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聊聊显微物镜的有关知识

2020-09-08    
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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。

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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。

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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。

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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?

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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:

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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:

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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:

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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。

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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)

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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

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