光學(xué)顯微鏡是光學(xué)儀器的一個大類，由荷蘭科學(xué)家胡克發(fā)明至今已有三百多年的歷史了，主要用于對微小物體的觀察與操作。經(jīng)過數(shù)百年的不斷發(fā)展，目前已發(fā)展成包括生物、體視、金相、測量四大類產(chǎn)品，同時結(jié)合各類技術(shù)成果形成了攝影、攝像、共焦掃描、熒光、偏光、暗場、相襯等一系列變形產(chǎn)品。光學(xué)顯微鏡文泛應(yīng)用于生物、基因工程、新材料、微電子、工業(yè)測量、微機(jī)械、*刑偵、醫(yī)療、教學(xué)等領(lǐng)域的科研與生產(chǎn)制造過程。

一、工作原理

1、  光學(xué)顯微鏡是利用光波（電磁波的一個譜段：可見光波長范圍是：400nm~700nm：近紫外區(qū)域?yàn)?/span>300nm~400nm：近紅外區(qū)域?yàn)?/span>700nm~1500nm。）的折射成像或折反射成像原理，研制的光學(xué)成像儀器。但是由于光波長的限制，在可見光波段內(nèi)常規(guī)光學(xué)顯微鏡的有效放大倍率在1600倍左右，超過1600倍的放大倍率對提高光學(xué)系的分辨率并無貢獻(xiàn)。

2、  顯微鏡一般由物鏡系統(tǒng)、棱鏡系統(tǒng)、目鏡、對焦機(jī)構(gòu)、照明系統(tǒng)、支架、工作臺等幾大部分構(gòu)成。

3、  基本原理是：顯微鏡物鏡將標(biāo)本放大成像（一次成像），顯微鏡目鏡將物鏡所成的像進(jìn)行二次大成像（二次像）、成像在無窮遠(yuǎn)或人眼的明視距離處，再由觀察者眼睛的光學(xué)系統(tǒng)將“二次像”成像到本人眼睛的視網(wǎng)模上，大腦中即可獲得標(biāo)本的顯微圖像信號。

4、  光學(xué)顯微鏡總的放大倍率：β總=β物×β目（式中：β物是物鏡放大倍率，β目是目鏡放大倍率）。

如果顯微鏡附帶有攝像裝置，計算攝影攝像裝置放大倍率的公式是：β總=β物×β目β攝（式中：β攝是攝影或攝像接口裝置中光學(xué)系統(tǒng)的放大倍率）。

二、產(chǎn)品分類

二、體視顯微鏡

（1）       體視顯微鏡顧名思義就是具有立體視覺的顯微鏡，也叫實(shí)體顯微鏡。主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：光學(xué)系統(tǒng)必須有左右兩條“光路”分別對標(biāo)本進(jìn)行成像，而且左右兩條“光路”之間必須有一定的夾角（稱為體視角，一般在10°~12°范圍），模擬人的雙眼觀察有限距離物體時的狀態(tài)，以形成立體視覺、便于在顯微鏡的物方（物鏡前方的簡稱）進(jìn)行空間定位或?qū)?biāo)本進(jìn)行鏡下操作。因此，體視顯微鏡廣泛應(yīng)用于科研與生產(chǎn)過程中各類顯微操作場合、成為*的得力工具（克隆技術(shù)中的細(xì)胞顯微操作、集成電路引線焊接與封裝、醫(yī)療 顯微外科手術(shù)等），具有廣闊的市場。

（2）       體視顯微鏡按結(jié)構(gòu)形式有：固定率體視顯微鏡、間隔變倍體視顯微鏡、連續(xù)倍體視顯微鏡三類，分別屬于低檔、中檔和中產(chǎn)品，適用于不同場合。為了滿足記錄、傳播標(biāo)本顯微鏡圖像的要求，還有具備攝影攝像、功能的體視顯微鏡，簡稱“三目體視顯微鏡”，可以通過攝影、攝像接口連接各類照相機(jī)、攝像機(jī)和數(shù)碼相機(jī)。

（3）       因體視顯微鏡的應(yīng)用特點(diǎn)，一般產(chǎn)品的放大倍率范圍為：2X~200X。進(jìn)口產(chǎn)品有達(dá)到400X以上的，但放大倍率到200X以上后由于“光學(xué)景深”（通過光學(xué)系統(tǒng)觀察的標(biāo)本深度）太短，儀器已沒有立體視覺，只是起一般的平面放大作用了。

（4）       體視顯微鏡的主要技術(shù)指標(biāo)有：放大倍率與倍率范圍、視場直徑、物方工作距離、物鏡變倍比（連續(xù)變倍體視顯微鏡）等。

（5）       部件配置及常規(guī)參數(shù)

        ①附加物鏡：

0.3X、0.5X、0.7X、1.5X、2.0X、2.5X為常用規(guī)格。

        采用平行光路的產(chǎn)品有1.0X物鏡。根據(jù)特殊要求還可以開發(fā)設(shè)計制造特殊規(guī)格的附加物鏡。

②目鏡系列：

  10X、15X（16X）、20X、25X為常用規(guī)格。

另外為適應(yīng)戴眼鏡觀察，有“高眼點(diǎn)目鏡”；視場角大于45°的目鏡稱為“廣角目鏡”。根據(jù)應(yīng)用要求還可以設(shè)計制造特殊規(guī)格的目鏡。

（6）由于體視顯微鏡的應(yīng)用范圍非常廣闊、操作使用的要求差異很大，為了充分發(fā)揮其使用效能、提高工作效率，有各類附件供選配。

①照明光源：

光源支架（帶落射鹵素?zé)襞c透射熒光或鹵素?zé)簦⒖烧{(diào)鹵素?zé)簦?/span>50W）、環(huán)形熒光燈、光導(dǎo)纖維冷光源（可配單端、雙端、環(huán)形等光纖，用于不允許有紅外線輻射的場合）、LED光源、偏光裝置、暗場聚光裝置（用于寶石、透明礦物等標(biāo)本的簽定）

②支架系統(tǒng)：

單橫桿萬向支架、雙橫桿萬向支架、擺臂平衡式萬向支架、微動支架

③移動平臺：

2維平移工作臺、3維移動工作臺（可傾斜、加1個旋轉(zhuǎn)軸）、集成電路硅片檢查工作臺、測量工作臺（X、Y方向10MM行程、0.01MM度）

④測微分劃尺：

目鏡分劃尺（0.1MM~0.05MM格值，“一字”“一字”、“十字”、“網(wǎng)格”等形式）物鏡分劃尺（0.01MM格值）

⑤顯微攝影攝像裝置：

袖珍變焦數(shù)碼相機(jī)攝影接口、單反數(shù)碼相機(jī)接口、35MM單反相機(jī)接口、工業(yè)CCD攝像機(jī)接口、DV攝像機(jī)接口。

2、  生物顯微鏡

（1）       生物顯微鏡主要用于動植物組織切片、細(xì)胞與細(xì)菌涂片等標(biāo)本的微細(xì)組織結(jié)構(gòu)觀察。隨著生物工程和基因工程的發(fā)展，也是胚胎移植、克隆技術(shù)*的重要工具。生物顯微鏡主要追求zui高的細(xì)節(jié)分辨率、有效放大倍率、更寬廣的視野直徑等技術(shù)指標(biāo)。

（2）       生物顯微鏡常規(guī)結(jié)構(gòu)形式：

        ①透射照明正置式顯微鏡：為常見方式，其中低檔普及型又有雙目和單目兩種機(jī)型；

② 透射反射照明正置式顯微鏡：一般為或研究型產(chǎn)品；

③透射照明倒置式顯微鏡：可透過玻璃培養(yǎng)皿底部觀察其中活性生物組織或細(xì)胞的狀態(tài)，同時可以對這些活性生物組織或細(xì)胞進(jìn)行顯微操作：

④透射反射照明倒置式顯微鏡：用途與透射照明倒置式顯微鏡基本相同，但還可以觀察不透明標(biāo)本。

⑤根據(jù)應(yīng)用場合生物顯微鏡又大致分為：普及型（全部采用消色差物鏡）、中檔產(chǎn)品（可選配平場消色差物鏡、攝影攝像裝置，可添加反射照明等裝置）、研究型產(chǎn)品（基本配置平場消色差物鏡或更的平場復(fù)消色差物鏡、攝影攝像接口、反射照明裝置，有熒光、偏光、暗光、相襯等功能組件供選配）。

（3）生物顯微鏡主要部件有：

支架、移動工作臺與標(biāo)本夾、對焦機(jī)構(gòu)、物鏡轉(zhuǎn)換器（按安裝物鏡的數(shù)量有3孔、4孔、5孔、6孔等規(guī)格）、觀察系統(tǒng)（分單目、雙目、三目即含攝像接口3種形式）、照明系統(tǒng)（包括聚光鏡、照明燈、供電與調(diào)光電路等）、目鏡等。

由于生物顯微鏡產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化程度較高，國產(chǎn)中低檔產(chǎn)品不同廠家的區(qū)別主要在于光學(xué)系統(tǒng)質(zhì)量和外觀。

（4）生物顯微鏡的主要技術(shù)規(guī)范與指標(biāo)

 ①放大倍率與倍率范圍：40X~1600X（常規(guī)范圍）；

 ②目鏡視場直徑：10X目鏡一般為φ18MM~φ22MM，進(jìn)口產(chǎn)品有達(dá)到φ26MM的：

 ③物鏡規(guī)格：4X、10X、40X、100X是常規(guī)規(guī)格（其中100X物鏡為獲得極限分辨率通常是“油鏡”，即在物鏡前鏡片與標(biāo)本“數(shù)值孔徑”，進(jìn)而提高物鏡分辨率，外觀標(biāo)“OIL”字樣），此外有2X、20X、25X、50X、60X、90X等規(guī)格，物鏡倍率用不同的外觀“色環(huán)”和數(shù)字來區(qū)分：

④物鏡品種：消色差、平場消色差、平場復(fù)消色差、相襯、暗場

⑤物鏡標(biāo)識

⑥目鏡規(guī)格：10X、16X（常用規(guī)格），6.3X、12.5X、20X、25X（為系列規(guī)格,可選用）

⑦目鏡品種：觀察目鏡、測微目鏡（內(nèi)置測微分劃尺）、指針式目鏡

⑧照明聚光系統(tǒng)：自然光照明、電光源照明、消色差聚光鏡、相襯聚光鏡、暗場聚光鏡、偏光裝置、熒光照明裝置

（5）生物顯微鏡的主要功能部件

 ①反射照明裝置

   光源在物鏡后方、通過物鏡聚光照明標(biāo)本，可以觀察不透明標(biāo)本：通過汞燈光源的紫外光激發(fā)，可用于觀察熒光染色標(biāo)本的熒光顯微圖像。

 ②攝影攝像裝置

   袖珍變焦數(shù)碼相機(jī)攝影接口、單反數(shù)碼相機(jī)接口、35MM單反相機(jī)接口、工業(yè)CCD攝像機(jī)接口、DV攝像機(jī)接口

 ③生物顯微圖像電腦分析系統(tǒng)：

將顯微鏡獲取的標(biāo)本圖像通過攝像機(jī)與圖像轉(zhuǎn)化卡、數(shù)碼相機(jī)、DV攝像像機(jī)等設(shè)備轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像信號輸入計算機(jī)，利用專業(yè)的圖像處理與分析軟件包完成顯微圖像的增強(qiáng)、銳化、色彩等處理，自動進(jìn)行各類參數(shù)的提取、測量、統(tǒng)計、繪制圖表、存儲、輸出等工作。目前該類設(shè)備已成為生物顯微鏡在研究、教學(xué)與醫(yī)療領(lǐng)域*的數(shù)字化、智能化配套裝備，對提高整個系統(tǒng)的工作效率與工作質(zhì)量貢獻(xiàn)巨大。

3、  金相顯微鏡

（1）       金相顯微鏡是專門用于觀察金屬、礦物、巖石、陶瓷、半導(dǎo)體等材料細(xì)微結(jié)構(gòu)的光學(xué)顯微鏡，基本結(jié)構(gòu)和類型與生物顯微鏡相似。與生物顯微鏡的主要不同之處有：

①因標(biāo)本多為不透明材料，照明方式以反射照明為主、較少配備透射照明系統(tǒng)；

②因標(biāo)本上不覆蓋“蓋玻片”，物鏡光學(xué)結(jié)構(gòu)形式生物顯微鏡物鏡有所差異；

           ③常采用圓形工作臺，通過刻度可以用于礦物標(biāo)本偏振角度參數(shù)的測定。

   ④高倍率物鏡（100X）基本不采用浸液介質(zhì)，數(shù)值孔徑較相同倍率的生物顯微鏡物鏡小。

（2）      金相顯微鏡常見型式

 ①倒置金相顯微鏡：工作臺在物鏡上方，標(biāo)本觀察（磨面）朝下，這樣標(biāo)本另一面無須加工、可為任意形狀（金相顯微鏡大部分屬于這一型式）；

 ②正置金相顯微鏡：工作臺在物鏡下方，標(biāo)本觀察（磨面）朝上，標(biāo)本另一面必須與上面平行、標(biāo)本高度受工作臺行程的限制；

 ③金相顯微鏡按照性能又大致劃分為初級、中級、三檔。

（3）       或研究型金相顯微鏡的性能與配置：

 ①具有優(yōu)良整體光學(xué)成像質(zhì)量和高度的操作穩(wěn)定性；

 ②配置平場消色差或更的平場復(fù)消色差物鏡；

 ③具備各類顯微攝影攝像接口，能夠靈活配置相應(yīng)的攝影攝像器材或裝置大幅面投影器；

 ④具有定性與定量偏光、相襯、微分干涉的功能：

 ⑤可以進(jìn)行顯微硬度測量；

 ⑥明、暗場照明裝置，包括各種規(guī)格的物鏡、聚光鏡等：

（3）金相顯微鏡在微電子工業(yè)中的應(yīng)用

在半導(dǎo)體工業(yè)制造領(lǐng)域，各類半導(dǎo)體晶片與集成電路的檢查、測量都必須大量采用當(dāng)學(xué)顯微鏡，其型式和光學(xué)性能要求與金相顯微鏡基本相同。隨著微電子工業(yè)的飛速發(fā)展，國外廠家在金相顯微鏡的技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展了的半導(dǎo)體工業(yè)顯微鏡，其主要性能特點(diǎn)有以下幾點(diǎn)：

①大尺雨的標(biāo)本移動工作臺，適合于4、6、8乃至12英時圓晶的檢驗(yàn)，同時發(fā)展了電驅(qū)動工作臺，以提高生產(chǎn)效率：

②長工作距離物鏡（50X達(dá)10MM以上），能夠潢足物鏡工作距離內(nèi)安裝圓晶探針等裝備的特殊要求；

③物鏡可以明、暗場通用：

④通過引入短波長光源，開發(fā)研制了高倍率物鏡（倍率已達(dá)250X），分辨率可滿足集成電路0.15UM線寬的檢測要求：

⑤采用超高壓球形汞燈和超高壓球形氙燈照明裝置，獲取短波紫端或近紫外線光源：

⑥整體結(jié)構(gòu)能夠滿足圓晶自動生產(chǎn)線的組合要求。

4、測量顯微鏡

測量顯微鏡是借助顯微鏡的光學(xué)放大原理提高瞄準(zhǔn)精度、對各類零件或物體進(jìn)行幾何數(shù)測量的一類測量儀器，是光學(xué)顯微鏡的一個重要分支。

測量顯微鏡廣泛應(yīng)用于精密機(jī)械、電子產(chǎn)品、微電子等行業(yè)的產(chǎn)品檢驗(yàn)和質(zhì)量控制，是一個國家提高整體工業(yè)水平的基礎(chǔ)技術(shù)裝備，隨著工業(yè)水平的整體提高和產(chǎn)業(yè)發(fā)展，測量顯微鏡的市場也在迅速增長。

測量顯微鏡按照測量范圍分為：小型工具顯微鏡（量程~75MM）、′大型工具顯微鏡（量程0~150MM）、工具顯微鏡（量程0~200MM）、重型工具顯微鏡（量程0~500MM）：按當(dāng)學(xué)成像方式有：目鏡二次放大式與投影放大式。一般測量精度：線值長度0.01MM~0.002MM、角度5' ~10"，可以測量線值（長、寬、高）、角度、位置誤差、孔徑與孔距、螺紋、齒輪等參數(shù)。

三、詞解釋

1、  色差物鏡

首先需要說明“色差”這一概念：可見光波長范圍是400NM~700NM，不同波長的光線通過光學(xué)玻璃材料的折射角度是不同的、在光學(xué)零件中所走的路徑也不同。因此，同一物點(diǎn)發(fā)出的白光（可見光譜段光線）經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)后不能成為一個白色像點(diǎn)，而產(chǎn)生色彩，此現(xiàn)象稱為“色差”。

  為了光學(xué)系統(tǒng)產(chǎn)生的“色差”不被人眼察覺或不影響光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量，必須采取消除“色差”的設(shè)計方案：選擇合理的光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和光學(xué)材料反搭配，使F光（紫光，波長λ=486.13NM）與C光（紅光,波長λ=656.27NM）的成像位置基本重合,一般情況下這樣一來可見光波長范圍內(nèi)其他色光的位置差異也可以控制在能夠接受的程度。

   采用消除“色差”設(shè)計方案的顯微鏡物鏡即為“消色差物鏡”。

2、  平場消色差物鏡

一個平面標(biāo)本通過一般的消色差物鏡所成的像并非是一個平面、而是一個曲面，因?yàn)楣鈱W(xué)系統(tǒng)會產(chǎn)生“場曲”、使像面發(fā)生彎曲。這種現(xiàn)象一般并不影響人眼觀察時對整個像面清晰度一致的感覺，因?yàn)槿搜塾幸欢ǖ那舛茸詣诱{(diào)節(jié)能力。但是，如果光學(xué)系統(tǒng)所成的像要通過膠片或CCD芯片清晰記錄，由于膠片或CCD芯片是一個平面、又不可能具有人眼那樣的自動調(diào)節(jié)能力，因此設(shè)計光學(xué)系統(tǒng)時必須將“場曲”消除。

采用消除“場曲”光學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計制造、成像面視場平坦的消色差物鏡稱為“平場消色差物鏡”，也稱“平視場消色差物鏡”。

   更進(jìn)一步，在平場消色差物鏡技術(shù)的基礎(chǔ)上，采用特殊的光學(xué)材料與設(shè)計手段、進(jìn)一步將可見光波長范圍內(nèi)D光（黃綠光，波長λ=589.29NM）與F光和C光成像位置的差異消除,可以使光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量獲得大幅度提高.采用這種技術(shù)設(shè)計制造的物鏡稱為”平場復(fù)消色差物鏡”。

3、  相襯裝置

為了觀察與周圍介質(zhì)有相同光吸收系數(shù)和顏色、折射率或厚度稍有不同的物體（即稱為“相位物體”，如活體生物組織、某些礦物樣本）的顯微圖像，科學(xué)家澤尼克于1935年發(fā)明了一種利用光的衍射原理進(jìn)行成像的方法，稱為相襯法。利用這種主法設(shè)計制造的顯微鏡成像裝置即為“相襯裝置”。

顯微鏡相襯裝置一般包括：相襯聚光鏡和配套的系列相襯物鏡。將一般明場顯微鏡的聚光鏡與物鏡取下、換上相襯聚光鏡和相襯物鏡即可進(jìn)行相襯觀察。主要用于無法進(jìn)行染色或染色后會死亡的活體標(biāo)本的顯微成像。

      4、暗場裝置

顯微鏡暗場裝置的工作原理：利用特殊的大孔徑照明聚光系統(tǒng)照標(biāo)本，但是不讓主要的直射照明光線進(jìn)入顯微鏡的物鏡光路、而只讓被標(biāo)本中微細(xì)結(jié)構(gòu)反射改變了方向的光線進(jìn)入顯微鏡光路成像。這樣一來顯微鏡視場中背景是暗的，但標(biāo)本中微細(xì)結(jié)構(gòu)的像的在濾除了強(qiáng)大的直射照明光線后獲得非常高的對比度、從而獲得超常規(guī)的分辨率。

顯微鏡暗場裝置有透射式與反射式的區(qū)別。透射式暗場顯微鏡主要用于觀察透明基體標(biāo)本（如懸浮在液體中的細(xì)胞、單細(xì)胞藻類，透明礦樣如寶石、晶體等）的細(xì)微結(jié)構(gòu)；反射式暗場顯微鏡目前大量應(yīng)用于金相顯微鏡、尤其是半導(dǎo)體工業(yè)顯微鏡中，用于金屬材料、硅片的細(xì)節(jié)觀察。

簡易暗場是顯微鏡暗場裝置的簡易形式產(chǎn)品。

   暗場裝置的聚光照明系統(tǒng)即為暗場聚光鏡。暗場聚光鏡有透射式與反射式兩類，與一般聚光鏡的主要區(qū)別是：數(shù)值孔徑須大于物鏡數(shù)值孔；聚光鏡光路中設(shè)有攔光光闌，阻擋中心部分的直射光線進(jìn)入物鏡光路、而讓周圍環(huán)帶部分光線以大角度（大于物鏡物方孔徑角）照明標(biāo)本，從而取得“暗場效果”。

5、偏光裝置

光是電磁波的一個譜段、用物理原理解釋是一種振動波，在自然界的光線中太陽光、鎢絲燈、氣體放電燈等光源發(fā)出的光線均是包含了各種“振動方向”的自然光線。如果用“起偏器”將自然光線中其余振動方向的光都濾除、只讓某一特定方向振動的光線通過，通過的光線即是“偏振光”。顯微鏡偏光裝置即是利用“偏振光”與某些標(biāo)本物質(zhì)的相互作用來觀察、研究這些物質(zhì)的顯微結(jié)構(gòu)和物理結(jié)構(gòu)。

   顯微鏡偏光裝置基本由以下幾部分組成：起偏器、檢偏器（用于確定偏振光的偏振方向）、波片（用于偏振光的干涉成像）、旋轉(zhuǎn)工作臺（提供的角度數(shù)據(jù)）。

6、  光裝置

熒光是物質(zhì)受特定波長光線激發(fā)（輻照）后持續(xù)很短時間（一般為納秒級）的自體發(fā)光。幾乎所有的機(jī)分子都能直接或經(jīng)過適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)處理后產(chǎn)生熒光，因此在生物、組織、細(xì)胞、微生物、免疫、醫(yī)學(xué)等學(xué)科中獲得廣泛應(yīng)用、成為有力的科研手段。

   熒光裝置的工作原理如下：光源（激發(fā)源）光線經(jīng)過激發(fā)濾色片選擇激發(fā)光波長，常用是紫外（UV）、紫（V）、藍(lán)（B）、綠（G）四個波段；激發(fā)光通過暗場聚光鐿照射標(biāo)本（一般應(yīng)經(jīng)過熒光色素染色處理）、標(biāo)本產(chǎn)生熒光；熒光通過物鏡經(jīng)過抑制濾色片濾除激發(fā)光和雜光后成像在物鏡像面上供觀察或攝影攝像記錄。

   熒光顯微鏡接照光路形式也分為透射式與反射式兩種。無論何種形式，由于標(biāo)本產(chǎn)生的熒光光強(qiáng)很弱，因此在照明光路中激發(fā)光線經(jīng)過的路徑上開切材料（光學(xué)玻璃、透鏡膠合材料、浸液介質(zhì)）均不能有熒光效應(yīng)，同時顯微攝影或攝像裝置應(yīng)有很高的感光靈敏度。

7、  惠更斯目鏡

為光學(xué)家惠更斯，基本結(jié)構(gòu)由兩片透鏡組成、視場光闌（物鏡成像面位置）位于兩片透鏡之間。這種目鏡目前已很少應(yīng)用。

8、  冉斯登目鏡

為光學(xué)家冉斯登，基本結(jié)構(gòu)由兩片透鏡組成、視場光闌（物鏡成像面位置）位于兩片透鏡之前，這種目鏡目前也已很少應(yīng)用。

9、  阿貝聚光鏡

是目前常用的顯微鏡聚光鏡，由2至3片透鏡組成，采用球差zui小化的正透鏡結(jié)構(gòu)形式（也叫“齊名式”），由光學(xué)家恩斯特·阿貝zui先設(shè)計。

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