§1 显微镜物镜的光学特性
一 显微镜物镜的倍率
显微镜物镜的倍率是指物镜的垂轴放大率?。由于显微镜是实物成实像,因此?为负值,但一般用?的绝对值代表物镜的倍率。在共轭距L一定的条件下,?与物镜的焦距存在以下关系:
f物???(1??)2?L
对于无限筒长的显微镜的物镜,其焦距与倍率之间的关系为:
f物??250?
式中,?为负值。
无论是有限筒长,还是无限筒长的显微镜的物镜,倍率?的绝对值越大,焦距f物越短。所以,实际上,物镜的倍率决定了物镜的焦距。因此,显微镜物镜的焦距一般比望远镜物镜的焦距短得多。焦距短是显微镜物镜光学特性的一个特点。
二 显微镜物镜的数值孔径
数值孔径NA?n?sinU,是显微镜物镜最主要的光学特性,它决定了物镜的衍射分辨率?,根据显微镜物镜衍射分辨率的计算公式:
0.61???
NA公式中,?代表显微镜物镜能分辨的最小物点间隔;?为光的波长,对目视光学仪器来说,取平均波长??0.0005mm?500nm;NA为物镜的数值孔径。因此要提高显微镜物镜的分辨率,必须增大数值孔径NA。
显微镜物镜的倍率?、数值孔径NA、显微镜目镜的焦距f目与系统出射光瞳直径D/之间满足以下关系:
D?/NA??f目=NA??250?目
式中,?目为目镜的视放大率。为了保证人眼观察的主观亮度,出射光瞳直径最好不小于
1mm。在一定的数值孔径下,如果目镜的倍率?目越小,就要求物镜有更高的倍率?,但是
物镜的倍率越高,工作距离越短,这给显微镜的使用造成不方便,因此一般希望尽量提高目镜的倍率,但目镜由于受到出射光瞳距离的限制,焦距不能太小,通常目镜的最高倍率为
15?,因此物镜倍率越高,要求物镜的数值孔径越大。
数值孔径NA与相对孔径之间近似符合以下关系:
196
Df/?2?NA
一个NA?0.25的显微镜物镜
Df/?12,高倍率的显微镜物镜(不包括浸液物镜),其数值
孔径最大可能达到0.95,其相对孔径可以达到2。
相对孔径大,是显微镜物镜的一个特点。
三 显微镜的视场
显微镜的视场是由目镜的视场决定的,一般显微镜的线视场2y/不大于20mm。对无限筒长的显微镜来说,筒镜的物方视场角为:
tg??y/f筒=10250=0.04,?=2.3
0筒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2?一般不大于50。
视场小,也是显微镜物镜的一个特点。
四 显微镜物镜设计中应校正的像差
根据显微镜物镜的光学特性,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差和小视场的像差,即球差、正弦差、轴向色差。
对于较高倍率的显微镜物镜,由于数值孔径加大、相对孔径比望远镜物镜大得多,因此还要校正孔径的高级像差,如高级球差、高级正弦差、色球差。
对于轴外像差,如像散、倍率色差,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。 对于某些特殊用途的高质量研究用显微镜,如用于显微摄影的物镜,要求整个视场成像质量都比较清晰,除了校正球差、正弦差、轴向色差外,还要求校正场曲、像散、垂轴色差,这种物镜就是平像场物镜。
由于显微镜属于目视光学仪器,因此它同样对F光和C光消色差,对D光校正单色像差。
§2 显微镜物镜的类型
根据校正情况不同,显微镜物镜通常分为消色差物镜、复消色差物镜、平像场物镜、平场复消色差物镜、折射和折反射物镜等。
一 消色差物镜
这是一种结构相对来说比较简单、应用得最多的一类显微镜物镜。在这类物镜中只校正球差、正弦差及一般的消色差,而不校正二级光谱色差,所以称为消色差物镜。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、高倍、浸液物镜。
1 低倍消色差物镜
这类物镜一般用于倍率较低、数值孔径较小,视场较小的情况。一般倍率大约为
197