显微镜

背景

显微镜是一种用于产生小物体放大图像的仪器。最常见的显微镜是光学显微镜，它使用透镜从可见光形成图像。电子显微镜从电子束形成图像。声学显微镜从高频声波形成图像。隧道显微镜根据电子以极小距离“隧道”穿过固体表面的能力形成图像。

具有单透镜的光学显微镜被称为简易显微镜。简单的显微镜包括放大镜和珠宝商的放大镜。具有两个镜头的光学显微镜被称为复合显微镜。复合显微镜的基本部件是将镜头固定在样品附近的物镜和将镜头固定在观察者附近的目镜。现代复合显微镜还包括光源（用于捕捉外部光线的镜子或用于提供内部光线的灯泡）、聚焦机构和载物台（可以固定被检物体的表面） .复合显微镜还可能包括用于显微摄影的内置相机。

古代人注意到，透过水看到的物体看起来更大。公元一世纪的罗马哲学家塞内卡（Seneca）记录了这样一个事实：透过装满水的玻璃球看到的字母被放大了。最早的简单显微镜由在一块木头或金属上的小孔中捕获的一滴水组成。在文艺复兴时期，小玻璃镜片取代了水。到 17 世纪后期，荷兰科学家 Antonie van Leeuwenhoek 使用安装在薄黄铜板之间的非常小的高质量透镜制造了出色的简单显微镜。由于显微镜的卓越性，以及他是第一个观察微观生物的人，列文虎克经常被错误地认为是显微镜的发明者。

复合显微镜首次亮相是在 1590 年至 1608 年之间。这项发明通常归功于 Hans Janssen、他的儿子 Zacharias Janssen 或 Hans Lippershey，他们都是荷兰眼镜制造商。早期的复合显微镜由固定在一个小金属管中的成对透镜组成，看起来很像现代万花筒。由于色差问题（镜头倾向于将每种颜色的光聚焦在稍微不同的点，导致图像模糊），这些显微镜不如当时制作精良的简单显微镜。

最早的显微镜观察书面记录是由意大利科学家 Francesco Stelluti 在 1625 年发表的，当时他发表了通过显微镜观察蜜蜂的图画。列文虎克于 1683 年绘制了第一张细菌图。在十七和十八世纪，意大利对显微镜进行了许多机械改进，包括聚焦装置和将标本固定到位的装置。 1733 年在英国，业余配镜师 Chester Moor Hall 发现，将两种不同形状的玻璃制成的两个适当形状的镜片组合在一起，可以最大限度地减少色差。 1774 年，本杰明·马丁在显微镜中使用了这种技术。十九世纪显微镜的建造取得了许多进展 和二十世纪。 1930 年代开发了电子显微镜，1970 年代开发了声学显微镜，1980 年代开发了隧道显微镜。

原材料

光学显微镜由光学系统（目镜、物镜和其中的透镜）和将光学系统固定到位并允许对其进行调整和聚焦的硬件组件组成。便宜的显微镜可能有一面镜子作为光源，但大多数专业显微镜都有一个内置灯泡。

镜片由光学玻璃制成，是一种比普通玻璃更纯净、更均匀的特殊玻璃。光学玻璃中最重要的原材料是二氧化硅，其纯度必须在99.9%以上。玻璃的确切光学特性由其其他成分决定。这些可以包括氧化硼、氧化钠、氧化钾、氧化钡、氧化锌和氧化铅。镜片具有抗反射涂层，通常是氟化镁。

目镜、物镜和大部分硬件部件由钢或钢和锌合金制成。儿童显微镜可能有一个由塑料制成的外壳，但大多数显微镜都有一个由钢制成的外壳。

如果包括镜子，它通常由坚固的玻璃制成，例如 Pyrex（由二氧化硅、二氧化硼和氧化铝制成的玻璃的商品名称）。镜子具有由铝制成的反射涂层和由二氧化硅制成的保护涂层。

如果包括一个灯泡，它是由玻璃制成的，并在氩气和氮气的混合物中包含钨丝和由镍和铁制成的电线。灯泡的底座由铝制成。

如果相机 包括在内，它包含由光学玻璃制成的镜头。相机机身由钢或其他金属或塑料制成。

制造
过程

制作硬件组件

• 1 金属硬件部件使用精密金属加工设备（如车床和钻床）由钢或钢和锌合金制成。
• 2 如果便宜的显微镜的外壳是塑料的，则它通常是轻质硬质塑料，例如丙烯腈-丁二烯-苯乙烯 (ABS) 塑料。 ABS 塑料部件是通过注塑成型制成的。在这个过程中，塑料被熔化并在压力下被压入最终产品形状的模具中。然后让塑料冷却回固体。打开模具并取出产品。

制作光学玻璃

• 3 将所需光学玻璃类型的适当原材料按适当比例混合，并与相同类型的废玻璃一起混合。这种废玻璃称为碎玻璃，用作助熔剂。助焊剂是一种物质，它使原材料在比没有助焊剂时更低的温度下发生反应。
• 4 将混合物在玻璃熔炉中加热直至熔化成液体。温度因制造的玻璃类型而异，但通常约为 2550°F (1400°C)。
• 5 温度升高到大约 2800°F (1550°C)，迫使气泡上升到表面。然后缓慢冷却并不断搅拌，直到温度达到约 1800°F (1000°C)。玻璃现在是一种非常粘稠的液体，将其倒入形状类似于要制造的镜片的模具中。
• 6 当玻璃冷却到大约 600°F (300°C) 时，再加热到大约 1000°F (500°C)。该过程称为退火，可消除在初始冷却期间形成并削弱玻璃的内应力。然后使玻璃缓慢冷却至室温。从模具中取出玻璃片。它们现在被称为空白。

制作镜片

• 7 现在将坯料放在台钳中，并固定在带有金刚石刀片的快速旋转的圆柱形刀具下方。该刀具称为曲线生成器，可修剪毛坯表面，直到获得所需曲线的近似值。检查切割后的镜片并在必要时再次切割。该过程的难度因被切割玻璃的类型和所需的精确曲率而异。可能需要多次切割，所涉及的时间可能是几分钟，也可能是半小时以上。
• 8 将几个切割坯料放置在一个弯曲块的表面上，这样它们的弯曲表面就好像它们都是一个球面的一部分一样。这允许同时研磨多个镜头。称为工具的铸铁研磨面放置在镜片的顶部。当工具在其顶部随机移动时，透镜块会旋转。稳定的液体流在工具和镜头之间移动。这种被称为浆液的液体包含水、用于研磨的磨料（通常是碳化硅）、防止过热的冷却剂和防止磨料从浆液中沉淀出来的表面活性剂。镜片在研磨后进行检查，必要时重新研磨。研磨过程可能需要一到八个小时。
• 9 镜片被移到抛光机上。这类似于磨床，但工具是由沥青（一种从焦油中提取的厚而软的树脂）制成的。沥青工具的制作方法是将胶带放在弯曲的盘子上，倒入热的液态沥青，然后让它冷却回固体。俯仰工具可以使用大约 50 次，然后才能重新成型。它的工作方式与研磨工具相同，但浆料中含有抛光物质（通常是二氧化铈）而不是磨料。抛光后对镜片进行检查，并根据需要重复该过程。抛光可能需要半小时到五个小时。镜片已清洁并准备好进行镀膜。
• 10 镜片涂有氟化镁。然后再次检查它们，贴上制造日期和序列号，并在需要时储存起来。

制作镜子

• 11 如果包括镜子，它的制作方式与制作镜头的方式相似。与镜片不同，它被切割、研磨和抛光成平面而不是弯曲。然后施加反射涂层。铝在真空中加热产生蒸汽。负静电荷被施加到镜子的表面，以便它吸引带正电的铝离子。这允许施加薄而均匀的金属涂层。然后施加二氧化硅保护涂层。就像镜片一样，镜子会被检查、标记和储存。

组装显微镜

• 12 显微镜的所有最终组装均由手工完成。工作人员戴上手套、口罩和长袍，以免灰尘损坏镜头或显微镜的内部机构。首先是 镜头放置在钢管中，钢管构成了目镜和物镜的主体。这些管子按标准尺寸制造，可以组装成标准尺寸的显微镜。
• 13 大多数显微镜的调焦机构是齿轮齿条系统。它由一侧带齿的扁平金属片（齿条）和带齿的金属轮（小齿轮）组成，用于控制齿条的运动。齿条和小齿轮引导物镜，使其朝向或远离被观察物体的运动可以被控制。在许多显微镜中，齿条和小齿轮连接到载物台（被观察物体所在的平板金属板），物镜保持静止。安装齿轮齿条系统后，连接控制它的旋钮。
• 14 显微镜的外壳围绕内部聚焦机构组装。目镜（或两个目镜，用于双目显微镜）和物镜（或包含多个不同物镜的旋转盘）拧紧到位。目镜和物镜以标准尺寸制造，允许在任何标准显微镜中使用许多不同的目镜和物镜。
• 15 如果显微镜包含镜子，则将其安装在载物台开口下方的显微镜主体上。如果它包含一个灯泡，则可以将其安装在同一位置（以通过被观察物体发光）或将其放置在舞台的侧面（以在物体顶部发光）。一些专业显微镜包含两种灯泡以允许两种观察。如果显微镜包含摄像头，则它连接到机身顶部。
• 16 测试显微镜。如果功能正常，通常在包装前拧下目镜和物镜。显微镜的部件被牢固地包装在衬有布或泡沫的紧密贴合的隔间中。这些隔间通常是木箱或钢箱的一部分。然后将显微镜放入坚固的纸板容器中并运送给消费者。

质量控制

显微镜质量控制的最关键部分是镜头的精度。在切割和抛光过程中，镜片的尺寸是用游标卡尺测量的。该装置将镜片固定在两个钳口之间。一个保持静止，而另一个轻轻移动到位，直到它接触到镜头。镜片的尺寸是从一个刻度上读出的，这个刻度随着可移动的钳口一起移动。

镜片的曲率是用球面计测量的。这个设备看起来像一个怀表，三个小针脚从底部突出。两个外销保持原位，而允许内销移入或移出。该销的运动与球度计表面的刻度相连。刻度显示镜片的曲率。典型镜头的变化不应超过约千分之一英寸（25 微米）。

在抛光过程中，这些测试不够准确，无法确保镜头正确聚焦光线。必须使用光学测试。一种典型的测试，称为自准直测试，涉及在暗室中通过镜头照射精确光源。衍射光栅（每英寸包含数千个微观平行凹槽的表面）放置在透镜应聚焦光线的点上。光栅会在真正的焦点周围形成明暗线图案。将其与理论焦点进行比较，必要时重新抛光镜片。

显微镜的机械部件也经过测试，以确保它们正常工作。目镜和物镜必须牢固地拧入适当的位置，并且必须完全居中以形成清晰的图像。齿轮齿条聚焦机构经过测试，以确保其平稳移动并精确控制物镜与载物台之间的距离。包含多个物镜的旋转盘经过测试，以确保它们可以平稳旋转，并且每个物镜在使用过程中都保持牢固。

未来

业余观察者可能很快就可以购买带有小型内置摄像机的显微镜，可以记录微生物的运动。计算机可以内置到显微镜的内部控制机制中以提供自动对焦。