光學(xué)顯微鏡基礎(chǔ)知識

光學(xué)顯微鏡是一種利用光學(xué)原理把人眼所不能分辨的微小物體放大成像，以供人們提取微細(xì)結(jié)構(gòu)信息的光學(xué)儀器。其歷史可以追溯到公元前1世紀(jì)，當(dāng)時人們就已發(fā)現(xiàn)通過球形透明物體去觀察微小物體時可以使其放大成像。隨著科技的進(jìn)步，特別是1610年前后伽利略和開普勒對顯微鏡光路結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，以及后續(xù)科學(xué)家們的不斷貢獻(xiàn)，現(xiàn)代顯微鏡的基本組成部分逐漸完善，包括載物臺、聚光照明系統(tǒng)、物鏡、目鏡和調(diào)焦機(jī)構(gòu)等。

顯微鏡的基本組成部分

載物臺：用于承放被觀察的物體，可升降和水平轉(zhuǎn)動，以便將觀察部位調(diào)放到視場中心。

聚光照明系統(tǒng)：由燈源和聚光鏡構(gòu)成，為被觀察物體提供足夠且均勻的照明。

物鏡：位于被觀察物體附近，實(shí)現(xiàn)D一級放大的鏡頭。物鏡的放大倍率通常為5～100倍，對成像質(zhì)量起決定性作用。

目鏡：位于人眼附近，實(shí)現(xiàn)D二級放大的鏡頭。目鏡可分成不宜放置分劃板的和能放置分劃板的兩種類型。

調(diào)焦機(jī)構(gòu)：使載物臺和物鏡能沿物鏡光軸方向作相對運(yùn)動，以實(shí)現(xiàn)調(diào)焦，獲得清晰的圖像。

光學(xué)顯微鏡的圖像形成原理

光學(xué)顯微鏡的圖像形成原理主要基于凸透鏡的成像原理，通過物鏡和目鏡的兩次成像來實(shí)現(xiàn)對微小物體的放大觀察。

D一次成像（物鏡成像）

當(dāng)物體被放置在物鏡（凸透鏡1）的一倍焦距和兩倍焦距之間時，根據(jù)物理學(xué)的原理，物鏡會形成一個放大的、倒立的實(shí)像。這個實(shí)像位于物鏡的后方，且距離物鏡大于一倍焦距但小于兩倍焦距。由于是倒立的實(shí)像，所以物體的上下和左右方向在D一次成像后都會發(fā)生顛倒。

D二次成像（目鏡成像）

以D一次成像的實(shí)像作為“物體"，目鏡（凸透鏡2）會對其進(jìn)行D二次成像。由于觀察時是在目鏡的另外一側(cè)，根據(jù)光學(xué)原理，目鏡會形成一個放大的、正立的虛像。這個虛像位于目鏡的前方，且距離目鏡小于一倍焦距。由于是虛像，所以像和物在同一側(cè)，且像的大小進(jìn)一步被放大。同時，由于虛像是正立的，所以觀察者看到的圖像與D一次成像的實(shí)像相比，上下和左右方向都會得到恢復(fù)（即與實(shí)物方向一致）。

無限遠(yuǎn)色差校正光學(xué)系統(tǒng)（ICS）

現(xiàn)代顯微鏡通常采用無限遠(yuǎn)色差校正光學(xué)系統(tǒng)來提高成像質(zhì)量。在這種系統(tǒng)中，物體被物鏡記錄下來后，以平行的波陣或射線束投射到無限遠(yuǎn)處。然后，通過管狀透鏡對平行光線束進(jìn)行聚焦，產(chǎn)生一個位于目鏡內(nèi)前焦平面的放大的中間圖像。目鏡再將這個中間圖像轉(zhuǎn)化為平行光線，投射到觀察者的眼睛或成像傳感器上。

數(shù)值孔徑與放大率

顯微鏡的放大率受到數(shù)值孔徑的限制。數(shù)值孔徑是物鏡角度孔徑的正弦值乘以成像介質(zhì)的折射率。在選定的數(shù)值孔徑下，顯微鏡呈現(xiàn)的放大圖像的大小相當(dāng)于人眼的分辨率極限。超過此點(diǎn)的進(jìn)一步放大不會導(dǎo)致更精細(xì)的試樣細(xì)節(jié)的分辨率提高，反而可能導(dǎo)致圖像退化。

照明與光線傳播

在光學(xué)顯微鏡中，照明源的光通過聚光鏡照射到試樣上。一部分光線在試樣中不受干擾地通過（直射光），代表背景光；另一部分光線與試樣相互作用后發(fā)生偏離或衍射（衍射光）。衍射光與直射光在物鏡后焦平面上產(chǎn)生干擾，形成包含從非常暗到非常亮的各種灰度值的圖案，這些明暗圖案就是我們所觀察到的圖像。目鏡的眼透鏡進(jìn)一步放大這個圖像，最后投射到視網(wǎng)膜、照相機(jī)的膠片平面或光敏數(shù)字圖像傳感器的表面。

綜上所述，光學(xué)顯微鏡通過物鏡和目鏡的兩次成像以及現(xiàn)代顯微鏡的復(fù)雜成像系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對微小物體的放大觀察和分析。