镜头和镜子
像显微镜、望远镜和双筒望远镜这样的光学仪器使用光学元件来产生物体的图像。成像物体最常见的两个元素是汇聚透镜和凹面镜。
透镜在光学显微镜中更为常见;因此，在接下来对显微镜基本功能的探讨中，我们将集中讨论透镜。凹面镜用于反射望远镜的成像目的。凹面镜通常也用于照明，如汽车大灯的应用。
通过透镜成像
在探索这种透镜是如何工作的之前，必须澄清透镜的关键术语和定义。曾经(错误地)把放大镜当作照火镜的人都发现，当镜片对准太阳时，会产生一个“热点”。这个点叫做焦点．从透镜中心到这个焦点的距离叫做焦距．
当用不同类型的聚光透镜重现这个实验时，人们会发现焦距主要取决于透镜的曲率。事实上，曲率半径越小，焦距就越短。另一个事实将被发现:大直径的镜片比小直径的镜片更“有效”。根据这一结论，我们已经确定了镜头的两个最重要的基准数据:焦距和开口(直径)。
为了简化透镜直径的处理，一般用焦距来表示。在显微镜领域，这个参数被称为孔径(也:数值孔径NA)。数值孔径定义为NA = nsin α，其中n是填充物体和镜头之间空间的介质的折射率，α是可以进入镜头的最大光锥的半角(图3)。摄影师通过物镜的f数来定义物镜的孔径。这被定义为焦距与镜头直径的比率(N = f/D)(图4)。与NA值相反，小的f值表示大的光圈。
又是什么使得物体的图像有时比物体小，有时比物体大?答案是:对于给定的焦距，它是相对的距离它定义了大小！
在讨论图像生成时，有一个重要的细节需要考虑:与每个镜头严格相连的两个“关键点”:焦点(一个在镜头前，一个在镜头后)。
下面的例子描述了镜头形成图像的典型情况:
1.物体到透镜的距离是无限的
在这种情况下，假定从物体到透镜的平行射线。这些在透镜中被重定向，以在后焦点平面上相遇，并在焦点平面上生成图像。
2.物体位于一个相对较大的距离(例如100倍焦距)
这种情况产生的图像是小比对象(约。一个100th原始对象的大小)。
3.物体位于透镜前面两倍焦距的距离上。
这个位置创建的对象图像大小与对象本身相同(复制比例1:1)。图像在距镜头后方两倍焦距的位置。顺便说一下，这是从物体到图像的最短距离。
4.物体位于焦点的前面，但在两倍焦距的范围内。
在这些条件下，生成的图像是更大的而不是物体。
5.物体位于透镜的焦点上。
在这种情况下，生成的是虚拟映像，而不是真实映像。光线以平行的方式离开透镜。除非我们使用另一种光学系统，例如我们的眼睛，否则无法找到图像，这符合情况1的条件。
为了便于理解光学的基本原理，以上的描述和图表都进行了简化。在现实中，几乎所有的成像元件都由一个以上的透镜组成。上图将光学元件呈现为理想化的“薄透镜”。在探索了这些单步成像的标准情况后，我们现在将这些发现实现到一个两步光学仪器:复合显微镜。
复合显微镜
光学显微镜放大一个对象分为两个步骤。在这两个步骤中，光学系统的作用类似于聚光透镜。这两个组件用于上述两种情况:
- 第一步是将物体放在单焦点和双焦点之间。结果是一个放大的真实图像。这种显微镜透镜(实际上是由几个透镜组成的光学系统)称为物镜。
- 然后用第二个透镜精确地在它的前焦点处捕捉这幅图像。因此，我们产生了一束平行射线，而不是一个真实的图像。这种光学元件叫做目镜。人眼能够处理这种平行光束，并在视网膜上生成图像。
- 最后，这就是人们对显微镜的期望:可以在放大的尺度上观察物体，而肉眼无法观察到细节。
提示一下实际使用:眼睛必须放在显微镜上方一小段距离。从技术上讲，我们眼睛的瞳孔必须位于显微镜出口瞳孔的同一位置。当显微镜照明的光强增加时，可以很容易地看到这个出口瞳孔。它是目镜上方可见的明亮窄点。
正确的定位变得尤为重要，当用双眼观看时双目管．两个目镜之间的距离必须精确地调整，以匹配眼睛的距离。
我们如何拍摄显微图像?
由于光学显微镜的常规输出是一束平行射线，因此必须首先产生真实的图像。幸运的是，标准的袖珍数码相机和我们的眼睛一样，也有一个镜头(称为物镜)。这个镜头可以拍摄很远的物体。摄影师称这个距离为“无限远”。换句话说:来自这些物体的射线以平行的方式到达我们。
当在显微镜目镜后面放置一个小型照相机时，我们就能通过显微镜进行摄影。为了避免挫折:这种组合所获得的结果非常有限。这是因为紧凑型相机的光学设计没有考虑到显微镜。几个尺寸(直径、距离)限制了实际使用。因此,专用数码相机专为特殊条件的光学显微镜，可用于不同的应用。
