顯微鏡的光學原理

一．折射和折射率

光線在均勻的各向同性介質中，兩點之間以直線傳播，當通過不同密度介質的透明物體時，則發生折射現像，這是由于光在不同介質的傳播速度不同造成的。當與透明物面不垂直的光線由空氣射入透明物體(如玻璃)時，光線在其介面改變了方向，并和法線構成折射角。

二．透鏡的性能
透鏡是組成顯微鏡光學系統的最基本的光學元件，物鏡、目鏡及聚光鏡等部件均由單個和多個透鏡組成。依其外形的不同，可分為凸透鏡(正透鏡)和凹透鏡(負透鏡)兩大類。當一束平行于光軸的光線通過凸透鏡后相交于一點，這個點稱“焦點”，通過交點并垂直光軸的平面，稱“焦平面”。焦點有兩個，在物方空間的焦點，稱“物方焦點”，該處的焦平面，稱“物方焦平面”；反之，在像方空間的焦點，稱“像方焦點”，該處的焦平面，稱“像方焦平面”。光線通過凹透鏡后，成正立虛像，而凸透鏡則成正立實像。實像可在屏幕上顯現出來，而虛像不能。

三．影響成像的關鍵因素—像差
由于客觀條件，任何光學系統都不能生成理論上理想的像，各種像差的存在影響了成像質量。下面分別簡要介紹各種像差。
1．色差 色差是透鏡成像的一個嚴重缺陷，發生在多色光為光源的情況下，單色光不產生色差。白光由紅 橙 黃 綠 青 藍 紫 七種組成，各種光的波長不同 ，所以在通過透鏡時的折射率也不同，這樣物方一個點，在像方則可能形成一個色斑。光學系統最主要的功能就是消色差。
色差一般有位置色差，放大率色差。位置色差使像在任何位置觀察都帶有色斑或暈環，使像模糊不清。而放大率色差使像帶有彩色邊緣。
2．球差 球差是軸上點的單色相差，是由于透鏡的球形表面造成的。球差造成的結果是，一個點成像后，不在是個亮點，而是一個中間亮邊緣逐漸模糊的亮斑，從而影響成像質量。
球差的矯正常利用透鏡組合來消除，由于凸、凹透鏡的球差是相反的，可選配不同材料的凸凹透鏡膠合起來給予消除。舊型號顯微鏡，物鏡的球差沒有完全矯正，應與相應的補償目鏡配合，才能達到糾正效果。一般新型顯微鏡的球差完全由物鏡消除。

生物顯微鏡" />

BL-160Z科研級三目攝像生物顯微鏡

3．慧差 慧差屬軸外點的單色像差。軸外物點以大孔徑光束成像時，發出的光束通過透鏡后，不再相交一點，則一光點的像便會得到一逗點狀，型如慧星，故稱“慧差”。
4．像散 像散也是影響清晰度的軸外點單色像差。當視場很大時，邊緣上的物點離光軸遠，光束傾斜大，經透鏡后則引起像散。像散使原來的物點在成像后變成兩個分離并且相互垂直的短線，在理想像平面上綜合后，形成一個橢圓形的斑點。像散是通過復雜的透鏡組合來消除。
5．場曲 場曲又稱“像場彎曲”。當透鏡存在場曲時，整個光束的交點不與理想像點重合，雖然在每個特定點都能得到清晰的像點，但整個像平面則是一個曲面。這樣在鏡檢時不能同時看清整個像面，給觀察和照相造成困難。因此研究用顯微鏡的物鏡一般都是平場物鏡，這種物鏡已經矯正了場曲。
6．畸變 前面所說各種像差除場曲外，都影響像的清晰度。畸變是另一種性質的像差，光束的同心性不受到破壞。因此，不影響像的清晰度，但使像與原物體比，在形狀上造成失真。