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              【自有技術大講堂】顯微光學成像原理與技術

              網站首頁    行業信息    【自有技術大講堂】顯微光學成像原理與技術

              一、 引言

               

              顯微鏡是20世紀人類最偉大的發明之一,最早的顯微鏡是由兩塊凸透鏡組成,用于觀察微小生物。隨著科學技術不斷發展,人們對顯微鏡的需求越來越大,尤其是在生物、醫療、生產制造業等領域。根據不同的應用領域,可以分為光學顯微鏡與電子顯微鏡。光學顯微鏡主要由目鏡、物鏡、載物臺和反光鏡組成,主要有如下幾種類型的顯微鏡:生物顯微鏡、熒光顯微鏡、偏光顯微鏡、體視顯微鏡和共聚焦顯微鏡等。電子顯微鏡利用電子束成像,相較于光學顯微鏡,具有更高的成像分辨率和放大倍率。

               

              二、 顯微光學成像原理

               

               

              顯微成像系統由物鏡和目鏡組成,物體AB處于物鏡1倍至2倍焦距處,物鏡對物體AB成倒立的放大的實像A1B1,實像A1B1處于目鏡1倍焦距內,目鏡對實像A1B1成正立的放大的虛像A2B2,相對于物體AB,成一個倒立的放大的虛像。不同的物鏡和目鏡的焦距大小以及相對距離可以改變顯微成像系統的放大倍率,實現各種尺寸特征的顯微成像。

               

              顯微鏡參數: 數值孔徑NA:光學系統的一個無量綱的數值,用于衡量該系統能夠收集光的角度范圍,決定了系統的空間分辨率,NA=n*sinα,α為孔徑角。 分辨率σ:光學系統能分辨兩個臨近點的極限距離,σ=0.61λ/NA,λ為波長。 放大倍率τ:τ= ,為光學筒長,、分別為物鏡和目鏡的焦距。

               

              三、 顯微鏡類型

               

              普通光學顯微鏡:主要用于生物研究與物理學實驗室,可以選配固定放大倍率的顯微物鏡或者連續變倍的顯微物鏡,常見的放大倍率為1倍到100倍。

               

              偏光顯微鏡:用于研究透明與不透明各向異性材料的一種顯微鏡,利用偏振光鑒別物質的單折射率或者雙折射性,在地質學等理工科專業中有重要應用。

               

              微分干涉相襯顯微鏡:用于觀察具有立體結構的微小物體,利用偏振片和Wollaston棱鏡將光束分為尋常光與非尋常光,兩束光受物體高度信息調制而產生光程差,最終呈現出具有立體感的圖像,相對于普通光學顯微鏡,能更快速的觀察物體的三維信息,下圖的小凸點清晰可見。

               

               

              激光共聚焦顯微鏡:用于更高分辨率成像,利用一對共軛針孔進行“空間濾波”,將焦平面以外的雜散光濾除以提高縱向分辨率,實現非侵入式的“光學切片”。當所觀察的對象較厚時,傳統的熒光顯微鏡無法接收焦平面以外的信息。激光共聚焦顯微鏡用激光作為光源,采用共軛聚焦原理和裝置,并利用計算機對所觀察的對象進行數字圖像處理觀察、分析和輸出。 其特點是可以對樣品進行斷層掃描和成像,進行無損傷觀察和分析物體的三維空間結構。

               

               

              超分辨顯微鏡:傳統的顯微鏡分辨率受制于光學衍射極限,一般的可見光照明顯微鏡分辨率的極限為200納米。利用結構光照明顯微術(Structured Illumination Microscopy, SIM)、受激輻射耗盡顯微術(Stimulated Emission Depletion Microscopy, STED)和單分子定位和構圖技術(Single Molecule Localization and Composition)可以突破衍射極限,使得光學分辨率達到20-30納米。

               

              四、 總結

               

              顯微鏡在日常生活、生產制造、醫療科學等領域的應用需求越來越多。隨著檢測對象偏向微米納米級,在保證足夠的放大倍率的同時,仍需具有高的分辨率。電子顯微鏡采用電子束成像的方法,分辨率可高達0.2納米;超分辨顯微成像的分辨率可達20-30納米;普通顯微鏡的分辨率可達200納米,然而高分辨率的顯微鏡往往伴隨著小視場與高成本等劣勢,因此可以針對不同的應用需求選擇合適的顯微鏡。

              2021年9月28日 10:47
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