材料组织结构的表征 —光学显微镜 Lamg Numerical Aperture NA=n.sin() (a)a=7°NA=0.12 (b)C=20°NA=0.34 (c)a=60°NA=0.87 Light Cone (a) (c)
材料组织结构的表征 —光学显微镜
Rayleigh Limit 景深 0.612 (0.15~0.30)n 理论 ·分辨率 横向△ro= 纵向D ，二 nsina nsinaM 。 衬度 I(s)-1(b) Contrast ≥0.02 I(b 明场 Microscope 暗场 OM 仪器 相位衬度 偏振光 "2eg 200m 微分干涉 激光共聚焦 制备 金相试样 好样品是成功的一半
• 理论 • 分辨率 • 衬 度 • 仪器 • 制备 • 明场 • 暗场 • 相位衬度 • 偏振光 • 微分干涉 • 激光共聚焦 • 金相试样 好样品是成功的一半 0.02 ( ) ( ) ( ) I b I s I b Contrast 横向Δ𝑟0 = 0.612𝜆 𝑛𝑠𝑖𝑛𝛼 纵向𝐷𝑓 = ሺ0.15~0.30)𝑛 𝑛𝑠𝑖𝑛𝛼𝑀 Rayleigh Limit 景深 OM
透镜成像理论 透镜清晰成像的关键 ·分辨率 ·衬度 透镜成像 透镜的分辨率极限 (区分两个相邻点的能力) 人裸眼的能力 0.612 ~0.2mm@ 25 槽 Ro △ro- cm M nsina Eyepiece 强度、频率/波长/ nsinat.数值孔径 颜色 (numerical aperture,NA) X 相位、偏振性 昝 2、 (0.15~0.30)n (N.A.)M (um) 光学显微镜：拓展人 眼可视范围 景深(Depth of field) Resolution of naked eye 可分辨的衬度极限 Effective magnification= I(s)-I(b) √增大△I Resolution of microscope Contrast= ≥0.02 ≈1333× I(b √降低背景
透镜成像理论 • 分辨率 • 衬 度 透镜成像 透镜清晰成像的关键 25 cm 人裸眼的能力 ~0.2 mm @ 25 cm 强度、频率/波长/ 颜色 X 相位、偏振性 光学显微镜：拓展人 眼可视范围 透镜的分辨率极限 nsin: 数值孔径 (numerical aperture, NA) （区分两个相邻点的能力） 横 向 纵 向 景深(Depth of field) 0.02 ( ) ( ) ( ) I b I s I b Contrast 可分辨的衬度极限 增大ΔI 降低 I背景
透镜成像理论 → ·分辨率 透镜清晰成像的关键 ·衬度 透镜成像系统 光路中的共轭面 Image formation in a reflected light microscope 临界照明 科勒照明 Similar to transmission source optical microscope. ④Retina ④Retina ④Iris diaphragm ot eye Different arrangement of components Condense Eyepiece Eyepiece aperture an ③Intermedi ③Intermediate Field atop of image Half-silvered =③Back focal Oojective len8 plane of B ②Object pia Stage ②Object plane Stage oblective Q Condenser lens Object Final ②Front focal plane of F月st condenser Image Objective aperture and lens ①Field stop diaphragm 物镜 Lamp ①Lamp filament 物镜是核心部件 两套共轭像平面合二为一 分离了两套共轭像平面 光源的像平面 光源的像平面 样品的像平面 样品的像平面
透镜成像理论 • 分辨率 • 衬 度 透镜成像系统 透镜清晰成像的关键 物镜 物镜是核心部件 分离了两套共轭像平面 光源的像平面 样品的像平面 临界照明 科勒照明 光路中的共轭面 两套共轭像平面合二为一 光源的像平面 样品的像平面
透镜成像理论→ ·分辨率 透镜清晰成像的关键 ·衬度 >透镜成像系统 光路中的光阑 博弈 光学缺陷：像差(aberration) 孔径光阑 孔径光阑 (有效NA) 分辨率 Axial Chromatic Aberration 艾利斑尺寸 影响分辨率 衬度 在轴像差 色差 球差 和衬度 孔径光阑 “专业性调节” 离轴像差 慧差 象散 视域光阑 畸变 场曲 畸变 视域光阑 分辨率 影响衬度 视域大小 不影响分辨率 衬度
透镜成像理论 • 分辨率 • 衬 度 透镜成像系统 透镜清晰成像的关键 光学缺陷：像差(aberration) 在轴像差 离轴像差 畸变 色差 球差 慧差 象散 场曲 畸变 光路中的光阑 孔径光阑 (有效NA) 视域光阑 艾利斑尺寸 影响分辨率 和衬度 影响衬度， 不影响分辨率 孔径光阑 分辨率 衬度 博弈 孔径光阑 “专业性调节” 视域光阑 分辨率 视域大小 衬度
光学显微附件 → 衬度模式 明场(BF)成像光路特点 暗场(DF)成像光路特点 图像对比 试样 BF 试样 曲面反射镜 物镜 物镜 Tube Lens. Microscope y 暗场环形 平面玻璃 pol 反射镜 Assemb surfac 环形光阑 concave grain b 空心光束，通过曲面反射镜，形成大入射角 入射光以接近垂直于样品表面方向入射 倾斜式照射样品表面
光学显微附件 明场(BF)成像光路特点 衬度模式 暗场(DF)成像光路特点 图像对比 入射光以接近垂直于样品表面方向入射 空心光束，通过曲面反射镜，形成大入射角 倾斜式照射样品表面
光学显微附件 → 衬度模式 D波 S波 >相位衬度显微术 关键： 1.S波与D波分离 Incident beam,入 2.使$波移相（超前或滞后π2) D 3.降低S波振幅 Apertures. Condenser Objective Diffracted Light(Redy amp P 4dk< Collecto 拉大S波与 Lens Condenser Specimen Phase Surround Annulus Light Image P波的振幅 (Yellow) Plane 相对差距 Figure 4 如何将相位差转变为亮度差？ S Wave S+D=P wave PWave 共轭面 (b) D Wave 两相的表面高度差在10-150nm Vectors S Wave 情况下“相衬法"辨别两相组织较 P Wave D Wave 适宜
光学显微附件 相位衬度显微术 衬度模式 B A d S P S P D Incident beam, d<< D波 S波 共轭面 关键： 1. S波与D波分离 2. 使S波移相（超前或滞后/2） 3. 降低S波振幅 拉大S波与 P波的振幅 相对差距 S Wave P Wave D Wave S+D=P 两相的表面高度差在10-150 nm 情况下“相衬法”辨别两相组织较 适宜
光学显微附件 → 衬度模式 偏振光显微镜 微分干涉(DIC)显微镜 Differential Interference Contrast Schematic Light to Evepieces Polarized Light Analyzer Microscopy 98icoe Liane Ray 位向差 偏光 相位梯度 衬度差 干涉 衬度差 Light from Sourc √各向异性材料表面： Specimen Optical Path Difference and DIC Amplitude Profile Shear Axis 位向不同，反射率不同，形成衬度 mplitude doPD OPD(nm) √各向同性材料表面 高低不同，入射角不同，形成衬度 -Shear Axis- -Shear Axis. Figure7周 Phas Flgure
光学显微附件 衬度模式 偏振光显微镜 位向差 衬度差 各向异性材料表面： 位向不同，反射率不同，形成衬度 各向同性材料表面： 高低不同，入射角不同，形成衬度 微分干涉(DIC)显微镜 偏光 + 干涉 相位梯度 衬度差
光学显微附件 共聚焦扫描成像 共聚焦成像原理 深度方向上成像 核心原理：利用空间针孔 (spatial pinhole),过滤掉非焦平 面光线，逐点扫描，合成图像 光切片 optical slicing 非焦平 面杂 △rlateral 光 (0.37~0.51)1 横向分辨率 = NA PH~3.0 AU PH-1 AU PH~0,25 AU 像扩散斑 △raxial (1.28~1.77)nλ 纵向分辨率= (NA)2 光源扩散斑 PSF>>PSF PSF>PSF PSFa>=PSF
光学显微附件 共聚焦扫描成像 共聚焦成像原理 非焦平 面杂散 光 光源扩散斑 像扩散斑 深度方向上成像 光切片 optical slicing ∆𝑟𝑙𝑎𝑡𝑒𝑟𝑎𝑙 = ሺ0.37~0.51)𝜆 𝑁𝐴 ∆𝑟𝑎𝑥𝑖𝑎𝑙 = ሺ1.28~1.77)𝑛𝜆 ሺ𝑁𝐴) 2 横向分辨率 纵向分辨率 核 心 原 理 ： 利 用 空 间 针 孔 (spatial pinhole)，过滤掉非焦平 面光线，逐点扫描，合成图像