显微镜成像原理

光学显微镜的原理

发布时间：10-05-15 来源：仪表展览网点击量：2284 字段选择：大中小

将微小物体或物体的微细部分高倍放大，以便观察的仪器或设备。它广泛应用于工农业生产及科学研究。生物学和医学工作者在业务中也经常使用显微镜。大致分为光学显微镜和电子显微镜。

光学显微镜即以可见光为光源的显微镜。普通的光学显微镜在结构上可分为光学系统和机械装置两个部分。光学系统主要包括目镜、物镜、聚光器、光阑及光源等部分。机械装置主要包括镜筒、镜柱、载物台、镜座、粗细调节螺旋等部分(图1)。其基本光学原理如图2,图中左边小的凸透镜代表短焦距的一组透镜，称物镜。右边大的凸透镜代表长焦距的一组透镜，称目镜。被观察的物体(AB)

放在物镜焦点(f1)稍外的地方。物体的光线通过物镜后在目镜焦点(f2)稍内方形成一个倒立的放大实像(B'A')。观察者的眼睛通过目镜将该实像(B'A')进一步放大为一个倒立的虚像(B″A″)。

目镜位于显微镜筒的上方，一般由两个凸透镜构成。它除了进一步扩大物镜所形成的实像之外，也限制了眼睛所观察的视野。按放大率分,常用目镜有5倍、10倍和15倍三种。

物镜一般位于显微镜筒的下方，接近所观察的物体。由8～10片透镜组成。其作用一是放大(给物体造成一个放大的实像),二是保证像的质量,三是提高分

辨率。常用物镜可按放大率分为低倍 (4×)、中倍(10×或20×)、高倍(40×)

和油浸物镜(100×)。多个物镜共同镶在换镜转盘上，可以按需要转动转盘选择不同倍数的物镜。

显微镜的放大倍数为目镜倍数乘物镜倍数，如目镜为10倍，物镜为40倍,则放大倍数为40×10倍(放大400倍)。优良的显微镜可放大2000倍，可分辨相距1×10-5cm的两点。

当白光通过凸透镜时,波长较短的光(蓝紫色),其折射度大于长波长的光(红橙色)，因此，成像时在像周出现各色光谱围绕,并且有一圈蓝色或红色的辉光,这种颜色上的缺陷称为色差。由于光线进入(和离开)透镜镜面各部分的角度不同，从透镜四周透过的光线与从透镜中心透过的光线相比，其折射角度较大。因此，成像时在像周出现模糊而歪曲的影像。这种成像面弯曲的缺陷称为球面差。一系

列形状、结构和距离不同的凸和凹透镜组互相配合，便能最大限度地纠正色差和球面差，形成一个明亮、清晰而准确的影像。这就是目镜或物镜分别由一组透镜构成的缘故。这种透镜称为平场消色差透镜。

光线从一种介质(如空气)投射到另一种较为致密的介质(如玻璃)中时会弯向“法线”(与介质交界面垂直的一条线),如图3中的BOA线。光线由致密介质(玻璃)进到不致密介质(空气)中时会偏离“法线”，如AOB线(图3a)。当光线穿过聚光镜玻璃(折射率为1.51)进入空气时同样会偏离,向外折射,因此进入物镜的光量减少很多，像的分辨力也降低。使用100倍物镜时,如果在物镜和盖玻片之间充以油液(折射率同样为1.51)以隔绝空气，则光线几乎可以不折射地进入物镜，这就增加了像的亮度和分辨率。这种物镜称为油浸物镜(图3b)。

聚光器位于显微镜台的下方，可会聚来目光源的光线，将光量集中于标本，使标本受到光强适度的均匀照射。聚光器的下端装有孔径光阑(光圈)以控制光束的粗细。

普通光学显微镜的照明光源位于聚光器的下方，为特制的照度均匀的强光灯泡，并且配有可变电阻，可以改变光线的强度。

由于普通光学显微镜的光源光线自镜体下方向上透射，通过聚光镜、物镜，达到目镜，因此在医学及生物学研究中必须将被观察的样品切成能透过光线的、厚约6μm 的薄片，并且要进行染色以显示不同的组织和细胞等细微结构。整个加工过程称常规组织制片技术，包括选取适当的组织材料经甲醛(福尔马林)液固定，逐级酒精脱水，石蜡包埋，用切片机将组织切成薄片裱在玻璃片上，再经苏木素—伊红染料着色，最后将组织玻片封固在光学树脂胶内。制好的组织玻片可长期保存。

显微镜的目镜和物镜安装在镜筒的两端，它们的距离是固定的。将组织玻片放在载物台上，旋转粗调螺旋使载物台接近物镜。组织切片进入物镜第一焦平面，目镜内即可见标本内的组织影像。然后用细调螺旋使目镜内的影像清晰即可进行观察。改换放大倍数时就要调换目镜或物镜。

医学和生物学常使用的光学显微镜有下列12种：

暗视野显微镜在普通光学显微镜台下配一个暗视野聚光器(图4),来自下面光源的光线被抛物面聚光器反射，形成了横过显微镜视野而不进入物镜的强烈光束。因此视野是暗的，视野中直径大于0.3μm的微粒将光线散射，其大小和

形态可清楚看到。甚至可看到普通明视野显微镜中看不见的几个毫微米的微粒。因此在某些细菌、细胞等活体检查中常常使用。

实体显微镜由双筒目镜和物镜构成。放大率 7～80倍。利用侧上方或下方显微镜灯照明。在目镜内形成一个直立的放大实像，可以观察未经加工的物体的立体形状、颜色及表面微细结构,并能进行显微解剖操作,也可以观察生物机体的组织切片。

荧光显微镜在短波长光波(紫外光或紫蓝色光,波长250～400nm)照射下，某些物质吸收光能，受到激发并释放出一种能量降级的较长的光波(蓝、绿、黄或红光，波长400～800nm)，这种光称荧光。某种物质在短光波照射下即可发生荧光，如组织内大部分脂质和蛋白质经照射均可发出淡蓝色荧光，称为自发性荧光。但大部分物质需要用荧光染料(如吖啶橙、异硫氰酸荧光素等)染色后，在短光波照射下才能发出荧光。荧光显微镜的光源为高压汞灯，发出的紫外光源经过激发滤光片(此滤光片可通过对标本中荧光物质合宜的激发光)过滤后射向普勒姆氏分色镜。分色镜将激发光向下反射,通过物镜投射向经荧光染料染色的标本。染料被激发并释放出荧光,通过物镜,穿过分色镜和目镜即可进行观察。目镜下方安置有屏障滤片(只允许特定波长的荧光通过)以保护眼眼及降低视野暗度(图4)。荧光显微镜的特点是灵敏度高，在暗视野中低浓度荧光染色即可显示出标本内样品的存在，其对比约为可见光显微镜的100倍。30年代荧光染色即已用于细菌、霉菌等微生物及细胞、纤维等的形态观察和研究。如用抗酸菌荧光染色法可帮助在痰中找到结核杆菌。40年代创造了荧光染料标记蛋白质的技术，这种技术现已广泛应用于免疫荧光抗体染色的常规技术中，可检查和定位病毒、细菌、霉菌、原虫、寄生虫及动物和人的组织抗原与抗体，可用以探讨病因及发病机理，如肾小球疾病的分类及诊断，乳头瘤病毒与子宫颈癌的关系等。在医学实验研究及疾病诊断方面的用途日益广泛。

偏光显微镜从光源发出的光线通过空气和普通玻璃时，在与光线垂直的平面内的各个方向以同一振幅进行振动并迅速向前方传递，这是光的波动性原理。空气与普通玻璃为各向同性体，又称单折射体。如果该光源的光通过一种各向异性体(又称双折射体)时，会将一束光线分为各只有一个振动平面的，而且振动方向互相垂直的两束光线。这两束光线的振动方向、速度、折光率和波长都不相同。这样只有一个振动平面的光线称偏振光。偏光显微镜即利用这一现象而设计。偏光显微镜内，在物镜与目镜间插入一个检偏镜片，光源与聚光器间镶有起偏镜片，圆形载物台可以作360°旋转(图5)。起偏与检偏镜片处于正交检偏位时，视野完全变黑。将被检物体放在显微镜台上。若被检物为单折射体，则旋转镜台，视野始终黑暗。若旋转镜台一周，视野内被检物四明四暗，则说明被检物是双折射