显微镜结构

什么是显微镜？

显微镜是用于放大微小物体的图像以供目视或摄影用途的仪器。显微镜必须具备三项功能：产生放大图像，呈现图像中的细节，并使人眼或摄像头可以看到这些细节。这类仪器设计包括多透镜显微镜（带有物镜和聚光镜）和简易单透镜显微镜（通常手持，例如放大镜）。

简易复式显微镜的部件

下图1所示的显微镜是一种简易复式显微镜，由英国显微镜学家Robert Hooke在17世纪60年代发明。

Hooke显微镜的部件

这台制作精美的显微镜在样本附近有一个物镜，通过转动显微镜机身使物镜靠近或远离样本进行聚焦。在显微镜顶部插入目镜，在许多情况下，镜筒内有一个内置透镜来放大视野。

图1中的显微镜通过油灯和充满水的球形瓶进行照明（见图1）。油灯发出的光在通过球形瓶汇聚后，然后通过安装在球形瓶上的透镜聚焦到样本上。早期的显微镜存在色差（和球差），所有在白光下观察的图像都有蓝色或红色的“光晕”。

显微镜和眼睛之间的关系

由于许多显微镜使用者需要用眼直接观察，因此了解显微镜和眼睛之间的关系非常重要。人眼可以分辨的光谱范围是从紫色、蓝色、绿色、黄色、橙色到红色；然而，但无法感知紫外线或红外线。

从黑色到白色，人眼可以感知其间亮度和强度的差异以及所有的亮度灰阶。因此，为了让眼睛看到图像，图像必须以可见光谱的颜色以及不同的光强度来呈现。

我们眼睛用来感知颜色的受体叫做视锥细胞。区分强度而非颜色的细胞是视杆细胞。每一种细胞都位于眼睛内侧后部的视网膜上。眼睛前部（见图2），包括虹膜、弯曲的角膜和晶状体，会接受光线并将其聚焦在视网膜上。

为了清晰地看到图像，图像必须以足够的视角在视网膜上传播。除非光线落在不相邻的视网膜细胞行上（放大倍率和图像扩展的功能），否则我们无法将紧密的细节加以区分或解析。此外，相邻细节以及背景之间必须有足够的对比度，以使放大后的分辨解析图像可见。

因为眼睛的晶状体改变形状的能力有限，所以非常靠近眼睛的物体无法将图像聚焦到视网膜上。可接受的常规观看距离为10英寸或者25厘米。

显微镜的历史

简易显微镜

500多年前，简易玻璃放大镜以凸透镜的形式设计（中心比边缘厚）。然后，可以使用放置在物体和眼睛之间的放大镜对样本或物体进行聚焦。这些简易显微镜可以通过增加视网膜上的视角来放大视网膜上的图像。

简易显微镜或放大镜在17世纪由安东·列文虎克进行了改进。他能够用一个简易显微镜看到单细胞动物（他称之为“微生物”），甚至一些更大的细菌，如下图3所示。

这个放大镜所产生的图像（通过手持靠近观察者的眼睛）看起来好像图像与物体位于透镜的同一侧。这类图像就像距离眼睛25厘米的图像，被称为虚拟图像，无法在胶片上拍摄。

简易显微镜的部件

复式显微镜

大约在17世纪初，通过荷兰的詹森兄弟和意大利的伽利略的努力，诞生了复式显微镜（见图4中的显微镜）。

复式显微镜的部件

删除最简单的复式显微镜由两个串接排列的凸透镜组成：一个对物的透镜（物镜）靠近物体或样本，一个眼睛查看的透镜（目镜）靠近观察者的眼睛（通过调整样本和显微镜透镜的位置来调焦）。物镜将放大的图像投射到显微镜的机身镜筒中，然后目镜进一步放大物镜投射的图像。因此，复式显微镜实现了两级放大。

17世纪和18世纪的复式显微镜面临光学像差（包括色差和球差）的难题，这种缺陷因使用多个透镜而变得严重。由于像差问题，这些显微镜的效果实际上不如当时的单透镜显微镜。这些显微镜产生的图像往往模糊不清，并带有由色差导致的彩色光晕，这不仅降低了图像质量，还影响了分辨率。

在18世纪中期，透镜制造商发现，通过将两个由不同色散的玻璃制成的透镜组合在一起，可以减少或消除大部分色差。这一发现首先应用于望远镜，而望远镜的透镜比显微镜大得多。直到19世纪初，经过色差校正的透镜才在复式显微镜中变得常见。

复式显微镜的进步

十八世纪和十九世纪，复式显微镜的机械和光学质量有了很大的提高。机床的进步能够制造更复杂的部件。到19世纪中期，黄铜已成为制造高质量显微镜的首选合金。

在此期间，许多英国和德国显微镜制造商得到了蓬勃发展。他们的显微镜在设计和生产质量上差异很大，但定义其光学特性的总体原则仍然相对一致。下图5所示的显微镜是由休·鲍威尔和彼得·利兰德于1850年左右制造。三脚架底座为显微镜提供了坚固的支撑，许多人认为这是当时删除最先进的显微镜。

鲍威尔和利兰德显微镜的部件示意图

19世纪末，显微镜制造商之间出现了激烈的竞争。因此，显微镜的设计和生产成本变得日益重要。黄铜是显微镜制造商的首选材料，价格非常昂贵。此外，对显微镜机身和其他用黄铜加工的部件进行加工、抛光和上漆也是一项漫长的工作。为了节省开支，显微镜制造商首先开始对显微镜机身和支架的外部，以及载物台和其他非活动部件进行喷漆。

20世纪的显微镜

在20世纪的前25年，许多显微镜制造商开始在显微镜框架和载物台上用铸铁代替黄铜。铁要便宜得多，而且涂成黑色时无法与黄铜区分开来。制造商还开始对许多关键的黄铜部件进行电镀，例如旋钮、物镜筒、物镜旋座、目镜和机械载物台组件（如下图6所示）。

这些20世纪早期的显微镜仍然遵循着一个共同的设计主题。它们是单目显微镜，带有一个台下反射镜，与外部光源一起用来照亮样本。这一时期的典型显微镜是图6所示的蔡司实验室显微镜。这种类型的显微镜功能非常强大，许多至今仍在使用。

蔡司实验室显微镜的部件

现代显微镜

现代显微镜的设计和性能已经远远超出了20世纪中期以前制造的显微镜。玻璃配方得到了极大的改进，使其能够更好地校正光学像差。合成防眩光透镜涂层现在非常先进。集成电路技术使制造商能够生产出将微处理器集成到显微镜底座中的“智能”显微镜。显微照相比以往任何时候都更容易，其附件可以监测光强度，根据胶片速度计算曝光，并自动执行复杂的任务，例如包围、多重曝光和延时照相。

图7所示的显微镜是奥林巴斯Provis AX70研究显微镜。该显微镜于20世纪90年代推出，具有复杂的设计，包括多个照明器（落射和透射）、分析仪和偏振器、DIC棱镜、荧光附件和相衬功能。显微照相系统具有光斑测量、自动曝光控制和变焦放大功能，可灵活、方便地进行取景。Y形框架有助于改善人体工程学和易用性。今天，显微镜制造商继续开发新的显微镜技术，以提高用户舒适度、易用性，并支持新的研究。

奥林巴斯Provis AX 70显微镜的部件

显微镜的实际用途

几乎每个人都曾在某个时候通过光学显微镜观察过世界。对于大多数人来说，这种经历发生在高中或大学的生物课上，但是一些科技创业者已经单独或作为科技工具套件的一部分购买了自己的显微镜。

长期以来，通过显微镜或显微照相拍摄照片一直是科学家们的有用工具。生物和医学科学很大程度上依赖显微镜来解决与标本形态特征有关的问题，并作为记录光学特征和数据的定量工具。通过这种方式，光学显微镜被证明是研究生命奥秘的有用工具。

由于需要观察新的高科技材料和集成电路的表面特征，显微镜已成为物理和材料科学以及半导体行业中的一种常用工具。经证明，显微镜也对法医科学家很有用处，他们必须检查头发、纤维、衣服、血迹、子弹和其他与犯罪有关的物品。现代荧光染色和单克隆抗体技术的进步为荧光显微镜在生物医学分析和细胞生物学中的应用铺平了道路。

生物医学显微镜与材料显微镜的区别

生物医学显微镜和材料显微镜的基本区别在于显微镜如何将光投射到样品上。在经典的生物显微镜中，光线穿过或透射过非常薄的样本，使用物镜聚焦，然后进入显微镜目镜。

而观察集成电路（现代计算机进行运算的基础）的表面时，光线穿过物镜，然后从样品表面反射回显微镜物镜。在科学术语中，透射光显微镜和反射光显微镜分别被称为透射和反射照明显微镜。我们照片库中的显微照片来自透射和反射光学显微镜科学研究。

显微镜的一个常见问题是，当光线穿过非常薄的样品或从具有高反射率的表面反射时，产生的对比度很差。为了克服对比度不佳的问题，已经开发了各种光学技术来提高对比度并在样本中实现颜色变化。这些光学技术包括：

• 偏光
• 相衬成像
• 微分干涉
• 荧光照明
• 暗场照明
• 莱茵贝格照明
• 霍夫曼调制对比
• 使用各种明胶滤光片

在本入门教程的专业显微镜技术部分中可以找到这些光学技术的详细介绍。为方便起见，参考文献以经典书目形式和网站链接形式提供。这些资源可以帮助您和其他人了解显微镜和显微摄影。