显微物镜(Microscope Objective)

2021-04-20 14:11:50 浏览:2255

概述

显微物镜是光学显微镜中最重要的成像组件,它是一个复杂的多透镜组件,将来自样本的光聚焦并形成中间图像,然后由目镜放大。物镜负责原始图像的形成,并在确定显微镜能够产生的图像质量方面发挥重要作用。此外,特定样本的放大率和精细样本细节所依据的分辨率在很大程度上也取决于显微镜的物镜。物镜是光学显微镜设计和组装中最复杂的组件,它是光从样本传递到像平面时遇到的第一个器件,也正因与物体最靠近,该器件的名称定为物镜,典型外观形状如图1所示。

图 1 显微物镜图例

显微物镜有多个重要设计特征:放大倍率、数值孔径、工作介质、齐焦距离、工作距离、视场数、物镜校正类型等。

放大倍率(Magnification)

定义:显微物镜的放大倍率特指其垂轴放大率。由于显微物镜是实物成实像,因此为负值,但一般用正值(其绝对值)代表物镜的倍率。显微物镜的放大倍率通常用字母M表示,在物镜外壳有标注“M×”字样,其大小为管镜(亦称套筒透镜,Tubelens)的焦距()对物镜焦距()的比值:

 

需要我们注意的是显微物镜的放大倍率实际上是一导出值,是根据特定管镜焦距计算得出的。每个显微镜制造商的管镜会采用不同的焦距,如下表所示,其中Olympus和Zeiss的管镜的焦距并不是200mm。

表 1 不同厂商管镜焦距

Manufacturer

Tube Lens Focal Length

Leica

f = 200 mm

Mitutoyo

f = 200 mm

Nikon

f = 200 mm

Olympus

f = 180 mm

Thorlabs

f = 200 mm

Zeiss

f = 164.5 mm

因此,当我们组合不同制造商生产的物镜和管镜时,有必要计算物镜的有效放大率,然后再计算系统的放大率。经过上述说明,我们容易得到物镜有效放大率的一个计算公式:

 

公式中,表示我们实际使用的物镜和管镜的焦距,物镜焦距可由该制造商对应的管镜焦距(查上表)和该物镜的标称放大率(见物镜外壳)计算得出,即

当然,Leica、Mitutoyo、Nikon和Thorlabs使用的管镜焦距相同,也就是公式中,组合其中任意一家制造商生产的元件,就无需进行该计算转换了。

显微物镜通常会用不同的颜色来表示放大率,如下表:

表 2 放大率颜色表示

Magnification Color Codes

Color Code

Magnification

Black

Red

4×, 5×

Orange

7.5×

Yellow

10×

Green

16×, 20×

Turquoise

25×

Light Blue

40×, 50×

Cobalt Blue

60×

White

100×

数值孔径(Numerical Aperture)

定义:显微物镜的数值孔径(Numerical Aperture,NA)用来衡量物镜收光接收锥形角的范围,它是一个无量纲量,其定义为

 

其中,θ是物镜最大接收角的一半,n是浸渍介质(工作介质)的折射率。这个介质通常是空气(n =1),但也可以是水(n =1.333)、油(n =1.515)或其它物质,如下图:

 

图 2 物镜数值孔径说明

工作介质为空气的物镜最高NA约为0.95,对应θ 约为72°。需要注意的是物镜标注的NA是其可达到的最大NA,不一定是实际使用中的NA(常称为有效NA)。物镜的NA与分辨物体细节的能力(分辨率)相关,这在空间分辨率词条内容将会介绍。

工作介质(Immersion Medium)

定义:工作介质指明物镜前方和显微镜载物台的盖玻片之间应该使用的介质,如空气,水,油或其他物质。

干物镜是指物镜和样本之间为空气时效果最佳的物镜,而油浸物镜则要求物镜前方和载玻片之间使用一滴油,且这滴油与物镜前表面和盖玻片都需要物理接触。为了达到大于1.0的数值孔径,需要使用水或油以及其他大折射率的物质作为工作介质。

表 3 物镜工作介质颜色表示

Immersion Medium Color Codes

Color Code

Immersion Medium

Black

Oil

White

Water

齐焦距离(Parfocal Length)

定义:齐焦距离也称为齐焦长度,是从物镜螺纹的安装端面到盖玻片(Coverslip)上表面(或不使用盖玻片时到物镜焦面)的距离。Nikon显微镜系列中有CFI45和CFI60系列,分别代表该系列物镜的齐焦距离为45 mm和60 mm。

工作距离(Working Distance)

定义:工作距离是指物镜前表面到焦面的距离,其大小取决于物镜的设计。盖玻片厚度大小及范围的标识刻在物镜上,指明使用盖玻片的规格,无此标识则默认表示无盖玻片配合。物镜的齐焦距离和工作距离的示意如图3所示。

 

图 3 物镜齐焦距离、工作距离及一些参数标识

视场数(Field-of-view Number or Field Number)

定义:目视显微镜中的中间像面上的视场直径,在非目视显微镜中一般指相同标称像方视场直径,以毫米为单位,等于物方视场的大小(mm)与物镜放大倍率的乘积。Olympus显微物镜一般FN为22、26.5,Zeiss显微镜一般FN为20、23、25。

FN = 物方视场直径 × 放大倍率 

物镜校正类型(Correction Type)

实验室显微镜最常用的物镜校正类型是消色差物镜。消色差物镜校正了蓝和红色波段(中心波长分别为486、656 nm)的轴向色差,并校正了绿色波段(如546 nm)的球差。如果在绿色波段对焦,则消色差物镜的有限校正会导致图像具有品红色光晕,即缺乏对视场平坦度(或场曲率)的校正。“平场”是指这类物镜在整个视场中能产生一个平坦的像,平场消色差镜可为消色差物镜的基础上提供平场校正能力。

萤石物镜是第二类常见物镜,其光学透镜由特殊玻璃配方制成,该配方中含有诸如萤石或其它合成玻璃,可以极大改善光学像差。与消色差物镜类似,萤石物镜也针对红色和蓝色波段进行了色差校正,但与消色差物镜不同的是,萤石物镜针对两种或三种颜色进行了球差校正。萤石物镜的数值孔径可以更高,具有比消色差物镜更好的分辨能力,并提供更高的对比度,使其更适合白光下的彩色成像。

第三类物镜,复消色差物镜,相比消色差物镜有更好的校正效果。复消色差透镜几乎消除了色差,通常对三种颜色(红色,绿色和蓝色)进行色差校正,并对两个或三个波长进行球差校正。复消色差物镜是白光彩色显微成像的最佳选择。由于复消色差物镜的校正能力强,通常在给定放大倍数下,可实现的数值孔径要比消色差及萤石物镜高。许多高性能萤石和复消色差物镜色差校正波长为四个(深蓝色,蓝色,绿色,红色)。还有一类物镜叫做超复消色差物镜,超复消色差物镜在可见光范围内提供色差和球差矫正,且能够在多种成像模式下产生平坦的焦点场,同时不会引入渐晕效应。

物镜还带有校正环(Correction Collar),用于补偿适配不同成像条件下的成像需求。

表4为物镜表面常见标识及对应代表含义。

 表 4 物镜表面常见标识

简称

含义

CF/CFI
(Chromatic Aberration Free Infinity)

无限远校正色差(Nikon)

ICS
(Infinity Color-Corrected System)

无限远校正色差(Zeiss)

Achro/Achromat
(Achromatic aberration correction)

消色差

Plan/Pl
(Plane) 

平场

Apo
(Apochromat)

复消色差

Fluor/Fl/Fluar
(Fluorite aberration correction)

萤石消色差

LD/LWD
(Long Working Distance)

长工作距离

DIC/NIC
(Differential/Nomarski Interference Contrast)

微分干涉相差

Ph
(Phase Contrast)

相差显微镜

参考文献

[1] https://www.thorlabschina.cn/newgrouppage9.cfm?objectgroup_id=1044
[2] http://www.nikon.com/products/microscope-solutions/
[3] https://www.olympus-lifescience.com.cn/en/objective-finder/
[4] https://www.micro-shop.zeiss.com/en/de/shop/objectives

参阅:空间分辨率、像差、理想光学系统、无限远光学系统

成像相关器件

作          者: 泮桥成像光电商城

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