物鏡
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物鏡
一、含義：
物鏡是由若干個(gè)透鏡組合而成的一個(gè)透鏡組。組合使用的目的是為了克服單個(gè)透鏡的成像缺陷，提高物
鏡的光學(xué)質(zhì)量。顯微鏡的放大作用主要取決于物鏡，物鏡質(zhì)量的好壞直接影響顯微鏡映像質(zhì)量，它是決
定顯微鏡的分辨率和成像清晰程度的主要部件，所以對物鏡的校正是很重要的。
二、物鏡類型：
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消色差物鏡
1.消色差物鏡 (Achromatic) 是較常見的一種物鏡（表1-1），由若干組曲面半徑不同的一正一負(fù)膠合透
鏡組成，只能矯正光譜線中紅光和藍(lán)光的軸向色差。同時(shí)校正了軸上點(diǎn)球差和近軸點(diǎn)慧差，這種物鏡不
能消除二級光譜，只校正黃、綠波區(qū)的球差、色差，未消除剩余色差和其他波區(qū)的球差、色差，并且像
場彎曲仍很大，也就是說，只能得到視場中間范圍清晰的像。使用時(shí)宜以黃綠光作照明光源，或在光程
中插入黃綠色濾光片。 此類物鏡結(jié)構(gòu)簡單，經(jīng)濟(jì)實(shí)用，常和福根目鏡、校正目鏡配合使用，被廣泛地
應(yīng)用在中、低倍顯微鏡上。在黑白照相時(shí)，可采用綠色濾色片減少殘余的軸向色差，獲得對比度好的相
片。
2.復(fù)消色差物鏡（Apochromatic） 由多組特殊光學(xué)玻璃和熒石制成的高級透鏡組組合而成。將紅、藍(lán)
、黃光校正了軸向色差，消除了二級光譜，因此像質(zhì)很好，但鏡片多、加工和裝校都較困難。色差的校
正在可見光的全部波區(qū)。若加入藍(lán)色或黃色濾光片效果更佳。它是顯微鏡中最優(yōu)良的物鏡，對球面差、
色差都有較好的校正，適用于高倍放大。但仍需與補(bǔ)償目鏡配合使用，以消除殘余色差。
3.平面消色差物鏡(Plana chromatic) 采用多鏡片組合的復(fù)雜光學(xué)結(jié)構(gòu)，較好地校正像散和像場彎曲，
使整個(gè)視場都能顯示清晰，適用于顯微攝影。該物鏡對球差和色差的校正仍限于黃綠波區(qū)，且還存在剩
余色差。
4.平面復(fù)消色差物鏡(PF, Planapochromat) 除進(jìn)一步作像場彎曲校正外，其它像差校正程度均與復(fù)消
色差物鏡相同，使映像清晰、平坦；但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造困難。
5.半復(fù)消色差物鏡(Halfapochromatic) 部分鏡片用熒石制成，故又稱熒石物鏡，性能比消色差物鏡好，
價(jià)格比復(fù)消色差物鏡便宜。校正像差程度介于消色差與復(fù)消色差兩種物鏡之間，但其它光學(xué)性質(zhì)都與后
者相近；價(jià)格低廉，最好與補(bǔ)償目鏡配合使用。
三、物鏡性質(zhì)
1.放大倍數(shù)：物鏡的放大倍數(shù)，是指物鏡在線長度上放大實(shí)物倍數(shù)的能力指標(biāo)。有兩種表示方法，一種
是直接在物鏡上刻度出如8×、10×、45×等；另一種則是在物鏡上刻度出該物鏡的焦距f，焦距越短，放
大倍數(shù)越高。前一種物鏡放大倍數(shù)公式為M物=L/f物，L是光學(xué)鏡筒長度，L值在設(shè)計(jì)時(shí)是很準(zhǔn)確的，但
實(shí)際應(yīng)用時(shí)，因不好量度，常用機(jī)械鏡筒長度。機(jī)械鏡筒長度是指從顯微鏡目鏡接口處之直線距離。每
一物鏡上都用數(shù)字標(biāo)明了機(jī)械鏡筒長度。
2.鏡筒長度： 鏡筒長度是指物鏡底面到目鏡頂面的距離。由于物鏡的像差是依據(jù)一定位置的映像來校
正的，因此物鏡一定要在規(guī)定的機(jī)械鏡筒長度上使用，一般顯微鏡的機(jī)械鏡筒長度多為160mm、
170mm、190mm。金相顯微鏡在攝影時(shí)，由于放大倍數(shù)不同，映像投射距離變化很大，因此，優(yōu)良的
物鏡的像差是按任意鏡筒長度校正的，即在無限長范圍內(nèi)，物鏡像差均已校正。
3.數(shù)值孔徑：數(shù)值孔徑表征物鏡的聚光能力，是物鏡的重要性質(zhì)之一，通常以“NA”表示。物鏡的數(shù)值孔
徑大小決定了物鏡的分辨能力（鑒別）及有效放大倍數(shù)。根據(jù)理論推導(dǎo)得出：NA=nsinθ
增大物鏡的數(shù)值孔徑有兩個(gè)途徑：
（1） 增大透鏡的直徑或減小物鏡的焦距即設(shè)計(jì)短焦距的物鏡，以增大孔徑半角θ。但此法會(huì)導(dǎo)致
像差增加及制造困難，一般不采用。實(shí)際上sinθ的最大值只能達(dá)到0.95。
（2） 增大物鏡與觀察物之間的折射率n。干系物鏡是以空氣為介質(zhì)的，折射率n=1，一般用于低倍
物鏡。油系物鏡常以松柏油（n=1.515，NA=1.4）、α-壹代溴萘（n=1.658，NA=1.60）為介質(zhì)，用于
高倍物鏡。油物鏡的數(shù)值孔徑此時(shí)可達(dá)1.30~1.40，其放大倍數(shù)可達(dá)100~140倍。但干系物鏡不能隨便
用油作為介質(zhì)。
物鏡的最小數(shù)值孔徑系列、參數(shù)、色圈及標(biāo)志
4.物鏡的標(biāo)記：在物鏡外殼上刻有不同的標(biāo)記浸液記號、物鏡類別、放大率、數(shù)值孔徑、機(jī)械筒長度、
蓋玻片厚度。油：表示浸液為松柏油；100×/1.25：表示物鏡放大率為100倍，數(shù)值孔徑1.25；160/0：
表示機(jī)械鏡筒長度為160mm；“0”表示無蓋玻片。有些物鏡刻有160/-：表示機(jī)械鏡筒長度為160mm。“-
”表示可有可無蓋玻片。在物鏡上刻有色圈表示物鏡的放大率。高倍物鏡通常都為油浸系，油鏡頭用“油
”（或OiI，?L，HL）或外殼涂一黑圈來表示。
5.物鏡的鑒別能力：顯微鏡的鑒別能力主要決定于物鏡。物鏡的鑒別能力可分為平面和垂直鑒別能力。
物鏡（objective lens）
物鏡是決定光學(xué)顯微鏡基本性能及功能的最重要的光學(xué)單元。因此，為了滿足各種需求和應(yīng)用，我們研制出了有著最佳光學(xué)性能和功能（這對光學(xué)顯微鏡而言也是最重要的性能和功能）的物鏡，推出了能滿足不同使用目的多種物鏡產(chǎn)品。
基本上物鏡是按照用途、觀察方法、倍率、性能（像差校正）等進(jìn)行分類。其中，按照像差校正來分類的是顯微鏡物鏡特有的分類方法。
下面進(jìn)行分類。
按照用途分類
光學(xué)顯微鏡的用途大致分為“生物用”和“工業(yè)用”兩大類。物鏡也可以按照這兩種用途，劃分為“生物用”物鏡和“工業(yè)用”物鏡。在生物用途中，一般是將生物標(biāo)本放置在載玻片上，并從上面用蓋玻片遮蓋固定。由于生物用物鏡需要透過蓋玻片觀察樣本，所以采用了考慮到蓋玻片的厚度（一般為0.17 mm）的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。而在工業(yè)用途中，一般是在金屬礦物切片、半導(dǎo)體晶圓和電子零部件等標(biāo)本沒有被遮蓋的狀態(tài)下進(jìn)行觀察的。所以，工業(yè)用物鏡采用了物鏡前端和標(biāo)本之間沒有蓋玻片狀態(tài)的最佳光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
按照觀察方法分類
根據(jù)光學(xué)顯微鏡的用途開發(fā)出了各種觀察方法，也開發(fā)出了對應(yīng)這些觀察方法的專用物鏡。可以按照觀察方法劃分物鏡。例如，“反射暗視場用物鏡（內(nèi)部透鏡的周圍有環(huán)狀照明光路）”、“微分干涉用物鏡（減少透鏡內(nèi)部失真，優(yōu)化了與微分干涉棱鏡的光學(xué)特性組合）”、“熒光用物鏡（改善了近紫外線領(lǐng)域的透射率）”、“偏振光用物鏡（極大程度減少了透鏡的內(nèi)部失真）”和“相位差用物鏡（內(nèi)置相位板）”等。
按照倍率分類
光學(xué)顯微鏡是在稱為物鏡轉(zhuǎn)換器的裝置上安裝了多個(gè)物鏡。這樣，只要轉(zhuǎn)動(dòng)物鏡轉(zhuǎn)換器就可以把低倍率切換到高倍率，輕松完成倍率變換。所以一般是在物鏡轉(zhuǎn)換器上安裝一組不同倍率的物鏡。為此，物鏡的產(chǎn)品陣容由低倍率（5×、10×）、中倍率（20×、50×）和高倍率（100×）物鏡構(gòu)成。其中，特別是在高倍率產(chǎn)品中，為了得到高清晰成像，我們推出了在物鏡的前端與標(biāo)本之間填充合成油、水等折射率高的專用液體的液浸物鏡。另外，還推出了用于特殊用途的超低倍率（1.25×、2.5×）和超高倍率（150×）物鏡等。
像差校正和物鏡的分類
按照色差校正分類（等級）根據(jù)軸色差（縱向色差）校正的程度，可以分為消色差、半消色差（Fluorite）、復(fù)消色差3個(gè)等級。產(chǎn)品陣容也按照普通級別到高級別排序，價(jià)格不同。
在軸色差校正中，校正了C線（紅：656.3 nm）和F線（藍(lán)：486.1 nm）2種顏色的物鏡稱為消色差透鏡（Achromat）。紅藍(lán)2色以外的光線（一般以紫色的g線為對象：435.8 nm）在離開焦平面的面上聚焦，這個(gè)g線稱為2級光譜。色差校正范圍達(dá)到這個(gè)2級光譜的物鏡稱為復(fù)消色差透鏡（Apochromat）。也就是說，復(fù)消色差透鏡是對3色（C線、F線、g線）進(jìn)行軸色差校正的物鏡。下圖以波像差表示了消色差透鏡和復(fù)消色差透鏡在色差校正上的不同。由此圖可以看出，與消色差透鏡相比，復(fù)消色差透鏡可以在更廣的波長范圍內(nèi)校正色差。
色差校正的比較（消色差透鏡和復(fù)消色差透鏡）
另一方面，該2級光譜（g線）的色差校正程度，被設(shè)定在消色差透鏡和復(fù)消色差透鏡的中間的物鏡，稱為半消色差透鏡（或稱Fluorite）。
顯微鏡物鏡的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，一般來說N.A.越大，或者倍率越大，2級光譜的軸色差校正就越難。不僅如此，由于軸色差以外的各種像差以及正弦條件都必須校正，所以難度更大。為此，越是高倍率的復(fù)消色差物鏡，就需要越多的像差校正透鏡，甚至有使用了超過15枚透鏡的物鏡。為了精確的校正2級光譜，有效的做法是將2級光譜色散較少的“異常色散玻璃”用于透鏡組中效果較強(qiáng)的凸透鏡。該異常色散玻璃的代表是螢石（CaF2），雖然螢石的加工比較困難，但是長久以來一直被用于復(fù)消色差透鏡。最近開發(fā)出了異常色散性與螢石非常接近的光學(xué)玻璃，加工性也得到了改善，逐漸取代螢石成為主流。
按照場曲校正分類在顯微鏡的使用中，照片拍攝和電視攝像機(jī)的拍攝越來越普通，對鮮明的全視場影像的要求也越來越多。因此，能精確校正場曲的平面（Plan）物鏡逐漸成為主流。在校正場曲時(shí)，需要將光學(xué)系統(tǒng)的匹茲堡（Petzval）曲率設(shè)計(jì)為0，而倍率越高的物鏡其校正越難（難以與其他各種像差校正并存）。被校正過的物鏡上，前端的鏡片組為較強(qiáng)凹下形狀，而后端的鏡片組的構(gòu)成也為強(qiáng)凹下形狀，這是透鏡類型上的特征。
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