显微镜的基本结构

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1、第二节、显微镜的基本结构 显微镜的基本结构包括三大部分：1. 光学系统；2. 机械部件；3. 附加装置。1显微镜基本结构如图所示：2Modern microscope component identificationPrisms Used to Re-Direct Light In Imaging Path While Mirrors Are Used in Illumination PathE.D.Salmon3显微镜的光学系统组成：l1、物镜l2、目镜l3、聚光镜l4、反光镜l5、照明光源l6、滤光片l7、载玻片和盖玻片4显微镜的机械部件：l1、调焦系统l2、载物台l3、物镜转换器l4、底

2、座l5、镜臂l6、镜筒5附加装置l附加装置主要是为了满足专门用途的特 殊类型或高级显微镜性能的需要而设置 的。 6(一)物镜： l物镜是显微镜的核心组成部件，它直接 决定或影响着显微镜的成像质量和光学 性能，人们常将它比喻成显微镜的心脏 。 71物镜的种类 1)按物镜的放大倍数不同，可分 为以下几类： (1)低倍物镜：它通常由一组双胶 合透镜组成，放大率为36X， 数值孔径为0.04 0.15，如图(a) 。 8(2)中倍物镜：由两组双胶合物 镜组成(称为李斯特物镜)，放 大率为525X，数值孔径为 0.150.40，如图(b)。 (3)高倍物镜：由一个前片和两 组双胶合物镜组成(称为阿米 西

3、物镜)，放大率为2565 X ，数值孔径为0.350.85，如 图(c)。9l(4)浸液(高倍)物镜：其结构 更为复杂，在高倍物镜的前 片镜和中组镜之间加了一个 正弯月形透镜。物镜使用时 前片必须浸在油或水里，放 大率为90100X，数值孔径 为1.21.5， 如图(d)。 1011122)按物镜对像差和色差的 校正程度不同，分为：(1)消色差物镜（ACH）(2)复消色差物镜（APO）(3)平场消色差物镜（PLAN ACH）(4)平场半复消色差物镜 (5)平场复消色差物镜（ PLAN APO）13像差和色差的概念：l物体经过透镜后，可望获得一个形状与 原物相似、颜色相同的清晰像。然而， 由于多

4、种因素的影响，使像的形状与理 想的像总是有差别，这种差别，叫像差 。 l色差是指所成的像与原物在颜色上的差 别。14像差的类别：l根据像差产生的原因和条件，主要 分为：1）球差2）彗差3）像散4）场曲5）畸变151）球差(Spherical Aberration )l当透镜孔径较大时，由光轴上一物点发出的光束经 球面折射后不再交于一点，这种现象叫做球面像差 ，简称球差。l表示出单色平行光入射到大孔径凸透镜，经折射成 像不再会聚于一个像点，产生球差。l球差的改进：球差可以通过设置光阑而减小。16172）彗差(broom aberration) l彗差的概念：轴外物点发出的宽阔 光束，经透镜成像后

5、，不再交于一 点，而是形成一种状如彗星的亮斑 ，称为彗形像差，简称彗差。l彗差形成的原因：近光轴外的点光 源发出的光束，经过透镜的中央和 边缘部分后在垂直于光轴的同一成 像平面上也不能交于同一个像点。 离光轴越近的像会聚越好，亮度越 大，亮点越小。彗差和球差往往混在一起，只有当轴上物点消除时 ，才能明显地观察轴外物点的彗差。18轴光轴193）像散(Astigmatism)l扭转透镜，使物光束在倾 斜度比较大的条件下入射 ，则产生像散现象。l由于物点离主轴较远时， 发出的光束经透镜折射后 ，不再交于一点，而是会 聚在与画面垂直方向的前 后两个位置上。l透镜像散随透镜形状、光 阑位置而异，可以用正

6、、 负透镜适当组合而消除。 20水平 焦平面214）场曲(Curvature of Field)l一个垂直于光轴的发光面，由于面上各点 到光轴的距离都不尽相同，即使是每个都 能产生一个清晰的像点，但整个像面会构 成一个曲面。这种像差称为像面弯曲或场 曲。225）畸变(Distortion)l畸变是由于透镜在成像过程中对较大的物 体各处的放大率不同而造成的像的形状改 变。2324色差的类别：l1）轴向色差：同一物点不同颜色光线的 像点沿光轴的位置之差称为轴向色差又 叫做位置色差。 2526色差的类别 ：l2）垂轴色差：由于不同色光成像大小不 一致而造成的成像缺陷称为垂轴色差， 又称为放大率色差。

7、27(1)消色差物镜（Achromatic objective）：l特点：l 1）外壳上常有“Ach” 字样；l 2）校正了轴上点的位 置色差（红，蓝二色） 、球差（黄绿光）和正 弦差，保持了齐明条件 。28(2)复消色差物镜（ Apochromatic objective）：l特点：1）透镜采用了特种玻璃或萤石等材料制作 而成，物镜的外壳上标有“Apo”字样；2）严格地校正轴上点的位置色差（红，蓝 二色）、球差（红，蓝二色）和正弦差， 同时要求校正二级光谱（再校正绿光的位 置色差）。 29(3)平场物镜（Plan objective ）：l在系统中加入厚弯月形透 镜可校正像面弯曲，这类 物镜

8、称为平场物镜。 l与普通物镜相比，它的主 要优点是视场显著增大， 并且工作距离也有所增长 。30Objective ClassesAchromats: corrected for chromatic aberration for red, blueFluorites: chromatically corrected for red, blue; spherically corrected for 2 colorsApochromats: chromatically corrected for red, green spherically corrected for 2 colorsPlan-:

9、 further corrected to provide flat field31The 3 Classes of ObjectivesChromatic and Mono-Chromatic CorrectionsE.D. Salmon322物镜的识别 物镜的特征参数通常刻 于镜头的外壳面，如图 所示。图中，(a)为10倍 物镜，数值孔径为0.25， 机械筒长为160mm，所 用盖玻片为0.17mm；33l(b)为100倍物镜， 数值孔径为1.25， 机械筒长和盖玻片 厚度分别为和 0.17mm，“油”表示 油浸物镜。对平场 、消色差或复消色 差等光学性能，也 用特定字符表示于 镜壳上。3

10、4我国显微镜物镜系列技术参数 35Objective SpecificationsE.D. Salmon36放大倍数镜 口 率镜筒长度盖 玻 片 厚 度37(二)目镜： l显微镜的目镜实质上是一 个放大镜，它用来观察被 物镜放大了的像(中间像) 。l目镜的结构较物镜简单， 通常由26块透镜分两组 或三组组成，筒上端与眼 接触的称接目镜，下端靠 近视野的称会聚透镜或视 野透镜，有放大作用。38l在目镜的物方焦面处设置一视场光阑用 以限制物方视场大小，物镜的放大实像 就在这个光阑面上成像，光阑面上可以 安置目镜测微器或目镜指针。39显微镜常用的目镜有：惠更斯目镜、冉斯登目镜、补偿 目镜、平场目镜、

11、平场补偿目镜、广 角目镜、摄影负目镜等。 40（三）聚光器l聚光器又叫集光器。安装在镜台下面， 它由聚光镜和可变光栏两个部件组成。l聚光器的作用：会聚光线，用于照亮标 本，其结构如图所示。41l可变光栏又叫光圈或虹彩光栏，装于聚 光镜的下方，由十余块金属薄片组成， 中央的通光孔呈圆形，移动可变光栏的 把手，可以任意调节通光孔的大小。4243聚光器的主要参数：l聚光器的主要参数是数值孔径。但它的 数值孔径是可变的-受可变光栏控制。 当光栏孔开大时，数值孔径增大。反之 ，则变小。通常刻在聚光器外壳上的数 字是它的数值孔径的最大值，可随光栏 的关小而任意变小，以便与不同数值孔 径的物镜相匹配。44（

12、四）反光镜l反光镜又叫反射镜。安装在聚光器下 面的镜臂上，它有二个反射面：一为 平面，一为凹面。可在水平和垂直两 个方向上任意偏转。它的主要作用是 改变光线的前进方向（凹面镜也有一 定的聚光作用），使光源发出的光线 射向聚光器。45(五)显微镜的照明系统： l为了使被观测的标本得到充分而均匀的 照明，显微镜备有照明系统，通常由光 源、滤光器、聚光镜、孔径光阑、视场 光阑、聚光器等组成。46物体的照明方式分为以下几种：l1. 反射照明;l2. 临界照明;l3. 柯拉照明。物体的各种照明方式的特点：471 、反射照明l初级生物显微镜的标 本是用自然光经反射 镜后照明，反射镜分 为平面镜与凹面镜两

13、种，前者用于配有聚 光器的显微镜，对没 有聚光器的初级生物 显微镜，则必须用凹 面反射镜。光圈反光镜482临界照明l如图所示，光源发出的光线经聚光器会聚 在物平面A处，直接照亮被观察的标本。49l但由于光源经聚光器透镜所成的像是和标 本所在平面近于重合， 若光源面亮度不 均匀则影响到物面照明也不均匀，并直接 反应到观察视场内，影响观察，这是临界 照明的缺点。其优点是结构简单，光能损 失少, 常用于普通显微镜。503柯拉照明l柯拉照明可以 解决临界照明 的缺点。利用 柯拉照明可使 标本A得到均 匀照明，如图 所示。51柯拉照明的工作原理：1）聚光镜K1将光源的光 会聚经光阑Jl及反射镜后 成像于

14、孔径光阑J2的平面 上。2）J2与聚光器透镜K2的 前焦点平面重合，从而 使K2射出的平行光照射 到标本A上，使标本得到 均匀照明。52J2是可调光阑，它的像即光 阑的边界经聚光镜后成像于 标本平面上。当改变可变视 场光阑的大小时，物平面上 的照明范围立即跟着变化， 从而可用来修正聚光器孔径 ，降低散射光通量并能提高 图像反差。这种照明方式使 物平面界限清晰、照明均匀 ，效果比较满意。53聚光镜与物镜的搭配 ：l为使物镜的数值孔径得到充分利用， 聚光镜应有与物镜相同或稍大的数值 孔径。1）对小数值孔径的低倍物镜，可用 一块凹面镜作为聚光镜。2）对物镜数值孔径较大时，聚光镜 需由多片透镜组成。

15、543）在柯拉照明的高倍显微镜中 ，应采用消色差聚光镜系统，其 光学结构几乎与高倍物镜一样， 只是焦距长一些，使光束能通过 载物玻璃照亮标本。当需要对视 场光阑成较好的像时，必须采用 消球差、消色差聚光器。55显微镜照明系统的基本要求是 ： l(1)光源的光谱分布最好近似于自然白光。l(2)对物体的照明需要均匀。l(3)被照明物体的照度要适中。光太强，物 体的细节不易分辨，还易损伤眼睛。光太 弱，会看不清细节。通常可通过调节电压 或可变孔径光阑的直径使物体得到适当的 照明。 56l(4)光源的发热量不能过多地传递到镜头 和标本，以免造成损害。特别是观察活 标本时，过高的温度会造成活标本的死 亡

16、。57六滤光器（即滤色片）1、使用滤色片的作用：有利于提高像的衬度和鉴别率。2、普通滤光片的材料：普通的滤光片是用有色玻璃制作而成， 在彩色摄影中起色温转换或色彩补偿作用； 在黑白摄影时，使用反差滤光片可使标本色 调对比度增强或减弱。58常用的配套滤光片有：l(1) 蓝色色温转换滤光片：用来把光源 的色温由3200K转换成日光型彩色底片 所需的5500K色温；l(2) 绿色滤光片：用来增强相差观察方 法中成像的反差，或者以黑白底片作显 微照相时，可以提高片成像的反差； 59l(3) 浅灰色滤光片：是透光率为50%的中 性减光滤光片，可把视野的亮度减弱一 半； (4) 灰色滤光片：是透光率为25%的中性 减光滤光片，可把视野的亮度减弱75% ； (5) 透光率仅为6%的中性减光滤光片， 可把视野的亮度变得相当暗，95%以上 的光都已被吸收掉。 60七玻片盖玻片和载玻片的光学性质对照明系统有 较大的影响，因此要对玻片的参数做统 一规定。61(1)载玻片的要求 ：l1)使用的材料是折射率n=1.518的玻 璃，对波长在3