光学显微镜培训内部讲义

光学显微镜培训内部讲义

显微镜概念：

广泛定义，能够将微观世界的物质形态展现在人眼前的设备就是显微镜。

狭隘定义，光学显微镜

钢铁组织图片(光学显微镜) 蜘蛛照片（电子显微镜）

人眼观察的局限性

尽管科技在不断的发展，眼睛作为视觉器官同位于后面的大脑相配合，依然是目前最有效的成像系统。所有的科学仪器在速度和分辨率上与眼睛都无法相提并论。眼睛的构造类似于摄像机。肌肉调节的水晶体（1a）与角膜（1）的曲面将一幅图像投射在视网膜（2）上。入射光的强度则通过改变虹膜（3）的直径来控制。通过这种方法，眼睛可以把位于大约20cm到无限远距离内的任意物体，经由水晶体，靠肌肉灵活调节焦距，从而形成一幅清晰的图像。图像本身将会投射在视网膜上，经由大约130百万个柱状受体（识别黑白色）以及7百万个圆锥细胞（识别彩色）识别后，在最短的时间内，通过视神经传送至大脑。

下图是的光线经由眼睛形成的视角为30°之后的图示，都是在同样的视角下观看。

●从300m远的地方眺望161m高的乌尔姆大教堂（位于德国南部）。

●从25cm处观看一幅高13cm的相片。

视角小意味着什么？

因为我们想要进一步观察植物茎部的细微的毛细管，我们从茎部切出一片非常薄的切片，将它放置载玻片上并用盖玻片保护。当拿着做好的样品迎着光来观察时，我们依然无法观察到更多的细节。仅仅能观察到与之前一样的的组织。

这些问题的原因很容易解释。我们想要观察的细节大概只有1/100甚至1/1000个毫米。然而在20cm 以内，眼睛无法聚焦到20cm内任意位置。结果是我们得不到任何细节。类似情形就像我们要在300m远的地方去观察先前提到的乌尔姆教堂的塔尖。在这么远的距离上，石匠们所创造出许许多多的花纹将无法分辨出来，其原因就在于视角太小了。

补救方法：放大镜

一个几个世纪以来就众所周知的解决方法：放大镜。当把放大镜放在眼睛与被观察的物体之间时，所有的物体都被放大了。然而这种方法的局限性是：放大倍数要超过8倍或者10倍是不可能的。任何人想要观察更多的细节就必须使用“复合式”放大镜。

如果一个透镜的放大倍数不足以满足我们的需要，那么可以将若干个透镜一个接一个的排列起来。此时的放大效果将会是乘积式增大,即形成了显微镜。

显微镜的发展史：

早在公元前一世纪，人们就已发现通过球形透明物体去观察微小物体时，可以使其放大成像，后来逐渐对球形玻璃表面能使物体放大成像的规律有了认识。

1590年，荷兰和意大利的眼镜制造者已经造出类似显微镜的放大仪器。

1610年前后，意大利的伽利略和德国的开普勒在研究望远镜的同时，改变物镜和目镜之间的距离，得出合理的显微镜光路结构，当时的光学工匠遂纷纷从事显微镜的制造、推广和改进。

17世纪中叶，英国的胡克和荷兰的列文胡克，都对显微镜的发展作出了卓越的贡献。

1665年前后，胡克在显微镜中加入粗动和微动调焦机构、照明系统和承载标本片的工作台。这些部件经过不断改进，成为现代显微镜的基本组成部分。

1673～1677年期间，列文胡克制成单组元放大镜式的高倍显微镜，其中九台保存至今。胡克和列文胡克利用自制的显微镜，在动、植物机体微观结构的研究方面取得了杰出的成就。

19世纪70年代，德国人阿贝奠定了显微镜成像的古典理论基础。

在显微镜本身结构发展的同时，显微观察技术也在不断创新：1850年出现了偏光显微术；1893年出现了干涉显微术；1935年荷兰物理学家泽尔尼克创造了相衬显微术，他为此在1953年获得了诺贝尔物理学奖

显微镜的成像原理

当把待观察物体放在物镜焦点外侧靠近焦点处时，在物镜后所成的实像恰在目镜焦点内侧靠近焦点处，经目镜再次放大成一虚像。观察到的是经两次放大后的倒立虚像

透镜的成像缺陷——像差

像差就是指理想的成像和光学系统的实际成像之间的差异。

无像差的成像，即理想成像的条件必须满足下述三点：

（i）由一个点发出的、通过成像光学系统的所有光线应该归结于同一点。

（ii）与光轴垂直的、同一平面上各点的成像点应该在同一平面上。

（iii）与光轴垂直的、同一平面上的物体平面形状应该与成像平面上的形状有相似关系。

但是，在实际的光学系统中，完全满足理想成像的条件很难做到，往往存在着影响成像性能的“像差”。

1、色差：色差是不同颜色的光线穿过透镜之后汇聚在不同焦距上的现象。色差分为位置色差和放大率色

差两种。位置色差使像在任何位置上观察都带有色斑与晕环，使图像模糊不清。放大率色差使像带有彩色边缘，同样影响像的清晰度和分辨率。

色差的校正：1、采用单色光源，但在日常工作中，单色光源无法获得真实的彩色图像信息，往往很少采用。

2、利用凸、凹透镜组进行色差校正。是常规手段。

2、球差：亦称球面像差。轴上物点发出的光束，经光学系统以后，与光轴夹不同角度的光线交光轴于不同位置，因此，在像面上形成一个圆形弥散斑，这就是球差

球差会使一个光点成像后不再是一个亮点，而是一个中间亮，边缘逐渐模糊的亮斑。球差的校正依然采用凸凹透镜组来实现。

3、慧差：彗差属轴外点的单色像差。轴外物点以大孔径光束成像时，发出的光束通过透镜后，不

再相交一点，则一光点的像便会得到一逗点壮，型如彗星，故称“彗差”。慧差因为会形成一个模糊的亮斑，因此会破坏图像的真实和清晰度。

慧差的校正与球场的校正方式一样，都是通过凸凹透镜组来实现的。

4、像散：当视场很大时，边缘上的物点离光轴远，光束倾向大，经透镜成像后则引起象散。象散会使图

像形成一个椭圆形的斑点，同样会影响图像的真实与清晰度。

5、场曲：场曲因大视场所引起，使得图像变得弯曲。

6、畸变：畸变是由于光束倾向度大而引起的，使像平面上个处的放大率不同，像的各部分表现出与原物

体不成比例。

显微镜的结构