光学显微镜工作原理

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1、光学显微镜工作原理1.1. 引言2.2. 显微镜基本原理3.3. 显微镜图像质量4.4. 显微技术的类型5.5. 荧光显微技术6.6. 光学显微镜的组成部件7.7. 了解更多信息8.8. 阅读所有物理学类文章洋葱皮细胞（200倍）自十六世纪末发明以来，光学显微镜加深了我们对基础生物学、生物医学研究、医疗诊断和材料科学的认识。光学显微镜最多可将物体放大1000倍，以展现其微观细节。如今，这项技术已远远超出罗伯特·虎克和列文虎克（AntonivanLeeuwenhoek）所发明的第一台显微镜的水平。人类研发的特殊技术和光学设备可以揭示出活细胞的结构和生化机能。显微镜甚

2、至已进入数字时代，利用电荷耦合器件（CCD）和数码相机来捕捉图像。然而，这些高级显微镜的基本原理却与您生平第一节生物课上用过的学生显微镜非常相似。光学显微镜工作原理光学显微镜的工作原理与折射望远镜极为相似，仅有一些细微的差别。下面让我们简单地了解一下望远镜的工作原理。望远镜要从昏暗、遥远的物体上采集大量光线，因此需要巨大的物镜，以尽可能多采集一些光线并使物体看起来更加明亮。物镜很大，因而物体的图像会出现在一段距离之外的焦点位置，这就是为何望远镜比显微镜长得多的原因。望远镜的目镜随后放大图像，使物体就像在您眼前一样。普通学生光学显微镜的示意图，显示各个部件和光路与望

3、远镜相反，显微镜必须从距离很近、范围极小、厚度极薄且明亮清晰的样本上采集光线。因此显微镜不需要巨大的物镜。相反，显微镜的物镜很小，而且呈球形，这就意味着显微镜两侧的焦距都要短得多。物镜将物体的图像对焦在显微镜镜筒内的不远处。随后图像由第二个透镜放大，这个透镜称为接目镜或目镜，使物体如同在您眼前一般。望远镜和显微镜之间另一个主要区别在于，显微镜带有光源和聚光器。聚光器是一种透镜系统，用于将光源的光线聚焦到样本上的一个微小而明亮的点，即物镜检查的同一区域。显微镜与望远镜之间还有一个不同之处：后者配有固定物镜和可换目镜，而前者配有可换物镜和固定目镜。通过更换物镜（从相对

4、扁平、低放大倍数的物镜到较圆、高放大倍数的物镜），显微镜可以观察越来越微小的区域——采光不是显微镜物镜的主要任务，但却是望远镜的。本文后半部分将详细讨论显微镜的组成部件。制作简易显微镜您可以用放大镜和纸片制作简易显微镜：1.准备两片放大镜和一张印有图像的纸。2.将一片放大镜固定在纸张上方不远处。印刷图像看起来变大了一点。3.将另一个放大镜放在您的眼睛和第一个放大镜之间。4.上下移动第二个放大镜，直到印刷图像清晰为止。您会发现印刷图像要比在第一个放大镜中看到的图像更大。此外，您还可以制作一个类似针孔相机的简易针孔显微镜。显微镜图像质量使用显微镜观察样本时，您所看到的

5、图像质量将在以下几方面进行评估：·亮度——图像有多明亮？亮度与照明系统相关，因而可以通过改变灯的电压（可变电阻器）以及调节聚光器和光圈/针孔孔径进行更改。此外，亮度还与物镜的数值孔径有关（数值孔径越大，图像越明亮）。花粉粒在高亮度（左图）和低亮度（右图）情况下的显微镜图像·焦点——决定图像是模糊还是清晰？焦点与焦距有关，且可以通过聚焦旋钮控制。样本载波片上的盖片厚度也会影响图像对焦——盖片对物镜而言可能太厚。正确的盖片厚度应标注在物镜的侧面。花粉粒对焦（左图）和失焦（右图）时的显微镜图像·分辨率——图像中的两个像素达到多近的间距时，会分辨不清？分辨率与物镜的数值孔

6、径（数值孔径越大，分辨率越高）以及通过透镜的光线波长（波长越短，分辨率越好）有关。花粉粒的高分辨率（左图）和低分辨率（右图）显微镜图像·对比度——样本周围区域的光照差别怎样？对比度与照明系统相关，可以通过改变光线强度以及光圈/针孔孔径对其进行调节。除此之外，对样本进行化学着色也可以增强对比度。花粉粒在高对比度（左）和低对比度（右）情况下的显微镜图像显微技术的类型样本制备利用透射光观察样本时，光线必须穿过样本才能形成图像。样本越厚，穿过的光线越少。穿过的光线越少，图像就越暗。因此，样本必须很薄（0.1到0.5毫米）。很多活标本必须在观察前切成薄片。岩石或半导体样本因

7、太厚而无法切割，也无法用透射光观察，因此只能通过其表面反射的光线观察。用显微镜观察样本的一个主要问题就是，物体的图像没有太大的对比度，生物样本（如细胞）尤其如此，尽管天然色素（如树叶中的叶绿素）可以提供很好的对比度。解决这个问题的一种方法就是用彩色颜料或染料对样本中的特定组织进行处理。目前，人们已经研发出多种用于改善样本对比度的显微技术。其特殊性主要集中在照明系统和穿过样本的光的类型。例如，暗视野显微镜使用一种特殊聚光器，可以阻断大部分明亮光线，并用斜照光线照亮样本。这与月亮挡住太阳的光线，形成日食的情况极为相似。这种光学装置能够提供完全黑暗的背景，从而改善图像的

8、对比度，以