照明系统是非成像光学系统的典型例子 ,也是光学仪器的一个重要组成部分。一般来说，凡是研究对象为不发光物体的光学系统都要配备照明装置 ,如显微镜、投影系统、机器视觉系统、工业照明系统等。
显微镜大多是在高倍率下工作的，故需要照明，以提供足够的亮度保证像面的照度，同时还要保证像面照度的均匀性。
照明系统通常包括光源，聚光镜及其他辅助透镜、反射镜。其中，光源的亮度、发光面积、均匀程度决定了聚光照明系统可以采用的形式。照明系统可采用的光源有卤钨灯、金属卤化物灯、高压汞灯、发光二 极管 (LED)、 氙灯、电弧灯等。有些光源在其发光面内具有足够的亮度和均匀性 ,可以用于直接照明 ,但大多数情况下，光源后面需要加入由聚光镜等构成的照明光学系统来实现一定要求的光照分布，同时使光能量损失最小，这两方面是对不同照明系统进行设计时需要解决的共同问题。
照明光学系统注重的是能量的分配而不是信息的传递，所关心的问题并不是像平面上的成像质量如何，而是被照明面上的照度分布和大小。
1.照明方法
1.1透明物体的照明
对于透明标本可以用透射光照明。透射照明的方式有两种：
(1)临界照明
这种照明要求聚光镜所成的光源像与被观察物体的物平面重合，如图1所示，
相当于物面上放置一个光源，灯丝的形状同时出现在像面上，而造成不理想的观察效果。
图1：临界照明示意图
在透射照明中，为使物镜的孔径角得以充分利用，聚光镜应有与物镜相同或稍大的数值孔径。
临界照明聚光镜的孔径光阑常设在聚光镜的物方焦平面上，如果显微镜用的是远心物镜，聚光镜的出射光瞳与物镜的入射光瞳重合。聚光镜的光阑做成可变光阑，可任意改变射入聚光镜的孔径角，使之与物镜的数值孔径匹配。
由于临界照明聚光镜的出射光瞳和像方视场分别与物镜的入射光瞳和物方视场重合，所以形成「瞳对瞳，视场对视场」的光管。
临界照明的缺点 在于当光源亮度不均匀或者呈现明显的灯丝结构时 ,将 会反映在物面上，使物面照度不均匀，从而影响观察效果。为了达到比较均匀的照明，这种照明方式对发光体本身的均匀性要求较高，同时要求被照明物体表面和光源像之间有足够的离焦量。后续物镜的孔径角应该取大一些，如果物镜的孔径角过小，焦深会很大，容易反映出发光体本身的不均匀性。
（2）柯勒照明
柯勒照明光学系统如图2所示。光源经聚光镜前组成像在照明系统的视场光阑上；聚光镜前组经过聚光镜后组成像于标本处，同时也把照明系统视场光阑成像在无限远处，使之与远心物镜的入射光瞳重合。
图2：柯勒照明示意图
柯勒照明中的前组聚光镜称为柯勒镜，它得到了光源的均匀照明，经过聚光镜后组成像在标本上。故标本上得到均匀的照明，这是柯勒照明的重要特点。
聚光镜中的孔径光阑紧贴聚光镜前组，通过聚光镜后组所成的像，即聚光镜的出射光瞳也与显微镜的物平面（标本）贴近，故光阑起到了限制显微镜视场的作用。
柯勒照明聚光系统的出射光瞳和像方视场分别与显微镜的物方视场和入射光瞳重合，从而形成「视场对瞳、瞳对视场」的光管。
1.2不透明物体的照明
对于不透明物体，采用从侧面或者从上方照明的方法。此时，标本是靠散射光或反射光成像的。 侧面照明 是把光源放在标本的斜上方，有的显微镜用物镜四周的小灯泡形成斜照明，上方照明方式 使物镜兼作聚光镜 ，如图3所示。光源1发出的光经光阑2投射到半反半透镜3上，其中反射光线由物镜4射向物面5，然后由物面5漫反射回来的光线再经过物镜4成像在像面6上。
图3：物镜兼做聚光镜的照明方式
2.暗视场照明方法
暗视场照明适用于离散分布的颗粒标本的观测。在某种程度上，暗视场照明可以提高显微镜的分辨率。
暗视场照明的原理是不让透过标本的光直接进入物镜，只让由颗粒散射的光线进入物镜。这样，使物镜形成的像面是一个暗背景上分布着亮颗粒的景象。由于衬度（对比）好，有利于颗粒的分辨。
暗视场照明分为单向暗视场照明和双向暗视场照明。
2.1单向暗视场照明
图4为单向暗视场照明的示意图。照明器2发出的光线经不透明的标本1反射后，只有散射光线进入物镜成像。这种照明方式对观察微粒的存在和运动是有效的，但对物体细节的再现存在着「失真」现象。
图4：单向暗视场照明的示意图
2.2双向暗视场照明
双向暗视场照明光学结构如图5所示。在聚光镜最后一片和载物玻璃片之间浸以油液。在三透镜聚光镜的前面，安置一个环形光阑，环形光阑所在位置的直径需按下述成像关系设计：当盖玻璃片与物镜之间没有浸液时，由环形光阑的光孔射出来的光束在进入盖玻璃之前先把盖玻璃下的标本照亮，随后进入盖玻璃，并从盖玻璃片内发生全反射。进入物镜的只是由标本上的颗粒所散射的光线，形成暗视场照明。这种照明属于对称照明，在一定程度上消除了单向暗视场照明存在的失真。
图5：双向暗视场照明的示意图
3.聚光镜
在照明系统中，聚光镜的作用是最大限度地把光线聚集起来，投射到显微镜的成像系统中。
图6：聚光镜聚光原理示意图
在图6中，用光源1照明物体3时，如不加聚光镜2，照射标本的光线只限于角度2Us以内。加入聚光镜2以后，该角增大为2UB。此时，进入光学系统的光能以该角所增比例的平方关系剧增。
基于聚光镜的功能，对聚光镜像质的要求也仅限于球差和色差，以和显微镜物镜的像差相适应。
3.1色差
一般在设计时，只在可能条件下取得最小值即可，故聚光镜的选料很重要。聚光镜的材料宜选用低色散的光学玻璃（如K9玻璃)。由于位置色差在视场中叠加的结果是在其边缘出现彩色现象，只要使照明的区域大于标本的尺寸就能避免色差的影响。但是，对柯勒照明来说，要求聚光镜把它的光阑成像在物面上，避免色差影响以消色差聚光镜的方案替代了。消色差聚光镜的结构类似于高倍显微镜物镜，只是焦距比较长，以使光束能够通过较厚的载物玻璃（约2mm)照亮标本。
3.2球差
球差存在将影响聚光镜对光线的聚集能力，降低照明的效果。球差的校正公差通常以点源最小弥散斑相对光源的比值K表示：
式中，z`min为聚光系统对点源产生的最小弥散斑直径；β是聚光系统的放大率；D为光源的大小。
放映仪器的照明系统，要求K=3%~10%；一般显微镜，要求K=20%~30%。
由于聚光镜的结构中以有聚光能力的凸透镜为主，减小球差的关键在于每一个镜片负担的焦距是否合理，该值以镜片像方对物方孔径角的差值Δu=u'-u表示。经验证明，为使聚光系统的球差不致过大，聚光镜所用的镜片数和它们所能承担的偏角Δu之间的关系如图7所示。
图7：聚光镜所用的镜片数和它们所能承担的偏角Δu之间的关系
3.2聚光镜常用的结构形式
(1)二片式如图8(a)所示，可承担的数值孔径为0.8，浸液时其值为1.2。
(2)三片式如图8(b)所示，可承担的数值孔径为0.9，浸液时其值可达1.4。
(3)五片式如图8(c)所示，系统中有两个胶合组和一个半球透镜，所以可以满足消球差、色差和正弦差校正的要求，可承担的数值孔径为0.9。
(4)六片式如图8(d)所示，用于高倍显微镜，浸液时数值孔径可达1.4。
图8(c)和图8(d)表示了两种消色差聚光镜的结构，它们与阿米西物镜和阿贝物镜的结构形式相同，不同的是焦距较长，消色差不如显微镜那样严格。
图8：消色差聚光镜的光学结构
