显微镜的放大的基本概念

显微镜放大和放大镜放大，虽然都是放大标本观察，但是还是有本质的区别的。显微镜放大是有一定的倍数规律，因为有物镜和目镜的放大，倍数也有一定的跨度，但是放大镜就只能是一种死板的放大了，是一种固定的放大，没有技术含量。

一个简单的显微镜或放大镜（透镜）产生显微镜或放大镜聚焦的物体的图像。简单的放大镜透镜是双凸的，这意味着它们在中心比在外围厚，如图1中的放大镜所示。图像被眼睛感知为好像它在10英寸或25厘米的距离（参考，或传统或常规观看距离）处。

由于图像看起来与物体在透镜的同一侧，因此不能投影到屏幕上。这样的图像被称为虚像，它们看起来是直立的，而不是倒置的。 图1显示了一个简单的放大透镜如何工作的示意图。物体（在这种情况下，主体是玫瑰）正在使用简单的双凸透镜进行观察。 从玫瑰反射的光以直线进入透镜，如图1所示。这种光被透镜折射和聚焦，在视网膜上产生虚像。 玫瑰的图像被放大，因为我们感觉到物体（玫瑰）的实际大小是无限大的，因为我们的眼睛沿着直线追踪光线回到虚拟图像（图1）。 下文将对此进行更详细的讨论。

当你看显微镜时，你不是在看标本，你是在看标本的图像。 图像似乎是“浮动”在空间约10毫米以下的观察管的顶部（在水平的固定光圈的目镜），其中目镜插入。你观察到的形象是不可触摸的;它无法被抓住。 它是一个“地图”或代表标本的各种颜色和/或灰色阴影从黑色到白色。 期望图像将是样本的准确表示;细节、形状和颜色/强度准确。这意味着它很可能（并且确实）产生高度准确的图像。 相反，通过不适当的技术或不良的设备，可能（而且经常）很容易降低图像质量。

要了解显微镜镜头的功能，你应该回忆一些成像中镜头作用的基本原理。我们现在将回顾几种使用简单双凸透镜的不同成像场景：

从离凸透镜前面很远的物体发出的光（我们假设我们的"物体"是图2所示的长颈鹿）将聚焦在透镜后面的固定点上。这被称为透镜的焦点。我们都熟悉“燃烧玻璃”的概念，它可以聚焦来自太阳的基本平行的光线，在一张纸上烧一个洞。焦点所在的垂直平面就是焦平面。

从凸透镜的中心到焦平面的距离称为焦距。(For理想化的对称薄凸透镜，该距离在透镜的前面或后面是相同的。）长颈鹿的图像现在出现在焦平面上（如图2所示）。图像比物体（长颈鹿）小;它是倒置的，是一个真实的图像，能够被捕捉到胶片上。用于普通风景摄影的相机就是这种情况。

物体现在移动到更靠近透镜的前面，但仍然在透镜前面超过两个焦距（这种情况在图3中解决）。现在，图像被发现在透镜后面更远的地方。它比上面描述的大，但仍然比物体小。图像是反转的，并且是真实的图像。这就是普通的肖像摄影。

物体现在位于透镜前面的一个和两个焦距之间（如图5所示）。现在图像仍然远离透镜的背面。这一次，图像被放大，比物体大；它仍然是倒置的，它是真实的。本案例描述了显微镜中使用的所有有限管长物镜的功能。这种有限管长物镜将真实的、倒置的和放大的图像投射到显微镜的主体管中。 这个像在目镜中固定的光阑的平面上聚焦。从物镜的后焦平面（不一定是它的后透镜）到目镜的固定光阑平面的距离称为物镜的光管长度。

在最后一种情况下，物体位于凸透镜的前焦平面处。在这种情况下，光线从透镜平行射出。图像与物体位于透镜的同一侧，并且垂直显示（见图1）。图像是一个虚拟的图像，看起来好像它离眼睛10英寸，类似于一个简单的放大镜的功能；放大系数取决于透镜的曲率。

上面列出的最后一种情况描述了显微镜观察目镜的功能。目镜所检查的"物体"是物镜投射的放大的、倒置的、真实的图像。当人眼置于目镜上方时，眼睛的透镜和角膜"看"这个二次放大的虚像，并看到这个虚像，就好像它离眼睛10英寸，靠近显微镜的底座。

这种情况也描述了现在广泛使用的无限校正物镜的功能。对于这样的物镜，物体或样品被精确地定位在物镜的前焦平面上。从这种透镜发出的光从每个方位角以平行光线射出。为了使这些光线聚焦，显微镜体或双目观察头必须在物镜和目镜之间的光路中包含一个管形透镜，其设计目的是使物镜形成的图像聚焦在目镜固定光阑的平面上。无限远校正物镜的放大倍数等于镜筒透镜的焦距（奥林巴斯设备的焦距为180 mm，尼康使用的焦距为200 mm;其他制造商使用其他焦距）除以所用物镜透镜的焦距。例如，奥林巴斯系列中的10倍无限远校正物镜的焦距为18 mm（180 mm/10）。

理解显微镜的一个简单方法是通过与幻灯机进行比较，幻灯机是我们大多数人都熟悉的设备。 想象一个幻灯机，把灯放在桌子上。灯泡发出的光通过聚光透镜，然后通过透明体，然后通过投影透镜到达与光束成直角的屏幕上，该屏幕与投影透镜相距给定的距离。这个屏幕上的真实的图像出现颠倒（上下颠倒）和放大。如果我们把屏幕拿走，用放大镜来观察空间中的真实的图像，我们可以进一步放大图像，从而产生另一个或第二阶段的放大。

现在我们将更详细地描述显微镜是如何工作的。显微镜的第一个透镜是离被检物体最近的一个，因此称为物镜。来自外部或内部（显微镜体内）光源的光首先通过载物台聚光器，该聚光器形成一个清晰的光锥，并集中在物体（标本）上。光穿过标本，并进入物镜（类似于上述投影仪的投影透镜），然后投影一个真实的，反转，并放大的标本图像到一个固定的平面内的显微镜，被称为中间图像平面（如图6所示）。该物镜有几个主要功能：

• 物镜必须收集来自样品各个部分或点的光。

• 物镜必须有能力将来自样品各个点的光重建成图像中各个对应的点（有时称为反点）。

• 物镜的构造必须使其聚焦在离样品足够近的地方，以便将放大的真实的图像投射到体管中。

中间像平面通常位于显微镜镜筒顶部下方约10毫米处，位于目镜固定内部光阑内的特定位置。物镜的后焦平面和中间像之间的距离称为光管长度。请注意，此值不同于显微镜的机械镜筒长度，机械镜筒长度是指物镜（安装物镜）到插入目镜（目镜）的观察镜筒顶部边缘之间的距离。

目镜或目镜，安装在主体管的上端，是离样品最远的光学部件。 在现代显微镜中，目镜由显微镜观察管顶部的肩部固定，以防止其落入管中。目镜的放置是这样的，它的眼睛（上）透镜进一步放大物镜投射的真实的图像。 观察者的眼睛看到这个二次放大的图像，就好像它在离眼睛10英寸（25厘米）的距离;因此这个虚像看起来就好像它在显微镜的底座附近。在有限管长系统中，从显微镜观察管的顶部到物镜的肩部（物镜安装到鼻镜座中的位置）的距离通常为160 mm。这被称为如上所述的机械管长度。目镜有几个主要功能：

• 目镜的作用是进一步放大物镜投射的真实的像。

• 在视觉观察中，目镜产生二次放大的虚像。

• 在显微照相术中，它产生由物镜投射的二次放大的真实的图像。这种增强的真实的图像可以投射在照相机的摄影胶片上，或者投射在目镜上方的屏幕上。

• 目镜可以配备刻度、标记或十字准线（通常称为分划板、分划板或反射板），以便这些插入物的图像可以叠加在标本的图像上。

确定图像放大量的因素是物镜放大率，其在物镜光学元件的构造期间预定。 物镜的放大倍率通常从1：1（1X）到100：1（100X），最常见的倍率为4X（或5X）、10X、20X、40X（或50X）和100X。 显微镜物镜的一个重要特征是其非常短的焦距，与普通的手用透镜（如图1所示）相比，在给定的距离上可以增加放大率。 显微镜在放大方面如此有效的主要原因是由于光学元件的短焦距而在如此短的光路上实现的两级放大。

目镜，像物镜一样，根据其放大中间图像的能力进行分类。它们的放大倍数在5X和30 X之间变化，最常用的目镜具有10 X-15 X的值。显微镜的总视觉放大率是由物镜和目镜的放大率值相乘得出的。例如，使用5X物镜与10 X目镜产生50 X的总视觉放大率，同样地，在刻度的顶端，使用100 X物镜与30 X目镜产生3000 X的视觉放大率。

总放大率也取决于显微镜的镜筒长度。 大多数标准的固定管长度显微镜具有160、170、200或210毫米的管长度，其中160毫米对于透射光生物医学显微镜是最常见的。 许多为半导体工业设计的工业显微镜的镜筒长度为210毫米。 这些显微镜的物镜和目镜具有为特定管长度设计的光学特性，并且在不同管长度的显微镜中使用物镜或目镜将导致放大因子的变化（并且还可能导致光学像差透镜误差的增加）。 无限校正显微镜也有目镜和物镜的光学调谐到显微镜的设计，这些不应该互换显微镜与不同的无限管长度。

现代研究显微镜是非常复杂的，往往有两个episcopic和diascopic照明内置到显微镜外壳。 这些显微镜的设计限制排除了将管长度限制在160毫米的物理尺寸，从而需要补偿显微镜主体和机械管的增加的物理尺寸。 这是通过增加一组平行化透镜来缩短显微镜的表观机械管长度来完成的。 这些额外的镜片有时会引入额外的放大倍数（通常约为1.25-1.5X），在计算视觉和显微摄影放大倍数时必须考虑到这一点。 在大多数显微镜制造商提供的用户手册中，这个额外的放大系数被称为管系数。因此，如果5X物镜与15 X目镜组一起使用，则总视觉放大率变为93.75X（使用1.25X管系数）或112.5X（使用1.5X管系数）。

除了在某些显微镜中使用的平行化透镜之外，制造商还可以提供额外的透镜（有时称为放大率变换器），这些透镜可以旋转到光学路径中以增加放大系数。 这通常是为了方便显微摄影的样品框架。这些镜头通常具有非常小的放大倍数，范围从1.25倍到2.5倍，但使用这些镜头可能会导致空放大，即图像被放大，但没有解决额外的细节。 这种类型的错误在图7中用液晶DNA的显微照片说明。 图7（a）中的显微照片是用20倍平面消色差物镜在偏振光下拍摄的，数值孔径为0.40，并放大10倍。 在这张显微照片中，细节清晰，焦点锐利，揭示了这种六角堆积液晶聚合物的许多结构细节。 相反，右边的显微照片（图7（B））是用4倍平面消色差物镜拍摄的，数值孔径为0.10，放大倍数为50倍。 这张显微照片缺乏图7（a）中的细节和清晰度，并证明了由于巨大的放大程度引入的空放大系数而导致的分辨率明显不足。

在选择目镜/物镜组合时应小心，以确保样本细节的最佳放大率，而不会增加不必要的伪影。 例如，为了达到250倍的放大率，显微镜可以选择一个25倍的目镜耦合到一个10倍的物镜。 对于相同的放大倍数，另一种选择是10倍目镜和25倍物镜。由于25倍物镜的数值孔径（约0.65）比10倍物镜（约0.25）更高，并且考虑到数值孔径值定义了物镜的分辨率，很明显后一种选择将是最好的。如果用上述每种物镜/目镜组合拍摄相同视场的显微照片，很明显，与替代组合相比，10倍目镜/25倍物镜组合将拍摄出在标本细节和清晰度方面表现出色的显微照片。

物镜/目镜组合的有用总放大率范围由系统的数值孔径定义。 有一个最小的放大率需要的细节存在于一个图像被解决，这个值通常是相当任意设置为500倍的数值孔径（500 × NA）。 在光谱的另一端，图像的最大有用放大率通常设置为数值孔径的1000倍（1000 × NA）。 高于此值的放大率将不会产生更多有用信息或图像细节的更精细分辨率，并且通常会导致图像退化，如上所述。 超过有效放大率的极限会导致图像出现空放大率现象（见图7（a）和（B）），通过目镜或中间管透镜增加放大率只会导致图像变得更放大，而不会相应地增加细节分辨率。 表1列出了在有效放大率范围内的常见物镜/目镜组合。

这些基本原理是复合显微镜的操作和结构的基础，复合显微镜不同于放大镜或简单的显微镜，它采用一组串联排列的透镜。 在过去几百年中，这些原则的阐述导致了今天复杂仪器的发展。现代显微镜通常是模块化的，具有用于不同目的的可互换部件;这种显微镜能够产生从低到高放大率的图像，具有显着的清晰度和对比度。

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