顯微鏡的成像原理

眾所周知，放大鏡是最簡單的一種光學儀器， 它實際上是一塊會聚透鏡（凸透鏡），利用它可以將物體放大。其成像光學原理如圖1-1所示。

當物體AB置于透鏡焦距f以外時，得到倒立的放大實像A′B′（如圖2-1（a）），它的位置在2 倍焦距以外。若將物體AB放在透鏡焦距內，就可看到一個放大正立的虛象A′B′（如圖2-1（b））。影像的長度與物體長度之比（A′B′/AB）就是放大鏡的放大倍數（放大率）。若放大鏡到物體之間的距離a近似等于透鏡的焦距（a≈f），而放大鏡到像間的距離b近似相當于人眼明視距離（250mm），則放大鏡的放大倍數為：N=b/a=250/f。

 （a）實像放大 （b）虛像放大

圖2-1 放大鏡光學原理圖

由上式知，透鏡的焦距越短，放大鏡的放大倍數越大。一般采用的放大鏡焦距在10～100mm范圍內，因而放大倍數在2.5～25倍之間。進一步提高放大倍數，將會由于透鏡焦距縮短和表面曲率過分增大而使形成的影像變得模糊不清。為了得到更高的放大倍數，就要采用顯微鏡，顯微鏡可以使放大倍數達到1500～2000倍。

顯微鏡不象放大鏡那樣由單個透鏡組成，而是由兩級特定透鏡所組成。靠近被觀察物體的透鏡叫做物鏡，而靠近眼睛的透鏡叫做目鏡。借助物鏡與目鏡的兩次放大，就能將物體放大到很高的倍數。圖2-2所示是在顯微鏡中得到放大物像的光學原理圖。

圖2-2 顯微鏡光學原理圖

被觀察的物體AB放在物鏡之前距其焦距略遠一些的位置，由物體反射的光線穿過物鏡，經折射后得到一個放大的倒立實象，目鏡再將實像放大成倒立虛像，這就是我們在顯微鏡下研究實物時所觀察到的經過二次放大后的物像。

在設計顯微鏡時，讓物鏡放大后形成的實像位于目鏡的焦距f目之內，并使最終的倒立虛像在距眼睛250mm處成像，這時觀察者看得最清晰。

三、透鏡的像差

透鏡成像規律是依據近軸光線得出的結論。

【近軸光線】是指與光軸接近平行（即夾角很小）的光線。

【像差】實際成像與理想成像之間的偏離。像差的存在影響象的清晰度、物和象之間的相似性、降低了光學儀器的精確性。

按像差產生原因可分為兩類：一類是單色光成像時的像差，叫做單色像差。如球差、慧差、像散、像場彎曲和畸變均屬單色像差；另一類是多色光成像時，由于介質折射率隨光的波長不同而引起的像差，叫做色差。色差又可分為位置色差和放大率色差。

1.球差

透鏡成像的主要缺陷就是球面差和色差（波長差）。球面差是指由于球面透鏡的中心部分和邊緣部分的厚度不同，造成不同折射現象，致使來自于試樣表面同一點上的光線經折射后不能聚集于一點（圖2-3），因此使影像模糊不清。球面像差的程度與光通過透鏡的面積有關。光圈放得越大，光線通過透鏡的面積越大，球面像差就越嚴重；反之，縮小光圈，限制邊緣光線射入，使用通過透鏡中心部分的光線，可減小球面像差。但光圈太小，也會影響成像的清晰度。色差的產生是由于白光中各種不同波長的光線在穿過透鏡時折射率不同，其中紫色光線的波長最短，折射率最大，在距透鏡最近處成像；紅色光線的波長最長，折射率最小，在距透鏡最遠處成像；其余的黃、綠、藍等光線則在它們之間成像。這些光線所成的像不能集中于一點，而呈現帶有彩色邊緣的光環。色差的存在也會降低透鏡成像的清晰度，也應予以校正。通常采用單色光源（或加濾光片），也可使用復合透鏡。如圖2-3所示。

（a）球面像差（b）色差

圖2-3 透鏡產生像差的示意圖

2.場曲

垂直于透鏡光軸的物體經過透鏡折射后，每一物點均能得到一個像點，但全部像點不在一個平面上，即最清晰的像呈現在一個曲面上，這種像差稱為場曲。

3.畸變

影響像與物幾何相似性的像差稱為畸變。畸變也是由于光束的傾斜度較大而引起的，造成透鏡近軸部分的放大率與邊緣部分放大率不一致。

顯微鏡的物鏡和目鏡

一、物鏡

（一）物鏡的類型

1.消色差及平場消色差物鏡

消色差物鏡限于校正黃綠光范圍的球差，校正紅綠光范圍的色差。

平場消色差物鏡對場曲和象散作進一步校正。

2.復消色差及平面復消色差物鏡

復消色差物鏡的軸向色差在紅、綠、紫三個光區內均已校正。球差校正的范圍為綠光、紫光區，存在部分的垂軸色差。

平場復消色差物鏡具有復消色差物鏡的優點、場曲也得到進一步校正。

3.半復消色差物鏡

（二）物鏡的構造

各種透鏡固定在金屬圓筒內的復式透鏡組。

（三）物鏡的性能

物鏡質量優劣與像差校正程度有關。

1.數值孔徑

數值孔徑表征物鏡的聚光能力，嚴重影響顯微鏡的分辨力。

①介質的折射率n增大，NA變大。常用油作為介質。

②增大α，NA變大。措施有：增加透鏡的直徑，但是給像差的校正帶來困難；縮短物鏡的焦距，這是目前常用的方法。實際上α最大不能大于70°。

2.分辨能力

用能分辨兩點間最小距離d的倒數1/d表示。

此外，實際上衍射現象限制了物鏡的分辨能力。

成像時，目鏡進一步對物鏡的像放大，但不能提高分辨力。因此，顯微鏡的分辨力主要決定于物鏡的分辨能力。

3.放大倍數

→M有效=500～1000NA。

4.景深

【景深】對高低不平的物體的能清晰成像的能力。

景深一般是以物體能同時清晰成像時最高點到最低點之間的距離。

（四）物鏡的工作距離

指第一個物鏡晶片到被觀察物體之間的軸向距離。

一般高倍物鏡的工作距離只有0.2～0.3mm。為此在物鏡內裝有彈簧起緩沖作退讓作用。

（五）物鏡的標志

1.物鏡類型

消色差物鏡一般不標符號。例如

復消色差物鏡——“FS”；平場消色差物鏡——“PC”；平場半復消色差物鏡——“PF”。

2.放大倍數

放大倍數用數字和符號表示，有時省去符號，如40×。有時物鏡把焦距刻在外殼上。

3.數值孔徑

直接標在外殼上，往往略去“NA”符號。

放大倍數和數值孔徑聯合標識，如40×/0.65。

4.機械鏡筒長

長度不同的物鏡不能互換。

5.蓋玻片厚度

6.介質符號

 

二、目鏡

可起放大、校正像差作用。

（一）惠更斯目鏡圖

特點：

1.不能單獨作為放大鏡使用，又稱負型目鏡。

2.結構簡單，價格便宜，未校正像差。

（二）補償目鏡圖

特點：

1.可以單獨作為放大鏡使用，又稱正型目鏡。

2.具有“色過正”特性，即過度地校正了垂軸色差，適合于平場消色差物鏡、平場復消色差物鏡。

3.像差校正較好。

（三）攝影目鏡圖

特點類似于補償目鏡，還能在規定的放大倍數范圍內，可得到足夠平坦的像面。

（四）測微目鏡

1.固定式測微目鏡

相似于負型目鏡，在目鏡的光闌處加入一片有刻度的分劃板。

2.游動式測微目鏡

目鏡上裝有固定的刻度玻璃外，還有一塊可以移動的玻璃片。

顯微鏡的照明系統

調整光束、改變采光方式、完成光線行程的轉換。

一、光源及其使用方法

（一）光源

要求：足夠的發光強度，并可調；發光均勻；發熱小；光源位置可調；光源壽命長、成本低等。

1.低壓鎢絲燈（白熾燈）

特點：結構簡單、價格低廉、發光面積小、光強度高而且均勻，但是發光效率低（10%）、亮度低、壽命短等。

2.鹵鎢燈

特點：發光效率高，體積小，亮度高。

3.氙燈

特點：發光效率高，體積小，發光穩定，光強度大等。

（二）光源使用方法

1.科勒照明

2.臨界照明

二、垂直照明器及照明方式

【垂直照明器】借助一套專門的裝置，將金相顯微鏡的側向光線垂直轉向的裝置。有平面玻璃反射鏡、全反射棱鏡、暗場用環形反射鏡。

照明方式有明場照明、暗場照明。

（一）明場照明

光路：光源物鏡→試樣表面→反射光→物鏡。

這樣試樣表面平坦部分在視場中明亮，而凹陷部位在視場中呈現黑色。

1.垂直光照明

最基本的照明法。照明時，光線均勻垂直射在試樣表面，被浸濕后的式樣凹凸處無陰影產生，得到清晰平坦的圖像。

光路：水平光線→45°平面鏡→垂直射到物鏡→試樣→反射光經物鏡成像→平面鏡→目鏡。

特點：

（1）光線強度損失較大。普通的損失率高達90%，若涂一層硫化鋅、硫化銀高反射系數鍍層，制成半反射半透射的反射鏡，可減少損失。

（2）圖像亮度低，襯度低，缺乏立體感。

（3）光線充滿物鏡，使得圖像的分辨力提高。

2.斜射照明

照明光線與顯微鏡體的光軸至少傾斜30°。

特點：提高分辨力，可呈現跟多顯微組織細節，并使試樣表面凸出部分產生陰影，增加了影像襯度和立體感。

（1）調節孔徑光闌中心位置

調整孔徑光闌→偏離光軸中心→物鏡→斜射光射在試樣表面。

注意：光闌偏移量和斜射光角度，否則出現浮雕圖像而失真。

（2）棱鏡反射照明

在垂直照明器內將棱鏡作為折光元件。

特點：

光損失極少，鏡筒內炫光少，圖像亮度大，襯度高。但是棱鏡擋住了物鏡孔徑的一半，使得有效值孔徑減小，分辨能力下降。適合低放大倍數下使用。

（二）暗場照明

1.原理

照明光束從物鏡周邊以很大的角度投射到試樣表面。這樣，試樣拋光部分的光線不會進入視場，而被腐蝕的組織凹陷部分的一部分光線能進入視場成像。于是試樣的組織便以明亮的物象呈現在暗黑的視場內，故為暗場照明。

2.特點和應用

（1）物鏡有效數值孔徑增加，提高了物鏡的分辨力。可以觀察到超微粒子。

（2）減輕了光線多次通過物鏡界面引起的反射和炫光，提高了襯度。

（3）能觀察非金屬夾雜物的透明度及其固有色彩，有利于鑒別非金屬夾雜物。

3.暗場照明的調節使用

在明場照明下觀察試樣組織后，按下列步驟進行暗場觀察。

（1）將暗場反射聚光鏡安裝在物鏡座上，將環形光闌插入光程中，推入環形反射鏡。

（2）調節暗場反射聚光使其焦點剛好在試樣表面。

（3）在暗場觀察時，將孔徑光闌開大作為視場光闌。調節視場光闌，以控制環狀光束的粗細。

（4）進行調焦操作使像清晰。

三、顯微鏡的光學行程圖

1.直立式（正置式）

要求：試樣表面與載物臺平行；試樣不能太大。

2.倒立式

要求：試樣不能過重。

四、光闌

作用：①改善光學系統成像質量。②決定通過系統的光通量。③攔截系統中有害的雜散光等。

1.孔徑光闌

位于光源聚光鏡之后，用來控制物鏡孔徑角。

孔徑光闌↓→孔徑角↓→景深↑，消除寬光束單色像差，提高襯度；分辨力↓。

孔徑光闌調節時，視野內的亮度也會發生變化，但這不是目的。調整亮度應采用更換光源或調節光源電壓等措施。

2.視場光闌

限制光學系統成像范圍的光闌稱為視場光闌。應調整到目鏡觀察到的視場不再增大為止。

五、濾色片

1.增加多相合金組織在金相照片（黑白）上的襯度。

2.有助于鑒別帶有色彩組織的微細部分。

3.校正消色差物鏡的殘余色差。

4.提高物鏡的分辨能力。

 

顯微鏡的機械系統

顯微鏡的機械系統主要包括以下幾個部分：

1.底座、鏡臂、托架

2.載物臺

3.鏡筒

4.調焦機構

顯微鏡的調整與使用

一、光源的調整

1.照明均勻性——光源燈絲的位置不在光軸上，使聚光后的光束不對稱。

2.視場亮度——光源發出的光線經聚光后不落在孔徑光闌的平面上。

調整：

1.調整光源使之位于光軸上——把孔徑光闌開大，將一小張圖紙或毛玻璃片放在孔徑光闌處，徑向調整光源，觀察光闌，將燈絲影像調到光闌中心。

2.調整亮度——調節燈絲的軸向位置，使燈絲影像調到最小，即燈絲在孔徑光闌中心聚焦。

二、測微目鏡的校正

原因：鏡頭的實際放大倍數與公稱放大倍數不一致。

校正方法：

將物鏡測微尺放在載物臺上→調焦使測微尺的第n格與測微目鏡的m格對齊→則目鏡中每一小格的實際長度為

三、載物臺機械中心的調整

要求載物臺的機械中心與光學系統的主光軸同心。移動載物臺，使測微目鏡中的十字線與刻度尺的十字線重合、直到中心重合或調到很小的同心圓為止。

四、顯微鏡的調焦

利用粗調和細調手輪，將載物臺上的式樣與物鏡之間調整到合適的距離，獲得清晰圖像。

1.先用低倍作概略觀察，再換作高倍研究細節。2.消色差物鏡調焦時應以中心清晰為準。

五、油浸系物鏡的使用

凡物鏡前透鏡與試樣間的介質為液體的物鏡，稱為液浸系物鏡。

油浸系物鏡的數值孔徑大、放大倍數也高，而工作距離很小

金相顯微鏡的維護保養

一、光學零件的維護和保養

1.生霉和起霧

生霉：鏡頭表面呈現出蜘蛛絲狀物質

霧：鏡頭表面出現微小露水狀的一層物質

防止：放在干燥、通風處。鏡頭用完放入干燥器內

2.脫膠

原因：外界溫度巨變，膠層與玻璃膨脹系數不同、受到較大振動與沖擊或有機液體浸入膠層。

3.劃傷、裂紋和破損

光學零件表面，為了提高其光學性質，常涂鍍上一層不同性質的薄膜，維護和擦拭時容易脫落