顯微鏡的結構及基礎知識

顯微鏡: 顯微鏡是用于放大微小物體使其被人的肉眼能清晰看到的儀器。顯微鏡分光學顯微鏡和電子顯微鏡。

光學顯微鏡是在1590年由荷蘭的楊森父子所首創。現在的光學顯微鏡可把物體放大1600倍，分辨的最小極限達0.2微米。

電子顯微鏡是在1931年在德國柏林由克諾爾和哈羅斯卡首先裝配完成的。這種顯微鏡用高速電子束代替光束。由于電子流的波長比光波短得多，所以電子顯微鏡的放大倍數可達80萬倍，分辨的最小極限達0.2納米。1963年開始使用的掃描電子顯微鏡更可使人看到物體表面的微小結構。
 
 顯微鏡的發明，使人看到了許多以前從未看到過的生物，如細菌、病毒等，也使人看到了生物的許多微小結構，如線粒體的結構，從而對生物學的發展起著重要的推動作用。顯微鏡是生物學研究的重要儀器之一。在醫學、工農業生產中顯微鏡也有著重要用途，例如在醫學診斷上，可對人血液中的紅細胞進行病理分析并計數等。

顯微鏡的結構及基礎知識

顯微鏡的放大原理：

 顯微鏡的放大原理：由物鏡將被觀測物體（標本）放大為可以被屏幕接收映射的實像，通過目鏡的轉換，使物鏡成的實像再次放大并讓其成在人眼正常看物體的明視距離處。

明視距離：250mm (人眼看物體的正常距離）    放大鏡的原理：人眼觀察到的是放大的虛像

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顯微鏡的結構：

被觀測物體（標本）-物鏡-光闌-目鏡-人眼       早期顯微鏡-------現代顯微鏡

顯微鏡的結構及基礎知識

普通顯微鏡主要由3部分構成：

①光學放大系統：由物鏡和目鏡組成，是顯微鏡的主體。（為了消除球差和色差，目鏡和物鏡都由復雜的透鏡組構成。）

②照明系統：包括光源和聚光鏡。

③機械裝置：用于固定材料和使觀察方便。

放大率和有效放大率(又稱放大倍數):

物體通過顯微鏡要經過物鏡和目鏡兩次放大，所以顯微鏡總的放大率Γ應該是物鏡放大率β和目鏡放大率Γ1 的乘積： 

即 Γ = β Γ1 

顯微鏡可以通過調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。放大率是顯微鏡的重要參數，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,被稱為鏡頭的分辨率。 分辨率和放大倍率是兩個不同的但又互有聯系的概念。 當選用的物鏡數值孔徑不夠大，即分辨率不夠高時，顯微鏡不能分清物體的微細結構，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節不清的圖像，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。所以為了充分發揮顯微鏡的分辨能力，應使數值孔徑與顯微鏡總放大倍率合理匹配。

鏡頭分辨率(有效放大率)：

 顯微鏡物象是否清楚不僅決定于放大倍數，還與顯微鏡的分辨力（resolution）有關，分辨力是指顯微鏡（或人的眼睛距目標25cm處）能分辨物體最小間隔的能力，分辨力的大小決定于光的波長和 數值孔徑（又稱：鏡口率）以及介質的折射率，用公式表示為：

顯微鏡的分辨力： R=0.61λ /NA

 NA＝ｎSin α/2 （數值孔徑）

 式中： λ 為成像光線的波長；

 n = 標本和物鏡之間介質折射率；

 α = 鏡口角（標本對物鏡鏡口的張角） ；

 NA = 數值孔徑（Numeric Aperture）。

 鏡口角總是要小于180?，所以 Sin α /2 的最大值必然小于 1 。

 介質的折射率 n：

 制作光學鏡頭所用的玻璃折射率為1.65~1.78，所用介質的折射率越接近玻璃的越好。對于干燥物鏡來說，介質為空氣，數值孔徑一般為0.05~0.95；油鏡頭用香柏油為介質，數值孔徑可接近1.5。

顯微鏡的分辨力與放大率的關系式： 500NA<Γ<1000NA 

景深： 

景深為聚焦深度的簡稱，即在使用顯微鏡時，當焦點對準某一物體時，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深度內，也能看得清楚，這個清楚部分的深度就是景深。景深大,可以看到被檢物體的深層；而景深小，則只能看到被檢物體的一薄層。景深與其它技術參數有以下關系： 

（1）景深與總放大倍數及物鏡的數值孔徑成反比。 （2）景深增大，分辨率降低。 

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顯微鏡物鏡的基本類型：

a.消色差物鏡（Achromatic objective）  這是應用最廣泛的一類顯微物鏡，外殼上常有"Ach"字樣。它校正了軸上點的位置色差（紅，藍二色）、球差（黃綠光）和正弦差，保持了齊明條件。軸外點的象散不超過允許值(－4屈光度)，二級光譜未校正。 

b.復消色差物鏡（Apochromatic objective） 這類物鏡的結構復雜，透鏡采用了特種玻璃或螢石等材料制作而成，物鏡的外殼上標有"Apo"字樣。它對兩個色光實現了正弦條件，要求嚴格地校正軸上點的位置色差（紅，藍二色）、球差（紅，藍二色）和正弦差，同時要求校正二級光譜（再校正綠光的位置色差）。其倍率色差并不能完全校正，一般須用目鏡補償。

c.平場物鏡（Plan objective） 平場物鏡是在物鏡的透鏡系統中增加一快半月形的厚透鏡，以達到校正場曲的缺陷，提高視場邊緣成像質量的目的。平場物鏡的視場平坦，更適用于鏡檢和顯微照相。對于平視場消色差物鏡，其倍率色差不大，不必用特殊目鏡補償。而平視場復消色差物鏡，則必須用目鏡來補償它的倍率色差。

d.特種物鏡 所謂"特種物鏡"是在上述物鏡的基礎上，專門為達到某些特定的觀察效果而設計制造的。主要有以下幾種：相襯物鏡（Phase-contrast objective），熒光物鏡（Fluorescenceobjective），偏光無應力物鏡（Polarizeobjective）,帶校正環物鏡（Correction collar objective）等。

還有按顯微鏡結構分類的： （1）按顯微鏡鏡筒長：透射光用160mm鏡筒，帶0.17mm厚或更厚的蓋玻片；反射光用190mm鏡筒，不帶蓋玻片；透射光與反射光用鏡筒，筒長無限大。（2）按浸法特征：非浸式(干式)、浸式(油浸、水浸、甘油浸及其它浸法)。 （3）按光學裝置：透射式、反射式以及折反射式。

光學顯微鏡成像光波：

光學顯微鏡的成像研究和設計，是以人眼可見光光線（人們常說的：可見光）的物理現象為基礎進行的。可見光的波長為400~700nm，因此 光學顯微鏡分辨力數值不會小于0.2μm。人眼的分辨力是0.2mm，所以一般光學顯微鏡設計的最大光學放大倍數通常為1000X。

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電子顯微鏡成像機理：

光學顯微鏡的分辨力受可見光波長的限制，質量較好的光學顯微鏡的分辨極限約為0.2μm。小于光波波長的物體因衍射而不能成像。為了觀察到更細微的物體和結構，科學家采用更短波長的電子射線來代替光波，設計出了電子顯微鏡。電子微粒高速運動時，其行為類似光波的傳播過程。運動電子的電子波波長隨其速度而定，給其增壓達到50萬伏時，電子波波長約為0.001nm，即電子射線的波長約為可見光的十萬分之一。其分辨力的極限約為4?，其放大倍數比最高級的光學顯微鏡要高很多級。以電子射線為成像“光源”的顯微鏡稱為電子顯微鏡。