显微镜的发展及在长度计量中的应用

    自16世纪末第一台显微镜发明以来， 显微技术一直是人们探寻和研究微观世界的有力助手， 特别是计算机和激光器的问世更为古老的显微技术注入了新的生命力。几个世纪中，显微镜从过去传统的光学显微镜逐渐向深度和广度发展， 形成了以不同照明光源和成像原理为区别的一个庞大的显微镜家族，如光学显微镜、干涉显微镜、电子显微镜和扫描探针显微镜等。而其中每一类显微镜又自成体系， 向纵深衍生出更多类型的显微镜而应用于各个科学技术领域。

    一、显微镜的发展

    从显微镜诞生至20世纪20年代的500年间，人类为提 高显微镜分辨率的努力一直局限在优化显微镜分辨极限的表达式中所涉及的光学参数， 科学家们竭尽所能寻找波长更短的照明光源和提高物镜的数值孔径， 以期提高显微镜的放大倍数及其分辨率。 基于这一思想， 长期以来，发展出更多类型、更多用途的显微镜。 但根据式（1）计算， 显微镜的分辨极限最好也只能达到波长λ的1/2，因此，工作在可见光波段的光学显微镜很难突破0.2mm的分辨极限。

    显微镜家族成员众多，分类方法也多种多样。 按照成像原理划分，可分为光学显微镜、干涉显微镜、共焦显微镜以及扫描探针显微镜； 按照信息载体波长的由大到小划分， 可将显微镜分为传统光学显微镜和非可见光源照明显微镜； 按照工作方式划分可分为近场显微镜和远场光学显微镜等，如图1所示。

    但无论是成像原理上还是照明光源上的区别， 各种类型显微镜的共同点均是基于轴向放大功能的仪器，根据放大原理和方式的不同得到不同类型的显微镜， 其放大能力也有所不同，表1列出了现有应用较为广泛的显微镜的分辨率数值。

    1.传统光学显微镜

    传统的光学显微镜是以光波作为信息载体实现对样品的观察的， 因而光学显微镜最突出的优点是对被观察物体不构成损伤，且对样品限制少，即对样品的状态、属性、材料、温度、透明与否等都无限制，对测量环境也无特殊要求，这使得它的应用范围非常广泛。 因此，在非光学显微镜的分辨率已经达到原子级（0.1nm）水平的今天，提高光学显微镜的分辨率仍具有重大意义。

    光学显微镜按照其功能大致可分为观察用显微镜和测量用显微镜两大类。 观察用显微镜主要包括生物显微镜、金相显微镜等，主要应用于医疗、教学、机械制造、电子等领域。 测量用显微镜则包括读数显微镜、 测量显微镜、工具显微镜、光切显微镜、干涉显微镜等，在工业生产、产品检验、计量测试、科学研究、航天航空等领域，其作为主要的测量工具发挥着重要的作用。