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比对显微镜的成像原理

作者:毕思特科技 来源:毕思特科技 浏览数:135 发布时间:2018-2-8 13:51:42

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比对显微镜的成像原理概述:

比较显微镜能通过同一组目镜,同时观察到左右两个物方视场物体的像,从而对两个物证通过对接、重叠进行宏观和微观上的比较,以鉴别它们在形式或材料上存在的微小差异,如对枪弹痕迹、工具痕迹、指纹、印章、文字、钱币、印刷品等。是公、检、法技术部门作刑侦物证、文检鉴定和教学的理想仪器,也适用于银行、税务、印刷、制币、考古、生物工程、电子学及需要对物体进行比较鉴别的各个部门。

(一)徕卡FSC 比对显微镜的成像原理 

Leica最新比对显微镜FSC具有全新的图象比对技术,可同时提供分割图象比对和图象重叠功能,对于不能重合的结构部分,以不同颜色(红、绿)的相衬背景显示差别,采用1:5五级连续变倍,长工作距离物镜,配备多种精巧、方便的样品夹件,满足各种枪弹、工具痕迹、头发、纤维、油漆等微痕微物以及文检物证的对比要求,其高质量的光学镜片,加上摄影、摄像装置及影像的电脑存储功能,使其成为刑侦镜检的最高标准。

(二)显微镜的成像原理 

显微镜和放大镜起着同样的作用,就是把近处的微小物体成一放大的像,以供人眼观察。只是显微镜比放大镜可以具有更高的放大率而已。 

(三)显微镜的重要光学技术参数 

在镜检时,人们总是希望能清晰而明亮的理想图象,这就需要显微镜的各项光学技术参数达到一定的标准,并且要求在使用时,必须根据镜检的目的和实际情况来协调各参数的关系。只有这样,才能充分发挥显微镜应有的性能,得到满意的镜检效果。 

显微镜的光学技术参数包括:数值孔径、分辨率、放大率、焦深、视场宽度、覆盖差、工作距离等等。这些参数并不都是越高越好,它们之间是相互联系又相互制约的,在使用时,应根据镜检的目的和实际情况来协调参数间的关系,但应以保证分辨率为准。 

1.数值孔径 

数值孔径简写NA,数值孔径是物镜和聚光镜的主要技术参数,是判断两者(尤其对物镜而言)性能高低的重要标志。其数值的大小,分别标刻在物镜和聚光镜的外壳上。 

数值孔径(NA)是物镜前透镜与被检物体之间介质的折射率(n)和孔径角(u)半数的正弦之乘积。用公式表示如下:NA=nsinu/2 

孔径角又称"镜口角",是物镜光轴上的物体点与物镜前透镜的有效直径所形成的角度。孔径角越大,进入物镜的光通亮就越大,它与物镜的有效直径成正比,与焦点的距离成反比。 

显微镜观察时,若想增大NA值,孔径角是无法增大的,唯一的办法是增大介质的折射率n值。基于这一原理,就产生了水浸物镜和油浸物镜,因介质的折射率n值大于1,NA值就能大于1。 

数值孔径最大值为1.4,这个数值在理论上和技术上都达到了极限。目前,有用折射率高的溴萘作介质,溴萘的折射率为1.66,所以NA值可大于1.4。 

这里必须指出,为了充分发挥物镜数值孔径的作用,在观察时,聚光镜的NA值应等于或略大于物镜的NA值。 

数值孔径与其他技术参数有着密切的关系,它几乎决定和影响着其他各项技术参数。它与分辨率成正比,与放大率成正比,与焦深成反比,NA值增大,视场宽度与工作距离都会相应地变小。 

2.分辨率 

显微镜的分辨率是指能被显微镜清晰区分的两个物点的最小间距,又称"鉴别率"。其计算公式是σ=λ/NA 

式中σ为最小分辨距离;λ为光线的波长;NA为物镜的数值孔径。可见物镜的分辨率是由物镜的NA值与照明光源的波长两个因素决定。NA值越大,照明光线波长越短,则σ值越小,分辨率就越高。 

由于经过物镜和目镜的两次放大,所以显微镜总的放大率Γ应该是物镜放大率β和目镜放大率Γ1的乘积: Γ=βΓ1 

显然,和放大镜相比,显微镜可以具有高得多的放大率,并且通过调换不同放大率的物镜和目镜,能够方便地改变显微镜的放大率。 

放大率也是显微镜的重要参数,但也不能盲目相信放大率越高越好。显微镜放大倍率的极限即有效放大倍率。 

分辨率和放大倍率是两个不同的但又互有联系的概念。有关系式:500NA<Γ<1000NA 

当选用的物镜数值孔径不够大,即分辨率不够高时,显微镜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,则显微镜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。所以为了充分发挥显微镜的分辨能力,应使数值孔径与显微镜总放大倍率合理匹配。 

4.焦深 

焦深为焦点深度的简称,即在使用显微镜时,当焦点对准某一物体时,不仅位于该点平面上的各点都可以看清楚,而且在此平面的上下一定厚度内,也能看得清楚,这个清楚部分的厚度就是焦深。焦深大,可以看到被检物体的全层,而焦深小,则只能看到被检物体的一薄层,焦深与其他技术参数有以下关系: 

1)焦深与总放大倍数及物镜的数值孔径成反比。 

2)焦深大,分辨率降低。 

由于低倍物镜的景深较大,所以在低倍物镜照相时造成困难。在显微照相时将详细介绍。 

5.视场直径(FieldOfView) 

观察显微镜时,所看到的明亮的圆形范围叫视场,它的大小是由目镜里的视场光阑决定的。 

视场直径也称视场宽度,是指在显微镜下看到的圆形视场内所能容纳被检物体的实际范围。视场直径愈大,愈便于观察。 

有公式F=FN/β 

式中F:视场直径,FN:视场数(FieldNumber,简写为FN,标刻在目镜的镜筒外侧),β:物镜放大率。 

由公式可看出: 

1)视场直径与视场数成正比。 

2)增大物镜的倍数,则视场直径减小。因此,若在低倍镜下可以看到被检物体的全貌,而换成高倍物镜,就只能看到被检物体的很小一部份。 

6.覆盖差 

显微镜的光学系统也包括盖玻片在内。由于盖玻片的厚度不标准,光线从盖玻片进入空气产生折射后的光路发生了改变,从而产生了相差,这就是覆盖差。覆盖差的产生影响了显微镜的成响质量。 

国际上规定,盖玻片的标准厚度为0.17mm,许可范围在0.16-0.18mm,在物镜的制造上已将此厚度范围的相差计算在内。物镜外壳上标的0.17,即表明该物镜所要求的盖玻片的厚度。 

7.工作距离WD 

工作距离也叫物距,即指物镜前透镜的表面到被检物体之间的距离。镜检时,被检物体应处在物镜的一倍至二倍焦距之间。因此,它与焦距是两个概念,平时习惯所说的调焦,实际上是调节工作距离。 

(四)比对显微镜的发展历史 

在庞大的显微镜家族中,光学显微镜是最古老,也是运用最广泛的一支,它包括生物显微镜、体视显微镜、金相显微镜、干涉显微镜、偏光显微镜、荧光显微镜、比较显微镜等。虽然它们的结构和功能各不相同,但基本原理却是一样的。光学显微镜的主要部件是两组透镜,每组透镜的作用相当于一个凸透镜。对着物体的一组透镜叫物镜,靠近眼睛的一组透镜叫目镜。物镜的作用是将被观察物体放大成一个倒立的实像,然后由目镜把它进一步放大成虚像。现代光学显微镜可将特体的像放大二三千倍,能看清物体万分之一毫米左右的细微结构。它是现代光学、材料科学、电子技术、机械加工、信息处理等多种科学技术的结合产物,体现了现代科学技术综合运用的成果。

比较显微镜是一种特种光学显微镜,它自三四十年代问世以来,得到了广泛的使用,特别是80年代以来,其运用领域从科研扩展到国民经济许多相关领域。本文仅就比较显微镜的技术特点,运用领域及发展前景,作初步介绍,展一孔之见。比较显微镜的原理及运用领域

比较显微镜属于特种显微镜。它不仅具有普通显微镜的放大作用,而且能用一组目镜同时观察到左右两个光学系统物方物体的像。并通过对接、切割、重叠、旋转等手段,对两个或两个以上物体进行宏观或微观上的比较,以检查、分析和鉴别它们在形式、组织、结构、色彩或材料上存在的微小差别,达到鉴别、比较的目的。随着科学技术的发展和国民经济各部门不同用户的需要,比较显微镜逐步形成完整的系列,从放大倍率较低的普通比较显微镜到高倍率的生物、金相等常用比较显微镜,各类比较显微镜品种齐全。现代比较显微镜的功能集中了现代光学仪器的最新成果,与电子、信息、图像处理等高新技术结合使用十分方便。高倍比较显微镜配备图像监视器后,可以达到五千至一万倍的放大倍率,比较显微镜一般设有摄像、摄影的计算机接口。通过数码相机和CCD,可将显微镜的比较形象输入监视器,多人观察,共同研讨;还可通过视频打印机直接输出彩色图像,比较显微镜联接计算机后,比较图像可运用计算机处理,比较结果可以输入电脑贮存或用彩色打印机输出。 

比较显微镜作为特种光学显微镜,它的综合、新颖的性能是其他单一用途光学显微镜无法比拟的,已成为光学显微镜家族的新秀,受到越来越多的科研人员和有关专业人员的青睐,在各个领域中得到广泛的运用。

在法学方面:比较显微镜是国家刑侦技术、检察技术和法医鉴定的主要科学技术手段之一,在司法鉴定技术领域得到广泛的运用。同时在法律古籍整理上,也是有效的辅助手段。

在国家有关企事业单位、行政或执法部门中,比较显微镜也得到广泛的使用。如国家的卫生防疫、药口检验、食品卫生检测、动植物检疫、白蚁防治、海关、边防检查、商品检验、金融反假、邮政、税务、质量监督、环境监测、种子质量检查和黄金、珠宝、宝石等品质鉴定等。

比较显微镜作为一种特种显微镜,从其他光学显微镜中分离出来,开始于本世纪三四十年代。当时的瑞士、德国、前苏联及日本等国均有不同类型和档次的比较显微镜生产。我国从50年代初期开始从国外引进比较显微镜,并在有关科研院所和中心城市的司法鉴定部门使用。从70年代开始,国内光学仪器厂家开始注重比较显微镜研制,并按进口样机仿制。到 80年代中期,我国比较显微镜的使用逐步普及,比较显微镜的研制和生产水平有了长足的进步和提高。

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