透镜和反射镜
光学仪器如显微镜、望远镜和双筒望远镜使用光学元件产生物体的图像。成像物体最常见的两种元素是会聚透镜和凹面镜。
透镜在光学显微镜中更常见;因此，我们将集中在透镜在下面的基本功能的探索。在反射望远镜中，凹镜用于成像。凹面镜也经常用于照明，就像汽车应用中的前灯一样。
通过透镜形成图像
在探索这种透镜如何工作之前，必须澄清透镜的关键术语和定义。曾经(错误地)把放大镜当作取火镜的人都发现，当镜头对着太阳时，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称为焦距．
当用不同类型的聚光镜进行这个实验时，我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”。根据这个结论，我们已经定义了镜头的两个最重要的基准数据:焦距和开度(直径)。
为了简化镜头直径的处理，一般用焦距来表示。在显微学领域，这个参数被称为孔径(亦称数值孔径NA)。数值孔径定义NA = n sinα,其中n是介质的折射率之间的空间填充对象和镜头,和α的半张角的最大光锥可以进入镜头(图3)。摄影师定义客观的孔径的f数。这定义为焦距与透镜直径的比值(N = f/D)(图4)。与NA值相比，f值越小表示光圈越大。
又是什么让一个物体的图像有时比它小，有时比它大?答案是:对于给定的焦距，它是相对的距离,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:每个镜头都有两个“关键点”:焦点(一个在镜头前，一个在镜头后)。
下面的例子描述了由透镜形成图像的典型情况:
1.物体到透镜的距离是无限长的
在这种情况下，假设从物体到透镜的平行光线。它们在透镜中被重定向，以在后焦点的平面上相遇，并在焦点的平面上生成图像。
2.物体位于一个相对较大的距离(例如焦距的100倍)。
这种情况产生的图像是小比对象(约。一个100th原始物体的大小)。
3.物体位于镜头前焦距的两倍处。
这个位置创建的物体的图像与物体本身的大小相同(复制比例为1:1)。图像位于距透镜背面焦距两倍的位置。顺便说一下，这是物体到图像的最短整体距离。
4.物体位于焦点的前面，但在焦距的两倍范围内。
在这些条件下，生成的图像是更大的比对象。
5.物体位于镜头的焦点上。
在这种情况下，生成的是一个虚拟映像，而不是真实映像。光线将以平行的方式离开透镜。没有图像可以找到，除非我们使用另一个光学系统，例如我们的眼睛，遵循案例1的条件。
为了便于理解基本光学原理，对上面的描述和图表进行了简化。实际上，几乎所有的成像元素都由多个透镜组成。上面的图纸将光学元件呈现为一个理想化的“薄透镜”。在探索了这些单步成像的标准情况后，我们现在将把这些发现应用到两步光学仪器中:复合显微镜。
复合显微镜
光学显微镜放大一个对象分两步。在这两步中都使用了类似聚光透镜的光学系统。这两个组件用于上述两种情况:
- 第一步是把物体放在单焦点和双焦点之间。其结果是放大的真实图像。这个显微镜透镜(实际上是由几个透镜组成的光学系统)叫做物镜。
- 然后用另一个透镜在它的前焦点拾取图像。因此，我们产生的是一束平行光线，而不是真实的图像。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，这是我们可以从显微镜中得到的:物体可以在放大的尺度上观察到，其细节是肉眼无法察觉的。
实用提示:眼睛必须放在显微镜上方的一个短距离处。从技术上讲，我们眼睛的瞳孔必须位于显微镜出瞳的同一位置。当显微镜照明的光强增加时，可以很容易地看到这个出瞳。它是在目镜上方可见的明亮而狭窄的点。
正确的定位变得特别重要时，用两只眼睛观看双目管．两个目镜之间的距离必须精确调整，以匹配眼睛的距离。
我们如何拍摄微观图像?
由于光学显微镜的常规输出是一束平行光线，所以必须先产生实像。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)。这种透镜可以处理非常远的物体。摄影师称这个距离为“无限”。换句话说，这些物体发出的光线是以平行的方式到达我们这里的。
当把小型照相机放在显微镜目镜后面时，我们就能通过显微镜拍照。为了避免挫折:这种组合的结果非常有限。这是因为紧凑相机的光学设计没有考虑到显微镜。几种尺寸(直径，距离)限制了实际应用。因此,专用数码相机专为特殊条件而设计的光学显微镜可用于不同的应用场合。