光学仪器及其成像的基本原理

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1、第二章显微镜光学仪器及其成像的基本原理一、基本的光学元件光学元件是基于光的直线传播、光的折射、光的反射、以及对光的选择性吸收等规律，对光线进行调控操作的物理器件。最常见的有光学元件：透镜、反射镜、滤光片、光栅。在显微镜操作中也有时候需要用到不透光的挡光板。透镜透镜是由透明物质（如玻璃等）制成的一种光学元件。透镜是显微镜技术中应用最多的光学元件，可以分为凸透镜、凹透镜、棱镜和平面透镜等除了有时候利用平面镜对光线的直线传播外（如照相机镜头的保护镜片、载物玻片），透镜一般都是利用光的折射，所以又称折射镜，其折射面是两个球面，或一个球面一个平面、或两个平面。凸透镜和凹透镜单

2、个具有球面的透镜一般可以分为两大类：凸透镜和凹透镜。凸透镜具有会聚光线的作用，所以也叫会聚透镜。凹透镜具有发散光线的作用，所以也叫发散透镜。各种凸透镜和凹透镜中央部分比边缘部分厚的叫凸透镜，有双凸、平凸、凹凸三种；中央部分比边缘部分薄的叫凹透镜，有双凹、平凹、凸凹三种。透镜组合放大镜是最简单的视野放大设备，只由一个凸透镜组成。即使最简单的普通光学显微镜都是由多个光学元件组成。透镜的组合有多种多样，可以满足人们不同的需要。其他光学元件凸透镜和凹透镜是显微镜的主要光学元件。除此之外，利用棱镜、平面镜和反光镜等光学元件可以改变光路的特性，在复杂显微镜中是必不可少的。还有，

3、滤光片、光栅是特殊显微镜的重要组成元件，在暗视野显微镜中还用到挡光板作为调节元件。棱镜：出射线和入射线之间的交角称为偏向角作用：改变光路-便于观察；色散分光-便于得到所需的单色光。顶角A偏向角反光镜各种反光镜在显微镜中通常用来改变光路，使得成像便于人们的观察。平面镜成像：光在平面界面上的反射和折射，还可以用来成像，不过它不能起到放大作用。成象规律:①物象关于镜面对称、等大、旋性相反②物空间、象空间重合，用途：主要用于改变光的行进方向和成象位置SS’二、透镜成像的有关的概念以显微镜物镜的成像原理为例来说明，先介绍几个概念：主光轴、光心、焦点、焦平面、弥散园、景深和屈光

4、度。1、主光轴、光心、透镜两球面的球心的连线称为透镜的主光轴，简称主轴，主轴与透镜的交点称为光学中心，简称为光心。包含主轴的任一平面，称为主截面，透镜都制成圆片形，而以主轴为对称轴。圆片的直径称为透镜的孔径。物点在主轴上时，由于对称性，任一主截面内的光线分布都相同，故通常只研究一个主截面。透镜的厚度透镜两表面在其主轴上的间隔称为透镜的厚度。如果透镜的厚度比起两球面的曲率半径小得多，或者透镜的厚度对透镜的屈光度影响可以忽略不计，这种透镜称为薄透镜。若透镜的厚度与球面的曲率半径相比不能忽略，则称为厚透镜。理论研究以薄透镜为理想透镜来进行分析，而实际应用中常常要考虑透镜厚

5、度带来的影响。2、焦点、焦平面、一束平行于主轴的光线入射到正透镜上，经过透镜的折射光线将会聚到主轴上某点，然后再以锥状的扩散开来，这个聚集所有光线的一点，就叫做焦点。透镜的焦点有两个（根据光路可逆原理），物方焦点和像方焦点，分用F和F′表示。从透镜中心到焦点的距离称为镜头的焦距。物方焦点到透镜的距离称为物方焦距，用f表示。像方焦点到透镜的距离称为像方焦距，用f′表示。凸透镜的焦点是汇集光学聚集的实焦点，而通过凹透镜的光线是发散的，由发散光线的反向延长线汇集到一点为凹透镜的虚焦点。通过焦点并垂直于光轴的平面为焦平面。平行于光轴的光线汇集于焦点，其他平行光束汇集于焦平面

6、上。焦点的简单测量方法：3、弥散圆在焦点前后，光线开始聚集和扩散，如果在这些地方放上光屏，得到点的影象变成模糊的，形成一个扩大的圆，这个圆就叫做弥散圆。当弥散圆的尺寸达到一定程度后，人眼将认为其是模糊的。如果弥散圆的直径小于人眼的鉴别能力，在一定范围内实际影象产生的模糊是不能辨认的。这个刚好能够辨认的弥散圆就称为容许弥散圆。在用相机照相显微摄影时，通常要调焦，使得感光胶片处在的位置在焦点处，或焦点前后两个容许弥散园的范围内，这样得到的相片才是清晰的。在显微镜的光轴上有一段距离范围内物体被看得清晰。超出这段距离的物体就模糊不清。这段距离位于显微镜焦点的上下很小的范围之

7、内。在焦点前后各有一个容许弥散圆，这两个弥散圆之间的距离是能够清晰成像的上下限叫焦点深度，也叫焦深。焦点深度焦深的运用一是使得我们的眼睛在前后一定范围内可以看清物体，便于我们在运用显微镜时代操作；二是在用胶卷进行显微摄影的时候，选用合适的胶卷。不同的胶片面积都有不同的容许弥散圆直径的数值定义。一般常用的是：例如以画面放大为5x7英寸的照片，观察距离为25~30cm前提，35mm照相镜头的容许弥散圆，大约是底片对角线长度的1/1000~1/1500左右。画幅24mm x 36mm6cm x 9cm4cm x 5cm弥散圆直径0.035mm0.0817mm0.146