光學(xué)顯微鏡在過去半個多世紀(jì)以來一直是生命科學(xué)和材料科學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)工具。為了經(jīng)濟(jì)有效地使用此工具，它對了解光學(xué)的基礎(chǔ)知識尤其有幫助，尤其是對于每個顯微鏡的組成部分而言。
鏡片和鏡子諸如顯微鏡，望遠(yuǎn)鏡和雙筒望遠(yuǎn)鏡的光學(xué)儀器使用光學(xué)元件來產(chǎn)生物體的圖像。用于成像物體的兩個見的元素是凸透鏡和凹透鏡。
圖1-2：凸透鏡（左），凹透鏡（右）
鏡頭在光學(xué)顯微鏡中更為常見。因此，在接下來的基本顯微鏡功能探索中，我們將專注于鏡頭。凹透鏡用于反射望遠(yuǎn)鏡的成像。凹透鏡通常也用于照明，例如汽車應(yīng)用中的前燈。
通過鏡頭成像在探討這種鏡片的工作原理之前，必須弄清鏡片的關(guān)鍵術(shù)語和定義。曾經(jīng)（誤用）放大鏡作為燃燒玻璃的每個人都發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鏡頭對準(zhǔn)太陽時會產(chǎn)生“熱點”。這就是聯(lián)絡(luò)點。從鏡頭中心到該焦點的距離稱為焦距。
當(dāng)用不同類型的凸透鏡再現(xiàn)該實驗時，人們會發(fā)現(xiàn)焦距主要取決于透鏡的曲率。實際上，較小的曲率半徑導(dǎo)致較短的焦距。將會發(fā)現(xiàn)另一個事實：大直徑的鏡片比小直徑的鏡片更“有效”?；谶@個結(jié)論，我們已經(jīng)定義了鏡頭的兩個重要的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)：焦距和光圈（直徑）。
為了簡化透鏡直徑的處理，通常相對于焦距來表示。在顯微鏡領(lǐng)域，該參數(shù)稱為光圈（也稱為數(shù)值光圈na）。數(shù)值孔徑定義為na = n sinα，其中n是填充物體和透鏡之間空間的介質(zhì)的折射率，α是可以進(jìn)入透鏡的大光錐的半角（圖3）。 ）。攝影師通過物鏡的f值定義物鏡的光圈。這被定義為焦距與透鏡直徑的比率（n = f / d）（圖4）。與na值相反，較小的f值表示較大的孔徑。
圖3：顯微鏡鏡頭光圈的定義
圖4：攝影鏡頭光圈的定義
再說一次：是什么使物體的圖像有時比物體小，有時比物體大？答案是：在給定的焦距下，相對距離決定了尺寸！
在討論圖像生成時，有一個重要的細(xì)節(jié)需要考慮：每個鏡頭都嚴(yán)格地關(guān)聯(lián)了兩個“關(guān)鍵點”：焦點（鏡頭前一個和鏡頭后一個）。
以下示例描述了鏡頭形成的圖像的典型情況：1.物體與鏡頭有無限距離
在這種情況下，假定從物體到透鏡的平行光線。它們在鏡頭中重新定向，以在后焦點平面內(nèi)相遇并在焦點平面內(nèi)生成圖像。
圖5：無限距離處的物體
2.物體位于相對較大的距離處（例如，焦距的100倍）
這種情況下產(chǎn)生的圖像小于對象（約為原始對象大小的100 倍）。
圖6：遠(yuǎn)距離物體
3.物體位于鏡頭前焦距的兩倍處。
該位置創(chuàng)建的對象圖像大小與對象本身相同（復(fù)制比例為1：1）。圖像位于距鏡頭后側(cè)焦距兩倍的位置。順便說一下，這是您從物體到圖像的短總距離。
圖7：位于焦平面兩倍處的物體
4.物體位于焦點的前面，但在焦距的兩倍范圍內(nèi)。
在這些條件下，將生成大于對象的圖像。
圖8：單焦平面和雙焦平面之間的物體
5.物體位于鏡頭的焦點上。
在這種情況下，將生成一個虛擬圖像，而不是真實的圖像。光線將以平行方式離開鏡頭。除非我們使用符合情況1的條件的其他光學(xué)系統(tǒng)（例如，眼睛），否則無法找到圖像。
圖9：焦平面中的物體
為了簡化對基本光學(xué)原理的理解，簡化了以上描述和圖示。實際上，幾乎所有成像元件都包含一個以上的鏡頭。上面的附圖將光學(xué)元件展示為理想的“薄透鏡”。在探索了單步成像的這些標(biāo)準(zhǔn)情況之后，我們現(xiàn)在將這些發(fā)現(xiàn)應(yīng)用于兩步光學(xué)儀器：復(fù)式顯微鏡。
復(fù)式顯微鏡光學(xué)顯微鏡分兩步放大對象。在這兩個步驟中，都使用了像凸透鏡一樣起作用的光學(xué)系統(tǒng)。在上述兩種情況下使用了兩個組件：
步是將對象放置在單焦點和雙焦點之間。結(jié)果是放大的真實圖像。這種顯微鏡鏡頭（實際上是由多個鏡頭組成的光學(xué)系統(tǒng)）稱為物鏡。
然后，使用第二個鏡頭精確地在其前焦點上拾取該圖像。結(jié)果，我們生成一束平行光線，但不是真實圖像。該光學(xué)元件稱為目鏡。人眼能夠處理此平行光束并在其視網(wǎng)膜上生成圖像。
后，這是顯微鏡可以期望的：可以放大的物體觀察到的細(xì)節(jié)，而肉眼無法察覺。
實用提示：眼睛必須放在顯微鏡上方一小段距離。從技術(shù)上講，我們眼睛的瞳孔必須與顯微鏡的出瞳位于同一位置。當(dāng)增加顯微鏡照明的光強(qiáng)度時，可以容易地看到該出瞳。它是目鏡上方可見的明亮窄點。
當(dāng)使用雙目鏡筒兩只眼睛觀看時，正確的定位變得尤為重要。必須正確調(diào)整兩個目鏡之間的距離，以匹配眼睛的距離。
圖10：復(fù)式顯微鏡，示意圖
我們?nèi)绾闻臄z顯微圖像？由于光學(xué)顯微鏡的常規(guī)輸出是平行光線，因此必須首先生成真實圖像。幸運的是，標(biāo)準(zhǔn)的緊湊型數(shù)碼相機(jī)像我們的眼睛一樣包括一個鏡頭（稱為物鏡）。該鏡頭可以應(yīng)付很遠(yuǎn)距離的物體。攝影師稱此距離為“無限”。換句話說：來自這些物體的光線以平行的方式到達(dá)我們。
將緊湊型相機(jī)放在顯微鏡目鏡后面時，我們可以通過顯微鏡拍照。為了避免沮喪：這種組合所獲得的結(jié)果非常有限。這是因為緊湊型相機(jī)的光學(xué)設(shè)計沒有考慮顯微鏡。幾個尺寸（直徑，距離）限制了實際使用。因此，為光學(xué)顯微鏡的特殊條件設(shè)計的數(shù)碼相機(jī)可用于不同的應(yīng)用。