一、显微镜基础知识 第1章： 显微镜史

随着科学技术的进步，人们越来越需要观察微观世界，显微镜正是这样的设备，它突破了人类的视觉极限，使之延伸到肉眼无法看清的细微结构。

显微镜是从十五世纪开始发展起来。从简单的放大镜的基础上设计出来的单透镜显微镜，到结构复杂的复式显微镜，以及相差，荧光，偏光，显微观察方式的出现，使之更广范地应用于医学，生物学，金属材料，化工等领域。

第2章 显微镜的基本光学原理

一． 折射和折射率

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

透镜是组成显微镜光学系统的基本的光学元件，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。

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 "。

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

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。

1. 色差（Chromatic aberration）

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

2. 球差(Spherical aberration)

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*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*由物镜消除。

3. 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）

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）

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。

四． 显微镜的成象（几何成象）原理

显微镜之所以能将被检物体进行放大，是通过透镜来实现的。单透镜成象具有象差，严重影响成象质量。因此显微镜的主要光学部件都由透镜组合而成。从透镜的性能可知，只有凸透镜才能起放大作用，而凹透镜不行。显微镜的物镜与目镜虽都由透镜组合而成，但相当于一个凸透镜。为便于了解显微镜的放大原理，简要说明一下凸透镜的5 种成象规律：

• 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F­2F

（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，使物镜所放大的次象（中间象），又被目镜再一次放大，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。

五．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

2 万能无限远校正光学系统：是目前的光路设计，它分体现了无限远校正方式的*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，都能得到较好的显微图象。