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什么是显微镜物镜?物镜的分类是?

2013-10-16  发布者:admin 

    物镜是决定显微镜性能的最重要部件,安装在物镜转换器上,接近被观察的物体,故叫做物镜或接物镜物镜是由若干个透镜组合而成的一个透镜组。组合使用的目的是为了克服单个透镜的成像缺陷,提高物镜的光学质量。显微镜的放大作用主要取决于物镜,物镜质量的好坏直接影响显微镜映像质量,它是决定显微镜的分辨率和成像清晰程度的主要部件,所以对物镜的校正是很重要的。

 

概述

物镜是显微镜最重要的光学部件,利用光线使被检物体第一次成象,因而直接关系和影响成象的质量和各项光

学技术参数,是衡量一台显微镜质量的首要标准。

    物镜的结构复杂,制作精密,由于对象差的校正,金属的物镜筒内由相隔一定距离并被固定的透镜组组合而成.物镜有许多具体的要求,如合轴,齐焦。

    现代显微物镜已达到高度完善,其数值孔径已接近极限,视场中心的分辨率与理论值之区别已微乎其微.但继续增大显微物镜视场与提高视场边缘成象质量的可能性仍然存在,这种研究工作,至今仍在进行。

    齐焦既是在镜检时,当用某一倍率的物镜观察图象清晰后,在转换另一倍率的物镜时,其成象亦应基本清晰,而且象的中心偏离也应该在一定的范围内,也就是合轴程度.齐焦性能的优劣和合轴程度的高低是显微镜质量的一个重要标志,它是与物镜的本身质量和物镜转换器的精度有关。

    与宽光束有关的象差是球差、慧差以及位置色差;与视场有关的象差是象散、场曲、畸变以及倍率包差。

显微物镜与目镜在参于成象这点上是有区别的.物镜是显微镜最复杂和最重要的部分,在宽光束中工作(孔径大),但这些光束与光轴的倾角较小(视场小);目镜在窄光束中工作,但其倾角大(视场大).当计算物镜与目镜,在消除象差上有很大差别。

显微物镜是一消球差系统.这意味着:就轴上的一对共轭点而言,消除了球差并且实现了正弦条件时,每一物镜仅有两个这种消球差点.因此,物体与象的计算位置的任何改变均导致象差变大。 

 

类型

    (1)按显微镜镜长度(mm):透射光用160镜筒,0.17mm厚或更厚的盖玻片;射光用190镜筒,不带盖

玻片;透射光与反射光用镜筒,筒长无限大。   

    (2)按浸法特征:非浸式(干式)、浸式(油浸、水浸、甘油浸及其它浸法)。   

    (3)按光学装置:透射式、反射式以及折反射式。  

    (4)按数值孔径和放大倍数:低倍(NA≤0.2β≤10X),中倍(NA≤0.65β≤40X),高倍(NA>0.65β>40X)。   

    按校正象差的情况不同,通常分为消色差物镜,半复消色差物镜,复消色差物镜,平视场消色差物镜,平视场复消色差物镜和单色物镜。

    1.消色差物镜 (Achromatic) 是较常见的一种物镜(表1-1),由若干组曲面半径不同的一正一负胶合透镜组成,只能矫正光谱线中红光和蓝光的轴向色差。同时校正了轴上点球差和近轴点慧差,这种物镜不能消除二级光谱,只校正黄、绿波区的球差、色差,未消除剩余色差和其他波区的球差、色差,并且像场弯曲仍很大,也就是说,只能得到视场中间范围清晰的像。使用时宜以黄绿光作照明光源,或在光程中插入黄绿色滤光片。 此类物镜结构简单,经济实用,常和福根目镜、校正目镜配合使用,被广泛地应用在中、低倍显微镜上。在黑白照相时,可采用绿色滤色片减少残余的轴向色差,获得对比度好的相片。

    2.复消色差物镜(Apochromatic) 由多组特殊光学玻璃和荧石制成的高级透镜组组合而成。将红、蓝、黄光校正了轴向色差,消除了二级光谱,因此像质很好,但镜片多、加工和装校都较困难。色差的校正在可见光的全部波区。若加入蓝色或黄色滤光片效果更佳。它是显微镜中最优良的物镜,对球面差、色差都有较好的校正,适用于高倍放大。但仍需与补偿目镜配合使用,以消除残余色差。

    3.平面消色差物镜(Plana chromatic) 采用多镜片组合的复杂光学结构,较好地校正像散和像场弯曲,使整个视场都能显示清晰,适用于显微摄影。该物镜对球差和色差的校正仍限于黄绿波区,且还存在剩余色差。

    4.平面复消色差物镜(PF, Planapochromat) 除进一步作像场弯曲校正外,其它像差校正程度均与复消色差物镜相同,使映像清晰、平坦;但结构复杂,制造困难。

    5.半复消色差物镜(Halfapochromatic) 部分镜片用荧石制成,故又称荧石物镜,性能比消色差物镜好,价格比复消色差物镜便宜。校正像差程度介于消色差与复消色差两种物镜之间,但其它光学性质都与后者相近;价格低廉,最好与补偿目镜配合使用。 

    6.特种物镜:所谓"特种物镜"是在上述物镜的基础上,专门为达到某些特定的观察效果而设计制造的。主要有以下五种:
    (1) 带校正环物镜(Correction collar objective):
在物镜的中部装有环装的调节环,当转动调节环时,可调节物镜内透镜组之间的距离,从而校正由盖玻片厚度不标准引起的覆盖差。调节环上的刻度可从0 .11--.023,在物镜的外壳上也标科有此数字,表明可校正盖玻片从0.11-0.23mm厚度之间的误差。
    

(2) 带虹彩光阑的物镜(Iris diaphragm objective ): 
在物镜镜筒内的上部装有虹彩光阑,外方也可以旋转的调节环,转动时可调节光阑孔径的大小,这种结构的物镜是高级的油浸物镜,它的作用是在暗视场镜检时,往往由于某些原因而使照明光线进入物镜,使视场背景不够黑暗,造成镜检质量的下降。这时调节光阑的大小,使背景变黑,使被检物体更明亮,增强镜检效果。
    

(3)相衬物镜(Phase contrast objective ):
这种物镜是由于相衬镜检术的专用物镜,其特点是在物镜的后焦平面处装有相板。
    

(4)无罩物镜(No cover objective ):
有些被检物体,如涂抹制片等,上面不能加用盖玻片,这样在镜检时应使用无罩物镜,否则图象质量将明显下降,特别是在高倍镜检时更为明显。这种物镜的外壳上常标刻NC,同时在盖玻片厚度的位置上没有0.17的字样,而标刻着"0"
    

(5)长工作距离物镜:这种物镜是倒置显微镜的专用物镜,它是为了满足组织培养,悬浮液等材料的镜检而设计。

 

分类

按照用途分类

    光学显微镜的用途大致分为生物用工业用两大类。物镜也可以按照这两种用途,划分为生物 

物镜和工业用物镜。在生物用途中,一般是将生物标本放置在载玻片上,并从上面用盖玻片遮盖固定。由于生物用物镜需要透过盖玻片观察样本,所以采用了考虑到盖玻片的厚度(一般为0.17 mm)的光学系统设计。而在工业用途中,一般是在金属矿物切片、半导体晶圆和电子零部件等标本没有被遮盖的状态下进行观察的。所以,工业用物镜采用了物镜前端和标本之间没有盖玻片状态的最佳光学系统设计。 

 

按照观察方法分类

根据光学显微镜的用途开发出了各种观察方法,也开发出了对应这些观察方法的专用物镜。可以按照观察方法划分物镜。例如,反射暗视场用物镜(内部透镜的周围有环状照明光路)微分干涉用物镜(减少透镜内部失真,优化了与微分干涉棱镜的光学特性组合)荧光用物镜(改善了近紫外线领域的透射率)偏振光用物镜(极大程度减少了透镜的内部失真)相位差用物镜(内置相位板)等。 

 

按照倍率分类

光学显微镜是在称为物镜转换器的装置上安装了多个物镜。这样,只要转动物镜转换器就可以把低倍率切换到高倍率,轻松完成倍率变换。所以一般是在物镜转换器上安装一组不同倍率的物镜。为此,物镜的产品阵容由低倍率(2X4X5X10×)、中倍率(20×40X50×)和高倍率(60X100×)物镜构成。其中,特别是在高倍率产品中,为了得到高清晰成像,我们推出了在物镜的前端与标本之间填充合成油、水等折射率高的专用液体的液浸物镜。另外,还推出了用于特殊用途的超低倍率(1.25×2.5×)和超高倍率(150×)物镜等。 

 

像差校正和物镜的分类

按照色差校正分类(等级)根据轴色差(纵向色差)校正的程度,可以分为消色差、半消色差(Fluorite)、复消色差3个等级。产品阵容也按照普通级别到高级别排序,价格不同。在轴色差校正中,校正了C线(红:656.3 nm)和F线(蓝:486.1 nm2种颜色的物镜称为消色差透镜(Achromat)。红蓝2色以外的光线(一般以紫色的g线为对象:435.8 nm)在离开焦平面的面上聚焦,这个g线称为2级光谱。色差校正范围达到这个2级光谱的物镜称为复消色差透镜(Apochromat)。也就是说,复消色差透镜是对3色(C线、F线、g线)进行轴色差校正的物镜。下图以波像差表示了消色差透镜和复消色差透镜在色差校正上的不同。由此图可以看出,与消色差透镜相比,复消色差透镜可以在更广的波长范围内校正色差。

色差校正的比较(消色差透镜和复消色差透镜)

另一方面,该2级光谱(g线)的色差校正程度,被设定在消色差透镜和复消色差透镜的中间的物镜,称为半消色差透镜(或称Fluorite)。

显微镜物镜的光学系统设计中,一般来说N.A.越大,或者倍率越大,2级光谱的轴色差校正就越难。不仅如此,由于轴色差以外的各种像差以及正弦条件都必须校正,所以难度更大。为此,越是高倍率的复消色差物镜,就需要越多的像差校正透镜,甚至有使用了超过15透镜的物镜。为了精确的校正2级光谱,有效的做法是将2级光谱色散较少的异常色散玻璃用于透镜组中效果较强的凸透镜。该异常色散玻璃的代表是萤石(CaF2),虽然萤石的加工比较困难,但是长久以来一直被用于复消色差透镜。最近开发出了异常色散性与萤石非常接近的光学玻璃,加工性也得到了改善,逐渐取代萤石成为主流。

按照场曲校正分类在显微镜的使用中,照片拍摄和电视摄像机的拍摄越来越普通,对鲜明的全视场影像的要求也越来越多。因此,能精确校正场曲的平面(Plan)物镜逐渐成为主流。在校正场曲时,需要将光学系统的匹兹堡(Petzval)曲率设计为0,而倍率越高的物镜其校正越难(难以与其他各种像差校正并存)。被校正过的物镜上,前端的镜片组为较强凹下形状,而后端的镜片组的构成也为强凹下形状,这是透镜类型上的特征。 

 

参数

物镜主要参数包括:放大倍数、数值孔径和工作距离。

、放大倍数是指眼睛看到像的大小与对应标本大小的比值。它指的是长度的比值而不是面积的比值。 

    例:放大倍数为100×,指的是长度是1μm的标本,放大后像的长度是100μm,要是以面积计算,则放大了10,000倍。显微镜的总放大倍数等于物镜和目镜放大倍数的乘积。

    、数值孔径也叫镜口率,简写NA A,是物镜和聚光器的主要参数,与显微镜的分辨力成正比。干燥物镜的数值孔径为0.05-0.95,油浸物镜(香柏油)的数值孔径为1.25

    、工作距离是指当所观察的标本最清楚时物镜的前端透镜下面到标本的盖玻片上面的距离。物镜的工作距离与物镜的焦距有关,物镜的焦距越长,放大倍数越低,其工作距离越长。例:10倍物镜上标有10/0.25160/0.17,其中10为物镜的放大倍数;0.25为数值孔径;160为镜筒长度(单位mm);0.17为盖玻片的标准厚度(单位 mm)。10倍物镜有效工作距离为6.5mm40倍物镜有效工作距离为0.48mm 

 

性质 

放大倍数

    物镜的放大倍数,是指物镜在线长度上放大实物倍数的能力指标。有两种表示方法,一种是直接在物镜上刻度出如10×45×等;另一种则是在物镜上刻度出该物镜的焦距f,焦距越短,放大倍数越高。前一种物镜放大倍数公式为M=L/f物,L是光学镜筒长度,L值在设计时是很准确的,但实际应用时,因不好量度,常用机械镜筒长度。机械镜筒长度是指从显微镜目镜接口处之直线距离。每一物镜上都用数字标明了机械镜筒长度。 

镜筒长度

镜筒长度是指物镜底面到目镜顶面的距离。由于物镜的像差是依据一定位置的映像来校正的,因此物镜一定要在规定的机械镜筒长度上使用,一般显微镜的机械镜筒长度多为160mm170mm190mm。金相显微镜在摄影时,由于放大倍数不同,映像投射距离变化很大,因此,优良的物镜的像差是按任意镜筒长度校正的,即在无限长范围内,物镜像差均已校正。 

 

数值孔径

数值孔径表征物镜的聚光能力,是物镜的重要性质之一,通常以“NA”表示。物镜的数值孔径大小决定了物镜的分辨能力(鉴别)及有效放大倍数。根据理论推导得出:NA=nsinθ增大物镜的数值孔径有两个途径:

1) 增大透镜的直径或减小物镜的焦距即设计短焦距的物镜,以增大孔径半角θ。但此法会导致像差增加及制造困难,一般不采用。实际上sinθ的最大值只能达到0.95

2) 增大物镜与观察物之间的折射率n。干系物镜是以空气为介质的,折射率n=1,一般用于低倍物镜。油系物镜常以松柏油(n=1.515NA=1.4)、α-壹代溴萘(n=1.658NA=1.60)为介质,用于高倍物镜。油物镜的数值孔径此时可达1.30~1.40,其放大倍数可达100~140倍。但干系物镜不能随便用油作为介质。

物镜的最小数值孔径系列、参数、色圈及标志 

 

物镜的标记

在物镜外壳上刻有不同的标记浸液记号、物镜类别、放大率、数值孔径、机械筒长度、盖玻片厚度。油:表示浸液为松柏油;100×/1.25:表示物镜放大率为100倍,数值孔径1.25160/0:表示机械镜筒长度为160mm“0”表示无盖玻片。有些物镜刻有160/-:表示机械镜筒长度为160mm“-”表示可有可无盖玻片。在物镜上刻有色圈表示物镜的放大率。高倍物镜通常都为油浸系,油镜头用(或OiIÖLHL)或外壳涂一黑圈来表示。 

 

物镜的鉴别能力

显微镜的鉴别能力主要决定于物镜。物镜的鉴别能力可分为平面和垂直鉴别能力。物镜(objective lens) 物镜是决定光学显微镜基本性能及功能的最重要的光学单元。因此,为了满足各种需求和应用,我们研制出了有着最佳光学性能和功能(这对光学显微镜而言也是最重要的性能和功能)的物镜,推出了能满足不同使用目的多种物镜产品。基本上物镜是按照用途、观察方法、倍率、性能(像差校正)等进行分类。其中,按照像差校正来分类的是显微镜物镜特有的分类方法。 

作用

物镜的作用是将标本作第一次放大,它是决定显微镜性能的最重要的部件——分辨力的高低。 

分辨力也叫分辨率或分辨本领。分辨力的大小是用分辨距离(所能分辨开的两个物点间的最小距离)的数值来表示的。在明视距离(25cm)之处,正常人眼所能看清相距0.073mm的两个物点,这个0.073mm的数值,即为正常人眼的分辨距离。显微镜的分辨距离越小,即表示它的分辨力越高,也就是表示它的性能越好。

    显微镜的分辨力的大小由物镜的分辨力来决定的,而物镜的分辨力又是由它的数值孔径和照明光线的波长决定的。

    当用普通的中央照明法(使光线均匀地透过标本的明视照明法)时,显微镜的分辨距离为d=0.61λ/NA式中d——物镜的分辨距离,单位 nm。 λ——照明光线波长,单位 nm。 NA ——物镜的数值孔径,例如油浸物镜的数值孔径为1.25,可见光波长范围为400—700nm ,取其平均波长550 nm,则d=270 nm,约等于照明光线波长一半。一般地,用可见光照明的显微镜分辨力的极限是0.2μm