显微镜的发展综述

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1、显微镜的发展综述引言显微镜是一种借助物理方法产生物体放大影像的仪器。最早发明于 16 世纪晚期，至今已有 四百多年的历史。现在，它已经成为了一种极为重要的科学仪器，广泛地用于生物、化学、 物理、冶金、酿造、医学等各种科研活动，对人类的发展做出了巨大而卓越的贡献。随着现 代光电子技术和计算机的高速发展，显微测量技术在工业、国防、科技均得到了广泛应用。 本文就对显微镜的发展及分类作个概述。显微镜的历史光学是研究光波传播规律的科学，而显微镜的发展是在对光学的研究基础上发展起来的。我 国春秋时的墨经和古希腊学者欧几里德的反射光学都对光学的研究有所记载，后来 经过伽利略、牛顿、惠更斯、菲涅耳、夫琅和费、

2、麦克斯韦、爱因斯坦等科学家的努力，光 学已发展成为物理学中一门极为重要的基础学科，形成了严格的数学理论方法及实验方法。 研究光的一个分支便是光学仪器显微镜。最初的显微镜产生于十六世纪末期， 十七 世纪发明了光学显微镜，后来被用来发现细菌及细胞。二十世纪三十年代，Lebdeff （莱比戴 卫）设计出第一架干涉显微镜，随后zernicke （卓尼克）发明了相位差显微镜。二十世纪十 年代， Nomarski（ 诺马斯基） 发明了干涉相位差光学系统， 并以此设计出诺马斯基显微镜。 二十世纪末期， 产生了共轭焦显微镜， 并得到了广泛应用。 在光学快速发展的同时， 电子学 也得以迅速发展，二十世纪三十年代

3、，德国的Bruche和Johannson制造出了第一宋菲君型传 头式电子显微镜，随后Ruska发明了第一部磁场型传头式电子显微镜（TEM）。扫描式电子显微 镜（SEM）在二十世纪六十年代才出现。光学是研究光波传播规律的科学，而显微镜的发展是在 对光学的研究基础上发展起来的。我国春秋时的墨经和古希腊学者欧几里德的反射光 学都对光学的研究有所记载，后来经过伽利略、牛顿、惠更斯、菲涅耳、夫琅和费、麦克 斯韦、爱因斯坦等科学家的努力，光学已发展成为物理学中一门极为重要的基础学科，形成 了严格的数学理论方法及实验方法。研究光的一个分支便是光学仪器显微镜。最初的 显微镜产生于十六世纪末期， 十七世纪发明了

4、光学显微镜，后来被用来发现细菌及细胞。 二十世纪三十年代，Lebdeff （莱比戴卫）设计出第一架干涉显微镜，随后Zernicke （卓尼克） 发明了相位差显微镜。二十世纪五十年代，Nomarski（诺马斯基）发明了干涉相位差光学系 统，并以此设计出诺马斯基显微镜。二十世纪末期，产生了共轭焦显微镜，并得到了广泛应 用。在光学快速发展的同时，电子学也得以迅速发展，二十世纪三十年代，德国的Bruche和 Johannson制造出了第一宋菲君型传头式电子显微镜，随后Ruska发明了第一部磁场型传头 式电子显微镜（TEM）。扫描式电子显微镜（SEM）在二十世纪六十年代才出现。显微镜的分类显微镜主要是由

5、物镜和目镜组成， 物镜的焦距很短， 目镜的焦距很长。 物镜的作用是得到物 体放大实像， 目镜的作用是将物镜所成的实像作为物体进一步放大为虚像。 显微镜中通过聚光镜照亮标本，再通过物镜成像，经过目镜放大，最后通过眼睛的晶状体投影到视网膜。 显微镜按工作原理和它的组成结构可分为光学显微镜和电子显微镜。2.1 光学显微镜光学显微镜的成像原理是以光为介质，利用可见光照射在物体的表面，造成了局部散射或反射来形成不同的对比，然后再对被物体调制了的信息进行解调便可得物体的空间信息 1 。光1学显微镜又分为传统的光学显微镜和近场显微镜。传统的光学显微镜（远场光学显微镜）的光路原理如图 1由图 1 可以看出光学

6、显微镜主要光学系统（接物镜、目镜、聚光器、光源）和机械系统组 成.2.2 近场光学显微镜近场光学显微镜是对远场光学显微镜的革命性发展。它的结构示意如图光电倍増管3显微昨样品自XYJ3描會1-激光東绘制电干 累统由图 2 可看出它由局域光源，激光器、光纤探针样品台，光学放大系统组成。传统的远场 光学显微镜的分辨能力一直局限于它的波长入或孔径nsin0参数的大小，而近场光学显 微镜的工作方式是将小于波长的超分辨极限的精细结构和起伏的信息从近场区的电磁场(隐 失场)获取， 然后再将含该信息的隐失场变换为可进行能量输送的传播场，使放在远处的 探测场和成像器件可以接受到隐含在隐失场中的超分信息，从而进行

7、测量。它的工作原理是, 当发生光衍射现象时，利用光的可逆性，即光的传播方向反转时，光将沿入射的途径逆向传 播.故用含有超分辨信息的隐失波照射具有小于波长的精细结构或空间起伏的物体， 如光栅 小孔， 则这些光栅或小孔可把隐失波转换成含有超分辨信息的传导播，为远处探测器所接 受。故它的核心部件是近场探测的小孔装置，常用的探针有小孔探针，无空探针，等离子激 元探针。近场显微镜的特点是样品照明和样品收集这两者必须至少有一个是工作在近场，而 传统光学显微镜两者都工作在远场；近场显微镜采取的是网络状扫描成像的方法。常用的近 场显微镜有扫描隧道显维镜和原子力显微镜。2.3 电子显微镜电子显微镜的成像原理是根

8、据电子光学原理， 以电子束为介质，用电子束和电子透镜代替 传统的光束和光学透镜。电子显微镜利用电磁场偏折、聚焦电子及电子与物质作用所产生散 射之原理来研究物质构造及细微结构的精密仪器。由DeBroglie的波动理论：入 e=h/mv=h/(2qmv)1/2, 可以看出电子束的波长仅与加速的电压有关(电子束的电量及质量为 固定)。根据瑞莱准则:：当不相干照明时；s=0.61入/(nXsine )=0.61入/NA；当相干光照明 时：s=0.77入/(nX sine )=0.77入/NA；由此可以得出电子束的波长变化直接影响显微镜的分 辨能力。由于DeBroglie的波动理论的发现使人们改变了传统

9、观念光的波长不可变，从而产 生了电子显微镜，使得显微镜的解析度和放大倍数得到了数量级的飞跃。电子显微镜的构造 与光学显微镜的原理相似，由三部分组成：即聚光镜、物镜和投影镜(目镜)。它的光路原理如图灯堂CRT琦瀚傥头祥品电子显微镜按结构和用途可分为透射式电子显微镜、扫描式电子显微镜（反射式电子显微镜和发射式电子显微镜等） 和（扫描透式）显微镜。2.4 穿透式电子显微镜（ TEM）穿透式电子显微镜主要由照明系统、成像系统、影像转换系统和真空系统组成。 TEM 的成 像原理：电子束透过样品后经过电磁透镜的聚焦与放大后所产生的物像， 投射到荧光屏上 或照相底片上进行观察，从而得到高倍率的放大图像。它的

10、电子枪在镜筒的顶部，电子由钨 丝热阴极发射出，通过第一、第二两个聚光镜使电子束聚焦。电子束通过样品后由物镜成像 于中间镜上， 再通过中间镜和投影镜逐级放大，成像于荧光屏或照相干版上。中间镜主要 通过对砺磁电流的调节，放大倍数可从几十倍连续地变化到几十万倍；改变中间镜的焦距， 即可在同一样品的微小部位上得到电子显微像和电子衍射图像4，5，6，7，8，9，10。 透射式电子显微镜的解像能力及仪器的整体性能主要由电子枪决定。电子枪主要由阴极和阳 极组成，阴极（灯丝）作为电子源，阳极是用来作为电子束的加速用的。由于电子易散射或 被物体吸收，故穿透力低，必须制备更薄的超薄切片（通常为50100nm）。其

11、制备过程 与石蜡切片相似，但要求极严格。透射式电子显微镜主要特点为热场发射电子枪、分析型高 分辨极靴、高分辨分析型电镜等。主要用于显微结构分析、晶粒形貌、晶体缺陷、纳米颗粒 大小、界面结构、高分辨晶格像、微区成分分析等。透射式电子显微镜常用于观察那些用普 通显微镜所不能分辨的细微物质结构2.5 扫描式电子显微镜（ SEM）扫描式电子显微镜（SEM）主要由提供并聚集电子于标本上产生讯息的主体和显示影像的显 像系统两部分组成， SEM 的成像原理:从电子枪发出的电子束经过聚束镜、偏转线圈和物镜 后，照射到样品上，将表面产生的讯号（二次电子，背向反射电子，吸收电子， X 射线等） 收集并放大处理后，

12、输入到同步扫描的阴极射线管，从而显示出试片的图形。由于扫描式电 子显微镜是采用电子束在样品上扫描，所以必须先将样品作固定处理。为了避免电子束在照 射到标本表面之前与残留的气体分子相撞，所以扫描式电子显微镜必须保持在一定的高真空 环境下工作，因此样品需作脱水和临界点干燥法等前处理。因为有些标本属于非导电性，电 荷累积在试片的表面就要产生排斥力，使电子束受到干扰，扫描结果不准确，甚至无法进行 扫描观察，同时，由于电子束对样品进行扫描时， 入射的电子会把入射的部分能量转化为 热能，使样品表面及亚表面层的温度升高。最后为了避免标本在电子束扫描是因高温而遭破 坏及增加二次电子的产生来得到更加清晰的影像，

13、必须在标本的表面上覆盖一层金属或碳的 薄膜。扫描式电子显微镜主要特点为冷场发射电子枪，强励磁圆锥透镜，高度集成化和自动 化。主要用于纳米材料显微结构、尺寸分析，材料微结构、相组成及相分布分析，材料中元 素定性分析、定量分析、线分析、面分析、材料失效分析等，它的应用非常广泛，导电、非 导电性样品均可以观察。扫描式电子显微镜主要用于观察固体表面的形貌，其成像分辨率高 于光学显微镜。2.6 扫描穿透式电子显微镜（ STEM）扫描穿透式电子显微镜由电磁透镜系统、高电压系统和真空系统组成。STEM的成像原理是 高电压系统产生加速电压，送入镜筒上端的电子枪，使其发射出电子束，发出的电子束经过 聚光镜后透射

14、过样品，再经过物镜、中间镜、投影镜（三级放大）将其影像放大11，12， 13，14，15，16。扫描穿透式电子显微镜的解析度主要取决于两个因素，即电子的波长 和透镜的缺陷。由德布罗意的波长理论可知，加速电压越高，波长越短，解析度也越好，同 时电子的动能加大，电子对试片的穿透力也加大，所以试片可观察厚度也可相对增加。另外 一个影响因素是像差（绕射像差，球面像差，散光像差，波长散步像差）。由于STEM兼具 有 SEM 的功能，故 STEM 也能用来检测样品的表面结构，并可作微区线扫描。此外， STEM 电子显微镜中不仅能看到原子，提供影像，还可以通过对电子显微镜和电子绕射圆形的计算 分析，得到理论

15、上的结论。2.7 激光共焦显微镜随着现代激光技术的发展，除了前面提到的光学和电子显微镜外，现如今推出了一种新型显 微系统，叫共焦激光显微镜。它是建立在光学显微镜及各种扫描显微镜基础上的一种新型的 扫描成像系统18， 19。激光扫描显微镜的成像原理： 利用聚焦的激光束在样品表面扫 描，同时利用光电检测器件接收样品反射光（或透射光），样品结构的变化使反射光（或透 射光）强度改变，因而使光电检测器的输出电流改变，经信号处理，同步显示在计算机屏幕 上。激光共焦显微镜的优点是：清晰度大为提高，用于生物医学研究时，可以清楚地看到细 胞内部某一个层面，细胞水平的CT,其分辨率比普通光学显微镜高约1.5倍。激

16、光共焦显 微镜采用了共焦方法，可以在光束能透入的范围内实现深度剖面的分层成像，因此成为研究 薄膜材料、集成电路及生物组织乃至细胞等的微细结构及其深度剖面的非常有效的工具。由 于照射在样品的是聚焦的激光束，具有很小的直径，因此没有来自邻近区域的散射光的影响， 从而可以提高信噪比，即增强了对比度。同时由于激光扫描显微镜是直接接收反射光（或透 射光），因此检测灵敏度高，且检测系统比较简单。3.展望许多年来， 人们一直致力于提高显微镜的分辨能力和成像衬度。随着计算机技术和工具的 不断进步，光学设计的理论和方法也在不断改进，学科的交叉和联系越来越紧密，使得显微 镜与激光、计算机、新材料技术、信息技术相结合，显微成像技术大大提高。近年来随着近 场穿透式电子显微镜、扫描式电子显微镜以及激光共焦显微镜的发展和广泛应用， 为人类 获得新型材料以及促进现代医学的发展