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金相显微鏡的原理 日期:2019.05.17

一、显微镜的原理

众所周知,放大镜可以用来帮助眼睛观察微小的物体。我们先来讨论-下放大镜 的放大原理。


物体在人眼网膜上成象的大小,决定于物体对眼睛节点所对的角度0

 

这时,实物高为h,对眼睛的张角为0。正常人眼睛看物体时,适宜的距离大

约在250毫米左右,在这个距离(y =250毫米)眼睛可以很好地区分物体的细微部分而不过 度疲劳,因此,250毫米这个距离称为明视距离”。

 

通过放大镜后,高度为h的物体,视角变成了

所以,放大镜的放大率等于:

借放大镜所看到的视角9") 0^= h/f _ / =250

以眼睛看到物体在近点的视角(e) — — h// — f — f

由上图也可写成: 放火率--j = -2!0


由上可知,虽然透镜的焦距愈短,放大率就愈大,但实际上不可能用焦距f)很短的 放大镜来观察。透镜的曲率半径太小,眼睛所观察到的范围就更小,目像差愈显著,所以放 大镜一般均在20倍以下。若要再提高放大倍数,就必须用显微镜。

 

显微镜通常由物镜和目镱两次放大而得到倍数较高的放 大象。物体AB经物镜放大成象A/B%                                             经目镜放大成象

A"B"〇

  1. 物镜与目镜倍数的定义和选择依据 40/0.65——表示物镜40倍,数值孔径N,A. = 0,65

160/0——表示机械筒长为160毫米的金相用物镜,“ 0 ”

表示盖玻片的厚度=〇 (即表示没冇盖玻片)。

有的物镜标为160/0.17,表示该物镜用于盖玻片为0.17厚的透射光(生物)显微镜系统。 〇〇/——表示该物镜用于机械筒长为无限远的金相显微镜。

 

对于有限筒长:物镜放大倍数=>

对于机械筒长为无限远的系统:物泣放大倍数=

物镜焦Mi 物镜焦距

(对于机械筒长为无限远的系统,补结透镜焦距部标准已规定为250毫米。由上式可 知,物镜的焦g巨愈短,倍数也就愈大。

目镜放大倍数=人眼明视取」驾=-2 5 曰位撒目酿距目镜錢

显微镜的总放火倍数=物镜放大倍数X目镜放人倍H 物镜与0镜倍数的选择,主要M采用优先数系系列:

R5    系列   公比   5-\/101.6

R10 系列     公比   RIO-1Dv/lF 1.25

所以部标准规定:

物镜(倍数)系列:2.5X4 x6.3xlx16 x25 x4x63 xl〇〇x。 目镜(倍数)系列:6.3x8xlx12.5XlSx2x

优点:①优先数系中,任何一个数值均为优先数。

②优先数系中,任意两项之积或商,任意一项的整数开方或乘方,都为优先数。 @物镜与目镜组合后,可以多次重复出现常用的整数倍,如100父、400 乂、500 乂、 1000 X ••…•见下表

lOx

25 x

40 x

63 x

100X

8 x

80x

200 x

320 x

500 x

800 x

lx

100 x

250 x

400 x

63x

1000 x

12.5x

125 x

312 x

500 x

787 x

1250 x

16x

I60x

400 x

64x

1000 x

1600 x

 

优先系数 目前欧州、东德、西德在显微镜中都已广泛采用了优先数系来分配物镜和

目镜的倍率,国产显微镜也正在逐步过度采用,后完全采用。例如我们厂的}(JL—02立式

。和X J G04大型金相显微镜的所有物镜和目镜都已采用了优先数系系列的配置。

物镜的分类

例:本厂的4〇x消色差物镜40X/0.65 160/0,17的光学结构(见上图》)

  • 平场消色差(Planachromat )物镜t

除满足消色差〔对F—C消到2 ( d—D) 5N<^〕之外,还要求(见上图b )

Xs和Xt 1倍焦深,(Xs - Xt) ": 1倍焦深。

例:本厂的PC40X平场消色差物镜:PC40 X/0.65 〇〇/0的光学结构见上图c )

PC为“平场消色差”的代号。

  • 复消色差(AP〇chr〇mat )物镜:

除(F—C )消色差要求满足外,对(F—D )或(C—D )也要求消到2 ( d—D ) AN

  • 平场S消色差Plane—Field APochromat )物镜:

即除了满足以上平场的要求外,再加上复消色差的要求。对于彩色摄影”,当然 是釆用平场复消色差物镜。近年来,也有单位搞了半复消色差物镜”。

 

注:   C光  波长入= 6563埃

D光      入=5893玫

Ft    入二 4861 坎

  1. 显微镜的鉴别率(鉴别能力)

显微镜的鉴别率,主要是由物镜的鉴别能力所决定。对于鉴别能力不同的两个物镜,试 样的细微纟fl织都可以配成相同的倍数,冏样被放火若干倍。这样虽然几何放大-样,但对鉴 别力高的物镜,则能分辨出试样上相邻的2个点.而鉴别力低的物镜,我们只能看到连在一 片的轮廓而分不开相邻的2个点。

物错的鉴别率鉴别力:即物镜所能清晰分辨;丨丨物体相邻两点的小距离&,根据理 论推导,4得K式:

我们总是希望愈小愈好。由上式可知:

  1.  )鉴别率的极限波长成正比。波K; 越短,&也越小。
  2. ) &与数位孔径N.A.成反比。物镜的N.A越大,则&也越小。

山此可见,物铙的数值孔径及波长对鉴别率冇直接影响,其数值孔径越大,光的波长越 短,则物镜的鉴别率就越高。这样,在显微镜中就可以看到更细的粒子。

因此,金相显微镜常常附冇各种“滤色片”,一方面为了消除一些色差,另一方面有时 也用一些黄、绿、蓝等滤色片,把光的波长减短来观察,以提高鉴别能力。(滤色片与试样 颜色配合好还可提高衬度。

(4 )物镜的数值孔径(N.A.)与放大倍数的关系

数值孔径通常以N.A.表示。(N.A.Numerical Aperture的缩写。)它表征若

物镜的集光能力。上面已经说明,物镜的鉴别能力和数值孔径有很大关系,物镜的鉴别能力

主要决定于进入物镜的光线锥所张开的角度,即决定于其角孔径的大小,角孔径越大的物镜

鉴別率就越高。

数值孔径(N.A,)= n sin p -It n-一•物镜前片玻璃到试样之间的介质的折射率

u——角孔径的一半 例:4x 物镜干系统)n = 1 u = 40°30/ 2   u-81°

M. A. = n sin =1 x sin.ioSO’ = 0.65 前而已经提到,显微镜的分辨能力决定于物镜的数值孔径

(N.A.)和照明光源的波长1 5 = 0^)。&的数值一般都很小,经过物镜和目镜两次

放大后,才能被人眼所观察到。由于人眼的实际小观察角在2"4 z之间,相当于在明视 距离2 5 0毫米处,人眼能看到的鉴别能力在0.15?0.3 0毫米之间。

设人眼鉴别能力为e,若要使物镜鉴别的细微部分能为人眼所观察,必须放大至M= ^倍。

e      e      2 e (N.A ) 2 e

M= h = (A— -_ = T(1X.A.)

V 2N.A./

所以,显微镜的冇效放大倍数应在500 ( N.A.)?1000 ( N.A.)之间。在选用放大倍数时 ,若不足500 (N.A.),表示使用不当,未能充分发挥其作用。若大于1〇〇〇 (N.A.),表示 此时空虚放大(空放),象虽然放大到了一定的倍数,但不能分辨出细微的部分。所 以,我们一般决定了试验的放大倍数以后,还要根据数值孔径(N.A.)的大小来适当地选 择物镜。

例如 4x 物镜N.A. ) =0.65

则有效的放大倍数应在50x 0.65 )倍?1000X 0.65 )倍即 325倍?650倍范围

内。

又如 25x 物镜N. A.) 0.40

则有效的放大倍数=500 >< 0,40?]_000 x C。40 = 200倍~400倍

N.A. = n sin 口中,由于sin ji总是• 1 (sin # = 1 ,则物镜的工作距离=0 ),所 以,干系统(空气为介质)的ft筻其N.A。总;11。即使采用了油为介质,目前,大倍 物镜的N.A•也只能做到1。40 (Le;t] “MMS” TS0倍物境N;A, = 1.40)。所以光学显微 镜的放大倍数就有一定的司限性,-苡只能在1500倍以下肓玟。若要再提高放大倍数,只能 用波长入比普通可见光短的电子束来代替光源的电子显微镜来工作了。

(普通可见光,如D光,入=53S3埃,而电子束的入=0.05埃)