比對顯微鏡的成像原理

比對顯微鏡的成像原理

概述：

比較顯微鏡能通過同一組目鏡，同時觀察到左右兩個物方視場物體的像，從而對兩個物證通過對接、重疊進行宏觀和微觀上的比較，以鑒別它們在形式或材料上存在的微小差異，如對槍彈痕跡、工具痕跡、指紋、印章、文字、錢幣、印刷品等。是公、檢、法技術部門作刑偵物證、文檢鑒定和教學的理想儀器，也適用于銀行、稅務、印刷、制幣、考古、生物工程、電子學及需要對物體進行比較鑒別的各個部門。

（一）徠卡FSC 比對顯微鏡的成像原理

Leica最新比對顯微鏡FSC具有全新的圖象比對技術，可同時提供分割圖象比對和圖象重疊功能，對于不能重合的結構部分，以不同顏色（紅、綠）的相襯背景顯示差別，采用1：5五級連續(xù)變倍，長工作距離物鏡，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比要求，其高質(zhì)量的光學鏡片，加上攝影、攝像裝置及影像的電腦存儲功能，使其成為刑偵鏡檢的最高標準。

 

（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）顯微鏡的重要光學技術參數(shù)

   在鏡檢時，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光學技術參數(shù)達到一定的標準，并且要求在使用時，必須根據(jù)鏡檢的目的和實際情況來協(xié)調(diào)各參數(shù)的關系。只有這樣，才能充分發(fā)揮顯微鏡應有的性能，得到滿意的鏡檢效果。

    顯微鏡的光學技術參數(shù)包括：數(shù)值孔徑、分辨率、放大率、焦深、視場寬度、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，應根據(jù)鏡檢的目的和實際情況來協(xié)調(diào)參數(shù)間的關系，但應以保證分辨率為準。

      1．數(shù)值孔徑

      數(shù)值孔徑簡寫NA，數(shù)值孔徑是物鏡和聚光鏡的主要技術參數(shù)，是判斷兩者（尤其對物鏡而言）性能高低的重要標志。其數(shù)值的大小，分別標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與物鏡前透鏡的有效直徑所形成的角度?？讖浇窃酱?，進入物鏡的光通亮就越大，它與物鏡的有效直徑成正比，與焦點的距離成反比。

      顯微鏡觀察時，若想增大NA值，孔徑角是無法增大的，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，這個數(shù)值在理論上和技術上都達到了極限。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，聚光鏡的NA值應等于或略大于物鏡的NA值。

      數(shù)值孔徑與其他技術參數(shù)有著密切的關系，它幾乎決定和影響著其他各項技術參數(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，視場寬度與工作距離都會相應地變小。

      2．分辨率

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

      式中σ為最小分辨距離；λ為光線的波長；NA為物鏡的數(shù)值孔徑?？梢娢镧R的分辨率是由物鏡的NA值與照明光源的波長兩個因素決定。NA值越大，照明光線波長越短，則σ值越小，分辨率就越高。

      由于經(jīng)過物鏡和目鏡的兩次放大，所以顯微鏡總的放大率Γ應該是物鏡放大率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不同的但又互有聯(lián)系的概念。有關系式：500NA<Γ<1000NA

      當選用的物鏡數(shù)值孔徑不夠大，即分辨率不夠高時，顯微鏡不能分清物體的微細結構，此時即使過度地增大放大倍率，得到的也只能是一個輪廓雖大但細節(jié)不清的圖像，稱為無效放大倍率。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。所以為了充分發(fā)揮顯微鏡的分辨能力，應使數(shù)值孔徑與顯微鏡總放大倍率合理匹配。

      4．焦深

      焦深為焦點深度的簡稱，即在使用顯微鏡時，當焦點對準某一物體時，不僅位于該點平面上的各點都可以看清楚，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，焦深與其他技術參數(shù)有以下關系：

      （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造成困難。在顯微照相時將詳細介紹。

      5．視場直徑（FieldOfView）

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

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

      有公式F=FN/β

      式中F:視場直徑，F(xiàn)N：視場數(shù)（FieldNumber,簡寫為FN，標刻在目鏡的鏡筒外側），β:物鏡放大率。

      由公式可看出：

      （1）視場直徑與視場數(shù)成正比。

      （2）增大物鏡的倍數(shù)，則視場直徑減小。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

      顯微鏡的光學系統(tǒng)也包括蓋玻片在內(nèi)。由于蓋玻片的厚度不標準，光線從蓋玻片進入空氣產(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。

      國際上規(guī)定，蓋玻片的標準厚度為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算在內(nèi)。物鏡外殼上標的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，被檢物體應處在物鏡的一倍至二倍焦距之間。因此，它與焦距是兩個概念，平時習慣所說的調(diào)焦，實際上是調(diào)節(jié)工作距離。

（四）比對顯微鏡的發(fā)展歷史

在龐大的顯微鏡家族中，光學顯微鏡是最古老，也是運用最廣泛的一支，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。雖然它們的結構和功能各不相同，但基本原理卻是一樣的。光學顯微鏡的主要部件是兩組透鏡，每組透鏡的作用相當于一個凸透鏡。對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倒立的實像，然后由目鏡把它進一步放大成虛像?，F(xiàn)代光學顯微鏡可將特體的像放大二三千倍，能看清物體萬分之一毫米左右的細微結構。它是現(xiàn)代光學、材料科學、電子技術、機械加工、信息處理等多種科學技術的結合產(chǎn)物，體現(xiàn)了現(xiàn)代科學技術綜合運用的成果。

　　比較顯微鏡是一種特種光學顯微鏡，它自三四十年代問世以來，得到了廣泛的使用，特別是80年代以來，其運用領域從科研擴展到國民經(jīng)濟許多相關領域。本文僅就比較顯微鏡的技術特點，運用領域及發(fā)展前景，作初步介紹，展一孔之見。比較顯微鏡的原理及運用領域

　　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觀察到左右兩個光學系統(tǒng)物方物體的像。并通過對接、切割、重疊、旋轉等手段，對兩個或兩個以上物體進行宏觀或微觀上的比較，以檢查、分析和鑒別它們在形式、組織、結構、色彩或材料上存在的微小差別，達到鑒別、比較的目的。隨著科學技術的發(fā)展和國民經(jīng)濟各部門不同用戶的需要，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，各類比較顯微鏡品種齊全?，F(xiàn)代比較顯微鏡的功能集中了現(xiàn)代光學儀器的最新成果，與電子、信息、圖像處理等高新技術結合使用十分方便。高倍比較顯微鏡配備圖像監(jiān)視器后，可以達到五千至一萬倍的放大倍率，比較顯微鏡一般設有攝像、攝影的計算機接口。通過數(shù)碼相機和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；還可通過視頻打印機直接輸出彩色圖像，比較顯微鏡聯(lián)接計算機后，比較圖像可運用計算機處理，比較結果可以輸入電腦貯存或用彩色打印機輸出。

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

　　在法學方面：比較顯微鏡是國家刑偵技術、檢察技術和法醫(yī)鑒定的主要科學技術手段之一，在司法鑒定技術領域得到廣泛的運用。同時在法律古籍整理上，也是有效的輔助手段。

　　在國家有關企事業(yè)單位、行政或執(zhí)法部門中，比較顯微鏡也得到廣泛的使用。如國家的衛(wèi)生防疫、藥口檢驗、食品衛(wèi)生檢測、動植物檢疫、白蟻防治、海關、邊防檢查、商品檢驗、金融反假、郵政、稅務、質(zhì)量監(jiān)督、環(huán)境監(jiān)測、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，從其他光學顯微鏡中分離出來，開始于本世紀三四十年代。當時的瑞士、德國、前蘇聯(lián)及日本等國均有不同類型和檔次的比較顯微鏡生產(chǎn)。我國從50年代初期開始從國外引進比較顯微鏡，并在有關科研院所和中心城市的司法鑒定部門使用。從70年代開始，國內(nèi)光學儀器廠家開始注重比較顯微鏡研制，并按進口樣機仿制。到 80年代中期，我國比較顯微鏡的使用逐步普及，比較顯微鏡的研制和生產(chǎn)水平有了長足的進步和提高。