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1、第十六章 显微镜物镜设计显微镜是用来协助人眼观测近距离细小目的的一种目视光学仪器，它由物镜和目镜组合而成。显微镜物镜的作用是把被观测的物体放大为一种实像、位在目镜的焦面上，然后通过目镜成像在无限远，供人眼观测。在一架显微镜上，一般都配有若干个不同倍率的物镜目镜供互换使用。为了保证物镜的互换性，规定不同倍率的显微镜物镜的共轭距离（物平面到像平面的距离）相等。各国生产的通用显微镜物镜的共轭距离大概为左右，国内规定为。如图161所示。可见，显微镜物镜的倍率越高，焦距越短。尚有一种被称为“无限筒长”的显微镜物镜，被观测物体通过物镜后来，成像在无限远，在物镜的背面，另有一种固定不变的筒镜透镜，再把像成在
2、目镜的焦面上，如图162所示。筒镜透镜的焦距，国内规定为。物镜的倍率按与筒镜透镜的组合倍率计算为：整个显微镜的性能，也就是它的视放大率和衍射辨别率，重要是由显微镜物镜决定。 图161 显微镜系统 图162 无限筒长显微镜系统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。在共轭距一定的条件下，与物镜的焦距存在如下关系：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：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，焦距越短。因此，事实上，物镜的倍率决定了物镜的焦
3、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种特点。二 显微镜物镜的数值孔径数值孔径，是显微镜物镜最重要的光学特性，它决定了物镜的衍射辨别率，根据显微镜物镜衍射辨别率的计算公式：公式中，代表显微镜物镜能辨别的最小物点间隔；为光的波长，对目视光学仪器来说，取平均波长；为物镜的数值孔径。因此要提高显微镜物镜的辨别率，必须增大数值孔径。显微镜物镜的倍率、数值孔径、显微镜目镜的焦距与系统出射光瞳直径之间满足如下关系：式中，为目镜的视放大率。为了保证人眼观测的主观亮度，出射光瞳直径最佳不不不小于。在一定的数值孔径下，如果目镜的倍率越小，就规定物镜有更高的倍率，但
4、是物镜的倍率越高，工作距离越短，这给显微镜的使用导致不以便，因此一般但愿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，一般目镜的最高倍率为，因此物镜倍率越高，规定物镜的数值孔径越大。数值孔径与相对孔径之间近似符合如下关系：一种的显微镜物镜，高倍率的显微镜物镜（不涉及浸液物镜），其数值孔径最大也许达到，其相对孔径可以达到2。相对孔径大，是显微镜物镜的一种特点。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不不小于。对无限筒长的显微镜来说，筒镜的物方视场角为：筒镜的物方视场角就是物镜的像方视场角，因此物镜的视场角一般不不小于。视场小，也是显微镜物镜的一种
5、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，并且焦距短，因此设计显微镜物镜重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档像差，如高档球差、高档正弦差、色球差。对于轴外像差，如像散、倍率色差，由于视场比较小，并且一般容许视场边沿的像质下降，因此在设计中，只有在优先保证前三种像差校正的前提下，在也许的条件下加以考虑。对于某些特殊用途的高质量研究用显微镜，如用于显微照相的物镜，规定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，还规定校正场曲、像
6、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，因此它同样对光和光消色差，对光校正单色像差。2 显微镜物镜的类型根据校正状况不同，显微镜物镜一般分为消色差物镜、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构造相对来说比较简朴、应用得最多的一类显微镜物镜。在此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，因此称为消色差物镜。此类物镜，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 低倍消色差物镜此类物镜一般用于倍率较低、数值孔径较小，视场较小的状况。一般倍率大概为，数值孔径在左右，相应的相对孔径大概为
7、左右。由于相对孔径不大，视场比较小，只规定校正球差、慧差、轴向色差。因此此类物镜一般都采用最简朴的双胶合透镜作为物镜。它的设计措施与一般的双胶合望远镜物镜的设计措施十分相似，不同的只是物体的位置不在无限远，而是位于有限距离。求解的核心是选择合适的玻璃组合，以便同步校正三种像差。2 中倍消色差物镜此类物镜的倍率大概为，数值孔径为。最常用的为：数值孔径，倍率。由于物镜的数值孔径加大，相应的相对孔径增长，孔径高档球差将大大增长，采用一种双胶合透镜已经不能满足规定。为了减小孔径高档球差，此类物镜一般采用两个双胶合透镜的组合，如图163所示，称为李斯特物镜。如果每个双胶合透镜分别校正轴向色差，即双胶合透
8、镜的，这样整个物镜能同步校正轴向色差和 图163 李斯特物镜倍率色差。两个透镜组之间一般有较大的空气间隔，这是由于如果两个透镜组密接，则整个物镜组与一种密接薄透镜组相称，仍然只能校正两种单色像差，如果两个透镜组分离，则相称于由两个分离薄透镜组构成的薄透镜系统，最多也许校正四种单色像差，这就增长了系统校正像差的也许性，因此除了显微镜物镜中必须校正的球差和慧差以外，尚有也许在某种限度上校正像散，以提高轴外物点的成像质量。对于球差和慧差也可以各自单独校正，但那样，每个双胶合透镜组在校正了球差、慧差之后，一般总要留有一定量的负像散，再加上系统的不可避免的场曲，使得像面弯曲加重。因此还是两个双胶合透镜的
9、球差、慧差互相补偿为好，这样可以在整个物镜校正好球差、慧差的同步，产生一定量的正像散以补偿场曲。这种物镜可以应用“薄透镜系统初级像差理论”，象求解望远镜物镜那样用解析法求出其构造。也可以采用近年来发展起来的“配合法”进行设计。在前、后双胶合透镜分别校正色差的条件下，对前、后双胶合透镜选几种弯曲，求出球差、慧差值，作出前、后双胶合透镜各自的球差、慧差随弯曲而变化的曲线。在前、后双胶合透镜曲线上找出使前、后双胶合透镜球差、慧差互相补偿的弯曲。如果玻璃选择的恰当，总可以找出前、后双胶合透镜互相补偿的解。3 高倍消色差物镜此类物镜的倍率大概为左右，数值孔径大概为左右，此类物镜的构造如图164所示，称为
10、阿米西物镜。它们可以看作是在李斯特物镜的基本上，加上一种或两个由无球差、无慧差的单会聚透镜而构成。所加的半球形透镜（前片），一般第一面是平面，第二面是齐名面，即轴上物点的光线通过平面折射后来与光轴的交点位于第二面的齐名点上。 图164 阿米西物镜运用这种半球形透镜可以增大数值孔径。如图165所示，如果入射到平面上的光线的孔径角为、通过平面折射后的像方孔径角为、通过等晕面（第二面）折射后的像方孔径角为，则第一面折射后，有：对于第二面，等晕成像公式为： 由此得到 可见，显微镜物镜的后片可以接受的孔径角，事实上对于物体来说孔径角可觉得，这样，可以使显微镜物镜的后片的数值孔径增大到倍。 图165 阿米
11、西物镜中档晕透镜的作用在图164（a）中，前片透镜是由一种齐名面和一种平面构成的，齐名面不产生球差和慧差，如果把物平面与前片的第一面（平面）重叠，也不产生球差和慧差，但为了工作以便，实际物镜与物平面之间需要留有一定的间隙，这样，透镜的第一面就将产生少量的球差和慧差，它们可以由背面的两个双胶合透镜组进行补偿，前片的色差也同样需要背面的两个双胶合透镜组进行补偿。在图164（b）中，第一种透镜是由一种齐名面和一种平面构成的，不产生球差和慧差。第二个透镜也是由一种齐名面和一种平面构成的，它的第一面产生的少量球差和慧差，以及两个透镜的色差，由背面的两个双胶合透镜组进行补偿。这种物镜的设计措施，一般是一方
12、面根据规定的倍率和数值孔径拟定前组的构造，计算出它们的像差，作为背面两个双胶合透镜组的像差补偿规定，然后进行后组的设计。4 浸液物镜显微镜物镜的辨别率决定于其数值孔径。为了提高显微镜物镜的辨别率，除了增长孔径角外，还可以提高物方介质的折射率。一般显微镜，物点位于空气中，其数值孔径不也许不小于1。为了提高数值孔径，可以在物体与物镜之间充以液体，使液体折射率与盖玻片折射率相近，这样就可以觉得显微镜物方介质就是该液体，数值孔径表达式中的就是该液体的折射率，一般可达1.5以上，这就可以大大提高了数值孔径。这种显微镜物镜的实际构造如图166所示，称为阿贝浸液物镜。第一片为盖玻片，盖在被观测的物体上面。盖
13、玻片与前片之间布满油液，一般用杉木油，其折射率。其数值孔径可以达到，倍率为。 图166 阿贝油浸物镜二 复消色差物镜在一般的消色差显微镜物镜中，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，因此在高倍的消色差显微镜物镜中二级光谱往往成为影响成像质量的重要因素，由于二级光谱相应的几何像差数值近似与物镜的焦距成正比，随着物镜倍率的增长，表面上二级光谱色差随着焦距的缩短而减小，但是一定的几何像差数值相应的波像差近似与数值孔径的平方成比例，因此总起来，随着倍率和数值孔径的提高，二级光谱色差所相应的波像差增大。因此在某些质量规定特别高的显微镜中，就规定校正二级光谱色差，称为复消色差物镜。在显微镜
14、物镜中校正二级光谱色差一般采用特殊的光学材料，初期的复消色差物镜中都采用萤石（氟化钙）（），它与一般重冕牌玻璃有相似的部分相对色散，同步具有足够的色散差和折射率差。复消色差物镜的构造一般比相似数值孔径的消色差物镜复杂，由于它规定孔径高档球差和色球差也应得到较好的校正。如图167为不同倍率和数值孔径的复消色差物镜的构造，图中划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，同步晶体内部有内应力，因此目前很少采用，而改用（氟冕玻璃）类和（特种冕玻璃）类玻璃。它们构造同样比较复杂。复消色差物镜往往有较大的剩余倍率色差，规定与具有反号倍率色差的目镜配合使用，这样的专用目镜称为补偿目镜。近
15、年，国际上浮现了一种消倍率色差的所谓物镜。此类物镜构造相称复杂，如图168为民主德国的物镜。三 平像场物镜前面讲的所有物镜都没有校正场曲。对于高倍率的显微镜物镜，由于它的焦距很短，尽管它的视场不大，但仍然有严重的场曲存在，因此一般高倍显微镜物镜的清晰视场是十分有限的，只有在视场中心很小范畴内才是成像清晰的。对于规定有较大的清晰视场的状况，如显微照相，就规定校正物镜的场曲和像散，重要校正匹兹万和。这样的显微镜物镜可以作到在较大的视场内像场较平，成像清晰，称为平像场物镜。校正场曲的措施重要是在接近物面和像面的地方加入负光焦度，可以产生负的匹兹万和而对偏角影响不大。或者加入若干厚的弯月形透镜。由于显微镜物镜孔径角很大，再加上平像场规定，使得平像场物镜的构造特别复杂。平像场物镜的基本型式如图169所示。 图167 复消色差物镜 图168
