照明系統是非成像光學系統的典型例子 ,也是光學儀器的一個重要組成部份。一般來說，凡是研究物件為不發光物體的光學系統都要配備照明裝置 ,如顯微鏡、投影系統、機器視覺系統、工業照明系統等。
顯微鏡大多是在高倍率下工作的，故需要照明，以提供足夠的亮度保證像面的照度，同時還要保證像面照度的均勻性。
照明系統通常包括光源，聚光鏡及其他輔助透鏡、反射鏡。其中，光源的亮度、發光面積、均勻程度決定了聚光照明系統可以采用的形式。照明系統可采用的光源有鹵鎢燈、金屬鹵化物燈、高壓汞燈、發光二 極管 (LED)、 氙燈、電弧燈等。有些光源在其發光面內具有足夠的亮度和均勻性 ,可以用於直接照明 ,但大多數情況下，光源後面需要加入由聚光鏡等構成的照明光學系統來實作一定要求的光照分布，同時使光能量損失最小，這兩方面是對不同照明系統進行設計時需要解決的共同問題。
照明光學系統註重的是能量的分配而不是資訊的傳遞，所關心的問題並不是像平面上的成像質素如何，而是被照明面上的照度分布和大小。
1.照明方法
1.1透明物體的照明
對於透明標本可以用透射光照明。透射照明的方式有兩種：
(1)臨界照明
這種照明要求聚光鏡所成的光源像與被觀察物體的物平面重合，如圖1所示，
相當於物面上放置一個光源，燈絲的形狀同時出現在像面上，而造成不理想的觀察效果。
圖1：臨界照明示意圖
在透射照明中，為使物鏡的孔徑角得以充分利用，聚光鏡應有與物鏡相同或稍大的數值孔徑。
臨界照明聚光鏡的孔徑光闌常設在聚光鏡的物方焦平面上，如果顯微鏡用的是遠心物鏡，聚光鏡的出射光瞳與物鏡的入射光瞳重合。聚光鏡的光闌做成可變光闌，可任意改變射入聚光鏡的孔徑角，使之與物鏡的數值孔徑匹配。
由於臨界照明聚光鏡的出射光瞳和像方視場分別與物鏡的入射光瞳和物方視場重合，所以形成「瞳對瞳，視場對視場」的光管。
臨界照明的缺點 在於當光源亮度不均勻或者呈現明顯的燈絲結構時 ,將 會反映在物面上，使物面照度不均勻，從而影響觀察效果。為了達到比較均勻的照明，這種照明方式對發光體本身的均勻性要求較高，同時要求被照明物體表面和光源像之間有足夠的離焦量。後續物鏡的孔徑角應該取大一些，如果物鏡的孔徑角過小，焦深會很大，容易反映出發光體本身的不均勻性。
（2）柯勒照明
柯勒照明光學系統如圖2所示。光源經聚光鏡前組成像在照明系統的視場光闌上；聚光鏡前組經過聚光鏡後組成像於標本處，同時也把照明系統視場光闌成像在無限遠處，使之與遠心物鏡的入射光瞳重合。
圖2：柯勒照明示意圖
柯勒照明中的前組聚光鏡稱為柯勒鏡，它得到了光源的均勻照明，經過聚光鏡後組成像在標本上。故標本上得到均勻的照明，這是柯勒照明的重要特點。
聚光鏡中的孔徑光闌緊貼聚光鏡前組，透過聚光鏡後組所成的像，即聚光鏡的出射光瞳也與顯微鏡的物平面（標本）貼近，故光闌起到了限制顯微鏡視場的作用。
柯勒照明聚光系統的出射光瞳和像方視場分別與顯微鏡的物方視場和入射光瞳重合，從而形成「視場對瞳、瞳對視場」的光管。
1.2不透明物體的照明
對於不透明物體，采用從側面或者從上方照明的方法。此時，標本是靠散射光或反射光成像的。 側面照明 是把光源放在標本的斜上方，有的顯微鏡用物鏡四周的小燈泡形成斜照明，上方照明方式 使物鏡兼作聚光鏡 ，如圖3所示。光源1發出的光經光闌2投射到半反半透鏡3上，其中反射光線由物鏡4射向物面5，然後由物面5漫反射回來的光線再經過物鏡4成像在像面6上。
圖3：物鏡兼做聚光鏡的照明方式
2.暗視場照明方法
暗視場照明適用於離散分布的顆粒標本的觀測。在某種程度上，暗視場照明可以提高顯微鏡的分辨率。
暗視場照明的原理是不讓透過標本的光直接進入物鏡，只讓由顆粒散射的光線進入物鏡。這樣，使物鏡形成的像面是一個暗背景上分布著亮顆粒的景象。由於襯度（對比）好，有利於顆粒的分辨。
暗視場照明分為單向暗視場照明和雙向暗視場照明。
2.1單向暗視場照明
圖4為單向暗視場照明的示意圖。照明器2發出的光線經不透明的標本1反射後，只有散射光線進入物鏡成像。這種照明方式對觀察微粒的存在和運動是有效的，但對物體細節的再現存在著「失真」現象。
圖4：單向暗視場照明的示意圖
2.2雙向暗視場照明
雙向暗視場照明光學結構如圖5所示。在聚光鏡最後一片和載物玻璃片之間浸以油液。在三透鏡聚光鏡的前面，安置一個環形光闌，環形光闌所在位置的直徑需按下述成像關系設計：當蓋玻璃片與物鏡之間沒有浸液時，由環形光闌的光孔射出來的光束在進入蓋玻璃之前先把蓋玻璃下的標本照亮，隨後進入蓋玻璃，並從蓋玻璃片內發生全反射。進入物鏡的只是由標本上的顆粒所散射的光線，形成暗視場照明。這種照明屬於對稱照明，在一定程度上消除了單向暗視場照明存在的失真。
圖5：雙向暗視場照明的示意圖
3.聚光鏡
在照明系統中，聚光鏡的作用是最大限度地把光線聚集起來，投射到顯微鏡的成像系統中。
圖6：聚光鏡聚光原理示意圖
在圖6中，用光源1照明物體3時，如不加聚光鏡2，照射標本的光線只限於角度2Us以內。加入聚光鏡2以後，該角增大為2UB。此時，進入光學系統的光能以該角所增比例的平方關系劇增。
基於聚光鏡的功能，對聚光映像質的要求也僅限於球差和色差，以和顯微鏡物鏡的像差相適應。
3.1色差
一般在設計時，只在可能條件下取得最小值即可，故聚光鏡的選料很重要。聚光鏡的材料宜選用低色散的光學玻璃（如K9玻璃)。由於位置色差在視場中疊加的結果是在其邊緣出現彩色現象，只要使照明的區域大於標本的尺寸就能避免色差的影響。但是，對柯勒照明來說，要求聚光鏡把它的光闌成像在物面上，避免色差影響以消色差聚光鏡的方案替代了。消色差聚光鏡的結構類似於高倍顯微鏡物鏡，只是焦距比較長，以使光束能夠透過較厚的載物玻璃（約2mm)照亮標本。
3.2球差
球差存在將影響聚光鏡對光線的聚集能力，降低照明的效果。球差的校正公差通常以點源最小彌散斑相對光源的比值K表示：
式中，z`min為聚光系統對點源產生的最小彌散斑直徑；β是聚光系統的放大率；D為光源的大小。
放映儀器的照明系統，要求K=3%~10%；一般顯微鏡，要求K=20%~30%。
由於聚光鏡的結構中以有聚光能力的凸透鏡為主，減小球差的關鍵在於每一個鏡片負擔的焦距是否合理，該值以鏡片像方對物方孔徑角的差值Δu=u'-u表示。經驗證明，為使聚光系統的球差不致過大，聚光鏡所用的鏡片數和它們所能承擔的偏角Δu之間的關系如圖7所示。
圖7：聚光鏡所用的鏡片數和它們所能承擔的偏角Δu之間的關系
3.2聚光鏡常用的結構形式
(1)二片式如圖8(a)所示，可承擔的數值孔徑為0.8，浸液時其值為1.2。
(2)三片式如圖8(b)所示，可承擔的數值孔徑為0.9，浸液時其值可達1.4。
(3)五片式如圖8(c)所示，系統中有兩個膠合組和一個半球透鏡，所以可以滿足消球差、色差和正弦差校正的要求，可承擔的數值孔徑為0.9。
(4)六片式如圖8(d)所示，用於高倍顯微鏡，浸液時數值孔徑可達1.4。
圖8(c)和圖8(d)表示了兩種消色差聚光鏡的結構，它們與阿米西物鏡和阿貝物鏡的結構形式相同，不同的是焦距較長，消色差不如顯微鏡那樣嚴格。
圖8：消色差聚光鏡的光學結構
