如何将显微镜的图像画出光路图

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一、显微镜成像原理及其光路图

1.显微镜成像原理

显微镜成像基于凸透镜的放大原理，通过放大微小物体的视角，使其在视网膜上成像更大，从而便于观察。角放大率M用于描述这一放大能力。放大倍数取决于物体与眼睛的距离，通常以25厘米（明视距离）处的放大率来定义。

2.显微镜的光路图

显微镜的光路图显示了光线如何通过目镜和物镜，最终形成放大的图像。在目镜和物镜之间，样品被放置在物镜的焦平面上，并被物镜放大。放大后的图像被目镜进一步放大，最终到达观察者的眼睛。

3.显微镜的构造

显微镜主要由目镜和物镜组成：

-目镜：位于镜筒上端，通常有多个倍数可选，如10×、15×等。目镜的放大倍数与视场中的物体大小成正比。

-物镜：安装在镜筒下端的旋转器上。不同长度的物镜具有不同的放大倍数，如短物镜通常为低倍镜（10×），长物镜为高倍镜（40×），最长的物镜为油镜（100×）。物镜和目镜的放大倍数相乘，得到总的放大倍数。

4.放大倍数与镜头长度的关系

二、显微镜成像原理及光路图

显微镜成像原理是基于凸透镜的放大成像原理，通过物镜和目镜的组合，将人眼不能分辨的微小物体放大到人眼能清晰观察的尺寸。下面将详细解释显微镜的成像原理及光路图。

首先，当物体放置在显微镜的物镜焦点之外且十分靠近焦点的位置时，物镜会生成一个倒立、放大的实像。这个实像位于目镜的一倍焦距之内，通过目镜进一步放大，最终形成一个正立、放大的虚像，供人眼观察。这就是显微镜的基本成像原理。

在光路图中，可以清晰地看到光线从物体出发，经过物镜后形成一个放大的实像，这个实像再经过目镜进一步放大，最终进入人眼。需要注意的是，物镜和目镜的焦距以及它们之间的距离都是经过精心设计的，以确保能够形成清晰、放大的图像。

此外，显微镜的放大倍数是通过物镜和目镜的放大倍数共同决定的。物镜和目镜上通常都标有各自的放大倍数，例如5×、10×等。显微镜的总放大倍数就是物镜放大倍数与目镜放大倍数的乘积。因此，通过选择不同的物镜和目镜组合，可以实现不同的放大倍数，以满足不同的观察需求。

透射电子显微镜（TEM）快速入门：原理与操作指南

透射电子显微镜

光学显微镜由于受到光波衍射的限制，其分辨率通常无法突破0.2微米的界限，导致许多亚显微结构无法被清晰地观察。为了解决这一问题，科学家们开始探索使用波长更短的光源来提高显微镜的分辨率。

1932年，德国科学家恩斯特·鲁斯卡（ErnstRuska）成功发明了透射电子显微镜（TEM），利用电子束作为光源。由于电子束的波长远小于可见光和紫外光，并且波长与电子束的加速电压成反比，TEM的分辨率可以达到0.2纳米，极大地扩展了人类对微观世界的观察范围。

TEM组成部分

电子枪：电子枪是TEM的核心部件之一，负责发射电子。它由阴极、栅极和阳极组成。阴极发射的电子通过栅极上的小孔形成电子束，经阳极电压加速后射向聚光镜，起到加速和聚焦电子束的作用。

聚光镜：聚光镜的作用是将电子束聚焦，形成平行光源，为后续的成像过程提供稳定的电子束。

样品杆：样品杆用于装载待观察的样品，确保样品在电子束的作用下能够被清晰地成像。

物镜：物镜负责聚焦成像，进行第一次放大。它将电子束聚焦到样品上，形成初步的图像。

中间镜：中间镜进行第二次放大，并控制成像模式（图像模式或电子衍射模式），以满足不同的观察需求。

投影镜：投影镜进行第三次放大，进一步提高图像的清晰度。

荧光屏：荧光屏将电子信号转化为可见光，供操作者观察。它是观察者直接看到图像的界面。

CCD相机：电荷耦合元件（CCD）相机将光学影像转化为数字信号，便于后续的图像处理和分析。

TEM组成部分

透射电子显微镜的成像原理与光学显微镜在光路设计上相似。电子束作为光源，经过聚光镜会聚后照射到样品上。透射过样品的电子束进入物镜，由物镜会聚成像，形成第一次放大图像。

随后，中间镜和投影镜再进行两次接力放大，最终在荧光屏上形成清晰的投影图像供观察者观察。电镜物镜成像光路图也与光学凸透镜放大光路图一致，都是通过透镜的聚焦作用实现图像的放大和清晰显示。

样品制备

由于透射电子显微镜收集的是透射过样品的电子束的信息，因此样品必须足够薄，以便电子束能够顺利透过。样品制备是TEM分析的关键步骤之一，常见的样品类型包括复型样品、超显微颗粒样品和材料薄膜样品等。制样设备包括真空镀膜仪、超声清洗仪、切片机、磨片机、电解双喷仪、离子薄化仪和超薄切片机等。这些设备用于将样品加工成适合TEM观察的超薄状态，以确保电子束能够有效透过样品并获取清晰的图像信息。

成像种类

TEM的操作模式多样，以适应不同的分析需求。

明暗场衬度图像：明场成像（Brightfieldimage）是在物镜的背焦面上，让透射束通过物镜光阑而把衍射束挡掉得到图像衬度的方法。暗场成像（Darkfieldimage）是将入射束方向倾斜2θ角度，使衍射束通过物镜光阑而把透射束挡掉得到图像衬度的方法。明暗场成像能够清晰地显示样品中的缺陷、位错等微观结构特征。

高分辨TEM（HRTEM）图像：HRTEM可以获得晶格条纹像（反映晶面间距信息）；结构像及单个原子像（反映晶体结构中原子或原子团配置情况）等分辨率更高的图像信息。但是要求样品厚度小于1纳米，以确保电子束能够有效透过并获取清晰的高分辨图像。

电子衍射图像：电子衍射是TEM的另一重要功能，能够提供样品的晶体结构信息。选区衍射（Selectedareadiffraction，SAD）用于分析微米级微小区域的结构特征；会聚束衍射（Convergentbeamelectrondiffraction，CBED）和微束衍射（Microbeamelectrondiffraction，MED）则用于分析纳米级微小区域的结构特征。电子衍射图像能够帮助研究人员确定样品的晶体结构、晶格常数等重要信息。

常见问题

TEM和SEM的区别：透射电子显微镜（TEM）和扫描电子显微镜（SEM）是电子显微镜的两种主要类型，它们在工作原理和应用领域上存在一些区别。

当一束高能的入射电子轰击物质表面时，被激发的区域将产生二次电子、背散射电子、俄歇电子、特征X射线、透射电子，以及在可见、紫外、红外光区域产生的电磁辐射。扫描电镜主要收集二次电子和背散射电子的信息，用于观察样品表面的形貌和成分分布；而透射电镜则收集透射电子的信息，用于观察样品内部的微观结构和晶体结构等。

SEM制样对样品的厚度没有特殊要求，可以采用切、磨、抛光或解理等方法将特定剖面呈现出来，从而转化为可观察的表面；

而TEM得到的显微图像的质量强烈依赖于样品的厚度，因此样品观测部位要非常薄，一般为10到100纳米内，甚至更薄。

衍射衬度与质厚衬度的区别：晶体试样在进行电镜观察时，由于各处晶体取向不同和（或）晶体结构不同，满足布拉格条件的程度不同，使得对应试样下表面处有不同的衍射效果，从而在下表面形成一个随位置而异的衍射振幅分布，这样形成的衬度称为衍射衬度。衍射衬度主要反映样品的晶体结构和取向信息。

而质厚衬度是由于样品不同微区间存在的原子序数或厚度的差异而形成的，适用于对复型膜试样电子图像做出解释。质厚衬度主要反映样品的厚度和原子序数差异，与样品的晶体结构和取向关系不大。

透射电子显微镜（TEM）作为一种强大的显微技术，为我们深入理解材料的微观世界提供了宝贵的视角。

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