光学显微镜（光学仪器）-趣爱秀

概述

光学显微镜是利用光学原理，把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仪器。

显微镜物象是否清楚不仅决定于放大倍数，还与显微镜的分辨力（resolution）有关，分辨力是指显微镜（或人的眼睛距目标25cm处）能分辨物体最小间隔的能力，分辨力的大小决定于光的波长和镜口率以及介质的折射率，用公式表示为：

R=0.61λ/N．A．N．A．＝ｎsinα/2

式中：n=介质折射率；α=镜口角（标本对物镜镜口的张角），N.A.=镜口率（numericaperture）。镜口角总是要小于180˚，所以sina/2的最大值必然小于1。

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。目前，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。

组成结构

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像。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，是实现第一级放大的镜头。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像质量优劣起决定性作用的光学元件，一般变倍比为6.3：1，变倍范围0.8X-5X。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，它能显着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。

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最小间距。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最高分辨率。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。

分类

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

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

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。

偏光显微镜

用偏振光对物体进行观测的显微镜。它的工作原理是在普通显微镜的照明光路中加入起偏器，使照到物面上的照明光束变成具有单一偏振方向的偏振光。在物镜和目镜之间的成像光路中加入检偏器，它的偏振方向与起偏器的偏振方向互成90°。如果被观物体不改变入射照明光束的偏振状态，则出射光便被检偏器完全阻挡，不能形成图像；如果被观物体改变入射光的偏振状态，则有一部分光通过检偏器，提供某些原来在非偏振光中发现不了的图像信息。偏光显微镜在地质、生物、材料工程等领域中用于观测晶体双折射、晶轴方向和偏振面旋转。

紫外荧光显微镜

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

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。

红外显微镜

用红外光源照明和成像的显微镜。在显微镜的实像面处装入红外变像管，把不可见的红外图像转换成可见图像。利用某些物体对红外光的透射或反射特性来观察在可见光中觉察不到的结构。这类显微镜用于赝品鉴别、硅晶片表面缺陷检测等。

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最高的分辨率，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。

特殊类型

暗视场显微镜

使用特殊的暗视场聚光镜使照明光线偏移而不进入物镜，只有样品的散射光进入物镜。因而在暗背景上得到亮的像，与暗视场照明相反，照明的光线直接到达成像平面的，称明视场照明。

暗视场显微镜主要用于观察结构和折射率变化有关的物体，如硅藻、放射虫类、细菌等具有规律结构的单细胞生物以及细胞中的线状结构，如鞭毛、纤维等。用暗视场显微镜还可观察到物镜分辨极限以下的质点，但不适用于观察染色的标本。

相差显微镜

利用物体不同结构成分之间的折射率和厚度的差别，把通过物体不同部分的光程差转变为振幅（光强度）的差别，经过带有环状光阑的聚光镜和带有相位片的相差物镜实现观测的显微镜。主要用于观察活细胞或不染色的组织切片，有时也可用于观察缺少反差的染色样品。

干涉显微镜

采用通过样品内和样品外的相干光束产生干涉的方法，把相位差(或光程差)转换为振幅（光强度）变化的显微镜，根据干涉图形可分辨出样品中的结构，并可测定样品中一定区域内的相位差或光程差。由于分开光束的方法不同，有不同类型的干涉显微镜，以及用于测定非均匀样品的积分显微镜干涉仪。干涉显微镜主要用于测定活的或未固定的相互分散的细胞或组织的厚度或折射率。

微分干涉差显微镜

一种特殊形式的干涉显微镜，只是其相干光束分开的距离相当小，仅为1微米，有时还小于物镜的最小分辨距离，因而二束相干光都通过样品，可观察到样品中光程差的局部差异（梯度）。微分干涉差显微镜用于观察活的或未染色的样品的精细结构，产生一种带颜色的如浮雕般的反差像，但不能用于定量测定。

荧光显微镜

用激发光照射样品，根据样品产生的荧光进行观察的显微镜。生物学、医学中应用的荧光有自发荧光、诱发荧光（包括酶或化学诱发）、荧光着色、免疫荧光等。荧光显微镜激发光照射的方式，有透射和落射两种。

偏光显微镜

用于观察双折射样品的显微镜。绝大多数结构有规则的生物体系的折射率因光波传播方向而异，一般称为双折射体系，有分子（晶体）双折射、形式双折射、应力双折射或几种类型兼而有之。偏光显微镜的主要组成是在一般显微镜的光源和聚光镜之间放置一个起偏(振)镜，在物镜和目镜之间放置一个检偏(振)镜，并采用旋转载物台。调节起、检偏振镜的主截面使之互相垂直（正交位置），使在暗背景上显出双折射样品的明亮像。

此外，利用各种补色器可以定量测定双折射的程度，进而推算出分子或颗粒在样品中排列的方向。近有用远红外线作光源的显微镜，由于波长不受水的干扰，反差也好，不用染色即可观察活体。另外，还有利用紫外线做光源的显微镜，它用反射光学或特殊的晶体透镜系统。

数码显微镜

数码显微镜又叫视频显微镜，是在光学显微镜的基础上加了一个数码成像装置，可以将显微镜看到的实物图像通过数模转换，使其成像在显微镜自带的屏幕上或计算机上。数码显微镜是将精锐的光学显微镜技术、先进的光电转换技术、液晶屏幕技术完美地结合在一起而开发研制成功的一项高科技电子产品。从而，我们可以对微观领域的研究从传统的普通的双眼观察到通过显示器上再现，从而提高了工作效率。

数码显微镜在观察物体时能产生正立的三维空间影像。立体感强，成像清晰和宽阔，又具有长工作距离，并是适用范围非常广泛的常规显微镜。它操作方便、直观、检定效率高,适用于电子工业生产线的检验、印刷线路板的检定、印刷电路组件中出现的焊接缺陷(印刷错位、塌边等)的检定、单板PC的检定、真空荧光显示屏VFD的检定等等,它将实物的图像放大后显示在计算机的屏幕上，可以将图片保存，放大，打印。配测量软件可以测量各种数据。

数码显微镜可以应用于:工业检测、电脑部件检查、电信模块检查、科学的教学工具、儿童探索显微体验、实验室研究、医学分析、学校研究工具、昆虫解剖、植物解剖、皮肤检查、发质检测、纺织品检验、珠宝检验、收藏/钱币检查、印刷检查、PCB板检测等。

可根据不同用途对各种结构作适当的改变，形成许多其他类型。如比较显微镜、倒置显微镜、解剖体视显微镜、毛细管显微镜以及离心显微镜等。

光学原理

显微镜是利用凸透镜的放大成像原理，将人眼不能分辨的微小物体放大到人眼能分辨的尺寸，其主要是增大近处微小物体对眼睛的张角（视角大的物体在视网膜上成像大），用角放大率M表示它们的放大本领。因同一件物体对眼睛的张角与物体离眼睛的距离有关，所以一般规定像离眼睛距离为25厘米（明视距离）处的放大率为仪器的放大率。显微镜观察物体时通常视角甚小，因此视角之比可用其正切之比代替。

显微镜由两个会聚透镜组成，光路图如图所示。物体AB经物镜成放大倒立的实像A1B1，A1B1位于目镜的物方焦距的内侧，经目镜后成放大的虚像A2B2于明视距离处。

配件

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。