光學顯微鏡的基本工作原理-tft每日頭條

光學顯微鏡的基本工作原理

生活更新时间:2024-12-04 23:14:42

星馳科普第23期：光學顯微居然有極限！怪不得我們要用電子顯微鏡！

注意，文章為頭條号俊采星馳（QQ訂閱号：juncaixingchi）原創，未經允許，禁止轉載。歡迎在評論區提出不同意見和疑問。

很多人都認為，光學是沒有極限的，也很不理解為何光學顯微鏡存在極限，其實這一切的原因歸于：光學衍射極限。

光學顯微鏡的基本工作原理（光學顯微居然有極限）1

由于光是一種電磁波，具有衍射和幹涉的特性。

光學顯微鏡的基本工作原理（光學顯微居然有極限）2

圖 1. 光學顯微鏡簡化示意圖

如上面的簡圖所示，紫色箭頭表示的物體 PQ 經過物鏡等之後在相機上成像為P'Q'。由于光的衍射，物體上的點如 P、Q，在相機上并不是單獨的點，而是一個個有一定大小的斑，被稱為夫琅禾費衍射斑（或稱艾裡斑），如右側的同心圓所示。那麼，當 P'、Q' 相距太近的時候，兩個斑會疊加導緻難以分辨。這就要求物體上的 P、Q 要相距一定的距離。

這個公式就是光學顯微鏡的分辨率公式，或稱為光學衍射極限。（注意此處的分辨率與通常說的顯示器分辨率含義不同）

其中λ為光的波長，n 為物方的折射率，θ為物體與物鏡邊緣連線和光軸的夾角。如上圖所示。為方便起見，其中的

光學顯微鏡的基本工作原理（光學顯微居然有極限）3

通常稱為數值孔徑，簡寫為 NA。

攝影領域常用 f/# 或稱光圈值來描述鏡頭，光圈值與數值孔徑可以相互換算。對于一枚光圈為 2.0 的鏡頭來說，數值孔徑為 0.25，其分辨能力約 1.2 微米。

目前常用的高倍物鏡 NA 最大為1.49，可以算出，對于可見光，比如波長 500 納米的綠光，顯微鏡的分辨率約為 200 納米。所以，即使再提高物鏡的放大倍率，也不能提高顯微鏡的分辨率。

而 200 納米這個數值也就通常被稱作衍射極限。

所以，低于200Nm的通常我們會用電子顯微鏡（無色）來掃。

感謝閱讀。

頭條号：俊采星馳， QQ公衆号：俊才星馳（juncaixingchi）。

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