顯微鏡量測原理與光學解析｜NA、分辨力、焦深與倍率計算

顯微鏡量測是精密檢測與尺寸分析的重要技術，其核心性能由數值孔徑（NA）、分辨力、焦深與光學系統設計決定。本指南完整解析顯微鏡的光學原理，包括NA與分辨力公式、工作距離、焦深、倍率計算與照明方式（亮視場與暗視場），協助提升量測精度與影像品質。

 

顯微鏡量測是什麼

顯微鏡量測是一種利用光學放大進行精密觀察與測量的技術，常用於：

• 微小尺寸測量
• 表面缺陷分析
• 精密加工檢測
• 電子與半導體檢測

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數值孔徑（NA）與影像品質

數值孔徑（NA）是影響顯微鏡性能的核心參數：

• 決定分辨力
• 影響亮度
• 控制景深

公式：

NA = n × sinθ

其中：

• n：介質折射率（空氣約1.0）
• θ：光線進入鏡頭角度

特性：

• NA越大 → 分辨力越高
• NA越大 → 景深越淺

 

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分辨力（Resolution）

分辨力代表可區分兩點的最小距離：

R = λ / (2 × NA)

說明：

• λ為光波波長（常用0.55μm）
• NA越高 → R越小 → 清晰度越高

這是顯微鏡解析能力的關鍵指標

工作距離（Working Distance）

工作距離定義：

• 試樣表面到物鏡前端的距離

影響：

• 工作距離短 → 放大倍率高
• 工作距離長 → 操作空間較大

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齊焦距離（Parfocal Distance）

• 試樣表面到物鏡安裝位置的距離
• 用於多物鏡切換時保持焦點一致

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焦點與光學系統

焦點分為：

• 物方焦點（前焦點）
• 像方焦點（後焦點）

這些概念構成完整光學成像基礎。

無限遠與有限光學系統

無限遠補正系統

• 使用物鏡與結像鏡頭組合
• 成像更穩定
• 適合高精度量測

有限補正系統

• 物鏡直接成像
• 結構較簡單

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焦距與倍率關係

倍率由焦距比例決定：

倍率 = 結像鏡頭焦距 / 物鏡焦距

例如：

• 長焦距 → 高倍率

 

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焦深（Depth of Field）

焦深代表清晰成像範圍：

特性：

• NA越大 → 焦深越淺
• 焦深越小 → 對焦要求越高

典型應用：

• 高精度表面觀察

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照明方式（關鍵影像品質）

亮視場（Bright Field）

• 光線垂直照射
• 適合一般觀察

暗視場（Dark Field）

• 斜角照明
• 表面缺陷會發亮
• 適合刮痕與粗糙度檢測

 

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光學元件與影像品質

光闌（Aperture Stop）

• 控制光量與亮度

主光線（Principal Ray）

• 通過光學中心

消色差鏡頭

• 修正色差
• 提升影像清晰度

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遠心光學系統（Telecentric）

特點：

• 不受對焦誤差影響倍率
• 適合精密量測

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視場與倍率計算

實視場（Field of View）

實視場 = FN / 物鏡倍率

顯示倍率

顯示倍率 = 顯示尺寸 / 感測器尺寸

影響：

• 視野大小
• 量測範圍