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显微镜是重要的光学仪器，主要由目镜、物镜、载物台、光源等部分组成。目镜位于顶部，是靠近眼部观察的透镜组。物镜位于中部，是靠近被观察物体的透镜组。载物台用于放置观察的样本，光源提供必要的照明。这些部件协同工作，实现对微小物体的放大观察。
凸透镜成像遵循一定的规律。当物体位于二倍焦距外时，成倒立缩小的实像；当物体位于一倍焦距和二倍焦距之间时，成倒立放大的实像；当物体位于焦点内时，成正立放大的虚像。光线通过透镜的路径可以用光线追踪来分析，平行于主轴的光线经透镜后通过焦点，通过焦点的光线经透镜后平行于主轴。
物镜是显微镜的关键部件，负责第一次放大。被观察的微小标本放置在物镜焦点外且非常接近焦点的位置。根据凸透镜成像规律，此时物距略大于焦距，会形成倒立放大的实像。由于物体很接近焦点，像距会远大于物距，从而实现显著的放大效果。这个放大的实像将作为目镜的物体，进行第二次放大。
目镜承接物镜形成的实像，进行第二次放大。物镜的实像位于目镜焦点内，此时目镜相当于一个放大镜。根据凸透镜成像规律，当物体位于焦点内时，会形成正立放大的虚像。人眼通过目镜观察到的就是这个放大的虚像。目镜的作用是将物镜已经放大的实像进一步放大，使人眼能够清晰观察到微小物体的细节。
显微镜通过两次放大实现对微小物体的观察。首先，标本经过物镜形成放大的倒立实像，这是第一次放大。然后，这个实像作为目镜的物体，经过目镜形成更大的正立虚像，这是第二次放大。人眼最终观察到的是经过两次放大的虚像。显微镜的总放大倍数等于物镜放大倍数乘以目镜放大倍数，通过这种协同作用，我们能够观察到肉眼无法看见的微观世界。