简介
购买光学显微镜时要考虑的最重要的标准之一是所需的应用领域。另一个可能同样重要的是光学组件（特别是物镜）的（像差）校正状态。显微镜物镜可能是光学显微镜中最重要的组件，因为它们负责初级图像的形成，并在确定显微镜能够产生的图像质量方面发挥着核心作用。物镜还有助于确定特定标本的放大倍率以及使用显微镜观察和记录精细标本细节的分辨率。物镜是光学显微镜中最难设计和制造的组件，也是光线从标本传播到图像平面时遇到的第一个组件。
现代显微镜内的光学组件安装在稳定的、符合人体工程学设计的底座上，可实现光学相互依赖的组件之间的快速交换、精确定心和仔细对准。显微镜的光学和机械部件（包括玻璃载玻片上的标本和盖玻片）共同构成了一个光学系统，其中心轴贯穿显微镜底座和支架。显微镜光学系统通常由照明器（包括光源和聚光镜）、用于为成像准备照明的载物台聚光器、标本、物镜、目镜和检测器（某种形式的照相机或观察者的眼睛）组成。
研究级显微镜还包含几种光调节设备中的一种，这些设备通常位于照明器和聚光器之间，以及插入物镜和目镜或照相机之间的互补检测器或滤波设备。调节设备和检测器协同工作，根据空间频率、相位、偏振、吸收、荧光、离轴照明和/或标本和照明技术的其他特性来修改图像对比度。即使没有添加特定设备来调节照明和过滤成像波，最基本的显微镜配置也会发生一定程度的自然滤波。
虽然一些显微镜光学元件充当成像元件，但其他一些则用于对标本的照明进行各种修改，还具有滤波或转换功能。显微镜光学系统形成图像所涉及的组件包括聚光镜（位于照明器内或附近）、聚光器、物镜、目镜以及人眼或相机镜头的折射元件。虽然其中一些组件通常不被认为是成像组件，但它们的成像特性对于确定显微镜图像的最终质量至关重要。
聚光镜
在直立显微镜上，聚光镜位于载物台下方，用于收集来自显微镜光源的波前并将其集中成光锥，从而以均匀的强度照亮整个视野中的标本。倒置（组织培养式）显微镜将聚光镜安装在载物台上方，并在框架柱上安装标本。必须正确调整聚光镜光锥，以优化进入物镜前透镜的光的强度和角度。每次更换物镜时，都必须对聚光镜进行相应的调整，以提供适当的光锥，与新物镜的光锥（数值孔径）相匹配。图 2 显示了一个简单的双透镜阿贝聚光镜。在该图中，来自显微镜照明源的光线穿过位于聚光镜底部的聚光镜孔径光阑，并被内部透镜元件聚集，然后从每个方位角将光线以平行光束的形式投射到标本上。光锥的大小和数值孔径由孔径光阑的调整决定。穿过标本后，光线发散成一个倒置的圆锥体，具有适当的角度以填充物镜的前透镜。
光圈调整和聚光镜的正确聚焦（相对于物镜的高度）对于充分发挥物镜的潜力至关重要。具体而言，适当使用可调光圈光阑（内置于聚光镜内或聚光镜下方）对于确保正确的照明、对比度和景深非常重要。此光阑的开口大小控制照射样本的照明波前角度（从而控制光圈大小）。聚光镜高度由齿条齿轮系统控制，该系统允许调整聚光镜焦距以正确照明样本。正确定位聚光镜相对于照明锥和焦点的位置（建立柯勒照明的一个步骤）对于定量显微镜和确保最佳数字图像至关重要。
聚光镜主要根据成像方式（如明场、暗场和相位对比）进行分类，但也根据其光学校正程度进行分类。在光学像差校正方面，聚光镜主要有四种类型，如表 1 所示。最简单、校正程度最低（也是最便宜）的聚光镜是Abbe聚光镜，在具有三个或更多内部透镜元件的最佳型号中，其数值孔径可高达 1.4。虽然 Abbe 聚光镜能够通过明亮的光线，但它没有校正色差和球差。图 2 显示了典型的 Abbe 聚光镜。最简单的 Abbe 聚光镜有两个光学透镜元件，它们产生的照明视场光阑图像不清晰，边缘被蓝色和红色包围，这是色差的特征。
下一个级别的聚光器复杂度分为消球差和消色差聚光器，它们专门针对球差（消球差）或色差（消色差）进行校正。消色差聚光器通常包含三到四个透镜元件，并在两个波长（红色和蓝色）中校正色差。消色差聚光器通常包含四个透镜元件，数值孔径范围为 0.9 到 1.4。这种聚光器设计既适用于使用“干”或油浸物镜的常规和关键实验室分析，也适用于黑白或彩色显微摄影和数字成像。消球差-消色差聚光器具有最高级别的光学像差校正。这种聚光器可以很好地校正色差和球差，是使用白光进行关键彩色成像的首选聚光器。典型的消球差消色差聚光镜具有八个内部透镜元件，这些元件被粘合成两个双合透镜和四个单透镜。
聚光镜外壳上的雕刻包括其类型（消色差、消球差等）、数值孔径以及指示孔径光阑的近似调整（大小）的分级刻度。当将一滴油滴在与标本载玻片下表面接触的上部透镜上时，数值孔径高于 0.95 的聚光镜性能最佳。这可确保从聚光镜发出的斜光线不会从载玻片下方反射，而是直接进入标本。在实践中，这可能变得繁琐并且在常规显微镜中并不常见，但在高分辨率下工作以及使用高功率（和数值孔径）物镜进行精确成像时至关重要。
当物镜发生变化时，例如从 10 倍变为 20 倍，还必须调整聚光镜的孔径光阑，以提供与新物镜的数值孔径相匹配的新光锥。这可以通过转动控制聚光镜孔径光阑的滚花旋钮或杠杆来实现。聚光镜上有一个黄色或白色的小点、箭头或索引标记，表示与聚光镜外壳上的线性刻度相比，孔径的相对大小。许多制造商会同步此刻度以对应于聚光镜的近似数值孔径。例如，如果显微镜学家选择了数值孔径为 0.25 的 10 倍物镜，那么箭头将位于聚光镜外壳上刻度上的值 0.18-0.20（约为物镜数值孔径的 80%）旁边。
目镜
目镜与显微镜物镜配合使用，可进一步放大中间图像，以便观察标本细节。Oculars是eyepieces的另一种名称，在文献中被广泛使用。显微镜的最佳效果要求物镜与适合物镜校正和类型的目镜配合使用。图 3 显示了典型的现代目镜的基本结构。目镜侧面的铭文描述了其特定特征和功能。根据镜头和光圈布置，目镜主要分为两种类型：带有内部光圈的负目镜和在目镜镜头下方有光圈的正目镜。负目镜有两个镜头：最靠近观察者眼睛的上部镜头称为目镜，下部镜头（位于光圈下方）通常称为场镜。最简单的形式是，两个透镜都是平凸透镜，凸面向标本。大约在这两个透镜的中间有一个固定的圆形开口或内部光圈，其大小决定了在显微镜下观察到的圆形视野。
最简单的负目镜设计通常称为 Huygenian 目镜，在大多数配备消色差物镜的教学和实验室显微镜上都能找到。尽管 Huygenian 目镜和场镜没有得到很好的校正，但它们的像差往往会相互抵消。校正程度更高的负目镜将两个或三个透镜元件粘合在一起并组合在一起以制成目镜。如果未知目镜仅带有外壳上刻的放大倍数，则它很可能是 Huygenian 目镜，最适合与放大倍数为 5 倍至 40 倍的消色差物镜一起使用。另一种常见目镜是透镜下方有光圈的正目镜，通常称为 Ramsden 目镜。这种目镜的目镜和场镜也是平凸的，但场镜的安装方式是使曲面朝向目镜。该目镜的前焦平面位于场镜正下方，与目镜光圈齐平，因此该目镜可轻松安装标线。
简单的目镜（例如惠更斯目镜和拉姆斯登目镜及其消色差目镜）无法校正中间图像中放大倍数的残留色差，尤其是与高放大倍数消色差物镜以及任何萤石或复消色差物镜结合使用时。为了解决这个问题，制造商生产了补偿目镜，在镜头元件中引入相等但相反的色差。补偿目镜可以是正型或负型，并且必须在所有放大倍数下与萤石、复消色差物镜和所有变化的平场物镜一起使用（它们也可以与 40 倍及更高的消色差物镜一起使用）。近年来，现代显微镜物镜的放大色差校正功能要么内置于物镜本身，要么在镜筒透镜中进行校正。
补偿目镜在帮助消除老式有限筒长显微镜中高度校正物镜设计所固有的残余色差方面起着至关重要的作用。因此，显微镜技术人员最好使用由特定制造商设计的补偿目镜来配合该制造商的更高校正物镜。如果将不正确的目镜与为老式有限（160 或 170 毫米）筒长应用设计的复消色差物镜一起使用，会导致对比度显著增加，标本细节的外径上会出现红色条纹，内径上会出现蓝色条纹。简单目镜的视野平面度有限，即使是使用双目镜进行校正的目镜，也会出现其他问题。更先进的目镜设计产生了 Periplan 目镜设计（见图 3）。该目镜包含七个透镜元件，它们粘合成一个双透镜、一个三透镜和两个单独的透镜。平场目镜的设计改进可以更好地校正残余横向色差，提高视场的平坦度，并且在与更高倍率的物镜一起使用时，总体性能更好。
现代显微镜具有大大改进的平场校正物镜，其中主图像的场曲比旧物镜小得多。此外，大多数显微镜现在都具有更宽的镜筒，这大大增加了中间图像的尺寸。为了解决这些新特点，制造商现在生产宽视野目镜，将样本的可视面积增加了 40%。由于目镜物镜校正技术的策略因制造商而异，因此仅使用特定制造商推荐的目镜与其物镜一起使用非常重要。此外，大多数研究级显微镜上的目镜都有一个对焦环，这使得可以精确地对焦安装在中间图像所在空间中的标线。调焦环还可以在显微镜上建立一种称为共焦的状态，即视力不同的操作员可以配置显微镜，使得当将新物镜插入光路时，物镜产生的图像仍保持聚焦。
物镜
显微镜物镜是光学系统中最复杂的组件。与包含两到八个透镜的聚光镜和目镜相比，数值孔径高于 1.0 的高度校正物镜可以具有多达 15 个或更多的透镜元件和组（见图 1）。物镜的制造具有不同程度的光学校正，包括单色（球差、像散、彗差、畸变）和色差，以及视场大小和平整度、波长带宽、双折射、无荧光和各种其他导致背景噪声的因素。物镜制造的两个主要标准是消色差和中间图像的平坦度，如果经过完美校正，即使在大视野下也能提供具有边缘到边缘清晰度的图像。根据校正程度，物镜通常分为消色差、萤石和复消色差，而低场曲的镜头则带有平场标识。此外，物镜可以具体分为透射光和反射光两种。在生物应用中流行的透射光版本通常设计用于盖玻片（在大多数情况下，厚度为 170 微米）。反射光（通常称为Epi）物镜具有特殊涂层的玻璃表面（抗反射涂层），以避免在检查没有盖玻片的标本时光学元件出现反射。事实上，这些物镜是专门为在没有盖玻片的标本上设计的。
现代显微镜物镜属于一个大类，称为无限远色彩校正光学，可产生一束平行波前（离开后焦平面），然后使用镜筒透镜将其聚焦到中间图像平面上。由于这些无限远光学器件中的光线在物镜和镜筒透镜之间平行投射，因此可以将滤光片、棱镜、分束器、反射镜和其他平面平行组件插入光学系统，而无需额外的光学组件。此外，无限远校正物镜在光学因素方面与镜筒透镜特别匹配，以产生最终的完全校正的中间图像。具有有限光学系统的传统显微镜需要目镜透镜执行部分像差补偿工作。在大多数情况下，无限远校正光学系统的共焦长度（实际上是物镜架与标本之间的距离）为 45 毫米，因此各个物镜在光学和机械上均经过共焦处理，使得物镜更换后焦平面保持不变，而无需进行重大的重新聚焦。
大多数高性能物镜都配有弹簧架（见图 1）以保护标本，许多浸没式物镜都配有鼻托，可以卡入弹簧架的顶部位置，以便轻松涂抹浸没液。用于制造物镜的玻璃必须具有合适的折射率和色散、均匀性、无应变、高耐化学性、低热膨胀性、耐气候变化性以及通过近紫外、可见光和近红外光谱部分的高光透射率。就物镜各种校正系数的分类而言，消色差物镜在两种波长下具有良好的色彩校正，在图像中心具有相对平坦的场，但需要重新聚焦才能观察外围区域的细节。消色差物镜有专为偏振光和相衬设计的版本，但不适用于荧光或微分干涉对比 (DIC)。平场物镜和落射平场物镜是改进的消色差物镜版本，在直径高达 24 毫米或更大时具有出色的场平坦度。此外，反射光消色差物镜具有出色的对比度和各种工作距离。识别物镜所需的规格（见图 4）通常刻在保护内部镜片的装饰镜筒上。
校正程度更高的萤石物镜和平场萤石物镜具有更好的色彩校正（至少三种波长），并且在直径高达 26 毫米的视场中具有平场（平场版本）。由于使用了更先进的专用玻璃，萤石能够高效传输紫外线波长。萤石物镜适用于所有对比度增强模式，并且有特殊的高质量版本可用于偏振光和 DIC。复消色差物镜性能最佳，因此以最高数值孔径生产，并至少对四种波长进行色彩校正。平场版本降低了传输效率，但可以在整个视场上产生具有高场平面度的壮观图像。随着技术进步对专用物镜的需求不断增长，新的复消色差物镜正在设计中，以突破色彩校正（360 至 700 纳米或更高）、数值孔径（高达 1.49）、工作距离和对各种浸没介质的适用性方面的极限。
消色差物镜是最广泛使用的物镜，在教学和研究级实验室显微镜上都很常见。它们是日常实验室使用的令人满意的物镜，但由于它们并未针对所有颜色进行校正，因此在白光下，无色标本细节在最佳焦点（二次轴向颜色）下可能会显示淡绿色。复消色差物镜通常包含两个双合透镜和一个三合透镜，用于对色差和球面像差进行高级校正。使用复消色差物镜和萤石物镜，几乎可以消除衍射引起的强度分布扩散。消色差物镜在第一条纹中仍然具有相当大的强度，而复消色差物镜接近理论分辨率极限，其中纵向色差大于波光景深。由于复消色差物镜需要具有异常色散特性的透镜元件，因此它们的规格可能不适用于某些特定应用，例如近紫外荧光激发、DIC 和其他利用偏振光的显微镜形式。因此，萤石物镜可能更合适。由于新设计的复消色差透镜采用了现代涂层技术，即使在复消色差透镜本身受到限制的情况下，也可以获得具有高对比度的清晰图像。
结论
显微镜光学系统的第一阶段（也许是最被忽视的）是灯箱，其中包含灯和聚光透镜系统。该装置负责为显微镜建立主要照明条件。钨卤素或弧光放电发出的光穿过聚光透镜系统，灯丝或弧光聚焦到聚光镜（反射落射荧光中的物镜）的前焦平面上。显微镜光学系统中的第一个图像平面出现在视场光阑的位置。因此，与视场光阑耦合的灯箱产生必要的照明模式，以在各种成像模式下充分成像样本。在光学显微镜中，共轭平面相互成像，可以在目镜中检查样本时集体观察。视场光阑位于灯聚光透镜附近，通过显微镜聚光镜清晰地成像在与标本相同的平面上。物镜在中间图像平面中形成视场光阑和标本的图像，并将其投射到目镜的固定视场光阑中，聚焦标线位于此处。随后，目镜（与观察者的眼睛一起）在成像系统的传感器表面或人眼的视网膜上形成所有三个先前图像平面的图像。视场光阑、标本、中间图像和视网膜都构成一组共轭图像平面，分布在整个显微镜光学系统中，同时出现在焦点中。
