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显微镜基础知识

第一章：显微镜简史

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1847年德国蔡司研制的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金属材料，生物学，化工等领域。

第二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，则发生折射现像，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最基本的光学元件，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，在像方空间的焦点，称“像方焦点”，该处的焦平面，

称“像方焦平面”。

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—像差

由于客观条件，任何光学系统都不能生成理论上理想的像，各种像差的存在影响了成

像质量。下面分别简要介绍各种像差。

1．色差（Chromaticaberration）

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，在像方则可能形成一个色斑。光学系统最主要的功能就是消

色差。

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(Sphericalaberration)

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，物镜的球差没有完全矫正，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完全由物镜消除。

3．慧差(Coma)

慧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状，型如慧星，故称“慧差”。

4．像散（Astigmatism）

像散也是影响清晰度的轴外点单色像差。当视场很大时，边缘上的物点离光轴远，

光束倾斜大，经透镜后则引起像散。像散使原来的物点在成像后变成两个分离并且相互垂直

的短线，在理想像平面上综合后，形成一个椭圆形的斑点。像散是通过复杂的透镜组合来消

除。

5．场曲（Curvatureoffield）

场曲又称“像场弯曲”。当透镜存在场曲时，整个光束的交点不与理想像点重合，

虽然在每个特定点都能得到清晰的像点，但整个像平面则是一个曲面。这样在镜检时不能同

时看清整个像面，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）

前面所说各种像差除场曲外，都影响像的清晰度。畸变是另一种性质的像差，光束

的同心性不受到破坏。因此，不影响像的清晰度，但使像与原物体比，在形状上造成失真。

四.显微镜的成像（几何成像）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。单透镜成像具有像差，

严重影响成像质量。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