光學(xué)顯微鏡是利用光學(xué)原理，把人眼所不能分辨的微小物體放大成像，以供人們提取微細(xì)結(jié)構(gòu)信息的光學(xué)儀器。
早在公元前一世紀(jì)，人們就已發(fā)現(xiàn)通過(guò)球形透明物體去觀察微小物體時(shí)，可以使其放大成像。后來(lái)逐漸對(duì)球形玻璃表面能使物體放大成像的規(guī)律有了認(rèn)識(shí)。
1590年，荷蘭和意大利的眼鏡制造者已經(jīng)造出類(lèi)似顯微鏡的放大儀器。1610年前后，意大利的伽利略和德國(guó)的開(kāi)普勒在研究望遠(yuǎn)鏡的同時(shí)，改變物鏡和目鏡之間的距離，得出合理的顯微鏡光路結(jié)構(gòu)，當(dāng)時(shí)的光學(xué)工匠遂紛紛從事顯微鏡的制造、推廣和改進(jìn)。
17世紀(jì)中葉，英國(guó)的胡克和荷蘭的列文胡克，都對(duì)顯微鏡的發(fā)展作出了卓越的貢獻(xiàn)。1665年前后，胡克在顯微鏡中加入粗動(dòng)和微動(dòng)調(diào)焦機(jī)構(gòu)、照明系統(tǒng)和承載標(biāo)本片的工作臺(tái)。這些部 件經(jīng)過(guò)不斷改進(jìn)，成為現(xiàn)代顯微鏡的基本組成部分。
1673～1677年期間，列文胡克制成單組元放大鏡式的高倍顯微鏡，其中九臺(tái)保存至今。胡克和列文胡克利用自制的顯微鏡，在動(dòng)、植物機(jī)體微觀結(jié)構(gòu)的研究方面取得了杰出的成就。
19世紀(jì)，高質(zhì)量消色差浸液物鏡的出現(xiàn)，使顯微鏡觀察微細(xì)結(jié)構(gòu)的能力大為提高。1827年阿米奇第一個(gè)采用了浸液物鏡。19世紀(jì)70年代，德國(guó)人阿貝奠定了顯微鏡成像的古典理論基礎(chǔ)。這些都促進(jìn)了顯微鏡制造和顯微觀察技術(shù)的迅速發(fā)展，并為19世紀(jì)后半葉包括科赫、巴斯德等在內(nèi)的生物學(xué)家和醫(yī)學(xué)家發(fā)現(xiàn)細(xì)菌和微生物提供了有力的工具。
在顯微鏡本身結(jié)構(gòu)發(fā)展的同時(shí)，顯微觀察技術(shù)也在不斷創(chuàng)新：1850年出現(xiàn)了偏光顯微術(shù)；1893年出現(xiàn)了干涉顯微術(shù)；1935年荷蘭物理學(xué)家澤爾尼克創(chuàng)造了相襯顯微術(shù)，他為此在1953年獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
古典的光學(xué)顯微鏡只是光學(xué)元件和精密機(jī)械元件的組合，它以人眼作為接收器來(lái)觀察放大的像。后來(lái)在顯微鏡中加入了攝影裝置，以感光膠片作為可以記錄和存儲(chǔ)的接收器。現(xiàn)代又普遍采用光電元件、電視攝象管和電荷耦合器等作為顯微鏡的接收器，配以微型電子計(jì)算機(jī)后構(gòu)成完整的圖象信息采集和處理系統(tǒng)。
表面為曲面的玻璃或其他透明材料制成的光學(xué)透鏡可以使物體放大成像，光學(xué)顯微鏡就是利用這一原理把微小物體放大到人眼足以觀察的尺寸。近代的光學(xué)顯微鏡通常采用兩級(jí)放大，分別由物鏡和目鏡完成。被觀察物體位于物鏡的前方，被物鏡作第一級(jí)放大后成一倒立的實(shí)象，然后此實(shí)像再被目鏡作第二級(jí)放大，成一虛象，人眼看到的就是虛像。而顯微鏡的總放大倍率就是物鏡放大倍率和目鏡放大倍率的乘積。放大倍率是指直線尺寸的放大比，而不是面積比。
光學(xué)顯微鏡的組成結(jié)構(gòu)
光學(xué)顯微鏡一般由載物臺(tái)、聚光照明系統(tǒng)、物鏡，目鏡和調(diào)焦機(jī)構(gòu)組成。載物臺(tái)用于承放被觀察的物體。利用調(diào)焦旋鈕可以驅(qū)動(dòng)調(diào)焦機(jī)構(gòu)，使載物臺(tái)作粗調(diào)和微調(diào)的升降運(yùn)動(dòng)，使被觀察物體調(diào)焦清晰成象。它的上層可以在水平面內(nèi)沿作精密移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，一般都把被觀察的部位調(diào)放到視場(chǎng)中心。
聚光照明系統(tǒng)由燈源和聚光鏡構(gòu)成，聚光鏡的功能是使更多的光能集中到被觀察的部位。照明燈的光譜特性必須與顯微鏡的接收器的工作波段相適應(yīng)。
物鏡位于被觀察物體附近，是實(shí)現(xiàn)第一級(jí)放大的鏡頭。在物鏡轉(zhuǎn)換器上同時(shí)裝著幾個(gè)不同放大倍率的物鏡，轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)換器就可讓不同倍率的物鏡進(jìn)入工作光路，物鏡的放大倍率通常為5～100倍。
物鏡是顯微鏡中對(duì)成象質(zhì)量?jī)?yōu)劣起決定性作用的光學(xué)元件。常用的有能對(duì)兩種顏色的光線校正色差的消色差物鏡；質(zhì)量更高的還有能對(duì)三種色光校正色差的復(fù)消色差物鏡；能保證物鏡的整個(gè)像面為平面，以提高視場(chǎng)邊緣成像質(zhì)量的平像場(chǎng)物鏡。高倍物鏡中多采用浸液物鏡，即在物鏡的下表面和標(biāo)本片的上表面之間填充折射率為1.5左右的液體，它能顯著的提高顯微觀察的分辨率。
目鏡是位于人眼附近實(shí)現(xiàn)第二級(jí)放大的鏡頭，鏡放大倍率通常為5～20倍。按照所能看到的視場(chǎng)大小，目鏡可分為視場(chǎng)較小的普通目鏡，和視場(chǎng)較大的大視場(chǎng)目鏡(或稱(chēng)廣角目鏡)兩類(lèi)。
載物臺(tái)和物鏡兩者必須能沿物鏡光軸方向作相對(duì)運(yùn)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)調(diào)焦，獲得清晰的圖像。用高倍物鏡工作時(shí)，容許的調(diào)焦范圍往往小于微米，所以顯微鏡必須具備極為精密的微動(dòng)調(diào)焦機(jī)構(gòu)。
顯微鏡放大倍率的極限即有效放大倍率，顯微鏡的分辨率是指能被顯微鏡清晰區(qū)分的兩個(gè)物點(diǎn)的最小間距。分辨率和放大倍率是兩個(gè)不同的但又互有聯(lián)系的概念。
當(dāng)選用的物鏡數(shù)值孔徑不夠大，即分辨率不夠高時(shí)，顯微鏡不能分清物體的微細(xì)結(jié)構(gòu)，此時(shí)即使過(guò)度地增大放大倍率，得到的也只能是一個(gè)輪廓雖大但細(xì)節(jié)不清的圖像，稱(chēng)為無(wú)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(jiàn)。所以為了充分發(fā)揮顯微鏡的分辨能力，應(yīng)使數(shù)值孔徑與顯微鏡總放大倍率合理匹配。
聚光照明系統(tǒng)是對(duì)顯微鏡成像性能有較大影響，但又是易于被使用者忽視的環(huán)節(jié)。它的功能是提供亮度足夠且均勻的物面照明。聚光鏡發(fā)來(lái)的光束應(yīng)能保證充滿物鏡孔徑角，否則就不能充分利用物鏡所能達(dá)到的最高分辨率。為此目的，在聚光鏡中設(shè)有類(lèi)似照相物鏡中的，可以調(diào)節(jié)開(kāi)孔大小的可變孔徑光闌，用來(lái)調(diào)節(jié)照明光束孔徑，以與物鏡孔徑角匹配。
改變照明方式，可以獲得亮背景上的暗物點(diǎn)(稱(chēng)亮視場(chǎng)照明)或暗背景上的亮物點(diǎn)(稱(chēng)暗視場(chǎng)照明)等不同的觀察方式，以便在不同情況下更好地發(fā)現(xiàn)和觀察微細(xì)結(jié)構(gòu)。
光學(xué)顯微鏡的分類(lèi)
光學(xué)顯微鏡有多種分類(lèi)方法：按使用目鏡的數(shù)目可分為雙目和單目顯微鏡；按圖像是否有立體
感可分為立體視覺(jué)和非立體視覺(jué)顯微鏡；按觀察對(duì)像可分為生物和金相顯微鏡等；按光學(xué)原理可分為偏光，相襯和微差干涉對(duì)比顯微鏡等；按光源類(lèi)型可分為普通光、熒光、紅外光和激光顯微鏡等；按接收器類(lèi)型可分為目視、攝影和電視顯微鏡等。常用的顯微鏡有雙目體視顯微鏡、金相顯微鏡、偏光顯微鏡、紫外熒光顯微鏡等。
雙目體視顯微鏡是利用雙通道光路，為左右兩眼提供一個(gè)具有立體感的圖像。它實(shí)質(zhì)上是兩個(gè)單鏡筒顯微鏡并列放置，兩個(gè)鏡筒的光軸構(gòu)成相當(dāng)于人們用雙目觀察一個(gè)物體時(shí)所形成的視角，以此形成三維空間的立體視覺(jué)圖像。雙目體視顯微鏡在生物、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域廣泛用于切片操作和顯微外 科手術(shù)；在工業(yè)中用于微小零件和集成電路的觀測(cè)、裝配、檢查等工作。
金相顯微鏡是專(zhuān)門(mén)用于觀察金屬和礦物等不透明物體金相組織的顯微鏡。這些不透明物體無(wú)法在普通的透射光顯微鏡中觀察，故金相和普通顯微鏡的主要差別在于前者以反射光，而后者以透射光照明。在金相顯微鏡中照明光束從物鏡方向射到被觀察物體表面，被物面反射后再返回物鏡成像。這種反射照明方式也廣泛用于集成電路硅片的檢測(cè)工作。
紫外熒光顯微鏡是用紫外光激發(fā)熒光來(lái)進(jìn)行觀察的顯微鏡。某些標(biāo)本在可見(jiàn)光中覺(jué)察不到結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，但經(jīng)過(guò)染色處理，以紫外光照射時(shí)可因熒光作用而發(fā)射可見(jiàn)光，形成可見(jiàn)的圖像。這類(lèi)顯微鏡常用于生物學(xué)和醫(yī)學(xué)中。
電視顯微鏡和電荷耦合器顯微鏡是以電視攝像靶或電荷耦合器作為接收元件的顯微鏡。在顯微鏡的實(shí)像面處裝入電視攝像靶或電荷耦合器取代人眼作為接收器，通過(guò)這些光電器件把光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的圖像，然后對(duì)之進(jìn)行尺寸檢測(cè)、顆粒計(jì)數(shù)等工作。這類(lèi)顯微鏡的可以與計(jì)算機(jī)聯(lián)用，這便于實(shí)現(xiàn)檢測(cè)和信息處理的自動(dòng)化，多應(yīng)用于需要進(jìn)行大量繁瑣檢測(cè)工作的場(chǎng)合。
掃描顯微鏡是成像光束能相對(duì)于物面作掃描運(yùn)動(dòng)的顯微鏡 。在掃描顯微鏡中依靠縮小視場(chǎng)來(lái)保證物鏡達(dá)到最高的分辨率，同時(shí)用光學(xué)或機(jī)械掃描的方法，使成像光束相對(duì)于物面在較大視場(chǎng)范圍內(nèi)進(jìn)行掃描，并用信息處理技術(shù)來(lái)獲得合成的大面積圖像信息。這類(lèi)顯微鏡適用于需要高分辨率的大視場(chǎng)圖像的觀測(cè)。
早在公元前一世紀(jì)，人們就已發(fā)現(xiàn)通過(guò)球形透明物體去觀察微小物體時(shí)，可以使其放大成像。后來(lái)逐漸對(duì)球形玻璃表面能使物體放大成像的規(guī)律有了認(rèn)識(shí)。
1590年，荷蘭和意大利的眼鏡制造者已經(jīng)造出類(lèi)似顯微鏡的放大儀器。1610年前后，意大利的伽利略和德國(guó)的開(kāi)普勒在研究望遠(yuǎn)鏡的同時(shí)，改變物鏡和目鏡之間的距離，得出合理的顯微鏡光路結(jié)構(gòu)，當(dāng)時(shí)的光學(xué)工匠遂紛紛從事顯微鏡的制造、推廣和改進(jìn)。
17世紀(jì)中葉，英國(guó)的胡克和荷蘭的列文胡克，都對(duì)顯微鏡的發(fā)展作出了卓越的貢獻(xiàn)。1665年前后，胡克在顯微鏡中加入粗動(dòng)和微動(dòng)調(diào)焦機(jī)構(gòu)、照明系統(tǒng)和承載標(biāo)本片的工作臺(tái)。這些部 件經(jīng)過(guò)不斷改進(jìn)，成為現(xiàn)代顯微鏡的基本組成部分。
1673～1677年期間，列文胡克制成單組元放大鏡式的高倍顯微鏡，其中九臺(tái)保存至今。胡克和列文胡克利用自制的顯微鏡，在動(dòng)、植物機(jī)體微觀結(jié)構(gòu)的研究方面取得了杰出的成就。
19世紀(jì)，高質(zhì)量消色差浸液物鏡的出現(xiàn)，使顯微鏡觀察微細(xì)結(jié)構(gòu)的能力大為提高。1827年阿米奇第一個(gè)采用了浸液物鏡。19世紀(jì)70年代，德國(guó)人阿貝奠定了顯微鏡成像的古典理論基礎(chǔ)。這些都促進(jìn)了顯微鏡制造和顯微觀察技術(shù)的迅速發(fā)展，并為19世紀(jì)后半葉包括科赫、巴斯德等在內(nèi)的生物學(xué)家和醫(yī)學(xué)家發(fā)現(xiàn)細(xì)菌和微生物提供了有力的工具。
在顯微鏡本身結(jié)構(gòu)發(fā)展的同時(shí)，顯微觀察技術(shù)也在不斷創(chuàng)新：1850年出現(xiàn)了偏光顯微術(shù)；1893年出現(xiàn)了干涉顯微術(shù)；1935年荷蘭物理學(xué)家澤爾尼克創(chuàng)造了相襯顯微術(shù)，他為此在1953年獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
古典的光學(xué)顯微鏡只是光學(xué)元件和精密機(jī)械元件的組合，它以人眼作為接收器來(lái)觀察放大的像。后來(lái)在顯微鏡中加入了攝影裝置，以感光膠片作為可以記錄和存儲(chǔ)的接收器。現(xiàn)代又普遍采用光電元件、電視攝象管和電荷耦合器等作為顯微鏡的接收器，配以微型電子計(jì)算機(jī)后構(gòu)成完整的圖象信息采集和處理系統(tǒng)。
表面為曲面的玻璃或其他透明材料制成的光學(xué)透鏡可以使物體放大成像，光學(xué)顯微鏡就是利用這一原理把微小物體放大到人眼足以觀察的尺寸。近代的光學(xué)顯微鏡通常采用兩級(jí)放大，分別由物鏡和目鏡完成。被觀察物體位于物鏡的前方，被物鏡作第一級(jí)放大后成一倒立的實(shí)象，然后此實(shí)像再被目鏡作第二級(jí)放大，成一虛象，人眼看到的就是虛像。而顯微鏡的總放大倍率就是物鏡放大倍率和目鏡放大倍率的乘積。放大倍率是指直線尺寸的放大比，而不是面積比。
光學(xué)顯微鏡的組成結(jié)構(gòu)
光學(xué)顯微鏡一般由載物臺(tái)、聚光照明系統(tǒng)、物鏡，目鏡和調(diào)焦機(jī)構(gòu)組成。載物臺(tái)用于承放被觀察的物體。利用調(diào)焦旋鈕可以驅(qū)動(dòng)調(diào)焦機(jī)構(gòu)，使載物臺(tái)作粗調(diào)和微調(diào)的升降運(yùn)動(dòng)，使被觀察物體調(diào)焦清晰成象。它的上層可以在水平面內(nèi)沿作精密移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，一般都把被觀察的部位調(diào)放到視場(chǎng)中心。
聚光照明系統(tǒng)由燈源和聚光鏡構(gòu)成，聚光鏡的功能是使更多的光能集中到被觀察的部位。照明燈的光譜特性必須與顯微鏡的接收器的工作波段相適應(yīng)。
物鏡位于被觀察物體附近，是實(shí)現(xiàn)第一級(jí)放大的鏡頭。在物鏡轉(zhuǎn)換器上同時(shí)裝著幾個(gè)不同放大倍率的物鏡，轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)換器就可讓不同倍率的物鏡進(jìn)入工作光路，物鏡的放大倍率通常為5～100倍。
物鏡是顯微鏡中對(duì)成象質(zhì)量?jī)?yōu)劣起決定性作用的光學(xué)元件。常用的有能對(duì)兩種顏色的光線校正色差的消色差物鏡；質(zhì)量更高的還有能對(duì)三種色光校正色差的復(fù)消色差物鏡；能保證物鏡的整個(gè)像面為平面，以提高視場(chǎng)邊緣成像質(zhì)量的平像場(chǎng)物鏡。高倍物鏡中多采用浸液物鏡，即在物鏡的下表面和標(biāo)本片的上表面之間填充折射率為1.5左右的液體，它能顯著的提高顯微觀察的分辨率。
目鏡是位于人眼附近實(shí)現(xiàn)第二級(jí)放大的鏡頭，鏡放大倍率通常為5～20倍。按照所能看到的視場(chǎng)大小，目鏡可分為視場(chǎng)較小的普通目鏡，和視場(chǎng)較大的大視場(chǎng)目鏡(或稱(chēng)廣角目鏡)兩類(lèi)。
載物臺(tái)和物鏡兩者必須能沿物鏡光軸方向作相對(duì)運(yùn)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)調(diào)焦，獲得清晰的圖像。用高倍物鏡工作時(shí)，容許的調(diào)焦范圍往往小于微米，所以顯微鏡必須具備極為精密的微動(dòng)調(diào)焦機(jī)構(gòu)。
顯微鏡放大倍率的極限即有效放大倍率，顯微鏡的分辨率是指能被顯微鏡清晰區(qū)分的兩個(gè)物點(diǎn)的最小間距。分辨率和放大倍率是兩個(gè)不同的但又互有聯(lián)系的概念。
當(dāng)選用的物鏡數(shù)值孔徑不夠大，即分辨率不夠高時(shí)，顯微鏡不能分清物體的微細(xì)結(jié)構(gòu)，此時(shí)即使過(guò)度地增大放大倍率，得到的也只能是一個(gè)輪廓雖大但細(xì)節(jié)不清的圖像，稱(chēng)為無(wú)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(jiàn)。所以為了充分發(fā)揮顯微鏡的分辨能力，應(yīng)使數(shù)值孔徑與顯微鏡總放大倍率合理匹配。
聚光照明系統(tǒng)是對(duì)顯微鏡成像性能有較大影響，但又是易于被使用者忽視的環(huán)節(jié)。它的功能是提供亮度足夠且均勻的物面照明。聚光鏡發(fā)來(lái)的光束應(yīng)能保證充滿物鏡孔徑角，否則就不能充分利用物鏡所能達(dá)到的最高分辨率。為此目的，在聚光鏡中設(shè)有類(lèi)似照相物鏡中的，可以調(diào)節(jié)開(kāi)孔大小的可變孔徑光闌，用來(lái)調(diào)節(jié)照明光束孔徑，以與物鏡孔徑角匹配。
改變照明方式，可以獲得亮背景上的暗物點(diǎn)(稱(chēng)亮視場(chǎng)照明)或暗背景上的亮物點(diǎn)(稱(chēng)暗視場(chǎng)照明)等不同的觀察方式，以便在不同情況下更好地發(fā)現(xiàn)和觀察微細(xì)結(jié)構(gòu)。
光學(xué)顯微鏡的分類(lèi)
光學(xué)顯微鏡有多種分類(lèi)方法：按使用目鏡的數(shù)目可分為雙目和單目顯微鏡；按圖像是否有立體
感可分為立體視覺(jué)和非立體視覺(jué)顯微鏡；按觀察對(duì)像可分為生物和金相顯微鏡等；按光學(xué)原理可分為偏光，相襯和微差干涉對(duì)比顯微鏡等；按光源類(lèi)型可分為普通光、熒光、紅外光和激光顯微鏡等；按接收器類(lèi)型可分為目視、攝影和電視顯微鏡等。常用的顯微鏡有雙目體視顯微鏡、金相顯微鏡、偏光顯微鏡、紫外熒光顯微鏡等。
雙目體視顯微鏡是利用雙通道光路，為左右兩眼提供一個(gè)具有立體感的圖像。它實(shí)質(zhì)上是兩個(gè)單鏡筒顯微鏡并列放置，兩個(gè)鏡筒的光軸構(gòu)成相當(dāng)于人們用雙目觀察一個(gè)物體時(shí)所形成的視角，以此形成三維空間的立體視覺(jué)圖像。雙目體視顯微鏡在生物、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域廣泛用于切片操作和顯微外 科手術(shù)；在工業(yè)中用于微小零件和集成電路的觀測(cè)、裝配、檢查等工作。
金相顯微鏡是專(zhuān)門(mén)用于觀察金屬和礦物等不透明物體金相組織的顯微鏡。這些不透明物體無(wú)法在普通的透射光顯微鏡中觀察，故金相和普通顯微鏡的主要差別在于前者以反射光，而后者以透射光照明。在金相顯微鏡中照明光束從物鏡方向射到被觀察物體表面，被物面反射后再返回物鏡成像。這種反射照明方式也廣泛用于集成電路硅片的檢測(cè)工作。
紫外熒光顯微鏡是用紫外光激發(fā)熒光來(lái)進(jìn)行觀察的顯微鏡。某些標(biāo)本在可見(jiàn)光中覺(jué)察不到結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，但經(jīng)過(guò)染色處理，以紫外光照射時(shí)可因熒光作用而發(fā)射可見(jiàn)光，形成可見(jiàn)的圖像。這類(lèi)顯微鏡常用于生物學(xué)和醫(yī)學(xué)中。
電視顯微鏡和電荷耦合器顯微鏡是以電視攝像靶或電荷耦合器作為接收元件的顯微鏡。在顯微鏡的實(shí)像面處裝入電視攝像靶或電荷耦合器取代人眼作為接收器，通過(guò)這些光電器件把光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的圖像，然后對(duì)之進(jìn)行尺寸檢測(cè)、顆粒計(jì)數(shù)等工作。這類(lèi)顯微鏡的可以與計(jì)算機(jī)聯(lián)用，這便于實(shí)現(xiàn)檢測(cè)和信息處理的自動(dòng)化，多應(yīng)用于需要進(jìn)行大量繁瑣檢測(cè)工作的場(chǎng)合。
掃描顯微鏡是成像光束能相對(duì)于物面作掃描運(yùn)動(dòng)的顯微鏡 。在掃描顯微鏡中依靠縮小視場(chǎng)來(lái)保證物鏡達(dá)到最高的分辨率，同時(shí)用光學(xué)或機(jī)械掃描的方法，使成像光束相對(duì)于物面在較大視場(chǎng)范圍內(nèi)進(jìn)行掃描，并用信息處理技術(shù)來(lái)獲得合成的大面積圖像信息。這類(lèi)顯微鏡適用于需要高分辨率的大視場(chǎng)圖像的觀測(cè)。
