比對(duì)顯微鏡的成像原理

比對(duì)顯微鏡的成像原理

概述：

比較顯微鏡能通過(guò)同一組目鏡，同時(shí)觀察到左右兩個(gè)物方視場(chǎng)物體的像，從而對(duì)兩個(gè)物證通過(guò)對(duì)接、重疊進(jìn)行宏觀和微觀上的比較，以鑒別它們?cè)谛问交虿牧仙洗嬖诘奈⑿〔町?，如?duì)槍彈痕跡、工具痕跡、指紋、印章、文字、錢(qián)幣、印刷品等。是公、檢、法技術(shù)部門(mén)作刑偵物證、文檢鑒定和教學(xué)的理想儀器，也適用于銀行、稅務(wù)、印刷、制幣、考古、生物工程、電子學(xué)及需要對(duì)物體進(jìn)行比較鑒別的各個(gè)部門(mén)。

（一）徠卡FSC 比對(duì)顯微鏡的成像原理

Leica最新比對(duì)顯微鏡FSC具有全新的圖象比對(duì)技術(shù)，可同時(shí)提供分割圖象比對(duì)和圖象重疊功能，對(duì)于不能重合的結(jié)構(gòu)部分，以不同顏色（紅、綠）的相襯背景顯示差別，采用1：5五級(jí)連續(xù)變倍，長(zhǎng)工作距離物鏡，配備多種精巧、方便的樣品夾件，滿足各種槍彈、工具痕跡、頭發(fā)、纖維、油漆等微痕微物以及文檢物證的對(duì)比要求，其高質(zhì)量的光學(xué)鏡片，加上攝影、攝像裝置及影像的電腦存儲(chǔ)功能，使其成為刑偵鏡檢的最高標(biāo)準(zhǔn)。

 

（二）顯微鏡的成像原理

    顯微鏡和放大鏡起著同樣的作用，就是把近處的微小物體成一放大的像，以供人眼觀察。只是顯微鏡比放大鏡可以具有更高的放大率而已。

（三）顯微鏡的重要光學(xué)技術(shù)參數(shù)

   在鏡檢時(shí)，人們總是希望能清晰而明亮的理想圖象，這就需要顯微鏡的各項(xiàng)光學(xué)技術(shù)參數(shù)達(dá)到一定的標(biāo)準(zhǔn)，并且要求在使用時(shí)，必須根據(jù)鏡檢的目的和實(shí)際情況來(lái)協(xié)調(diào)各參數(shù)的關(guān)系。只有這樣，才能充分發(fā)揮顯微鏡應(yīng)有的性能，得到滿意的鏡檢效果。

    顯微鏡的光學(xué)技術(shù)參數(shù)包括：數(shù)值孔徑、分辨率、放大率、焦深、視場(chǎng)寬度、覆蓋差、工作距離等等。這些參數(shù)并不都是越高越好，它們之間是相互聯(lián)系又相互制約的，在使用時(shí)，應(yīng)根據(jù)鏡檢的目的和實(shí)際情況來(lái)協(xié)調(diào)參數(shù)間的關(guān)系，但應(yīng)以保證分辨率為準(zhǔn)。

      1．?dāng)?shù)值孔徑

      數(shù)值孔徑簡(jiǎn)寫(xiě)NA，數(shù)值孔徑是物鏡和聚光鏡的主要技術(shù)參數(shù)，是判斷兩者（尤其對(duì)物鏡而言）性能高低的重要標(biāo)志。其數(shù)值的大小，分別標(biāo)刻在物鏡和聚光鏡的外殼上。

      數(shù)值孔徑（NA）是物鏡前透鏡與被檢物體之間介質(zhì)的折射率（n）和孔徑角（u）半數(shù)的正弦之乘積。用公式表示如下：NA=nsinu/2

      孔徑角又稱"鏡口角"，是物鏡光軸上的物體點(diǎn)與物鏡前透鏡的有效直徑所形成的角度?？讖浇窃酱?，進(jìn)入物鏡的光通亮就越大，它與物鏡的有效直徑成正比，與焦點(diǎn)的距離成反比。

      顯微鏡觀察時(shí)，若想增大NA值，孔徑角是無(wú)法增大的，唯一的辦法是增大介質(zhì)的折射率n值?；谶@一原理，就產(chǎn)生了水浸物鏡和油浸物鏡，因介質(zhì)的折射率n值大于1，NA值就能大于1。

      數(shù)值孔徑最大值為1.4，這個(gè)數(shù)值在理論上和技術(shù)上都達(dá)到了極限。目前，有用折射率高的溴萘作介質(zhì)，溴萘的折射率為1.66,所以NA值可大于1.4。

      這里必須指出，為了充分發(fā)揮物鏡數(shù)值孔徑的作用，在觀察時(shí)，聚光鏡的NA值應(yīng)等于或略大于物鏡的NA值。

      數(shù)值孔徑與其他技術(shù)參數(shù)有著密切的關(guān)系，它幾乎決定和影響著其他各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)。它與分辨率成正比，與放大率成正比，與焦深成反比，NA值增大，視場(chǎng)寬度與工作距離都會(huì)相應(yīng)地變小。

      2．分辨率

      顯微鏡的分辨率是指能被顯微鏡清晰區(qū)分的兩個(gè)物點(diǎn)的最小間距，又稱"鑒別率"。其計(jì)算公式是σ=λ/NA

      式中σ為最小分辨距離；λ為光線的波長(zhǎng)；NA為物鏡的數(shù)值孔徑?？梢?jiàn)物鏡的分辨率是由物鏡的NA值與照明光源的波長(zhǎng)兩個(gè)因素決定。NA值越大，照明光線波長(zhǎng)越短，則σ值越小，分辨率就越高。

      由于經(jīng)過(guò)物鏡和目鏡的兩次放大，所以顯微鏡總的放大率Γ應(yīng)該是物鏡放大率β和目鏡放大率Γ1的乘積：

      Γ=βΓ1

      顯然，和放大鏡相比，顯微鏡可以具有高得多的放大率，并且通過(guò)調(diào)換不同放大率的物鏡和目鏡，能夠方便地改變顯微鏡的放大率。

      放大率也是顯微鏡的重要參數(shù)，但也不能盲目相信放大率越高越好。顯微鏡放大倍率的極限即有效放大倍率。

      分辨率和放大倍率是兩個(gè)不同的但又互有聯(lián)系的概念。有關(guān)系式：500NA<Γ<1000NA

      當(dāng)選用的物鏡數(shù)值孔徑不夠大，即分辨率不夠高時(shí)，顯微鏡不能分清物體的微細(xì)結(jié)構(gòu)，此時(shí)即使過(guò)度地增大放大倍率，得到的也只能是一個(gè)輪廓雖大但細(xì)節(jié)不清的圖像，稱為無(wú)效放大倍率。反之如果分辨率已滿足要求而放大倍率不足，則顯微鏡雖已具備分辨的能力，但因圖像太小而仍然不能被人眼清晰視見(jiàn)。所以為了充分發(fā)揮顯微鏡的分辨能力，應(yīng)使數(shù)值孔徑與顯微鏡總放大倍率合理匹配。

      4．焦深

      焦深為焦點(diǎn)深度的簡(jiǎn)稱，即在使用顯微鏡時(shí)，當(dāng)焦點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)某一物體時(shí)，不僅位于該點(diǎn)平面上的各點(diǎn)都可以看清楚，而且在此平面的上下一定厚度內(nèi)，也能看得清楚，這個(gè)清楚部分的厚度就是焦深。焦深大,可以看到被檢物體的全層，而焦深小，則只能看到被檢物體的一薄層，焦深與其他技術(shù)參數(shù)有以下關(guān)系：

      （1）焦深與總放大倍數(shù)及物鏡的數(shù)值孔徑成反比。

      （2）焦深大，分辨率降低。

      由于低倍物鏡的景深較大，所以在低倍物鏡照相時(shí)造成困難。在顯微照相時(shí)將詳細(xì)介紹。

      5．視場(chǎng)直徑（FieldOfView）

      觀察顯微鏡時(shí)，所看到的明亮的圓形范圍叫視場(chǎng)，它的大小是由目鏡里的視場(chǎng)光闌決定的。

      視場(chǎng)直徑也稱視場(chǎng)寬度，是指在顯微鏡下看到的圓形視場(chǎng)內(nèi)所能容納被檢物體的實(shí)際范圍。視場(chǎng)直徑愈大，愈便于觀察。

      有公式F=FN/β

      式中F:視場(chǎng)直徑，F(xiàn)N：視場(chǎng)數(shù)（FieldNumber,簡(jiǎn)寫(xiě)為FN，標(biāo)刻在目鏡的鏡筒外側(cè)），β:物鏡放大率。

      由公式可看出：

      （1）視場(chǎng)直徑與視場(chǎng)數(shù)成正比。

      （2）增大物鏡的倍數(shù)，則視場(chǎng)直徑減小。因此，若在低倍鏡下可以看到被檢物體的全貌，而換成高倍物鏡，就只能看到被檢物體的很小一部份。

      6．覆蓋差

      顯微鏡的光學(xué)系統(tǒng)也包括蓋玻片在內(nèi)。由于蓋玻片的厚度不標(biāo)準(zhǔn)，光線從蓋玻片進(jìn)入空氣產(chǎn)生折射后的光路發(fā)生了改變，從而產(chǎn)生了相差，這就是覆蓋差。覆蓋差的產(chǎn)生影響了顯微鏡的成響質(zhì)量。

      國(guó)際上規(guī)定，蓋玻片的標(biāo)準(zhǔn)厚度為0.17mm，許可范圍在0.16-0.18mm，在物鏡的制造上已將此厚度范圍的相差計(jì)算在內(nèi)。物鏡外殼上標(biāo)的0.17，即表明該物鏡所要求的蓋玻片的厚度。

      7．工作距離WD

      工作距離也叫物距，即指物鏡前透鏡的表面到被檢物體之間的距離。鏡檢時(shí)，被檢物體應(yīng)處在物鏡的一倍至二倍焦距之間。因此，它與焦距是兩個(gè)概念，平時(shí)習(xí)慣所說(shuō)的調(diào)焦，實(shí)際上是調(diào)節(jié)工作距離。

（四）比對(duì)顯微鏡的發(fā)展歷史

在龐大的顯微鏡家族中，光學(xué)顯微鏡是最古老，也是運(yùn)用最廣泛的一支，它包括生物顯微鏡、體視顯微鏡、金相顯微鏡、干涉顯微鏡、偏光顯微鏡、熒光顯微鏡、比較顯微鏡等。雖然它們的結(jié)構(gòu)和功能各不相同，但基本原理卻是一樣的。光學(xué)顯微鏡的主要部件是兩組透鏡，每組透鏡的作用相當(dāng)于一個(gè)凸透鏡。對(duì)著物體的一組透鏡叫物鏡，靠近眼睛的一組透鏡叫目鏡。物鏡的作用是將被觀察物體放大成一個(gè)倒立的實(shí)像，然后由目鏡把它進(jìn)一步放大成虛像?，F(xiàn)代光學(xué)顯微鏡可將特體的像放大二三千倍，能看清物體萬(wàn)分之一毫米左右的細(xì)微結(jié)構(gòu)。它是現(xiàn)代光學(xué)、材料科學(xué)、電子技術(shù)、機(jī)械加工、信息處理等多種科學(xué)技術(shù)的結(jié)合產(chǎn)物，體現(xiàn)了現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)綜合運(yùn)用的成果。

　　比較顯微鏡是一種特種光學(xué)顯微鏡，它自三四十年代問(wèn)世以來(lái)，得到了廣泛的使用，特別是80年代以來(lái)，其運(yùn)用領(lǐng)域從科研擴(kuò)展到國(guó)民經(jīng)濟(jì)許多相關(guān)領(lǐng)域。本文僅就比較顯微鏡的技術(shù)特點(diǎn)，運(yùn)用領(lǐng)域及發(fā)展前景，作初步介紹，展一孔之見(jiàn)。比較顯微鏡的原理及運(yùn)用領(lǐng)域

　　比較顯微鏡屬于特種顯微鏡。它不僅具有普通顯微鏡的放大作用，而且能用一組目鏡同時(shí)觀察到左右兩個(gè)光學(xué)系統(tǒng)物方物體的像。并通過(guò)對(duì)接、切割、重疊、旋轉(zhuǎn)等手段，對(duì)兩個(gè)或兩個(gè)以上物體進(jìn)行宏觀或微觀上的比較，以檢查、分析和鑒別它們?cè)谛问?、組織、結(jié)構(gòu)、色彩或材料上存在的微小差別，達(dá)到鑒別、比較的目的。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門(mén)不同用戶的需要，比較顯微鏡逐步形成完整的系列，從放大倍率較低的普通比較顯微鏡到高倍率的生物、金相等常用比較顯微鏡，各類(lèi)比較顯微鏡品種齊全。現(xiàn)代比較顯微鏡的功能集中了現(xiàn)代光學(xué)儀器的最新成果，與電子、信息、圖像處理等高新技術(shù)結(jié)合使用十分方便。高倍比較顯微鏡配備圖像監(jiān)視器后，可以達(dá)到五千至一萬(wàn)倍的放大倍率，比較顯微鏡一般設(shè)有攝像、攝影的計(jì)算機(jī)接口。通過(guò)數(shù)碼相機(jī)和CCD，可將顯微鏡的比較形象輸入監(jiān)視器，多人觀察，共同研討；還可通過(guò)視頻打印機(jī)直接輸出彩色圖像，比較顯微鏡聯(lián)接計(jì)算機(jī)后，比較圖像可運(yùn)用計(jì)算機(jī)處理，比較結(jié)果可以輸入電腦貯存或用彩色打印機(jī)輸出。

　　比較顯微鏡作為特種光學(xué)顯微鏡，它的綜合、新穎的性能是其他單一用途光學(xué)顯微鏡無(wú)法比擬的，已成為光學(xué)顯微鏡家族的新秀，受到越來(lái)越多的科研人員和有關(guān)專業(yè)人員的青睞，在各個(gè)領(lǐng)域中得到廣泛的運(yùn)用。

　　在法學(xué)方面：比較顯微鏡是國(guó)家刑偵技術(shù)、檢察技術(shù)和法醫(yī)鑒定的主要科學(xué)技術(shù)手段之一，在司法鑒定技術(shù)領(lǐng)域得到廣泛的運(yùn)用。同時(shí)在法律古籍整理上，也是有效的輔助手段。

　　在國(guó)家有關(guān)企事業(yè)單位、行政或執(zhí)法部門(mén)中，比較顯微鏡也得到廣泛的使用。如國(guó)家的衛(wèi)生防疫、藥口檢驗(yàn)、食品衛(wèi)生檢測(cè)、動(dòng)植物檢疫、白蟻防治、海關(guān)、邊防檢查、商品檢驗(yàn)、金融反假、郵政、稅務(wù)、質(zhì)量監(jiān)督、環(huán)境監(jiān)測(cè)、種子質(zhì)量檢查和黃金、珠寶、寶石等品質(zhì)鑒定等。

　　比較顯微鏡作為一種特種顯微鏡，從其他光學(xué)顯微鏡中分離出來(lái)，開(kāi)始于本世紀(jì)三四十年代。當(dāng)時(shí)的瑞士、德國(guó)、前蘇聯(lián)及日本等國(guó)均有不同類(lèi)型和檔次的比較顯微鏡生產(chǎn)。我國(guó)從50年代初期開(kāi)始從國(guó)外引進(jìn)比較顯微鏡，并在有關(guān)科研院所和中心城市的司法鑒定部門(mén)使用。從70年代開(kāi)始，國(guó)內(nèi)光學(xué)儀器廠家開(kāi)始注重比較顯微鏡研制，并按進(jìn)口樣機(jī)仿制。到 80年代中期，我國(guó)比較顯微鏡的使用逐步普及，比較顯微鏡的研制和生產(chǎn)水平有了長(zhǎng)足的進(jìn)步和提高。