显微镜的基本光学原理
一、折射与折射率
光线在均匀的各向同性介质中沿直线传播，当穿越不同密度的透明物体时，如从空气进入玻璃，便会发生折射现象。这是由于光在不同介质中的传播速度差异所导致的。当光线与透明物体表面不垂直入射时，其方向在界面处会发生改变，并与法线形成一定的折射角。
二、透镜的性能
透镜是显微镜光学系统的核心元件，其中物镜、目镜及聚光镜等部件均由单个或多个透镜组合而成。根据其外形特点，透镜可分为凸透镜（正透镜）和凹透镜（负透镜）两大类。
当一束与光轴平行的光线穿过凸透镜时，会相交于一点，这个点被称为“焦点”。通过焦点并垂直于光轴的平面则被称为“焦平面”。焦点有两个，一个在物体所在空间的称为“物方焦点”，对应的焦平面为“物方焦平面”；另一个在像方空间的称为“像方焦点”，对应的焦平面为“像方焦平面”。
光线经过凹透镜后会形成正立的虚像，而凸透镜则形成正立的实像。实像可以在屏幕上显现，而虚像则不能。
三、影响成像的关键因素——像差
由于客观条件的限制，任何光学系统都无法生成理论上完全理想的像，各种像差的存在会对成像质量产生影响。下面简要介绍几种主要的像差。
- 色差（Chromatic Aberration）
色差是透镜成像时的一个严重问题，尤其在使用多色光作为光源时更为显著，单色光则不会产生色差。白光由红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七种颜色组成，每种颜色的光波长不同，因此在通过透镜时的折射率也不同。这导致物方的一个点在像方可能形成一个色斑。消除色差是光学系统设计的关键任务之一。
色差主要分为位置色差和放大率色差。位置色差使得像在任何位置观察时都带有色斑或晕环，导致像变得模糊不清。而放大率色差则会使像的边缘出现彩色。
- 球差（Spherical Aberration）
球差是轴上点单色光的成像误差，主要由透镜的球形表面引起。它导致一个点成像后不再是清晰的亮点，而是一个中间亮、边缘逐渐模糊的亮斑，从而降低了成像质量。
球差通常通过组合不同类型的透镜来校正，因为凸透镜和凹透镜的球差特性相反。通过合理选择不同材料的凸凹透镜并组合使用，可以有效地消除球差。在一些旧型号的显微镜中，物镜的球差可能没有完全校正，需要与相应的补偿目镜配合使用才能达到理想的成像效果。而现代的新型显微镜则通常能够在物镜中完全消除球差。
彗差（Coma）
彗差是轴外点的单色像差。当轴外物点以大孔径光束成像时，发出的光束通过透镜后不再相交于一点，而是形成一个类似彗星形状的逗点状像差。像散（Astigmatism）
像散也是影响清晰度的轴外点单色像差。在视场较大时，边缘上的物点离光轴较远，光束倾斜较大，经过透镜后会产生像散。像散使得原物点在成像后变成两个分离且相互垂直的短线，这些短线在理想像平面上综合后形成一个椭圆形的斑点。像散通常需要通过复杂的透镜组合来消除。场曲（Curvature of Field）
场曲又称为“像场弯曲”。当透镜存在场曲时，整个光束的交点不与理想像点重合，尽管每个特定点都能形成清晰的像点，但整个像平面呈现为曲面。这使得在显微镜观察时无法同时看清整个像面，给观察和摄影带来不便。因此，研究用显微镜通常采用平场物镜，这种物镜已经对场曲进行了校正。畸变（Distortion）
除了场曲外，前面提到的各种像差都会影响像的清晰度。而畸变则是一种特殊的像差，它不会破坏光束的同心性，因此不影响像的清晰度，但会导致像的形状相对于原物体发生失真。
四、显微镜的成像（几何成像）原理
显微镜之所以能够将被检物体进行放大，主要是通过透镜的巧妙组合来实现的。单透镜虽然可以成像，但往往伴随着像差，这会对成像质量产生严重影响。因此，显微镜的主要光学部件是由多个透镜精心组合而成的。从透镜的性能来看，凸透镜具有放大作用，而凹透镜则主要用于其他光学功能的实现。显微镜的物镜与目镜虽然都由透镜组合而成，但它们作为一个整体，共同实现了对物体的放大功能。
为了更好地理解显微镜的放大原理，我们可以简要回顾一下凸透镜的五种成像规律：
（1）当物体位于透镜物方二倍焦距以外时，像方将在二倍焦距以内、焦点以外形成缩小的倒立实像。
（2）当物体位于透镜物方二倍焦距上时，像方将在二倍焦距上形成与原物体大小相同的倒立实像。
（3）当物体位于透镜物方二倍焦距以内，焦点以外时，像方将在二倍焦距以外形成放大的倒立实像。
（4）当物体恰好位于透镜物方焦点上时，将无法形成实像。
（5）当物体位于透镜物方焦点以内时，虽然像方也无法形成实像，但会在透镜的另一侧形成放大的直立虚像。
显微镜正是利用上述成像规律中的（3）和（5）来实现对物体的放大的。当物体位于物镜前F-2F（F为物方焦距）之间时，物镜会在其像方的二倍焦距以外形成放大的倒立实像。而在显微镜的设计中，这个中间像会被巧妙地安排在目镜的一倍焦距F1之内，这样，物镜所放大的中间像又会经过目镜的再次放大，最终在目镜的物方（即中间像的同侧）、人眼的明视距离（约250mm）处形成放大的直立虚像。因此，我们在镜检时，通过目镜看到的像，其方向是与原物体相反的。
五、显微镜光学系统简介
显微镜光学系统的设计主要有三种类型的光学系统：
长筒光学系统：这是一种经典的光学设计，具有其独特的优点和适用场景。
万能无限远校正光学系统：这是一种更为先进的光路设计，它充分体现了无限远校正的优越性。光线通过物镜后会变为平行光束穿越镜筒，并在结像透镜处完成无像差的中间像折射。这种设计允许在物镜与观察筒内的结像透镜之间添加光学附件，而不会影响显微镜的总放大倍数。此外，它无需安装额外的校正透镜，即可获得高质量的显微图像。
万能无限远双重色差校正光学系统：这是目前最为先进的光路设计。它不仅能够矫正位置色差，还能同时矫正倍率色差，从而提高水平分辨率达12%。这种系统能够提供最高反差、最高衬度以及最高分辨率的锐利图像，为科学研究提供了强有力的工具。
