光学显微镜的主要参数包括放大倍数、数值孔径(NA)、分辨率、视场、景深和工作距离等。
一、放大倍数
光学显微镜的放大倍数,是指物体经过显微镜成像后放大的比例,这一比例是由目镜的放大倍数与物镜的放大倍数相乘得到的。例如,目镜的放大倍数是10倍,物镜的放大倍数是40倍,那么该显微镜的总放大倍数就是10乘以40,即400倍。
光学显微镜的放大倍数的计算公式为:总放大倍数 = 目镜放大倍数×物镜放大倍数。
值得注意的是,虽然放大倍数越高,观察到的物体细节就越多,但过高的放大倍数也可能造成图像失真或模糊。因而,使用光学显微镜时应当根据观察需求、样本特性选择合适的放大倍数。
此外,光学显微镜的放大倍数还受到其他因素的影响,如数值孔径、分辨率等。
二、数值孔径(NA)
数值孔径(Numerical Aperture,简称NA)是一个无量纲数,用于衡量光学系统收集光的能力,具体描述了透镜收光锥角的大小。
数值孔径是判断物镜和聚光镜性能高低的重要标志,其大小直接影响了显微镜的分辨率、对比度和亮度等关键参数。
计算方式:NA=n*sin a
其中n为透镜与被检物体之间介质的折射率,α为孔径角(透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)的一半。
数值孔径大小受到多个方面的影响:
①物镜结构与设计:物镜的最大半视角、设计精度以及设计类型均会影响数值孔径。通常,最大半视角越大、结构精度越高、设计越先进,数值孔径也越大。
②介质折射率:透镜与被检物体之间介质的折射率越高,数值孔径也越大。
③光源波长:光源波长越短,数值孔径通常越小。
④光学特性:物镜的非球差、折射、色差等光学特性也会影响数值孔径的大小,良好的光学特性能够保证较高的数值孔径。
⑤观察对象:数值孔径还与观察对象的形状大小有关,当物镜能够成像对象的整个形状时,其最小数值孔径可以反映观察对象的形状大小。
三、分辨率
光学显微镜的分辨率是指显微镜能清晰区分的两个物点的最小间距,又称鉴别率,它反映了显微镜对细节进行区分的能力。一般的光学显微镜的最大分辨率约为0.2微米。
分辨率的计算公式是σ=λ/NA,其中σ为最小分辨距离,λ为光线的波长,NA为物镜的数值孔径。
那么,如何提高分辨率呢?首先可以通过使用短波长光源,降低波长λ值,来提高分辨率;其次可以通过增大介质n值或孔径角α值,以提高NA值,进而提高分辨率;还可以通过调整显微镜的成像条件,增加明暗反差,从而提高分辨率。
四、视场
视场是指从显微镜中能看到的圆形范围,也叫视野。它代表着显微镜能够观察到的最大范围。
在光学显微镜中,视场数(FN)表示视野大小(FOV),对应于中间图像中通过目镜可以观察到的区域。视场数(FN)定义为中间像面上可通过目镜观察到的区域的直径。
选择合适的视场数(FN)需考虑以下因素:
①观察需求:视场数越大,观察范围越广。根据观察样本的大小和需要观察的细节选择合适的视场数。
②目镜与物镜组合:视场数与目镜和物镜的放大倍数息息相关。目镜和物镜放大倍数越大,视场数通常越小。因此,需根据目镜和物镜的组合来选择合适的视场数,以获得最佳观察效果。
③分辨率与视场数的平衡:显微镜的参数之间相互联系又相互制约,选择视场数时应以保证分辨率为准。过大的视场数可能导致分辨率下降,影响观察效果。
五、景深
景深,也称焦深,是指在显微镜观察和拍摄样品时,从对准焦点的位置开始,改变物镜与样品表面距离时,对焦能保持清晰的范围。
景深由远景深度和近景深度组成。远景深度是指能成清晰像的最远平面与对准平面的距离,近景深度则是指能成清晰像的最近平面与对准平面的距离。景深等于远景深度与近景深度之和。
景深大小决定了显微镜观察时,能在多大范围内保持图像的清晰度。景深大,可以看到被检物体的全层;景深小,则只能看到被检物体的一薄层。
六、工作距离
工作距离是指试样调准焦点时,物镜前缘与试样表面(或盖玻片顶面)的距离。简单来说,就是物镜前透镜的表面到被检物体之间的距离。
工作距离的大小主要取决于物镜的参数。因此,在选择物镜时,需要考虑工作距离的需求,以确保显微镜能够满足特定的观察要求。
长工作距离物镜焦距大于普通物镜,专为液态材料、液晶、组织培养等镜检设计,允许在不接触容器的情况下观察和研究样本,工作距离相对较长。
倒置显微镜物镜通常采用长工作距离设计,以适应溶液中悬浮物的观察,如培养液中的细胞,其工作距离比正置显微镜大。
普通物镜的工作距离因放大倍数而异,放大倍数越高,工作距离越短。