第十节 显微摄影有什么特点？

把显微镜和照相机适当结合，用来拍摄微小物体，叫做显微摄影。显微摄影时可用带镜头的照相机，也可用不带镜头的照相机，后者使用的更为普遍。显微摄影比微距摄影具有更大的物像放大比，一般由几十倍到上千倍。我们首先从显微镜说起。

一、显微镜有什么用途？

显微镜是用来观察微小物体和认识微观世界的重要手段和工具；也是进行光学精密测量、分析微观组织、观察微观结构进行科学实验和开展微观工艺等必需的科学仪器和技术设备。

为了不断改善光学性能和使用功能，绝大多数显微镜，几乎都做成在同一个仪器本体上，配备可以更换的显微物镜和目镜，用不同的物镜和目镜互相交替配套，即可组成一系列放大倍率和技术性能不同的光学系统，从而可组成多倍率、多功能、性能齐全和使用方便的完善仪器。为了满足某种特殊的光学性能或技术性能，通常在物镜的前方或后

方加入某些特殊光学组件或某种中间成像系统，可构成光学性能优异、仪器结构精密、特性好、效能高的专用显微镜。如偏光显微镜、干湿显微镜、作为记录分析用显微照相和电视显示显微镜等。

二、显微镜的成像原理是什么？

1. 显微镜的成像原理是什么？

简单显微镜就是一块凸透镜（放大镜）。当放大镜靠近眼前时，被观察的小物体必须放在它的焦点之内并靠近焦点处；如果物体离放大镜较远，像就成在放大镜和眼睛之后；若物距太小，像就成在明视距离之内，这时虽能看到像，但眼睛太吃力；所以只有像成在无穷远到明视距离之间时，才与眼睛的调节范围相适应。物体放在放大镜焦点之内附近或焦点上，这时物体 Y 对光心的张角近似等于 Y′对光心的张角，如放大镜光路图 4-42 所示。

1. 简单显微镜的放大本领等于什么？

因为眼睛靠近放大镜，所以物与像对瞳孔的张角可用它们对透镜光心的张角来代替，再根据式（2-83(a)），如图 4-42 所示各量，放大本领（视放大率）为：

M = tgω ′ = 250

(4 − 15)

tgω S

视放大率即通过放大镜看物体时，其像对瞳孔的张角的正切，与直接看

明视距离处的物体对眼的张角正切之比。tgω′ =

y′

−S′

= y , tgω =

−S

y ,

−250

由高斯公式中解出 S（取绝对值）代入（4-15）式则简单显微镜放大本领为：

M = 250 + 250

(4 − 16)

f ′ S′

①若物在焦点上（ S = f ′,S′ = ∞），则：

M = 250 ；

f ′

②若像在明视距离处（S′ = −250mm）则：

M = 1+ 250

f ′

(4 − 17)

(4 − 18)

以上两式是确定放大镜（和目镜）放大本领的方便公式。从公式中可知，放大镜的焦距短一些，但放大本领很大。

复合显微镜的成像原理是什么？

复合显微镜的光学系统是由物镜和目镜构成，它们都是复杂的光学系统。为了简单，图中都以一个透镜表示。如图 4-13 所示，被研究物体Y 置于物镜前一倍焦距与二倍焦距之间，其像 y′成在目镜前焦点内附近处，通过目镜观察到的是 y′的像 y″，y″一般位于出射光瞳前明视距离（250mm）或无限远处。通常说的显微镜指的就是这种显微镜。

复合显微镜的放大本领等于什么？

由式（2-36(a)）可知复合显微镜焦距为：

f ′ = f 物′ f目

∆

式中f物′ 为物镜像方焦距，f

= f物′ f目

l

为目镜物方焦距f

(4 − 19)

= −f ′ ，∆ = F 物F′ ≈ l,

因为目镜与物镜的焦距都很小，所以△也叫做光学长筒，近似等于两镜间距。如果把复合显微镜总体看为一个焦距为 f′的放大镜则式（4-17） 为

M = 250 = −

l250

= ( −

1 )( 250) (4 − 20)

f ′ f物′ f 目′

f 物′

f目′

因为物体在物镜前焦点之外附近处，所以—f′可看作是物距，l 可近似

看作是物镜的像距，故 − l / f ′ 可看作是物镜的放大率β； 250 为目镜

f目′

的视放大率。因此复合显微镜的放大本领或放大率都是由上述两部分组成。显微镜的物镜和目镜上分别刻有“10×”、“20×”等字样，以便由两者的乘积得知其放大倍数。

三、显微镜物镜有什么特性？

由于显微镜主要是用来观察或测量近处的微小物体的，所以如何把物体放得足够大，并且分辨清楚细节，这是显微镜的主要任务。

1．显微镜的物方视场等于什么？

设物方视场为 2y，像方视场为 2y′则

2y = 2y ′

β

(4 − 21)

式中像方视场被镜筒直径所限制是个定值。所以高倍显微镜物镜的视场很小，一般情况下，物镜的物方视场是不专门给出的。β为物镜的放大率，即式（4-20）中前边因子（取绝对值）则：

β = l f物′

= 160

f物′

我国规定显微镜机械筒长 l 为 160mm。2．显微镜的分辨率等于什么？

由式（2-79）显微镜的分辨极限为

∆y = 0.610

λ

n sinu

(4 − 22)

式中λ为观测时所用光线的波长，nsinu 为物镜数值孔径。可见显微镜对于一定波长的光线的分辨率，在像差校正良好时，完全由物镜的数值孔径所决定，数值孔径愈大，分辨率愈高。3．显微物镜像面中心部分照度等于什么？由式（2-68(b)）可知显微物镜像场中心照度跟数值孔径的平方成正比，即：

E′an² sin² u ′ = (n′ sinu′) ²

4．显微镜的景深等于什么？

(4 − 23)

由导出的显微镜景深公式得知：显微镜的放大率愈高、数值孔径愈大，景深愈小（实际显微镜的景深是很小的）。

四、显微物镜的基本类型有几种？

显微物镜根据它们校正像差的情况不同，通常分为消色差物镜，复消色差物镜和平视场物镜三大类。

1. 消色差物镜，这是应用最广的一种显微物镜。为了提高分辨率， 它的数值孔径很大（由式（4-22）可知），因此与孔径有关的像差（球差、慧差、位置色差）都很显著，必须校正；但由于它视场很小，故对轴外像差不做重点考虑，也能满足一般的使用要求。消色差物镜又可分为：低倍物镜、中倍物镜、高倍物镜、浸润物镜等。

2. 复消色差物镜，这种显微物镜主要用于研究用显微镜及显微照相中，它要求严格校正轴上点的色差、球差和慧差，同时要求校正二级谱线。倍率色差并不能完全校正，一般须用目镜补偿。为了校正二级谱线， 常选用萤石做为部分透镜的材料，这种物镜结构很复杂，如图 4-44 所示。图中带阴影的透镜是用萤石制造的。

3. 平视场物镜，这种物镜主要用于显微照相和显微摄影，它要求严格地校正像面弯曲。对于平视场消色差显微物镜，其倍率色差不大，不必用特殊目镜补偿。而平视场复消色差物镜，则必须用目镜来补偿它的倍率色差。这种物镜的结构非常复杂。物镜中场曲的校正，通常采用几个弯月形厚透镜来实现的。图 4-45 所示放大率为 40×，数值孔径为 0.85 的平视场复消色差显微物镜结构。图中带阴影的透镜是用萤石制成的。

五、目镜有几种？

目前常用的望远镜和显微镜的目镜有惠更斯目镜、冉斯登目镜、凯涅尔目镜、对称目镜、无畸变目镜、广角目镜等。

1. 什么叫投影目镜和摄影目镜？

投影目镜和摄影目镜指显微投影和显微摄影所用的目镜，此类目镜因为物距较长，倍率不大，其出瞳较大，对像面弯曲和像散要求较高， 常用对称式目镜和补偿式目镜。

1. 什么叫对称式目镜

图 4-46(b)所示为对称式目镜光学结构图，它是应用非常广泛的中等视场目镜。它由两个双胶合镜组构成。为了加工方便，这两个镜组采用相同的结构。对称式目镜要求各镜组自行校正色差，因此倍率色差也随之而校正。同时它还能较正慧差和像散，由于这种目镜结构紧凑，因此场曲更小。对于由有一定间隔的两个薄透镜组构成的光学系统，其光焦度如式（2-4(b)）：

ϕ = ϕ 1 + ϕ 2 − dϕ 1ϕ 2

以前讨论一般摄影物镜设计原则，其中要满足对校正场曲有利，其条

件为∑ϕ / n，等于零。对于目镜也一样，如果 1 = 1 = 0.7，则两薄

透镜系统产生的场曲决定于：

n1 n 2

∑ϕ = ϕ₁ + ϕ ₂

= 0.7(ϕ

+ ϕ ) = 0.7(ϕ + dϕ ϕ )

n n1 n2

1 2 1 2

其中ϕ1、ϕ2 分别是两透镜组的光焦度；d 为两透镜组的间隔。此式表明：当ϕ1 与ϕ2 都为正光焦度时，其场曲随间隔 d 的增大而增大；当ϕ1 和ϕ2 为异号光焦度时，其场曲随间隔的增大而减小。由以上的讨论可知对称式目镜的结构对场曲的校正是比较有利的。因为它的两块负透镜在目镜的外侧，相距较大的间隔，而它的两块正透镜在目镜的内侧，彼此非常靠近。所以对称式目镜是产生场曲较小的结构形式。

但是双胶合透镜的胶合面半径比较小，该面上产生的高级像差比较大，这就限制了这种目镜的视场。

对称式目镜的镜目距比较长，它的光学特系为 2ω=40°～42°；出瞳相对孔径为 1：1.3。

1. 什么叫补偿式目镜？

补偿式目镜光学结构如图 4-46(a)所示，这种目镜球差和色差、场曲及像散等像差校正的较好，成像质量高，视场角为 30°～35°，相对孔径可达 1：10 左右，作为中低倍目镜性能良好。

总之，物镜所成的放大影像只有经过目镜再次放大成像才能获得显微放大的效果。目镜的成像条件、像差情况和技术要求都必须同物镜匹配，根据显微系统成像特点，如高倍率、高分辨率、小视场角等，则对显微目镜也相应的要求有小孔径、小视场角、高倍率和高分辨率的光学特性。

六、显微摄影的成像原理是什么？

1．不带摄影镜头的显微摄影成像原理是什么？由图 4-43 所示的显微镜光路图可知，目镜成的像是放大的正立（对中间像而言）虚像，虚像眼睛可以观察到，但屏幕或胶片是接收不到的。因此，如果将显微镜的光学系统完全保留，用摄影机皮腔跟显微镜的目镜联接，调节目镜与物镜间的距离，令物镜的像成于目镜物方一倍焦距与二倍焦距间，此中间像被目镜再进一步放大，在屏幕上形成一实像，如图 4-47(a)、(b)所示。如果屏幕为一毛玻璃，即可取景对焦，然后换上底片即可进行拍摄。如果屏幕是白布或白墙，就是显微投影，可供多人同时观看。这时系统的放大率等于物镜的放大率和目镜的放大率之积：

β=β物·β目

这种情况应用得比较普遍。 2．显微摄影的其它方案有几种？

①用显微镜作摄影系统的物镜。底片放在物镜所成像的平面上，这种方法简单，像质不好。根据式（4-20），其放大率没有后边部分即（绝对值）：

β = l f物

= 160

f物

②显微镜的非标准使用。例如令目标远离物镜才能在感光层中得到像，这时不需调节目镜与物间的距离，因为目标远离物镜，故物镜成的中间像在目镜物方焦点之外，再经目镜可成放大的实像。

③显微镜的光学系统完全保留，显微镜与照像机耦合，即显微物镜成的中间像通过显微目镜和照相机物镜（从目镜出射的平行光）成像于照相机物镜后焦点附近。由式（4-20）可知，将 l 代以 160mm，明视距离250mm 以相机物镜焦距代替，则在此种情况下，其放大率为

β = 160 · f照相物镜

f显物 f目

这种耦合方法，原理简单，但系统中的剩余像差增大。

七、怎样实现显微摄影中的正确曝光？

以不带照相机镜头的显微摄影为例加以说明。曝光是显微摄影中的重要环节，曝光正确与否决定着照片的质量。影响显微摄影曝光的因素很多，如底片的性能、照明光源的强度和色温、照明方法、滤光片种类、物镜的孔径和倍数、摄影皮腔的伸长量、被摄标本的颜色和光学性质等。因此难以用计算方法求得正确的曝光时间，通常用试摄法测定。具体步骤是：①测定时先用毛玻璃对焦，观察毛玻璃面上的亮度，粗估一个曝光时间；②装上有底片的暗盒，关闭照明灯，将暗盒抽开，开灯曝光 1 秒；关灯，遮盖 1/5 的暗盒，再开灯使余下 4/5 干板继续曝光一秒钟（总共 2 秒）；关灯，再关上 1/5 暗盒，再开灯二秒（总共 4 秒）；关灯， 再关上 1/5 暗盒，再开灯曝光四秒（共 8 秒）；关灯，关上 1/5 暗盒， 再开灯将最后 1/5 面积底片曝光 8 秒（共 16 秒）曝光完毕立即冲洗，冲

洗后从深浅不同的条纹中选取反差最适当的，就是在该摄影条件下的正确曝光时间。一般试摄测定时，曝光时间多依几何级数增加，即 1，2，4， 8，16，32⋯⋯