1、第第5 5章章 显微物镜设计显微物镜设计 显微镜显微镜:帮助人眼观察近距离细小目标。由帮助人眼观察近距离细小目标。由物镜和目镜组合而成。物镜和目镜组合而成。原理：把观察的物体，放大为一个实像，原理：把观察的物体，放大为一个实像，位在目镜的焦面上，然后通过目镜成像位在目镜的焦面上，然后通过目镜成像在无限远供人眼观察。在无限远供人眼观察。1 1 显微物镜设计的特点显微物镜设计的特点 显微镜的视放大率和衍射分辨率，主显微镜的视放大率和衍射分辨率，主要是由它物镜决定的。要是由它物镜决定的。显微镜上通常都配有若干个不同倍率的物镜和目镜显微镜上通常都配有若干个不同倍率的物镜和目镜供互换使用。为了保证物镜的
2、互换性，要求不同倍供互换使用。为了保证物镜的互换性，要求不同倍率的显微物镜的共轭距离率的显微物镜的共轭距离由物平面至像平面的由物平面至像平面的距离相等。各国生产的通用显微物镜的共轭距离大距离相等。各国生产的通用显微物镜的共轭距离大约为约为190190mmmm左右。我国规定为左右。我国规定为195195mmmm。显微物镜的倍率越高，焦距越短。显微物镜的倍率越高，焦距越短。显微镜分类：显微镜分类：显微镜显微镜有限筒长有限筒长无限筒长无限筒长有限筒长显微物镜：有限筒长显微物镜：物体通过物镜成一个实物体通过物镜成一个实像，位在目镜的焦面上，然后通过目镜成像像，位在目镜的焦面上，然后通过目镜成像在无限远
3、供人眼观察在无限远供人眼观察。无限筒长显微物镜：无限筒长显微物镜：被观察物体通过物镜以被观察物体通过物镜以后，成在无限远，在物镜的后面，另有一固后，成在无限远，在物镜的后面，另有一固定不变的镜筒透镜，再把像成在目镜的焦面定不变的镜筒透镜，再把像成在目镜的焦面上。上。镜筒透镜的焦距，我国规定为镜筒透镜的焦距，我国规定为250250mmmm。物镜的倍率按与镜筒透镜的组合倍率计物镜的倍率按与镜筒透镜的组合倍率计算算 :物f 250同样的倍率，无限筒长的显微镜物镜的工作距离比同样的倍率，无限筒长的显微镜物镜的工作距离比有限筒长的显微镜物镜要长。有限筒长的显微镜物镜要长。例如：假设倍率为例如：假设倍率为
4、1010对于无限筒长的显微镜，可算出物对于无限筒长的显微镜，可算出物镜焦距为：镜焦距为：对于有限筒长的显微镜，有：对于有限筒长的显微镜，有：2510250物f195ll10ll可以解出：可以解出：12.163.17773.17物fll可见，同样的倍率，无限筒长物镜的焦距比有限可见，同样的倍率，无限筒长物镜的焦距比有限筒长物镜的焦距长，这样它的工作距离就长。在某筒长物镜的焦距长，这样它的工作距离就长。在某些需要长工作距离时非常有利。些需要长工作距离时非常有利。显微物镜的光学特性显微物镜的光学特性(1)(1)显微物镜的倍率显微物镜的倍率 显微物镜的倍率是指物镜的垂轴放大率。由于显微显微物镜的倍率是
5、指物镜的垂轴放大率。由于显微物镜是实物成实像，因此为负值，但一般用正值物镜是实物成实像，因此为负值，但一般用正值(的绝对值的绝对值)代表物镜的倍率。在共轭距代表物镜的倍率。在共轭距L L一定的条件一定的条件下，和物镜的焦距存在以下关系下，和物镜的焦距存在以下关系:Lf2)1(公式中公式中取负值取负值)显微物镜的光学特性主要有两个显微物镜的光学特性主要有两个倍率和倍率和数值孔径。数值孔径。对无限筒长的物镜，焦距和倍率之间的关系由下面对无限筒长的物镜，焦距和倍率之间的关系由下面的公式确定的公式确定:物f 250无论是有限筒长，还是无限筒长，无论是有限筒长，还是无限筒长，越大（绝对越大（绝对值），值
6、），ff越短。所以物镜的倍率实际上决定了物越短。所以物镜的倍率实际上决定了物镜的焦距。镜的焦距。以无限筒长物镜为例，以无限筒长物镜为例，2020物镜的焦距物镜的焦距f=12.5mmf=12.5mm。100100的物镜焦距只有的物镜焦距只有2.52.5mmmm。所以显微物镜的焦距所以显微物镜的焦距一般比望远物镜短得多。一般比望远物镜短得多。焦距短是显微物镜的一个显著特点焦距短是显微物镜的一个显著特点（2 2）显微物镜的数值孔径）显微物镜的数值孔径数值孔径数值孔径NA=nsinUNA=nsinU，是显微物镜最主要的光学特性，是显微物镜最主要的光学特性，它决定了物镜的衍射分辨率。它决定了物镜的衍射分
7、辨率。公式中，公式中，代表显微物镜能分辩的最小物点间隔；代表显微物镜能分辩的最小物点间隔；为光的波长，对目视光学仪器来说取平均波长为光的波长，对目视光学仪器来说取平均波长=0.00055=0.00055 mmmm；NANA为物镜的数值孔径。因此要提高显微物镜的衍射分辨率必须为物镜的数值孔径。因此要提高显微物镜的衍射分辨率必须增大数值孔径增大数值孔径NANA。根据显微物镜衍射分辨率的公式根据显微物镜衍射分辨率的公式:NA61.0为了保证人眼观察的主观亮度，出瞳直径最好不小于为了保证人眼观察的主观亮度，出瞳直径最好不小于1 1mmmm，显微镜目镜的标准倍率为显微镜目镜的标准倍率为1010，将，将D
8、=1,=10D=1,=10代入得代入得:显微物镜的倍率显微物镜的倍率、数值孔径数值孔径NANA、显微镜目镜的焦显微镜目镜的焦距距 和系统出瞳直径和系统出瞳直径DD之间满足以下关系：之间满足以下关系：公式中公式中 为目镜的视放大率为目镜的视放大率，目目目250NAfNAD目f目目f 250可见，对于显微物镜来说，倍率越高，要求物镜可见，对于显微物镜来说，倍率越高，要求物镜的数值孔径越大。的数值孔径越大。25NA目数值孔径数值孔径NANA和相对孔径和相对孔径 之间近似符合以下关系：之间近似符合以下关系：一个一个NA=0.25NA=0.25的显微物镜的显微物镜 ，高倍率的显微物镜，高倍率的显微物镜（
9、不包括浸液物镜）数值孔径最大可能达到（不包括浸液物镜）数值孔径最大可能达到0.950.95，对应的相对孔径对应的相对孔径 。因此，较高倍率的显微。因此，较高倍率的显微物镜的相对孔径会比望远物镜大的多。物镜的相对孔径会比望远物镜大的多。例如一个例如一个3 3的显微物镜，的显微物镜，NA=0.1;10NA=0.1;10的显微物镜的显微物镜NA=0.25NA=0.250.40.4。对倍率较高的显微物镜对倍率较高的显微物镜NANA取得比公式小，取得比公式小，对应的出瞳直径对应的出瞳直径DD将按比例下降，小于将按比例下降，小于1 1mmmm。fDNAfD221fD fD5.01显微物镜的视场是由目镜的视
10、场决定的，一般显微物显微物镜的视场是由目镜的视场决定的，一般显微物镜的像方线视场镜的像方线视场2 2yy为为2020mmmm。（3 3）显微物镜的视场）显微物镜的视场3.2,04.025010筒fytg小结：显微物镜光学特性特点小结：显微物镜光学特性特点 焦距短，视场小，相对孔径大。焦距短，视场小，相对孔径大。镜筒透镜的物方视场角就是物镜的像方视场角，因此，镜筒透镜的物方视场角就是物镜的像方视场角，因此，物镜的视场角一般不大于物镜的视场角一般不大于5 5。对有限筒长的显微物镜。对有限筒长的显微物镜来说，也大致相当。来说，也大致相当。对无限筒长的显微镜来说，镜筒透镜（对无限筒长的显微镜来说，镜筒
11、透镜（f=250mmf=250mm）的物方视场角为：的物方视场角为：根据显微物镜光学特性的特点，它的视场小，而且根据显微物镜光学特性的特点，它的视场小，而且焦距短，因此设计显微镜物镜主要校正轴上点的像焦距短，因此设计显微镜物镜主要校正轴上点的像差和小视场的像差：球差差和小视场的像差：球差 、轴向色差、轴向色差 和和正弦差正弦差SCSC，与望远物镜相似。与望远物镜相似。2 2显微物镜设计中应校正的像差显微物镜设计中应校正的像差 但是对较高倍率的显微物镜，由于数值孔径加大，相但是对较高倍率的显微物镜，由于数值孔径加大，相对孔径比望远物镜大得多，因此除了校正这三种像差对孔径比望远物镜大得多，因此除了
12、校正这三种像差的边缘像差而外，还必须同时校正它们的孔径高级像的边缘像差而外，还必须同时校正它们的孔径高级像差，如孔径高级球差、色球差、高级正弦差。差，如孔径高级球差、色球差、高级正弦差。LFCL 对于轴外像差，例如像散、垂轴色差，由于视场对于轴外像差，例如像散、垂轴色差，由于视场比较小，而且一般允许视场边缘的像质下降，因此比较小，而且一般允许视场边缘的像质下降，因此在设计中，只有在优先保证前三种像差校正的前提在设计中，只有在优先保证前三种像差校正的前提下，在可能的条件下加以考虑。下，在可能的条件下加以考虑。对于某些特殊用途的高质量研究用显微镜，要对于某些特殊用途的高质量研究用显微镜，要求整个视
13、场成像质量都比较清晰，除了校正球差，求整个视场成像质量都比较清晰，除了校正球差，轴向色差和正弦差外，还要求校正场曲、像散和垂轴向色差和正弦差外，还要求校正场曲、像散和垂轴色差，这类显微物镜称为轴色差，这类显微物镜称为“平像场物镜平像场物镜”。由于显微物镜属于目视光学仪器，因此它同样对由于显微物镜属于目视光学仪器，因此它同样对F F光和光和C C光消色差，对光消色差，对D D光校正单色像差光校正单色像差 。2 2显微物镜的类型显微物镜的类型 消色差物镜、复消色差物镜、平像场物镜和平像场消色差物镜、复消色差物镜、平像场物镜和平像场复消色差物镜复消色差物镜 1 1消色差物镜消色差物镜 这类物镜中只校
14、正轴上点的球差和轴向色差，以及这类物镜中只校正轴上点的球差和轴向色差，以及正弦差，不校正二级光谱色差，所以称为正弦差，不校正二级光谱色差，所以称为消色差物消色差物镜镜。这类物镜根据它们的倍率和数值孔径不同，又。这类物镜根据它们的倍率和数值孔径不同，又分为低倍，中倍和高倍以及浸液物镜四类。分为低倍，中倍和高倍以及浸液物镜四类。（1 1）低倍消色差物镜）低倍消色差物镜 这类物镜的倍率大约为这类物镜的倍率大约为3 34 4，数值孔径在，数值孔径在0.1-0.15,0.1-0.15,对应的相对孔径大约为对应的相对孔径大约为1/4-1/31/4-1/3。它的设计方法和双胶合望远物镜的设计十分相似，它的设
15、计方法和双胶合望远物镜的设计十分相似，不同的只是物平面不位在无限远不同的只是物平面不位在无限远 。由于焦距比较短，相对孔径不大，视场又比较小，由于焦距比较短，相对孔径不大，视场又比较小，除校正边缘球差、正弦差和轴向色差，不需要校正除校正边缘球差、正弦差和轴向色差，不需要校正高级像差。高级像差。因此，低倍消色差物镜都采用最简单的因此，低倍消色差物镜都采用最简单的双胶合组。双胶合组。（2 2）中倍消色差物镜）中倍消色差物镜这类物镜的倍率大约为这类物镜的倍率大约为8 81212，数值孔径在，数值孔径在0.2-0.40.2-0.4 中倍消色差物镜中倍消色差物镜采用采用两个双胶合组两个双胶合组。每个双胶
16、。每个双胶合组分别消色差，整个物镜同时校正轴向色差和垂合组分别消色差，整个物镜同时校正轴向色差和垂轴色差。两个透镜组之间通常有轴色差。两个透镜组之间通常有较大的空气间隔较大的空气间隔，这是因为如果两透镜组密接整个系统仍相当于一个这是因为如果两透镜组密接整个系统仍相当于一个薄透镜组，只能校正两种单色像差。如果两透镜组薄透镜组，只能校正两种单色像差。如果两透镜组分离，则相当于两个分离薄透镜组构成的薄透镜系分离，则相当于两个分离薄透镜组构成的薄透镜系统，最多可能校正四种单色像差，增加了系统校正统，最多可能校正四种单色像差，增加了系统校正像差的能力。除了必须校正的球差和正弦差之外，像差的能力。除了必须
17、校正的球差和正弦差之外，还有可能校正像散，以提高轴外像点的成像质量。还有可能校正像散，以提高轴外像点的成像质量。（3 3）高倍消色差物镜）高倍消色差物镜 这类物镜的倍率大约为这类物镜的倍率大约为40406060，数值孔径在，数值孔径在0.6-0.80.6-0.8 高倍消色差物镜高倍消色差物镜可以看作是在上述中倍物镜基础可以看作是在上述中倍物镜基础上，加上一个或两个单透镜构成的，单透镜的像差由后上，加上一个或两个单透镜构成的，单透镜的像差由后面的两个双胶合组进行校正，整个物镜的数值孔径就可面的两个双胶合组进行校正，整个物镜的数值孔径就可以提高。以提高。（4 4）浸液物镜）浸液物镜 这类物镜的倍率
18、大约为这类物镜的倍率大约为100100，数值孔径在，数值孔径在1.2-1.41.2-1.4 在前面的几种物镜中成像物体都位在空气中，在前面的几种物镜中成像物体都位在空气中，物空间介质的折射率物空间介质的折射率n=1n=1，因此它们的数值孔径因此它们的数值孔径（NA=nsinUNA=nsinU）不可能大于不可能大于1 1，目前这类物镜的数值孔，目前这类物镜的数值孔径最大为径最大为0.950.95。为了进一步增大数值孔径，很容易想到，如果为了进一步增大数值孔径，很容易想到，如果把成像物体浸在液体中，物空间介质的折射率等于把成像物体浸在液体中，物空间介质的折射率等于液体的折射率，因而可以大大提高物镜
19、的数值孔径，液体的折射率，因而可以大大提高物镜的数值孔径，这样的物镜称为这样的物镜称为浸液物镜浸液物镜，这类物镜的数值孔径可，这类物镜的数值孔径可达到达到1.2-1.41.2-1.4，最高倍率一般不超过，最高倍率一般不超过100100 。2 2复消色差物镜复消色差物镜 在一般的消色差物镜中，物镜的二级光谱色差随着倍率在一般的消色差物镜中，物镜的二级光谱色差随着倍率和数值孔径的提高，越来越严重和数值孔径的提高，越来越严重,在高倍的消色差显微物镜中，在高倍的消色差显微物镜中，二级光谱色差往往成为影响成像质量的主要因素。二级光谱色差往往成为影响成像质量的主要因素。在一些高质量的显微物镜中就在一些高质
20、量的显微物镜中就要求校正二级光谱色差要求校正二级光谱色差。这种物镜称为这种物镜称为“复消色差物镜复消色差物镜”。（a a），（），（b b）为一般消色差物镜和复消色差物镜的三种颜色为一般消色差物镜和复消色差物镜的三种颜色光线的轴上球差曲线。光线的轴上球差曲线。复消色差物镜的球差和色差要好得多复消色差物镜的球差和色差要好得多。校正二级光谱色差通常需要采用特殊的光学材料，例如采用校正二级光谱色差通常需要采用特殊的光学材料，例如采用萤石萤石（CaF2:=95.5,=0.706,n=1.433CaF2:=95.5,=0.706,n=1.433），），它和一般重冕玻璃它和一般重冕玻璃（ZKZK）有相同的
21、相对色散，同时又有足够的值差和有相同的相对色散，同时又有足够的值差和n n值差。值差。复复消色差物镜的结构复杂，因为它要求孔径高级球差和色球差消色差物镜的结构复杂，因为它要求孔径高级球差和色球差也达到很好的校正。也达到很好的校正。图中有斜线的透镜，就是由萤石做成的。由于萤石的工图中有斜线的透镜，就是由萤石做成的。由于萤石的工艺性和化学稳定性不好，同时晶体内部有应力，目前已很少艺性和化学稳定性不好，同时晶体内部有应力，目前已很少采用，采用，而改用而改用FKFK类玻璃做正透镜类玻璃做正透镜，用，用TFTF类玻璃做负透镜，它类玻璃做负透镜，它们的结构往往更复杂。们的结构往往更复杂。3 3平像场物镜平
22、像场物镜 要求显微物镜能在一个像平面上清晰成像，这就要要求显微物镜能在一个像平面上清晰成像，这就要求物镜校正场曲、像散、垂轴色差等各种轴外像差，求物镜校正场曲、像散、垂轴色差等各种轴外像差，这样的显微物镜称为这样的显微物镜称为“平像场物镜平像场物镜”。一般显微物镜由于没有校正场曲，所成的像位一般显微物镜由于没有校正场曲，所成的像位在一个曲面上，因此在同一平面上不可能得到整个在一个曲面上，因此在同一平面上不可能得到整个视场清晰的像。对人眼直接观察的显微镜可以用调视场清晰的像。对人眼直接观察的显微镜可以用调焦的方法，观察视场内不同位置的像来弥补。但是焦的方法，观察视场内不同位置的像来弥补。但是对用
23、于照相或摄像的显微镜来说，就不可能获得整对用于照相或摄像的显微镜来说，就不可能获得整个视场的清晰图像。因此高级显微镜要求显微物镜个视场的清晰图像。因此高级显微镜要求显微物镜能在一个像平面上清晰成像，这就要求物镜校正场能在一个像平面上清晰成像，这就要求物镜校正场曲、像散、垂轴色差等各种轴外像差，这样的显微曲、像散、垂轴色差等各种轴外像差，这样的显微物镜称为物镜称为“平像场物镜平像场物镜”。为了校正场曲，物镜中必须加入具为了校正场曲，物镜中必须加入具有负光焦度的弯月形厚透镜，整个物镜有负光焦度的弯月形厚透镜，整个物镜的结构和一般物镜相比要复杂得多。的结构和一般物镜相比要复杂得多。4 4平像场复消色差物镜平像场复消色差物镜 在研究用高级显微镜中，在研究用高级显微镜中，对成像质量的要求特对成像质量的要求特别高，一般要求整个视场同时清晰别高，一般要求整个视场同时清晰。平像场复消色。平像场复消色差物镜就是为了满足了上述要求而发展起来的。它差物镜就是为了满足了上述要求而发展起来的。它的结构型式基本上和平像场物镜相似，但必须在系的结构型式基本上和平像场物镜相似，但必须在系统中使用特殊光学材料，以校正二级光谱色差。统中使用特殊光学材料，以校正二级光谱色差。平平像场复消色差物镜是当前显微物镜的发展方向像场复消色差物镜是当前显微物镜的发展方向。
