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光學顯微鏡基礎知識以及其圖像形成原理
光學顯微鏡基礎知識
光學顯微鏡是一種利用光學原理把人眼所不能分辨的微小物體放大成像，以供人們提取微細結構信息的光學儀器。其歷史可以追溯到公元前1世紀，當時人們就已發現通過球形透明物體去觀察微小物體時可以使其放大成像。隨著科技的進步，特別是1610年前后伽利略和開普勒對顯微鏡光路結構的改進，以及后續科學家們的不斷貢獻，現代顯微鏡的基本組成部分逐漸完善，包括載物臺、聚光照明系統、物鏡、目鏡和調焦機構等。
顯微鏡的基本組成部分
載物臺：用于承放被觀察的物體，可升降和水平轉動，以便將觀察部位調放到視場中心。
聚光照明系統：由燈源和聚光鏡構成，為被觀察物體提供足夠且均勻的照明。
物鏡：位于被觀察物體附近，實現D一級放大的鏡頭。物鏡的放大倍率通常為5～100倍，對成像質量起決定性作用。
目鏡：位于人眼附近，實現D二級放大的鏡頭。目鏡可分成不宜放置分劃板的和能放置分劃板的兩種類型。
調焦機構：使載物臺和物鏡能沿物鏡光軸方向作相對運動，以實現調焦，獲得清晰的圖像。
光學顯微鏡的圖像形成原理
光學顯微鏡的圖像形成原理主要基于凸透鏡的成像原理，通過物鏡和目鏡的兩次成像來實現對微小物體的放大觀察。
D一次成像（物鏡成像）
當物體被放置在物鏡（凸透鏡1）的一倍焦距和兩倍焦距之間時，根據物理學的原理，物鏡會形成一個放大的、倒立的實像。這個實像位于物鏡的后方，且距離物鏡大于一倍焦距但小于兩倍焦距。由于是倒立的實像，所以物體的上下和左右方向在D一次成像后都會發生顛倒。
D二次成像（目鏡成像）
以D一次成像的實像作為“物體"，目鏡（凸透鏡2）會對其進行D二次成像。由于觀察時是在目鏡的另外一側，根據光學原理，目鏡會形成一個放大的、正立的虛像。這個虛像位于目鏡的前方，且距離目鏡小于一倍焦距。由于是虛像，所以像和物在同一側，且像的大小進一步被放大。同時，由于虛像是正立的，所以觀察者看到的圖像與D一次成像的實像相比，上下和左右方向都會得到恢復（即與實物方向一致）。
無限遠色差校正光學系統（ICS）
現代顯微鏡通常采用無限遠色差校正光學系統來提高成像質量。在這種系統中，物體被物鏡記錄下來后，以平行的波陣或射線束投射到無限遠處。然后，通過管狀透鏡對平行光線束進行聚焦，產生一個位于目鏡內前焦平面的放大的中間圖像。目鏡再將這個中間圖像轉化為平行光線，投射到觀察者的眼睛或成像傳感器上。
數值孔徑與放大率
顯微鏡的放大率受到數值孔徑的限制。數值孔徑是物鏡角度孔徑的正弦值乘以成像介質的折射率。在選定的數值孔徑下，顯微鏡呈現的放大圖像的大小相當于人眼的分辨率極限。超過此點的進一步放大不會導致更精細的試樣細節的分辨率提高，反而可能導致圖像退化。
照明與光線傳播
在光學顯微鏡中，照明源的光通過聚光鏡照射到試樣上。一部分光線在試樣中不受干擾地通過（直射光），代表背景光；另一部分光線與試樣相互作用后發生偏離或衍射（衍射光）。衍射光與直射光在物鏡后焦平面上產生干擾，形成包含從非常暗到非常亮的各種灰度值的圖案，這些明暗圖案就是我們所觀察到的圖像。目鏡的眼透鏡進一步放大這個圖像，最后投射到視網膜、照相機的膠片平面或光敏數字圖像傳感器的表面。
綜上所述，光學顯微鏡通過物鏡和目鏡的兩次成像以及現代顯微鏡的復雜成像系統，實現了對微小物體的放大觀察和分析。