光學及光譜知識

光學用語


1. 數值孔徑(NA=Numerical Aperture的縮寫)
數值孔徑NA是決定物鏡解析度、焦點深度、影像明亮度等因素的重要數值。NA以下列公式表示,此數值越高表示可以得到解析度越高、焦點深度越淺的影像。

NA= n•Sinθ

n為物鏡前端與被測物中間媒介的折射率,如為空氣時n = 1.0。
θ 為通過物鏡最外側的光線與鏡片中心(光軸)之間的角度。




2. 解析度(R=Resolving power的縮寫)
可以分辨僅些微分開的點或線的最小間隔稱為解析度。解析度(R)由數值孔徑NA與波長λ決定。




3. 工作距離(W.D.=Working Distance的縮寫)
是指對焦時,被測物面到物鏡前端的距離。


4. 共焦距離(Parfocal distance)
是指對焦時,被測物面到物鏡安裝位置的距離。




5. 無限遠補正光學系統(Infinity-corrected system)
使用物鏡與結像鏡結像的光學系統稱為無限遠補正光學系統。




6. 有限校正光學系統(Finite-corrected optical system)
只使用物鏡於有限位置結像的光學系統稱為有限校正光學系統。




7. 物鏡焦距(f=Focal Length的縮寫)與倍率間的關係
主點到焦點的距離,f1為物鏡的焦距,f2為結像鏡的焦距。
倍率取決於物鏡的焦距與結像鏡的焦距之比例。(無限遠補正光學系統的情況)




8. 視野數(F.N.=Field Number的縮寫)、實際視野、螢幕顯示倍率
被測物面能被觀察到多少範圍取決於接目鏡的視野光圈之直徑,將此直徑以mm表示的數值稱為視野數。實視野指的是實際在物鏡放大觀察到的物體面範圍。
實視野可由以下公式計算得出:

(1)以顯微鏡可觀察的被測物範圍(直徑)
         

(2)螢幕觀察範圍
                 

    ● 結像元件的大小
單位:mm
類型 對角線長 長邊(橫) 短邊(縱)
1/3型 6.0 4.8 3.6
1/2型 8.0 6.4 4.8
2/3型 11.0 8.8 6.6
(3)螢幕顯示倍率
         


9.  焦點深度(D.F.=Depth of Focus的縮寫)
以顯微鏡對焦時,對焦平面在該平面前後移動仍清晰可見的範圍。數值孔徑越大則焦點深度越淺;反之,焦點深度越深(數值孔徑小)則對焦範圍越大,即使有些微段差,仍可於同一焦點確認。由於人眼的調節能力因人而異,故每人感受到的焦點深度也會有所差異。現在普遍使用Berek公式計算,其計算結果與實驗結果大致相符。實體顯微鏡等使用的低倍率鏡頭焦點深度較深,相當於相機用語中的景深。

● 使用接目鏡觀察時(Berek公式)


● 使用TV螢幕觀察時



10. 明視野照明與暗視野照明(Bright-field illumination and Dark-field illumination)
明視野照明是藉由照亮整個視野來進行的觀察方式;明視野落射照明則是一種通過物鏡進行垂直照明,以觀察被測物的照明方式。暗視野照明是由物鏡外圍對被測物進行照明(以傾斜於光軸的光線照明被測物),使無損傷的平整部位偏暗,並使有損傷或凹凸的部分較亮以進行觀察的照明方式。


11. 複消色差物鏡與消色差物鏡(Apochromatic objective and achromatic objective)
複消色差物鏡是針對三色光(紅藍黃)校正色差(顏色模糊)的鏡頭。消色差物鏡是針對兩種顏色的光(紅藍)校正色差的鏡頭。


12. 科勒照明(Koehler illumination)
是一種具備視野光圈和光圈的光學系統,多用於生物顯微鏡或金屬顯微鏡上,照射光不會直接在觀察面上結像,而會均勻照射整個觀察範圍。視野光圈照射的範圍邊界將變得清晰,光圈則可用來調整亮度。




13. 遠心(Telecentric illumination)
設計上使主光線通過焦點的光學系統,特色是即使失焦,影像中心的大小仍可維持不變。


14. 孔徑光圈(Aperture diaphragm)
用來調整光線通過的範圍,與亮度及解析度有關。尤其是使用透射照明量測圓筒狀被測物的寬度尺寸時,可藉由適當的開口大小來抑制繞射光發生,使量測與觀察正確進行。


15. 視野光圈(Field stop)
用以遮蔽觀察範圍外的光線。遮蔽多餘的光線,使影像鮮明可見。


16. 平場(Plan)
是指可校正消色差鏡頭或複消色差鏡頭的像面、影像的彎曲,使平面影像得以確實呈現於平面的物鏡。本公司的FS物鏡皆為Plan規格。


17. 暈影(Vignetting)
是指當光線通過物鏡,於結像過程中受到某種阻礙,使周邊部位亮度偏暗或產生陰影的現象。


18. 耀光(Flare)
鏡頭內部的內面反射或鏡筒中的光線散射造成光線在視野內重疊(影像發白)的現象,會導致影像對比降低。


19. 雙重影像(Double image)
結像光學系統中的光學元件造成多重反射,使單一影像看起來像兩個影像重疊的現象。


20. 物鏡的瞳徑與光點直徑(Pupil diameter and Spot diameter of an objective)

● 瞳徑

是指可入射到物鏡(後側)光軸上的平行光束最大直徑。

瞳徑可由以下公式計算得出:

 

● 光點直徑

當光束以均勻強度分布入射至物鏡(後側)時,聚光強度分布值為0的直徑。

光點直徑的參考值可由以下公式計算得出:

 

然而,雷射光等斷面呈高斯強度分布的光源,並不適用上方公式。
雷射光束直徑通常以峰值的1/e2來表示,即直徑為13.5%,故雷射光的光點直徑可代入下方公式計算得出: