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？

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。

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。

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

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.

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）。

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。

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 

以荧光显微镜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。

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

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。

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。

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。

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