光学显微镜概述

光学显微镜是光学仪器的一个大类，由荷兰科学家胡克发明至今已有三百多年的历史了，主要用于对微小物体的观察与操作。经过数百年的不断发展，目前已发展成包括生物、体视、金相、测量四大类产品，同时结合各类技术成果形成了摄影、摄像、共焦扫描、荧光、偏光、暗场、相衬等一系列变形产品。光学显微镜文泛应用于生物、基因工程、新材料、微电子、工业测量、微机械、*刑侦、医疗、教学等领域的科研与生产制造过程。

一、工作原理

1、  光学显微镜是利用光波（电磁波的一个谱段：可见光波长范围是：400nm~700nm：近紫外区域为300nm~400nm：近红外区域为700nm~1500nm。）的折射成像或折反射成像原理，研制的光学成像仪器。但是由于光波长的限制，在可见光波段内常规光学显微镜的有效放大倍率在1600倍左右，超过1600倍的放大倍率对提高光学系的分辨率并无贡献。

2、  显微镜一般由物镜系统、棱镜系统、目镜、对焦机构、照明系统、支架、工作台等几大部分构成。

3、  基本原理是：显微镜物镜将标本放大成像（一次成像），显微镜目镜将物镜所成的像进行二次大成像（二次像）、成像在无穷远或人眼的明视距离处，再由观察者眼睛的光学系统将“二次像”成像到本人眼睛的视网模上，大脑中即可获得标本的显微图像信号。

4、  光学显微镜总的放大倍率：β总=β物×β目（式中：β物是物镜放大倍率，β目是目镜放大倍率）。

如果显微镜附带有摄像装置，计算摄影摄像装置放大倍率的公式是：β总=β物×β目β摄（式中：β摄是摄影或摄像接口装置中光学系统的放大倍率）。

二、产品分类

二、体视显微镜

（1）       体视显微镜顾名思义就是具有立体视觉的显微镜，也叫实体显微镜。主要结构特点是：光学系统必须有左右两条“光路”分别对标本进行成像，而且左右两条“光路”之间必须有一定的夹角（称为体视角，一般在10°~12°范围），模拟人的双眼观察有限距离物体时的状态，以形成立体视觉、便于在显微镜的物方（物镜前方的简称）进行空间定位或对标本进行镜下操作。因此，体视显微镜广泛应用于科研与生产过程中各类显微操作场合、成为*的得力工具（克隆技术中的细胞显微操作、集成电路引线焊接与封装、医疗 显微外科手术等），具有广阔的市场。

（2）       体视显微镜按结构形式有：固定率体视显微镜、间隔变倍体视显微镜、连续倍体视显微镜三类，分别属于低档、中档和中产品，适用于不同场合。为了满足记录、传播标本显微镜图像的要求，还有具备摄影摄像、功能的体视显微镜，简称“三目体视显微镜”，可以通过摄影、摄像接口连接各类照相机、摄像机和数码相机。

（3）       因体视显微镜的应用特点，一般产品的放大倍率范围为：2X~200X。进口产品有达到400X以上的，但放大倍率到200X以上后由于“光学景深”（通过光学系统观察的标本深度）太短，仪器已没有立体视觉，只是起一般的平面放大作用了。

（4）       体视显微镜的主要技术指标有：放大倍率与倍率范围、视场直径、物方工作距离、物镜变倍比（连续变倍体视显微镜）等。

（5）       部件配置及常规参数

        ①附加物镜：

0.3X、0.5X、0.7X、1.5X、2.0X、2.5X为常用规格。

        采用平行光路的产品有1.0X物镜。根据特殊要求还可以开发设计制造特殊规格的附加物镜。

②目镜系列：

  10X、15X（16X）、20X、25X为常用规格。

另外为适应戴眼镜观察，有“高眼点目镜”；视场角大于45°的目镜称为“广角目镜”。根据应用要求还可以设计制造特殊规格的目镜。

（6）由于体视显微镜的应用范围非常广阔、操作使用的要求差异很大，为了充分发挥其使用效能、提高工作效率，有各类附件供选配。

①照明光源：

光源支架（带落射卤素灯与透射荧光或卤素灯）、可调卤素灯（50W）、环形荧光灯、光导纤维冷光源（可配单端、双端、环形等光纤，用于不允许有红外线辐射的场合）、LED光源、偏光装置、暗场聚光装置（用于宝石、透明矿物等标本的签定）

②支架系统：

单横杆万向支架、双横杆万向支架、摆臂平衡式万向支架、微动支架

③移动平台：

2维平移工作台、3维移动工作台（可倾斜、加1个旋转轴）、集成电路硅片检查工作台、测量工作台（X、Y方向10MM行程、0.01MM度）

④测微分划尺：

目镜分划尺（0.1MM~0.05MM格值，“一字”“一字”、“十字”、“网格”等形式）物镜分划尺（0.01MM格值）

⑤显微摄影摄像装置：

袖珍变焦数码相机摄影接口、单反数码相机接口、35MM单反相机接口、工业CCD摄像机接口、DV摄像机接口。

2、  生物显微镜

（1）       生物显微镜主要用于动植物组织切片、细胞与细菌涂片等标本的微细组织结构观察。随着生物工程和基因工程的发展，也是胚胎移植、克隆技术*的重要工具。生物显微镜主要追求zui高的细节分辨率、有效放大倍率、更宽广的视野直径等技术指标。

（2）       生物显微镜常规结构形式：

        ①透射照明正置式显微镜：为常见方式，其中低档普及型又有双目和单目两种机型；

② 透射反射照明正置式显微镜：一般为或研究型产品；

③透射照明倒置式显微镜：可透过玻璃培养皿底部观察其中活性生物组织或细胞的状态，同时可以对这些活性生物组织或细胞进行显微操作：

④透射反射照明倒置式显微镜：用途与透射照明倒置式显微镜基本相同，但还可以观察不透明标本。

⑤根据应用场合生物显微镜又大致分为：普及型（全部采用消色差物镜）、中档产品（可选配平场消色差物镜、摄影摄像装置，可添加反射照明等装置）、研究型产品（基本配置平场消色差物镜或更的平场复消色差物镜、摄影摄像接口、反射照明装置，有荧光、偏光、暗光、相衬等功能组件供选配）。

（3）生物显微镜主要部件有：

支架、移动工作台与标本夹、对焦机构、物镜转换器（按安装物镜的数量有3孔、4孔、5孔、6孔等规格）、观察系统（分单目、双目、三目即含摄像接口3种形式）、照明系统（包括聚光镜、照明灯、供电与调光电路等）、目镜等。

由于生物显微镜产品标准化程度较高，国产中低档产品不同厂家的区别主要在于光学系统质量和外观。

（4）生物显微镜的主要技术规范与指标

 ①放大倍率与倍率范围：40X~1600X（常规范围）；

 ②目镜视场直径：10X目镜一般为φ18MM~φ22MM，进口产品有达到φ26MM的：

 ③物镜规格：4X、10X、40X、100X是常规规格（其中100X物镜为获得极限分辨率通常是“油镜”，即在物镜前镜片与标本“数值孔径”，进而提高物镜分辨率，外观标“OIL”字样），此外有2X、20X、25X、50X、60X、90X等规格，物镜倍率用不同的外观“色环”和数字来区分：

④物镜品种：消色差、平场消色差、平场复消色差、相衬、暗场

⑤物镜标识

⑥目镜规格：10X、16X（常用规格），6.3X、12.5X、20X、25X（为系列规格,可选用）

⑦目镜品种：观察目镜、测微目镜（内置测微分划尺）、指针式目镜

⑧照明聚光系统：自然光照明、电光源照明、消色差聚光镜、相衬聚光镜、暗场聚光镜、偏光装置、荧光照明装置

（5）生物显微镜的主要功能部件

 ①反射照明装置

   光源在物镜后方、通过物镜聚光照明标本，可以观察不透明标本：通过汞灯光源的紫外光激发，可用于观察荧光染色标本的荧光显微图像。

 ②摄影摄像装置

   袖珍变焦数码相机摄影接口、单反数码相机接口、35MM单反相机接口、工业CCD摄像机接口、DV摄像机接口

 ③生物显微图像电脑分析系统：

将显微镜获取的标本图像通过摄像机与图像转化卡、数码相机、DV摄像像机等设备转换成数字图像信号输入计算机，利用专业的图像处理与分析软件包完成显微图像的增强、锐化、色彩等处理，自动进行各类参数的提取、测量、统计、绘制图表、存储、输出等工作。目前该类设备已成为生物显微镜在研究、教学与医疗领域*的数字化、智能化配套装备，对提高整个系统的工作效率与工作质量贡献巨大。

3、  金相显微镜

（1）       金相显微镜是专门用于观察金属、矿物、岩石、陶瓷、半导体等材料细微结构的光学显微镜，基本结构和类型与生物显微镜相似。与生物显微镜的主要不同之处有：

①因标本多为不透明材料，照明方式以反射照明为主、较少配备透射照明系统；

②因标本上不覆盖“盖玻片”，物镜光学结构形式生物显微镜物镜有所差异；

           ③常采用圆形工作台，通过刻度可以用于矿物标本偏振角度参数的测定。

   ④高倍率物镜（100X）基本不采用浸液介质，数值孔径较相同倍率的生物显微镜物镜小。

（2）      金相显微镜常见型式

 ①倒置金相显微镜：工作台在物镜上方，标本观察（磨面）朝下，这样标本另一面无须加工、可为任意形状（金相显微镜大部分属于这一型式）；

 ②正置金相显微镜：工作台在物镜下方，标本观察（磨面）朝上，标本另一面必须与上面平行、标本高度受工作台行程的限制；

 ③金相显微镜按照性能又大致划分为初级、中级、三档。

（3）       或研究型金相显微镜的性能与配置：

 ①具有优良整体光学成像质量和高度的操作稳定性；

 ②配置平场消色差或更的平场复消色差物镜；

 ③具备各类显微摄影摄像接口，能够灵活配置相应的摄影摄像器材或装置大幅面投影器；

 ④具有定性与定量偏光、相衬、微分干涉的功能：

 ⑤可以进行显微硬度测量；

 ⑥明、暗场照明装置，包括各种规格的物镜、聚光镜等：

（3）金相显微镜在微电子工业中的应用

在半导体工业制造领域，各类半导体晶片与集成电路的检查、测量都必须大量采用当学显微镜，其型式和光学性能要求与金相显微镜基本相同。随着微电子工业的飞速发展，国外厂家在金相显微镜的技术基础上发展了的半导体工业显微镜，其主要性能特点有以下几点：

①大尺雨的标本移动工作台，适合于4、6、8乃至12英时圆晶的检验，同时发展了电驱动工作台，以提高生产效率：

②长工作距离物镜（50X达10MM以上），能够潢足物镜工作距离内安装圆晶探针等装备的特殊要求；

③物镜可以明、暗场通用：

④通过引入短波长光源，开发研制了高倍率物镜（倍率已达250X），分辨率可满足集成电路0.15UM线宽的检测要求：

⑤采用超高压球形汞灯和超高压球形氙灯照明装置，获取短波紫端或近紫外线光源：

⑥整体结构能够满足圆晶自动生产线的组合要求。

4、测量显微镜

测量显微镜是借助显微镜的光学放大原理提高瞄准精度、对各类零件或物体进行几何数测量的一类测量仪器，是光学显微镜的一个重要分支。

测量显微镜广泛应用于精密机械、电子产品、微电子等行业的产品检验和质量控制，是一个国家提高整体工业水平的基础技术装备，随着工业水平的整体提高和产业发展，测量显微镜的市场也在迅速增长。

测量显微镜按照测量范围分为：小型工具显微镜（量程~75MM）、′大型工具显微镜（量程0~150MM）、工具显微镜（量程0~200MM）、重型工具显微镜（量程0~500MM）：按当学成像方式有：目镜二次放大式与投影放大式。一般测量精度：线值长度0.01MM~0.002MM、角度5' ~10"，可以测量线值（长、宽、高）、角度、位置误差、孔径与孔距、螺纹、齿轮等参数。

三、词解释

1、  色差物镜

首先需要说明“色差”这一概念：可见光波长范围是400NM~700NM，不同波长的光线通过光学玻璃材料的折射角度是不同的、在光学零件中所走的路径也不同。因此，同一物点发出的白光（可见光谱段光线）经过光学系统后不能成为一个白色像点，而产生色彩，此现象称为“色差”。

  为了光学系统产生的“色差”不被人眼察觉或不影响光学系统的成像质量，必须采取消除“色差”的设计方案：选择合理的光学系统结构和光学材料反搭配，使F光（紫光，波长λ=486.13NM）与C光（红光,波长λ=656.27NM）的成像位置基本重合,一般情况下\\这样一来可见光波长范围内其他色光的位置差异也可以控制在能够接受的程度。

   采用消除“色差”设计方案的显微镜物镜即为“消色差物镜”。

2、  平场消色差物镜

一个平面标本通过一般的消色差物镜所成的像并非是一个平面、而是一个曲面，因为光学系统会产生“场曲”、使像面发生弯曲。这种现象一般并不影响人眼观察时对整个像面清晰度一致的感觉，因为人眼有一定的曲光度自动调节能力。但是，如果光学系统所成的像要通过胶片或CCD芯片清晰记录，由于胶片或CCD芯片是一个平面、又不可能具有人眼那样的自动调节能力，因此设计光学系统时必须将“场曲”消除。

采用消除“场曲”光学结构设计制造、成像面视场平坦的消色差物镜称为“平场消色差物镜”，也称“平视场消色差物镜”。

   更进一步，在平场消色差物镜技术的基础上，采用特殊的光学材料与设计手段、进一步将可见光波长范围内D光（黄绿光，波长λ=589.29NM）与F光和C光成像位置的差异消除,可以使光学系统的成像质量获得大幅度提高.采用这种技术设计制造的物镜称为”平场复消色差物镜”。

3、  相衬装置

为了观察与周围介质有相同光吸收系数和颜色、折射率或厚度稍有不同的物体（即称为“相位物体”，如活体生物组织、某些矿物样本）的显微图像，科学家泽尼克于1935年发明了一种利用光的衍射原理进行成像的方法，称为相衬法。利用这种主法设计制造的显微镜成像装置即为“相衬装置”。

显微镜相衬装置一般包括：相衬聚光镜和配套的系列相衬物镜。将一般明场显微镜的聚光镜与物镜取下、换上相衬聚光镜和相衬物镜即可进行相衬观察。主要用于无法进行染色或染色后会死亡的活体标本的显微成像。

      4、暗场装置

显微镜暗场装置的工作原理：利用特殊的大孔径照明聚光系统照标本，但是不让主要的直射照明光线进入显微镜的物镜光路、而只让被标本中微细结构反射改变了方向的光线进入显微镜光路成像。这样一来显微镜视场中背景是暗的，但标本中微细结构的像的在滤除了强大的直射照明光线后获得非常高的对比度、从而获得超常规的分辨率。

显微镜暗场装置有透射式与反射式的区别。透射式暗场显微镜主要用于观察透明基体标本（如悬浮在液体中的细胞、单细胞藻类，透明矿样如宝石、晶体等）的细微结构；反射式暗场显微镜目前大量应用于金相显微镜、尤其是半导体工业显微镜中，用于金属材料、硅片的细节观察。

简易暗场是显微镜暗场装置的简易形式产品。

   暗场装置的聚光照明系统即为暗场聚光镜。暗场聚光镜有透射式与反射式两类，与一般聚光镜的主要区别是：数值孔径须大于物镜数值孔；聚光镜光路中设有拦光光阑，阻挡中心部分的直射光线进入物镜光路、而让周围环带部分光线以大角度（大于物镜物方孔径角）照明标本，从而取得“暗场效果”。

5、偏光装置

光是电磁波的一个谱段、用物理原理解释是一种振动波，在自然界的光线中太阳光、钨丝灯、气体放电灯等光源发出的光线均是包含了各种“振动方向”的自然光线。如果用“起偏器”将自然光线中其余振动方向的光都滤除、只让某一特定方向振动的光线通过，通过的光线即是“偏振光”。显微镜偏光装置即是利用“偏振光”与某些标本物质的相互作用来观察、研究这些物质的显微结构和物理结构。

   显微镜偏光装置基本由以下几部分组成：起偏器、检偏器（用于确定偏振光的偏振方向）、波片（用于偏振光的干涉成像）、旋转工作台（提供的角度数据）。

6、  光装置

荧光是物质受特定波长光线激发（辐照）后持续很短时间（一般为纳秒级）的自体发光。几乎所有的机分子都能直接或经过适当的化学处理后产生荧光，因此在生物、组织、细胞、微生物、免疫、医学等学科中获得广泛应用、成为有力的科研手段。

   荧光装置的工作原理如下：光源（激发源）光线经过激发滤色片选择激发光波长，常用是紫外（UV）、紫（V）、蓝（B）、绿（G）四个波段；激发光通过暗场聚光镱照射标本（一般应经过荧光色素染色处理）、标本产生荧光；荧光通过物镜经过抑制滤色片滤除激发光和杂光后成像在物镜像面上供观察或摄影摄像记录。

   荧光显微镜接照光路形式也分为透射式与反射式两种。无论何种形式，由于标本产生的荧光光强很弱，因此在照明光路中激发光线经过的路径上开切材料（光学玻璃、透镜胶合材料、浸液介质）均不能有荧光效应，同时显微摄影或摄像装置应有很高的感光灵敏度。

7、  惠更斯目镜

为光学家惠更斯，基本结构由两片透镜组成、视场光阑（物镜成像面位置）位于两片透镜之间。这种目镜目前已很少应用。

8、  冉斯登目镜

为光学家冉斯登，基本结构由两片透镜组成、视场光阑（物镜成像面位置）位于两片透镜之前，这种目镜目前也已很少应用。

9、  阿贝聚光镜

是目前常用的显微镜聚光镜，由2至3片透镜组成，采用球差zui小化的正透镜结构形式（也叫“齐名式”），由光学家恩斯特·阿贝zui先设计。

以上内容仅供参考，有不妥处敬请指正、谅解。