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光学自准直仪的简介-----新闻标题
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光学自准直仪是利用光学原理,把人眼所不能分辨的微小物体放大成像,以供人们提取微细结构信息的光学仪器。

  早在公元前一世纪,人们就已发现通过球形透明物体去观察微小物体时,可以使其放大成像。后来逐渐对球形玻璃表面能使物体放大成像的规律有了认识。

  1590年,荷兰和意大利的眼镜制造者已经造出类似自准直仪的放大仪器。1610年前后,意大利的伽利略和德国的开普勒在研究望远镜的同时,改变物镜和目镜之间的距离,得出合理的自准直仪光路结构,当时的光学工匠遂纷纷从事自准直仪的制造、推广和改进。

  17世纪中叶,英国的胡克和荷兰的列文胡克,都对自准直仪的发展作出了出色的贡献。1665年前后,胡克在自准直仪中加入粗动和微动调焦机构、照明系统和承载标本片的工作台。这些部件经过不断改进,成为现代自准直仪的基本组成部分。

  1673~1677年期间,列文胡克制成单组元放大镜式的高倍自准直仪,其中九台保存至今。胡克和列文胡克利用自制的自准直仪,在动、植物机体微观结构的研究方面取得了杰出的成就。

  19世纪,高质量消色差浸液物镜的出现,使自准直仪观察微细结构的能力大为提高。1827年阿米奇第一个采用了浸液物镜。19世纪70年代,德国人阿贝奠定了自准直仪成像的古典理论基础。这些都促进了自准直仪制造和光电准直仪观察技术的迅速发展,并为19世纪后半叶包括科赫、巴斯德等在内的生物学家和医学家发现细菌和微生物提供了有力的工具。

  在自准直仪本身结构发展的同时,光电准直仪观察技术也在不断创新:1850年出现了偏光光电准直仪术;1893年出现了干涉光电准直仪术;1935年荷兰物理学家泽尔尼克创造了相衬光电准直仪术,他为此在1953年获得了诺贝尔物理学奖。

  古典的光学自准直仪只是光学元件和精密机械元件的组合,它以人眼作为接收器来观察放大的像。后来在自准直仪中加入了摄影装置,以感光胶片作为可以记录和存储的接收器。现代又普遍采用光电元件、电视摄象管和电荷耦合器等作为自准直仪的接收器,配以微型电子计算机后构成完整的图象信息采集和处理系统。

  表面为曲面的玻璃或其他透明材料制成的光学透镜可以使物体放大成像,光学自准直仪就是利用这一原理把微小物体放大到人眼足以观察的尺寸。近代的光学自准直仪通常采用两级放大,分别由物镜和目镜完成。被观察物体位于物镜的前方,被物镜作第一级放大后成一倒立的实象,然后此实像再被目镜作第二级放大,成一虚象,人眼看到的就是虚像。而自准直仪的总放大倍率就是物镜放大倍率和目镜放大倍率的乘积。放大倍率是指直线尺寸的放大比,而不是面积比。

  光学自准直仪的组成结构

  光学自准直仪一般由载物台、聚光照明系统、物镜,目镜和调焦机构组成。载物台用于承放被观察的物体。利用调焦旋钮可以驱动调焦机构,使载物台作粗调和微调的升降运动,使被观察物体调焦清晰成象。它的上层可以在水平面内沿作精密移动和转动,一般都把被观察的部位调放到视场中心。

  聚光照明系统由灯源和聚光镜构成,聚光镜的功能是使更多的光能集中到被观察的部位。照明灯的光谱特性必须与自准直仪的接收器的工作波段相适应。

  物镜位于被观察物体附近,是实现第一级放大的镜头。在物镜转换器上同时装着几个不同放大倍率的物镜,转动转换器就可让不同倍率的物镜进入工作光路,物镜的放大倍率通常为5~100倍。

  物镜是自准直仪中对成象质量优劣起决定性作用的光学元件。常用的有能对两种颜色的光线校正色差的消色差物镜;质量更高的还有能对三种色光校正色差的复消色差物镜;能保证物镜的整个像面为平面,以提高视场边缘成像质量的平像场物镜。高倍物镜中多采用浸液物镜,即在物镜的下表面和标本片的上表面之间填充折射率为1.5左右的液体,它能显著的提高光电准直仪观察的分辨率。

  目镜是位于人眼附近实现第二级放大的镜头,镜放大倍率通常为5~20倍。按照所能看到的视场大小,目镜可分为视场较小的普通目镜,和视场较大的大视场目镜(或称广角目镜)两类。

  载物台和物镜两者必须能沿物镜光轴方向作相对运动以实现调焦,获得清晰的图像。用高倍物镜工作时,容许的调焦范围往往小于微米,所以自准直仪必须具备极为精密的微动调焦机构。

  自准直仪放大倍率的极限即有效放大倍率,自准直仪的分辨率是指能被自准直仪清晰区分的两个物点的最小间距。分辨率和放大倍率是两个不同的但又互有联系的概念。

  当选用的物镜数值孔径不够大,即分辨率不够高时,自准直仪不能分清物体的微细结构,此时即使过度地增大放大倍率,得到的也只能是一个轮廓虽大但细节不清的图像,称为无效放大倍率。反之如果分辨率已满足要求而放大倍率不足,则自准直仪虽已具备分辨的能力,但因图像太小而仍然不能被人眼清晰视见。所以为了充分发挥自准直仪的分辨能力,应使数值孔径与自准直仪总放大倍率合理匹配。

  聚光照明系统是对自准直仪成像性能有较大影响,但又是易于被使用者忽视的环节。它的功能是提供亮度足够且均匀的物面照明。聚光镜发来的光束应能保证充满物镜孔径角,否则就不能充分利用物镜所能达到的最高分辨率。为此目的,在聚光镜中设有类似照相物镜中的 ,可以调节开孔大小的可变孔径光阑,用来调节照明光束孔径,以与物镜孔径角匹配。

  改变照明方式,可以获得亮背景上的暗物点(称亮视场照明)或暗背景上的亮物点(称暗视场照明)等不同的观察方式,以便在不同情况下更好地发现和观察微细结构。

  光学自准直仪的分类

  光学自准直仪有多种分类方法:按使用目镜的数目可分为双目和单目自准直仪;按图像是否有立体

   感可分为立体视觉和非立体视觉自准直仪;按观察对像可分为生物和光电自准直仪等;按光学原理可分为偏光,相衬和微差干涉对比自准直仪等;按光源类型可分为普通光、荧光、红外光和激光自准直仪等;按接收器类型可分为目视、摄影和电视自准直仪等。常用的自准直仪有双目体视自准直仪、光电自准直仪、偏光自准直仪、紫外荧光自准直仪等。

  双目体视自准直仪是利用双通道光路,为左右两眼提供一个具有立体感的图像。它实质上是两个单镜筒自准直仪并列放置,两个镜筒的光轴构成相当于人们用双目观察一个物体时所形成的视角,以此形成三维空间的立体视觉图像。双目体视自准直仪在生物、医学领域广泛用于切片操作和光电准直仪外科手术;在工业中用于微小零件和集成电路的观测、装配、检查等工作。

  光电自准直仪是专门用于观察金属和矿物等不透明物体光电组织的自准直仪。这些不透明物体无法在普通的透射光自准直仪中观察,故光电和普通自准直仪的主要差别在于前者以反射光,而后者以透射光照明。在光电自准直仪中照明光束从物镜方向射到被观察物体表面,被物面反射后再返回物镜成像。这种反射照明方式也广泛用于集成电路硅片的检测工作。

  紫外荧光自准直仪是用紫外光激发荧光来进行观察的自准直仪。某些标本在可见光中觉察不到结构细节,但经过染色处理,以紫外光照射时可因荧光作用而发射可见光,形成可见的图像。这类自准直仪常用于生物学和医学中。

  电视自准直仪和电荷耦合器自准直仪是以电视摄像靶或电荷耦合器作为接收元件的自准直仪。在自准直仪的实像面处装入电视摄像靶或电荷耦合器取代人眼作为接收器,通过这些光电器件把光学图像转换成电信号的图像,然后对之进行尺寸检测、颗粒计数等工作。这类自准直仪的 可以与计算机联用,这便于实现检测和信息处理的自动化,多应用于需要进行大量繁琐检测工作的场合。

  扫描自准直仪是成像光束能相对于物面作扫描运动的自准直仪 。在扫描自准直仪中依靠缩小视场来保证物镜达到最高的分辨率,同时用光学或机械扫描的方法,使成像光束相对于物面在较大视场范围内进行扫描,并用信息处理技术来获得合成的大面积图像信息。这类自准直仪适用于需要高分辨率的大视场图像的观测。粗准焦螺旋:大范围上下调动镜筒。

  细准焦螺旋:小范围上下调动镜筒。

  另外

  自准直仪是一种精密的光学仪器,已有300多年的发展史。自从有了自准直仪,人们看到了过去看不到的许多微小生物和构成生物的基本单元——细胞。目前,不仅有能放大千余倍的光学自准直仪,而且有放大几十万倍的电子自准直仪,使我们对生物体的生命活动规律有了更进一步的认识。在普通中学生物教学大纲中规定的实验中,大部分要通过自准直仪来完成,因此,自准直仪性能的好坏是做好观察实验的关键。

  一、自准直仪的光学系统

  自准直仪的光学系统主要包括物镜、目镜、反光镜和聚光器四个部件。广义的说也包括照明光源、滤光器、盖玻片和载玻片等。

  (一)、物镜

  物镜是决定自准直仪性能的最重要部件,安装在物镜转换器上,接近被观察的物体,故叫做物镜或接物镜。

  1、物镜的分类

  物镜根据使用条件的不同可分为干燥物镜和浸液物镜;其中浸液物镜又可分为水浸物镜和油浸物镜(常用放大倍数为90—100倍)。

  根据放大倍数的不同可分为 低倍物镜(10倍以下)、中倍物镜(20倍左右)高倍物镜(40—65倍)。

  根据像差矫正情况,分为消色差物镜(常用,能矫正光谱中两种色光的色差的物镜)和复色差物镜(能矫正光谱中三种色光的色差的物镜,价格贵,使用少)。

  2、物镜的主要参数:

  物镜主要参数包括:放大倍数、数值孔径和工作距离。

  ①、放大倍数是指眼睛看到像的大小与对应标本大小的比值。它指的是长度的比值而不是面积的比值。例:放大倍数为100×,指的是长度是1μm的标本,放大后像的长度是100μm,要是以面积计算,则放大了10,000倍。

  自准直仪的总放大倍数等于物镜和目镜放大倍数的乘积。

  ②、数值孔径也叫镜口率,简写NA 或A,是物镜和聚光器的主要参数,与自准直仪的分辨力成正比。干燥物镜的数值孔径为0.05-0.95,油浸物镜(香柏油)的数值孔径为1.25。

  ③、工作距离是指当所观察的标本最清楚时物镜的前端透镜下面到标本的盖玻片上面的距离。物镜的工作距离与物镜的焦距有关,物镜的焦距越长,放大倍数越低,其工作距离越长。例:10倍物镜上标有10/0.25和160/0.17,其中10为物镜的放大倍数;0.25为数值孔径;160为镜筒长度(单位mm);0.17为盖玻片的标准厚度(单位 mm)。10倍物镜有效工作距离为6.5mm,40倍物镜有效工作距离为0.48mm 。

  3、物镜的作用是将标本作第一次放大,它是决定自准直仪性能的最重要的部件——分辨力的高低。

  分辨力也叫分辨率或分辨本领。分辨力的大小是用分辨距离(所能分辨开的两个物点间的最小距离)的数值来表示的。在明视距离(25cm)之处,正常人眼所能看清相距0.073mm的两个物点,这个0.073mm的数值,即为正常人眼的分辨距离。自准直仪的分辨距离越小,即表示它的分辨力越高,也就是表示它的性能越好。

  自准直仪的分辨力的大小由物镜的分辨力来决定的,而物镜的分辨力又是由它的数值孔径和照明光线的波长决定的。

  当用普通的中央照明法(使光线均匀地透过标本的明视照明法)时,自准直仪的分辨距离为d=0.61λ/NA

  式中d——物镜的分辨距离,单位 nm。

  λ——照明光线波长,单位 nm。

  NA ——物镜的数值孔径

  例如油浸物镜的数值孔径为1.25,可见光波长范围为400—700nm ,取其平均波长550 nm,则d=270 nm,约等于照明光线波长一半。一般地,用可见光照明的自准直仪分辨力的极限是0.2μm。

  (二)、目镜

  因为它靠近观察者的眼睛,因此也叫接目镜。安装在镜筒的上端。

  1、目镜的结构

  通常目镜由上下两组透镜组成,上面的透镜叫做接目透镜,下面的透镜叫做会聚透镜或场镜。上下透镜之间或场镜下面装有一个光阑(它的大小决定了视场的大小),因为标本正好在光阑面上成像,可在这个光阑上粘一小段毛发作为指针,用来指示某个特点的目标。也可在其上面放置目镜测微尺,用来测量所观察标本的大小。

  目镜的长度越短,放大倍数越大(因目镜的放大倍数与目镜的焦距成反比)。

  2、目镜的作用

   是将已被物镜放大的,分辨清晰的实像进一步放大,达到人眼能容易分辨清楚的程度。

   常用目镜的放大倍数为5—16倍。

  3、目镜与物镜的关系

  物镜已经分辨清楚的细微结构,假如没有经过目镜的再放大,达不到人眼所能分辨的大小,那就看不清楚;但物镜所不能分辨的细微结构,虽然经过高倍目镜的再放大,也还是看不清楚,所以目镜只能起放大作用,不会提高自准直仪的分辨率。有时虽然物镜能分辨开两个靠得很近的物点,但由于这两个物点的像的距离小于眼睛的分辨距离,还是无法看清。所以,目镜和物镜即相互联系,又彼此制约。

  (三)、聚光器

  聚光器也叫集光器。位于标本下方的聚光器支架上。它主要由聚光镜和可变光阑组成。其中,聚光镜可分为明视场聚光镜(普通自准直仪配置)和暗视场聚光镜。

  1、光镜的主要参数

  数值孔径(NA )是聚光镜的主要参数,最大数值孔径一般是1.2—1.4,数值孔径有一定的可变范围,通常刻在上方透镜边框上的数字是代表最大的数值孔径,通过调节下部可变光阑的开放程度,可得到此数字以下的各种不同的数值孔径,以适应不同物镜的需要。有的聚光镜由几组透镜组成,最上面的一组透镜可以卸掉或移出光路,使聚光镜的数值孔径变小,以适应低倍物镜观察时的照明。

   2、聚光镜的作用

  聚光镜的作用相当于凸透镜,起会聚光线的作用,以增强标本的照明。一般地把聚光镜的聚光焦点设计在它上端透镜平面上方约1.25mm处。(聚光焦点正在所要观察的标本上,载玻片的厚度为1.1mm左右)

  3、可变光阑

  可变光阑也叫光圈,位于聚光镜的下方,由十几张金属薄片组成,中心部分形成圆孔。其作用是调节光强度和使聚光镜的数值孔径与物镜的数值孔径相适应。可变光阑开得越大,数值孔径越大(观察完毕后,应将光圈调至最大)。

   在可变光阑下面,还有一个圆形的滤光片托架。

  说明:在中学实验室只有教师用自准直仪(1600×或1500×)才配有聚光器,学生用自准直仪(640×或500×)配的是旋转光栏。紧贴在载物台下,能做圆周转动的圆盘,旋转光栏(也称为遮光器),光栏上有大小不等的圆孔,叫光圈。直径分别为2、3、6、12、16mm,转动旋转光栏,光栏上每个光圈都可以对正通光孔,通过大小不等的光圈来调节光线的强弱。

  (四)反光镜

  反光镜是一个可以随意转动的双面镜,直径为50mm,一面为平面,一面为凹面,其作用是将从任何方向射来的光线经通光孔反射上来。平面镜反射光线的能力较弱,是在光线较强时使用,凹面镜反射光线的能力较强,是在光线较弱时使用。

  反光镜通常一面是平面镜,另一面是凹面镜,装在聚光器下面,可以在水平与垂直两个方向上任意旋转。

   反光镜的作用是使由光源发出的光线或天然光射向聚光器。当用聚光器时一般用平面镜,不用时用凹面镜;当光线强时用平面镜,弱时用凹面镜。

  观察完毕后,应将反光镜垂直放置。

  (五)照明光源

  自准直仪的照明可以用天然光源或人工光源

  1、天然光源

  光线来自天空,最好是由白云反射来的。不可利用直接照来的太阳光。

  2、人工光源

  ①、对人工光源的基本要求:有足够的发光强度;光源发热不能过多。

  ②、常用的人工光源:自准直仪灯;日光灯

  (六)滤光器

  安装在光源和聚光器之间。作用是让所选择的某一波段的光线通过,而吸收掉其他的光线,即为了改变光线的光谱成分或削弱光的强度。分为两大类:滤光片和液体滤光器。

  (七)盖玻片和载玻片

  盖玻片和载玻片的表面应相当平坦,无气泡,无划痕。最好选用无色,透明度好的,使用前应洗净。

   盖玻片的标准厚度是0.17±0.02mm,如不用盖玻片或盖玻片厚度不合适,都回影响成像质量。

   载玻片的标准厚度是1.1±0.04mm,一般可用范围是1—1.2mm,若太厚会影响聚光器效能,太薄则容易破裂。

 

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