人各有志趣,然而,成功者并不多。只有奋发钻研的人,不惜付出艰辛的劳动,始终不渝地开拓,因而铺砌出一条可以攀登的路来,才能取得成功。通向微观世界之门,就是这样打开的……
十七世纪,荷兰有一位市政大楼看门人,叫安东尼·列文虎克。他是一位业余光学爱好者。他把自己磨制的几片透镜装在镜筒里叠加起来,竟将微小的东西放大100多倍。在他的镜头下,一根头发丝就象一棵小树干。1675年的一天,他用他的仪器观察一滴污水,奇妙的情景把他吸引住了:许许多多的微小生物,象小虫一样爬来爬去。这就是细菌。功夫不负有心人,这位业余光学爱好者创造了世界上最早的显微镜。
显微镜的发明,为人类打开了通向微观世界之门。
百闻不如一见。眼睛是人的“窗口”,外界信息大约60%是通过视觉而获得的。人的眼睛是一种非常巧妙的器官,然而,眼睛的本领毕竞是有限的,象细菌那样的微生物根本看不见,这是由人眼睛的构造所决定的。
人的眼睛,具备了照相机的全部本事。来自景物的光线经过前面的晶状体,就象经过照相机镜头那样,形成一个倒立缩小的实象,由于晶状体具有调节焦距的能力,实象正好形成在眼球后面的视网膜上。视网膜上有许许多多神经细胞:一种是棒状细胞,能够分辨明暗;另一种是锥状细胞,能够辨别颜色。当一景物成象在视网膜上的时候,视神经细胞即感受到了明暗和颜色,并把自己的感受报告给“总指挥部”——大脑。这样,人就看到了景物。
眼睛能看见某一物体,条件是这一物体的象必须成在视网膜上。可是,要看清楚这一物体,也就是说,要能够清晰地分辨出物体的这一部分和那一部分,还必须满足以下两个条件:一是在视网膜上形成的象要足够的明亮;二是所要分辨的物体的两个部分对眼睛的张角——视角至少不小于1分。当物体的两个部分对眼睛光心所张的视角大于1分时,这两个部分的象落在两个不同的感光细胞上,这样眼睛才能把物体的两个部分看清楚。
人的眼睛在观察外界物体时,物体离开眼睛的距离是一定的,眼睛可以调节晶状体的焦距,使象形成在视网膜上;外界光线的明暗程度也是一定的,眼睛可以调节瞳孔的大小,使形成在视网膜上的象的亮度适宜。可是,眼睛不能调节成象大小,如果感到视角太小,只好把物体移近一些,这样视角就增大一些,物体看起来也就清楚一些。从视角方面来考虑,似乎物体越近看起来越清楚;但从成象方面来考虑,物体靠近眼睛又是有限度的,即有个最短距离,再小于这个距离,即使晶状体作了最大限度的调节,物体也不能成象于视网膜上,这时,眼睛仍然不能够看清楚物体。眼睛经过调节能够看得清楚的最短距离,叫做近点。年青人的正常眼睛的近点,为100毫米左右。反之,正常的眼睛,晶状体能够将平行光束会聚在视网膜上,也就是说,能看得见无限远的物体。眼睛能够看得清楚的最远距离,叫做远点。正常眼睛的远点是无限远。
人的眼睛虽然有一定的调节能力,但是,眼睛在长时间处于高度调节的情况下作近距离观察,很快就会感到疲劳的。人眼睛有一个比较习惯的适当距离,在这样距离下看东西不容易疲劳,正常眼睛的这个距离约为250毫米,叫做眼睛的明视距离。
由于眼睛的调节能力有限,一个物体移至近点以内,它对眼睛光心的张角仍然小于1分,这时候要看清楚它,必须再进一步增大视角,但不能再采取向眼睛移近的办法了,因为处于近点以内,眼睛再也不能通过晶状体本身的调节来使象形成在视网膜上了。不过,我们可以请放大镜来帮助增大视角。
放大镜是一个焦距很短的凸透镜。如果将物体放在它一侧焦点以内,则在和物体同一侧形成一个正立的虚象,这个虚象在另一侧用眼睛可以观察到。这就是放大镜的作用原理。
用放大镜观察物体时增大视角的光路。物体在明视距离处,对眼睛所张的视角;如果物体足够大,则它对眼睛所张的视角也足够大,眼睛既看得清楚,又不感到疲劳。如果物体很小,所张的视角也就很小,为了看清楚,就要将物体移近,可以看清楚了,但由于此时物体位置比明视距离近,观察时眼睛需要调节,时间长了,眼睛就会疲劳。在利用放大镜来观察时,适当地改变放大镜的位置,使物体的虚象刚好落在明视距离处,这样一来,不但视角增大了,而且观察时眼睛还不需要调节,既清楚又舒适,这就是放大镜增大视角的作用。
视角增大的倍数,在光学上称为仪器的角放大率(或称为仪器的放大率)。
对于放大镜来说,由于被观察的物体总是很小的,因而原来的视角和放大后的视角都是比较小的。
这就是放大镜或显微镜目镜的视角放大率。因为明视距离为250毫米。
放大镜焦距为10~100毫米,所以放大镜的放大率约为2.5~25倍。如果要进一步增大放大率,则设计制造的凸透镜就要取更短一些的焦距,因而凸透镜的球面曲率就要做得更大,然而,用这样的放大镜来观察物体,当某一部分看得清楚时,而旁边的部分却很模糊,也就是说,可以清晰地观察的范围缩小了。而且,焦距更短,或者说球面曲率更大的透镜,更加不易磨制得精确。由于这些缘故,一般放大镜的焦距只能是10~100毫米,因此,最大放大倍数仅能达到25倍。
放大镜的放大率太小了,要观察微小的物体,就需要有放大倍数更高的光学仪器。而显微镜的放大率,则比放大镜高多了。
显微镜有两组不同焦距的透镜组,上面对着观察者眼睛的一组透镜叫做目镜,下面对着被观察的物体或样品的一组透镜叫做物镜。目镜的焦距较长,物镜的焦距较短。目镜与物镜之间的距离,称为显微镜的筒长。样品放在载物台上,下方有一面反光镜,外来光线经反光镜反射后,通过载物台中间的玻璃载片照亮样品,因而能够观察得更清楚一些。
显微镜的光路系统,它的成象原理是这样的:样品放在物镜下方,离物镜很近,但由于物镜的焦距很短,因而还是处于焦距之外。样品通过物镜而形成一个放大的实象。这个实象对于目镜来说,仍然可以看成为一个物体,而落在目镜焦距以内。这个物体通过目镜又形成一个放大的虚象。这样,物体先后经过物镜和目镜的两次放大成象——一次实象放大,一次虚象放大,最后,虚象就成在明视距离处。最后形成的象与物体相比较,是上下颠倒、左右对调的。
显微镜将物体两次放大,因而它的放大率比放大镜的放大率要大得多。一个物体,不用显微镜观察,而是放在明视距离处直接观察。
物体经过显微镜两次放大,虚象也形成在明视距离处。
明视距离是不变的数值,即d=250毫米,对于某个确定的显微镜来说,镜筒长也是不变的数值,一般l=180毫米,这样显微镜的放大率就是由物镜焦距和目镜焦距决定的了。显微镜的目镜和物镜都是可以根据实际需要而进行更换的。
目镜即相当于放大镜的放大率。也就是说,显微镜的放大率等于物镜的放大率和目镜的放大率之乘积。比如说,目镜上刻有“16×”字样,物镜上刻有“25×”字样,则显微镜放大率m=16×25=400(倍)。一般的光学显微镜的放大率,最高可达到3000倍。
显微镜的种类繁多,如生物显微镜、金相显微镜、双物镜比较显微镜、外科手术显微镜、大型工具显微镜、万能工具显微镜、体视显微镜、双目显微镜、掩模显微镜等等,现在显微镜已经发展成为光学仪器中的一个“大家族”。