LOGO第1页，共34页，星期日，2025年，2月5日光学显微镜的发明为人类认识微观世界提供了重要的工具。随着科学技术的发展，光学显微镜因其有限的分辨本领而难以满足许多微观分析的需求。上世纪30年代后，电子显微镜的发明将分辨本领提高到纳米量级，同时也将显微镜的功能由单一的形貌观察扩展到集形貌观察、晶体结构、成分分析等于一体。人类认识微观世界的能力从此有了长足的发展。第2页，共34页，星期日，2025年，2月5日主要内容光的折射和光学透镜成像1光的衍射与光学显微镜分辨本领理论极限2电子波长3电磁透镜4电磁透镜的像差及其对分辨率的影响5景深和焦长6第3页，共34页，星期日，2025年，2月5日6-1光的折射和光学透镜成像光的折射：光在均匀介质中直线传播，当从一介质传播到另一介质时，因光的传播速度随介质而变，故光的传播方向在两介质的分界面发生突变。光在不同介质中其频率是恒定不变的。第4页，共34页，星期日，2025年，2月5日光学透镜成像：光的折射是可见光聚焦成像的基础。薄透镜的性质：通过透镜中心C的光线不发生折射。一束平行于主光轴的光通过透镜后会聚于透镜另一侧的主光轴上的某一点称焦点F。前焦点处的光散射经透镜后变成一束平行于主光轴的平行光。第5页，共34页，星期日，2025年，2月5日透镜成像：遵循关系式：放大倍数第6页，共34页，星期日，2025年，2月5日6-2光的衍射与光学显微镜分辨本领理论极限光的衍射：光是电磁波，具有波动性，使由透镜各部分折射到像平面上的像点与周围区域的光波相互间产生衍射现象。一个理想的点光源通过透镜成像时，因衍射效应，不能得到一个理想的像点，而是形成一个具有一定尺寸的中央亮斑和周围明暗相间的圆环，称埃利斑。第7页，共34页，星期日，2025年，2月5日测量结果表明Airy斑的强度大约84%集中在中心亮斑上，其余分布在周围的亮环上。由于周围亮环的强度比较低，一般肉眼不易分辨，只能看到中心亮斑。因此通常以Airy斑的第一暗环的半径来衡量其大小。根据衍射理论推导，点光源通过透镜产生的Airy斑半径R0的表达式为：（6-1）第8页，共34页，星期日，2025年，2月5日由于光的衍射，使得由物平面内的点O1、O2在象平面形成一B1、B2圆斑（Airy斑）。若O1、O2靠得太近，过分重叠，图象就模糊不清。图（a）点O1、O2形成两个Airy斑；图（b）是强度分布。LB2B1Md强度O1O2dD（a）（b）第9页，共34页，星期日，2025年，2月5日第10页，共34页，星期日，2025年，2月5日图（a）两个Airy斑明显可分辨出。图（b）两个Airy斑刚好可分辨出。图（c）两个Airy斑分辨不出。I0.81I第11页，共34页，星期日，2025年，2月5日透镜分辨率当两斑的间距等于R0时，在像上这两个斑是可以区分的，能分辨像上的两斑也即能分清物上对应的物平面上两物点。此时，两物点间距（Δr0）定义为透镜能分辨的最小间距，即透镜分辨率（也称分辨本领）。由式6-1得：即（6-2）第12页，共34页，星期日，2025年，2月5日讨论：第13页，共34页，星期日，2025年，2月5日如何提高显微镜的分辨率根据式要想提高显微镜的分辨率，关键是降低照明光源的波长。顺着电磁波谱朝短波长方向寻找，紫外光的波长在13-390nm之间，比可见光短多了。但是大多数物质都强烈地吸收紫外光，因此紫外光难以作为照明光源。更短的波长是X射线。但是，迄今为止还没有找到能使X射线改变方向、发生折射和聚焦成象的物质，也就是说还没有X射线的透镜存在。因此X射线也不能作为显微镜的照明光源。除了电磁波谱外，在物质波中，电子波不仅具有短波长，而且存在使之发生折射聚焦的物质。所以电子波可以作为照明光源，由此形成电子显微镜。γ射线→X射线→紫外光→可见光→红外光→微波→无线电波第14页，共34页，星期日，2025年，2月5日有效放大倍数，光学透镜的分辨本领主要取决于照明源的波长。半波长是光学显微镜分辨率的理论极限。可见光的最短波长是390nm，也就是说光学显微镜的最高分辨率是≈200nm。一般地人眼的分辨本领是大约