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孙昊栋论文一稿资料

毕业论文

题目光学显微镜

学院电子信息与电气工程学院

姓名孙昊栋

专业物理学

学号20111040425

指导教师郭小花

提交日期2015.5.18

原创性声明

本人郑重声明：

本人所呈交的论文是在指导教师的指导下独立进行研究所取得的成果。

学位论文中凡是引用他人已经发表或未经发表的成果、数据、观点等均已明确注明出处。

除文中已经注明引用的内容外，不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。

本声明的法律责任由本人承担。

论文作者签名：

年月日

目录

摘要1

引言2

1传统光学显微镜3

1.2传统光学显微镜结构4

2近场光学显微镜4

2.1成像原理4

2.2近场光学显微镜的结构5

3两种光学显微镜的比较7

4光学显微镜的应用8

4.1高分辨率光学成像8

4.2在纳米材料中的应用8

结束语10

参考文献11

致谢12

光学显微镜

孙昊栋

（天水师范学院电子信息与电气工程学院甘肃天水741000）

摘要：

由于人类肉眼的最佳解析能力只能分辨相距0.2㎜以上的两点，对于更微小的物体，观察时必须借助于显微镜，光学显微镜更是得到越发普遍的应用。

本文通过对传统显微镜和近场光学显微镜的介绍和比较，突出了显微镜在现代科学领域发挥的重要性和运用的普遍性。

关键词：

光学显微镜;传统光学显微镜;近场光学显微镜;光学探针

Abstract:

Becausethebestanalyticalabilityofthehumaneyecandistinguishmorethan0.2㎜remotetwopointsinthistinyobjects,formoreobservationsmustbebymeansofmicroscope,opticalmicroscopeisincreasinglywidespreadapplication.Thisarticlethroughtothetraditionalmicroscopyandnearfieldopticalmicroscopeisintroducedandcompared,highlightstheimportanceofplayinthefieldofmodernscienceandthemicroscopeandtheuniversalityofuse.

Keyword:

opticalmicroscope;thetraditionalmicroscopy;nearfieldopticalmicroscope;opticalprobe

引言

显微镜是一种借助物理方法产生放大的观测仪器，最早发明于16世纪晚期，现在已经演变成一种极为重要的科学仪器。

广泛的应用于生物，化学，冶金，医学等各种科研项目，对人类做出了巨大的贡献。

随着现代光电子技术和计算机的高速发展，显微测量技术在工业国防科技均得到了越发普遍应用。

光学显微镜一般是由两组透镜组及显微镜本体构成，主要用来观察生物体的器官组织结构以及生物细胞的内部构造。

两组透镜包括接近被观测物体的物镜和用人眼观察的目镜，而物镜的结构复杂，制作精密，通常由透镜组组合而成，各镜片间彼此相隔一定的距离，以减少像差。

由于物镜是显微镜各组件中最为重要光学部件之一，它利用光源使被检测物体第一次成像，因而直接影响成像的质量和各项光学参数，而目镜的作用是把物镜放大的实像（中间像）再放大一次，并把物像映入观察者的眼中，实质上目镜的作用就是一个放大镜。

由于显微镜的分辨能力是由物镜的数值孔径决定的，而目镜只起放大的作用，因此，尽管目镜可将所观影像再次放大，但它仍无法看出物镜不能分辨出的被观测物体的结构。

光学显微镜的成像原理是以光为介质，利用可见光照射在物体的表面，造成了局部散射或反射来形成不同的对比，然后再对被测物体调制信息进行解调，便可得到物体的空间信息。

光学显微镜又可分为传统光学显微镜和近场光学显微镜。

1传统光学显微镜

1.1成像原理

传统光学显微镜是显微镜家族里最年长的成员，它曾经是观测微小结构的唯一手段，传统的光学显微镜以光学透镜为主体，利用透镜将物体放大成像，利用材料的折射率和曲率将被观察物体放大以获得其细节信息，但其放大倍数不能任意放大，它要受到光学衍射极限的限制，即德国物理 学家阿贝（E.Abbe）提出的分辨力极限公式

其中

为两点间的距离，

为光束的波长，

为介质的折射率，

为将光束收集和聚焦到探测器的透镜的半角孔径

。

由上述不等式可知，为提高显微镜的分辨能力，即减小距离r，只能通过以下三个途径：

（1）选择更短的波长；

（2）选择更大的n，用折射率很高的材料工作，（3）增大显微镜的孔径角

。

我们知道，任何成像系统的信息变换都可以由一个表征物体特性的函数与仪器性质的仪器函数之乘积所表示，第一个函数与物体的空间频频有关，后一个函数表示物体对每一个空间频的变换系数，一般地说，低空间频率变换系数接近与1，而高空间频率时变换系数就下降到0，因此我们就可以确定一个截止频率，超过它时没有信息被传递。

这个仪器函数叫做传递函数，不论成像系统结构如何，以及怎样照明，它是唯一的和完全确定的，即知道了物体结构和传递函数就可以十分准确地预言像的强度分布。

由成像系统能够定义唯一一个传递函数这一性质可以得出以下结论：

物体与探测器之间没有任何的相互作用，即物体发射的光在成像时没有受到物境的干扰，也可以理解为：

因为传播，光从物体到达透镜。

但从透镜到达物体的光的数量微乎其微，若改变探测收集系统，就意味着改变了系统的滤波特性，但是物与像的关系保持线性，这个重要的性质使我们得到任意精度的像

。

1.2传统光学显微镜结构

传统光学显微镜的部件主要包括物镜、目镜、聚光器以及照明装置等几个部分构成，正确选用各光学部件，使显微镜的各种装置都能得到良好的匹配，充分发挥它们应有的作用将直接决定和影响着它们的最佳性能，光学显微镜的结构如上图1所示。

物镜因与所观察的物体表面相靠近，被称之为物镜，它是显微镜各组件中最为重要的光学部件之一，它利用光源使物体第一次成像，因而决定着成像的质量以及分辨率。

物镜通常由透镜组组合而成，各镜片间彼此相隔一定的距离，以减少像差，每组透镜都由不同材料，不同参数的一块或数块透镜胶合而成。

目镜的作用是把物镜放大的实像再放一次，并把物像映入观察者的眼睛，充当了放大镜的作用。

所以目镜仍无法看出物镜不能分辨出的结构。

目镜的结构较为简单，一般由2—5片分两或三组构成。

在目镜镜筒内，目镜的物方焦点平面处装置一金属光阑，称之为“视场光圈”，它的作用是限定有效视场的范围，而舍弃四周的模糊像。

物镜放大后的中间像就落在视场光圈平面处，所以目镜中的指示标志，目镜测微尺等均放在这个位置。

聚光器又称为聚光器，装在载物台的下方可以弥补光源亮度的不足和适当改变从光源射来的光线性质，还能将光线聚焦于被检物体上，以得到最强的照明光线，聚光器由透镜组与孔径光阑组成，孔径光阑位于透镜组的焦点平面之外，在视场内看不到它的轮廓像，它形成了显微镜的入射瞳。

2近场光学显微镜

2.1成像原理

由于近场光学显微镜的成像原理是光学探针在样品表面进行扫描，并将通过光学探针探测到的光学信息进行处理成像，相比较而言与传统光学显微镜成像的原理不同。

我们可以将成像过程理解如下，大自然的基本规律对应着一个光源发射的光子或电子投射到目标物体后，经过反射或者透射，被探测器（如观察者的眼睛或照相机）接收，由于反射粒子的轨迹和数量与物体的性质有关，因而光子束就携带了物体特性的信息，投射在目标上就称为像，而在物理上，三维的物体与二维的像是有差别的，只能用光强这一物理量来记录这二者之间的关系

。

图2是一种近场光学显微镜的成像原理图

。

图中

粗逼近方式可以在几十纳米的精度调节探针与样品的间距；而

扫描及

控制可在

精度控制探针扫描及

方向的反馈随动。

图中的入射激光可以是通过光纤引入探针，并可以根据实验要求改变入射光的偏振态。

当入射激光照射样品时，探测器可以分别采集被样品调制的透射信号以及反射信号，再由光电倍增管放大，然后可以直接由模-数转换后通过分光系统进入光谱仪以得到光谱信息。

整个系统的控制、数据的采集、图像的显示和数据的处理均由计算机完成

。

从而得到，近场光学显微镜可以同时采集到三类不同的信息：

样品的表面形貌近场光学信号光谱信号。

2.2近场光学显微镜结构

近扬光学显微镜的结构主要由探针、信号传输、信号接收、信号反馈、扫描控制以及信号处理像等单元组成。

其中反馈、扫描、控制以及信号处理系统与原子力显微镜相似,不同之处在于近场光学显微镜的SNOM探针探测的是光场。

使用光学纤探测和传输信号,用光电倍增管接受并且放大信号。

SNOM系统的结构主要由光学探针、样品台、探针扫描控制（其中包括T—S间距控制）、光输入系统和信号采集处理系统五大部分组成。

在SNOM中的一个关键技术是光纤探针的制作，另一个就是针尖一样品间距控制（

），间距控制主要有三种方法：

（1）等高模式，

（2）等强模式，（3）剪切力模式。

这样针尖就可以按照固定的

间距上下起伏。

正是由于T—S间距控制方法不同，使得SNOM在发展过程中曾经出现过很多种配置方式，命名也随之各不相同。

主要分为两类：

一类是孔径型扫描近场光学显微镜，它采用亚波长的小孔或者针尖作为微光源。

而且激发光与被探测的信号光是平行的；另一类是光子扫描隧道显微镜，激发光射入样品，通过全反射在样品表面形成倏逝场，置于倏逝场的光探针实际是一个数射中心、它将非辐射场通过转换成传输波而被探测，从物体近场光信号探测这意义上讲，这两类在本质上一样的

。

由于SNON中的光学探针有的作为光源，有的作为微探测器．这就决定了有不同的SNOM配置方式，主要有以上几种

：

（1）照射模式。

如图2（a），一般用介电镀膜探针作为微小光源，适用于透明样品。

特别是生物荧光样品的探测。

（2）接受模式。

如图2（b），这种模式与上一种在结构上是对称的，探针作为微接受器，一般采用光纤微探针。

（3）反射模式。

如图2（c），镀膜光纤探针既是光源，又是接受器，适用于不透明的样品。

（4）光子隧道模式。

如图2（d），入射光在样品内表面形成全反射，而在样品表面近场形成一个消逝场，光纤探针可以将消逝场转化为传播场。

在以上几种配置中，光学探针是必不可少的，而且，它的质量决定了SNOM系统图像的分辨力和信噪比，因此，光纤探针的制作是SNOM中的关键技术。

一般要求用于SNOM中的探针要求小而“亮”，探针尖端孔径越小，SNOM的分辨能力就越高，另一方面，信号又必须足够强，才能有足够的信噪比

。

3两种光学显微镜的比较

传统光学显微镜曾经是观测微小结构的唯一手段，它是以光学透镜为主体，利用透镜将物体放大成像．一般地讲，单个透镜能将物体放大几十倍，使用透镜组合甚至可放大到近千倍，但是光的衍射效应限制了光学显微镜进一步提高分辨率的可能性，应运而生的近场光学显微镜的诞生。

由于近场光学显微镜的成像方式和结构不同于传统光学显微镜，它是通过光学探针在物品表面进行扫描，并将扫描到的光学信息进行处理成像。

而近场光学显微镜极大的提高了观测灵敏度，其横向分辨率达

，纵向分辨率为

，比传统的光学显微镜提高了两个数量级。

由上可知，传统光学显微镜的分辨能力一直受波长

和孔径

参数的大小，而近场光学显微镜的工作方式是将小于波长的超分辨极限的精细结构和起伏的信息，从近场区的电磁场获取，然后再将该信息的电磁场变换为可进行能量输送的传播场，使放在远处的探测场和成像器件可以接受隐含在隐失场中的超分辨信息，从而进行测量。

4光学显微镜的应用

由于高分辨力和高衬度一致是显微镜设计者和使用者所致力追求的。

但传统光学显微镜受衍射极限的制约，要想提高分辨力，必须使用大数值孔径的物镜。

由于使用大数值孔径的物镜观察样品时，像的对比度会明显下降，如果对样品进行染色，其染料又可能会杀死活的样品，因此用普通生物显微镜很难对活的生物组织如细胞，细菌等进行生物观测。

而生物医学及材料科学的发展对显微镜提出了更高的要求，不仅希望有更高的分辨力，而且希望能对样品进行无损层析，进而能观察其三维图像，这是传统光学显微镜所不能实现的，而近场光学显微镜却能满足以上要求。

近场光学显微镜克服了传统光学显微镜的低分辨率及扫描电子显微镜对生物样品产生的破坏等缺点，因此近场光学显微镜在生物医学，材料中得到了广泛的应用。

4.1高分辨率光学成像

由于近场光学显微镜对所观察的生物样品无损伤等优点，因此被广泛应用于生物样品的观察，成为探索生物大分子活动奥秘的主要手段。

给生物学家带来了强有力的实验武器，利用近场光学显微镜，已在生物学研究所涉及的许多领域展开了工作，尤其是对细胞精细结构的观察应用中。

光学显微镜对染色荧光的研究仅仅是光学显微镜技术迈向生物领域的首步计划，对细胞的研究也就成为近场光学显微镜在生物方面应用的主要方向之一。

而得到细胞结构的光学信息是一件很吸引人的事，尤其是得到那些具有光化学功能的细胞器在工作时发生了什么的观察更是令人向往。

1994年，美国太平洋西北实验室的谢晓亮（X.SunneyXie）等人报道了他们小组利用近场光学显微镜，研究最近几年才被发现的叶绿素系统中的一些独立蛋白合成物，如LHC（lightharvestingcomplexes）、PSⅠ（photosystemIreactioncenters）、PSⅡ（photosystemⅡreactioncenters）在thylakoid膜上的分布情况。

此外，劳伦斯-伯克利国家实验室的研究员们将血红蛋白用红、绿两种荧光分别染色，在获得形貌像的同时，得到了荧光分布（最小能够分辨的特征尺度为100nm），从而分析了两种蛋白在膜上的分布相关性

。

4.2在纳米材料中的应用

现阶段,对纳米结构材料的研究得到了迅猛的发展。

在这个领域当中,由于纳米材料特别是半导体纳米晶具有新奇的光电学性质,在很多的领域如太阳能电池、光发身二极管、光子晶体等得到了应用,引起了人们广泛的注意。

近场光学显微镜的产生和发展是当今科学技术的必然要求,它主要是利用近场光学的原理,探测在离样品表面几个波长的近场信息,突破分辫极限,并通过探测光子来研究样品的微观结构信息.由于用光束（光子）成像,与电子束（电子）进行成像的的扫描电子显微镜和扫描隧显微镜有很大不同,它容易聚焦和改变偏振,可以在很多的介质中传播,在探测样品损伤很少。

在图像的分辫方面,主要对所探测材料进行了发光机理和材料发光部位的微观机制的研究,同时也详细的介绍了近场扫描光学显微镜的原理、结构、优点以及应用。

聚合物光纤有着重要的应用前景,它的柔韧性、传输率、成本等都优于玻璃光纤。

搀杂稀土金属离子Eu的聚合物光纤可以提高光纤的光学性能,但是,在搀杂过程中所引起的团簇的形成又是对光纤性能不牙」的一面,本文用近场扫描光学显微镜对在光纤生长过程中所产生的团簇进行了观察,发现了团簇确实存在,使理论与实验得到了一致,有利于进一步降低这种团簇对聚合物光纤的影响。

总之,光学性质的研究在微观材料的研究里有着独特的地位。

而近场扫描光学显微镜在探测样品时更具有着电子显微镜所不具备的特点,特别是对于在探测样品的光学性质时,具有超高分辫的能力,不但能够探测到宏观样品精细结构的形貌信息对具有纳米结构材料的精细结构信息和光学性质的探测更是具有很大的优点。

纳米材料发光与其制备条件、界面和形态有很大关系。

我们对几种不同体系进行了初步的研究,发现了不少有趣的现象,并利用现代物理、化学理论进行了解释,以有利于今后进一步的研究和应用。

最近报道了采用扫描近场光学显微镜在１８Ｋ下以照明－收集模式研究ＩｎｘＧａ１－ｘＮ单量子阱光致发光谱的空间分布［２０－２２］。

在室温下，分别在ＳＮＯＭ照明－收集模式和照明模式下对ＩｎｘＧａ１－ｘＮ／ＧａＮ单量子阱结构蓝光发射进行测试，并分析两种模式下得到的光致发光图，进而可以确定单量子阱结构中辐射和非辐射复合的动态过程。

光致发光寿命和光致发光光谱图的数据显探测区域可以分成４个不同的区域，它们的动态过程分别为：

（1）在探测小孔范围内的辐射复合；

（2）小孔范围内的非辐射复合；（3）从小孔扩散的光激子／载流导致局部发光；（4）同（3）的过程一样，但是导致非辐射复合

。

.

结束语

在传统光学显微镜中，利用材料的折射率和透镜的曲率将被观察物体放大以获得细节信息，并且信息的传递却是非对称的，即信息只是从物体到探测器，而不能从探测器到物体。

近场光学显微镜是利用纳米级的光学探针在物体表面附近进行扫描获取光学信息。

在近场区域，收集与探测是完全不同的两个概念，光学探针的针尖不能将样品成像，只是收集特定位置的光强信息，而近场中重要的特征非辐射分量通过光学隧道效应被转换成辐射分量，所以探测是对被探测场的微扰。

由此，我们得出近场图像是样品与针尖信息的混合物，或者说，针尖成像样品，样品成像针尖。

随着光学显微镜的发展以及与计算机等先进科学仪器的结合，其用途越发普遍，最主要应用于医疗卫生，医学以及纳米材料等领域。

参考文献：

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[2]祝生祥传统光学显微镜与近场光学显微镜[J]光学仪器第22卷第6期2000年12月

[3]许亚利光学显微镜机械结构设计探讨[J]

[4]白春礼扫描隧道显微术及其应用[J]上海科学出版社1992

[5]王莉蒋洪孙丽丽显微镜的发展综述[J]高校讲坛2009年第11期

[6]葛华勇近场光学显微镜及其应用[J]激光与光电子学进展第39卷第6期2002年6月

[7]姚启钧光学教程（第四版）[M]高等教育出版社

[8]曹立近场扫描光学显微镜对纳米结构材料的表征[J]曲宁师范大学硕学位论文

[9]朱星物理，1996,25（8）:

458

致谢

2011年9月我来到了天水师范电子信息与电气工程学院学习．在这四年的学习过程中，我得到了电信学院各位领导、老师及班级同学的热心帮助和支持，在此谨向他们表示我最衷心的感谢！

在我的毕业论文学习写作过程中，我得到了刘晓斌博士的悉心指导．刘老师的治学态度、教学风格使我获得了多方面的知识，综合提高了自己的能力．尤其是他的研究精神让我深受感动，这对我的影响和教育将使我受益终身．这一切都是无法用文字来概括的．再次对刘老师表示最诚挚的谢意和祝福!

感谢和我同一论文小组的几位同学，是他们在我论文完成过程中和我一起探讨相关问题，并指出我论文中的一些错误，使我能及时的发现问题中将论文顺利的进行下去，没有他们的帮助我不可能这样顺利地结稿，在此表示深深的谢意！

感谢11物理4班的全体同学，感谢他们在大学期间在学习和生活上给予我的支持和帮助！

他们这四年来对我的帮助和教育，让我懂得了如何做事，更让我明白了如何做人．

最后，我要特别感谢寄予我殷切希望的父母及所有家人，是他们对我物质上的大力支持和精神上的一贯鼓励才让我够安心求学、完成了多年的求学之路．

感谢所有帮助了、帮助着以及将要帮助我的人们！

孙昊栋