光學(xué)系統(tǒng)

　　顯微鏡的光學(xué)系統(tǒng)主要包括物鏡、目鏡、反光鏡和聚光器四個(gè)部件。廣義的說(shuō)也包括照明光源、濾光器、蓋玻片和載玻片等。

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　　物鏡是決定顯微鏡性能的*重要部件，安裝在物鏡轉(zhuǎn)換器上，接近被觀察的物體，故叫做物鏡或接物鏡。

　　物鏡的放大倍數(shù)與其長(zhǎng)度成正比。物鏡放大倍數(shù)越大，物鏡越長(zhǎng)。

　　1．物鏡的分類

　　物鏡根據(jù)使用條件的不同可分為干燥物鏡和浸液物鏡；其中浸液物鏡又可分為水浸物鏡和油浸物鏡（常用放大倍數(shù)為90—100倍）。

　　根據(jù)放大倍數(shù)的不同可分為 低倍物鏡（10倍以下）、中倍物鏡（20倍左右）高倍物鏡（40—65倍）。

　　根據(jù)像差矯正情況，分為消色差物鏡（常用，能矯正光譜中兩種色光的色差的物鏡）和復(fù)色差物鏡（能矯正光譜中三種色光的色差的物鏡，價(jià)格貴，使用少）。2、物鏡的主要參數(shù)：

　　物鏡主要參數(shù)包括：放大倍數(shù)、數(shù)值孔徑和工作距離。

　　①、放大倍數(shù)是指眼睛看到像的大小與對(duì)應(yīng)標(biāo)本大小的比值。它指的是長(zhǎng)度的比值而不是面積的比值。例：放大倍數(shù)為100×，指的是長(zhǎng)度是1μm的標(biāo)本，放大后像的長(zhǎng)度是100μm，要是以面積計(jì)算，則放大了10,000倍。

　　顯微鏡的總放大倍數(shù)等于物鏡和目鏡放大倍數(shù)的乘積。

　　②、數(shù)值孔徑也叫鏡口率，簡(jiǎn)寫NA 或A，是物鏡和聚光器的主要參數(shù)，與顯微鏡的分辨力成正比。干燥物鏡的數(shù)值孔徑為0.05-0.95，油浸物鏡（香柏油）的數(shù)值孔徑為1.25。

　?、邸⒐ぷ骶嚯x是指當(dāng)所觀察的標(biāo)本*清楚時(shí)物鏡的前端透鏡下面到標(biāo)本的蓋玻片上面的距離。物鏡的工作距離與物鏡的焦距有關(guān)，物鏡的焦距越長(zhǎng)，放大倍數(shù)越低，其工作距離越長(zhǎng)。例：10倍物鏡上標(biāo)有10/0.25和160/0.17，其中10為物鏡的放大倍數(shù)；0.25為數(shù)值孔徑；160為鏡筒長(zhǎng)度（單位mm）；0.17為蓋玻片的標(biāo)準(zhǔn)厚度（單位 mm）。10倍物鏡有效工作距離為6.5mm，40倍物鏡有效工作距離為0.48mm 。3、物鏡的作用是將標(biāo)本作**次放大，它是決定顯微鏡性能的*重要的部件——分辨力的高低。分辨力也叫分辨率或分辨本領(lǐng)。分辨力的大小是用分辨距離（所能分辨開的兩個(gè)物點(diǎn)間的*小距離）的數(shù)值來(lái)表示的。在明視距離（25cm）之處，正常人眼所能看清相距0.073mm的兩個(gè)物點(diǎn)，這個(gè)0.073mm的數(shù)值，即為正常人眼的分辨距離。顯微鏡的分辨距離越小，即表示它的分辨力越高，也就是表示它的性能越好。

　　顯微鏡的分辨力的大小由物鏡的分辨力來(lái)決定的，而物鏡的分辨力又是由它的數(shù)值孔徑和照明光線的波長(zhǎng)決定的。

　　當(dāng)用普通的中央照明法（使光線均勻地透過(guò)標(biāo)本的明視照明法）時(shí)，顯微鏡的分辨距離為d=0.61λ/NA

　　式中d——物鏡的分辨距離，單位 nm。

　　λ——照明光線波長(zhǎng)，單位 nm。

　　NA ——物鏡的數(shù)值孔徑

　　例如油浸物鏡的數(shù)值孔徑為1.25，可見光波長(zhǎng)范圍為400—700nm ，取其平均波長(zhǎng)550 nm，則d=270 nm，約等于照明光線波長(zhǎng)一半。一般地，用可見光照明的顯微鏡分辨力的極限是0.2μm。

　?。ǘ?、目鏡因?yàn)樗拷^察者的眼睛，因此也叫接目鏡。安裝在鏡筒的上端。

　　1．目鏡的結(jié)構(gòu)

　　通常目鏡由上下兩組透鏡組成，上面的透鏡叫做接目透鏡，下面的透鏡叫做會(huì)聚透鏡或場(chǎng)鏡。上下透鏡之間或場(chǎng)鏡下面裝有一個(gè)光闌（它的大小決定了視場(chǎng)的大?。?yàn)闃?biāo)本正好在光闌面上成像，可在這個(gè)光闌上粘一小段毛發(fā)作為指針，用來(lái)指示某個(gè)特點(diǎn)的目標(biāo)。也可在其上面放置目鏡測(cè)微尺，用來(lái)測(cè)量所觀察標(biāo)本的大小。

　　目鏡的長(zhǎng)度越短，放大倍數(shù)越大（因目鏡的放大倍數(shù)與目鏡的焦距成反比）。

　　2．目鏡的作用

　　是將已被物鏡放大的，分辨清晰的實(shí)像進(jìn)一步放大，達(dá)到人眼能容易分辨清楚的程度。

　　常用目鏡的放大倍數(shù)為5—16倍。

　　3．目鏡與物鏡的關(guān)系物鏡已經(jīng)分辨清楚的細(xì)微結(jié)構(gòu)，假如沒(méi)有經(jīng)過(guò)目鏡的再放大，達(dá)不到人眼所能分辨的大小，那就看不清楚；但物鏡所不能分辨的細(xì)微結(jié)構(gòu)，雖然經(jīng)過(guò)高倍目鏡的再放大，也還是看不清楚，所以目鏡只能起放大作用，不會(huì)提高顯微鏡的分辨率。有時(shí)雖然物鏡能分辨開兩個(gè)靠得很近的物點(diǎn)，但由于這兩個(gè)物點(diǎn)的像的距離小于眼睛的分辨距離，還是無(wú)法看清。所以，目鏡和物鏡即相互聯(lián)系，又彼此制約。

　　（三）、聚光器

　　聚光器也叫集光器。位于標(biāo)本下方的聚光器支架上。它主要由聚光鏡和可變光闌組成。其中，聚光鏡可分為明視場(chǎng)聚光鏡（普通顯微鏡配置）和暗視場(chǎng)聚光鏡。

　　1．光鏡的主要參數(shù)

　　數(shù)值孔徑（NA ）是聚光鏡的主要參數(shù)，*大數(shù)值孔徑一般是1.2—1.4，數(shù)值孔徑有一定的可變范圍，通常刻在上方透鏡邊框上的數(shù)字是代表*大的數(shù)值孔徑，通過(guò)調(diào)節(jié)下部可變光闌的開放程度，可得到此數(shù)字以下的各種不同的數(shù)值孔徑，以適應(yīng)不同物鏡的需要。有的聚光鏡由幾組透鏡組成，*上面的一組透鏡可以卸掉或移出光路，使聚光鏡的數(shù)值孔徑變小，以適應(yīng)低倍物鏡觀察時(shí)的照明。2、聚光鏡的作用

　　聚光鏡的作用相當(dāng)于凸透鏡，起會(huì)聚光線的作用，以增強(qiáng)標(biāo)本的照明。一般地把聚光鏡的聚光焦點(diǎn)設(shè)計(jì)在它上端透鏡平面上方約1.25mm處。（聚光焦點(diǎn)正在所要觀察的標(biāo)本上，載玻片的厚度為1.1mm左右）

　　3．可變光闌

　　可變光闌也叫光圈，位于聚光鏡的下方，由十幾張金屬薄片組成，中心部分形成圓孔。其作用是調(diào)節(jié)光強(qiáng)度和使聚光鏡的數(shù)值孔徑與物鏡的數(shù)值孔徑相適應(yīng)?？勺児怅@開得越大，數(shù)值孔徑越大（觀察完畢后，應(yīng)將光圈調(diào)至*大）。

　　在可變光闌下面，還有一個(gè)圓形的濾光片托架。

　　說(shuō)明：在中學(xué)實(shí)驗(yàn)室只有教師用顯微鏡（1600×或1500×）才配有聚光器，學(xué)生用顯微鏡（640×或500×）配的是旋轉(zhuǎn)光欄。緊貼在載物臺(tái)下，能做圓周轉(zhuǎn)動(dòng)的圓盤，旋轉(zhuǎn)光欄（也稱為遮光器），光欄上有大小不等的圓孔，叫光圈。直徑分別為2、3、6、12、16mm,轉(zhuǎn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)光欄，光欄上每個(gè)光圈都可以對(duì)正通光孔，通過(guò)大小不等的光圈來(lái)調(diào)節(jié)光線的強(qiáng)弱。

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　　反光鏡是一個(gè)可以隨意轉(zhuǎn)動(dòng)的雙面鏡，直徑為50mm，一面為平面，一面為凹面，其作用是將從任何方向射來(lái)的光線經(jīng)通光孔反射上來(lái)。平面鏡反射光線的能力較弱，是在光線較強(qiáng)時(shí)使用，凹面鏡反射光線的能力較強(qiáng)，是在光線較弱時(shí)使用。

　　反光鏡通常一面是平面鏡，另一面是凹面鏡，裝在聚光器下面，可以在水平與垂直兩個(gè)方向上任意旋轉(zhuǎn)。

　　反光鏡的作用是使由光源發(fā)出的光線或天然光射向聚光器。當(dāng)用聚光器時(shí)一般用平面鏡，不用時(shí)用凹面鏡；當(dāng)光線強(qiáng)時(shí)用平面鏡，弱時(shí)用凹面鏡。

　　觀察完畢后，應(yīng)將反光鏡垂直放置。

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　　顯微鏡的照明可以用天然光源或人工光源

　　1．天然光源

　　光線來(lái)自天空，*好是由白云反射來(lái)的。不可利用直接照來(lái)的太陽(yáng)光。

　　2．人工光源

　?、?、對(duì)人工光源的基本要求：有足夠的發(fā)光強(qiáng)度；光源發(fā)熱不能過(guò)多。

　?、?、常用的人工光源：顯微鏡燈；日光燈

　?。V光器

　　安裝在光源和聚光器之間。作用是讓所選擇的某一波段的光線通過(guò)，而吸收掉其他的光線，即為了改變光線的光譜成分或削弱光的強(qiáng)度。分為兩大類：濾光片和液體濾光器。

　?。ㄆ撸┥w玻片和載玻片

　　蓋玻片和載玻片的表面應(yīng)相當(dāng)平坦，無(wú)氣泡，無(wú)劃痕。*好選用無(wú)色，透明度好的，使用前應(yīng)洗凈。

　　蓋玻片的標(biāo)準(zhǔn)厚度是0.17±0.02mm，如不用蓋玻片或蓋玻片厚度不合適，都會(huì)影響成像質(zhì)量。

　　載玻片的標(biāo)準(zhǔn)厚度是1.1±0.04mm，一般可用范圍是1—1.2mm，若太厚會(huì)影響聚光器效能，太薄則容易破裂。

　　機(jī)械裝置

　　顯微鏡的機(jī)械裝置是顯微鏡的重要組成部分。其作用是固定與調(diào)節(jié)光學(xué)鏡頭，固定與移動(dòng)標(biāo)本等。主要有鏡座、鏡臂、載物臺(tái)、鏡筒、物鏡轉(zhuǎn)換器、與調(diào)焦裝置組成。

　?。ㄒ唬㈢R座和鏡臂

　　1．鏡座作用是支撐整個(gè)顯微鏡，裝有反光鏡，有的還裝有照明光源。

　　2．鏡臂作用是支撐鏡筒和載物臺(tái)。分固定、可傾斜兩種。

　　（二）、載物臺(tái)（又稱工作臺(tái)、鏡臺(tái)）

　　載物臺(tái)作用是安放載玻片，形狀有圓形和方形兩種，其中方形的面積為120mm×110mm。中心有一個(gè)通光孔，通光孔后方左右兩側(cè)各有一個(gè)安裝壓片夾用的小孔。分為固定式與移動(dòng)式兩種。有的載物臺(tái)的縱橫坐標(biāo)上都裝有游標(biāo)尺，一般讀數(shù)為0.1mm，游標(biāo)尺可用來(lái)測(cè)定標(biāo)本的大小，也可用來(lái)對(duì)被檢部分做標(biāo)記。

　　（三）、鏡筒

　　鏡筒上端放置目鏡，下端連接物鏡轉(zhuǎn)換器。分為固定式和可調(diào)節(jié)式兩種。機(jī)械筒長(zhǎng)（從目鏡管上緣到物鏡轉(zhuǎn)換器螺旋口下端的距離稱為鏡筒長(zhǎng)度或機(jī)械筒長(zhǎng)）不能變更的叫做固定式鏡筒，能變更的叫做調(diào)節(jié)式鏡筒，新式顯微鏡大多采用固定式鏡筒，國(guó)產(chǎn)顯微鏡也大多采用固定式鏡筒，國(guó)產(chǎn)顯微鏡的機(jī)械筒長(zhǎng)通常是160mm。

　　安裝目鏡的鏡筒，有單筒和雙筒兩種。單筒又可分為直立式和傾斜式兩種，雙筒則都是傾斜式的。其中雙筒顯微鏡，兩眼可同時(shí)觀察以減輕眼睛的疲勞。雙筒之間的距離可以調(diào)節(jié)，而且其中有一個(gè)目鏡有屈光度調(diào)節(jié)（即視力調(diào)節(jié)）裝置，便于兩眼視力不同的觀察者使用。

　?。ㄋ模?、物鏡轉(zhuǎn)換器

　　物鏡轉(zhuǎn)換器固定在鏡筒下端，有3—4個(gè)物鏡螺旋口，物鏡應(yīng)按放大倍數(shù)高低順序排列。旋轉(zhuǎn)物鏡轉(zhuǎn)換器時(shí)，應(yīng)用手指捏住旋轉(zhuǎn)碟旋轉(zhuǎn)，不要用手指推動(dòng)物鏡，因時(shí)間長(zhǎng)容易使光軸歪斜，使成像質(zhì)量變壞。

　　（五）、調(diào)焦裝置

　　顯微鏡上裝有粗準(zhǔn)焦螺旋和細(xì)準(zhǔn)焦螺旋。有的顯微鏡粗準(zhǔn)焦螺旋與裝在同一軸上，大螺旋為粗準(zhǔn)焦螺旋，小螺旋為細(xì)準(zhǔn)焦螺旋；有的則分開安置，位于鏡臂的上端較大的一對(duì)螺旋為是粗準(zhǔn)焦螺旋，其轉(zhuǎn)動(dòng)一周，鏡筒上升或下降10mm。位于粗準(zhǔn)焦螺旋下方較小的一對(duì)螺旋為細(xì)準(zhǔn)焦螺旋，其轉(zhuǎn)動(dòng)一周，鏡筒升降值為0.1mm，細(xì)準(zhǔn)焦螺旋調(diào)焦范圍不小于1.8mm。

　　使用方法

　　1．使用單筒顯微鏡時(shí)，要養(yǎng)成用左眼觀察的習(xí)慣（因一般用右手畫圖），觀察時(shí)要兩眼同時(shí)睜開，不要睜一只閉一只，因?yàn)檫@樣易于疲勞。為了訓(xùn)練學(xué)生習(xí)慣于兩眼同時(shí)睜開觀察，可剪一塊長(zhǎng)約14cm，寬約6cm的長(zhǎng)方形硬紙片，在靠近左端處挖一個(gè)直徑比鏡筒上端外徑略小的圓孔，把圓孔套在鏡筒上段，觀察時(shí)兩眼同時(shí)睜開，利用紙片的右端擋住右眼的視線，這樣訓(xùn)練一段時(shí)間后，就能習(xí)慣于兩眼同時(shí)睜開，然后把紙片去掉。

　　2．直筒顯微鏡的鏡臂與鏡座連接處，是一個(gè)機(jī)械關(guān)節(jié)，可用于調(diào)節(jié)鏡筒的傾斜度，便于觀察，鏡臂不能過(guò)于后傾，一般不超過(guò)40°。但是在使用臨時(shí)裝片觀察時(shí)，禁止使用傾斜關(guān)節(jié)（當(dāng)鏡筒傾斜時(shí)，載物臺(tái)也隨之傾斜，載玻片上的液體易流出），尤其是裝片內(nèi)含酸性試劑時(shí)嚴(yán)禁使用，以免污損鏡體。

　　3．目鏡和物鏡的使用

　　一般都是用一個(gè)放大倍數(shù)適中的目鏡（10×）和*低倍的物鏡開始觀察，逐步改用倍數(shù)較高的物鏡，從中找到符合實(shí)驗(yàn)要求的放大倍數(shù)。

　　轉(zhuǎn)換物鏡時(shí)，先用低倍鏡觀察，調(diào)節(jié)到正確的工作距離（成像*清晰）。如果進(jìn)一步使用高倍物鏡觀察，應(yīng)在轉(zhuǎn)換高倍物鏡之前，把物像中需要放大觀察的部分移至視野中央（將低倍物鏡轉(zhuǎn)換成高倍物鏡觀察時(shí)，視野中的物像范圍縮小了很多）。低倍物鏡和高倍物鏡基本齊焦（同高調(diào)焦）。

　　通常認(rèn)為，使用任何一個(gè)物鏡時(shí)，有效放大倍數(shù)的上限是1，000乘它的數(shù)值孔徑，下限是250乘它的數(shù)值孔徑。如40×物鏡的數(shù)值孔徑是0.65，則上、下限分別為：1000×0.65=650倍和250×0.65≈163倍，超過(guò)有效放大倍數(shù)上限的叫做無(wú)效放大，不能提高觀察效果。低于下限的放大倍數(shù)則人眼無(wú)法分辨，不利于觀察。一般*實(shí)用的放大倍數(shù)范圍是500—700乘數(shù)值孔徑之間的數(shù)字。

　　4．油浸物鏡的使用

　　使用油浸物鏡時(shí)，一般不要使用同高調(diào)焦。同高調(diào)焦只適用于每臺(tái)顯微鏡的原配物鏡，在使用低倍和高倍物鏡時(shí)，是一個(gè)極有利的方便條件，但在使用油浸物鏡時(shí)，則受到一定限制，一般地說(shuō)，用油鏡觀察未加蓋玻片 的標(biāo)本片（載玻片）時(shí)，利用同高調(diào)焦的安全度較大，而對(duì)于有蓋玻片的標(biāo)本片，要小心使用，因?yàn)橛徒镧R的工作距離很短，在設(shè)計(jì)和裝配時(shí)所考慮的同高是對(duì)標(biāo)準(zhǔn)厚度蓋玻片的。

　　用油浸物鏡時(shí)，只在標(biāo)本片上滴香柏油。觀察完畢后，要及時(shí)進(jìn)行清潔工作，如不及時(shí)進(jìn)行，香柏油粘上灰塵，擦拭時(shí)灰塵粒子可能磨損透鏡，香柏油在空氣中暴露時(shí)間長(zhǎng)，還會(huì)變稠、變干，擦拭很困難，對(duì)儀器很不利。擦拭要細(xì)心，動(dòng)作要輕。油浸物鏡前端先用干的擦鏡紙擦一兩次，把大部分油去掉，再用二甲苯滴濕的擦鏡紙擦兩次，*后再用干的擦鏡紙擦一次。標(biāo)本片上的香柏油可用“拉紙法”（即把一小張擦鏡紙蓋在香柏油上，然后在紙上滴一些二甲苯，趁濕把紙往外拉，這樣連續(xù)三四次，即可干凈，一般不會(huì)損壞未加蓋玻片的涂片標(biāo)本）擦凈。擦鏡紙也要防塵，一般在使用前，將每頁(yè)剪成8小塊，貯存在一個(gè)干凈的小培養(yǎng)皿中，用起來(lái)既節(jié)省又方便。

　　5．聚光器的使用方法

　?、?、使用聚光器的原因

　　當(dāng)放大倍數(shù)增加時(shí)，一方面由于放大倍數(shù)越高，透鏡數(shù)目越多，被透鏡吸收的光線也越多；另一方面由于視場(chǎng)（指的是所能看到被檢標(biāo)本的范圍）的亮度與放大倍數(shù)的平方成反比，即放大倍數(shù)越高，視場(chǎng)越暗。為了得到足夠的亮度，必須安裝聚光器，把光線集中到所要觀察的標(biāo)本上。

　　②、觀察時(shí)聚光器應(yīng)處的高度

　　觀察時(shí)，要保證得到*好的觀察效果，聚光器的聚光焦點(diǎn)應(yīng)正好落在標(biāo)本上。要實(shí)現(xiàn)這個(gè)條件，就必須調(diào)節(jié)聚光器的高度。當(dāng)用平行光照明時(shí)，聚光器的聚光焦點(diǎn)是在它上端透鏡平面中心上方約1.25mm之處，因此，人們常常要求在觀察時(shí)將聚光器上升到它上端透鏡平面僅稍稍低于載物臺(tái)平面的高度，這樣聚光焦點(diǎn)就可能落到位于標(biāo)準(zhǔn)厚度載玻片上的標(biāo)本上。當(dāng)使用比標(biāo)準(zhǔn)厚度薄的載玻片來(lái)承放標(biāo)本時(shí)，聚光器的位置要相應(yīng)地降低一些，而當(dāng)使用過(guò)厚地載玻片時(shí)，聚光焦點(diǎn)只能落在標(biāo)本下方，不利于精細(xì)的觀察。

　?、邸⒕酃馄髋c物鏡的配合

　　這里所謂的配合，就是使聚光器和物鏡這兩者的數(shù)值孔徑取得一致，以更好的進(jìn)行較為精細(xì)的觀察。假如聚光器的數(shù)值孔徑低于物鏡，那物鏡的部分?jǐn)?shù)值孔徑就浪費(fèi)了，從而達(dá)不到它的*高分辨力。假如把聚光器的數(shù)值孔徑大于物鏡的數(shù)值孔徑，則一方面不能提高物鏡的規(guī)定分辨力，另一方面反會(huì)由于照明光束過(guò)寬，使物象的清晰度下降。聚光器與物鏡配合的操作方法是：在完成照明、調(diào)焦操作后，取下目鏡直接向鏡筒中看，把聚光器下的可變光闌關(guān)到*小，再慢慢地開大。開到它的口徑與所見視場(chǎng)的直徑恰好一樣大*，然后按上目鏡，即可進(jìn)行觀察。每轉(zhuǎn)換一次物鏡，都要隨著進(jìn)行依次這樣的配合操作。有的聚光器可變光闌的邊框上刻有表示開啟口徑的尺度，可以根據(jù)刻度來(lái)進(jìn)行配合。

　　*注意：如果是老師用的帶有孔徑光闌而不是光圈的顯微鏡，應(yīng)該將孔徑光闌的數(shù)值孔徑（注意，不是鏡頭的物理直徑尺寸）調(diào)整為物鏡的數(shù)值孔徑（見物鏡上正中標(biāo)示，如10×物鏡可為0.30等）的80%，可以在*大分辨率與*大反差之間取得*好的平衡。

　　歷史上顯微鏡的發(fā)明和顯微鏡的每一次創(chuàng)新都給人類的認(rèn)知帶來(lái)了飛躍式的發(fā)展；給人類的生活帶來(lái)了空前的拓展。在提倡科技創(chuàng)新的今天，顯微鏡的使用已經(jīng)成為中學(xué)生的一項(xiàng)基本技能，掌握結(jié)構(gòu)，科學(xué)使用，良好維護(hù)，使之成為廣大青少年探索未來(lái)世界的一個(gè)窗口。