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光学显微镜的发展过程和观察极限

时间:2022年10月19日

光学显微镜的发展过程和观察极限

从初中开始就触到了显微镜,那时觉得好神奇,镜片下面出现的那一个个的小泡泡叫做细胞,是组成生命体的最小单元。光学显微镜是利用光学原理,把人眼所不能分辨的微小物体放大成像,以供人们提取微细结构信息的光学仪器。自从有了显微镜,人们看到了过去看不到的许多微小生物和构成生物的基本单元——细胞不仅有能放大千余倍的光学显微镜,而且还有放大几十万倍的电子显微镜,使我们对生物体的生命活动规律有了更进一步的认识。在普通中学生物教学大纲中规定的实验中,大部分要通过显微镜来完成,因此,显微镜性能的好坏是做好观察实验的关键。

早在公元前一世纪,人们就已发现通过球形透明物体去观察微小物体时,可以使其放大成像。后来逐渐对球形玻璃表面能使物体放大成像的规律有了认识。1590年,荷兰和意大利的眼镜制造者已经造出类似显微镜的放大仪器。1610年前后,意大利的伽利略和德国的开普勒在研究望远镜的同时,改变物镜和目镜之间的距离,得出合理的显微镜光路结构,当时的光学工匠纷纷从事显微镜的制造、推广和改进。

17世纪中叶,英国的罗伯特·胡克和荷兰的列文虎克,都对显微镜的发展作出了卓越的贡献。1665年前后,胡克在显微镜中加入粗动和微动调焦机构、照明系统和承载标本片的工作台。这些部件经过不断改进,成为现代显微镜的基本组成部分。

1673——1677年期间,列文·虎克制成单组元放大镜式的高倍显微镜,其中九台保存至今。胡克和列文·虎克利用自制的显微镜,在动、植物机体微观结构的研究方面取得了杰出的成就。19世纪,高质量消色差浸液物镜的出现,使显微镜观察微细结构的能力大为提高。1827年阿米奇第一个采用了浸液物镜。19世纪70年代,德国人阿贝奠定了显微镜成像的古典理论基础。这些都促进了显微镜制造和显微观察技术的迅速发展,并为19世纪后半叶包括科赫、巴斯德等在内的生物学家和医学家发现细菌和微生物提供了有力的工具。

近代的光学显微镜通常采用两级放大,分别由物镜和目镜完成。被观察物体位于物镜的前方,被物镜作第一级放大后成一倒立的实象,然后此实像再被目镜作第二级放大,成一虚象,人眼看到的就是虚像。而显微镜的总放大倍率就是物镜放大倍率和目镜放大倍率的乘积。放大倍率是指直线尺寸的放大比,而不是面积比。

光学显微镜的发展过程和观察极限

光学显微镜的分类:

1.光学显微镜按使用目镜的数目可分为双目和单目显微镜。

2.光学显微镜按图像是否有立体感可分为立体视觉和非立体视觉显微镜。

3.光学显微镜按观察对像可分为生物和金相显微镜等。

4.光学显微镜按光学原理可分为偏光,相衬和微差干涉对比显微镜等。

5.光学显微镜按光源类型可分为普通光、荧光、红外光和激光显微镜等。

6.按接收器类型可分为目视、摄影和电视显微镜等。

其实光学显微镜的分辨率极限问题在1873年就被德国物理学家阿贝所解答了。阿贝通过计算推导发现了光学显微镜分辨率的极限公式,这个公式所计算出的极限也被叫做阿贝极限。

光学显微镜所用的目镜和物镜其实就是凸透镜,光线透过凸透镜就会产生艾里斑,我们通过显微镜所看到的一个点,其实就是一个光斑。如果需要观察的两个点离得比较远,我们还能分辨得出。但是如果这两个点离得非常非常的近,近到它们所产生的两个艾里斑重叠在了一起,则我们就分不清这是否是两个点了,而我们只能看到模糊的一团。所以艾里斑的尺寸其实决定了显微镜的分辨极限。由于篇幅有限,天纵君这里抛开了推导过程,给出了一个光学显微镜分辨率的公式,如下:

δ=0.61λ/

δ:分辨率 λ:波长 n:折射率 α:孔径角

这个公式再经过简单换算后其约等于1/2个λ,也就是说二分之一个波长其实就是光学显微镜分辨的极限了,后人定义它为“阿贝极限”。

在可见光中波长最短的紫光的波长大约是400纳米,阿贝极限也就是大约200纳米。这就是说,如果两个点的距离达到200纳米以下则用光学显微镜就分辨不出这两个点了,这也就是光学显微镜的分辨率极限了。

光学显微镜的发展过程和观察极限

目前光学显微镜通常能分辨细胞结构,也就是微米级。最优秀的光学显微镜,和大家在中学里见到的也相差不会太大。

而人眼的分辨率是0.1mm,所以理论上,仅仅需要把1微米放大到0.1mm也就是100倍就足够了。

所以光学显微镜没有做到太大的必要。即使我们真的有黑科技能够走到270nm级,我们理论上也只需要将其放大到人眼所能识别的大小。放大到2.7cm应该是极限了。再大你也识别不出两个波峰之间的信息。所以从实用意义上说,黑科技的放大倍率也就是10000倍。和朴素的电子显微镜相当。

光学显微镜的发展过程和观察极限

科技发展日新月异,光学显微镜的放大倍数可能还会被刷新。可是显微镜还需要人眼的观察识别,所以,受限于人眼的可视范围,光学显微镜放大倍数再大,也是没用的。除非哪天有一种仪器可以改善我们的眼睛,让我们的眼睛能分辨出更小的变化,如果有那么一天,我想可能光学显微镜的阿贝极限也许会被打破。

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