學(xué)顯微鏡的放大倍率已經(jīng)提高到了1000倍,使人們能用眼睛看清微生物體的形態(tài)、大小和一些內(nèi)部結(jié)構(gòu)。直到物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)了放大倍率與分辨率之間的規(guī)律,人們才知道光學(xué)顯微鏡的分辨率是有極限的,分辨率的這一極限限制了放大倍率的無(wú)限提高,1600倍成了光學(xué)顯微鏡放大倍率的*高極限,使得形態(tài)學(xué)的應(yīng)用在許多領(lǐng)域受到了很大限制。

光學(xué)顯微鏡的分辨率受到光波長(zhǎng)的限制,一般不*過0.3微米。假如顯微鏡使用紫外線作為光源或物體被放在油中的話,分辨率還可以得到提高。

光學(xué)顯微鏡依樣品的不同可分為反射式透射式。反射顯微鏡的物體一般是不透明的,光從上面照在物體上,被物體反射的光進(jìn)入顯微鏡。這種顯微鏡經(jīng)常被用來(lái)觀察固體等,多應(yīng)用在工學(xué)、材料領(lǐng)域,在正立顯微鏡中,此類顯微鏡又稱作金相顯微鏡。透射顯微鏡的物體是透明的或非常薄,光從可透過它進(jìn)入顯微鏡。這種顯微鏡常被用來(lái)觀察生物組織。

光學(xué)顯微鏡依其聚光鏡(condenser)和物鏡(Objective)的設(shè)計(jì),可用來(lái)觀察不同的樣品。明視野(Brightfield)用來(lái)觀察薄的染色生物組織樣品,暗視野(Darkfield)功能的視野下,背景為黑色,能突顯樣品的細(xì)微面貌,觀察未染色樣品時(shí),如活細(xì)胞,可利用相位差(Phase)功能。另外還有微分干涉差(differential interference contrast,DIC)功能,都常搭配在光學(xué)顯微鏡上。

依光源的不同,還有螢光顯微鏡、共聚焦顯微鏡等類別。

 

顯微鏡成像原理

 

現(xiàn)在的光學(xué)顯微鏡的構(gòu)造非常的復(fù)雜精密,為了精準(zhǔn)成像,顯微鏡的光學(xué)路徑必須嚴(yán)謹(jǐn)?shù)脑O(shè)計(jì)與控制。盡管如此,光學(xué)顯微鏡的運(yùn)作原理是非常簡(jiǎn)單的。

*簡(jiǎn)單的物鏡是由高分辨率的玻璃鏡制成,有非常短的焦距,大概是160 mm左右,而產(chǎn)生了放大倒立成像,因此像是非常靠近試片來(lái)觀察,經(jīng)由對(duì)焦,其產(chǎn)生的是實(shí)像,不用經(jīng)由目鏡即可用肉眼看到,或者成像于紙張上。在多數(shù)的顯微鏡,目鏡是雙鏡組成的,一個(gè)在眼睛,產(chǎn)生虛像,使肉眼看到放大成像;一個(gè)則靠近物鏡,產(chǎn)生實(shí)像。

 

倒立顯微鏡

倒立顯微鏡是顯微鏡的一種,在穿透光觀察下,明視野用之照明光源和聚光鏡是來(lái)自機(jī)身上方,光線穿過聚光鏡到達(dá)樣品,再穿過位于樣品下方的物鏡,然后借由反射鏡和透鏡到達(dá)觀察者的眼睛或成像儀器。對(duì)螢光顯微鏡而言,螢光激發(fā)光源和物鏡同位于底部。由于激發(fā)光源可以是高功率大型雷射光源或弧光燈,倒立式的設(shè)計(jì)更能穩(wěn)定顯微鏡鏡的結(jié)構(gòu)。倒立顯微鏡常用于觀察培養(yǎng)中的細(xì)胞或組織,特別是應(yīng)用在螢光的生物樣品上。

 

解剖顯微鏡

解剖顯微鏡,又被稱為實(shí)體顯微鏡立體顯微鏡,是為了不同的工作需求所設(shè)計(jì)的顯微鏡。利用解剖顯微鏡觀察時(shí),進(jìn)入兩眼的光各來(lái)自一個(gè)獨(dú)立的路徑,這兩個(gè)光路徑夾了一個(gè)小小的角度,因此在觀察時(shí),樣品可以呈現(xiàn)立體的樣貌。解剖顯微鏡的光路設(shè)計(jì)有兩種:The Greenough ConceptThe Telescope Concept
解剖顯微鏡常常用在一些固體樣本的表面觀察,或是解剖、鐘表制作和小電路板檢查等工作上。

 

分類

正立顯微鏡

 正立顯微鏡是光學(xué)顯微鏡的一種,在穿透光觀察下,光源由機(jī)身下面經(jīng)過聚光鏡到達(dá)樣品,再穿過位于樣品上方的物鏡,然后借由反射鏡和透鏡到達(dá)觀察者的眼睛或其他成像儀器。正立顯微鏡物鏡和聚光鏡中間的空間較小,適用于正立顯微鏡觀察的物品,通常較薄,可夾于玻片中。正立顯微鏡的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,因此一般顯微鏡多屬此類。


正立顯微鏡上的基本部件
  1. 接目鏡 (ocular lens or eye-piece)

  2. 接物鏡轉(zhuǎn)輪(objective turret)或鼻輪(nosepiece)

  3. 接物鏡(objective lens)

  4. 粗調(diào)節(jié)輪 / 器(coarse adjustment knob)

  5. 細(xì) / 微調(diào)節(jié)輪 / 器(fine adjustment knob)

  6. 標(biāo)本夾載物臺(tái)(clip and stage)

  7. 反射鏡(mirror)

  8. 光圈與聚光鏡(condenser and diaphragm)