光学显微镜

光学显微镜的成象（几何成象）原理?

普通光学显微镜成像原理图只有当物体对人眼的张角不小于某一值时，肉眼才能区别其各个细部，该量称为目视分辨率ε。在佳条件下，即物体的照度为50~70lx及其对比度较大时，可达到1''''。为易于观测，一般将该量加大到2''''，并取此为平均目镜分辨率。?物体视角的大小与该物体的长度尺寸和物体至眼睛的距离有关。有公式y=Lε?距离L不能取得很小，因为眼睛的调节能力有一定限度，尤其是眼睛在接近调节能力的极限范围工作时，会使视力极度疲劳。对于标准（正视）而言，佳的视距规定为250mm（明视距离）。这意味着，在没有仪器的条件下，目视分辨率ε=2''''的眼睛，能清楚地区分大小为0.15mm的物体细节。?在观测视角小于1''''的物体时，必须使用放大仪器。放大镜和显微镜是用于观测放置在观测人员近处应予放大的物体的。^[1]

显微镜将微小物体或物体的微细部分高倍放大，以便观察的仪器或设备。广泛应用于工农业生产及科学研究，在生物学和医学工作中也经常使用。大致分为光学显微镜和电子显微镜。

光学显微镜以可见光为光源的显微镜观察昆虫的复眼。这是一种已具目镜、物镜和镜筒等装置，并固定在支架上的显微镜。

早在公元前一世纪，人们就已发现通过球形透明物体去观察微小物体时，可以使其放大成像。后来逐渐对球形玻璃表面能使物体放大成像的规律有了认识。

1590年，荷兰和意大利的眼镜制造者已经造出类似显微镜的放大仪器。1610年前后，意大利的伽利略和德国的开普勒在研究望远镜的同时，改变物镜和目镜之间的距离，得出合理的显微镜光路结构，当时的光学工匠遂纷纷从事显微镜的制造、推广和改进。

17世纪中叶，英国的胡克和荷兰的列文胡克，都对显微镜的发展作出了卓越的贡献。1665年前后，胡克在显微镜中加入粗动和微动调焦机构、照明系统和承载标本片的工作台。这些部件经过不断改进，成为现代显微镜的基本组成部分。

1673～1677年期间，列文胡克制成单组元放大镜式的高倍显微镜，其中九台保存至今。胡克和列文胡克利用自制的显微镜，在动、植物机体微观结构的研究方面取得了杰出的成就。

19世纪，高质量消色差浸液物镜的出现，使显微镜观察微细结构的能力大为提高。1827年阿米奇个采用了浸液物镜。19世纪70年代，德国人阿贝奠定了显微镜成像的古典理论基础。这些都促进了显微镜制造和显微观察技术的迅速发展，并为19世纪后半叶包括科赫、巴斯德等在内的生物学家和医学家发现细菌和微生物提供了有力的工具。

在显微镜本身结构发展的同时，显微观察技术也在不断创新：1850年出现了偏光显微术；1893年出现了干涉显微术；1935年荷兰物理学家泽尔尼克创造了相衬显微术，他为此在1953年获得了诺贝尔物理学奖。

古典的光学显微镜只是光学元件和精密机械元件的组合，它以人眼作为接收器来观察放大的像。后来在显微镜中加入了摄影装置，以感光胶片作为可以记录和存储的接收器。现代又普遍采用光电元件、电视摄象管和电荷耦合器等作为显微镜的接收器，配以微型电子计算机后构成完整的图象信息采集和处理系统。

表面为曲面的玻璃或其他透明材料制成的光学透镜可以使物体放大成像，光学显微镜就是利用这一原理把微小物体放大到人眼足以观察的尺寸。近代的光学显微镜通常采用两级放大，分别由物镜和目镜完成。被观察物体位于物镜的前方，被物镜作级放大后成一倒立的实象，然后此实像再被目镜作第二级放大，成一虚象，人眼看到的就是虚像。而显微镜的总放大倍率就是物镜放大倍率和目镜放大倍率的乘积。放大倍率是指直线尺寸的放大比，而不是面积比。

普通光学显微镜物镜镜头光学显微镜一般由载物台、聚光照明系统、物镜，目镜和调焦机构组成。载物台用于承放被观察的物体。利用调焦旋钮可以驱动调焦机构，使载物台作粗调和微调的升降运动，使被观察物体调焦清晰成象。它的上层可以在水平面内沿作精密移动和转动，一般都把被观察的部位调放到视场中心。

聚光照明系统由灯源和聚光镜构成，聚光镜的功能是使更多的光能集中到被观察的部位。照明灯的光谱特性必须与显微镜的接收器的工作波段相适应。

物镜位于被观察物体附近，是实现级放大的镜头。在物镜转换器上同时装着几个不同放大倍率的物镜，转动转换器就可让不同倍率的物镜进入工作光路，物镜的放大倍率通常为5～100倍。

物镜是显微镜中对成象质量优劣起决定性作用的光学元件。常用的有能对两种颜色的光线校正色差的消色差物镜；质量更高的还有能对三种色光校正色差的复消色差物镜；能保证物镜的整个像面为平面，以提高视场边缘成像质量的平像场物镜。高倍物镜中多采用浸液物镜，即在物镜的下表面和标本片的上表面之间填充折射率为1.5左右的液体，它能显著的提高显微观察的分辨率。

目镜是位于人眼附近实现第二级放大的镜头，镜放大倍率通常为5～20倍。按照所能看到的视场大小，目镜可分为视场较小的普通目镜，和视场较大的大视场目镜（或称广角目镜）两类。

普通光学显微镜结构载物台和物镜两者必须能沿物镜光轴方向作相对运动以实现调焦，获得清晰的图像。用高倍物镜工作时，容许的调焦范围往往小于微米，所以显微镜必须具备极为精密的微动调焦机构。

显微镜放大倍率的极限即有效放大倍率，显微镜的分辨率是指能被显微镜清晰区分的两个物点的小间距。分辨率和放大倍率是两个不同的但又互有联系的概念。

当选用的物镜数值孔径不够大，即分辨率不够高时，显微镜不能分清物体的微细结构，此时即使过度地增大放大倍率，得到的也只能是一个轮廓虽大但细节不清的图像，称为无效放大倍率。反之如果分辨率已满足要求而放大倍率不足，则显微镜虽已具备分辨的能力，但因图像太小而仍然不能被人眼清晰视见。所以为了充分发挥显微镜的分辨能力，应使数值孔径与显微镜总放大倍率合理匹配。

聚光照明系统是对显微镜成像性能有较大影响，但又是易于被使用者忽视的环节。它的功能是提供亮度足够且均匀的物面照明。聚光镜发来的光束应能保证充满物镜孔径角，否则就不能充分利用物镜所能达到的高分辨率。为此目的，在聚光镜中设有类似照相物镜中的?，可以调节开孔大小的可变孔径光阑，用来调节照明光束孔径，以与物镜孔径角匹配。

改变照明方式，可以获得亮背景上的暗物点（称亮视场照明）或暗背景上的亮物点（称暗视场照明）等不同的观察方式，以便在不同情况下更好地发现和观察微细结构。

随着现代生物技术的发展和人们对显微镜要求的提高，单一的光学显微成像系统已经远远不能满足人们显微摄 影的要求。数码显微镜的面市，标志着光学显微镜从此进入到一个新的数码时代。数码显微镜不仅结合了光学显微镜良好的成像特点，更将其与先进的光电转换技术、液晶屏幕技术完美地结合，使显微镜在具有显微观察本领的同时，更实现了显微图像的数字化存储和传输。

然而，数码显微镜高昂的成本并没有使其得到广泛的应用，一种新型的显微数码产品——显微数字摄像头也随之产生。显微数字摄像头作为一种专用的显微数字相机，能够方便地链接到任意的显微镜上，实现光学显微镜向数码显微镜的转化。

作为光学显微镜的必备配件，显微数字摄像头也根据不同的需要分为很多个不同的等级，有的比较适合对图像的要求比较高的，有的比较适合一般化的需求。作为一种方便快捷的显微摄像系统，显微数字摄像头将得到极大的应用。

光学显微镜的配件有目镜物镜和光源等等，当然随着科技的发展，光学显微镜逐渐也配备了摄像系统，这样就可以在显示器上显示出来了，观看的时候也比较方便了。

另外光源显微镜的光源也比较重要，配备的时候光源有环形光源也有，夹式的光源。?光学显微镜的底座也不尽相同，有的是塑料材质的，有的是合金的，好一点的是合金的材质，合金的不容易变形。放大的倍数也不大一样，有的可以连续变倍，有的只有一个倍数，或者两个倍数。

双目体视显微镜光学显微镜有多种分类方法：按使用目镜的数目可分为双目和单目显微镜；按图像是否有立体感可分为立体视觉和非立体视觉显微镜；按观察对像可分为生物和金相显微镜等；按光学原理可分为偏光，相衬和微差干涉对比显微镜等；按光源类型可分为普通光、荧光、红外光和激光显微镜等；按接收器类型可分为目视、摄影和电视显微镜等。常用的显微镜有双目体视显微镜、金相显微镜、偏光显微镜、紫外荧光显微镜等。

双目体视显微镜是利用双通道光路，为左右两眼提供一个具有立体感的图像。它实质上是两个单镜筒显微镜并列放置，两个镜筒的光轴构成相当于人们用双目观察一个物体时所形成的视角，以此形成三维空间的立体视觉图像。双目体视显微镜在生物、医学领域广泛用于切片操作和显微外科手术；在工业中用于微小零件和集成电路的观测、装配、检查等工作。

金相显微镜是专门用于观察金属和矿物等不透明物体金相组织的显微镜。这些不透明物体无法在普通的透射光显微镜中观察，故金相和普通显微镜的主要差别在于前者以反射光，而后者以透射光照明。在金相显微镜中照明光束从物镜方向射到被观察物体表面，被物面反射后再返回物镜成像。这种反射照明方式也广泛用于集成电路硅片的检测工作。

紫外荧光显微镜是用紫外光激发荧光来进行观察的显微镜。某些标本在可见光中觉察不到结构细节，但经过染色处理，以紫外光照射时可因荧光作用而发射可见光，形成可见的图像。这类显微镜常用于生物学和医学中。

电视显微镜和电荷耦合器显微镜是以电视摄像靶或电荷耦合器作为接收元件的显微镜。在显微镜的实像面处装入电视摄像靶或电荷耦合器取代人眼作为接收器，通过这些光电器件把光学图像转换成电信号的图像，然后对之进行尺寸检测、颗粒计数等工作。这类显微镜的 可以与计算机联用，这便于实现检测和信息处理的自动化，多应用于需要进行大量繁琐检测工作的场合。

扫描显微镜是成像光束能相对于物面作扫描运动的显微镜 。在扫描显微镜中依靠缩小视场来保证物镜达到高的分辨率，同时用光学或机械扫描的方法，使成像光束相对于物面在较大视场范围内进行扫描，并用信息处理技术来获得合成的大面积图像信息。这类显微镜适用于需要高分辨率的大视场图像的观测。粗准焦螺旋：大范围上下调动镜筒。

细准焦螺旋：小范围上下调动镜筒。

光学显微镜众所周知，光学显微镜是一种利用光学原理将人眼所不能分辨的微小物体放大成像，以供人们提取微细结构信息的光学测量仪器。光学显微镜一般由载物台、聚光照明系统、物镜、目镜和调焦机构组成。光学显微镜在日常的使用中要注意仪器的保养维护工作。下面，中国测量工具网的小编将给大家介绍一下光学显微镜的日常维护注意事项。

1、按照严格的流程和说明书来操作显微镜。

2、在移动显微镜时，好托住底座，不要倾斜，轻拿轻放。

3、在观察中，不要移动显微镜。

4、显微镜光学部件，不能随便用手指触摸，应用特殊的擦镜头纸擦拭。

5、转换物镜镜头时，应转动转化器，而不要搬动物镜镜头。同时不要随意转动调焦手轮，使用时转动要慢，要轻。

6、使用高倍物镜时，为了避免损伤物镜和玻片，不要移动距离过大。

7、不要随意拆卸显微镜零件或者物镜镜头，以免损伤显微镜。

8、显微镜使用完后需对物镜镜头等检查，将镜头、载物台等擦拭干净，放入箱内保存。

9、显微镜在保存是，好在干燥、清洁的环境中，避免灰尘以及化学品玷污。^[2]

显微镜是一种精密的光学仪器，已有300多年的发展史。自从有了显微镜，人们看到了过去看不到的许多微小生物和构成生物的基本单元——细胞。不仅有能放大千余倍的光学显微镜，而且有放大几十万倍的电子显微镜，使我们对生物体的生命活动规律有了更进一步的认识。在普通中学生物教学大纲中规定的实验中，大部分要通过显微镜来完成，因此，显微镜性能的好坏是做好观察实验的关键。^[3]