6.2.2　显微镜的工作原理

1）显微镜的工作原理与放大率

显微镜是将物体两次放大的光学系统，整个光学系统由两部分组成：前组靠近物体的透镜或透镜组称为显微物镜；后组靠近眼睛的透镜或透镜组称为目镜。图6.16为显微镜的成像原理图，图中物镜和目镜均以单薄透镜表示（实际的物镜和目镜要复杂化）。

图6.16　显微镜的工作原理

物体AB（图中y＜0）置于物镜前方一倍焦距与二焦距之间，经物镜生成倒立放大实像A＇B＇，A＇B＇又称为中间像，其位置在目镜的前焦面处（或在目镜前焦面以内靠近焦面处）；然后，A＇B＇再经目镜（为一放大镜）生成正立放大的虚像A″B″，供人眼观察。虚像A″B″位于无限远处（或调在观察者的明视距离处）。这样，物体AB经过两次放大，人眼通过显微镜看到的是其倒立放大虚像A″B″，它对眼构成的视角为ω_i。类似于放大镜，根据定义应有显微镜的视角放大率：

其中，。将两者代入放大率公式，应有

上式中β₁为物镜的横向放大率，而Γ₂为目镜的视角放大率。这表明，整个显微镜的放大率Γ是物镜横向放大率β₁与目镜视角放大率Γ₂的乘积。其中β₁值根据式（3.16）应有

将β₁值代入式（6.16），得到

上式中Δ为物镜后焦点F₁＇至目镜前焦点F₂的光学间隔，在显微镜中习惯于称其为“光学筒长”。由式（6.17）可见，显微镜的放大率与光学筒长成正比，而与物镜和目镜的焦距成反比。一般情况下f₁＇＞0，f₂＇＞0，故Γ＜0，表示显微镜给出的是倒像。

若将显微镜视为由物镜和目镜组成的复合放大镜系统，其复合焦距应为

将其代入式（6.17），则有

由此可见，显微镜可以视为高倍的复杂化的放大镜。由于光学筒长Δ值较大（例如Δ为160mm），因而系统的复合焦距值f＇可以很小，Γ值可以很大。例如物镜的焦距f₁＇可小至1.5mm，相应地β₁值可达100×～120×；目镜的焦距f₂＇可小至8.5mm～10mm，因此显微镜的放大率可高达2500×～3000×。另外，对具有正目镜（f₂＇＞0）的显微镜，其复合像方焦距f＇＜0，因而Γ＜0。图6.17是图6.16中显微镜系统复合基点相对位置示意图。

图6.17　显微镜系统复合基点相对位置示意图

2）显微镜的优点

显微镜与放大镜相比，具有如下优点：

（1）显微镜可以实现高放大倍率；且由于显微镜的光学系统可以分成两个独立的部分——物镜和目镜，因而根据式（6.16）和式（6.17），可把具有不同倍率的物镜和目镜进行组合，从而方便地获得显微镜的多种放大倍率，以根据需要选择使用。我国现有的多数生物与金相显微镜的物镜和目镜系列及其组合倍率，一般均具有表6.7所列的三组物镜和三组目镜及其组合倍率。为实现显微镜放大倍率的迅速转换，3组物镜可同时装在一个可旋转的圆盘上，旋转该盘可将所需倍率的物镜引至光路中；目镜一般是插入式的，更换十分方便。

（2）显微镜的光学筒长Δ随物镜焦距的不同而改变，通常在150～200mm范围内，由于观察者的眼睛距物体的距离总是大于Δ，因而显微镜的优点是便于观察；另外，物体放在显微镜复合物方焦点F与F₁点之间但十分靠近F点处，因此即使对高倍率物镜，物镜的工作距离（指物镜前片顶点到物面的距离）也可以保证在中间放置保护标本的盖片玻璃。

表6.7　显微镜的物镜、目镜基本组合系列