第三章： 第三章： 普通光学显微镜发展历史与普通光学显微镜发展历史与

主要技术参数主要技术参数

一、一、显微镜的发展简史显微镜的发展简史 普通光学显微镜：普通光学显微镜：

人的眼睛不能直接观察到比人的眼睛不能直接观察到比 0.1mm0.1mm 更小的物体或物质的结构细节。在显微镜更小的物体或物质的结构细节。在显微镜发明出来之前，人类关于周围世界的观念局限在用肉眼，或者靠手持透镜帮发明出来之前，人类关于周围世界的观念局限在用肉眼，或者靠手持透镜帮助肉眼所看到的东西。人要想看得到更小的物质结构，就必须利用工具，这助肉眼所看到的东西。人要想看得到更小的物质结构，就必须利用工具，这种工具就是显微镜。 种工具就是显微镜。

很早以前，人们就知道某些光学装置能够“放大”物体。比如在《墨经》里很早以前，人们就知道某些光学装置能够“放大”物体。比如在《墨经》里面就记载了能放大物体的凹面镜。公元前一世纪，人们就已发现通过球形透面就记载了能放大物体的凹面镜。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。至于凸透镜是什么时候发明的，可能已经使物体放大成像的规律有了认识。至于凸透镜是什么时候发明的，可能已经无法考证。无法考证。

凸透镜——有的时候人们把它称为“放大镜”——能够聚焦太阳光，也能让凸透镜——有的时候人们把它称为“放大镜”——能够聚焦太阳光，也能让你看到放大后的物体，这是因为凸透镜能够把光线偏折，形成放大的虚像。你看到放大后的物体，这是因为凸透镜能够把光线偏折，形成放大的虚像。单个凸透镜能够把物体放大几十倍，这远远不足以让我们看清某些物体的细单个凸透镜能够把物体放大几十倍，这远远不足以让我们看清某些物体的细节。节。

早在早在 15901590 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。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。16101610 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。从事显微镜的制造、推广和改进。

大约在大约在 1616 世纪末，荷兰的眼镜商詹森（世纪末，荷兰的眼镜商詹森（ Zaccharias JanssenZaccharias Janssen ）和他）和他的儿子把几块镜片放进了一个圆筒中，结果发现通过圆筒看到附近的的儿子把几块镜片放进了一个圆筒中，结果发现通过圆筒看到附近的物体出奇的大，这就是现在的显微镜和望远镜的前身。物体出奇的大，这就是现在的显微镜和望远镜的前身。

詹森制造的是第一台复合式显微镜。使用两个凸透镜，一个凸透镜把詹森制造的是第一台复合式显微镜。使用两个凸透镜，一个凸透镜把另外一个所成的像进一步放大，这就是复合式显微镜的基本原理。另外一个所成的像进一步放大，这就是复合式显微镜的基本原理。

16651665 年，英国科学家罗伯特年，英国科学家罗伯特 ·· 胡克用他的显微镜观察软木塞切片的时胡克用他的显微镜观察软木塞切片的时候，惊奇的发现其中存在着一个一个“单元”结构，胡克把它们称作候，惊奇的发现其中存在着一个一个“单元”结构，胡克把它们称作“细胞”。“细胞”。

胡克的显微镜能够放大约胡克的显微镜能够放大约 140140 倍，其中加入粗动和微动调焦机构、照倍，其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等，使得操作更加方便。这些部件经过明系统和承载标本片的工作台等，使得操作更加方便。这些部件经过不断改进，成为现代显微镜的基本组成部分。 不断改进，成为现代显微镜的基本组成部分。

荷兰人安东尼荷兰人安东尼 ··冯冯 ··列文虎克（列文虎克（ Anthony Von Anthony Von Leeuwenhoek Leeuwenhoek ，， 1632-1723)1632-1723) 制造的显微镜让制造的显微镜让人们大开眼界。人们大开眼界。

他制造的显微镜其实就是一片凸透镜，而不是他制造的显微镜其实就是一片凸透镜，而不是复合式显微镜。不过，由于他的技艺精湛，磨复合式显微镜。不过，由于他的技艺精湛，磨制的单片显微镜的放大倍数将近制的单片显微镜的放大倍数将近 270270 倍，超过倍，超过了以往任何一种显微镜。了以往任何一种显微镜。

当列文虎克把他的显微镜对准当列文虎克把他的显微镜对准一滴雨水的时候，他惊奇的发一滴雨水的时候，他惊奇的发现了其中令人惊叹的小小世界：现了其中令人惊叹的小小世界：无数的微生物游曳于其中。他无数的微生物游曳于其中。他把这个发现报告给了英国皇家把这个发现报告给了英国皇家学会，引起了一阵轰动学会，引起了一阵轰动

16841684 年前后，荷兰学者惠更斯年前后，荷兰学者惠更斯设计并制造出结构简单而且效果设计并制造出结构简单而且效果较好的双透镜目镜—惠更斯目镜，较好的双透镜目镜—惠更斯目镜，至今仍然广泛地应用在各种普通至今仍然广泛地应用在各种普通显微镜上。显微镜上。

1919 世纪中叶，高质量消色差浸液世纪中叶，高质量消色差浸液物镜的出现，使显微镜观察微细物镜的出现，使显微镜观察微细结构的能力大为提高。结构的能力大为提高。

18271827 年阿米奇第一个采用了浸年阿米奇第一个采用了浸液物镜。液物镜。

1919 世纪世纪 7070 年代，德国人阿贝奠年代，德国人阿贝奠定了显微镜成像的古典理论基础。定了显微镜成像的古典理论基础。这些都促进了显微镜制造和显微这些都促进了显微镜制造和显微观察技术的迅速发展，并为观察技术的迅速发展，并为 1919世纪后半叶包括科赫、巴斯德等世纪后半叶包括科赫、巴斯德等在内的生物学家和医学家发现细在内的生物学家和医学家发现细菌和微生物提供了有力的工具。菌和微生物提供了有力的工具。

在接下来的两个世纪中，复合式显微镜得到了充分在接下来的两个世纪中，复合式显微镜得到了充分的完善。的完善。

20 世纪初期的显微镜 19 世纪中期的显微镜

1919 世纪末至世纪末至 2020 世纪初，世纪初，欧洲的一些科学家致力于提高欧洲的一些科学家致力于提高显微镜的分辨率及观察效果，显微镜的分辨率及观察效果，设计并制造出了反射镜、消色设计并制造出了反射镜、消色差物镜、大数值孔径物镜、油差物镜、大数值孔径物镜、油浸物镜、暗视野聚光镜、偏光浸物镜、暗视野聚光镜、偏光附件及补偿目镜等光学部件，附件及补偿目镜等光学部件，使得显微镜的性能不断提高，使得显微镜的性能不断提高，应用范围越来越广泛。应用范围越来越广泛。

随后，人们又利用光波动随后，人们又利用光波动某些特性和现象，对成像光路某些特性和现象，对成像光路作了改进。作了改进。 19021902 年艾夫斯奠年艾夫斯奠定了现代双目镜的基本系统。定了现代双目镜的基本系统。

现代普通显微镜

如果仅仅凭借光的直线传播和折射等原理，我们可以想象出任意放大倍数的如果仅仅凭借光的直线传播和折射等原理，我们可以想象出任意放大倍数的显微镜。但是光的波动性质使得光学透镜的诸多弊端原形毕露，而且即使消显微镜。但是光的波动性质使得光学透镜的诸多弊端原形毕露，而且即使消除掉透镜形状的缺陷，任何光学仪器仍然无法完美的成像。原因很简单：普除掉透镜形状的缺陷，任何光学仪器仍然无法完美的成像。原因很简单：普通光学显微镜已经达到了分辨率的极限。通光学显微镜已经达到了分辨率的极限。

光在通过显微镜的时候要发生衍射——简单的说，物体上的一个点在成像的光在通过显微镜的时候要发生衍射——简单的说，物体上的一个点在成像的时候不会是一个点，而是一个衍射光斑。如果两个衍射光斑靠得太近，我们时候不会是一个点，而是一个衍射光斑。如果两个衍射光斑靠得太近，我们就没法把它们分辨开来。显微镜的放大倍数再高也无济于事了。就没法把它们分辨开来。显微镜的放大倍数再高也无济于事了。

放大物体的可见性的决定因素放大物体的可见性的决定因素

1.1. 分辨率分辨率：指显微镜在：指显微镜在 2525厘米的明视距离处，能分辨出厘米的明视距离处，能分辨出标本上相互接近的两点间的最小距离的能力。标本上相互接近的两点间的最小距离的能力。

对于使用可见光作为光源的显微镜，它的分辨率极限是对于使用可见光作为光源的显微镜，它的分辨率极限是 0.0.22 微米。任何小于微米。任何小于 0.20.2 微米的结构都没法识别出来。微米的结构都没法识别出来。

2.2. 反差：反差：指物体与背景之间的对比度。增大反差可使物体指物体与背景之间的对比度。增大反差可使物体清晰可见 清晰可见

解决方法：解决方法： a.a. 对于无色样品，可以通过染色增强反差 对于无色样品，可以通过染色增强反差 b.b.利用特别设计的显微镜加强反差，如使用暗视野显微镜、利用特别设计的显微镜加强反差，如使用暗视野显微镜、相差显微镜、偏振光显微镜等复杂显微镜。相差显微镜、偏振光显微镜等复杂显微镜。

复杂光学显微镜：复杂光学显微镜： 在显微镜本身结构发展的同时，人们对于光学知识的不断在显微镜本身结构发展的同时，人们对于光学知识的不断积累，使得人们对显微镜的光学成像原理有了新的认识，积累，使得人们对显微镜的光学成像原理有了新的认识，并开始从新的角度来改进显微技术。并开始从新的角度来改进显微技术。

人们在显微观察技术上典型的创新有：人们在显微观察技术上典型的创新有： 18501850 年出现了偏光显微术；年出现了偏光显微术； 18931893 年出现了干涉显微术；年出现了干涉显微术； 19351935 年荷兰物理学家泽尔尼克创造了相衬显微术，他为年荷兰物理学家泽尔尼克创造了相衬显微术，他为此在此在 19531953 年获得了诺贝尔物理学奖。年获得了诺贝尔物理学奖。

相衬显微镜

古典的光学显微镜只是光学元件和精密机械元件的组合，古典的光学显微镜只是光学元件和精密机械元件的组合，它以人眼作为接收器来观察放大的像。它以人眼作为接收器来观察放大的像。

随着摄影技术和感光胶片、硅晶片等记录存储技术的产生随着摄影技术和感光胶片、硅晶片等记录存储技术的产生和发展，人们开始把这些技术应用到显微镜装置中，以感和发展，人们开始把这些技术应用到显微镜装置中，以感光胶片作为可以记录和存储的接收器，代替人眼的直接观光胶片作为可以记录和存储的接收器，代替人眼的直接观察。察。

现代又普遍采用光电元件、电视摄像管和电荷耦合器等作现代又普遍采用光电元件、电视摄像管和电荷耦合器等作为显微镜的接收器，配以微型电子计算机后构成完整的图为显微镜的接收器，配以微型电子计算机后构成完整的图像信息采集和处理系统，使得显微技术得到飞速发展和更像信息采集和处理系统，使得显微技术得到飞速发展和更加广泛的利用。加广泛的利用。

带自动照相机的光学显微镜 配有电脑设备的显微镜

光学显微镜的使用，使得人们用肉眼仅能够分辨光学显微镜的使用，使得人们用肉眼仅能够分辨0.1mm0.1mm 的物体的极限被突破，达到了的物体的极限被突破，达到了 0.2um0.2um 。但。但是，这个厚度对于微观世界来说依然是很大的，是，这个厚度对于微观世界来说依然是很大的，不能满足人们对于微观世界的进一步探索的渴望。不能满足人们对于微观世界的进一步探索的渴望。

电子显微镜：电子显微镜： 依据显微镜的成像原理，提高显微镜分辨率的途径之一就依据显微镜的成像原理，提高显微镜分辨率的途径之一就

是设法减小光的波长，或者用具有更短波长的电子束来代是设法减小光的波长，或者用具有更短波长的电子束来代替光。根据德布罗意的物质波理论，运动的电子具有波动替光。根据德布罗意的物质波理论，运动的电子具有波动性，而且速度越快，它的“波长”就越短。如果能把电子性，而且速度越快，它的“波长”就越短。如果能把电子的速度加到足够高，并且汇聚它，就有可能用来放大物体。的速度加到足够高，并且汇聚它，就有可能用来放大物体。

19381938 年，德国工程师年，德国工程师 Max KnollMax Knoll 和和 Ernst RuskaErnst Ruska 制造出了制造出了世界上第一台透射电子显微镜（世界上第一台透射电子显微镜（ TEMTEM ）。）。 19521952 年，英年，英国工程师国工程师 Charles OatleyCharles Oatley 制造出了第一台扫描电子显微镜制造出了第一台扫描电子显微镜（（ SEMSEM ）。）。

电子显微镜是电子显微镜是 2020 世纪最重要的发明之一。由于电子的速世纪最重要的发明之一。由于电子的速度可以加到很高，电子显微镜的分辨率可以达到纳米级度可以加到很高，电子显微镜的分辨率可以达到纳米级（（ 10-9m10-9m ）。很多在可见光下看不见的物体——例如病）。很多在可见光下看不见的物体——例如病毒——在电子显微镜下现出了原形。毒——在电子显微镜下现出了原形。

透射式电子显微镜 扫描电子显微镜

扫描隧道显微镜扫描隧道显微镜

用电子代替光，这或许是一个反常规的主意。但是还有更令人吃惊的。用电子代替光，这或许是一个反常规的主意。但是还有更令人吃惊的。19831983 年，年， IBMIBM 公司苏黎世实验室的两位科学家公司苏黎世实验室的两位科学家 Gerd  BinnigGerd  Binnig 和和 HeinHeinrich Rohrerrich Rohrer 发明了所谓的扫描隧道显微镜（发明了所谓的扫描隧道显微镜（ STMSTM ）。这种显微镜比）。这种显微镜比电子显微镜更激进，它完全失去了传统显微镜的概念。电子显微镜更激进，它完全失去了传统显微镜的概念。

很显然，你不能直接“看到”原子。因为原子与宏观物质不同，它很显然，你不能直接“看到”原子。因为原子与宏观物质不同，它不是光滑的、滴溜乱转的削球，更不是达不是光滑的、滴溜乱转的削球，更不是达 ·· 芬奇绘画时候所用的模型。芬奇绘画时候所用的模型。扫描隧道显微镜依靠所谓的“隧道效应”工作。如果舍弃复杂的公式扫描隧道显微镜依靠所谓的“隧道效应”工作。如果舍弃复杂的公式和术语，这个工作原理其实很容易理解。隧道扫描显微镜没有镜头，和术语，这个工作原理其实很容易理解。隧道扫描显微镜没有镜头，它使用一根探针。探针和物体之间加上电压。如果探针距离物体表面它使用一根探针。探针和物体之间加上电压。如果探针距离物体表面很近——大约在纳米级的距离上——隧道效应就会起作用。电子会穿很近——大约在纳米级的距离上——隧道效应就会起作用。电子会穿过物体与探针之间的空隙，形成一股微弱的电流。如果探针与物体的过物体与探针之间的空隙，形成一股微弱的电流。如果探针与物体的距离发生变化，这股电流也会相应的改变。这样，通过测量电流我们距离发生变化，这股电流也会相应的改变。这样，通过测量电流我们就能知道物体表面的形状，分辨率可以达到单个原子的级别。就能知道物体表面的形状，分辨率可以达到单个原子的级别。

因为这项奇妙的发明，因为这项奇妙的发明， BinnigBinnig 和和 RohrerRohrer 获得了获得了 19861986 年的诺贝尔物年的诺贝尔物理学奖。这一年还有一个人分享了诺贝尔物理学奖，那就是电子显微理学奖。这一年还有一个人分享了诺贝尔物理学奖，那就是电子显微镜的发明者镜的发明者 RuskaRuska 。。

STM

工作原理模型

三代显微镜之比较三代显微镜之比较 : :

第一代显微镜：光学显微镜，极限分辨率是第一代显微镜：光学显微镜，极限分辨率是 200200 纳米。由于光的衍射纳米。由于光的衍射效应，分辨率受制于半波长，可见光的最短波长为效应，分辨率受制于半波长，可见光的最短波长为 0.40.4 微米。 微米。

第二代显微镜：电子显微镜。第二代显微镜：电子显微镜。 19241924 年，德布罗意提出了微观粒子具年，德布罗意提出了微观粒子具有波粒二象性的假设，后来这种假设得到了实验证实。此后物理学家有波粒二象性的假设，后来这种假设得到了实验证实。此后物理学家们利用电子在磁场中的运动与光线在介质中的传播相似的性质，研制们利用电子在磁场中的运动与光线在介质中的传播相似的性质，研制成功了电子透镜，在此基础上于成功了电子透镜，在此基础上于 19331933 年发明了电子显微镜。年发明了电子显微镜。 TEMTEM的点分辨率为的点分辨率为 0.2~0.5nm0.2~0.5nm ，晶格分辨率为，晶格分辨率为 0.1~0.2nm0.1~0.2nm ，扫描电镜的，扫描电镜的分辨率为分辨率为 6~10nm6~10nm 。它们的工作环境都要求高真空，并且使用成本很。它们的工作环境都要求高真空，并且使用成本很高，在一定程度上限制了电子显微镜的发展。高，在一定程度上限制了电子显微镜的发展。

第三代显微镜：扫描探针显微镜。第三代显微镜：扫描探针显微镜。 8080 年代初期，年代初期， IBMIBM 公司苏黎世实公司苏黎世实验室的验室的 G.Binning G.Binning 和和 H.RohrerH.Rohrer 发明了扫描隧道显微镜，它的分辨率发明了扫描隧道显微镜，它的分辨率达到达到 0.010.01 纳米。纳米。 STMSTM 的诞生，使人类第一次在实间观测到了原子，的诞生，使人类第一次在实间观测到了原子，并能够在超高真空超低温的状态下操纵原子。并能够在超高真空超低温的状态下操纵原子。

因为这两项重大的意义，这两位科学家荣获了因为这两项重大的意义，这两位科学家荣获了 19861986 年的诺贝尔物理年的诺贝尔物理奖。奖。

显微镜的进一步发展方向：显微镜的进一步发展方向：

在在 STMSTM 的基础上，又发明了原子力显微镜、磁力的基础上，又发明了原子力显微镜、磁力显微镜、近场光学显微镜等等，这些显微镜都统显微镜、近场光学显微镜等等，这些显微镜都统称扫描探针显微镜。称扫描探针显微镜。

因为它们都是靠一根原子线度的极细针尖在被研因为它们都是靠一根原子线度的极细针尖在被研究物质的表面上方扫描，检测采集针尖和样品间究物质的表面上方扫描，检测采集针尖和样品间的不同物理量，以此得到样品表面的形貌图像和的不同物理量，以此得到样品表面的形貌图像和一些有关的电化学特性。一些有关的电化学特性。

二、光学显微镜的分类二、光学显微镜的分类

光学显微镜有多种分类方法，根据结构的复杂程光学显微镜有多种分类方法，根据结构的复杂程度可以分为单式和复式显微镜两种：度可以分为单式和复式显微镜两种：

单式显微镜单式显微镜结构简单，通常仅由一块或几块透镜结构简单，通常仅由一块或几块透镜组成，一般只进行一次放大，放大倍率和机械性组成，一般只进行一次放大，放大倍率和机械性能都不高。早期的显微镜是单式显微镜。能都不高。早期的显微镜是单式显微镜。

复式显微镜复式显微镜的构造比较复杂，各类透镜由透镜组的构造比较复杂，各类透镜由透镜组合有机结合而成，机械性能和自动化程度都较高。合有机结合而成，机械性能和自动化程度都较高。其结构不仅有物镜和目镜之分，还配有专用的照其结构不仅有物镜和目镜之分，还配有专用的照相目镜及相应的设备。现代显微镜多半是复杂显相目镜及相应的设备。现代显微镜多半是复杂显微镜。微镜。

根据结构和功能的不同可以分为三种：普及型、专用型和根据结构和功能的不同可以分为三种：普及型、专用型和高级型高级型

1.1. 普及型普及型，这类显微镜结果相对简单，造价适中，普及性，这类显微镜结果相对简单，造价适中，普及性较好，通常用于教学、常规镜检和一般性研究工作。较好，通常用于教学、常规镜检和一般性研究工作。

2.2. 专用型专用型，这类显微镜是根据不同的光学原理设计而成的，，这类显微镜是根据不同的光学原理设计而成的，专门用来在特定的环境下进行特殊的观察和研究，例如暗专门用来在特定的环境下进行特殊的观察和研究，例如暗视场、相位差、微分干涉、荧光、偏光显微镜等。视场、相位差、微分干涉、荧光、偏光显微镜等。

3.3. 高级型高级型，也叫，也叫研究型显微镜研究型显微镜，更高级一些的多用途显微，更高级一些的多用途显微镜又叫镜又叫万能显微镜万能显微镜。这类显微镜大多配件齐全，附带多种。这类显微镜大多配件齐全，附带多种物镜、目镜、聚光器及电影、照相设备和电脑系统等。物镜、目镜、聚光器及电影、照相设备和电脑系统等。

按使用目镜的数目可分为按使用目镜的数目可分为 :: 双目、单目和共览显微镜；双目、单目和共览显微镜； 按图像是否有立体感可分为立体视觉和非立体视觉显微镜；按图像是否有立体感可分为立体视觉和非立体视觉显微镜； 按光学原理可分为偏光、相衬和微差干涉对比显微镜等；按光学原理可分为偏光、相衬和微差干涉对比显微镜等； 按光源类型可分为普通光、荧光、紫外光、红外光和激光按光源类型可分为普通光、荧光、紫外光、红外光和激光

显微镜等；显微镜等； 按接收器类型可分为目视、数码（摄像）显微镜等。按接收器类型可分为目视、数码（摄像）显微镜等。

常用的显微镜有双目体视显微镜、金相显微镜、偏光显微常用的显微镜有双目体视显微镜、金相显微镜、偏光显微镜、紫外荧光显微镜等。镜、紫外荧光显微镜等。

常用的显微镜常用的显微镜 双目体视显微镜：双目体视显微镜：是利用双通道光路，为左右两眼提供一个具有立体是利用双通道光路，为左右两眼提供一个具有立体感的图像。它实质上是两个单镜筒显微镜并列放置，两个镜筒的光轴感的图像。它实质上是两个单镜筒显微镜并列放置，两个镜筒的光轴构成相当于人们用双目观察一个物体时所形成的视角，以此形成三维构成相当于人们用双目观察一个物体时所形成的视角，以此形成三维空间的立体视觉图像。双目体视显微镜在生物、医学领域广泛用于切空间的立体视觉图像。双目体视显微镜在生物、医学领域广泛用于切片操作和显微外科手术。片操作和显微外科手术。

金相显微镜是专门用于观察金属和矿物等不透明物体金相组织的显微金相显微镜是专门用于观察金属和矿物等不透明物体金相组织的显微镜。照明光束从物镜方向射到被观察物体表面，被物面反射后再返回镜。照明光束从物镜方向射到被观察物体表面，被物面反射后再返回物镜成像。这种反射照明方式也广泛用于集成电路硅片的检测工作。物镜成像。这种反射照明方式也广泛用于集成电路硅片的检测工作。

紫外荧光显微镜：紫外荧光显微镜：是用紫外光激发荧光来进行观察的显微镜。某些标是用紫外光激发荧光来进行观察的显微镜。某些标本在可见光中觉察不到结构细节，但经过染色处理，以紫外光照射时本在可见光中觉察不到结构细节，但经过染色处理，以紫外光照射时可因荧光作用而发射可见光，形成可见的图像。这类显微镜常用于生可因荧光作用而发射可见光，形成可见的图像。这类显微镜常用于生物学和医学中。物学和医学中。

常用的显微镜常用的显微镜

电视显微镜和电荷耦合器显微镜：电视显微镜和电荷耦合器显微镜：是以电视摄像靶或电荷耦合器作为是以电视摄像靶或电荷耦合器作为接收元件的显微镜。在显微镜的实像面处装入电视摄像靶或电荷耦合接收元件的显微镜。在显微镜的实像面处装入电视摄像靶或电荷耦合器取代人眼作为接收器，通过这些光电器件把光学图像转换成电信号器取代人眼作为接收器，通过这些光电器件把光学图像转换成电信号的图像，然后对之进行尺寸检测、颗粒计数等工作。的图像，然后对之进行尺寸检测、颗粒计数等工作。

这类显微镜的可以与计算机联用，这便于实现检测和信息处理的自动这类显微镜的可以与计算机联用，这便于实现检测和信息处理的自动化，多应用于需要进行大量繁琐检测工作的场合。化，多应用于需要进行大量繁琐检测工作的场合。

扫描显微镜：扫描显微镜：是成像光束能相对于物面作扫描运动的显微镜。在扫描是成像光束能相对于物面作扫描运动的显微镜。在扫描显微镜中依靠缩小视场来保证物镜达到最高的分辨率，同时用光学或显微镜中依靠缩小视场来保证物镜达到最高的分辨率，同时用光学或机械扫描的方法，使成像光束相对于物面在较大视场范围内进行扫描，机械扫描的方法，使成像光束相对于物面在较大视场范围内进行扫描，并用信息处理技术来获得合成的大面积图像信息。这类显微镜适用于并用信息处理技术来获得合成的大面积图像信息。这类显微镜适用于需要高分辨率的大视场图像的观测。需要高分辨率的大视场图像的观测。

小结小结

三、光学显微镜的工作原理三、光学显微镜的工作原理

显微镜和放大镜起着同样的作显微镜和放大镜起着同样的作用，就是把近处的微小物体成用，就是把近处的微小物体成一放大的像，以供人眼观察。一放大的像，以供人眼观察。只是显微镜比放大镜可以具有只是显微镜比放大镜可以具有更高的放大率而已。更高的放大率而已。

物体位于物镜前方，离开物镜物体位于物镜前方，离开物镜的距离大于物镜的焦距，但小的距离大于物镜的焦距，但小于两倍物镜焦距。所以，它经于两倍物镜焦距。所以，它经物镜以后，必然形成一个倒立物镜以后，必然形成一个倒立的放大的实像的放大的实像 A‘B’A‘B’ 。 。 A‘B’A‘B’ 靠靠近近 F2F2 的位置上。再经目镜放的位置上。再经目镜放大为虚像大为虚像 A‘’B‘’A‘’B‘’ 后供眼睛观察。后供眼睛观察。

目镜的作用与放大镜一样。所目镜的作用与放大镜一样。所不同的只是眼睛通过目镜所看不同的只是眼睛通过目镜所看到的不是物体本身，而是物体到的不是物体本身，而是物体被物镜所成的已经放大了一次被物镜所成的已经放大了一次的像。 的像。

光学显微镜的工作原理与光学显微镜的工作原理与折射望远镜的差别：折射望远镜的差别：

与望远镜相反，显微镜必须从距离很近、与望远镜相反，显微镜必须从距离很近、范围极小、厚度极薄且明亮清晰的样本范围极小、厚度极薄且明亮清晰的样本上采集光线。因此显微镜不需要巨大的上采集光线。因此显微镜不需要巨大的物镜。相反，显微镜的物镜很小，而且物镜。相反，显微镜的物镜很小，而且呈球形，这就意味着显微镜两侧的焦距呈球形，这就意味着显微镜两侧的焦距都要短得多。物镜将物体的图像对焦在都要短得多。物镜将物体的图像对焦在显微镜镜筒内的不远处。随后图像由第显微镜镜筒内的不远处。随后图像由第二个透镜放大，这个透镜称为二个透镜放大，这个透镜称为接目镜接目镜或或目镜目镜，使物体如同在您眼前一般。 ，使物体如同在您眼前一般。

望远镜要从昏暗、遥远的物体上采集大量望远镜要从昏暗、遥远的物体上采集大量光线，因此需要巨大的物镜，以尽可能多光线，因此需要巨大的物镜，以尽可能多采集一些光线并使物体看起来更加明亮。采集一些光线并使物体看起来更加明亮。物镜很大，因而物体的图像会出现在一段物镜很大，因而物体的图像会出现在一段距离之外的焦点位置，这就是为何望远镜距离之外的焦点位置，这就是为何望远镜比显微镜长得多的原因。望远镜的目镜随比显微镜长得多的原因。望远镜的目镜随后放大图像，使物体就像在您眼前一样。后放大图像，使物体就像在您眼前一样。

四、显微镜的重要光学技术参数四、显微镜的重要光学技术参数 在镜检时，人们总是希望能清晰而明亮的理想图象，这就在镜检时，人们总是希望能清晰而明亮的理想图象，这就需要显微镜的各项光学技术参数达到一定的标准，并且要需要显微镜的各项光学技术参数达到一定的标准，并且要求在使用时，必须根据镜检的目的和实际情况来协调各参求在使用时，必须根据镜检的目的和实际情况来协调各参数的关系。只有这样，才能充分发挥显微镜应有的性能，数的关系。只有这样，才能充分发挥显微镜应有的性能，得到满意的镜检效果。 得到满意的镜检效果。

显微镜的光学技术参数包括：数值孔径、分辨率、放大率、显微镜的光学技术参数包括：数值孔径、分辨率、放大率、焦深、视场宽度、覆盖差、工作距离和图像亮度与视场亮焦深、视场宽度、覆盖差、工作距离和图像亮度与视场亮度等等。这些参数并不都是越高越好，它们之间是相互联度等等。这些参数并不都是越高越好，它们之间是相互联系又相互制约的，在使用时，应根据镜检的目的和实际情系又相互制约的，在使用时，应根据镜检的目的和实际情况来协调参数间的关系，但应以保证分辨率为准。 况来协调参数间的关系，但应以保证分辨率为准。

11．．数值孔径数值孔径 数值孔径简写数值孔径简写 NANA ，数值孔径是物镜和聚，数值孔径是物镜和聚

光镜的主要技术参数，是判断两者（尤其光镜的主要技术参数，是判断两者（尤其对物镜而言）性能高低的重要标志。其数对物镜而言）性能高低的重要标志。其数值的大小，分别标刻在物镜和聚光镜的外值的大小，分别标刻在物镜和聚光镜的外壳上。 壳上。

数值孔径（数值孔径（ NANA ）是物镜前透镜与被检物）是物镜前透镜与被检物体之间介质的折射率（体之间介质的折射率（ nn ）和孔径角）和孔径角（（ uu ）半数的正弦之乘积。用公式表示如）半数的正弦之乘积。用公式表示如下：下： NA=n.sin(u/2) NA=n.sin(u/2)

孔径角又称孔径角又称 "" 镜口角镜口角 "" ，是物镜光，是物镜光轴上的物体点与物镜前透镜的有效轴上的物体点与物镜前透镜的有效直径所形成的角度。孔径角越大，直径所形成的角度。孔径角越大，进入物镜的光通亮就越大，它与物进入物镜的光通亮就越大，它与物镜的有效直径成正比，与焦点的距镜的有效直径成正比，与焦点的距离成反比。离成反比。

以空气为介质（干燥系）的物镜的以空气为介质（干燥系）的物镜的 NANA值多在值多在 0.05-0.950.05-0.95 之间。空气的之间。空气的折射率为折射率为 n=1n=1 ，二孔径角最大不能超过，二孔径角最大不能超过 180180度，否则会因为物镜工作度，否则会因为物镜工作距离等于零而无法工作。距离等于零而无法工作。 Sin(180/2)=1Sin(180/2)=1 ，所以空气介质的，所以空气介质的 NANA值小于值小于 11 。。

用高倍显微镜观察时，若想增大用高倍显微镜观察时，若想增大 NANA值，孔径角是无法进一步增大的，值，孔径角是无法进一步增大的，唯一的办法是增大介质的折射率唯一的办法是增大介质的折射率 nn值。基于这一原理，就产生了水浸物值。基于这一原理，就产生了水浸物镜和油浸物镜，因介质的折射率镜和油浸物镜，因介质的折射率 nn值大于值大于 11 ，， NANA值就能大于值就能大于 11 。 。

水的折射率为水的折射率为 1.3331.333 ，水浸系物镜的，水浸系物镜的 NANA值最大可达到值最大可达到 1.251.25 。香柏油。香柏油的折射率为的折射率为 1.5151.515左右，因此一般油浸物镜的数值孔径最大值（左右，因此一般油浸物镜的数值孔径最大值（ NANA值）为值）为 1.41.4 ，这个数值在理论上和技术上都达到了极限。，这个数值在理论上和技术上都达到了极限。

目前，高级物镜用折射率高的溴萘作介质，溴萘的折射率为目前，高级物镜用折射率高的溴萘作介质，溴萘的折射率为 1.66,1.66, 所以所以NANA值可大于值可大于 1.41.4 。。

介质介质 空气空气 水水 香柏油香柏油 αα溴萘溴萘折射率折射率 11 1.331.33 1.5151.515 1.661.66

数值孔径与其他技术参数有着密切的关系，它几乎决定和数值孔径与其他技术参数有着密切的关系，它几乎决定和影响着其他各项技术参数。它与分辨率成正比，与放大率影响着其他各项技术参数。它与分辨率成正比，与放大率成正比，与焦深成反比，成正比，与焦深成反比， NANA值增大，视场宽度与工作距值增大，视场宽度与工作距离都会相应地变小。离都会相应地变小。

这里必须指出，为了充分发挥物镜数值孔径的作用，在观这里必须指出，为了充分发挥物镜数值孔径的作用，在观察时，聚光镜的察时，聚光镜的 NANA值应等于或略大于物镜的值应等于或略大于物镜的 NANA值。 值。

22．．分辨率分辨率 显微镜的分辨率是指能被显微镜清晰区分的两个物点的最显微镜的分辨率是指能被显微镜清晰区分的两个物点的最

小间距，又称小间距，又称 ""鉴别率鉴别率 "" 。其计算公式是。其计算公式是 σ=λ/NA σ=λ/NA 式中式中 σσ 为最小分辨距离；为最小分辨距离； λλ 为光线的波长；为光线的波长； NANA 为物镜的为物镜的数值孔径。可见物镜的分辨率是由物镜的数值孔径。可见物镜的分辨率是由物镜的 NANA值与照明光值与照明光源的波长两个因素决定。源的波长两个因素决定。 NANA值越大，照明光线波长越短，值越大，照明光线波长越短，则则 σσ值越小，分辨率就越高。 值越小，分辨率就越高。

要提高分辨率，即减小要提高分辨率，即减小 σσ值，可采取以下措施 值，可采取以下措施 （（ 11 ）降低波长）降低波长 λλ值，使用短波长光源。 值，使用短波长光源。 （（ 22 ）增大介质）增大介质 nn值以提高值以提高 NANA值（值（ NA=nsinu/2NA=nsinu/2 ）。 ）。 （（ 33 ）增大孔径角）增大孔径角 uu值以提高值以提高 NANA值。 值。 （（ 44 ）增加明暗反差。 ）增加明暗反差。

提高分辨率的效果

33．．放大率和有效放大率放大率和有效放大率 显微镜的放大率也叫放大倍数，是指被检测物体经过物镜显微镜的放大率也叫放大倍数，是指被检测物体经过物镜

和目镜放大后，人眼所看到的最终图像的大小与物体实际和目镜放大后，人眼所看到的最终图像的大小与物体实际大小的比值。一般用长度来衡量。大小的比值。一般用长度来衡量。

由于经过物镜和目镜的两次放大，所以显微镜总的放大率由于经过物镜和目镜的两次放大，所以显微镜总的放大率ΓΓ应该是物镜放大率应该是物镜放大率 ββ 和目镜放大率和目镜放大率 Γ1Γ1 的乘积： 的乘积：

        Γ=βΓ1 Γ=βΓ1 显然，和放大镜相比，显微镜可以具有高得多的放大率，显然，和放大镜相比，显微镜可以具有高得多的放大率，并且通过调换不同放大率的物镜和目镜，能够方便地改变并且通过调换不同放大率的物镜和目镜，能够方便地改变显微镜的放大率。 显微镜的放大率。

放大率也是显微镜的重要参数，但也不能盲目相信放大率放大率也是显微镜的重要参数，但也不能盲目相信放大率越高越好。显微镜放大倍率的极限即有效放大倍率。 越高越好。显微镜放大倍率的极限即有效放大倍率。

分辨率和放大倍率是两个不同的但又互有联系的概念。有关系式：分辨率和放大倍率是两个不同的但又互有联系的概念。有关系式： 500NA<Γ500NA<Γ<1000NA <1000NA

当选用的物镜数值孔径不够大，即分辨率不够高时，显微镜不能分清物体的当选用的物镜数值孔径不够大，即分辨率不够高时，显微镜不能分清物体的微细结构，此时即使过度地增大放大倍率，得到的也只能是一个轮廓虽大但微细结构，此时即使过度地增大放大倍率，得到的也只能是一个轮廓虽大但细节不清的图像，称为细节不清的图像，称为无效放大倍率无效放大倍率。反之如果分辨率已满足要求而放大倍。反之如果分辨率已满足要求而放大倍率不足，则显微镜虽已具备分辨的能力，但因图像太小而仍然不能被人眼清率不足，则显微镜虽已具备分辨的能力，但因图像太小而仍然不能被人眼清晰视见。所以为了充分发挥显微镜的分辨能力，应使数值孔径与显微镜总放晰视见。所以为了充分发挥显微镜的分辨能力，应使数值孔径与显微镜总放大倍率合理匹配。大倍率合理匹配。

根据：总放大率根据：总放大率 == 物距物距 // 物镜焦距物镜焦距 ××相距（相距（ 250mm250mm ）） // 目镜焦距；增大物距目镜焦距；增大物距—即镜筒长度，可以提高放大率，但是镜筒不能无限拉长，通常国际标准长—即镜筒长度，可以提高放大率，但是镜筒不能无限拉长，通常国际标准长度为度为 160mm160mm 。。

44．．焦深焦深 焦深为焦点深度的简称，即在焦深为焦点深度的简称，即在

使用显微镜时，当焦点对准某使用显微镜时，当焦点对准某一物体时，不仅位于该点平面一物体时，不仅位于该点平面上的各点都可以看清楚，而且上的各点都可以看清楚，而且在此平面的上下一定厚度内，在此平面的上下一定厚度内，也能看得清楚，这个清楚部分也能看得清楚，这个清楚部分的厚度就是焦深。焦深大的厚度就是焦深。焦深大 ,, 可可以看到被检物体的全层，而焦以看到被检物体的全层，而焦深小，则只能看到被检物体的深小，则只能看到被检物体的一薄层，焦深与其他技术参数一薄层，焦深与其他技术参数有以下关系： 有以下关系：

（（ 11 ）焦深与总放大倍数及物）焦深与总放大倍数及物镜的数值孔径成反比。 镜的数值孔径成反比。

（（ 22 ）焦深大，分辨率降低。 ）焦深大，分辨率降低。

55．视场直径（．视场直径（ FieldOfVieFieldOfVieww ））

观察显微镜时，所看到的明亮的圆形范围叫视场，它的大小是由目镜观察显微镜时，所看到的明亮的圆形范围叫视场，它的大小是由目镜里的视场光阑决定的。 里的视场光阑决定的。

视场直径也称视场宽度，是指在显微镜下看到的圆形视场内所能容纳视场直径也称视场宽度，是指在显微镜下看到的圆形视场内所能容纳被检物体的实际范围。视场直径愈大，愈便于观察。 被检物体的实际范围。视场直径愈大，愈便于观察。

有公式有公式 F=FN/β F=FN/β 式中式中 F:F:视场直径，视场直径， FNFN ：视场数（：视场数（ FieldNumber,FieldNumber, 简写为简写为 FNFN ，标刻，标刻

在目镜的镜筒外侧），在目镜的镜筒外侧）， β:β: 物镜放大率。 物镜放大率。 由公式可看出： 由公式可看出： （（ 11 ）视场直径与视场数成正比。 ）视场直径与视场数成正比。 （（ 22 ）增大物镜的倍数，则视场直径减小。因此，若在低倍镜下可以）增大物镜的倍数，则视场直径减小。因此，若在低倍镜下可以

看到被检物体的全貌，而换成高倍物镜，就只能看到被检物体的很小看到被检物体的全貌，而换成高倍物镜，就只能看到被检物体的很小一部份。 一部份。

不同目镜的视场直径

66．．覆盖差覆盖差

显微镜的光学系统也包括盖玻片在显微镜的光学系统也包括盖玻片在内。由于盖玻片的厚度不标准，光内。由于盖玻片的厚度不标准，光线从盖玻片进入空气产生折射后的线从盖玻片进入空气产生折射后的光路发生了改变，从而产生了相差，光路发生了改变，从而产生了相差，这就是覆盖差。覆盖差的产生影响这就是覆盖差。覆盖差的产生影响了显微镜的成响质量。 了显微镜的成响质量。

国际上规定，盖玻片的标准厚度为国际上规定，盖玻片的标准厚度为0.17mm0.17mm ，许可范围在，许可范围在 0.16-0.18m0.16-0.18mmm ，在物镜的制造上已将此厚度范，在物镜的制造上已将此厚度范围的相差计算在内。物镜外壳上标围的相差计算在内。物镜外壳上标的的 0.170.17 ，即表明该物镜所要求的，即表明该物镜所要求的盖玻片的厚度。 盖玻片的厚度。

7.7. 镜像亮度和视场亮度镜像亮度和视场亮度

镜像亮度是显微镜的图像亮度的简称，是指所观镜像亮度是显微镜的图像亮度的简称，是指所观察到的物体的明暗程度。通常以不使得眼睛疲劳察到的物体的明暗程度。通常以不使得眼睛疲劳为适宜的标准。为适宜的标准。

镜像亮度与两个因素关系密切：镜像亮度与物镜镜像亮度与两个因素关系密切：镜像亮度与物镜的数值孔径值的平方成正比；与总放大率的平方的数值孔径值的平方成正比；与总放大率的平方成反比。成反比。

视场亮度是指显微镜下整个视场的明暗程度，它视场亮度是指显微镜下整个视场的明暗程度，它与物镜、目镜、聚光镜、光阑和光源等因素有关。与物镜、目镜、聚光镜、光阑和光源等因素有关。在不更换物镜和目镜的情况下。视场亮度大，镜在不更换物镜和目镜的情况下。视场亮度大，镜像亮度也大。像亮度也大。

88．．工作距离工作距离 WDWD

工作距离也叫物距，即指物镜前透镜的表面到被检物工作距离也叫物距，即指物镜前透镜的表面到被检物体之间的距离。体之间的距离。

镜检时，被检物体应处在物镜的一倍至二倍焦距之间。镜检时，被检物体应处在物镜的一倍至二倍焦距之间。因此，它与焦距是两个概念，平时习惯所说的调焦，因此，它与焦距是两个概念，平时习惯所说的调焦，实际上是调节工作距离。 实际上是调节工作距离。

在物镜数值孔径一定的情况下，工作距离短孔径角则在物镜数值孔径一定的情况下，工作距离短孔径角则大。 大。

数值孔径大的高倍物镜，其工作距离小。 数值孔径大的高倍物镜，其工作距离小。

焦点焦点：决定图像是模糊还是清晰？焦点与：决定图像是模糊还是清晰？焦点与焦距焦距有关，有关，且可以通过聚焦旋钮控制。样本载波片上的盖片厚度且可以通过聚焦旋钮控制。样本载波片上的盖片厚度也会影响图像对焦也会影响图像对焦 ����盖片对物镜而言可能太厚。正确的盖片对物镜而言可能太厚。正确的盖片厚度应标注在物镜的侧面。 盖片厚度应标注在物镜的侧面。

花粉粒对焦（左图）和失焦（右图）时的显微镜图像

分辨率分辨率：图像中的两个像素达到多近的间距时会分：图像中的两个像素达到多近的间距时会分辨不清？分辨率与物镜的数值孔径（数值孔径越大，辨不清？分辨率与物镜的数值孔径（数值孔径越大，分辨率越高）以及通过透镜的分辨率越高）以及通过透镜的光线波长光线波长（波长越短，（波长越短，分辨率越好）有关。 分辨率越好）有关。

花粉粒的高分辨率（左图）和低分辨率（右图）显微镜图像

调节不同参数产生的效果调节不同参数产生的效果

亮度亮度：表示图像有多明亮？亮度与照明系统相关，因：表示图像有多明亮？亮度与照明系统相关，因而可以通过改变灯的电压而可以通过改变灯的电压 // 电阻器，以及调节聚光器电阻器，以及调节聚光器和光圈和光圈 // 针孔孔径进行更改。此外，亮度还与物镜的针孔孔径进行更改。此外，亮度还与物镜的数值孔径数值孔径有关（数值孔径越大，图像越明亮）。 有关（数值孔径越大，图像越明亮）。

花粉粒在高亮度（左图）和低亮度（右图）情况下的显微镜图像

对比度对比度：样本周围区域的光照差别怎样？对比度与照明：样本周围区域的光照差别怎样？对比度与照明系统相关，可以通过改变光线强度以及光圈系统相关，可以通过改变光线强度以及光圈 // 针孔孔径针孔孔径对其进行调节。除此之外，对样本进行化学着色也可以对其进行调节。除此之外，对样本进行化学着色也可以增强对比度。 增强对比度。

花粉粒在高对比度（左）和低对比度（右）情况下的显微镜图像