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顯微課堂 | 當(dāng)心“無效”放大率

更新時間：2024-12-06 點擊次數(shù)：1082

在一個最簡化的情況，光學(xué)顯微鏡由一個靠近標(biāo)本的透鏡（物鏡）和一個靠近眼睛的透鏡（目鏡）組成。顯微鏡放大率是兩個顯微鏡透鏡系數(shù)的乘積。比如，40倍物鏡和10倍目鏡可以得到400倍放大率。

通過光波確定限值

但是，表現(xiàn)光學(xué)顯微鏡性能的不僅僅有放大率，還有分辨率。分辨率指對兩個緊密相鄰的點分辨的能力。根據(jù)瑞利（Rayleigh）定律，能夠分別成像的兩個點之間的最小距離大約相當(dāng)于光波長的一半。

λ=光波長
n=標(biāo)本和物鏡之間的介質(zhì)的折光率
α=物鏡孔徑角的一半

因此，對于藍(lán)光，分辨率限值約為d=0.2μm；對于紅光，d=0.35μm左右。UV物鏡的分辨率略低于0.2μm。肉眼無法區(qū)分小于0.2mm的結(jié)構(gòu)。

n×sin α的數(shù)值對應(yīng)于數(shù)值孔徑（NA），即表示聚光能力和物鏡分辨率的量度。由于孔徑角不能超過90°，折光率永遠(yuǎn)大于等于1（nair=1），所以大氣中的NA始終在1左右。如果采用油浸的方式（n>1），數(shù)值孔徑將增加（達到約1.45），分辨率也將隨之升高。

圖1：可見光光譜

因此，對于藍(lán)光，分辨率限值約為d=0.2μm；對于紅光，d=0.35μm。UV物鏡的分辨率略低于0.2μm。肉眼無法區(qū)分小于0.2mm的結(jié)構(gòu)。

圖2：物鏡的數(shù)值孔徑?jīng)Q定了圖像的具體分辨率和亮度

放大率并非越大越好

為了使人眼能夠觀察到顯微分辨率，目鏡中出現(xiàn)的圖像應(yīng)具有相應(yīng)的放大率。分辨率和放大率始終直接相關(guān)。放大率低的物鏡具有低數(shù)值孔徑，因此分辨率低。

高倍物鏡的數(shù)值孔徑也很高，如果是40倍干式物鏡，則數(shù)值孔徑通常為0.8。但由于數(shù)值孔徑增加到某個特定點后無法繼續(xù)增加，所以在傳統(tǒng)的光學(xué)顯微鏡中，可用的放大范圍也是有限的。“有用"的顯微鏡放大率在500×NA和1000×NA之間。

一些光學(xué)顯微鏡聲稱具有極大的放大率，但實際上最高還不到1400倍。專家將超出該范圍的一切倍率都稱作“無效放大率"。雖然看似放大了結(jié)構(gòu)，但并沒有進一步分辨細(xì)節(jié)部分。

圖3：含10%鈷的硬質(zhì)合金（亞微米結(jié)構(gòu)，初始晶粒度為0.6µm)，用于生產(chǎn)重型工具。左：通過干式物鏡觀察，NA=0.90，右圖：通過油浸物鏡觀察，NA=1.30（由Konrad Friedrichs GmbH & Co KG, Kulmbach, Germany提供