光学设计 第16章 显微镜物镜设计.doc

光学设计第 16章显微镜物镜设计第十六章显微镜物镜设计显微镜是用来帮助人眼观察近距离细小目标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察的物体放大为一个实像、位在目镜的焦面上,然后通过目镜成像在无限远,供人眼观察。在一架显微镜上,通常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, 要求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约为 190mm 左右, 我国规定为 195mm 。如图 16-1 所示。可见, 显微镜物镜的倍率越高,焦距越短。还有一种被称为“无限筒长”的显微镜物镜, 被观察物体通过物镜以后, 成像在无限远, 在物镜的后面, 另有一个固定不变的筒镜透镜, 再把像成在目镜的焦面上,如图 16-2 所示。筒镜透镜的焦距,我国规定为 250mm 。物镜的倍率按与筒镜透镜的组合倍率计算为: ???250 f物整个显微镜的性能, 也就是它的视放大率和衍射分辨率, 主要是由显微镜物镜决定。图 16-1 显微镜系统图 16-2 无限筒长显微镜系统 195 §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: ??? 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???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 D f/?2?NA 一个 NA? 的显微镜物镜 D f/?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 ,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 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