显微镜、科勒照明、色差、像质评价、相衬成像
GCS-XWT 光学显微成像综合实验
光学显微成像实验是根据显微镜工作原理，利用常见光学器件演示有限共轭、无限共轭成像过程。同时研究了成像过程中不同照明方式（“临界照明”、“不完整科勒照明”和“科勒照明”）对成像结果的影响。实验结合显微镜常见应用设计色差对像质的影响和荧光显微成像等实验内容。
学生通过自己动手搭建光学显微镜的空间光路，能够直观地理解几何光学中的成像原理。在搭建光路的过程中，学生需要掌握光学元件的操作技巧，如何正确地安装和调整透镜、反射镜等，使其达到最佳的光路状态。这需要细致的操作和反复的调试，能够培养学生的动手能力和耐心。
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光学显微成像系统实物图
♦ 知识点
显微镜、科勒照明、色差、像质评价、相衬成像
♦ 涉及课程
工程光学、应用光学
♦ 实验内容
• “有限远共轭”显微成像
• “无限远共轭”显微成像
• 显微镜参数测量
• 普通照明与柯勒照明
• 显微物镜色差对成像像质的影响
• 显微成像中的频谱与滤波
• 相差（相衬）显微成像
• 荧光显微成像
♦ 实验原理
光学显微镜是基于几何光学成像原理工作的。它主要利用凸透镜的放大作用来观察微小物体。其核心部件包括物镜和目镜，一般物体先经过物镜成放大的实像，这个实像再经过目镜成放大的虚像，从而使我们能够观察到比肉眼所能看到的更微小的细节。
为了能清晰地观察物体，需要构造合适的照明。实验中对比了普通照明和柯勒照明对像质的影响，其中科勒照明能提供均匀、明亮的照明，减少成像时的阴影和不均匀性，提高成像质量。
实验中研究了普通明场、特殊暗场和相衬显微成像技术，针对不同样品选择合适的照明方式，其中相衬显微技术在观察透明样品时会产生微小的相位差，而这个相位差可以被转换为图象中的幅度或对比度的变化，这样就可以利用相位差来成像。
♦ 原理示意图
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有限远共轭显微成像构成示意
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无限远共轭显微成像构成示意
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完整科勒照明下的无限远共轭显微成像示意
♦ 效果图
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| 生物细胞明场成像 | 生物细胞暗场成像 |
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| 菠菜根茎切片成像效果图 | 菠菜根茎切片相衬显微成像效果图 |
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| 甘薯根茎切片显微成像效果 | 甘薯根茎切片荧光显微成像效果 |
♦ 技术指标
• 精密光学导轨：800mm（长）×100mm（宽），可搭载GCM系列精密光机调整部件；
• 三色LED光源：红、绿、蓝单色，功耗>1W，亮度可调；包含夹持、支撑系统；
• 紫外LED：紫外波长范围365-375nm，DC 5V/2A；
• 透镜组件：直径Φ30mm，焦距30mm-150mm，表面鍍可见光增透膜，包含固定及支撑组件；
• 分光棱镜组件：工作波长450-650nm，T/R=50/50±5%，外形尺寸42×42×40mm；
• 反射镜组件：表面镀铝，直径25mm，R>95%@400～700nm；
• 目标物组件：荧光生物显微切片，包含夹持金属框；
• 零级遮挡组件：直径25mm，中心镀铬，直径1.5mm；
• 相机接收组件：CMOS，靶面尺寸1/1.8″，分辨率2699*1520，像素大小2.9μm，光谱响应400nm-1000nm，电子快门55μs-60ms，支持C/C++、labview的开发，灵敏度1.6v@550nm/Lux/s，USB2.0，含支撑底座；
• 精密平移台组件：一维平移台和二维平移台，台面65*65mm，预留M3、M4转接孔，行程±12.5mm，千分丝杆读数，测量精度0.001mm；
• 长工作距物镜：放大倍数10x，NA0.25，工作距15.12mm；
• 相差物镜套件：包含20×相衬物镜和相衬滤波板；
• 二向色组件：直径25mm，R>98%@380-410nm&T>90%@440-800nm；
• 标定分辨率板：外形63*63mm，包含金属框保护框，分辨率板最大400线/mm；
• 转接镜筒组件：外径Φ30mm，配备L15mm、L25mm、50mm等多种长度，可相互用SM1螺纹连接或者延长；
• 有限共轭物镜连接筒：等效长度160mm，预留物镜连接螺纹；
• 软件模块：包含测量模块和采集模块，采集模块包含图像显示、图像存储、视频存储和常规参数设置；测量模块包括线测量、平行线测量和圆形测量，可以根据实际情况进行相机标定。
♦ 必备设备
计算机
♦ 建议课时
4课时
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