光學(xué)顯微鏡在過(guò)去半個(gè)多世紀(jì)以來(lái)一直是生命科學(xué)和材料科學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)工具。為了經(jīng)濟(jì)有效地使用此工具，它對(duì)了解光學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)尤其有幫助，尤其是對(duì)于每個(gè)顯微鏡的組成部分而言。
鏡片和鏡子諸如顯微鏡，望遠(yuǎn)鏡和雙筒望遠(yuǎn)鏡的光學(xué)儀器使用光學(xué)元件來(lái)產(chǎn)生物體的圖像。用于成像物體的兩個(gè)見(jiàn)的元素是凸透鏡和凹透鏡。
圖1-2：凸透鏡（左），凹透鏡（右）
鏡頭在光學(xué)顯微鏡中更為常見(jiàn)。因此，在接下來(lái)的基本顯微鏡功能探索中，我們將專注于鏡頭。凹透鏡用于反射望遠(yuǎn)鏡的成像。凹透鏡通常也用于照明，例如汽車應(yīng)用中的前燈。
通過(guò)鏡頭成像在探討這種鏡片的工作原理之前，必須弄清鏡片的關(guān)鍵術(shù)語(yǔ)和定義。曾經(jīng)（誤用）放大鏡作為燃燒玻璃的每個(gè)人都發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鏡頭對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生“熱點(diǎn)”。這就是聯(lián)絡(luò)點(diǎn)。從鏡頭中心到該焦點(diǎn)的距離稱為焦距。
當(dāng)用不同類型的凸透鏡再現(xiàn)該實(shí)驗(yàn)時(shí)，人們會(huì)發(fā)現(xiàn)焦距主要取決于透鏡的曲率。實(shí)際上，較小的曲率半徑導(dǎo)致較短的焦距。將會(huì)發(fā)現(xiàn)另一個(gè)事實(shí)：大直徑的鏡片比小直徑的鏡片更“有效”。基于這個(gè)結(jié)論，我們已經(jīng)定義了鏡頭的兩個(gè)重要的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)：焦距和光圈（直徑）。
為了簡(jiǎn)化透鏡直徑的處理，通常相對(duì)于焦距來(lái)表示。在顯微鏡領(lǐng)域，該參數(shù)稱為光圈（也稱為數(shù)值光圈na）。數(shù)值孔徑定義為na = n sinα，其中n是填充物體和透鏡之間空間的介質(zhì)的折射率，α是可以進(jìn)入透鏡的大光錐的半角（圖3）。 ）。攝影師通過(guò)物鏡的f值定義物鏡的光圈。這被定義為焦距與透鏡直徑的比率（n = f / d）（圖4）。與na值相反，較小的f值表示較大的孔徑。
圖3：顯微鏡鏡頭光圈的定義
圖4：攝影鏡頭光圈的定義
再說(shuō)一次：是什么使物體的圖像有時(shí)比物體小，有時(shí)比物體大？答案是：在給定的焦距下，相對(duì)距離決定了尺寸！
在討論圖像生成時(shí)，有一個(gè)重要的細(xì)節(jié)需要考慮：每個(gè)鏡頭都嚴(yán)格地關(guān)聯(lián)了兩個(gè)“關(guān)鍵點(diǎn)”：焦點(diǎn)（鏡頭前一個(gè)和鏡頭后一個(gè)）。
以下示例描述了鏡頭形成的圖像的典型情況：1.物體與鏡頭有無(wú)限距離
在這種情況下，假定從物體到透鏡的平行光線。它們?cè)阽R頭中重新定向，以在后焦點(diǎn)平面內(nèi)相遇并在焦點(diǎn)平面內(nèi)生成圖像。
圖5：無(wú)限距離處的物體
2.物體位于相對(duì)較大的距離處（例如，焦距的100倍）
這種情況下產(chǎn)生的圖像小于對(duì)象（約為原始對(duì)象大小的100 倍）。
圖6：遠(yuǎn)距離物體
3.物體位于鏡頭前焦距的兩倍處。
該位置創(chuàng)建的對(duì)象圖像大小與對(duì)象本身相同（復(fù)制比例為1：1）。圖像位于距鏡頭后側(cè)焦距兩倍的位置。順便說(shuō)一下，這是您從物體到圖像的短總距離。
圖7：位于焦平面兩倍處的物體
4.物體位于焦點(diǎn)的前面，但在焦距的兩倍范圍內(nèi)。
在這些條件下，將生成大于對(duì)象的圖像。
圖8：?jiǎn)谓蛊矫婧碗p焦平面之間的物體
5.物體位于鏡頭的焦點(diǎn)上。
在這種情況下，將生成一個(gè)虛擬圖像，而不是真實(shí)的圖像。光線將以平行方式離開鏡頭。除非我們使用符合情況1的條件的其他光學(xué)系統(tǒng)（例如，眼睛），否則無(wú)法找到圖像。
圖9：焦平面中的物體
為了簡(jiǎn)化對(duì)基本光學(xué)原理的理解，簡(jiǎn)化了以上描述和圖示。實(shí)際上，幾乎所有成像元件都包含一個(gè)以上的鏡頭。上面的附圖將光學(xué)元件展示為理想的“薄透鏡”。在探索了單步成像的這些標(biāo)準(zhǔn)情況之后，我們現(xiàn)在將這些發(fā)現(xiàn)應(yīng)用于兩步光學(xué)儀器：復(fù)式顯微鏡。
復(fù)式顯微鏡光學(xué)顯微鏡分兩步放大對(duì)象。在這兩個(gè)步驟中，都使用了像凸透鏡一樣起作用的光學(xué)系統(tǒng)。在上述兩種情況下使用了兩個(gè)組件：
步是將對(duì)象放置在單焦點(diǎn)和雙焦點(diǎn)之間。結(jié)果是放大的真實(shí)圖像。這種顯微鏡鏡頭（實(shí)際上是由多個(gè)鏡頭組成的光學(xué)系統(tǒng)）稱為物鏡。
然后，使用第二個(gè)鏡頭精確地在其前焦點(diǎn)上拾取該圖像。結(jié)果，我們生成一束平行光線，但不是真實(shí)圖像。該光學(xué)元件稱為目鏡。人眼能夠處理此平行光束并在其視網(wǎng)膜上生成圖像。
后，這是顯微鏡可以期望的：可以放大的物體觀察到的細(xì)節(jié)，而肉眼無(wú)法察覺(jué)。
實(shí)用提示：眼睛必須放在顯微鏡上方一小段距離。從技術(shù)上講，我們眼睛的瞳孔必須與顯微鏡的出瞳位于同一位置。當(dāng)增加顯微鏡照明的光強(qiáng)度時(shí)，可以容易地看到該出瞳。它是目鏡上方可見(jiàn)的明亮窄點(diǎn)。
當(dāng)使用雙目鏡筒兩只眼睛觀看時(shí)，正確的定位變得尤為重要。必須正確調(diào)整兩個(gè)目鏡之間的距離，以匹配眼睛的距離。
圖10：復(fù)式顯微鏡，示意圖
我們?nèi)绾闻臄z顯微圖像？由于光學(xué)顯微鏡的常規(guī)輸出是平行光線，因此必須首先生成真實(shí)圖像。幸運(yùn)的是，標(biāo)準(zhǔn)的緊湊型數(shù)碼相機(jī)像我們的眼睛一樣包括一個(gè)鏡頭（稱為物鏡）。該鏡頭可以應(yīng)付很遠(yuǎn)距離的物體。攝影師稱此距離為“無(wú)限”。換句話說(shuō)：來(lái)自這些物體的光線以平行的方式到達(dá)我們。
將緊湊型相機(jī)放在顯微鏡目鏡后面時(shí)，我們可以通過(guò)顯微鏡拍照。為了避免沮喪：這種組合所獲得的結(jié)果非常有限。這是因?yàn)榫o湊型相機(jī)的光學(xué)設(shè)計(jì)沒(méi)有考慮顯微鏡。幾個(gè)尺寸（直徑，距離）限制了實(shí)際使用。因此，為光學(xué)顯微鏡的特殊條件設(shè)計(jì)的數(shù)碼相機(jī)可用于不同的應(yīng)用。