聊聊显微物镜的有关知识

光学显微镜最关键的零件就是物镜，也是最难设计和装配的零件，物镜是由一些列透镜组装而成，负责将样品发出的光汇聚后经过目镜进行成像，是光从样品传输到相面所经过的第一个传输元件，最接近物体，也因此得名——物镜。物镜镜筒上都会印有一些代表物镜信息的标识，今天我们一起了解一下物镜标识所代表的含义。

1.生产厂家：好一点的商业物镜上都会有生厂厂家的字样，比如ZEISS、LEICA、Nikon、OLYMPUS等，都是常见的显微物镜制造商，物镜品质也相对较好。

2.物镜校正因子：在生产厂家的下面，会有一些英文字母，Plan、APO、Fluor等，许多初识物镜者不能很好的理解这些字母的含义，这些字母是物镜设计时对像差的矫正级别标识，也包括使用场景（比如用于红外、紫外等不同波长），值得一提的是不同厂家对于不同标准的写法会有区别，但本质代表着物镜的设计标准，感兴趣的可以自行查阅。光学透镜成像经常涉及到球差、慧差、像散、场曲、畸变、色差等像差，矫正这些像差对含有多个透镜的显微物镜尤为关键，根据矫正程度大致分为以下几个级别，如图，显微物镜的铭牌上会标注这些矫正信息，物镜价格也会随着矫正级别的增加而显著增加。

消色差物镜（Achromatic Objective）：是实验室常用的物镜，消色差物镜针对蓝光（486nm）和红光（656nm）两种波长进行垂轴色差矫正，同时也对546nm波长的光进行球差矫正。

平场消色差物镜（Plan Achromatic Objective）：消色差物镜并没有进行场曲矫正，平场消色差物镜则是对消色差物镜进行场曲矫正，使得曲面场变成平面。

萤石物镜（Fluorite Objective）：以一种矿物萤石命名，也称为半复消色差透镜（Semi-apochromats），相比消色差物镜，对更多波长进行色差、球差的矫正，也具有更好的成像质量。

平场萤石物镜（Plan Fluorite Objective）同样平场萤石物镜没有进行场曲矫正，针对萤石物镜进行场曲矫正，更好的提升成像质量。

平场复消色差物镜（Plan Apochromatic） 对更多颜色的光进行色差、球差矫正，几乎消除色差，复消色差透镜都是带了场曲矫正，是白光成像的最佳选择。

在这着重讲一下场曲矫正，想要矫正场曲像差，需要在光学设计上增加相当多的光学透镜，如图所示为消色差透镜和平场消色差透镜的光学结构对比，透镜多物镜的制作成本自然会升高，但场曲矫正在高端物镜设计中是十分必要的，尤其对于复消色差物镜。

3.放大倍率：物镜上会标有放大倍率：10X、20X、50X、100X等，放大倍率是我们选择显微物镜时主要考虑因素之一，但我们买的物镜上标有50X，在我们使用中真的就放大50倍吗？

实际上物镜的放大倍率取决于镜筒透镜和物镜的焦距，公式如下：

不同厂商的物镜是根据自己的显微镜设计的，因此只有用在自己的显微镜上才是标注的放大倍率。那如果把物镜应用在其他显微镜或者自制显微镜上呢？每个厂家的显微镜镜筒透镜焦距是固定的，如下图：

根据公式我们可以计算出不同厂家物镜的焦距，在根据你所使用的显微镜的镜筒透镜焦距，可以计算出放大倍率。比如Nikon50X物镜的焦距为200/50=4mm，如果应用在Olympus显微镜上，则放大倍率为180/4=45X。

4.数值孔径：数值孔径（Numerical Aperture，NA）是显微物镜的重要参数，是焦距与入瞳直径的函数：

显微物镜的光学分辨率Resolution = λ/2n(sin(θ))，可将NA决定着显微镜的分辨率，NA值越大，其分辨率越高，NA中的n指的是工作介质的折射率，空气中n=1，θ不超过90°，因此空气介质中的NA最大不超过1，若想提升NA，可以更换介质，比如浸润在油中。

5.盖玻片厚度：有些生物显微镜在使用时需要在样品上盖一个盖玻片其厚度通常为0.17mm，针对这种应用的显微物镜在设计时就考虑到这0.17mm的距离矫正，其铭牌上也会标注，如图所示。

6.有限远共轭&无限远共轭：这里的有限远、无限远共轭指的是物面与像面这两个共轭面而言的，有限远共轭显微物镜：从样品散射的光被物镜汇集到一点，然后通过目镜成像，有限共轭显微镜有两个标准DIN(Deutsceh Industrie Norm)、JIS(JapaneseIndustrial Standard)，如图所示。对于这两种标准的显微镜，有几个长度需要注意，机械筒长（MechanicalTube Length, MTL）、光学筒长(Optical Tube Length, OTL)、齐焦距(Parfocal Distance)。关于这三个长度的定义如下：

机械筒长：从物镜安装面到目镜安装面的距离，即物镜凸缘到目镜凸缘的距离。

光学筒长：从物镜后焦面到中间像面的距离。

齐焦距：从物镜安装面（物镜凸缘）到观察物体所在平面的距离。

这两种标准物镜的安装螺纹规格都是RMS（0.7965" x 36TPI）

无限远共轭显微物镜：从样品散射出的光经过物镜后呈平行光束，通过在物镜与目镜之间加一个管透镜来成中间像，这种现代的显微镜设计方式较传统显微镜设计多了一个透镜，但却使得显微镜的配置更加灵活，及时物镜与管透镜之间的距离变化，也不改变放大倍率，不受之前的距离限制，方便在显微镜中扩展荧光等成像模块以及滤光片等，现在显微镜系统多采用无限远共轭显微镜。

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来源： 中科院长春光机所