显微物镜的特点及优势

显微镜,顾名思义,具有显微放大作用。我们听过的有关显微镜的名称很多,如生物显微镜、荧光显微镜、相衬显微镜、暗场显微镜、金相显微镜、测量显微镜等。光学专业领域的显微镜,按照光路结构和设计特点的不同,分为有限共轭距显微镜、无限筒长显微镜。有时为了探测物体的相位信息,在显微镜光路中加入相衬板或干涉腔组件,构成相衬显微镜、干涉显微镜或微分干涉显微镜。因此,从光学设计的角度,掌握有限共轭距显微镜、无限筒长显微镜的设计方法,是显微镜设计的根本。而在显微镜光路中添加一定厚度的平板,其引起的像差规律可以参见本书5.6节,对其附加像差的校正由物镜来承担。由此,可很容易转到其他类型显微镜的设计。下面从系统的角度,阐述一般显微镜的光路特点。

早期的显微镜,一般为目视显微镜,显微镜的视放大率或视觉放大率由其物镜决定。后来,随着光电探测技术水平不断提高与器件的研发,现在的显微镜大多用探测器接收成像信息传输到显示设备上,供数字处理或观察。但是,显微镜的基本特点并没有多大改变。常规的特点阐述如下:

物镜要具有互换性,要求不同倍率的显微物镜的共轭距离(由物平面到像平面的距离)相等。有限筒长显微物镜光路原理和无限筒长显微物镜光路原理如图9-4所示。

图9-4　显微物镜光路原理图

(a)有限筒长显微镜光路原理图;(b)无限筒长显微物镜光路原理图

显微物镜的光学特点如下。

(1)显微物镜的倍率β:

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式中,β取负值。

越大,f′越小,所以显微物镜的焦距比望远物镜短得多,可以用作扩束、内窥镜、光纤耦合等。

(2)显微物镜的数值孔径(相对孔径):

NA=n sin U决定了物镜的衍射分辨率,δ=,数值孔径NA与倍率β的关系近似为NA=,倍率越高,NA越大;与物镜常用的相对孔径D/f′的近似关系为=2NA,所以NA=0.25,相当于。

(3)显微物镜的视场:

一般显微物镜的线视场2y′不大于20mm,对于无限筒长的显微物镜,筒镜(又称管镜)焦距随应用情况不同而变化,有250mm、200mm、190mm,有时还有100mm。这里以f′=250mm为例,计算物方孔径角为

总之,显微物镜的普遍光学特点为:焦距短,视场小,相对孔径大。

设计显微物镜时,主要校正像差,分为四层次:对于低倍率显微物镜,校正;对于较高倍率的物镜,追加校正高级孔径像差;对于平场要求的物镜,还需进一步追加像差;如果还有复消色差要求,需要追加二级光谱色差。