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光學(xué)顯微鏡的基本構(gòu)造

時間：2022-04-11 09:14:40 數(shù)碼我要投稿

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　　導(dǎo)語：光學(xué)顯微鏡在生物學(xué)中已經(jīng)非常的廣泛了，在各大領(lǐng)域都能用到，如何做到了解顯微鏡的使用方法，那就需要了解顯微鏡的基本構(gòu)造，才能知道怎么使用。下面小編介紹一下光學(xué)顯微鏡的基本構(gòu)造吧!

　　光學(xué)顯微鏡的基本構(gòu)造

　　鏡座

　　位于顯微鏡底部，呈馬蹄形，它支持全鏡。

　　鏡臂

　　位于鏡筒后面，為弓形，起支持鏡筒和搬移顯微鏡時握持部位。有固定和活動式兩種，鏡臂可改變角度。

　　鏡柱

　　是在鏡座后方中部直立向上的部分，支持鏡臂及以上部分。

　　轉(zhuǎn)換器

　　位于鏡筒下方，為兩個金屬碟合成的一個轉(zhuǎn)盤，有3~4個圓孔，可裝配不同放大率的物鏡，可使每個物鏡通過鏡筒與目鏡構(gòu)成一個放大系統(tǒng)。

　　載物臺

　　也叫工作臺或鏡臺，方形或圓形，為放置標(biāo)本之用。載物臺上有兩個金屬壓夾，用作固定玻片標(biāo)本。有的載物臺上裝有玻片移動器，可固定和移動標(biāo)本之用。載物臺中央有一通光孔，反射鏡反射上來的光線，通過通光孔而透到標(biāo)本上。

　　調(diào)焦裝置

　　為了得到清晰的圖像，必須調(diào)節(jié)物鏡與標(biāo)本之間的距離，使物鏡的焦點對準(zhǔn)標(biāo)本，這一操作叫調(diào)焦。在顯微鏡的鏡臂上裝有大小螺旋各一對。大的叫粗動調(diào)焦螺旋每旋轉(zhuǎn)一周可使鏡筒升降20毫米;小的微動調(diào)焦螺旋，每旋轉(zhuǎn)一周可使鏡筒升降0.1毫米或更小。由于顯微鏡型號的不同，調(diào)焦有不同方式。較新型的顯微鏡，借助調(diào)焦螺旋，使載物臺升降進(jìn)行調(diào)焦。

　　物鏡

　　安裝在鏡筒下端的物鏡轉(zhuǎn)換器下方，因為它靠近被視物體，故又稱接物鏡。物鏡是決定顯微鏡性能如分辨力的最重要的構(gòu)件。物鏡的作用是將標(biāo)本第一次放大成倒像。一臺顯微鏡備有數(shù)個物鏡，每個物鏡由數(shù)片不同球面半徑的透鏡組成。物鏡下端的透鏡口徑越小，鏡筒越長，其放大倍數(shù)越高;否則反之。物鏡有低倍物鏡和高倍物鏡，其放大倍數(shù)一般刻在物鏡的鏡筒上，例如4×、8×、10×、40×、45×、65×、90×、100×，分別表示4倍、8倍、10倍……。其中40-65倍叫高倍物鏡，90或100倍的稱為油浸物鏡(使用時需在標(biāo)本和物鏡之間加入折射率大于1，而與玻璃折射率相近的液體，如香柏油作為介質(zhì))。

　　目鏡

　　安裝在鏡筒上端，因為它靠近觀察者的眼睛，又稱接目鏡。目鏡的作用是將由物鏡放大的實像進(jìn)一步放大成一個起立的虛像，其作用相當(dāng)于一個放大鏡。但它并不增加顯微鏡的分辨力。目鏡的鏡筒內(nèi)可安裝一段頭發(fā)，在視野內(nèi)則為一黑線，叫做“指針”，可以指示所觀察的部位。根據(jù)需要，目鏡內(nèi)也可安裝測微尺，用以測量所觀察物體的大小。一般顯微鏡備有幾個放大倍數(shù)不同的目鏡，其放大倍數(shù)刻在目鏡邊框上，如5×、10×、15×等。(顯微鏡的總放大倍數(shù)=物鏡放大倍數(shù)×目鏡放大倍數(shù))

　　聚光鏡

　　安裝在載物臺下方支架上，主要由聚光鏡和可變光闌組成。聚光鏡作用是會聚由反射鏡反射來的光線，增加標(biāo)本的照明�？勺児怅@位于聚光鏡下方，又稱光圈，由十余片金屬薄片組成，中心部分形成圓孔。推動楞變光闌把手，可調(diào)節(jié)圓孔大小，以調(diào)節(jié)光線的強(qiáng)弱。升降聚光器，也可調(diào)節(jié)照明強(qiáng)度。在可變光闌下面，還有一個圓形的濾光片架，可根據(jù)鏡檢需要放置濾光片。

　　反射鏡

　　又叫反光鏡。安裝在聚光器或轉(zhuǎn)盤下方，其作用是把光源投射來的光向上反射到聚光器直到標(biāo)本等。它楞以朝任意方向旋轉(zhuǎn)以對準(zhǔn)光源。反射鏡通常一面是平面鏡，另一面是凹面鏡。沒有聚光器的顯微鏡，使用低物鏡時用平面鏡，使用高倍物鏡時則用凹面鏡，因凹面鏡也會有聚光作用。有聚光器的顯微鏡，一般用平面鏡，如果室內(nèi)光線弱時，則可使用凹面鏡。

　　顯微鏡的工作原理

　　光學(xué)顯微鏡由兩組鏡片(目鏡和物鏡)組成，每組鏡片相當(dāng)于一個凸透鏡。物鏡的焦距很短，目鏡的焦距較長。工作原理：物體先經(jīng)過物鏡成放大的實像，再經(jīng)目鏡成放大的虛像，二次放大，便能看清楚微小的物體。

　　1、顯微鏡的基本光學(xué)原理

　　(一) 折射和折射率

　　光線在均勻的各向同性介質(zhì)中，兩點之間以直線傳播，當(dāng)通過不同密度介質(zhì)的透明物體時，則發(fā)生折射現(xiàn)象，這是由于光在不同介質(zhì)的傳播速度不同造成的。當(dāng)與透明物面不垂直的光線由空氣射入透明物體(如玻璃)時，光線在其介面改變了方向，并和法線構(gòu)成折射角。

　　(二) 透鏡的性能

　　透鏡是組成顯微鏡光學(xué)系統(tǒng)的最基本的光學(xué)元件，物鏡目鏡及聚光鏡等部件均由單個和多個透鏡組成。依其外形的不同，可分為凸透鏡(正透鏡)和凹透鏡(負(fù)透鏡)兩大類。

　　當(dāng)一束平行于光軸的光線通過凸透鏡后相交于一點，這個點稱"焦點"，通過交點并垂直光軸的平面，稱"焦平面"。焦點有兩個，在物方空間的焦點，稱"物方焦點"，該處的焦平面，稱"物方焦平面";反之，在象方空間的焦點，稱"象方焦點"，該處的焦平面，稱"象方焦平面"。

　　光線通過凹透鏡后，成正立虛像，而凸透鏡則成正立實像。實像可在屏幕上顯現(xiàn)出來，而虛像不能。

　　(三) 凸透鏡的五種成象規(guī)律

　　1. 當(dāng)物體位于透鏡物方二倍焦距以外時，則在象方二倍焦距以內(nèi)、焦點以外形成縮小的倒立實象;

　　2. 當(dāng)物體位于透鏡物方二倍焦距上時，則在象方二倍焦距上形成同樣大小的倒立實象;

　　3. 當(dāng)物體位于透鏡物方二倍焦距以內(nèi)，焦點以外時，則在象方二倍焦距以外形成放大的倒立實象;

　　4. 當(dāng)物體位于透鏡物方焦點上時，則象方不能成象;

　　5. 當(dāng)物體位于透鏡物方焦點以內(nèi)時，則象方也無象的形成，而在透鏡物方的同側(cè)比物體遠(yuǎn)的位置形成放大的直立虛象。

　　2 光學(xué)顯微鏡的成象(幾何成象)原理

　　只有當(dāng)物體對人眼的張角不小于某一值時，肉眼才能區(qū)別其各個細(xì)部，該量稱為目視分辨率ε。在最佳條件下，即物體的照度為50~70lx及其對比度較大時，可達(dá)到1'。為易于觀測，一般將該量加大到2'，并取此為平均目鏡分辨率。

　　物體視角的大小與該物體的長度尺寸和物體至眼睛的距離有關(guān)。有公式y(tǒng)=Lε

　　距離L不能取得很小，因為眼睛的調(diào)節(jié)能力有一定限度，尤其是眼睛在接近調(diào)節(jié)能力的極限范圍工作時，會使視力極度疲勞。對于標(biāo)準(zhǔn)(正視)而言，最佳的視距規(guī)定為250mm(明視距離)。這意味著，在沒有儀器的條件下，目視分辨率ε=2'的眼睛，能清楚地區(qū)分大小為0.15mm的物體細(xì)節(jié)。

　　在觀測視角小于1'的物體時，必須使用放大儀器。放大鏡和顯微鏡是用于觀測放置在觀測人員近處應(yīng)予放大的物體的。

　　(一) 放大鏡的成像原理

　　表面為曲面的玻璃或其他透明材料制成的光學(xué)透鏡可以使物體放大成像，光路圖如圖1所示。位于物方焦點F以內(nèi)的物AB，其大小為y，它被放大鏡成一大小為y'的虛像A'B'。

　　放大鏡的放大率

　　Γ=250/f'

　　式中250--明視距離，單位為mm

　　f'--放大鏡焦距，單位為mm

　　該放大率是指在250mm的距離內(nèi)用放大鏡觀察到的物體像的視角同沒有放大鏡觀察到的物體視角的比值。

　　(二) 顯微鏡的成像原理

　　顯微鏡和放大鏡起著同樣的作用，就是把近處的微小物體成一放大的像，以供人眼觀察。只是顯微鏡比放大鏡可以具有更高的放大率而已。

　　圖2是物體被顯微鏡成像的原理圖。圖中為方便計，把物鏡L1和目鏡L2均以單塊透鏡表示。物體AB位于物鏡前方，離開物鏡的距離大于物鏡的焦距，但小于兩倍物鏡焦距。所以，它經(jīng)物鏡以后，必然形成一個倒立的放大的實像A'B'。 A'B'位于目鏡的物方焦點F2上，或者在很靠近F2的位置上。再經(jīng)目鏡放大為虛像A''B''后供眼睛觀察。虛像A''B''的位置取決于F2和A'B'之間的距離，可以在無限遠(yuǎn)處(當(dāng)A'B'位于F2上時)，也可以在觀察者的明視距離處(當(dāng)A'B'在圖中焦點F2之右邊時)。目鏡的作用與放大鏡一樣。所不同的只是眼睛通過目鏡所看到的不是物體本身，而是物體被物鏡所成的已經(jīng)放大了一次的像。

　　(三) 顯微鏡的重要光學(xué)技術(shù)參數(shù)

　　在鏡檢時，人們總是希望能清晰而明亮的理想圖象，這就需要顯微鏡的各項光學(xué)技術(shù)參數(shù)達(dá)到一定的標(biāo)準(zhǔn)，并且要求在使用時，必須根據(jù)鏡檢的目的和實際情況來協(xié)調(diào)各參數(shù)的關(guān)系。只有這樣，才能充分發(fā)揮顯微鏡應(yīng)有的性能，得到滿意的鏡檢效果。

　　顯微鏡的光學(xué)技術(shù)參數(shù)包括：數(shù)值孔徑、分辨率、放大率、焦深、視場寬度、覆蓋差、工作距離等等。這些參數(shù)并不都是越高越好，它們之間是相互聯(lián)系又相互制約的，在使用時，應(yīng)根據(jù)鏡檢的目的和實際情況來協(xié)調(diào)參數(shù)間的關(guān)系，但應(yīng)以保證分辨率為準(zhǔn)。

　　1. 數(shù)值孔徑

　　數(shù)值孔徑簡寫NA，數(shù)值孔徑是物鏡和聚光鏡的主要技術(shù)參數(shù)，是判斷兩者(尤其對物鏡而言)性能高低的重要標(biāo)志。其數(shù)值的大小，分別標(biāo)刻在物鏡和聚光鏡的外殼上。

　　數(shù)值孔徑(NA)是物鏡前透鏡與被檢物體之間介質(zhì)的折射率(n)和孔徑角(u)半數(shù)的正弦之乘積。用公式表示如下：NA=nsinu/2

　　孔徑角又稱"鏡口角"，是物鏡光軸上的物體點與物鏡前透鏡的有效直徑所形成的角度�？讖浇窃酱螅M(jìn)入物鏡的光通亮就越大，它與物鏡的有效直徑成正比，與焦點的距離成反比。

　　顯微鏡觀察時，若想增大NA值，孔徑角是無法增大的，唯一的辦法是增大介質(zhì)的折射率n值。基于這一原理，就產(chǎn)生了水浸物鏡和油浸物鏡，因介質(zhì)的折射率n值大于1，NA值就能大于1。

　　數(shù)值孔徑最大值為1.4，這個數(shù)值在理論上和技術(shù)上都達(dá)到了極限。目前，有用折射率高的溴萘作介質(zhì)，溴萘的折射率為1.66,所以NA值可大于1.4。

　　這里必須指出，為了充分發(fā)揮物鏡數(shù)值孔徑的作用，在觀察時，聚光鏡的NA值應(yīng)等于或略大于物鏡的NA值。

　　數(shù)值孔徑與其他技術(shù)參數(shù)有著密切的關(guān)系，它幾乎決定和影響著其他各項技術(shù)參數(shù)。它與分辨率成正比，與放大率成正比，與焦深成反比，NA值增大，視場寬度與工作距離都會相應(yīng)地變小。

　　2. 分辨率

　　顯微鏡的分辨率是指能被顯微鏡清晰區(qū)分的兩個物點的最小間距，又稱"鑒別率"。其計算公式是σ=λ/NA

　　式中σ為最小分辨距離;λ為光線的波長;NA為物鏡的數(shù)值孔徑�？梢娢镧R的分辨率是由物鏡的NA值與照明光源的波長兩個因素決定。NA值越大，照明光線波長越短，則σ值越小，分辨率就越高。

　　要提高分辨率，即減小σ值，可采取以下措施

　　(1) 降低波長λ值，使用短波長光源。

　　(2) 增大介質(zhì)n值以提高NA值(NA=nsinu/2)。

　　(3) 增大孔徑角u值以提高NA值。

　　(4) 增加明暗反差。

　　3. 放大率和有效放大率

　　由于經(jīng)過物鏡和目鏡的兩次放大，所以顯微鏡總的放大率Γ應(yīng)該是物鏡放大率β和目鏡放大率Γ1的乘積：

　　Γ=βΓ1

　　顯然，和放大鏡相比，顯微鏡可以具有高得多的放大率，并且通過調(diào)換不同放大率的物鏡和目鏡，能夠方便地改變顯微鏡的放大率。

　　放大率也是顯微鏡的重要參數(shù)，但也不能盲目相信放大率越高越好。顯微鏡放大倍率的極限即有效放大倍率。

　　分辨率和放大倍率是兩個不同的但又互有聯(lián)系的概念。有關(guān)系式：500NA<Γ<1000NA

　　當(dāng)選用的物鏡數(shù)值孔徑不夠大，即分辨率不夠高時，顯微鏡不能分清物體的微細(xì)結(jié)構(gòu)，此時即使過度地增大放大倍率，得到的也只能是一個輪廓雖大但細(xì)節(jié)不清的圖像，稱為無效放大倍率。反之如果分辨率已滿足要求而放大倍率不足，則顯微鏡雖已具備分辨的能力，但因圖像太小而仍然不能被人眼清晰視見。所以為了充分發(fā)揮顯微鏡的分辨能力，應(yīng)使數(shù)值孔徑與顯微鏡總放大倍率合理匹配。

　　4. 焦深

　　焦深為焦點深度的簡稱，即在使用顯微鏡時，當(dāng)焦點對準(zhǔn)某一物體時，不僅位于該點平面上的各點都可以看清楚，而且在此平面的上下一定厚度內(nèi)，也能看得清楚，這個清楚部分的厚度就是焦深。焦深大, 可以看到被檢物體的全層，而焦深小，則只能看到被檢物體的一薄層，焦深與其他技術(shù)參數(shù)有以下關(guān)系：

　　(1) 焦深與總放大倍數(shù)及物鏡的數(shù)值孔徑成反比。

　　(2) 焦深大，分辨率降低。

　　由于低倍物鏡的景深較大，所以在低倍物鏡照相時造成困難。

　　5. 視場直徑(Field Of View)

　　觀察顯微鏡時，所看到的明亮的圓形范圍叫視場，它的大小是由目鏡里的視場光闌決定的。

　　視場直徑也稱視場寬度，是指在顯微鏡下看到的圓形視場內(nèi)所能容納被檢物體的實際范圍。視場直徑愈大，愈便于觀察。

　　有公式 F=FN/β

　　式中F: 視場直徑，F(xiàn)N：視場數(shù)(Field Number, 簡寫為FN，標(biāo)刻在目鏡的鏡筒外側(cè))，β:物鏡放大率。

　　由公式可看出：

　　(1) 視場直徑與視場數(shù)成正比。

　　(2) 增大物鏡的倍數(shù)，則視場直徑減小。因此，若在低倍鏡下可以看到被檢物體的全貌，而換成高倍物鏡，就只能看到被檢物體的很小一部份。

　　6. 覆蓋差