一、顯微鏡基礎知識 第1章： 顯微鏡史

隨著科學技術的進步，人們越來越需要觀察微觀世界，顯微鏡正是這樣的設備，它突破了人類的視覺極限，使之延伸到肉眼無法看清的細微結構。

顯微鏡是從十五世紀開始發展起來。從簡單的放大鏡的基礎上設計出來的單透鏡顯微鏡，到結構復雜的復式顯微鏡，以及相差，熒光，偏光，顯微觀察方式的出現，使之更廣范地應用于醫學，生物學，金屬材料，化工等領域。

第2章 顯微鏡的基本光學原理

一． 折射和折射率

光線在均勻的各向同性介質中，兩點之間以直線傳播，當通過不同密度介質的透明物體時， 則發生折射現象，這是由于光在不同介質的傳播速度不同造成的。當與透明物面不垂直的光線由空氣射入透明物體(如玻璃)時，光線在其介面改變了方向，并和法線構成折射角。

二． 透鏡的性能

透鏡是組成顯微鏡光學系統的基本的光學元件，物鏡目鏡及聚光鏡等部件均由單個和多個透鏡組成。依其外形的不同，可分為凸透鏡(正透鏡)和凹透鏡(負透鏡)兩大類。

當一束平行于光軸的光線通過凸透鏡后相交于一點，這個點稱"焦點"，通過交點并垂直光軸的平面，稱"焦平面"。焦點有兩個，在物方空間的焦點，稱"物方焦點"，該處的焦平面， 稱"物方焦平面"；反之，在象方空間的焦點，稱"象方焦點"，該處的焦平面，稱"象方焦平面 "。

光線通過凹透鏡后，成正立虛像，而凸透鏡則成正立實像。實像可在屏幕上顯現出來， 而虛像不能。

三． 影響成像的關鍵因素­相差

由于客觀條件，任何光學系統都不能生成理論上理想的象，各種象差的存在影響了成像質量。下面分別簡要介紹各種相差。

1. 色差（Chromatic aberration）

色差是透鏡成像的一個嚴重缺陷，發生在多色光為光源的情況下，單色光不產生色差。白光由紅 橙 黃 綠 青 藍 紫 七種組成，各種光的波長不同 ，所以在通過透鏡時的折射率也不同，這樣物方一個點，在象方則可能形成一個色斑。

 

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觀察，都帶有色斑或暈環，使像模糊不清。而放大率色差使像帶有彩色邊緣

2. 球差(Spherical aberration)

球差是軸上點的單色相差，是由于透鏡的球形表面造成的。球差造成的結果是，一個點成像后，不在是個亮點，而是一個中間亮 邊緣逐漸模糊的亮斑。從而影響成像質量。

球差的矯正常利用透鏡組合來消除，由于凸、凹透鏡的球差是相反的，可選配不同材料的凸凹透鏡膠合起來給予消除。舊型號顯微鏡，物鏡的球差沒有*矯正，應與相應的補償目鏡配合，才能達到糾正效果。一般新型顯微鏡的球差*由物鏡消除。

3. 慧差(Coma)

慧差屬軸外點的單色相差。軸外物點以大孔徑光束成象時，發出的光束通過透鏡后，不再相交一點，則一光點的象便會得到一逗點壯，型如慧星，故稱"慧差"。

4. 象散（Astigmatism）

象散也是影響清晰度的軸外點單色相差。當視場很大時，邊緣上的物點離光軸遠，光束傾斜大，經透鏡后則引起象散。象散使原來的物點在成象后變成兩個分離并且相互垂直的短線， 在理想象平面上綜合后，形成一個橢圓形的斑點。象散是通過復雜的透鏡組合來消除。

5. 場曲（Curvature of field）

場曲又稱"象場彎曲"。當透鏡存在場曲時，整個光束的交點不與理想象點重合，雖然在每個特定點都能得到清晰的象點，但整個象平面則是一個曲面。這樣在鏡檢時不能同時看清整個相面，給觀察和照相造成困難。因此研究用顯微鏡的物鏡一般都是平場物鏡，這種物鏡已經矯正了場曲；。

6. 畸變（Distortion）

前面所說各種相差除場曲外，都影響象的清晰度。畸變是另一種性質的相差，光束的同心性不受到破壞。因此，不影響象的清晰度，但使象與原物體比，在形狀上造成失真。

四． 顯微鏡的成象（幾何成象）原理

顯微鏡之所以能將被檢物體進行放大，是通過透鏡來實現的。單透鏡成象具有象差，嚴重影響成象質量。因此顯微鏡的主要光學部件都由透鏡組合而成。從透鏡的性能可知，只有凸透鏡才能起放大作用，而凹透鏡不行。顯微鏡的物鏡與目鏡雖都由透鏡組合而成，但相當于一個凸透鏡。為便于了解顯微鏡的放大原理，簡要說明一下凸透鏡的5 種成象規律：

• 當物體位于透鏡物方二倍焦距以外時，則在象方二倍焦距以內、焦點以外形成縮小的

 

倒立實象；

 

（2） 當物體位于透鏡物方二倍焦距上時，則在象方二倍焦距上形成同樣大小的倒立實象；

 

（3） 當物體位于透鏡物方二倍焦距以內，焦點以外時，則在象方二倍焦距以外形成放大的倒立實象；

（4） 當物體位于透鏡物方焦點上時，則象方不能成象；

 

（5） 當物體位于透鏡物方焦點以內時，則象方也無象的形成，而在透鏡物方的同側比物體遠的位置形成放大的直立虛象。

顯微鏡的成象原理就是利用上述（3）和（5）的規律把物體放大的。當物體處在物鏡前F­2F

 

（F 為物方焦距）之間，則在物鏡象方的二倍焦距以外形成放大的倒立實象。在顯微鏡的設計上，將此象落在目鏡的一倍焦距F1 之內，使物鏡所放大的次象（中間象），又被目鏡再一次放大，終在目鏡的物方（中間象的同側）、人眼的明視距離（250mm）處形成放大的直立（相對中間象而言）虛象。因此，當我們在鏡檢時，通過目鏡（不另加轉換棱鏡）看到的象于原物體的象，方向相反。

五．顯微鏡光學系統簡介

顯微鏡光學系統的設計有三種光學系統。

 

1 長筒光學系統

 

2 萬能無限遠校正光學系統：是目前的光路設計，它分體現了無限遠校正方式的*性。光線通過物鏡后成為平行光束通過鏡筒，并在結象透鏡處折射或完成無相差的中間象。物鏡與觀察筒內結象透鏡之間可添加光學附件，而不影響總放大倍數。另外這種光學系統不需要安裝附加校正透鏡，都能得到較好的顯微圖象。