01
光，弯折两次
你看到的是一台光学显微镜，就是学校实验室里常见的那种。它叫复式显微镜，因为它分两级放大。物镜是紧挨在载玻片上方的小透镜，它在镜筒里形成一个放大的像。目镜是你凑上去看的那块透镜，它把这个像再放大一次。这个想法由来已久：1665年，罗伯特·胡克用一台早期的复式显微镜观察软木，把他看到的那些小空格叫作“细胞”。
光从仪器的正中间一路向上。底座里的灯把光射进聚光镜，这是载物台下方的一块透镜，负责把光对准玻璃载玻片上的标本。光从那里进入物镜，沿镜筒上行，再穿过目镜。它路上的最后一块透镜就在你自己的眼睛里，它把光聚焦到眼球后部的视网膜上。每块透镜都让光弯折一下，合在一起，就把一个肉眼根本看不清的小点，变成一幅占满视野的画面。
模型把显微镜剖开，让你看到里面的玻璃，并把光画成一条条光线。光线从标本上的两个点出发，一个在中间，一个在边缘，一直走到眼睛。真实的光走完这段路快得根本跟不上，所以循环动画让一个光脉冲沿着这条路慢慢地走。进度条上的数字，是从灯开始沿光路走过的毫米数。
拖动模型可以四处查看，在模型上滚动可以缩放。继续往下读，视角会跟着文字变化。打开标注，就能看到每个部件的名称。
02
透镜对光做了什么
光在玻璃里的速度，只有在空气中的三分之二左右。一束光斜着射到玻璃上时，这一减速会让它拐个弯，以更陡的角度钻进玻璃。离开玻璃时，它又朝另一边拐回来。这种弯折叫作折射。一种材料让光减速多少，用它的折射率来表示。普通玻璃的折射率约为1.52。
透镜就是一块表面弯曲的玻璃。会聚透镜中间厚、边缘薄，所以它把每条光线都往中间折。平行射来的光线全都会聚到一点，这一点叫焦点。从透镜到焦点的距离叫焦距，焦距短，就说明这块透镜折光很厉害。单单一块强透镜就已经能做很多事：安东尼·范·列文虎克的微型单透镜显微镜，能放大到大约270倍。
现在，把一个小物体放在比焦距稍远一点的地方。从物体每一点发出的光线散开，穿过透镜，又在另一侧重新会聚到一点。所有这些点合起来就是一个实像：光线真的在那里相遇，如果在那个位置放一张纸，纸上就会出现这幅像。这个像是倒立的，因为从物体顶端发出的光线会穿过透镜的中心线，落到下方。物体离焦点越近，像就成在越远的地方，也越大。
载物台下方的聚光镜任务不同，它什么也不放大。它收集灯发出的光，把光汇聚成一个锥形光束，均匀地照亮标本。它的虹彩光阑是一个可以开大或收小的开口，决定这个光锥有多宽。再往下，视场光阑把光限制在你能看到的那一块区域，从而减少杂散光。模型简化了照明：聚光镜直接把灯聚焦到标本上。1893年，蔡司公司的奥古斯特·柯勒想出了一种更好的布置，能让光线均匀，视野里也看不到灯丝的像。
03
物镜形成实像
物镜就是紧挨在载玻片上方、装着透镜的小圆筒。它的焦距很短，而标本恰好位于焦点稍外一点的地方。所以，就像上一章讲的那样，像会成在另一侧很远的地方，而且大得多。在经典的显微镜上，镜筒长160毫米，像就成在镜筒顶端下方10毫米处，正好是目镜所在的位置。许多较新的显微镜会用镜筒里的第二块透镜来成像，但像的位置不变。
这个中间像是实像。光线真的在那里交叉，所以它就悬在镜筒里的空气中。它上下颠倒，左右也反了，放大倍数就是物镜上标的数字：40倍物镜会让它比标本宽40倍。目镜看的是这个像，而不是标本本身。试试这四个物镜。
每个物镜上都标着两个数字：放大倍数和数值孔径，分别是4×/0.10、10×/0.25、40×/0.65和100×/1.25。物镜倍数越高，就得离载玻片越近。这段间隙叫工作距离，它从4倍时的约25毫米，缩小到40倍时的约0.6毫米，到100倍时只有0.13毫米。你能看到的那一块标本也跟着变小。普通目镜的视场数是20毫米，也就是目镜里那个圆孔的宽度。用它除以物镜的倍数，就是你看到的范围：4倍时5毫米，10倍时2毫米，40倍时0.5毫米，100倍时0.2毫米。
转动物镜转换器，下一个物镜就会转到位。这些物镜是齐焦的：每一个都设计成在它的安装肩部下方45毫米处对标本清晰成像。所以换物镜时，画面几乎还是清楚的，只需轻轻转一下细准焦螺旋。100倍物镜是个例外。它需要在前端透镜和载玻片之间滴一滴油，原因会在倒数第二章讲到。
04
目镜和眼睛
目镜是用来看中间像的放大镜。它的位置刚好让中间像落在它的焦点上。这样，从像上每一点发出的光线离开目镜时彼此平行，好像来自非常远的地方。于是你的眼睛可以放松，就像眺望远处的山丘一样。
你看到的是一个虚像。那里并没有光会聚。它只是把光线往回延长时，光线看起来发出的地方：远处一幅巨大的画面。模型用虚线画出这些往回延长的线。目镜的放大倍数等于250毫米除以它的焦距。250毫米是普通眼睛能看清的最近距离，也就是不借助工具时最好的观看距离。所以10倍目镜的焦距是25毫米。试试这几个目镜。
最后一块透镜是你自己的。眼睛里的晶状体接住每一束平行光，把它聚焦到视网膜上的一点，视网膜就是眼球后部感光的那一层。这就是最终的像，而且它又是实像：光线真的在那里相遇。你的眼睛应该放在眼点，也就是目镜上方约10毫米处。专为戴眼镜的人设计的目镜，会把这个距离拉到20到25毫米。
两级放大倍数是相乘的。10倍物镜配10倍目镜是100倍，40倍物镜是400倍，100倍油镜是1000倍。最常用的是10倍目镜，12.5倍和15倍也很常见。但目镜只是把物镜形成的像放大，物镜没有捕捉到的细节，它加不进去。用100倍物镜配15倍目镜，可以达到1500倍，这已经超出了有用的范围，下一章会讲为什么。
05
为什么放得再大也没用
光是一种波，波经过很小的东西时会散开。所以标本上每一个细小的结构都会把一部分光偏向旁边，结构越细，偏折的角度越大。要显示出某个细节，物镜就必须接住这部分偏折的光。如果这些光没有进入透镜，这个细节就永远到不了像里，放大多少倍也找不回来。
物镜能接住多宽的光锥，由它的数值孔径表示，也就是物镜上的第二个数字。1873年，恩斯特·阿贝指出，正是它决定了极限。今天这条规律写作：光的波长除以两倍的数值孔径。在550纳米的绿光下，数值孔径为0.25的10倍物镜，能分辨约1.1微米的细节。试试这个滑块：紫光能显示比红光更细的细节。
空气给数值孔径设了上限：干燥物镜最多只能达到约0.95。100倍物镜靠一滴浸油突破了这个上限。浸油的折射率是1.515，和玻璃几乎一样，所以连最斜的光线也能从薄薄的盖玻片直接进入透镜，不会被折偏。这样，数值孔径就提高到1.25，最好的物镜可达1.40。这时，光学显微镜能显示的最小细节约为0.2到0.3微米。
所以，放大只在一定范围内有用。一条经验法则是：有效放大倍数为数值孔径的500到1000倍，对100倍油镜来说，最高约1250倍。超过这个范围，画面会变大，但不会出现新的细节。这叫作无效放大。这也是为什么大多数病毒太小，用光分辨不出来：它们的大小从约20纳米到几百纳米不等。电子显微镜用的是电子，电子的波长短得多，通常能看清约0.1纳米的细节。
06
调焦与光线
在这样的显微镜上，调焦靠的是移动载物台，而不是移动透镜。粗准焦螺旋能让它快速移动很长一段距离。细准焦螺旋只让它移动一点点：每转一圈0.1到0.3毫米，刻度上每一格约1到2.5微米。你要把标本移到物镜下方恰到好处的距离，也就是让中间像正好落在目镜处的那个距离。
在高倍下，标本上清晰的那一层非常薄。这个景深用10倍物镜时约为8.5微米，用100倍油镜时只有约0.7微米。这一层上方或下方的东西都会变得模糊。试试这个滑块，看画面怎样变清楚又变模糊，然后换个物镜再试一次。
聚光镜里的虹彩光阑也会改变画面。把它收小，光锥就变窄：画面对比度更高，清晰的范围更深，但最细的细节会丢失，因为光不再充满物镜。把它开大，能看到最细的细节，代价是眩光更多、对比度更低。厂家建议让它保持大部分打开。
最后还有一个意外：像会朝反方向移动。物镜形成的像上下颠倒、左右相反，而目镜不会把它转回来。所以，你把载玻片往右推，画面会往左走；把它往远处推，画面反而朝你移过来。这需要一点练习才能习惯。