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显微镜成像的特点
发布时间:2022-09-14

显微镜成像的特点


本文属于科普文章,着重介绍光学显微镜的成像特点,和很多资料不一致,我们不会局限于生物显微镜,也会包含体视显微镜,两者很大不同,我们会分开讲,同时顺便理清一些常见误区。


·光学显微镜是什么?

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光学显微镜:物镜、目镜、载物台


显微镜是一种把微小物体放大成像的仪器,常见的就是光学显微镜,它通过光学原理,利用玻璃透镜等组件组合形成放大的成像,使原本肉眼无法分辨的细小物体变得可以分辨观察。


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台式扫描电镜ZEM15,外观很不一样


对应光学显微镜,还有电子显微镜、原子力显微镜等其他类型显微镜,成像原理各不相同,具有更高的分辨率,但是价格昂贵、使用复杂,不在本文讨论范围内。


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生物显微镜和体视显微镜


常见的光学显微镜有两类,一类是复合显微镜,以生物显微镜为典型,镜身和观察头等部件都是模块化、可换的,具有多个物镜,有正置和倒置两种型态,可以特化成金相显微镜、偏光显微镜、荧光显微镜、共聚焦显微镜等机种;另一类是体视显微镜,常见于电子产品维修、模式生物研究、植物研究,镜体高度一体化,除研究级产品外,基本只能附加配件,很难替换配件,通常只有一个初级物镜/辅助物镜,内部有两条光路。


·光学显微镜成像的特点1:放大成像,有限放大倍率


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生物显微镜的放大成像


对于生物显微镜,总放大倍数是固定的,按物镜数量不同有4-6个档位

总放大倍数(生物) = 物镜放大倍数 x 目镜放大倍数

生物显微镜标配物镜有4X、10X、40X和100X,标配目镜是10X,因此总放大倍数是40X-1000X.


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物镜数值孔径值决定放大倍率上限


很多人陷入一个误区,就是放大倍数越高越好,某宝、某多等平台,很多商家会宣传几千、上万倍放大的显微镜,其实是没有意义的,因为光学显微镜存在有效放大倍率的概念,超过有效放大倍率的成像不会有更多细节,只会模糊:

有效放大倍数 = 物镜数值孔径N.A x 500-1000

物镜数值孔径不会超过1.6,也就意味着光学显微镜有效放大倍率是1600倍,通常还达不到,因为普通的100X油浸物镜数值孔径也就1.25,也就是说,1250倍就到头了。这就是为什么ML31等严谨的临床生物显微镜标配是10X目镜而不是16X目镜,因为总放大倍数1600倍是无效放大)。


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体视显微镜的放大成像


对于体视显微镜,只有旧式设计会采用类似生物显微镜的定档变倍,新一点的基本都是可变倍率,放大倍数可以在下限和上限之间灵活调整,以适应不同尺寸的样品:

总放大倍数(体视) = 物镜放大倍数 x 变倍体放大倍数 x 目镜放大倍数

体视显微镜通常放大倍数较低,距离MZX100物镜1X,变倍体8X,目镜10X,放大倍率上限就是80X,使用2X物镜可以达到160X,但相对生物显微镜来说还是比较低。


·光学显微镜成像的特点2:放大倍率和视野宽度、视野亮度、成像景深成反比

上面我们也提到,生物显微镜放大倍率远远高于体视显微镜,那为什么还要有体视显微镜呢?这就涉及光学显微镜成像第2特点,高放大倍率有三大代价:视野宽度、视野亮度和成像景深。


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生物显微镜看不了完整一条斑马鱼


我们可以从目镜的视野数倒推出当前视野实际大小:

实际视野大小(视场直径) = 目镜视野数 / 放大倍数 


荧光显微镜MF31视野数F.N 22mm的10X目镜为例,4X物镜下,实际视野宽度是5.5mm,下一档10X物镜,实际视野2.2mm,再下一档40X,实际视野0.55mm,到100X时小到只有0.22mm.

体视显微镜视野宽度相对大得多,以体视显微镜MZ62为例,10X/22目镜搭配1X物镜、0.67X变倍,放大倍率0.67倍,视野宽度32.8mm,可以看比较大的样品。


随着放大倍数变大,视野范围会缩小,对应的,看到的光会更少,因此视野会更暗,需要调整照明亮度和聚光镜孔径光阑大小(聚光镜光圈)。对于40~100倍左右放大倍率来说,可以使用普通照明来观察,超过100X之后,一般照明要照亮样品就开始遇到困难,需要用聚光镜提供高光强照明才够。


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体视显微镜可以看到完整的多条斑马鱼



体视显微镜另一个特点是不需要制样,可以直接放样品进行观察,一来是因为体视显微镜通常有上光源,可以观察非透明的样品,二来是因为低放大倍率时,成像景深足够大,意味着就算样品不太平整,成像画面中大部分都会是清晰的。


生物显微镜4X也有较大的景深,只要样品比较透光,可以不制样成玻片进行观察,10X物镜类似,但成像已经有相当一部分开始不清晰,到20X和以上物镜时,成像景深浅,须先将样品制样成玻片,否则成像中大部分将会是模糊的、无法观察的,而且高倍下对样品透光性要求更高,不制样成像可能会亮度不足。


·光学显微镜成像的特点3:倒立虚像,或正立虚像


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显微镜放大成像原理


显微镜物镜的成像是倒置的实像,可以直接投影到墙壁,并决定着成像的细节和分辨率。观察头和目镜会二次放大物镜成像,形成更大放大倍率的、适合肉眼观察的虚像。


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生物显微镜成放大倒置虚像


对于常规生物显微镜来说,目镜成像通常是倒立放大的虚像,意味着载物台向上移动,在成像中会是向下移动,载物台向左,成像向右,以此类推。当然也存在专门修正成像倒立特性的正置成像的观察头,但很少见。


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体视显微镜成放大正置虚像


对于体视显微镜来说,成像也是放大的虚像,但它是正立的,这让体视显微镜在一些样品处理和手术操作时更方便。



明美是一家专注显微成像产品研发与销售的高新技术企业,是中国仪器仪表行业协会光学分会理事单位,医疗器械显微镜生产及经营厂家。


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始终以客户需求为主,以品质为根本,以创新为方向,推动显微行业的数字化、电动化、智能化,为显微领域的国产化进程贡献力量。


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