光学显微镜在过去半个多世纪以来一直是生命科学和材料科学的标准工具。为了经济有效地使用此工具，它对了解光学的基础知识尤其有帮助，尤其是对于每个显微镜的组成部分而言。
镜片和镜子
诸如显微镜，望远镜和双筒望远镜的光学仪器使用光学元件来产生物体的图像。用于成像物体的两个最常见的元素是凸透镜和凹透镜。
图1-2 凸透镜（左），凹透镜（右）
镜头在光学显微镜中更为常见。因此，在接下来的基本显微镜功能探索中，我们将专注于镜头。凹透镜用于反射望远镜的成像。凹透镜通常也用于照明，例如汽车应用中的前灯。
通过镜头成像
在探讨这种镜片的工作原理之前，必须弄清镜片的关键术语和定义。曾经（误用）放大镜作为燃烧玻璃的每个人都发现，当镜头对准太阳时会产生“热点”。这就是联络点。从镜头中心到该焦点的距离称为焦距。
当用不同类型的凸透镜再现该实验时，人们会发现焦距主要取决于透镜的曲率。实际上，较小的曲率半径导致较短的焦距。将会发现另一个事实：大直径的镜片比小直径的镜片更“有效”。基于这个结论，我们已经定义了镜头的两个最重要的基准数据：焦距和光圈（直径）。
为了简化透镜直径的处理，通常相对于焦距来表示。在显微镜领域，该参数称为光圈（也称为数值光圈NA）。数值孔径定义为NA = n sinα，其中n是填充物体和透镜之间空间的介质的折射率，α是可以进入透镜的最大光锥的半角（图3）。摄影师通过物镜的f值定义物镜的光圈。这被定义为焦距与透镜直径的比率（N = f/D）（图4）。与NA值相反，较小的f值表示较大的孔径。
图3 显微镜镜头光圈的定义
图4 摄影镜头光圈的定义
再说一次：是什么使物体的图像有时比物体小，有时比物体大？答案是：在给定的焦距下，相对距离决定了尺寸！
在讨论图像生成时，有一个重要的细节需要考虑：每个镜头都严格地关联了两个“关键点”：焦点（镜头前一个和镜头后一个）。
以下示例描述了镜头形成的图像的典型情况
1、物体与镜头有无限距离
在这种情况下，假定从物体到透镜的平行光线。它们在镜头中重新定向，以在后焦点平面内相遇并在焦点平面内生成图像。
图5 无限距离处的物体
2、物体位于相对较大的距离处（例如，焦距的100倍）
这种情况下产生的图像小于对象（约为原始对象大小的100 倍）。
图6 远距离物体
3、物体位于镜头前焦距的两倍处
该位置创建的对象图像大小与对象本身相同（复制比例为1：1）。图像位于距镜头后侧焦距两倍的位置。顺便说一下，这是您从物体到图像的最短总距离。
图7 位于焦平面两倍处的物体
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，将生成大于对象的图像。
图8 单焦平面和双焦平面之间的物体
5、物体位于镜头的焦点上
在这种情况下，将生成一个虚拟图像，而不是真实的图像。光线将以平行方式离开镜头。除非我们使用符合情况1的条件的其他光学系统（例如，眼睛），否则无法找到图像。
图9 焦平面中的物体
为了简化对基本光学原理的理解，简化了以上描述和图示。实际上，几乎所有成像元件都包含一个以上的镜头。上面的附图将光学元件展示为理想的“薄透镜”。在探索了单步成像的这些标准情况之后，我们现在将这些发现应用于两步光学仪器：复式显微镜。
复式显微镜
进行两次大迁移。光学显微镜分两步放大对象。在这两个步骤中，都使用了像凸透镜一样起作用的光学系统。在上述两种情况下使用了两个组件：
第一步是将对象放置在单焦点和双焦点之间。结果是放大的真实图像。这种显微镜镜头（实际上是由多个镜头组成的光学系统）称为物镜。
然后，使用第二个镜头精确地在其前焦点上拾取该图像。结果，我们生成一束平行光线，但不是真实图像。该光学元件称为目镜。人眼能够处理此平行光束并在其视网膜上生成图像。
最后，这是显微镜可以期望的：可以放大的物体观察到的细节，而肉眼无法察觉。
实用提示：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与显微镜的出瞳位于同一位置。当增加显微镜照明的光强度时，可以容易地看到该出瞳。它是目镜上方可见的明亮窄点。
当使用双目镜筒两只眼睛观看时，正确的定位变得尤为重要。必须正确调整两个目镜之间的距离，以匹配眼睛的距离。
图10 复式显微镜，示意图
我们如何拍摄显微镜图像？
由于光学显微镜的常规输出是平行光线，因此必须首先生成真实图像。幸运的是，标准的紧凑型数码相机像我们的眼睛一样包括一个镜头（称为物镜）。该镜头可以应付很远距离的物体。摄影师称此距离为“无限”。换句话说：来自这些物体的光线以平行的方式到达我们。
将紧凑型相机放在显微镜目镜后面时，我们可以通过显微镜拍照。为了避免沮丧：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显微镜。几个尺寸（直径，距离）限制了实际使用。因此，为光学显微镜的特殊条件设计的专用数码相机可用于不同的应用。
