光学显微镜

光学显微镜（英文Optical Microscope，简写OM），是一种借助光所形成的像来使人们便于观察物体的细微机构的精密光学仪器。光学显微镜原理简单，构造精密复杂，光学显微镜的物镜和目镜都是凸透镜，光学显微镜的放大原理是通过物镜和目镜两次放大而得到较大放大倍数的物像，首先利用物镜将物体放大成倒立的实像，再利用目镜将倒立的实像再次放大成为虚像，就是我们观察到的最终标本。

发展历史

约400年前，眼镜片的工匠们创制放大镜将人类的视力引向了微观世界，人们开始探索物质世界的微细构造。1590年，荷兰眼镜制造者汉斯·詹森（Hans Jansen）和他的儿子查·詹森（Zacharias Jansen）通过将两块不同大小的透镜叠加在一起，发现了透镜放大物体的效果，从而创造出了复式显微镜的雏形。这台显微镜的放大倍数大约为3到10倍，虽然放大倍数和分辨能力都很低，但是它标志着第一台复式显微镜的诞生。1609年，伽利略（GalileoGalilei）对詹森父子发明的显微镜进行了改进，他采用了螺杆式结构，通过扭动圆筒进行聚焦，双凸物镜和双凹目镜的组合使用，将显微镜放大倍率提高到约30倍。1665年，英国自然哲学家和物理学家罗伯特·胡克（Robert Hooke）对复式显微镜的应用进行了开创性的研究，他发表了著名的《显微图谱》（Micrographia）。这是首次以图文并茂的方式向公众展示微观世界的出版物，书中详细记录了他观察到的至少60种生物和非生物的微观结构。其中，胡克通过显微镜观察软木塞时，首次描述了微小的空腔结构——“细胞（cell）”。这一发现标志着人类对生物体结构的认识首次深入到细胞层面。胡克所制造的显微镜更精细一些，放大倍率为30-40倍。

胡克和他显微镜下观察到的细胞

在17世纪，显微镜的设计和制造技术得到了显著改进。真正意义上的显微镜是荷兰人列文虎克（Antonie Philips van Leeuwenhoek）发明的，并将其用于科学研究。放大倍数高达240-280倍，能够分辨1/700mm的精细结构。他通过显微镜首次发现了细菌、精子和血细胞，为微生物学的研究奠定了基础。17世纪末到18世纪初，荷兰物理学家惠更斯为显微镜的发展做出了巨大贡献，这时的光学显微镜已初具现代显微镜的基本结构，目前市场出售的惠更斯目镜就是现代多种目镜的原型。

初具现代显微镜的基本结构

18世纪和19世纪，显微镜的设计继续改进，包括引入了可调节的焦距和更好的光学质量透镜。科学家们努力提高显微镜的成像质量，解决了消色差和消球差问题。卡尔·蔡司（Carl Zeiss）和恩斯特·阿贝（Ernst Karl Abbe）的合作，以及新型玻璃材料的开发，使得显微镜的性能得到了显著提升。

19世纪中期的显微镜

19世纪末德国学者E.阿贝（Abbe）奠定了光学显微镜的成像原理。至此能够制造和使用油浸系物镜使光学显微镜的分辨本领已达到最高极限。20世纪以后显微镜的光学部件和机械部件都得到了进一步的改进，设计并制造出了适用于各种用途的显微镜。

20世纪初期的显微镜

光学显微镜正朝着更高分辨率、更高自动化和智能化的方向发展。无标签成像技术、超分辨率显微镜技术以及与纳米技术的结合，都是光学显微镜未来发展的重要方向。

组成结构

普通光学显微镜的结构如下图1.镜座、2.镜臂、3.镜筒、4.物镜转换器、5.载物台、6.标本片推进器、7.标本移动旋钮、8.粗准焦螺旋、9.细准焦螺旋、10.目镜、11.物镜、12.聚光器（带光圈）、13.滤光器、14.灯室、15.电源开关、16.亮度旋钮。这些组成部分又被分为三大结构：光学系统、照明系统、机械系统。

普通光学显微镜的结构

光学系统

显微镜的光学系统主要包括显微镜的目镜和物镜，目镜和物镜的作用是将需要显微的物体放大。此外还包括聚光器和滤光器。

目镜

目镜位于显微镜的顶部，是一个圆柱形的透镜组合，因为靠近观察者的眼睛，也被叫做接目镜。目镜的主要作用是在显微观察是形成清晰放大的虚像，在显微拍摄时通过投射目镜得到放大的石像，有些目镜还可以将残余像差进行校正。目镜可以更换，以提供不同的放大倍数。通常有2~3个，以“5X”“10X”“15X”这些符号表示其放大倍数，可以选择使用。目镜筒中装有用细钢丝制成的指针用来指示物像。

显微镜的目镜

物镜

物镜位于显微镜的下端，装在镜筒下端的物镜转换器上，因为接近物体，又被称为接物镜。物镜是由数片凹透镜与凸透镜组合起来的一组镜片，是显微镜分辨性能高低的关键部件。物镜一般有3~4个，根据放大倍数不同分为低倍镜、高倍镜和油镜。一般10倍以下物镜的被称为低倍镜，40倍的物镜被称为高倍镜，90-100倍的物镜被称为油镜。不同放大倍数的物镜上会有不同颜色的线圈用来区分物镜的放大倍数。物镜上还标有不同的性能指标--放大倍数、数值孔径、共轭距离、工作距离、镜筒长度和所要求的盖玻片的厚度。物镜的数值孔径（NA）表示该镜头的分辨力大小，孔径越大分辨率越高，分辨能力越强。共轭距离是指物平面与像平面之间的距离。标本所在的平面为物平面，第一次中间像所在的面为像平面。物镜不同，其共轭距离也不相同，有些物镜的共轭距离是有限的，有些则是无限的，需用镜间透镜再次将其成像于目镜的视场光栏处。物镜的工作距离是指显微镜处于工作状态（物像调节清楚）时物镜的下表面与盖玻片（厚度一般为0.17mm）上表面之间的距离，物镜的放大倍数越大，它的工作距离愈小。而显微镜的放大倍数是由物镜的放大倍数与目镜的放大倍数的乘积。

显微镜物镜

聚光器

聚光器是由聚光镜和光圈组成，它位于载物台下方的聚光器支架上。聚光器的主要作用是把光线集中到所要观察的标本上。其中聚光镜是由一片或数片透镜组成，汇聚光线，加强对标本的照明，并使光线射入物镜内。通过调节聚光器的升降来调节视野中光亮度的强弱。升聚光器则视野变亮，反之则变弱。光圈（虹彩光圈）在聚光镜下方，由十几张金属薄片组成。光圈外侧有光圈把手，推动光圈把手可以调节光圈开孔的大小，以调节光量。打开光圈孔，通光量增加，视野变亮；关闭光圈孔，通光量减少，视野变暗。

聚光器

滤光器

滤光器在光圈下面，同时还有一个圆形的滤光片托架，可以安放滤光片。滤光器的作用是让某一波段的光线通过，同时吸收掉其他的光线。

聚光器和滤光器 1、聚光镜；2、光圈把手；3、滤光片托架

照明系统

显微镜的镜座上有一个圆柱形的灯室，里面装有灯泡，是显微镜的光源。打开显微镜的电源开关，灯室的灯泡就可以发出光来，同时还可以通过镜座上的亮度旋钮来调节灯泡发出的光线的强弱。

机械系统

镜座

镜座是显微镜的底座，支持整个显微镜镜体，通常呈马蹄形或长方形，很多显微镜的镜座内装有照明光源等构造。

镜臂

镜臂下端连于镜座，上端连于镜筒，是取放显微镜时手握的部位。

镜筒

镜筒连于镜臂的前上方，镜筒上端装有目镜，下端装有物镜转换器。为金属圆筒，一般长为160mm。根据镜筒的数目，光镜可分为单筒镜和双筒镜。

物镜转换器

物镜转换器又称旋转盘，是接在镜筒下端可以自由旋转的凹形圆盘，在物镜转换器的凸面有3~4个圆孔，用来装不同放大倍数的物镜。同时转动物镜转换器可使物镜和光轴同心。

载物台

载物台位于镜筒下方，是用于放置标本片的平台，中央有一个通光孔，大部分显微镜的载物台上装有标本片推进器（也称移片器），移片器上安装的弹簧夹可用于固定玻片标本。载物台下面有两个标本移动旋钮，可使标本片往水平（前后、左右）方向的移动，使用显微镜观察时可以通过标本移动旋钮来改变观察区域。移片器上一般附有纵横游标尺，可以计算标本移动的距离和确定标本的位置。游标尺由主标尺和副标尺组成，副标尺的分度为主标尺的9/10，使用时先看副标尺的0点位置，再看主副标尺刻度线的重合点即可读出准确的数值。

准焦螺旋

准焦螺旋分为两种：粗准焦螺旋和细准焦螺旋。转动准焦螺旋可以使载物台上下移动，调节物镜和标本之间的距离，从而起到调焦的作用。粗准焦螺旋每转动一周，镜筒上升或下降10mm，使载物台做快速和较大幅度的升降，能迅速调节物镜和标本之间的距离，所以在在使用低倍镜时，先用粗准焦螺旋迅速找到物像。细准焦螺旋每转动一周，镜筒升降值为0.1mm，细准焦螺旋调焦范围不小于1.8mm，使载物台缓慢地升降，一般在高倍镜和油镜观察时使用，可以得到更清晰的物像，并可以观察标本的不同层次和不同深度的结构。

其他组成

光学系统、照明系统、机械系统组成了基本的光学显微镜，但是随着科技的发展，光学显微镜也有了进一步的发展，配备了摄像系统，可以使被观察的物体在显示器上显示出来，更加便于观看。计算机的加入也构成了显微镜完整的图像信息采集和处理系统。

成像原理

光学显微镜的组件中目镜和物镜都是凸透镜，物镜相当于投影仪的镜头，物体通过物镜成倒立、放大的实像。如下图所示，AB为所观察的标本，AB之间为物镜的焦距，物镜的焦距短，A'B'之间为目镜的焦距，目镜的焦距比物镜的焦距长。物镜到标本（AB）的距离大于物镜（Lo）的焦距，标本AB经物镜放大后形成放大倒立的实像A'B'。实像A'B'又称为目镜的物体，它位于目镜的焦点以内，所以A'B'经目镜（Le）再次放大后，形成放大的虚像A"B"，就是我们最终观察到的标本。

普通光学显微镜的成像原理

分类

按照明技术

明视野显微镜，是常见的光学显微镜，它通过聚焦镜将光线汇聚到样品上，形成一个明亮的锥形光束，光束穿过样品后进入物镜，用于观察经染色或本身具备颜色的细胞、组织片等标本。在明视野显微镜中，光线直接穿过样品，样品的颜色或染色使得样品与背景形成对比，从而被观察。明视野显微镜适用于那些能够吸收或散射光线的样品。

明视野型显微镜ML31

暗视野显微镜，是利用特殊的集光器使照明光线不能直接进入物镜，只有标本表面的散射光进入物镜，因此整个视野的背景是暗的。暗视野显微镜多用于微生物和胶体微粒的观察。

上光六厂暗视野显微镜BM-8CF

荧光显微镜，是利用一定波长的光使标本的特异性物质受到激发而发射荧光，通过观察荧光研究标本的特异性物质成分或标本的特异结构的显微镜。荧光显微镜具有特殊的照明系统、荧光垂直照明器以及暗视野集光器。

奥林巴斯BX61荧光显微镜

按形成技术

相差显微镜，光波通过样品时波长与振幅发生变化，以增大物体的明暗反差，具有特殊的相差集光器和相差物镜。相差显微镜用来观察未染色的活体细胞和组织细微结构的显微镜。

相差显微镜EX31

干涉相差显微镜，是通过标本的光线和通过标本之外的光线发生干涉井把光的相位变化变为振幅变化。干涉相差显微镜可以观察染色或未染色物体的细微结构并能测定标本中干物质的含量。

干涉相差显微镜ZX-3230DIC

偏光显微镜，是利用偏振光原理来观察具有双折射特性物质的显微镜。偏光显微镜多用于矿物学和岩石学，在生物学和医学中可用于观察和研究具双折射特性的纤维蛋白、淀粉粒、纺绣丝等结构。

奥林巴斯CX31-P偏光显微镜

按镜体构造

倒置显微镜，是把照明系统置于载物台上面，把物镜置于载物台下面的显微镜。这种显微镜由于大大加长了物台上放置样品的高度，可以放置培养器皿。倒置显微镜多用于观察培养的活体细胞和组织。

奥林巴斯CKX53倒置显微镜

实体显微镜，是利用斜射光照明观察物体的外部形态和立体结构的显微镜。这种显微镜放大倍数较低，一般为60~500x。实体显微镜多用于工农业生产及科学文化事业的许多领域。

实体显微镜--TS-70

比较显微镜，是一种合并在一个镜架上的两台显微镜，它可以把两个标本的像借助于棱镜组合在一个目镜的两半视野内。比较显微镜多用以比较两个标本的结构和染色。

WBY-10B数字比较显微镜

应用领域

光学显微镜作为一种重要的精密光学仪器，被广泛应用于医学、农业、地质、工业等领域。

医学领域

光学显微镜在生物学领域主要应用于细胞形态学、组织学、胚胎学等领域的研究。通过光学显微镜，可以观察细胞的结构和功能，了解生物组织的发育和分化过程，为疾病诊断和治疗提供有力支持。光学显微镜在医学领域主要应用于病理学中的组织切片分析，帮助诊断各种疾病，包括肿瘤的类型和分级，血液监测、药物研究、微生物学鉴定以及医学教育，观察细胞和组织的细微变化来诊断疾病。

农业领域

光学显微镜在农业领域主要应用于种子和病虫害的观察，植物病理学、昆虫学和土壤学等领域的研究。通过光学显微镜，可以观察植物的病菌和虫害情况，了解土壤的理化和生物性质。光学显微镜在畜牧业领域主要应用于兽医临床诊疗，是兽医诊疗中最常用的工具之一，动物常规的样本检验均需要使用光学显微镜，如血液、尿液、粪便、体腔液等。

地质领域

光学显微镜在考古领域主要应用于研究古物和文物的微观特征和成分，如陶器、纺织品、珠宝等。

工业领域

光学显微镜在电子领域主要应用于观察不透明的物质和透明的物质，如金属、陶瓷、集成电路、电子芯片、印刷电路板、液晶板、薄膜、粉末、碳粉、线材、纤维、镀涂层等。光学显微镜在机械领域主要应用于精密测量，主要测量长度、角度，特别适宜测量各种复杂的工具和零件。通过显微镜的刻度尺可以测量微小零件的尺寸，如机械零件的直径、长度等。光学显微镜在纺织领域主要应用于检查纤维的均匀性和强度。在新产品的研发阶段，光学显微镜是不可或缺的工具。它可以帮助研究人员观察和分析新材料、新工艺的效果，从而指导产品的设计和改进。光学显微镜在冶金领域主要应用于分析材料的微观结构，金属的晶粒结构、复合材料的纤维排列。

使用与维护

使用方法

1、取镜：将显微镜从平时存放的柜或箱中取出时，右手紧握镜臂，左手托住镜座，保持镜身直立，将显微镜放在实验台上，略偏左，安装好目镜和物镜。注意事项：取送方法要正确——因为反光镜是通过镜柄插放在镜臂下面的，目镜是插放在镜筒上方的，所以容易出现滑落和损坏。因此，取放显微镜时一定要一手托一手握，不能一只手提着显微镜，另外，也尽量避免摘取反光镜、物镜随意触摸，以避免污染。镜头的保护——镜头脏了，需要用专用的擦镜纸擦拭，擦拭时要顺着一个方向。如果擦拭不净，可以蘸取二甲苯继续擦，但不要把镜头浸泡在二甲苯中，以避免镜头开胶，镜片脱落。2、对光：用拇指和中指捏住物镜转换器的旋转盘使物镜转换器进行旋转（此处注意不要用手指推动物镜，否则容易使物镜光轴歪斜，影响成像质量），使低倍物镜对准载物台的通光孔（当转动听到碰叩声即可），使物镜光轴恰好对准通光孔中心，光路接通后才能进行观察。之后打开光源和光圈，上升聚光器，用目镜观察，同时调节光源的亮度旋钮，直到视野内的光线均匀明亮、不刺眼为止。注意事项：反光镜的使用——反光镜有平面和凹面，对光时，如果视野内光线较强，则使用平面，如果光线仍然很强，则配合使用较小的光圈；反之，如果视野内光线较弱，则使用反光镜的凹面或较大的光圈。在转动反光镜获得明亮的视野时，应先用平面镜，若视野太暗再换凹面镜，以避免强光刺眼。3、装片：用推进器弹簧夹将标本片有盖玻片的一面朝上固定在载物台上，然后旋转标本移动旋钮，将所要观察的部位移到通光孔的正上方。4、观察a、低倍镜观察，调节粗准焦螺旋，使载物台缓慢地上升直至物镜距标本片约5mm，通过目镜继续缓慢调节粗准焦螺旋使载物台下降直到视野中出现清晰的物像为止。可调节推进器将物像调到视野中心（注意：移动标本片的方向与视野中物像移动的方向是相反的）。可通过升降聚光器的位置或改变光圈的大小来调节视野内的亮度，如果在调节焦距时，载物台下降已超过工作距离（5.40mm）而没有见到物像，说明此次操作失败，则应重新操作，不可心急而盲目地上升载物台，否则镜头极易碰撞到标本片。观察时要养成两眼同时睁开的习惯，可一边以左眼观察物像，一边以右眼观察绘图。b、高倍镜观察，转动物镜转换器，将低倍镜换成高倍镜，转换时转动速度要慢，并从侧面观察，注意防止高倍镜镜头碰撞到标本片，如镜头碰到标本片，说明低倍镜的焦距没有调好，应重新进行低倍镜观察。一定要先在低倍镜下把需进一步放大观察的部位移到视野中心，同时把物像调节到最清晰的程度，才能进行高倍镜的观察，否则较难找到观察目标。如果视野的亮度不合适，可用聚光器和光圈加以调节。如果需要取下标本片，必须转动粗准焦螺旋使载物台下降，再取下标本片，以免标本片碰到物镜镜头。c、油镜观察，将需进一步放大观察的部位移到视野的中心，降低载物台，转动物镜转换器换入油镜。在标本片的需观察部位滴加一滴香柏油，然后从侧面水平注视镜头与标本片的距离，转动粗准焦螺旋，缓缓使油镜镜头浸入油滴内，至几乎与标本片相接为止，注意不能让油镜镜头直接接触到标本片。将聚光器上升到最高位置，光圈开到最大。用目镜观察，慢慢调节转动粗准焦螺旋至看到模糊图像，再调节细准焦螺旋至物像清晰为止。如果不出现物像或者目标不理想要重找，在滴油区之外重找时应按“低倍镜→高倍镜→油镜”的顺序;在滴油区内重找应按“低倍镜→油镜”的顺序，不得经过高倍镜，以免香柏油沾污高倍镜镜头。注意事项：转换器的使用——转动转换器时，不要掰动镜头，时间长了，容易使得物镜镜头松动，改变焦距，影响观察的清晰度。正确的方法是握准转换器的边缘转动。粗、细准焦螺旋——一般来说，粗、细准焦螺旋各转动一周，可以使镜筒分别移动10mm和0. 1mm。5、清洁，观察完后，调节粗准焦螺旋使载物台下降，取下标本片，用擦镜纸蘸少许二甲苯将油镜头和标本片上的香柏油擦去，然后再用干擦镜纸擦干净油镜头和标本片。6、还镜，显微镜使用完毕后，必须复原后才能放回箱内。调节光源亮度到最小，关闭电源，拔下插头，转动物镜转换器使物镜离开通光孔，下降载物台，关闭光圈，将推进器回位，罩好防尘罩，放回箱内。

维护注意事项

日常维护

光学显微镜的日常维护主要包括防潮、防尘、防腐蚀、防热等。如果室内潮湿，光学镜片就容易生霉、生雾，镜片一旦生霉，便很难除去机械零件受潮后，容易生锈。选择干燥的房间外，存放地点也应远离墙、地、湿源。显微镜箱内应 放置1～2袋硅胶做干燥剂，并经常对硅胶进行烘烤。在其颜色变粉红后，应及时烘烤，烘烤后再继续使用，光学元件表面落入灰尘，不仅影响光线通过，而且经光学系统放大后，会生成很大的污斑，影响观察。经常保持显微镜的清洁。光学显微镜不能和具有腐蚀性的化学试剂放在一起，如硫酸、盐酸、强碱等。光学显微镜在日常使用过程中要避免热胀冷缩引起镜片的开胶与脱落。同时要注意请勿触碰尖锐的物品，如铁钉、针等，非相关人员请勿随意动用。

光学系统擦拭

擦拭范围：目镜和聚光镜允许拆开擦拭。物镜因结构复杂，装配时又需要专门的仪器来校正才能恢复原有的精度，因此严禁拆开擦拭。平时对显微镜的各光学部分的表面，用干净的毛笔清扫或用擦镜纸擦拭干净即可。在 镜片上有抹不掉的污物、油渍或手指印时，镜片生霉、生雾以及长期停用后复用时，都需要先进行擦拭再使用。擦拭方法：先用干净的毛笔或吹风球除去镜片表面的灰尘，然后用干净的绒布从镜片中心开始向边缘做螺旋形单向运动，直至擦净为止。如果镜片上的 油渍、污物或指印等擦不掉，可用柳枝条裹上脱脂棉，蘸少量酒精和乙醚混合液（酒精80%, 乙醚20%）擦拭。如果有较重的霉点或霉斑无法除去，可用棉签蘸水润湿后粘上碳酸钙粉 （含量为99%以上）进行擦拭。擦拭后，应将粉末清除干净。用镜片上的反射光线进行观察检查镜片是否擦净。擦拭前一定要将灰尘除净，否则，灰尘中的砂粒会将镜面划起沟纹。不能用毛巾、手帕、衣服等擦拭镜片。酒精乙醚混合液不可用得太多，以免液体进入镜片的黏接部位使镜片脱胶。镜片表面有一层紫蓝色的透光膜，不要误作污物将其擦去。

机械部分擦拭

光学显微镜表面涂漆部分，可用布擦拭，但不能使用酒精、乙醚等有机溶剂擦，以免脱漆。没有涂漆的部分若有锈，可用布蘸汽油擦去。擦净后重新上好防护油脂即可。

发展趋势

智能化发展：随着人工智能、大数据等技术的融合应用，显微镜将逐渐实现数字化和智能化。未来的显微镜将更加智能、便捷、高效，能够自动进行样本分析、数据处理和结果展示，提升科研和生产的效率。应用领域拓展：随着科研和工业生产的深入发展，显微镜的应用领域将进一步拓展。除了传统的生物学、医学和材料科学领域，显微镜在半导体与电子、纳米材料科学等新兴领域的应用也将不断增加。个性化需求增长：随着科研和工业生产的多样化需求，显微镜的个性化需求也将不断增长。企业需要针对不同领域和客户的特定需求，提供定制化的显微镜产品和解决方案。国际竞争加剧：随着全球科研和工业生产的快速发展，显微镜行业的国际竞争将日益加剧。企业需要不断提升自身的技术水平和创新能力，积极参与国际市场竞争，以获取更多的市场份额和发展机遇。

参考资料

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