光学显微镜的基本概念
现代复合显微镜配有两级放大设计内置围绕分离的透镜系统中，物镜和目镜（通常被称为一个目镜），安装在管的相对两端，被称为体管。物镜由几个透镜元件组成，它们一起形成被检样品的放大后的真实图像（中间图像）。中间图像被目镜进一步放大。显微镜师能够观察到大大放大的虚像通过目镜窥视标本。显微镜的总放大倍率是通过将物镜和目镜的单个放大倍数相乘来确定的。本节讨论与光学显微镜相关的基本概念，包括物镜，目镜，聚光镜，镜台，放大倍数，数值孔径，光学像差以及各种相关主题。
显微镜简介-显微镜是用来产生放大的视觉或摄影图像的仪器，这些图像太小而无法用肉眼看到。显微镜必须完成三个任务：产生标本的放大图像，分离图像中的细节，并使这些细节对人眼或相机可见。这组仪器不仅包括带有物镜和聚光镜的多透镜（复合显微镜）设计，还包括非常手持的非常简单的单透镜仪器，例如放大镜或放大镜。
放大倍率的概念-通过简单的镜头观看时，可以放大物体的图像。通过以正确的方式组合多个透镜，可以制造出能够产生非常高的放大倍率值的显微镜。
镜片和几何光学入门-类似于显微镜中使用的许多镜片，简单镜片的作用受折射和反射原理支配，可以通过有关镜片几何形状的一些简单规则来理解通过透镜追踪光线。本次讨论中探讨的基本概念源自几何光学科学，将有助于理解放大过程、实像和虚像的特性以及镜头像差或缺陷。
显微镜光学组件-现代显微镜中包含的光学组件安装在稳定的，符合人体工程学设计的基座上，可以在光学上相互依赖的组件之间进行快速更换，精确居中和仔细对齐。显微镜的光学和机械组件（包括已安装在玻璃微型载玻片和盖玻片上的标本）一起构成了一个光学火车，其中心轴横穿显微镜的基座和支架。
显微镜照明-光学显微镜中最关键的方面之一是确保标本被明亮，无眩光且在视场中均匀分散的光照明。关于显微镜照明的讨论涵盖了Köhler照明的理论（伴随交互式教程），以及调整显微镜以在透射光和反射光中获得适当照明的实践方面。
光学显微镜光源-光学显微镜可用的各种照明光源的性能取决于光源的发射特性和几何形状，以及聚光透镜系统的焦距，放大倍率和数值孔径。在衡量特定光源的适用性时，重要的参数是结构（光源的空间分布，光源的几何形状，相干性和对准性），波长分布，空间和时间稳定性，亮度以及这些不同参数可以达到的程度被控制。
图像亮度-不管光学显微镜采用哪种成像模式，图像亮度都取决于物镜的聚光能力，而物镜的聚光能力是数值孔径的函数。正如显微镜光源照明的亮度由聚光镜工作数值孔径的平方确定一样，标本图像的亮度也与物镜数值孔径的平方成正比。
显微镜物镜-显微镜物镜是光学显微镜最重要的组成部分，因为它们决定了显微镜能够产生的图像质量。有多种物镜设计可供选择，它们具有出色的光学性能，可消除大多数光学像差。
规格和识别-显微镜制造商提供多种物镜设计，以满足专门成像方法的性能需求，以补偿盖玻片的厚度变化，并增加物镜的有效工作距离。通常，仅通过查看物镜的结构，特定物镜的功能并不明显，但许多规格都永久刻在物镜镜筒上。
特殊应用的物镜-标准的明场物镜，经过不同程度的光学像差校正后，是最常见的，对于使用传统照明技术检查样本非常有用。其他更复杂的方法需要特定的物镜配置，其中通常包括将探测器放置在后焦平面上或后焦平面附近。使问题复杂化的是，物镜后焦平面可以位于内部玻璃透镜元件的中心，显微镜师不易接近该区域。
浸水物镜-当使用具有高数值孔径的平面复消色差或萤石物镜时，对薄切的固定组织切片和粘附在玻璃基板上的活细胞的显微镜研究通常会产生出色的高分辨率图像。但是，当前大量的生物学研究涉及活组织内部的细胞动力学研究，在重要的事件可能发生在标本的深处，远离盖玻片。尝试使用传统的油浸技术在距标本盖玻片一微米的距离处对细胞的细节和活动进行成像的过程中经常会出现伪影，包括严重的光学（球面）像差。使用水代替油作为浸入介质，是克服像差问题的有效方法，并且经过高度校正几家制造商已经推出了水浸物镜，用于涉及活细胞和组织的应用。
物镜校正环的调整-大多数显微镜物镜被设计为与标准厚度为0.17毫米，折射率为1.515的防护玻璃一起使用，当物镜数值孔径为0.4或更小时，这是令人满意的。但是，当使用高数值孔径的干物镜（数值孔径为0.8或更大）时，防护玻璃厚度仅有几微米的变化会由于像差而导致图像急剧下降，随着防护玻璃厚度的增加，这种情况会恶化。为了补偿该误差，校正程度更高的物镜配备了校正环，可以调节中心透镜组的位置，使其与保护玻璃厚度的波动相吻合。本交互式教程探讨了如何调整校正项圈以获得最大图像质量。
数值孔径和分辨率-应用于显微镜物镜的数值孔径是对在固定物距下收集光并分辨细小样本细节的能力的一种度量。显微镜物镜的分辨率定义为样品上两点之间的最小距离，该距离仍然可以区分为两个独立的实体。分辨率在显微镜下是一个有点主观的值，因为在高放大倍率下，图像可能看起来不清晰，但仍然可以最大程度地物镜分辨。数值孔径决定了物镜的分辨能力，但是显微镜系统的总分辨率也取决于台下聚光镜的数值孔径。整个系统的数值孔径越高，分辨率越好。
图像形成-在光学显微镜中，图像的形成是在中间图像平面上发生的，这是通过一直不变地穿过样品的直射光与样品中存在的微小特征所衍射的光之间的干涉。物镜产生的图像与样本共轭，这意味着中间平面上的每个图像点在几何上都与样本中的对应点相关。
光学像差-偏离高斯光学理想化条件的情况被称为光学像差。显微镜光学系统通常遭受多达五个常见像差的影响：球面，色差，像场弯曲，彗形和像散。几何畸变是在立体显微镜中发现的变焦透镜系统中经常遇到的另一个伪影。
浸入式介质-大多数低功率物镜被设计为在空气作为成像介质的情况下“干燥”使用。较高放大倍率的物镜通常使用液浸介质来帮助校正像差并增加数值孔径。
机械镜管长度-光学显微镜的机械镜管长度定义为从安装物镜的鼻架开口到插入目镜（目镜）的观察镜筒上边缘之间的距离。直到1980年代，根据制造商和应用的不同，大多数显微镜的固定管长度在160到210毫米之间。现代显微镜配备有无限远校正的物镜，该物镜在显微镜主体中利用管状透镜形成平行的光波区域，可以在不严重影响图像质量的情况下将光学附件插入其中。
调制传递函数-镜头，显微镜物镜或其他光学系统的调制传递函数是其以特定分辨率将对比度从物体（或样本）传递到图像的能力的度量。调制传递函数的计算是光学制造商经常用来将分辨率和对比度数据合并到单个规范中的一种机制。
无限远光学系统- 在配备无限远校正光学系统的现代研究级显微镜中，物镜不再将中间图像直接投影到中间图像平面中。取而代之的是，对物镜进行设计，以便使从后孔发出的光聚焦到无限远，然后，第二透镜（称为管状透镜）在其焦平面处形成图像。
精选文献参考-显微镜物镜的主题已由许多杰出的科学家多次审查。本节中列出的许多参考文献都是综合性的，涵盖了有关物镜的结构和功能的大部分主题，而其他参考文献则集中于这些镜片的各个方面和专门用途。
目镜（目镜） -目镜与显微镜物镜结合使用，可以进一步放大中间图像，从而可以清晰地观察到标本的细节。目镜有两种主要类型，它们根据镜头和光圈光阑的排列进行分组：带内部光阑的负目镜和在目镜的透镜下方具有光阑的正目镜。在许多情况下，目镜被设计为与物镜一起工作以消除色差。
线性测量（显微术） -1600年代末，荷兰科学家Antonie van Leeuwenhoek用光学显微镜进行了首次报告的测量，后者使用细沙粒作为量规来确定人类红细胞的大小。从那时起，已经采用了无数种方法来用显微镜测量线性，面积和体积样本的尺寸（一种称为测微法或形态计量学的实践），并且在过去的几百年中出现了各种各样的有用技术。
台下聚光镜-台下聚光镜收集来自显微镜光源的光，然后将其聚集到一个视锥内，以均匀的强度照亮整个视野内的样本。至关重要的是，必须适当调节聚光镜锥，以优化进入物镜前透镜的光的强度和角度。聚光镜也许是光学系统中最难理解的组件，但它还是在显微镜中获得高质量图像的最重要因素之一。
样品台-所有显微镜的设计都包括一个放置样品（通常安装在载玻片上）进行观察的平台。载物台通常配备有机械装置，可将载玻片固定在适当的位置，并可以平滑地前后滑动载玻片。其他阶段设计为允许样本旋转360度，或为辅助光源，样本处理工具和其他附件提供锚点。
反射光显微镜-使用倾斜或落射照明的显微镜用于研究不透明的标本，包括半导体，陶瓷，金属，聚合物等。
立体镜检查法的基本原理-考虑到当前可用于立体显微镜系统的各种附件，此类显微镜在多种应用中极为有用。所有制造商都提供适用于各种对比度增强技术的支架和照明底座，它们几乎可以适应任何工作情况。物镜和目镜的选择范围很广，通过安装在显微镜上作为中间管的附加透镜和同轴照明器得到了增强。在某些型号中，工作距离可以从 3-5 厘米到多达 20 厘米，从而在物镜和样品之间留出相当大的工作空间。
基本的显微镜人体工程学-为了查看样本并记录数据，显微镜操作员必须采取异常但精确的位置，几乎不可能移动头部或身体。他们经常被迫采取笨拙的工作姿势，例如头部弯曲在眼管上方，身体上部向前弯曲，手伸到高处以进行聚焦控制或手腕弯曲到不自然的位置。
显微镜的清洁，保养和维护-显微镜通常是一项重大的投资，并且是精密的光学仪器，需要定期维护和清洁以确保产生与光学，电子和机械组件的质量相同的高对比度图像。如果因暴露于灰尘，棉绒，花粉和灰尘，未能及时清除沉浸的油而忽略不计，或者滥用昂贵的物镜，光学性能可能会随着时间的流逝而严重下降。
显微镜解剖学交互式Java教程-我们构建了各种交互式Java驱动的显微镜教程，以帮助解释光学显微镜中一些较困难的概念。学生可以使用网络浏览器查看和使用这些教程，而无需添加插件软件。
显微镜简介-显微镜是用来产生放大的视觉或摄影图像的仪器，这些图像太小而无法用肉眼看到。显微镜必须完成三个任务：产生标本的放大图像，分离图像中的细节，并使这些细节对人眼或相机可见。这组仪器不仅包括带有物镜和聚光镜的多透镜（复合显微镜）设计，还包括非常手持的非常简单的单透镜仪器，例如放大镜或放大镜。
放大倍率的概念-通过简单的镜头观看时，可以放大物体的图像。通过以正确的方式组合多个透镜，可以制造出能够产生非常高的放大倍率值的显微镜。
镜片和几何光学入门-类似于显微镜中使用的许多镜片，简单镜片的作用受折射和反射原理支配，可以通过有关镜片几何形状的一些简单规则来理解通过透镜追踪光线。本次讨论中探讨的基本概念源自几何光学科学，将有助于理解放大过程、实像和虚像的特性以及镜头像差或缺陷。
显微镜光学组件-现代显微镜中包含的光学组件安装在稳定的，符合人体工程学设计的基座上，可以在光学上相互依赖的组件之间进行快速更换，精确居中和仔细对齐。显微镜的光学和机械组件（包括已安装在玻璃微型载玻片和盖玻片上的标本）一起构成了一个光学火车，其中心轴横穿显微镜的基座和支架。
显微镜照明-光学显微镜中最关键的方面之一是确保标本被明亮，无眩光且在视场中均匀分散的光照明。关于显微镜照明的讨论涵盖了Köhler照明的理论（伴随交互式教程），以及调整显微镜以在透射光和反射光中获得适当照明的实践方面。
光学显微镜光源-光学显微镜可用的各种照明光源的性能取决于光源的发射特性和几何形状，以及聚光透镜系统的焦距，放大倍率和数值孔径。在衡量特定光源的适用性时，重要的参数是结构（光源的空间分布，光源的几何形状，相干性和对准性），波长分布，空间和时间稳定性，亮度以及这些不同参数可以达到的程度被控制。
图像亮度-不管光学显微镜采用哪种成像模式，图像亮度都取决于物镜的聚光能力，而物镜的聚光能力是数值孔径的函数。正如显微镜光源照明的亮度由聚光镜工作数值孔径的平方确定一样，标本图像的亮度也与物镜数值孔径的平方成正比。
显微镜物镜-显微镜物镜是光学显微镜最重要的组成部分，因为它们决定了显微镜能够产生的图像质量。有多种物镜设计可供选择，它们具有出色的光学性能，可消除大多数光学像差。
规格和识别-显微镜制造商提供多种物镜设计，以满足专门成像方法的性能需求，以补偿盖玻片的厚度变化，并增加物镜的有效工作距离。通常，仅通过查看物镜的结构，特定物镜的功能并不明显，但许多规格都永久刻在物镜镜筒上。
特殊应用的物镜-标准的明场物镜，经过不同程度的光学像差校正后，是最常见的，对于使用传统照明技术检查样本非常有用。其他更复杂的方法需要特定的物镜配置，其中通常包括将探测器放置在后焦平面上或后焦平面附近。使问题复杂化的是，物镜后焦平面可以位于内部玻璃透镜元件的中心，显微镜师不易接近该区域。
浸水物镜-当使用具有高数值孔径的平面复消色差或萤石物镜时，对薄切的固定组织切片和粘附在玻璃基板上的活细胞的显微镜研究通常会产生出色的高分辨率图像。但是，当前大量的生物学研究涉及活组织内部的细胞动力学研究，在重要的事件可能发生在标本的深处，远离盖玻片。尝试使用传统的油浸技术在距标本盖玻片一微米的距离处对细胞的细节和活动进行成像的过程中经常会出现伪影，包括严重的光学（球面）像差。使用水代替油作为浸入介质，是克服像差问题的有效方法，并且经过高度校正几家制造商已经推出了水浸物镜，用于涉及活细胞和组织的应用。
物镜校正环的调整-大多数显微镜物镜被设计为与标准厚度为0.17毫米，折射率为1.515的防护玻璃一起使用，当物镜数值孔径为0.4或更小时，这是令人满意的。但是，当使用高数值孔径的干物镜（数值孔径为0.8或更大）时，防护玻璃厚度仅有几微米的变化会由于像差而导致图像急剧下降，随着防护玻璃厚度的增加，这种情况会恶化。为了补偿该误差，校正程度更高的物镜配备了校正环，可以调节中心透镜组的位置，使其与保护玻璃厚度的波动相吻合。本交互式教程探讨了如何调整校正项圈以获得最大图像质量。
数值孔径和分辨率-应用于显微镜物镜的数值孔径是对在固定物距下收集光并分辨细小样本细节的能力的一种度量。显微镜物镜的分辨率定义为样品上两点之间的最小距离，该距离仍然可以区分为两个独立的实体。分辨率在显微镜下是一个有点主观的值，因为在高放大倍率下，图像可能看起来不清晰，但仍然可以最大程度地物镜分辨。数值孔径决定了物镜的分辨能力，但是显微镜系统的总分辨率也取决于台下聚光镜的数值孔径。整个系统的数值孔径越高，分辨率越好。
图像形成-在光学显微镜中，图像的形成是在中间图像平面上发生的，这是通过一直不变地穿过样品的直射光与样品中存在的微小特征所衍射的光之间的干涉。物镜产生的图像与样本共轭，这意味着中间平面上的每个图像点在几何上都与样本中的对应点相关。
光学像差-偏离高斯光学理想化条件的情况被称为光学像差。显微镜光学系统通常遭受多达五个常见像差的影响：球面，色差，像场弯曲，彗形和像散。几何畸变是在立体显微镜中发现的变焦透镜系统中经常遇到的另一个伪影。
浸入式介质-大多数低功率物镜被设计为在空气作为成像介质的情况下“干燥”使用。较高放大倍率的物镜通常使用液浸介质来帮助校正像差并增加数值孔径。
机械镜管长度-光学显微镜的机械镜管长度定义为从安装物镜的鼻架开口到插入目镜（目镜）的观察镜筒上边缘之间的距离。直到1980年代，根据制造商和应用的不同，大多数显微镜的固定管长度在160到210毫米之间。现代显微镜配备有无限远校正的物镜，该物镜在显微镜主体中利用管状透镜形成平行的光波区域，可以在不严重影响图像质量的情况下将光学附件插入其中。
调制传递函数-镜头，显微镜物镜或其他光学系统的调制传递函数是其以特定分辨率将对比度从物体（或样本）传递到图像的能力的度量。调制传递函数的计算是光学制造商经常用来将分辨率和对比度数据合并到单个规范中的一种机制。
无限远光学系统- 在配备无限远校正光学系统的现代研究级显微镜中，物镜不再将中间图像直接投影到中间图像平面中。取而代之的是，对物镜进行设计，以便使从后孔发出的光聚焦到无限远，然后，第二透镜（称为管状透镜）在其焦平面处形成图像。
精选文献参考-显微镜物镜的主题已由许多杰出的科学家多次审查。本节中列出的许多参考文献都是综合性的，涵盖了有关物镜的结构和功能的大部分主题，而其他参考文献则集中于这些镜片的各个方面和专门用途。
目镜（目镜） -目镜与显微镜物镜结合使用，可以进一步放大中间图像，从而可以清晰地观察到标本的细节。目镜有两种主要类型，它们根据镜头和光圈光阑的排列进行分组：带内部光阑的负目镜和在目镜的透镜下方具有光阑的正目镜。在许多情况下，目镜被设计为与物镜一起工作以消除色差。
线性测量（显微术） -1600年代末，荷兰科学家Antonie van Leeuwenhoek用光学显微镜进行了首次报告的测量，后者使用细沙粒作为量规来确定人类红细胞的大小。从那时起，已经采用了无数种方法来用显微镜测量线性，面积和体积样本的尺寸（一种称为测微法或形态计量学的实践），并且在过去的几百年中出现了各种各样的有用技术。
台下聚光镜-台下聚光镜收集来自显微镜光源的光，然后将其聚集到一个视锥内，以均匀的强度照亮整个视野内的样本。至关重要的是，必须适当调节聚光镜锥，以优化进入物镜前透镜的光的强度和角度。聚光镜也许是光学系统中最难理解的组件，但它还是在显微镜中获得高质量图像的最重要因素之一。
样品台-所有显微镜的设计都包括一个放置样品（通常安装在载玻片上）进行观察的平台。载物台通常配备有机械装置，可将载玻片固定在适当的位置，并可以平滑地前后滑动载玻片。其他阶段设计为允许样本旋转360度，或为辅助光源，样本处理工具和其他附件提供锚点。
反射光显微镜-使用倾斜或落射照明的显微镜用于研究不透明的标本，包括半导体，陶瓷，金属，聚合物等。
立体镜检查法的基本原理-考虑到当前可用于立体显微镜系统的各种附件，此类显微镜在多种应用中极为有用。所有制造商都提供适用于各种对比度增强技术的支架和照明底座，它们几乎可以适应任何工作情况。物镜和目镜的选择范围很广，通过安装在显微镜上作为中间管的附加透镜和同轴照明器得到了增强。在某些型号中，工作距离可以从 3-5 厘米到多达 20 厘米，从而在物镜和样品之间留出相当大的工作空间。
基本的显微镜人体工程学-为了查看样本并记录数据，显微镜操作员必须采取异常但精确的位置，几乎不可能移动头部或身体。他们经常被迫采取笨拙的工作姿势，例如头部弯曲在眼管上方，身体上部向前弯曲，手伸到高处以进行聚焦控制或手腕弯曲到不自然的位置。
显微镜的清洁，保养和维护-显微镜通常是一项重大的投资，并且是精密的光学仪器，需要定期维护和清洁以确保产生与光学，电子和机械组件的质量相同的高对比度图像。如果因暴露于灰尘，棉绒，花粉和灰尘，未能及时清除沉浸的油而忽略不计，或者滥用昂贵的物镜，光学性能可能会随着时间的流逝而严重下降。
显微镜解剖学交互式Java教程-我们构建了各种交互式Java驱动的显微镜教程，以帮助解释光学显微镜中一些较困难的概念。学生可以使用网络浏览器查看和使用这些教程，而无需添加插件软件。
