显微镜的成像原理

众所周知，放大镜是最简单的一种光学仪器， 它实际上是一块会聚透镜（凸透镜），利用它可以将物体放大。其成像光学原理如图1-1所示。

当物体AB置于透镜焦距f以外时，得到倒立的放大实像A′B′（如图2-1（a）），它的位置在2 倍焦距以外。若将物体AB放在透镜焦距内，就可看到一个放大正立的虚象A′B′（如图2-1（b））。影像的长度与物体长度之比（A′B′/AB）就是放大镜的放大倍数（放大率）。若放大镜到物体之间的距离a近似等于透镜的焦距（a≈f），而放大镜到像间的距离b近似相当于人眼明视距离（250mm），则放大镜的放大倍数为：N=b/a=250/f。

 （a）实像放大 （b）虚像放大

图2-1 放大镜光学原理图

由上式知，透镜的焦距越短，放大镜的放大倍数越大。一般采用的放大镜焦距在10～100mm范围内，因而放大倍数在2.5～25倍之间。进一步提高放大倍数，将会由于透镜焦距缩短和表面曲率过分增大而使形成的影像变得模糊不清。为了得到更高的放大倍数，就要采用显微镜，显微镜可以使放大倍数达到1500～2000倍。

显微镜不象放大镜那样由单个透镜组成，而是由两级特定透镜所组成。靠近被观察物体的透镜叫做物镜，而靠近眼睛的透镜叫做目镜。借助物镜与目镜的两次放大，就能将物体放大到很高的倍数。图2-2所示是在显微镜中得到放大物像的光学原理图。

图2-2 显微镜光学原理图

被观察的物体AB放在物镜之前距其焦距略远一些的位置，由物体反射的光线穿过物镜，经折射后得到一个放大的倒立实象，目镜再将实像放大成倒立虚像，这就是我们在显微镜下研究实物时所观察到的经过二次放大后的物像。

在设计显微镜时，让物镜放大后形成的实像位于目镜的焦距f目之内，并使最终的倒立虚像在距眼睛250mm处成像，这时观察者看得最清晰。

三、透镜的像差

透镜成像规律是依据近轴光线得出的结论。

【近轴光线】是指与光轴接近平行（即夹角很小）的光线。

【像差】实际成像与理想成像之间的偏离。像差的存在影响象的清晰度、物和象之间的相似性、降低了光学仪器的精确性。

按像差产生原因可分为两类：一类是单色光成像时的像差，叫做单色像差。如球差、慧差、像散、像场弯曲和畸变均属单色像差；另一类是多色光成像时，由于介质折射率随光的波长不同而引起的像差，叫做色差。色差又可分为位置色差和放大率色差。

1.球差

透镜成像的主要缺陷就是球面差和色差（波长差）。球面差是指由于球面透镜的中心部分和边缘部分的厚度不同，造成不同折射现象，致使来自于试样表面同一点上的光线经折射后不能聚集于一点（图2-3），因此使影像模糊不清。球面像差的程度与光通过透镜的面积有关。光圈放得越大，光线通过透镜的面积越大，球面像差就越严重；反之，缩小光圈，限制边缘光线射入，使用通过透镜中心部分的光线，可减小球面像差。但光圈太小，也会影响成像的清晰度。色差的产生是由于白光中各种不同波长的光线在穿过透镜时折射率不同，其中紫色光线的波长最短，折射率最大，在距透镜最近处成像；红色光线的波长最长，折射率最小，在距透镜最远处成像；其余的黄、绿、蓝等光线则在它们之间成像。这些光线所成的像不能集中于一点，而呈现带有彩色边缘的光环。色差的存在也会降低透镜成像的清晰度，也应予以校正。通常采用单色光源（或加滤光片），也可使用复合透镜。如图2-3所示。

（a）球面像差（b）色差

图2-3 透镜产生像差的示意图

2.场曲

垂直于透镜光轴的物体经过透镜折射后，每一物点均能得到一个像点，但全部像点不在一个平面上，即最清晰的像呈现在一个曲面上，这种像差称为场曲。

3.畸变

影响像与物几何相似性的像差称为畸变。畸变也是由于光束的倾斜度较大而引起的，造成透镜近轴部分的放大率与边缘部分放大率不一致。

显微镜的物镜和目镜

一、物镜

（一）物镜的类型

1.消色差及平场消色差物镜

消色差物镜限于校正黄绿光范围的球差，校正红绿光范围的色差。

平场消色差物镜对场曲和象散作进一步校正。

2.复消色差及平面复消色差物镜

复消色差物镜的轴向色差在红、绿、紫三个光区内均已校正。球差校正的范围为绿光、紫光区，存在部分的垂轴色差。

平场复消色差物镜具有复消色差物镜的优点、场曲也得到进一步校正。

3.半复消色差物镜

（二）物镜的构造

各种透镜固定在金属圆筒内的复式透镜组。

（三）物镜的性能

物镜质量优劣与像差校正程度有关。

1.数值孔径

数值孔径表征物镜的聚光能力，严重影响显微镜的分辨力。

①介质的折射率n增大，NA变大。常用油作为介质。

②增大α，NA变大。措施有：增加透镜的直径，但是给像差的校正带来困难；缩短物镜的焦距，这是目前常用的方法。实际上α最大不能大于70°。

2.分辨能力

用能分辨两点间最小距离d的倒数1/d表示。

此外，实际上衍射现象限制了物镜的分辨能力。

成像时，目镜进一步对物镜的像放大，但不能提高分辨力。因此，显微镜的分辨力主要决定于物镜的分辨能力。

3.放大倍数

→M有效=500～1000NA。

4.景深

【景深】对高低不平的物体的能清晰成像的能力。

景深一般是以物体能同时清晰成像时最高点到最低点之间的距离。

（四）物镜的工作距离

指第一个物镜晶片到被观察物体之间的轴向距离。

一般高倍物镜的工作距离只有0.2～0.3mm。为此在物镜内装有弹簧起缓冲作退让作用。

（五）物镜的标志

1.物镜类型

消色差物镜一般不标符号。例如

复消色差物镜——“FS”；平场消色差物镜——“PC”；平场半复消色差物镜——“PF”。

2.放大倍数

放大倍数用数字和符号表示，有时省去符号，如40×。有时物镜把焦距刻在外壳上。

3.数值孔径

直接标在外壳上，往往略去“NA”符号。

放大倍数和数值孔径联合标识，如40×/0.65。

4.机械镜筒长

长度不同的物镜不能互换。

5.盖玻片厚度

6.介质符号

 

二、目镜

可起放大、校正像差作用。

（一）惠更斯目镜图

特点：

1.不能单独作为放大镜使用，又称负型目镜。

2.结构简单，价格便宜，未校正像差。

（二）补偿目镜图

特点：

1.可以单独作为放大镜使用，又称正型目镜。

2.具有“色过正”特性，即过度地校正了垂轴色差，适合于平场消色差物镜、平场复消色差物镜。

3.像差校正较好。

（三）摄影目镜图

特点类似于补偿目镜，还能在规定的放大倍数范围内，可得到足够平坦的像面。

（四）测微目镜

1.固定式测微目镜

相似于负型目镜，在目镜的光阑处加入一片有刻度的分划板。

2.游动式测微目镜

目镜上装有固定的刻度玻璃外，还有一块可以移动的玻璃片。

显微镜的照明系统

调整光束、改变采光方式、完成光线行程的转换。

一、光源及其使用方法

（一）光源

要求：足够的发光强度，并可调；发光均匀；发热小；光源位置可调；光源寿命长、成本低等。

1.低压钨丝灯（白炽灯）

特点：结构简单、价格低廉、发光面积小、光强度高而且均匀，但是发光效率低（10%）、亮度低、寿命短等。

2.卤钨灯

特点：发光效率高，体积小，亮度高。

3.氙灯

特点：发光效率高，体积小，发光稳定，光强度大等。

（二）光源使用方法

1.科勒照明

2.临界照明

二、垂直照明器及照明方式

【垂直照明器】借助一套专门的装置，将金相显微镜的侧向光线垂直转向的装置。有平面玻璃反射镜、全反射棱镜、暗场用环形反射镜。

照明方式有明场照明、暗场照明。

（一）明场照明

光路：光源物镜→试样表面→反射光→物镜。

这样试样表面平坦部分在视场中明亮，而凹陷部位在视场中呈现黑色。

1.垂直光照明

最基本的照明法。照明时，光线均匀垂直射在试样表面，被浸湿后的式样凹凸处无阴影产生，得到清晰平坦的图像。

光路：水平光线→45°平面镜→垂直射到物镜→试样→反射光经物镜成像→平面镜→目镜。

特点：

（1）光线强度损失较大。普通的损失率高达90%，若涂一层硫化锌、硫化银高反射系数镀层，制成半反射半透射的反射镜，可减少损失。

（2）图像亮度低，衬度低，缺乏立体感。

（3）光线充满物镜，使得图像的分辨力提高。

2.斜射照明

照明光线与显微镜体的光轴至少倾斜30°。

特点：提高分辨力，可呈现跟多显微组织细节，并使试样表面凸出部分产生阴影，增加了影像衬度和立体感。

（1）调节孔径光阑中心位置

调整孔径光阑→偏离光轴中心→物镜→斜射光射在试样表面。

注意：光阑偏移量和斜射光角度，否则出现浮雕图像而失真。

（2）棱镜反射照明

在垂直照明器内将棱镜作为折光元件。

特点：

光损失极少，镜筒内炫光少，图像亮度大，衬度高。但是棱镜挡住了物镜孔径的一半，使得有效值孔径减小，分辨能力下降。适合低放大倍数下使用。

（二）暗场照明

1.原理

照明光束从物镜周边以很大的角度投射到试样表面。这样，试样抛光部分的光线不会进入视场，而被腐蚀的组织凹陷部分的一部分光线能进入视场成像。于是试样的组织便以明亮的物象呈现在暗黑的视场内，故为暗场照明。

2.特点和应用

（1）物镜有效数值孔径增加，提高了物镜的分辨力。可以观察到超微粒子。

（2）减轻了光线多次通过物镜界面引起的反射和炫光，提高了衬度。

（3）能观察非金属夹杂物的透明度及其固有色彩，有利于鉴别非金属夹杂物。

3.暗场照明的调节使用

在明场照明下观察试样组织后，按下列步骤进行暗场观察。

（1）将暗场反射聚光镜安装在物镜座上，将环形光阑插入光程中，推入环形反射镜。

（2）调节暗场反射聚光使其焦点刚好在试样表面。

（3）在暗场观察时，将孔径光阑开大作为视场光阑。调节视场光阑，以控制环状光束的粗细。

（4）进行调焦操作使像清晰。

三、显微镜的光学行程图

1.直立式（正置式）

要求：试样表面与载物台平行；试样不能太大。

2.倒立式

要求：试样不能过重。

四、光阑

作用：①改善光学系统成像质量。②决定通过系统的光通量。③拦截系统中有害的杂散光等。

1.孔径光阑

位于光源聚光镜之后，用来控制物镜孔径角。

孔径光阑↓→孔径角↓→景深↑，消除宽光束单色像差，提高衬度；分辨力↓。

孔径光阑调节时，视野内的亮度也会发生变化，但这不是目的。调整亮度应采用更换光源或调节光源电压等措施。

2.视场光阑

限制光学系统成像范围的光阑称为视场光阑。应调整到目镜观察到的视场不再增大为止。

五、滤色片

1.增加多相合金组织在金相照片（黑白）上的衬度。

2.有助于鉴别带有色彩组织的微细部分。

3.校正消色差物镜的残余色差。

4.提高物镜的分辨能力。

 

显微镜的机械系统

显微镜的机械系统主要包括以下几个部分：

1.底座、镜臂、托架

2.载物台

3.镜筒

4.调焦机构

显微镜的调整与使用

一、光源的调整

1.照明均匀性——光源灯丝的位置不在光轴上，使聚光后的光束不对称。

2.视场亮度——光源发出的光线经聚光后不落在孔径光阑的平面上。

调整：

1.调整光源使之位于光轴上——把孔径光阑开大，将一小张图纸或毛玻璃片放在孔径光阑处，径向调整光源，观察光阑，将灯丝影像调到光阑中心。

2.调整亮度——调节灯丝的轴向位置，使灯丝影像调到最小，即灯丝在孔径光阑中心聚焦。

二、测微目镜的校正

原因：镜头的实际放大倍数与公称放大倍数不一致。

校正方法：

将物镜测微尺放在载物台上→调焦使测微尺的第n格与测微目镜的m格对齐→则目镜中每一小格的实际长度为

三、载物台机械中心的调整

要求载物台的机械中心与光学系统的主光轴同心。移动载物台，使测微目镜中的十字线与刻度尺的十字线重合、直到中心重合或调到很小的同心圆为止。

四、显微镜的调焦

利用粗调和细调手轮，将载物台上的式样与物镜之间调整到合适的距离，获得清晰图像。

1.先用低倍作概略观察，再换作高倍研究细节。2.消色差物镜调焦时应以中心清晰为准。

五、油浸系物镜的使用

凡物镜前透镜与试样间的介质为液体的物镜，称为液浸系物镜。

油浸系物镜的数值孔径大、放大倍数也高，而工作距离很小

金相显微镜的维护保养

一、光学零件的维护和保养

1.生霉和起雾

生霉：镜头表面呈现出蜘蛛丝状物质

雾：镜头表面出现微小露水状的一层物质

防止：放在干燥、通风处。镜头用完放入干燥器内

2.脱胶

原因：外界温度巨变，胶层与玻璃膨胀系数不同、受到较大振动与冲击或有机液体浸入胶层。

3.划伤、裂纹和破损

光学零件表面，为了提高其光学性质，常涂镀上一层不同性质的薄膜，维护和擦拭时容易脱落