普通光学显微镜构造及原理

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普通光学显微镜是一种精密的光学仪器。以往最简单的显微镜仅由几块透镜组成，而当前使用的显微镜由一套透镜组成。普通光学显微镜通常能将物体放大1500—2000倍。
（一）显微镜的构造
普通光学显微镜的构造可分为两大部分：一为机械装置，一为光学系统，这两部分很好的配合，才能发挥显微镜的作用。
1、显微镜的机械装置
) G6 o: n7 s9 I3 ]显微镜的机械装置包括镜座、镜筒、物镜转换器、载物台、推动器、粗动螺旋、微动螺旋等部件
% F, D: p7 r+ Z7 R1 q: W* [- g（1）镜座 镜座是显微镜的基本支架，它由底座和镜臂两部分组成。在它上面连接有载物台和镜筒，它是用来安装光学放大系统部件的基础。
（2）镜筒  镜筒上接接目镜，下接转换器，形成接目镜与接物镜（装在转换器下）间的暗室。
从物镜的后缘到镜筒尾端的距离称为机械筒长。因为物镜的放大率是对一定的镜筒长度而言的。镜筒长度的变化，不仅放大倍率随之变化，而且成像质量也受到影响。因此，使用显微镜时，不能任意改变镜筒长度。国际上将显微镜的标准筒长定为160mm，此数字标在物镜的外壳上。
（3）物镜转换器  物镜转换器上可安装3—4个接物镜，一般是三个接物镜（低倍、高倍、油镜）。Nikon显微镜装有四个物镜。转动转换器，可以按需要将其中的任何一个接物镜和镜筒接通，与镜筒上面的接目镜构成一个放大系统。
$ u7 K1 I6 q) Y9 p! U6 a5 a! f1 D2 R（4）载物台  载物台中央有一孔，为光线通路。在台上装有弹簧标本夹和推动器，其作用为固定或移动标本的位置，使得镜检对象恰好位于视野中心。
（5）推动器  是移动标本的机械装置，它是由一横一纵两个推进齿轴的金属架构成的，好的显微镜在纵横架杆上刻有刻度标尺，构成很精密的平面座标系。如果我们须重复观察已检查标本的某一部分，在第一次检查时，可记下纵横标尺的数值，以后按数值移动推动器，就可以找到原来标本的位置。
4 H5 o5 }8 d/ R. p* }（6）粗动螺旋  粗动螺旋是移动镜筒调节接物镜和标本间距离的机件，老式显微镜粗螺旋向前扭，镜头下降接近标本。新近出产的显微镜（如Nikon显微镜）镜检时，右手向前扭载物台上升，让标本接近物镜，反之则下降，标本脱离物镜。
5 E5 Z8 S2 E6 }3 u, I（7）微动螺旋  用粗动螺旋只可以粗放的调节焦距，要得到最清晰的物象，需要用微动螺旋做进一步调节。微动螺旋每转一圈镜筒移动0.1毫米（100微米）。新近出产的较高档次的显微镜的粗动螺旋和微动螺旋是共轴的。
2、显微镜的光学系统
显微镜的光学系统由反光镜，聚光器，接物镜，接目镜等组成，光学系统使物体放大，形成物体放大像 。见图1—2。
（1）反光镜  较早的普通光学显微镜是用自然光检视物体，在镜座上装有反光镜。反光镜是由一平面和另一凹面的镜子组成，可以将投射在它上面的光线反射到聚光器透镜的中央，照明标本。不用聚光器时用凹面镜，凹面镜能起会聚光线的作用。用聚光器时，一般都用平面镜。新近出产的较高档次的显微镜镜座上装有光源，并有电流调节螺旋，可通过调节电流大小调节光照强度。
7 ~) U# l/ W, @9 t3 ?（2）聚光器  聚光器在载物台下面，它是由聚光透镜、虹彩光圈和升降螺旋组成的。聚光器可分为明视场聚光器和暗视场聚光器。普通光学显微镜配置的都是明视场聚光器，明视场聚光器有阿贝聚光器、齐明聚光器和摇出聚光器。阿贝聚光器在物镜数值孔径高于0.6时会显示出色差和球差。齐明聚光器对色差、球差和慧差的校正程度很高，是明视场镜检中质量最好的聚光器，但它不适于4倍以下的物镜。摇出聚光器能将聚光器上透镜从光路中摇出满足低倍物镜（4×）大视场照明的需要。
聚光器安装在载物台下，其作用是将光源经反光镜反射来的光线聚焦于样品上，以得到最强的照明，使物象获得明亮清晰的效果。聚光器的高低可以调节，使焦点落在被检物体上，以得到最大亮度。一般聚光器的焦点在其上方1.25mm处，而其上升限度为载物台平面下方0.1mm。因此，要求使用的载玻片厚度应在0.8—1.2mm之间，否则被检样品不在焦点上，影响镜检效果。聚光器前透镜组前面还装有虹彩光圈，它可以开大和缩小，影响着成像的分辨力和反差，若将虹彩光圈开放过大，超过物镜的数值孔径时，便产生光斑；若收缩虹彩光圈过小，分辨力下降，反差增大。因此，在观察时，通过虹彩光圈的调节再把视场光阑（带有视场光阑的显微镜）开启到视场周缘的外切处，使不在视场内的物体得不到任何光线的照明，以避免散射光的干扰。
（3）物镜  安装在镜筒前端转换器上的接物透镜利用光线使被检物体第一次造像，物镜成像的质量，对分辨力有着决定性的影响。物镜的性能取决于物镜的数值孔径（numerical apeature简写为NA），每个物镜的数值孔径都标在物镜的外壳上，数值孔径越大，物镜的性能越好。
物镜的种类很多，可从不同角度来分类：
根据物镜前透镜与被检物体之间的介质不同，可分为：
①干燥系物镜  以空气为介质，如常用的40×以下的物镜，数值孔径均小于1。
②油浸系物镜  常以香柏油为介质，此物镜又叫油镜头，其放大率为90×—100×，数值孔值大于1。
! [! n$ T0 \2 d2 d* Q- l  t根据物镜放大率的高低，可分为：
①低倍物镜  指1×—6×，NA值为0.04—0.15；
* w1 _/ n( P/ F5 v, j7 w②中倍物镜  指6×—25×，NA值为0.15— 0.40；
* I% Q0 \- U+ S/ |- f" q③高倍物镜  指25×—63×，NA值为0.35—0.95；
% _0 f$ l, C: c; H$ Q5 q" ~. c- d④油浸物镜  指90×—100×，NA值为1.25—1.40。
3 c! [8 P! u- _* |根据物镜像差校正的程度来分类可分为：
①消色差物镜  是最常用的物镜，外壳上标有“Ach”字样，该物镜可以除红光和青光形成的色差。镜检时通常与惠更斯目镜配合使用。
0 ?. r$ i3 k- G7 v' A5 J! C- C②复消色差物镜  物镜外壳上标有“Apo”字样，除能校正红、蓝、绿三色光的色差外，还能校正黄色光造成的相差，通常与补偿目镜配合使用。
  f, o6 e8 U. @, }$ I$ m: C- O/ E③特种物镜  在上述物镜基础上，为达到某些特定观察效果而制造的物镜。如：带校正环物镜，带视场光阑物镜，相差物镜，荧光物镜，无应变物镜，无罩物镜，长工作距离物镜等。目前在研究中常用的物镜还有：半复消色差物镜（FL），平场物镜(Plan)，平场复消色差物镜（Plan Apo）,超平场物镜（Splan，超平场复消色差物镜（Splan Apo）等。
/ O2 v  R9 K/ y& N5 w0 @' ~（4）目镜  目镜的作用是把物镜放大了的实像再放大一次，并把物像映入观察者的眼中。目镜的结构较物镜简单，普通光学显微镜的目镜通常由两块透镜组成，上端的一块透镜称“接目镜”，下端的透镜称“场镜”。上下透镜之间或在两个透镜的下方，装有由金属制的环状光阑或叫“视场光阑”，物镜放大后的中间像就落在视场光阑平面处，所以其上可安置目镜测微尺。
普通光学显微镜常用的目镜为惠更斯目镜（Huygens eyepiece），如要进行研究用时，一般选用性能更好的目镜，如补偿目镜（K）、平场目镜（P）、广视场目镜（WF）。照相时选用照相目镜（NFK）。
（二）光学显微镜的成像原理
" h' S5 S1 N, |显微镜的放大是通过透镜来完成的，单透镜成像具有像差，影响像质。由单透镜组合而成的透镜组相当于一个凸透镜，放大作用更好。图1—4是显微镜的成像原理模式。AB为标本
* h' P. j9 l& h7 o) g1 j（三）显微镜的性能
显微镜分辨能力的高低决定于光学系统的各种条件。被观察的物体必须放大率高，而且清晰，物体放大后，能否呈现清晰的细微结构，首先取决于物镜的性能，其次为目镜和聚光镜的性能。
, q5 }( K- Z7 p1 D1、数值孔径 也叫做镜口率（或开口率），简写为N.A，在物镜和聚光器上都标有它们的数值孔径，数值孔径是物镜和聚光器的主要参数，也是判断它们性能的最重要指标。数值孔径和显微镜的各种性能有密切的关系，它与显微镜的分辨力成正比，与焦深成反比，与镜象亮度的平方根成正比。
数值孔径可用下式表示：
; I8 X# G8 N( O6 U. o$ L0 V6 d# v# iN.A=n.sin
α
2
' R' b' M; c; V+ N  H5 T* p8 ~式中：
n—物镜与标本之间的介质析射率
α—物镜的镜口角
1 H; e3 a5 ~4 j& r" i所谓镜口角是指从物镜光轴上的物点发出的光线与物镜前透镜有效直径的边缘所张的角度，见图1—5。
镜口角α总是小于180°。因为空气的折射率为1，所以干燥物镜的数值孔径总是小于1，一般为0.05—0.95；油浸物镜如用香柏油（折射率为1.515）浸没，则数值孔径最大可接近1.5。虽然理论上数值孔径的极限等于所用浸没介质的折射率，但实际上从透镜的制造技术看，是不可能达到这一极限的。通常在实用范围内，高级油浸物镜的最大数值孔径是1.4。
几种物质的介质的折射率如下：
空气为1.0，水为1.33，玻璃为1.5，甘油为1.47，香柏油为1.52。
' n3 I% v6 R% M. c7 m* \7 G( E, X介质折射率对物镜光线通路的影响见图1—6。
2、分辨力
6 ]+ \: L3 N( c! bD可用下式表示：
/ r0 ~. O  y1 jD=λ/2N.A.
, b3 M9 n) |; p$ L" a8 W可见光的波长为0.4—0.7微米，平均波长为0.55微米。若用数值孔为0.65的物镜，则D=0.55微米/2×0.65=0.42微米。这表示被检物体在0.42微米以上时可被观察到，若小于0.42微米就不能视见。如果使用数值孔径为1.25的物镜，则D=2.20微米。凡被检物体长度大于这个数值，均能视见。由此可见，D值愈小，分辨力愈高，物象愈清楚。根据上式，可通过：（1）减低波长；（2）增大折射率；（3）加大镜口角来提高分辨力。紫外线作光源的显微镜和电子显微镜就是利用短光波来提高分辨力以检视较小的物体的。物镜分辨力的高低与造象是否清楚有密切的关系。目镜没有这种性能。目镜只放大物镜所造的象。
; t5 m6 U9 A3 U  c3、放大率：
显微镜放大物体，首先经过物镜第一次放大造象，目镜在明视距离造成第二次放大象。放大率就是最后的象和原物体两者体积大小之比例。因此，显微镜的放大率（V）等于物镜放大率（V1）和目镜放大率（V2）的乘积，即：
. }# T' U$ k+ K; B. f! }V=V1×V2
比较精确的计算方法，可从下列公式求得
M=
△
7 E, H2 G4 }5 V! P×
) m! G5 w/ r- ~4 RD
F1
. Y& B, O* q9 ~& T9 X  OF2
. e! S0 W0 R" d* B  R4 l+ e9 ?F1=接物镜焦距，F2=接目镜焦距  △=光学筒长，D=明视距离（=250毫米）
△
  P. D, i( p* ~- Q; ~=接物镜的放大倍数
D
5 W9 Y3 u3 V5 r8 W+ c3 z) ]=接目镜放大倍数
M=显微镜放大倍数
$ P9 T3 H3 Y( m5 Z; aF1
( a$ w; _( c3 C4 R2 FF2
设△=160毫米   F1=4毫米  D=250毫米  F2=150毫米
则M=
- f: q& g" `- D4 q: Z△
* Q+ `/ j, m) L4 Q% `4 Z+ J×
D
=
$ f/ l+ y6 j9 v, ~' b+ ?& x160
# m, ^& e4 C" s7 V$ j# }" z! a×
7 R- F( v! b  R6 A250
=40×16.7=668倍
F1
F2
' P5 x0 {& x6 X/ k1 D- [0 |/ N6 Z4
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4、焦深：
在显微镜下观察一个标本时，焦点对在某一象面时，物象最清晰，这象面为目的面。在视野内除目的面外，还能在目的面的上面和下面看见模糊的物象，这两个面之间的距离称为焦深。物镜的焦深和数值孔径及放大率成反比：即数值孔径和放大率愈大，焦深愈小。因此调节油镜比调节低倍镜要更加仔细，否则容易使物象滑过而找不到。