显微镜光路

显微镜光路

现代复合显微镜的目的是提供一个放大的二维图像，可在连续的焦平面的轴上汇聚，从而实现标本精细结构二维和三维的清晰成像。

大多数显微镜配备有移动平台，这样能准确定位，定向，并聚焦到标本上，以优化可视性和图像记录。正确放置光阑，镜子，棱镜，分光镜，和其他光学元件可以控制整个显微镜的光通路照明方向和强度，达到所需的标本中的亮度和对比度程度。

图1是尼康的Eclipse E600显微镜配备一个三目头和DXM-1200数码相机系统

用于记录影像。由灯箱里钨卤化物灯提供照明，首先通过一个集光透镜，然后再通过光学显微镜底部进入光路。此外，照明光首先通过固定在显微镜底部的一系列滤光片，再经过镜子反射通过视场光阑。聚光镜形成一个光锥对移动平台上的样品进行照明，然后进入物镜。光通过物镜后，由分光器/棱镜进入目镜形成一个虚像，或直接通过安装在三目延长管上的投影透镜，然后在CCD光电二极管阵列上形成一个像。

现代显微镜中的光学元件都安装在一个稳定的，符合人体工程学的底座上，可以实现快速转换，精确定位，仔细对齐那些光相互依存器件。总之，显微镜的光学和机械部件，包括安装在玻璃基片和盖玻片中的样品，形成一个经过中心轴的光路，通过显微镜底部和上部。光学显微镜光路通常由照明灯（包括光源和集光透镜），台下聚光镜，样品，物镜，目镜，和探测器，相机或观察者的眼睛（见表1）。研究级显微镜还包含几个照明光调节装置，通常放在照明光和聚光镜之间。

配套的检测器或滤光片往往放在物镜和目镜或相机之间。调节装置和探测装置配合起来改变图像的对比度，例如空间频率，相位，偏振，吸收，荧光，离轴照明，标本和照明技术的其他性质。即使没有其他明确的设备来控制照明和对图像形成光进行滤波，甚至连最基本的显微镜配置，也会发生某种程度的自然滤波。

显微镜组件属性

照明光照明光源，收集透镜，视场光阑，热滤光片，光平衡滤光片，扩散器，中性密度滤光片

光调节器聚光器光阑，暗场停止，孔径板，相位环，偏光镜，偏离中心的狭缝孔径，Nomarski棱镜，荧光激发滤光片

聚光器数值孔径，焦距，畸变，光传输，，工作距离

样品基片厚度，玻璃盖厚度，沉浸介质，吸收，透射，衍射，荧光，延迟，双折射

物镜放大倍数，数值孔径，焦距，沉浸媒体，像差，光传输，光学传递函数，工作距离

图像滤光片补偿器，分析仪，Nomarski棱镜，物镜光阑，相位板，SSEE滤

光片，调制板，光传输，波长选择，荧光屏障滤光片

目镜放大倍数，畸变，视场大小，眼点

探测器人眼，感光乳剂，光电倍增管，光电二极管阵列，摄像机

表1

显微镜的一些光学元件作为成像的原件，其他的主要是改善样品照明，也有过滤或转换功能。光学显微镜中参与成像的组件有集光透镜（照明灯内或者附近），聚光器，物镜，目镜（或眼），人眼或摄像机透镜。虽然其中的一些组件通常不是作为成像元件，但在决定最终显微图像质量上，其成像特性是至关重要的。

对显微镜成像认识的基础是单个镜片的功能，也正是这些单个镜片组成了光路中的光学元件。最简单的成像元件是一个理想透镜（图2）：理想玻璃，无色差，并汇聚到一个点。一个平行的傍轴光束通过会聚透镜，由于折射最终在焦点处汇聚成一个光点（点标在图2焦点）。这种镜片通常被称为正透镜，因为他们使汇聚的光汇聚的更迅速，或导致发散光束发散的慢。作为旁轴的平行光束，一个点光源放置在透镜的焦点处，当光通过透镜并离开透镜后形成一个平行的傍轴光束。在图2中由右至左。透镜和焦点之间的距离称为透镜的焦距（由图2中的距离F 表示）。

光学现象往往利用量子理论或波动力学来解释，取决于被描述的特定问题。在考虑透镜的功能，波动性经常被忽略，光可以认为是沿直线传播，被称作光线。简单的光线图足以说明显微镜的许多重要方面，包括折射，焦距，放大倍率，成像，和光阑。在其他情况下，把光认为是由离散粒子（量子）组成的光波更方便，尤其是当光线是由量子力学的事件或转变为其他形式的能量时。本次讨论将仅限于利用近轴光线的光学透镜模型，符合光的波动性质和简单的线图，其中光从左至右的。近轴光线传播方向非常接近光轴，入射角和折射角都非常小，以弧度为单位时，可以考虑和他们的正弦值相等。

对于平行光束来说，个别单色光波形成一个波阵列，振动方向垂直于波传播方向的电场和磁场向量组合形成了一个波前。通过理想透镜后，它由平面波转换为球面波，以透镜焦点（图2）为中心。光波到达焦点后，会和其它光阵列发生破坏性干涉。另外，从一个理想透镜的焦点处产生的球形波前所产生的光经透镜后转换成平面波（图2从右到左）。每个平面波的光线经过透镜时发生不同的方向变化，因为它在到达表面的入射角各不相同。在透镜中出现的，也改变光线的方向。在实际系统中，一个透镜或透镜组折射的角度和焦点取决于厚度，几何形状，折射率，和系统中每个组成部分色散。

一般情况下，一个透镜会将一个球面波转换成另一种球面波，透镜的几何特性决定了焦点的位置当光源与透镜的距离增加时进入透镜光的发散角变小，波阵面的半径增加。如果进入透镜的球面波的半径是无限大，通过透镜的球面波的半径等于焦距的透镜。一个完美的透镜有两个焦点，一个平面波通过透镜聚焦到这两个点中的一个，这取决于从透镜的左侧或右侧入射。

平面波的传播方向与透镜的光轴不重合的情况下，透镜所产生的球面波的焦点也会偏离光轴。图3给出了一个平面波入射到理想透镜的简图，倾斜角（α）。产生的球面波的中心为S，焦点离轴距离为δ（焦点标记在图3），但在同一焦平面。δ值可表示为：

δ= f*sin（α）

其中f是理想透镜的焦距。对于几何光学来说，F是指中心在S处的半径，通过透镜中心，就好像它是一个单一的折射表面。

另一种模式是考察一个点光源（S（1））不在透镜的焦平面上，如图4所示。

在这个图中，理想透镜分解为两个单独的镜片（透镜（a）和透镜（b）），这样S（1）点光源距离透镜a等于f（a）（焦长）。同样，点源S（2）距离透镜b等于f（b）。连接透镜（a）和透镜（b）中心的直线被称为透镜系统的光轴。

对于双透镜系统（图4），从光源S（1）产生球形波前，离透镜的光轴距离δ，经透镜（a）转换成平面波。从透镜（a）出射时，平面波与光轴的夹角为α。δ和α与正弦方程有关。通过第二个透镜（透镜（b））之后，平面波转换成一个球形波，其中心位于S（2）。结果理想透镜L，相当于透镜（a）+透镜（b），点光源从S（1）到S（2），聚焦光点S（2）反向到S（1）。这样一个透镜系统的两个焦点通常被称为共轭点。

在经典光学命名中，光源S（1）和第一个透镜之间的空间被称为物空间，而第二个透镜和S（2）之间的空间被称为像空间。小学或中学的光线所涉及的所有点被称为物（或光学显微镜中的标本），同时包含从透镜出射的折射光线集中的地方被称为像。如果光波相交，那像是实像，而如果只是折射光线延长线相交，那么这个像是虚像。当把像投影到一个屏幕上或CCD上，那么实像就可以观察到了。相反，一个虚像需要另一个透镜或透镜系统，才能观察到。

图4中如果S（1）扩大到同一焦平面上一系列点，理想透镜组将把这一系列点中的每一个点聚焦到S（2）焦平面对应的共轭点处。当S（1）位于垂直于透镜光轴平面上时，相应的共轭点S（2）也将位于垂直于轴线的平面上。反过来也是如此。这种类型的平面被称为共轭面。

表示光传播另一种方法是斜光波，如图5所示。这种方法依赖于运用几何光学确定一个透镜或者多透镜系统形成的图像大小和位置。两个具有代表性的光线，一个旁轴和一个通过透镜中心，就是要建立的成像情况的参数。高斯光学的许多教科书把这些光线叫做特征光线，通过入射光瞳和出射光瞳，透镜，和任何光学系统中存在的光圈隔膜中心。通常情况下，考察通过透镜前焦点和后焦点的光，用来确定物和像的大小和位置。在图5中，第二个特点射线是一个点线，通过透镜前焦点（F’）。