光學顯微鏡的圖像形成原理介紹
光學顯微鏡的圖像形成原理主要基于凸透鏡的成像原理,通過物鏡和目鏡的兩次成像來實現對微小物體的放大觀察。以下是詳細的圖像形成原理介紹:
一、物鏡的D一次成像
成像位置:當物體被放置在物鏡(凸透鏡1)的一倍焦距和兩倍焦距之間時,根據物理學的原理,物鏡會形成一個放大的、倒立的實像。這個實像位于物鏡的后方,且距離物鏡大于一倍焦距但小于兩倍焦距。
成像特點:由于是倒立的實像,所以物體的上下和左右方向在D一次成像后都會發生顛倒。此外,由于物鏡的放大作用,實像的尺寸會比原物體大。
二、目鏡的D二次成像
成像位置:以D一次成像的實像作為“物體",目鏡(凸透鏡2)會對其進行D二次成像。由于觀察時是在目鏡的另外一側,根據光學原理,目鏡會形成一個放大的、正立的虛像。這個虛像位于目鏡的前方,且距離目鏡小于一倍焦距。
成像特點:由于是虛像,所以像和物在同一側,且像的大小進一步被放大。同時,由于虛像是正立的,所以觀察者看到的圖像與D一次成像的實像相比,上下和左右方向都會得到恢復(即與實物方向一致)。
三、現代顯微鏡的復雜成像系統
無限遠色差校正光學系統(ICS):現代顯微鏡通常采用無限遠色差校正光學系統來提高成像質量。在這種系統中,物體被物鏡記錄下來后,以平行的波陣或射線束投射到無限遠處。然后,通過管狀透鏡對平行光線束進行聚焦,產生一個位于目鏡內前焦平面的放大的中間圖像。目鏡再將這個中間圖像轉化為平行光線,投射到觀察者的眼睛或成像傳感器上。
數值孔徑與放大率:顯微鏡的放大率受到數值孔徑的限制。數值孔徑是物鏡角度孔徑的正弦值乘以成像介質的折射率。在選定的數值孔徑下,顯微鏡呈現的放大圖像的大小相當于人眼的分辨率極限。超過此點的進一步放大不會導致更精細的試樣細節的分辨率提高,反而可能導致圖像退化。
四、圖像形成的物理過程
照明與光線傳播:在光學顯微鏡中,照明源的光通過聚光鏡照射到試樣上。一部分光線在試樣中不受干擾地通過(直射光),代表背景光;另一部分光線與試樣相互作用后發生偏離或衍射(衍射光)。
衍射與干涉:衍射光與直射光在物鏡后焦平面上產生干擾,形成包含從非常暗到非常亮的各種灰度值的圖案。這些明暗圖案就是我們所觀察到的圖像。目鏡的眼透鏡進一步放大這個圖像,最后投射到視網膜、照相機的膠片平面或光敏數字圖像傳感器的表面。
綜上所述,光學顯微鏡的圖像形成原理是一個復雜的光學過程,涉及物鏡的D一次成像、目鏡的D二次成像以及現代顯微鏡的復雜成像系統等多個方面。通過這個過程,顯微鏡能夠實現對微小物體的放大觀察和分析。