光学设计 第16章显微镜物镜设计.docx

光学设计 第16章显微镜物镜设计.docx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轨距离（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轨距离大约为190〃""左右，我国规定为195〃""。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：
0—型
/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16-2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0。由于显微镜是实物成实像，因此0为负 值，但一般用0的绝对值代表物镜的倍率。在共轨距厶一定的条件下，0与物镜的焦距存
在以下关系：
九I = - L
韧（1 — 0）2
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：
£ _ 250
/物=_-~/3~
式中，0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0的绝对值越大，焦距九越短。
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 -sint/ ,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3,根据显微镜物镜衍射分辨率的计算公式：
,
o =
NA
公式中，5代表显微镜物镜能分辨的最小物点间隔；2为光的波长，对目视光学仪器来说, 取平均波长2 = 〃"" = 500"〃? ； 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0、数值孔径NA、显微镜目镜的焦距人与系统出射光瞳直径之 间满足以下关系：
Z NA r _NA 250
u = tn
0冃0 口
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 o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0,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 x,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：
一个NA = £心丄，高倍率的显微镜物镜(不包括浸液物镜)，其数值 f' 2
,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2；不大于20mm o对无 限筒长的显微镜来说，筒镜的物方视场角为：
tga)= -^―==, (0=° h 250
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5° o
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