显微镜的基本光学原理

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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明物体时，则发生折射现象，这是由于光在不同介质的传播速度不同造成的。当与透明物面不垂直的光线由空气射入透明物体(如玻璃)时，光线在其介面改变了方向，并和法线构成折射角。
二． 透镜的性能
4 Q3 ~2 v6 G1 N透镜是组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组成。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。
0 t4 p& l2 o- r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，在象方空间的焦点，称“象方焦点”，该处的焦平面，称“象方焦平面”。
9 J$ B' d+ u6 R, o- ^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—相差
, b  `7 N  D# b5 {7 W由于客观条件，任何光学系统都不能生成理论上理想的象，各种象差的存在影响了成像质量。下面分别简要介绍各种相差。
% C( \' d% p5 E$ A3 v# P8 s0 b1． 色差（Chromatic aberration）
. ~7 {, C+ i* o" x5 A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 七种组成，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，在象方则可能形成一个色斑。
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观察，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
' _7 f/ {( i# f9 V  t" ]) F2． 球差(Spherical aberration)
! W% }. P  f" J9 m* S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，而是一个中间亮 边缘逐渐模糊的亮斑。从而影响成像质量。
球差的矫正常利用透镜组合来消除，由于凸、凹透镜的球差是相反的，可选配不同材料的凸凹透镜胶合起来给予消除。旧型号显微镜，物镜的球差没有完全矫正，应与相应的补偿目镜配合，才能达到纠正效果。一般新型显微镜的球差完全由物镜消除。
$ W3 R( y; X: k3． 慧差(Coma)
慧差属轴外点的单色相差。轴外物点以大孔径光束成象时，发出的光束通过透镜后，不再相交一点，则一光点的象便会得到一逗点壮，型如慧星，故称“慧差”。
4． 象散（Astigmatism）
象散也是影响清晰度的轴外点单色相差。当视场很大时，边缘上的物点离光轴远，光束倾斜大，经透镜后则引起象散。象散使原来的物点在成象后变成两个分离并且相互垂直的短线，在理想象平面上综合后，形成一个椭圆形的斑点。象散是通过复杂的透镜组合来消除。
5． 场曲（Curvature of field）
4 }9 V0 L6 ?$ Q& L3 T! i9 {% i, I( l5 X场曲又称“象场弯曲”。当透镜存在场曲时，整个光束的交点不与理想象点重合，虽然在每个特定点都能得到清晰的象点，但整个象平面则是一个曲面。这样在镜检时不能同时看清整个相面，给观察和照相造成困难。因此研究用显微镜的物镜一般都是平场物镜，这种物镜已经矫正了场曲；。
6． 畸变（Distortion）
0 z1 o) z* m, A2 \3 ]! W前面所说各种相差除场曲外，都影响象的清晰度。畸变是另一种性质的相差，光束的同心性不受到破坏。因此，不影响象的清晰度，但使象与原物体比，在形状上造成失真。
, V2 Z+ b2 A) j; A/ ?  Y0 D, t（1） 当物体位于透镜物方二倍焦距以外时，则在象方二倍焦距以内、焦点以外形成缩小的倒立实象；
（2） 当物体位于透镜物方二倍焦距上时，则在象方二倍焦距上形成同样大小的倒立实象；
（3） 当物体位于透镜物方二倍焦距以内，焦点以外时，则在象方二倍焦距以外形成放大的倒立实象；
（4） 当物体位于透镜物方焦点上时，则象方不能成象；
（5） 当物体位于透镜物方焦点以内时，则象方也无象的形成，而在透镜物方的同侧比物体远的位置形成放大的直立虚象。
显微镜的成象原理就是利用上述（3）和（5）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，则在物镜象方的二倍焦距以外形成放大的倒立实象。在显微镜的设计上，将此象落在目镜的一倍焦距F1之内，使物镜所放大的第一次象（中间象），又被目镜再一次放大，最终在目镜的物方（中间象的同侧）、人眼的明视距离（250mm）处形成放大的直立（相对中间象而言）虚象。因此，当我们在镜检时，通过目镜（不另加转换棱镜）看到的象于原物体的象，方向相反。
$ N  R7 I) p( ^6 W四．显微镜光学系统简介
显微镜光学系统的设计有三种光学系统。
1 长筒光学系统
# z2 K* u, u( m# F2 万能无限远校正光学系统：是目前最先进的光路设计，它分体现了无限远校正方式的优越性。光线通过物镜后成为平行光束通过镜筒，并在结象透镜处折射或完成无相差的中间象。物镜与观察筒内结象透镜之间可添加光学附件，而不影响总放大倍数。另外这种光学系统不需要安装附加校正透镜，都能得到最佳的显微图象。