作者：李小兵

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；*章 顯微鏡簡史

        隨著科學技術的進步，人們越來越需要觀察微觀，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1847年德蔡司研制的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屬材料，生物學，化工等域。

 第二章 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，則發生折射現像，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，在像方空間的焦點，稱“像方焦點”，該處的焦平面，稱“像方焦平面”。

        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—像差

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

    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，在像方則可能形成一個色斑。光學系統主要的功能就是消色差。

        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像差。軸外物點以大孔徑光束成像時，發出的光束通過透鏡后，不再相交一點，則一光點的像便會得到一逗點狀，型如慧星，故稱“慧差”。

    4． 像散（Astigmatism）

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

    5． 場曲（Curvature of field）

        場曲又稱“像場彎曲”。當透鏡存在場曲時，整個光束的交點不與理想像點重合，雖然在每個特定點都能得到清晰的像點，但整個像平面則是一個曲面。這樣在鏡檢時不能同時看清整個像面，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）

        前面所說各種像差除場曲外，都影響像的清晰度。畸變是另一種性質的像差，光束的同心性不受到破壞。因此，不影響像的清晰度，但使像與原物體比，在形狀上造成失真。

  四. 顯微鏡的成像（幾何成像）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。單透鏡成像具有像差，嚴重影響成像質量。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種成像規律：

        （1） 當物體位于透鏡物方二倍焦距以外時，則在像方二倍焦距以內、焦點以外形成縮小的倒立實像；

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

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

        （4） 當物體位于透鏡物方焦點上時，則像方不能成像；

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

        顯微鏡的成像原理就是利用上述（3）和（5）的規律把物體放大的。當物體處在物鏡前F-2F（F為物方焦距）之間，則在物鏡像方的二倍焦距以外形成放大的倒立實像。在顯微鏡的設計上，將此像落在目鏡的一倍焦距F1之內，使物鏡所放大的*次像（中間像），又被目鏡再一次放大，終在目鏡的物方（中間像的同側）、人眼的明視距離（250mm）處形成放大的直立（相對中間像而言）虛像。因此，當我們在鏡檢時，通過目鏡（不另加轉換棱鏡）看到的像于原物體的像，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 . 無限遠校正光學系統：是較的光路設計，它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，并在結像透鏡處折射或完成無像差的中間像。物鏡與觀察筒內結像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，都能得到佳的顯微圖像。

    3. 無限遠雙重色差校正光學系統：是目前的光路設計，不但能矯正位置色差，同時還能矯正倍率色差可提高水平分辨率12%，提供高反差、高襯度、高分辨率的銳利圖象。

第三章 顯微鏡的重要光學技術參數

  在鏡檢時，人們總是希望能得到清晰而明亮的理想圖像，這就需要顯微鏡的各項光學技術參數達到一定的標準，并且要求在使用時，必須根據鏡檢的目的和實際情況來協調各參數的關系。只有這樣，才能充分發揮顯微鏡應有的性能，得到滿意的鏡檢效果。

    顯微鏡的光學技術參數包括：數值孔徑、分辨率、放大率、焦深、視場寬度、覆蓋差、工作距離等等。這些參數并不都是越高越好，它們之間是相互又相互制約的，在使用時，應根據鏡檢的目的和實際情況來協調參數間的關系。