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光學(xué)顯微鏡關(guān)于數(shù)值孔徑的介紹

來源:微儀光電(天津)有限公司   2024年11月12日 15:19  

光學(xué)顯微鏡是一種利用光學(xué)原理,將肉眼所不能分辨的微小物體放大成像以供人們提取微細(xì)結(jié)構(gòu)信息的光學(xué)儀器。而數(shù)值孔徑(Numerical Aperture,簡稱NA),是光學(xué)顯微鏡,尤其是其物鏡的一個重要技術(shù)參數(shù),以下是關(guān)于光學(xué)顯微鏡數(shù)值孔徑的詳細(xì)介紹:

一、定義與計(jì)算公式

數(shù)值孔徑描述了透鏡(或光學(xué)系統(tǒng))收光錐角的大小,決定了透鏡的收光能力和空間分辨率。它是子午光線能進(jìn)入或離開纖芯(光學(xué)系統(tǒng)或光學(xué)器件)的大圓錐的半頂角之正弦,乘以圓錐頂所在介質(zhì)的折射率。計(jì)算公式為:NA=n×sin(θ/2),其中n是物體與物鏡間媒質(zhì)的折射率,θ是孔徑角(又稱“鏡口角”),即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的兩倍。

二、性質(zhì)與特點(diǎn)

無量綱數(shù):數(shù)值孔徑是一個沒有單位的量,用于衡量光學(xué)系統(tǒng)收集光的能力。

影響成像質(zhì)量:數(shù)值孔徑越大,成像質(zhì)量越好。因?yàn)楦蟮臄?shù)值孔徑意味著能夠收集到更多的光線,從而提高圖像的亮度和清晰度。

與物鏡性能密切相關(guān):數(shù)值孔徑是判斷物鏡性能(如分辨率、焦深、亮度等)的重要指標(biāo)。一般來說,數(shù)值孔徑越大,物鏡的分辨率越高,但焦深會相應(yīng)減小。

三、影響因素與調(diào)節(jié)方法

介質(zhì)折射率:在孔徑角固定的情況下,增大介質(zhì)折射率n值可以增大數(shù)值孔徑。因此,在實(shí)際應(yīng)用中,可以通過使用水浸物鏡、油浸物鏡等方法來提高數(shù)值孔徑。例如,水浸物鏡的介質(zhì)折射率為1.333,油浸物鏡的介質(zhì)折射率可達(dá)1.515或更高(如使用溴萘作為介質(zhì),折射率為1.66)。

孔徑角:孔徑角越大,進(jìn)入物鏡的光通量就越大。然而,在顯微鏡系統(tǒng)中,對于給定的物鏡,孔徑角已經(jīng)固定,因此無法直接通過改變孔徑角來調(diào)節(jié)數(shù)值孔徑。

四、與其他技術(shù)參數(shù)的關(guān)系

分辨率:數(shù)值孔徑與分辨率成正比。分辨率指成像過程中光點(diǎn)呈現(xiàn)差異的Z小分辨距離,表示為d=λ/NA(其中d為Z小分辨距離,λ為光纖的波長)。因此,數(shù)值孔徑越大,分辨率越高。

放大率:數(shù)值孔徑與放大率也成正比。但需要注意的是,放大率不僅受數(shù)值孔徑的影響,還受其他因素(如物鏡的設(shè)計(jì)、制造精度等)的制約。

焦深:焦深與數(shù)值孔徑的平方成反比。因此,數(shù)值孔徑增大時,焦深會相應(yīng)減小。這意味著在觀察過程中需要更加精確地調(diào)節(jié)焦距以獲得清晰的圖像。

視場寬度與工作距離:數(shù)值孔徑增大時,視場寬度與工作距離都會相應(yīng)地變小。這限制了觀察范圍并增加了操作難度。

綜上所述,數(shù)值孔徑是光學(xué)顯微鏡物鏡的一個重要技術(shù)參數(shù),它直接影響了成像質(zhì)量、分辨率、放大率等多個方面。在實(shí)際應(yīng)用中,需要根據(jù)具體需求選擇合適的物鏡和調(diào)節(jié)方法以獲得Z佳的觀察效果。

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