比对显微镜的成像原理

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。