奧林巴斯顯微鏡，光的衍射原理

 我們認(rèn)為經(jīng)典的光一如既往行駛在直線的，但是當(dāng)光波經(jīng)過(guò)近一個(gè)障礙，他們往往會(huì)彎曲周圍的屏障，成為傳播出去。 當(dāng)光波經(jīng)過(guò)的一個(gè)角落里，或通過(guò)開口或縫隙，它是物理上的近似大小，或者比光的波長(zhǎng)更小的光發(fā)生衍射。

衍射的一個(gè)非常簡(jiǎn)單的演示可以牽著你的手在光源的前方，慢慢地關(guān)閉兩個(gè)手指同時(shí)觀察它們之間傳輸?shù)墓膺M(jìn)行。 當(dāng)手指接近對(duì)方，并提出非常接近，你開始看到一系列平行于手指暗線。 平行線實(shí)際上是衍射圖案。當(dāng)燈是“彎曲”周圍的顆粒是大小為光的波長(zhǎng)相同的順序上，也可能發(fā)生這種現(xiàn)象。 這方面的一個(gè)很好的例子是陽(yáng)光被云層，我們經(jīng)常提及的一線希望 ，如圖1所示，與一個(gè)美麗的夕陽(yáng)在大海的衍射。

我們經(jīng)?？梢杂^察到藍(lán)色，粉紅色，紫色和綠色在生成時(shí)，光線從水滴在云衍射云柔和的色調(diào)。 衍射的量依賴于光的波長(zhǎng)，具有更短的波長(zhǎng)被衍射以比長(zhǎng)的更大的角度（實(shí)際上，藍(lán)色和紫色光被衍射以較高的角度比紅光）。 由于光波穿越大氣遇到水的液滴，如下圖所示，首先折射的水：空中接口，那么它會(huì)反映為它再次遇到界面。 光束，還是行駛在水滴內(nèi)，再次折射，因?yàn)樗涞浇缑鏋槿种粫r(shí)間。 這與*后一個(gè)界面相互作用折射的光返回到大氣中，但它也衍射如下所示的光的一部分。 此衍射元件導(dǎo)致這種現(xiàn)象稱為切利尼的光環(huán) （又稱Heiligenschein影響 ），其中光的亮環(huán)圍繞著觀察者的頭部的陰影。

條款衍射和散射往往可互換使用，且被認(rèn)為是幾乎同義的。 衍射描述的光散射一個(gè)專門情況，其中一個(gè)對(duì)象與有規(guī)律重復(fù)的功能（例如衍射光柵）產(chǎn)生光的衍射圖案的有序衍射。 在現(xiàn)實(shí)世界中*對(duì)象是非常復(fù)雜的形狀，并應(yīng)考慮的許多個(gè)別衍射特征可以共同產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)散射光組成。

其中一個(gè)經(jīng)典的和*基本的概念，涉及衍射是單縫衍射光學(xué)實(shí)驗(yàn)，首先在十九世紀(jì)初進(jìn)行。 當(dāng)光波傳播通過(guò)的狹縫（或孔），結(jié)果將依賴于相對(duì)于入射光束的波長(zhǎng)的孔的物理尺寸。 這一點(diǎn)在圖3假設(shè)從點(diǎn)源S，類似于將由一個(gè)產(chǎn)生光發(fā)射的相干的，單色波激光 ，穿過(guò)孔徑d，而衍射，與主入射光束著陸在點(diǎn)P與*在點(diǎn) Q存在的次*大值。

如該圖所示的左側(cè)，在波長(zhǎng)（λ）比孔寬度（d）小得多，波簡(jiǎn)單地向前行進(jìn)在一條直線上，就如同將好像它是一個(gè)粒子或無(wú)孔被目前。 然而，當(dāng)波長(zhǎng)大于所述孔的大小，我們遇到根據(jù)等式的光的衍射：

其中θ是入射中央傳播方向和**小的衍射圖案之間的夾角。 該實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生是由二次*大值在兩側(cè)明亮的中央*大值，每個(gè)成功的次極大減少?gòu)闹行牡木嚯x增加強(qiáng)度。 圖4說(shuō)明了光束強(qiáng)度與衍射半徑的情節(jié)了這一點(diǎn)。注意，次*大值之間發(fā)生的*小值位于π的整數(shù)倍。

這個(gè)實(shí)驗(yàn)*早是由奧古斯丁菲涅爾誰(shuí)，以及托馬斯·楊，產(chǎn)生了重要的證據(jù)證實(shí)了光的傳播的波解釋。 從上面的圖中，我們看到一個(gè)相干的，單色的光（在本例中， 激光照明）從點(diǎn) L發(fā)射的光被孔徑e衍射。 菲涅爾假設(shè)*階*大值在點(diǎn)Q（定義為_εQ）的振幅會(huì)由下式給出：

其中A是入射波的振幅，r是d和q之間的距離，和f（χ）為χ的函數(shù)，由菲涅耳引入傾斜因子。

光的衍射限制任何光學(xué)儀器的分辨能力起著至關(guān)重要的作用（例如：相機(jī)，望遠(yuǎn)鏡，望遠(yuǎn)鏡，顯微鏡，和眼睛）。 分辨能力是光學(xué)儀器的生產(chǎn)，兩個(gè)相鄰點(diǎn)獨(dú)立的圖像的能力。 這通常是通過(guò)在儀器上的透鏡和反射鏡的質(zhì)量和周圍介質(zhì)（通常是空氣）的性質(zhì)決定的。 光的波動(dòng)性強(qiáng)制極限所有光學(xué)儀器的分辨能力。

我們的衍射的討論已經(jīng)使用了一個(gè)縫隙，通過(guò)它的光被衍射光圈。 然而，所有的光學(xué)儀器有圓孔，例如眼或顯微鏡的圓形光圈和鏡頭的瞳孔。 圓形的孔產(chǎn)生的衍射圖案類似上述的那些，除了圖案自然呈現(xiàn)圓形對(duì)稱。的衍射圖案由一個(gè)圓孔徑產(chǎn)生的數(shù)學(xué)分析中描述的公式：

其中，θ（1）是一階衍射*小值（*暗環(huán)）的角位置，λ是入射光的波長(zhǎng)，d是孔的直徑，并且1.22為常數(shù)。 在大多數(shù)情況下，角度θ（1）非常小，所以近似，角度的sin和棕褐色幾乎是相等的收益率：

從這些方程中很明顯的，在中央的*大成正比λ/ D使這個(gè)*大更加散開為較長(zhǎng)的波長(zhǎng)和更小的孔。 衍射的二次mimina設(shè)置限制，以在光學(xué)顯微鏡的物鏡的放大率有用，由于光通過(guò)這些鏡頭固有衍射。 不管如何完善該透鏡可以是由透鏡產(chǎn)生的光的點(diǎn)光源的圖像是伴隨著二次和更高階的*大值。 這可以僅消除該鏡片是否有一個(gè)無(wú)限的直徑。 分開的距離小于θ兩個(gè)對(duì)象（1）不能得到解決，無(wú)論多么高放大倍率的動(dòng)力。 雖然這些方程，推導(dǎo)出用于從孔徑光無(wú)限遠(yuǎn)處的點(diǎn)光源的像，這是當(dāng)d被代入物鏡的直徑的顯微鏡的分辨能力的合理近似。

因此，如果兩個(gè)對(duì)象駐留在一個(gè)距離 D相互分開，并在從觀察者的距離為L時(shí)，它們之間的角度（以弧度表示）為：

這使我們能夠凝結(jié)的*后兩個(gè)方程來(lái)產(chǎn)率：

其中D（0），使他們能夠得到解決對(duì)象之間的*小間距。 使用此公式中，人眼能解決由0.056毫米的距離隔開的物體，但在視網(wǎng)膜的光感受器不太夠靠近在一起，以允許這種程度的分辨率，和0.1毫米是在正常情況下更逼真的數(shù)字。

光學(xué)顯微鏡的分辨能力是由若干因素，包括所討論的那些確定的，但在*理想的情況下，這個(gè)數(shù)目是約0.2微米。 這個(gè)數(shù)目必須考慮到顯微鏡的光學(xué)對(duì)準(zhǔn)，透鏡的質(zhì)量，以及光的用于圖像樣本的主要波長(zhǎng)的光。 雖然它往往是沒(méi)有必要計(jì)算每個(gè)目標(biāo)的精確分辨能力（并會(huì)在大多數(shù)情況下是浪費(fèi)時(shí)間），了解的顯微鏡鏡頭的能力，也適用于現(xiàn)實(shí)世界中是很重要的。