显微光学成像原理与技术
显微摄影技术
目镜和物镜的组合
例如数值孔径为1.3的物镜（标记为100/1.3）与放大倍数为4的目镜组合，总放大倍数为400，若入射光为绿色光（550纳米），分辩力为270纳米。
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数值孔径为0.65的物镜（标记为40/0.65）与放大倍数为10的目镜组合，总放大倍数为400，λ＝550纳米时分辩力为500纳米。
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焦点与焦平面： 当一束平行于光轴的光线通过凸透镜后相交于一点，这个点称“焦点”；通过交点并垂直光轴的平面，称“焦平面”。焦点有两个，在物方空间的焦点，称“物方焦点”，该处的焦平面，称“物方焦平面”；反之，在像方空间的焦点，称“像方焦点”，该处的焦平面，称“像方焦平面”。
透镜及其性能
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显微镜的成像原理
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两种组合结果，显然第一种能提高物像分辩力。
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目镜和物镜的组合
不同照像目镜/物镜组合的效果
照像目镜的选择：在物镜的有效放大倍率内，尽量优选低倍照像目镜。
聚光器(condenser)
聚光器的主要作用是使光线集中于标本，配合物镜提高物像的分辩力。 聚光镜：聚光镜由一至数片透镜组成。聚光镜有聚光作用，它的数值孔径在0.25～1.40不等，聚光镜的数值孔径受孔径光阑控制。 孔径光阑：孔径光阑的开放与收缩，调节聚光镜数值孔径的大小，使图像分辩力、反差和焦深处在最佳状态。
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影响成像的关键因素—相差
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主要光学部件及性能
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光学显微镜相关参数
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光学显微镜主要光学部件及性能
1
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4
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显微镜的成像原理
显微镜的成像原理就是利用上述（c）和（e）的规律把物体放大的。当物体处在物镜前F-2F（F为物方焦距）之间，则在物镜像方的二倍焦距以外形成放大的倒立实像。在显微镜的设计上，将此像落在目镜的一倍焦距F1之内，使物镜所放大的第一次像（中间像），又被目镜再一次放大，最终在目镜的物方（中间像的同侧）、人眼的明视距离（250mm）处形成放大的直立（相对中间像而言）虚像。因此，当我们在镜检时，通过目镜（不另加转换棱镜）看到的像于原物体的像，方向相反。
显微镜的四大光学原理 显微镜操作规程
显微镜的四大光学原理显微镜操作规程一．折射和折射率光线在均匀的各向同性介质中，两点之间以直线传播，当通过不同密度介质的透亮物体时，则发生折射现像，这是由于光在不同介质的传播速度不同造成的。
当与透亮物面不垂直的光线由空气射入透亮物体一．折射和折射率光线在均匀的各向同性介质中，两点之间以直线传播，当通过不同密度介质的透亮物体时，则发生折射现像，这是由于光在不同介质的传播速度不同造成的。
当与透亮物面不垂直的光线由空气射入透亮物体（如玻璃）时，光线在其介面更改了方向，并和法线构成折射角。
二．透镜的性能透镜是构成显微镜光学系统的最基本的光学元件，物镜、目镜及聚光镜等部件均由单个和多个透镜构成。
依其外形的不同，可分为凸透镜（正透镜）和凹透镜（负透镜）两大类。
当一束平行于光轴的光线通过凸透镜后相交于一点，这个点称“焦点”，通过交点并垂直光轴的平面，称“焦平面”。
焦点有两个，在物方空间的焦点，称“物方焦点”，该处的焦平面，称“物方焦平面”；反之，在像方空间的焦点，称“像方焦点”，该处的焦平面，称“像方焦平面”。
光线通过凹透镜后，成正立虚像，而凸透镜则成正立实像。
实像可在屏幕上显现出来，而虚像不能。
三．影响成像的关键因素—像差由于客观条件，任何光学系统都不能生成理论上理想的像，各种像差的存在影响了成像质量。
下面分别简要介绍各种像差。
1．色差色差是透镜成像的一个严重缺陷，发生在多色光为光源的情况下，单色光不产生色差。
白光由红橙黄绿青蓝紫七种构成，各种光的波长不同，所以在通过透镜时的折射率也不同，这样物方一个点，在像方则可能形成一个色斑。
光学系统最紧要的功能就是消色差。
色差一般有位置色差，放大率色差。
位置色差使像在任何位置察看都带有色斑或晕环，使像模糊不清。
而放大率色差使像带有彩色边缘。
2．球差球差是轴上点的单色相差，是由于透镜的球形表面造成的。
球差造成的结果是，一个点成像后，不在是个亮点，而是一个中心亮边缘渐渐模糊的亮斑，从而影响成像质量。
望远镜显微镜成像的原理
望远镜显微镜成像的原理望远镜和显微镜成像的原理如下:
望远镜:
1. 使用凸透镜作为物镜,使光线在焦点处汇聚。
2. 凹透镜作为眼镜,放大物镜形成的倒立实像。
3. 根据物镜和眼镜的光学参数,确定放大倍数。
4. 通过调节物镜和眼镜的间距,使影像成像在视网膜上。
显微镜:
1. 物体置于凸透镜(物镜)的焦点附近,形成放大的倒立实像。
2. 眼镜或目镜再次放大物镜形成的实像。
3. 物镜数值孔径决定分辨率,眼镜放大倍数决定显微效果。
4. 平面镜或棱镜用于折转光线,使影像直立。
5. 照明系统提供适宜的照明光线。
6. 调节焦距可获得清晰成像。
7. 现代技术可大幅提高分辨率和成像效果。
总之,两者都利用透镜成像原理,区别在于用于观察远近不同目标。
非线性光学显微成像技术研究
非线性光学显微成像技术研究随着科技的不断进步，光学显微成像技术也在不断的发展。
其中非线性光学显微成像技术是目前较为热门的一个研究领域，该技术被广泛用于材料科学、生物科学、医学等多个领域。
本文将从原理、应用和发展三个方面来介绍非线性光学显微成像技术的研究进展。
一、原理非线性光学显微成像技术的原理是基于非线性光学效应的。
非线性光学效应是指当光强度达到一定程度时，物质的光学性质会发生非线性变化。
这种效应主要有三种：倍频、和频和差频。
其中，倍频可以将原来的光波频率加倍，和频是将两个光波的频率加在一起，差频则是两个频率相减。
在非线性光学显微成像技术中，通常使用聚焦的激光束去照射样品，并对反射或荧光信号进行检测和分析。
由于非线性效应的作用，样品会产生非线性信号，并且这些信号通常带有更高的分辨率和更好的对比度，这使得非线性光学显微成像技术比传统的线性成像方法更具有优势。
二、应用非线性光学显微成像技术可以被广泛用于材料科学、生物科学和医学等领域。
其中，以下几个应用领域是最为常见的：1. 生物医学：非线性光学显微成像技术可以用于对生物组织的皮肤成像、血管成像、细胞成像等。
由于其高分辨率和对比度，可以用来研究最小的组成部分，如细胞器和蛋白质等，因此在生物医学上有着重要的应用价值。
2. 材料科学：非线性光学显微成像技术在材料科学中也得到了广泛应用，可以用来研究材料的结构特性、晶体缺陷、表面形态等。
值得一提的是，非线性光学显微成像技术可以实现三维空间成像，这对于研究复杂的材料结构有着很大的帮助。
3. 纳米科技：由于非线性光学显微成像技术拥有高分辨率和超快速度的优势，因此在纳米科技方面也有很大的应用前景。
比如，可以利用该技术来研究纳米材料的表面形态和动态特性等。
三、发展随着科技的不断进步，非线性光学显微成像技术也在不断的发展。
目前，研究者主要关注以下几个方向：1. 提高分辨率：随着技术的进步，研究人员正在集中力量提高非线性光学显微成像技术的分辨率，以获得更高的精度和准确性。
光学显微镜的设计与成像原理
光学显微镜的设计与成像原理光学显微镜作为一种重要的观察和研究微观世界的工具，广泛应用于生物学、医学、物理学等领域。
本文将介绍光学显微镜的设计原理以及其成像原理。
一、光学显微镜的设计原理光学显微镜的设计原理涉及物镜、目镜、光源以及调焦系统等多个组成部分。
下面将分别对这些部分进行介绍。
1. 物镜物镜是光学显微镜的核心组成部分，它负责接收和放大样品所发出或传递的光。
物镜的设计包括镜头、光学透镜以及补偿片等元件。
常用的物镜设计有减色巴维利型物镜、折射巴维利型物镜和厚巴维利型物镜等。
不同的物镜设计可提供不同的分辨率和放大倍率，以满足不同观察需求。
2. 目镜目镜是光学显微镜的另一个重要组成部分，它负责放大物镜所产生的像。
常用的目镜设计有短焦距目镜、长焦距目镜和宽视场目镜等。
目镜设计要考虑到分辨率、像散和畸变等因素，以保证观察图像的清晰度和准确性。
3. 光源光源是提供光线的部分，对于光学显微镜的成像效果具有重要影响。
传统的光源包括白炽灯以及卤素灯等，而现代的光源则采用了LED光源，具有光强稳定、功耗低等优点。
在设计光源时，需要考虑到光的亮度、一致性和稳定性，以确保成像质量的稳定性和观察效果的良好。
4. 调焦系统调焦系统是用于调整样品和物镜之间的距离，以实现对样品的清晰观察。
调焦系统通常包括粗调和细调两部分。
粗调用于粗略调整样品与物镜的距离，而细调则用于微小的调整，以获得清晰的像。
调焦系统的设计要考虑到灵敏度、稳定性和精确性，以提供方便而准确的焦距调节。
二、光学显微镜的成像原理光学显微镜的成像原理是通过物镜放大样品的光线，并通过目镜放大物镜所形成的物镜像。
具体来说，光学显微镜的成像原理包括以下步骤：1. 光源发出的光通过凸透镜集光并照射到样品上。
2. 样品对光进行吸收、散射和透射等作用。
透射的光经过样品并进入物镜。
3. 物镜将透射过来的光进行放大，并形成物镜像。
物镜像的大小和清晰度取决于物镜的设计和调节。
4. 物镜像通过目镜进一步放大，形成最终的目镜像。
光学显微镜成像原理
光学显微镜成像原理光学显微镜是一种利用光学原理来观察微观物体的仪器。
它通过透镜和光学系统将被观察物体的细微结构放大，使人们能够观察到肉眼无法看见的微小细节。
光学显微镜的成像原理是基于光的折射、散射和干涉现象，下面将详细介绍光学显微镜的成像原理。
首先，光学显微镜的成像原理与物体的透明度有关。
当光线照射到透明的物体上时，一部分光线会被物体表面反射，另一部分光线会穿透物体并发生折射。
这些被反射和折射的光线会通过物镜聚焦到目镜中，形成放大后的物体影像。
因此，透明度是影响物体在光学显微镜下成像清晰度的重要因素。
其次，光学显微镜的成像原理还与光的波动特性有关。
当光线通过物体时，会发生散射现象，使得物体的边缘和细微结构产生光的衍射。
这些衍射光线会干扰原本的光线，形成干涉条纹，从而影响成像的清晰度。
因此，光学显微镜在成像过程中需要考虑光的波动特性，以减小衍射和干涉现象对成像质量的影响。
此外，光学显微镜的成像原理还与光的折射率有关。
当光线通过不同介质的界面时，会发生折射现象，使得光线的传播方向发生改变。
在光学显微镜中，物镜和目镜之间的空气和玻璃之间的界面会产生折射，影响光线的聚焦和成像质量。
因此，光学显微镜的成像原理需要考虑介质的折射率对光线传播的影响。
最后，光学显微镜的成像原理还与光线的聚焦和放大有关。
通过透镜和光学系统的设计，光学显微镜能够将被观察物体的细微结构放大，使其能够在目镜中清晰可见。
在成像过程中，光学显微镜需要通过调节物镜和目镜的焦距，使得光线能够在样本表面聚焦并形成清晰的影像。
同时，光学显微镜还需要通过适当的放大倍数，使得被观察物体的细节能够被放大并观察到。
总之，光学显微镜的成像原理是基于光的折射、散射和干涉现象，通过透镜和光学系统将被观察物体的细微结构放大，使人们能够观察到肉眼无法看见的微小细节。
在实际应用中，光学显微镜的成像原理需要考虑物体的透明度、光的波动特性、介质的折射率以及光线的聚焦和放大，以获得清晰的成像效果。
激光共聚焦扫描显微镜成像的基本原理
激光共聚焦扫描显微镜成像的基本原理激光共聚焦显微镜（LCM）是近年来发展起来的一种高分辨率荧光显微成像技术。
它通过将样品置于激光束的焦点处，利用高灵敏度的探测器记录样品发出荧光信号，从而实现对样品内部结构的高分辨率成像。
本文将详细介绍LCM的基本原理、成像途径、成像原理及优缺点等方面的内容。
一、激光共聚焦显微镜的基本原理激光共聚焦显微镜基于利用激光束在三维空间内聚焦成极小的点状光斑，对样品进行扫描成像的技术原理。
在聚焦点位置，通过聚焦光斑的极高光密度，激活样品中的荧光染料，荧光染料则针对特定的结构在荧光信号波长处发出荧光信号，被高灵敏度荧光探测器探测并记录下来，然后通过计算机处理、分析和重建，生成高质量的高分辨率图像。
与普通显微镜最大的区别在于，普通显微镜由于透过整个样品并以相位差效应成像，而激光共聚焦显微镜由于仅仅聚焦于样品表面的非常窄的一点，信号只能从聚焦点的附近探测到，而且该点在扫描过程中会不断变换位置。
换言之，成像并不是透过整个样品实现，而是在样品上面扫描得到，并聚焦于单个点上。
对于毫米量级的样品，其层面精度可以达到25nm。
二、激光共聚焦显微镜成像途径激光共聚焦显微镜的成像途径目前有两种，分别为单光子激发型和双光子激发型。
1、单光子激发型单光子成像模式是利用激光束在荧光染料上发生的单光子激发效应进行成像的一种方式。
在单光子激发光下，荧光染料的各自精细结构会发生辐射跃迁产生能量并发射荧光，同时发射时间对荧光能量的传递产生影响，可以通过荧光转移速率反映。
荧光束在被激活后，将以光子流的形式反射回来，被共聚焦显微镜探测并捕捉。
2、双光子激发型双光子成像模式使用了两次光子激发效应，产生高到对比度的图像，并最小化了样品在激发时所受的损伤输出功率。
双光子成像所需条件包括至少两个光子激发、空间和时间上的集中在样品特定区域。
在这种情况下，激光光束相互作用，将样品中转运载分子激发成放射的谐振态发生荧光发射。
odt成像技术原理
odt成像技术原理
ODT（光学衍射层析成像）是一种新型的三维无标记显微成像技术，其原理是通过测量样品不同角度下的相位分布并进行频谱合成，实现对透明生物样品内部特征的3D可视化或定量表征。
具体来说，ODT技术利用光的衍射和干涉原理，通过投射不同角度的照明
光束到样品上，并观察透射或反射光的干涉现象，获取样品的相位信息。
然后，将这些相位信息进行傅立叶变换，得到样品的频谱信息，从而反推出样品的折射率分布。
最后，根据折射率分布重建出样品的3D图像。
ODT技术具有非侵入、无标记的优点，可应用于生物物理学、细胞生物学、血液学、微生物学和神经科学等领域。
然而，传统的ODT技术存在轴向分
辨率低的问题，近年来研究者们通过双物镜对向探测、透射结合背向照明等方法尝试解决这个问题，以提高ODT技术的分辨率和实用性。
如需了解更多关于ODT技术原理的信息，建议查阅光学衍射层析成像的相
关论文。
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附件5．光学与电子信息 学院（系、所）全英 研究生课程简介
课程名称：显微光学成像原理与技术 课程代码：182.540
课程类型：□ 博士专修课程 □ 硕士专修课程
考核方式： 全英文考试 教学方式：全英文讲授
适用专业：光学工程、生物医学工程
适用层次：□ 硕士 □ 博士
开课学期：春季 总学时：32 学分：2
先修课程要求：无
课程组教师姓名 职 称 专 业 年 龄 学术方向
付玲 教授 光学工程 34 生物医学光子学
黄振立 教授 生物医学工程 36 生物医学光子学
袁菁 讲师 光学工程 33 生物医学光子学
Barry Masters 教授 光学工程 70 生物医学光子学
曾绍群 教授 生物医学工程 43 生物医学光子学
许彤辉 教授 生物医学工程 39 生物医学光子学
李安安 副教授 生物医学工程 29 生物医学光子学
课程负责教师留学经历及学术专长简介：
1.留学经历
2003 - 2006 Swinburne University of Technology, 澳大利亚，博士。
2011年世界大学排名中，Swinburne University of Technology 位于物理领
域排名的前100名。
2006.3 Biophotonics and Microsystems Laboratory, University of Florida,
美国，访问学生
2004.4 Bioinstrumentation Engineering Analysis and Microscopy group,
Massachusetts Institute of Technology, 美国，访问学生
2.学术专长简介
付玲，女，研究方向为光学显微成像、内窥成像、以及疾病的早期诊断和治疗
中的光子学方法。近年来在Optics Letters和Optics Express等光电子领域期刊
上发表论文20余篇，其中第一作者（含通讯作者）SCI论文18篇，和专著一本（第
二作者）。第一作者（含通讯作者）SCI论文他引136次，单篇SCI他引最高36次，
有12篇属SCI光学学科排名前10%期刊。
2008年入选教育部新世纪优秀人才。现担任中国光学学会生物医学光子学专
业委员会青年工作组组长，美国光学学会国际委员会（OSA International Council，
中国一个席位）成员。担任2009年全国激光生物学学术会议秘书组副组长，2009
年和2010年国际会议PIBM组委会主席。现担任国际期刊JIOHS（World Scientific
出版，EI收录）主编助理，《激光生物学报》（核心期刊）常务编委。担任Optics
Letters, Optics Express, Journal of Biomedical Optics等期刊审稿人。
课程教学目标：
掌握光学显微成像的基本原理与技术，理解并能操作常用的荧光显微镜；了解光学
显微成像及应用的国际学术前沿；培养从事交叉学科的兴趣。
显微光学成像原理与技术
第一章 绪论 （2学时）
§1.1
光学显微镜在生物医学中的历史
§1.2
课程介绍
第二章 光学显微镜基础 （2学时）
§2.1
分辨率
§2.2
景深
§2.3
放大率
§2.4
信噪比
§2.5
数字图像
第三章 光学显微镜基础：对比度（2学时）
§3.1
对比度来源
§3.2
几何对比度
§3.3
结构对比度
§3.4
衍生对比度
第四章 共聚焦光学显微镜（2学时）
§4.1
共聚焦原理
§4.2
装置
§4.3
共聚焦显微镜的基本基本局限
§4.4
应用
第五章 共聚焦光学显微镜中的特殊元器件（2学时）
§5.1
激光器
§5.2
显微物镜
§5.3
波长选择滤光器件
§5.4
光束扫描器
第六章 显微成像中的应该探针（2学时）
§6.1
荧光探针的基本要求
§6.2
化学探针
§6.3
荧光蛋白
§6.4
染料和探针的选择原则
§6.5
光漂白与光中毒
第七章 荧光寿命成像显微镜与荧光共振能量转移（2学时）
§7.1
荧光寿命成像显微镜
§7.2
荧光共振能量转移
§7.3
应用
第八章 扫描光学显微镜中的光纤光学
§8.1
扫描显微镜相关的关键光纤技术
§8.2
光纤在光学显微镜中的关键功能
§8.3
小型化扫描共聚焦显微镜
第九章 非线性光学显微镜（2学时）
§9.1
非线性光学的物理原理
§9.2
多光子激发
§9.3
谐波的产生
§9.4
非线性光学显微镜装置
§9.5
应用
第十章 超分辨率光学显微镜（2学时）
§10.1
衍射极限
§10.2
超分辨率的原理
§10.3
应用
第十一章 光学显微镜分辨率的全脑成像方法（2学时）
§11.1
大与小
§11.2
经典方法
§11.3
光学显微镜分辨率的全脑成像方法原理
§11.4
信息处理：光学显微镜分辨率的全脑成像方法与科学家之间的桥梁
§11.5
讨论与展望
第十二章 双光子成像在神经科学中的应用（2学时）
§12.1
神经科学的基础知识
§12.2
应用
第十三章 现场教学：明场显微镜（2学时）
第十四章 现场教学：荧光显微镜（2学时）
第十五章 现场教学：共聚焦显微镜（2学时）
第十六章 学生报告与讨论（2学时）
全英文教材： James B. Pawley. Handbook of Biological Confocal Microscopy.
Springer, 2006.
主要参考书：无
1.
2.
3．