光学设计显微镜物镜设计

第十六章第十六章显微镜物镜设计显微镜物镜设计 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 §§1 1 显微镜物镜的光学特性显微镜物镜的光学特性 一一显微镜物镜的倍率显微镜物镜的倍率 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   L (1)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： 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。 二二显微镜物镜的数值孔径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：  0.61 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 0.0005mm  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： D  2 NA /f 一个NA  0.25的显微镜物镜 D1  ，高倍率的显微镜物镜（不包括浸液物镜） ，其数值 f/2 孔径最大可能达到0.95，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。 三三显微镜的视场显微镜的视场 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： / y/10 tg＝＝0.04，＝2.30 f 筒 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。 视场小，也是显微镜物镜的一个特点。 0 四四显微镜物镜设计中应校正的像差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 2显微镜物镜的类型显微镜物镜的类型 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。 一一消色差物镜消色差物镜 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物镜。在这类物镜中只校 正球差、 正弦差及一般的消色差， 而不校正二级光谱色差， 所以称为消色差物镜。 这类物镜， 根据它们的倍率和数值孔径不同又分为低倍、中倍、高倍、浸液物镜。 1 1 低倍消色差物镜低倍消色差物镜 这类物镜一般用于倍率较低、数值孔径较小，视场较小的情况。一般倍率大约为 3 ~ 4，数值孔径在0.1左右，对应的相对孔径大约为1 4左右。由于相对孔径不大，视 场比较小，只要求校正球差、慧差、 轴向色差。因此这类物镜一般都采用最简单的双胶合透 镜作为物镜。 它的设计方法与一般的双胶合望远镜物镜的设计方法十分相似，不同的只是物体的位 置不在无限远，而是位于有限距离。求解的关键是选择合适的玻璃组合， 以便同时校正三种 像差。 2 2 中倍消色差物镜中倍消色差物镜 这类物镜的倍率大约为8 ~12，数值孔径为0.2 ~ 0.3。最常用的为：数值孔径 NA  0.25，倍率10。 由于物镜的数值孔径加大， 对应的相对孔径增加，孔 径高级球差将大大增加， 采用一个双胶合透镜已经不能满 足要求。为了减小孔径高级球差，这类物镜一般采用两个 双胶合透镜的组合，如图16－3 所示，称为李斯特物镜。 如果每个双胶合透镜分别校正轴向色差， 即双胶合透 镜的    0，这样整个物镜能同时校正轴向色差和 图 16－3李斯特物镜 倍率色差。 两个透镜组之间通常有较大的空气间隔，这是因为如果两个透镜组密接，则整个物镜 组与一个密接薄透镜组相当， 仍然只能校正两种单色像差， 如果两个透镜组分离，则相当于 由两个分离薄透镜组构成的薄透镜系统， 最多可能校正四种单色像差， 这就增加了系统校正 像差的可能性， 因此除了显微镜物镜中必须校正的球差和慧差以外， 还有可能在某种程度上 校正像散，以提高轴外物点的成像质量。 对于球差和慧差也可以各自单独校正，但那样，每个双胶合透镜组在校正了球差、慧 差之后， 一般总要留有一定量的负像散， 再加上系统的不可避免的场曲， 使得像面弯曲加重。 所以还是两个双胶合透镜的球差、 慧差相互补偿为好，这样可以在整个物镜校正好球差、 慧 差的同时，产生一定量的正像散以补偿场曲。 这种物镜可以应用“薄透镜系统