判断显微镜物镜的优劣

 显微镜光学系统的主要构件是显微镜物镜和目镜,其任务是放大,并获得清晰的图像，市场上显微镜物镜种类很多，究竟如何判断物镜的优劣呢？

一.物镜的类型
显微镜物镜的优劣直接影响显微镜成象的质量,这与象差的校正有关,因此,物镜是根据象差校正的程度分类的.在第一透镜成象的象差分晰中已知:对映象质量影响最大的是球面差、色差和象场弯曲，前二项对映象中央部分的清晰度有很大影响，而弯场弯曲对摄影边缘部分有极大影响。

这里，就常用的几种物镜特性说明如下。

●消色差及平面消色差物镜
这两种物镜球差色差的校仅为黄、绿、二个波区，仍然存在其他波区的球差和色差，因而映象不有得到各色彩间的真实关系，当焦点变动时可以看到残余的色差。但一般低倍放大时影响不大。鉴于其黄绿波区校正较佳，使用时宜以黄绿光作为照明光源，或在入色、红色滤光片，以免显著暴露未校正的色差。

消色左物镜常与福根目镜或校正目镜相配合，用于低倍、中倍放大。因其结构较为简单，映象中央部分象差大致可以校正，价格又低，故应用较多。一般台式显微镜物镜多属此类。

平面消色差物镜对象场弯曲作了进一步校正，因此投象平直，使视域边缘与中心能同时清晰成象。所以适于金相显微镜摄影。

●复消色差物镜及平面复消色差物镜
复消色差物镜是由多组透镜组合而成的。色差的校正实际上等于可风光的全部波区，但部分放大率色差仍然存在。当其与福根目镜或其它简单组合目镜配用时，这些残存的色差会使映像边缘略带色彩。因此，需要与补偿型目镜配合使用。复消色差物镜对于光源无任何限制，白光照明也可得到良好的效果。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一种物镜。

平面消色差物镜除进一步作象弯曲的校正外，其它象差校正程度与复消色物镜相同。使用复消色差物镜造象的平坦程度不如消色差物镜，而平面复消色段物镜可使映象清晰、平坦、进一步提高成象质量。

●半复消色差物镜
显微镜就象差校正程度而言，半复消色差物镜介于消色差与复消色差物镜之间，但其它光学性质都与复消色差物镜接近。其售价较低廉，常用来替代复消色差物镜，使用时最好能与补偿型目镜相配合。

此外，尚有特殊用途的高温反射物镜，折反型物镜、紫外线物镜等，都在各专用显微镜中有专述。

二.显微镜物镜的性质

●物镜的数值孔径
显微镜物镜的数值孔径表征物镜的聚光能力，是物镜的重要性质之一，增强物镜的聚光能力可提高物镜的鉴别率。
数值孔径通常以符号“N.A.”表示(即Numerical Aperture)。根据理论的推导得出：
N.A.=n.sinu
式中n──物镜与观察之间介质的折射率；
    u──物镜的孔径半角

因此，有两个提高数字孔径的途径：
●增大透镜的直径或减少物镜的焦距，以增大孔径半角u。此法因导致象差增大及制造困难，实际上sinu的最大值只能达到0.95

●增加物镜与观察之间的折射率n。是介质对物镜数值孔径影响示意图。当光线沿光轴方向射向观察物时，自物体S处发出的反射光除沿SO方向反射外，尚有(S1 S1′)(S2，S2′)等衍射光。(a)是以空气为介质(又称干系物镜)的情况，只有(S1 S1′)内的衍射光可以通过物镜，(S1 S1′)以外的衍射光如(S2，S2′)均不能通过物镜。(b)是物镜与观察之间以松柏油或其它油为介质(又称油浸物镜)时，由于折射率n增加，使衍射光的角度变狭，致使(S2，S2′)甚至(S3，S′3)内的衍射光均可通过物镜。因而使物镜通过尽可能多的衍射光束，利于鉴别组织细节。

在相同介质中，波长短的光源将有较大的折射率。同理，也将有较多的衍射光束进入物镜。

一般高倍显微镜物镜常设计为油镜。油镜是按某一介质特别设计的，因此应按指定介质使用。最常用的介质是松柏油(n=1.515)，其最大数值孔径N.A=1.40；用a-壹代溴萘为介质，n=1.658，最高数值孔径可达1.60。

●物镜的鉴别率及显微镜的有效放大倍数
显微镜物镜的鉴别率是指物镜具有将两个物点清晰分辨的最大能力，以两个物点能清晰分辨的最小距离d的倒数表示。d愈小，表示物镜的鉴别率愈高。

要明白鉴别率可以有一定的限度，这就要用光通过透镜后产生衍射现象来解释。物体通过光学仪器成象时，每一物点对应有一象点，但由于光的衍射，物点的象不再是一个几何点，而是有一定大小的衍射亮斑。靠近的两个物点所成的象一两个亮斑如果互相重叠，则导致这两个物点分辨不清，从而限制了光学系统的分辨本领一分辨率。显然，象面上衍射图象中央亮斑半径愈大，系统的分辨本领愈小。

如何确定物镜的极限分辨率，这可由物点A1、A2通过透镜后的衍射进行分析。A1′、A2′为物点A1、A2的衍射图象，呈同心环状。中心的光线强度最大，衍射环的光强度随环直径的增加而逐渐减弱。

瑞利(Rayleigh)提出一个推测(又称瑞利准则)：认为当A1′衍射花样的第一极小值正好落在A2′衍射花样的极大值时，A1、A2是可以分辨的，将此时定出的两物点距离A1、A2作为光学统的分辨极限。θ0称为极限分辨角。不言而喻，当θ＞θ0时是完全可分辨的，θ＜θ0时是不可分辨的。

由圆孔衍射理论得到：θ0=1.22λ / D

式中λ──入射光波长；
    D──入射光的最大允许孔径(透镜直径)。
    因为θ0很小，所以由图2-4得：
                                                              

d′≈θ0=1.22λS / D
    显微镜物镜在设计时，总是使它满足阿贝正弦条件的，即ndsinu=n′d′sinu′

式中n和n′为物、象所在空间的折射率，成象总是在空气介质中，故n′=1；u各u′分别为光线在物、象空间共轭点上的孔径角；d和d′分别为物点、象点中心斑的间距。

考虑到显微镜中入射光并非都是平行光，有倾斜光线，对上式系数作适当的修正，所以式中nsinu就是物镜的数值孔径，因此，上式或者写：d=0.5λ  /N.A

因此表明：物镜的数值孔径愈大，入射光的波长愈短，则物镜的分辨能力愈高。在可见光中，观察时常用黄绿光(λ ≈4400A)，则可使分辨能力提高25%左右。

对于光学金相显微镜，若用蓝色光，采用油浸物镜，那么物镜的最大分辨能力约为1600A。

金相显微镜的鉴别率最高只能达到物镜的鉴别率，故物镜的鉴别率又可称为显微镜的鉴别率。因为目镜是不能进一步增大整个光学系统鉴别率的，它最多不过是用来保证物镜鉴别率的充分利用。若想进一步提高显微镜的鉴别率应采用更短波长的电子波，这就是电子显微镜。

在显微镜中保证物镜的鉴别率充分利用时所对应的显微镜的放大倍数，称为显微镜的有效放大倍数。有效放大倍数可由以下关系推出：人眼在明视距离(250mm)处的分辨能力为0.15～0.30，因此，需将物镜鉴别的距离d经显微镜放大后成0.15～0.30mm方能被人眼分辨。若以M表示显微镜的放大倍数，则
d.m=0.15~0.30
M=0.15~0.30 / d=(0.15~0.30)(N.A.) / 0.5λ =0.3~0.6 N.A. / λ

由此可知：显微镜的有效放大倍数由物镜的数值孔径及入射光波长决定。已知有效放大倍数就可以正确选择物镜和目镜的配合，以充分发挥物镜的鉴别能力而又不致造成虚放大。

例如：选用N.A.=0.65的32×物镜，当λ=5500A时， M有效=(500～1000)N.A.=325～650×

因此，应选择10～20倍的目镜配用。如果目镜的倍数低于10倍，未充分发挥物镜的鉴别能力；如果目镜的倍数高于20倍，将会造成虚放大，仍不能显示物镜鉴别率的微细结构。

●垂直鉴别率
垂直鉴别率又称景深，定义为在固定相点的情况下，成象面沿轴向移动仍能保持图象清晰的范围。表征物镜对应位于不同平面上目的物细节能否清晰成象的一个性质，垂直鉴别率的大小由满意成象的平面的两个极限位置(位于聚焦平面之前和之后)间的距离来量度。

如果人跟分辨能力为0.15～0.30mm，n为目的物所在介质的折射率，(N.A.)为物镜的数值孔径，M为显微镜的放大倍数，则垂直鉴别率h可由下式求出：
h=n / (N.A.).M ×(0.15～0.30)mm
由上式可知：如果要求较大的垂直鉴别率，最好选用数值孔径小的物镜，或减少孔径光阑以缩小物镜的工作孔径，这样就不可避免降低了显微镜的分辨能力。这两个矛盾因素，只能被具体情况决定取舍。

●物镜的放大率
由第一章显微镜放大原理中可知：物镜的放大率M=△/F物，这表明，在确定了物镜的焦距(F物)以后，放大率随显微镜的光学镜筒长(△)而变化。只有确定了光学显微镜筒长△以后，物镜的放大率才有意义。因此，物镜的放大率是按设计的光学镜筒长来标定的，必须在指定的镜筒长度上使用，否则其放大倍数将改变。

●显微镜镜筒长度
物镜的像差是依据一定位置的映象来校正的。如是以光学镜筒长为△时校正的透镜成象情况：G(绿光)R(红光)均成象于O′处，没有象差：(a)(c)分别为镜筒短于及长于原设计时的情况，使象差复又呈现。因此，物镜一定要在规定的机械镜筒长度的距离，对指定的一套光学仪器是固定不变的。一般显微镜的机械镜筒长度多数为160mm，170mm，190mm，此外，金相显微镜在摄影时，由于放大倍率不同，映象投射距离变动成象，物镜的象差均已校正。

三.显微镜物镜的性能标志
物镜的主要性能已标注在物镜的外壳上，内容包括：

●物镜类型
国产物镜标有物镜类别的汉语拼音字头，如平面消色差物镜标“PC”

西欧各国产物镜多标有物镜类别的英文名称或字头，如平面消色差物镜标以“Plana—pchromatic或PI”，消色差物镜标以“Achromatic”复消色差物镜标有“Apochromatic”

●放大倍数
如标以15×，20×，32×，40×等分别表示其放大倍数为15倍，20倍。32倍，40倍。

●显微镜数值孔径
物镜数值孔径的数值均有直接标注，如0.30，0.65，0.95等分别表示物镜的数值孔径为0.30，0.65，0.95

●适用的机械镜筒长度
如标有170mm，190mm，∞/0分别表示物镜适用的机械筒长度为170mm，190mm，无限长。

●油浸物镜
凡油浸物镜均有特别标志，刻以HI，oil，国产物镜刻以“油”或汉语拼音字头“y”。

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