医用光学仪器----医用显微镜

          对客观世界的认识，服睛是重要的接收工具。人们从外界接收的各种信息，约有80%是通过视觉传人大脑。但是，入类的眼睛仍具有很大的局限性，人眼只能感受光谱中很窄的可见光(波长为390~760nm)范围内的电磁波。如对所观察到的物体的形状、大小和远近． 不能做出精确的定量比较和计量，不能看清很远或太小的物体，对发生在瞬间的现象或事物不能留下长久的记录。 光学显微镜实质上是一种处理渡的工具，即是处理可见光及近可见光波段的波，使之成束地照射在被检物体上，其成像落在人的视网膜、感光片或其他|己录系统（如电视显示或电影）上，突破了人类生理的限制，把视觉伸展到人眼不能分辨的微观世界中去。因此，显微镜 的发明，使人类更深刻地揭示了自然界的奥秘，推动了各学科的发展，反过来F由于科学的发展，叉促进了显微镜技术的改进，使之日趋完善。本节主要讨论手术显微镜和显微电视图像 系统的仪器组成及工作基本原理。

          一、手术显微镜
          手术显微镜( surgical microscope)使医生能看清精细结构，从而进行肉眼所无法做到的 微手术，使治疗范围及手术愈合率大为提高，显微外科使手术成功率自69%提高到93%。 按手术部位，手术显微镜可分为眼科、耳鼻喉科、外科、整形外科、神经外科用等数种，也有一些手术显微镜，其附件较多，属于通用型，可供各科使用。但是无论哪种形式的手术显微镜，墓本匕均由观察系统、照明系统和支架三大部分组成。 手术显微镜的光路由观察系统和照明系统两大部分组成。为了成立体像，必须有两支 独立的光路以一定夹角对物体成像，供双目观察。

          （一）观察系统 观察光路实质上为一双目立体显微镜，它可分成小物镜型和大物镜型两种，图7-10为 小物镜型的一种光路结构形式。物体经物镜、半五角棱镜及普罗Ⅱ型转像棱镜后成了一完 全一致的像于目镜物方焦面上，人眼通过目镜即可看到该物体的放大像。陔系统共有两个， 二者之问有一夹角，以供双目观察。小物镜型观察系统结构简单．设计方便，立体感强，像质好，但改变工作距及倍率较困难，通常用更换目镜来达到变倍的目的。摄影物镜、棱镜和反 射镜组成摄影光路，照相机的底片平面与像面相重合。 某些手术要求由助手配合进行，此时显微镜的观察系统就不止一个，其巾主手术操作者 所用的一个称为主刀显微镜，而助手用的则称为副刀显微镜。

          （二）照明系统
        良好的照明是保证手术顺利进行的一个重要因素，手术显微镜的照明方式有内照明和外照明。若照明光束来自显微镜本体内射出，称为内照明。为了有足够大的物面照度，近年来光 源大都已采用卤索灯泡。灯箱安置在立柱顶上、横臂或其他部位上，通过光导纤维特光束引至 显微镜，再通过大物镜射向手术部位。这种照明方式为同轴内照明。由于光源不在显微镜内 部．可减轻显微镜本体的重量．且易于隔热和散热，但导光束的光能损失较大。外照明常J}j于 某些特殊需要（如眼科裂隙照明）或辅助照明。它的照明系统常安装于显微镜本体上，由于照 明光路与观察光路不同轴，照明光束是倾斜射向手术部位的，所以不适于深孔照明， 快速转换备用光源也是照明系统要考虑的因素之一．它可避免手术时困光源损坏而导敛手术中断引起的医疗事故。

          （三）支架
         常用的手术显微镜分移动式和固定式两大类。前者又分为立柱式和夹持式两种，后者 则分为吊式、墙式及桌式等数种。立柱式手术显微镜的底部为H形、T形、Y形或山形的底座。底座下有小轮，轻推立柱可将整台仪器移动到所需位置，踩下刹车踏脚后，仪器即同定于泼处。横臂固定于立柱的滑套上，而显微镜则通过一系列支臂和横臂相连。滑套可惜电动机带动在立柱上作上下移动；以使显徽镜对手术面调焦，电机的运转可由脚控开关控制。 电动调焦分粗细两挡，以使调焦快速而精确。为维持整机平衡，立柱内部有平衡锤以便与横 臂、支架和显微镜等相平衡。 夹持式手术显暾镜移动方便，可夹持在手术床或手术台上，是轻型手术显微镜，附件少、 结构简单、体积小、灵活性大，便于随身携带供出诊用。吊式及墙式显微镜可在大型医院巾安盈在天花板上或墙上，使手术空间更为开阔。 手术显微镜的升降、调焦、横臂和x-y移动结的运动均可通过脚控开关进行，踏动脚控开关的不同按钮即可控制不同的运动。 为观摩和教学的需要，手术显微镜常带有一个或数个示教镜，也可配簧电影摄影机。某些手术显微镜还配置手术椅，供手术操作者使用，左右手臂支撑板使手术者的双手保持稳 定，减轻长时间手术的疲劳。

          二、显微电视图像系统 
          为了满足一机多州的要求，显微镜还设有为各种特殊用途而附加的装髓，如摄影、投影、 示教、偏光、相村、荧光光源等。带有摄影装置的显微镜叫做摄影显微镜。电视显微镜和电荷耦合器显微镜是以电视摄像靶或电荷耦合器作为接收元件的显微镜。在显微镜的实像面 处装入电视摄像靶或电荷耦合器取代人眼作为接收器，通过这些光电器件把光学图像转换 成电信号的图像，然后对之进行尺寸检测、颗粒计数等工作。这类显微镜可以与计算机联 用，这便于实现检测和信息处理的自动化，多应用于需要进行大量烦琐检测工作的场合，从而构成显微电视图像系统(micro video image system)。

          （一）显微镜结构
          显微镜在结构上分为光学系统和机械装置两部分。光学系统包括物镜、目镜、聚光镜和 反光镜等。机械装置包括底座、镜臂、目镜简、物镜转换器、载物台、粗调手轮、微调手轮等。 载物台用于盛放被观察的物体。利用调焦旋钮可以驱动调焦结构，使载物台作粗调和微调的升降运动，使被观察物体调焦清晰成像。它的上层可以在水平面内作精密移动和转 动，一般都把被观察的部位调放到视场中心。 聚光照明系统由灯源和聚光镜构成，聚光镜的功能是使更多的光能集中到被观察的部 位。照明灯的光谱特性必须与显微镜的接收器的工作波段相适应。 物镜位于被观察物体附近，是实现级放大的镜头。在物镜转换器上同时装着几个不同放大倍率的物镜，转动转换器就可让不同倍率的物镜进人工作光路，物镜的放大倍率通 常为5~100倍。 物镜是显微镜中对成像质量优劣起决定性作用的光学元件。常用的有能对两种颜色的光线校正色差的消色差物镜，质量更高的还有能对三种色光校正色差的复消色差物镜，能保证物镜的整个像面为平面，以提高视场边缘成像质量的平像场物镜。高倍物镜中多采用浸液物镜，即在物镜的下表面和标本片的上表面之间填充折射率为1.5左右的液体，它能显著地提高显微观察的分辨率。 
          目镜是位于人眼附近实现第二级放大的镜头，镜放大倍率通常为5~20倍。按照所能 看到的视场大小，目镜可分为视场较小的普通目镜，以及视场较大的大视场目镜（或称广角 目镜）两类。 载物台和物镜两者必须能沿物镜光轴方向作相对运动以实现调焦，获得清晰的图像。 用高倍物镜工作时，容许的调焦范围往往小于微米，所以显微镜必须具备极为精密的微动调焦结构。 显微镜放大倍率的极限即有效放大倍率，显微镜的分辨率是指能被显微镜清晰区分的两个物点的小间距。分辨率和放大倍率是两个不同的但又互有联系的概念。 当选j}j的物镜数值}L径不够大，即分辨率不够高时，显微镜不能分清物体的微细结构， 此时即使过度地增大放大倍率，得到的也只能是一个轮廓虽大但细节不清的图像，称为无效放大倍率。反之如果分辨卒已满足要求而放大倍率不足，则显微镜虽已具备分辨的能力，但因图像太小而仍然不能被人眼清晰看见。所以为了充分发挥显微镜的分辨能力，应使数值 孔径与显微镜总放大倍率合理匹配。 聚光照明系统是对显微镜成像性能有较大影响，但又是易于被使用者忽视的环节。它的功能是提供亮度足够且均匀的物面照明。聚光镜发来的光束应能保证充满物镜孔径角， 否则就不能充分利用物镜所能达到的高分辨率。为此目的，在聚光镜中设有类似照相物镜中的，可以调节开孔大小的可变孔径光阑，用来调节照明光束孔径，以与物镜孔径角匹配。 改变照明方式，可以获得亮背景上的暗物点（称亮视场照明）或暗背景上的亮物点（称暗 视场照明）等不同的观察方式，以便在不同情况下更好地发现和观察微细结构。

          （二）摄影系统 从物镜射来的光线经分光棱镜后，分成取景光束I和成像光束Ⅱ。光束I成像于取景 分划板上，跟睛通过目镜取景和调焦，光束Ⅱ经摄影目镜成像于照相底片上。 为取得好的照片，应尽可能采用像质好、有利于摄影的物镜，较佳者为平场复消色差物 镜，一般应为平场消色差物镜，同时一定要匹配适合摄影的补偿目镜，如K、NFK、FK型目镜；将摄影的目标物移到视场中心，调节好光源亮度，曝光量要准确，掌握正确、合理的使用方法。 若将摄影底片位置改用电视摄像机的靶面来替代，便成为电视显微镜。通过将光信号转变成电信号，再经放大、传输处理，撮后在屏幕上显示出来。可满足多人观察。 若将摄影装置改成电影摄影机，便成为电影摄影显微镜。配上逐格器控制拍摄时间间隔，可以把动、植物由细胞变化的过程记录下来，使于对连续变化过程进行仔细观察、分析和研究，也能满足多人观察。

          （三）显微电视图像系统的演进
          新的生物显微电视图像系统均是在布氏(R. M. Bradford)显微镜基础上发展起来的， 具有两个明显的特点：一个是将高倍生物显微镜下已放大2-100倍的光学图像再经光学放 大、电子变焦及数码放大后变成数字电子用像，放大倍枣提高到1000-30 000倍；另一个特点是采用计算机图像采集系统，可进行显微图像的存档、计算、处理、分类、打印与远程传 输等功能。这种生物显微电视图像系统通常由生物显微镜、光电放大器、计算机图像采 集系统、彩色图像显示器、打印机及供电系统组成。图7-11给出了具有计算机网像采集系统的高倍生物显微镜成像系统的结构示意图，表7-1给出了几种典型产品的主要性能指标比较。