奥林巴斯光学显微镜剖析结构

旨在提供现代复合显微镜放大的二维图像可以聚焦在连续焦平面轴向，从而使二维和三维两个标本精细构造细节彻底检查。

大多数显微镜提供连接到舞台的一种转换机制，使显微镜准确定位，定位，聚焦样本优化的可视化和图像记录。照明的强度和整个显微镜的光路的方向，可以控制，战略放置隔膜，反射镜，棱镜，分束镜，以及其他的光学元件，以达到预期的程度在试样的亮度和对比度。
图1中显示的是一个典型的显微镜配备一个三目头和用于记录的显微照片的35毫米照相机系统。发光是由钨卤灯位于灯室，它发出的光穿过聚光透镜，然后进入显微镜的基础上的光学路径中的第一。驻扎在显微镜的基础上是一系列的过滤器，前由反射镜反射，通过视场光阑到台下聚光由白炽灯发出的光的条件。冷凝器形成一个锥形的照明沐浴显微镜载物台，位于试样，并随后进入的目标。改由分束器/棱镜的组合可以对准目镜离开目标光形成的虚像，或直通到投影透镜安装在三目延长管，在那里它可以在胶片上形成潜像，容纳在相机中的系统。
包含在现代显微镜的光学元件被安装在一个稳定的，符合人体工程学设计的基础，允许快速交换，精密定心，精心调整在那些光学相互依赖的组件之间。在一起，在显微镜的光学和机械部件，包括安装试样在玻璃微幻灯片和盖玻片的中心轴形成的光学列车遍历显微镜底座和支架。在显微镜光学列车通常由照明器（包括光源和聚光透镜），聚光器，标本，目标，目镜，和检测器，它可以是某种形式的照相机或观察者的眼睛（表1）。研究级显微镜，照明器和冷凝器，以及互补的检测器或过滤装置之间插入的物镜和目镜或相机之间的位置往往是一些光调节装置还可以含有一种。调理设备（s）和检测器一起工作来修改图像的对比度的函数的空间频率，相位，偏振，吸收，荧光，离轴照明，和/或其他性质的检体和照明技术。即使不添加特定的设备的状态的照明和滤波器的图像形成波的，会发生一定程度的天然过滤与即使是Zui基本的显微镜配置。
显微镜光学火车站组件

表1
虽然有些显微镜的光学元件作为图像形成元件，其他的服务，从而产生各种修改，试样的照明，并已过滤或转化功能。在形成图像的显微镜光学列车所涉及的组件的聚光透镜（照明器内或附近的位置），冷凝器，客观，目镜（或眼），对人眼的折射元件或摄像头镜头。虽然一些这些组件通常不会想到作为成像元件，其成像性能是Zui重要的决定显微镜图像的Zui终质量。
在显微镜的图像形成的理解的基础的作用，个别透镜所包含的元素中的组件的光学列车。Zui简单的成像元件是一个完美的透镜（图2），这是一个理想的校正后的玻璃的元素，是无像差的光聚焦到一个单一的点。傍轴光束的光通过会聚透镜和一个平行的，重点是，折射，变成一个点源位于镜头的焦点（点标记的焦点图2）。这样的镜片通常被称为为正透镜，因为它们导致会聚光束更迅速地收敛，或导致发散光束的发散减慢。A点光源位于透镜焦点出现近轴平行的光束，因为它离开镜头在图2中，由右至左移动。透镜的焦点之间的距离被称为焦距的透镜（在图2中所表示的距离 f ）。

光学现象往往在量子理论或波动力学解释，根据所描述的特定问题。考虑透镜的作用，通常可以被忽略的波浪状的性质，光被认为是在直线通常被称为射线旅行。简单的光线图足以说明显微镜的许多重要方面，包括折射，焦距，放大，形成图像，和隔膜。在另一些情况下，这是方便参考光波作为离散颗粒（量子），特别是当光所产生的量子力学事件，或转化为其他形式的能量组成的。本次讨论将被限制利用符合波浪状的光的性质和简单的光线图，其中光从左至右的近轴光线光学镜头模型。近轴光线的旅客非常接近的光轴，导致入射和折射的角度是非常小的，以弧度为单位时，可以被认为是等于它们的正弦值。
个别单色光波的光为平行光束，具有同相振动，形成一个波阵面，它的振动方向垂直于波的传播方向的电场和磁场矢量的组合可以形成一个波列。被转换成球面波的平面波，因为它通过完美的透镜，与前面的镜头（图2）的焦点（焦点）为中心。光波到达阶段的焦点和建设性干涉对方在这个位置。可替换地，包括一个从一个完美的透镜的焦点发出的球面波前 ​​的光通过透镜被转换成平面波（的跟进由右至左，可在图2中）。中的平面波的每个光线经历了一个不同的方向变化时遇到的镜头，因为它的表面在一个稍微不同的入射角到达。从镜头出现后，光线的方向也随之变化。在实际系统中的透镜或透镜组的折射和聚焦点，该角度是依赖于系统中的每个组件的厚度，几何形状，折射率和色散。
一个完美的透镜（或透镜系统）的一般操作是一个球面波转换成另一种，与确定的焦点的位置的透镜的几何属性。随着从透镜的光源的距离的增加，角度的发散光线进入镜头的降低波阵面的半径，并相应增加。如果进入镜头的球面波的半径是无限的，通过透镜的球面波的半径变成等于透镜的焦距。一个完美的透镜有两个焦点，平面波通过透镜聚焦到这些点之一，这取决于光线是否从输入的镜头的左侧或右侧。

由透镜产生的焦点的球面波的平面波的传播方向与透镜的光轴不重合的情况下，也将被删除的轴线。图3示出的平面波阵面的情况下，倾斜的角度（α）时，遇到一个完美的透镜。将所得球面波的中心标记为S和位于从轴向的焦点（在图3中标记的聚焦），但在同一个焦平面的距离δ。δ的值可以表示为：
δ= F（α）×罪
其中，f是完美的透镜的焦距。在几何光学上，f是一个值，该值是指中心的S和通过透镜中心的，好像它是一个单一的折射面的圆弧的半径。
在图4中示出用于调查一个点光源的光（S（1） ），不在于透镜的焦平面上的另一种模式。在该图中，理想透镜被分解为两个单独的透镜元件（透镜（一）和镜头（二）），这样的点光源的光，S（1）的位置的距离等于F（A） （联络长度）相差的 透镜（一）。同样地，在点光源S（2）定位在距离F（二 ​​），透镜的焦距（二）。的中心连接起来的直线的透镜（一）和镜头（b）条的透镜系统的光轴被称为。

镜头（一）中的双透镜系统（图4），来自光源的点S（1） ，和位于从透镜的光轴的距离δ，球形波前转换成平面波。因为它退出透镜（一），平面波相对于镜头的光轴倾斜一个角度α。δ和α都在上面所讨论的，与被替换由f的值，f （）的正弦方程相关。平面波穿过所述第二透镜（透镜（b）条）后，被转换成具有一中心位于S（2）的球面波。其结果是完美的透镜L，它等于镜头（一） + 镜头（b）条中，点S（1），将光聚焦到点S（2） ，也执行相反的动作由从点S的光聚焦（2）到点S（1） 。联络点的透镜系统中具有这样的关系，通常被称为“ 共轭点。
在经典光学系统的命名法，被称为光源S（1）和所述第一透镜的入射面之间的空间作为对象空间中，而所述第二透镜的出射面和点S之间的区域（2）被称为的图像空间。与伯或仲的光线所涉及的所有点被称为对象（或标本在光学显微镜），而含有从透镜通过折射光线集中的区域称为图像。如果光波相交，图像是真实的，而如果投影扩展折射光线相交，由透镜系统形成的虚拟图像。一个真正的图像投射到摄影胶片上的乳液，捕获屏幕，或组织成一个数字阵列的电荷耦合器件（CCD）的光电二极管元件，可以可视化。相反，一个虚拟映像，需要另一个透镜或透镜系统的协助下，由观察者看到。
如果该点S（1）在图4中已展开传遍相同的焦平面成一系列的点，然后一个完美的透镜将集中到该系列中的每个点在焦平面上的S（2）的共轭点。的情况下，S（1）设置一个点在于透镜的光轴垂直的平面，然后在套的相应的共轭点S（2）也位于在垂直于轴线的平面内。反过来也是如此：镜头将集中点集s的（1）的平面或曲面的共轭点上的每一个点的集合S（2）到。此类型的相应的平面或曲面，被称为共轭平面。
火车传播的光波的一种替代方法示出在图5中为一倾斜的光波。此方法依赖于应用几何光学的法律确定的镜头或者多透镜系统形成的图像的大小和位置。两个有代表性的光线，一个近轴和一个通过透镜的中心（主光线），都是必要建立的成像的情况下的参数。高斯光学许多教科书上作为特征的光线，这些光线，主光线的一方通过的入口和出射光瞳的中心，透镜，在光学系统中存在的任何开口的隔膜。通常情况下，主光线从考虑中被删去的特征光线通过的镜头前部和后部的联络点是用来定义对象和图像的大小和位置。在图5中，第二特征的光线通过透镜的前焦点（F' ）的一个黄色的填充虚线所示。

的检体或光源S（1）在图5中，位于一个距离的镜头的左侧，在该区域被称为对象空间。一个单一的光，所产生的S（1）和上面的物体侧的焦点（F' ）的光轴相交的虚线指定，被折射的两个表面平行于光轴的透镜和退出。扩展的折射，入射光线在一个表面相交距离位于晶状体内的一个从源（S（1） ）。该表面被称为第一或物体侧的主表面，并通过P（1）在图5中被指定。进展从S（1）在平行于光轴的方向上，Zui上面的光线，通过透镜折射和像侧的焦点（F）通过。扩展的折射，入射光线相交于像侧的透镜的主表面（在图5中记为P（2） ）内，并从图像中的点S（2）定位在距离b。近镜头的光轴附近，表面上的P（1）和P（2）近似平面的表面和被称为主平面的镜头。这些平面与光轴的透镜（图中未示出）的交叉点被称为作为主要点。简单的凸透镜具有双边对称的主点与透镜面是对称的。更复杂的透镜和多个透镜系统往往有配合的表面的镜头的主点，或什至超出玻璃元件。
另一组用来定义镜头参数点的结点，发生的扩展斜光线通过透镜的光轴相交。结点在图5中未示出，但将位于非常靠近的透镜的主点。因此，三对，透镜的焦点（F和F' ），主平面（P（1）和P（2） ），和主要节点都位于在透镜的光轴上的 点。如果联络点和主点或结点的位置是已知的，则光线追迹的几何结构，以阐明目的和不考虑折射的光线在每个表面的镜头的情况下，可进行图像参数。其结果是，仅利用的联络点和主平面通过绘制光线追迹，就好像它们遇到的第一主平面，平行于光轴的旅游，和出现的第二主平面内无折射，，任何透镜系统，可以模拟。
请注意，一个大于透镜前焦距，f'的图5中的距离。在这种情况下，一个倒置的图像（S（2） ），然后在成像空间中形成，在距离b的镜头的权利。b的长度是大于透镜后的焦距，f，这是关系到一个的距离和b由经典的透镜方程：
1 / A + / B = 1 / F
量小时（2）由表示图像的高度，S（2） ，表示尺寸的增加，产生的对象或样本S（1）在前面的位置的镜头的放大率，并具有高度ħ （1） 。这个简单的透镜（接近高斯薄透镜）的横向放大率，M是由下式表示：
M = H（2）/ H（1）= B / A
由于S（1）S（2）位于在共轭平面，S（2）的图像将被集中在S（1）由透镜。焦距f的表示的，反转的放大倍数（M）1 / M的减少被认为是相反的情况时，图像尺寸。
沿着光轴在物体侧的透镜和两个共轭点的像侧的两个图像点之间的距离之比是已知的作为纵向或轴向放大率。的纵向放大倍数的幅度是从图像平面的横向放大率小的距离的平方。
在光学显微镜下的成像元件受上述的基本几何关系。这包括聚光透镜，聚光镜，目标，目镜（投影模式），摄像系统，和人的眼睛。

显微镜光学列车的第一阶段是灯箱，其中包含灯泡和聚光透镜，是负责建立的主显微镜的照明条件。图6中所示的是一个典型的灯和聚光透镜配置的示意图。图像的大小和位置都根据约定在图5中引入的一个基本的主镜头系统。由钨卤灯发出的光通过聚光透镜系统和灯丝被聚焦到冷凝器的前焦面。在显微镜的光学系（图像平面（1） ）的第一图像平面的视场光阑的位置处发生。
的灯丝上的点S（1）的共轭点S（2） ，这是在焦平面的显微镜时，被配置为科勒照明的条件下操作的冷凝器孔径光阑成像。S（1）的第1主平面上的聚光透镜系统的距离记为一个距离， 距离 b冷凝器可变光阑的图像侧主平面的集电极的距离由下式给出 。在显微镜视场光阑（图6和7）管由照明系统发出的光束，然后进入冷凝器光圈的直径。

在聚光透镜和照明光学系统的共轭像平面之间的关系在图7中所示。视场光阑（图像平面（1） ）时科勒照明光学系统被配置为在显微镜的试样（图像平面（2） ）相同的平面上成像。冷凝器（F' ）的前焦平面位于孔径光阑的中心。a和b的长度表示各自的视场光阑的距离（图像平面（1） ）和被检体的聚光透镜元件的主平面的平面（图像平面（2） ）。灯箱和通过冷凝器射出的光形成的成锥形的照明洗，其后通过试样。冷凝器孔径光阑开口尺寸的调整控制该照明锥的数值孔径。

列于图8中，示出典型的客观的内部透镜系统中，试样平面（图像平面（2） ），并在显微镜中间图像（图像平面（3） ）的相对位置的目标的图像平面。的试样平面是共轭的中间像平面，并且每个从客观的主平面的距离a和b的分离分别。指定的物镜前焦点F' ，而后方的焦点，这发生在平面上的物镜后孔，另外为F。往往是复杂的内部镜片组件组成的半球形和弯月形透镜，镜头双峰和三胞胎，和单镜头不同的设计元素。

目镜（或高眼压）的设计项目，无论是真实的或虚拟的图像，根据中间图像平面，目镜焦平面，内部目镜的视场光阑之间的复杂关系。此外，固定目镜膜片的直径也决定了线性场大小的显微镜观察。此值被称为视场数或字段的视图数（简称FN），往往是刻在目镜壳体外部。
目镜的图像平面，利用在投影模式时，在图9。的主要焦点是F'和F的前部和后部的联络点，分别。位于中间图像平面（图像平面（3） ），这是放置之前或之后目镜场透镜，这取决于设计的固定目镜的视场光阑的中心。这个图像平面到图像平面的共轭（4）是目镜聚焦和测量光罩被插入到的位置。的长度，一个表示目镜固定膜片的眼透镜的主平面（Zui接近观察者的眼睛的透镜）的距离，而b是从眼透镜的图像平面（4） ，设在传感器表面上的距离。因为一个大于眼透镜的前焦距（f'的），形成的图像在图像平面（4）是一个真正的（不是虚拟的）图像。的量f表示从目镜眼透镜的后侧焦点面（F）的距离，并且还表示目镜透镜系统的后焦距。

列于图10中示出的这些传感器的成像到一个专门的应用程序正投影透镜的图像平面上的视频和CCD传感器。视频管光电阴极或CCD光电二极管阵列表面上的焦点（F）位于，根据探测器的几何形状和其他参数。如果投影透镜位于目镜后在光学列车，然后收敛到传感器表面在图像平面（4）的虚像（位于图像平面（3'） ）。这个图像平面位于从投影眼透镜，这是透镜的焦距相等的距离 b 。应该指出的是传统的胶片相机系统，也可以在视频或CCD传感器，在这种情况下的像面重合的平面分层片基上的化学品乳液。