聊聊顯微物鏡的有關知識

光學顯微鏡最關鍵的零件就是物鏡，也是最難設計和裝配的零件，物鏡是由一些列透鏡組裝而成，負責將樣品發出的光匯聚後經過目鏡進行成像，是光從樣品傳輸到相面所經過的第一個傳輸元件，最接近物體，也因此得名——物鏡。物鏡鏡筒上都會印有一些代表物鏡信息的標識，今天我們一起了解一下物鏡標識所代表的含義。

1.生產廠家：好一點的商業物鏡上都會有生廠廠家的字樣，比如ZEISS、LEICA、Nikon、OLYMPUS等，都是常見的顯微物鏡製造商，物鏡品質也相對較好。

2.物鏡校正因子：在生產廠家的下面，會有一些英文字母，Plan、APO、Fluor等，許多初識物鏡者不能很好的理解這些字母的含義，這些字母是物鏡設計時對像差的矯正級別標識，也包括使用場景（比如用於紅外、紫外等不同波長），值得一提的是不同廠家對於不同標準的寫法會有區別，但本質代表着物鏡的設計標準，感興趣的可以自行查閲。光學透鏡成像經常涉及到球差、慧差、像散、場曲、畸變、色差等像差，矯正這些像差對含有多個透鏡的顯微物鏡尤為關鍵，根據矯正程度大致分為以下幾個級別，如圖，顯微物鏡的銘牌上會標註這些矯正信息，物鏡價格也會隨着矯正級別的增加而顯著增加。

消色差物鏡（Achromatic Objective）：是實驗室常用的物鏡，消色差物鏡針對藍光（486nm）和紅光（656nm）兩種波長進行垂軸色差矯正，同時也對546nm波長的光進行球差矯正。

平場消色差物鏡（Plan Achromatic Objective）：消色差物鏡並沒有進行場曲矯正，平場消色差物鏡則是對消色差物鏡進行場曲矯正，使得曲面場變成平面。

螢石物鏡（Fluorite Objective）：以一種礦物螢石命名，也稱為半復消色差透鏡（Semi-apochromats），相比消色差物鏡，對更多波長進行色差、球差的矯正，也具有更好的成像質量。

平場螢石物鏡（Plan Fluorite Objective）同樣平場螢石物鏡沒有進行場曲矯正，針對螢石物鏡進行場曲矯正，更好的提升成像質量。

平場復消色差物鏡（Plan Apochromatic） 對更多顏色的光進行色差、球差矯正，幾乎消除色差，復消色差透鏡都是帶了場曲矯正，是白光成像的最佳選擇。

在這着重講一下場曲矯正，想要矯正場曲像差，需要在光學設計上增加相當多的光學透鏡，如圖所示為消色差透鏡和平場消色差透鏡的光學結構對比，透鏡多物鏡的製作成本自然會升高，但場曲矯正在高端物鏡設計中是十分必要的，尤其對於復消色差物鏡。

3.放大倍率：物鏡上會標有放大倍率：10X、20X、50X、100X等，放大倍率是我們選擇顯微物鏡時主要考慮因素之一，但我們買的物鏡上標有50X，在我們使用中真的就放大50倍嗎？

實際上物鏡的放大倍率取決於鏡筒透鏡和物鏡的焦距，公式如下：

不同廠商的物鏡是根據自己的顯微鏡設計的，因此只有用在自己的顯微鏡上才是標註的放大倍率。那如果把物鏡應用在其他顯微鏡或者自制顯微鏡上呢？每個廠家的顯微鏡鏡筒透鏡焦距是固定的，如下圖：

根據公式我們可以計算出不同廠家物鏡的焦距，在根據你所使用的顯微鏡的鏡筒透鏡焦距，可以計算出放大倍率。比如Nikon50X物鏡的焦距為200/50=4mm，如果應用在Olympus顯微鏡上，則放大倍率為180/4=45X。

4.數值孔徑：數值孔徑（Numerical Aperture，NA）是顯微物鏡的重要參數，是焦距與入瞳直徑的函數：

顯微物鏡的光學分辨率Resolution = λ/2n(sin(θ))，可將NA決定着顯微鏡的分辨率，NA值越大，其分辨率越高，NA中的n指的是工作介質的折射率，空氣中n=1，θ不超過90°，因此空氣介質中的NA最大不超過1，若想提升NA，可以更換介質，比如浸潤在油中。

5.蓋玻片厚度：有些生物顯微鏡在使用時需要在樣品上蓋一個蓋玻片其厚度通常為0.17mm，針對這種應用的顯微物鏡在設計時就考慮到這0.17mm的距離矯正，其銘牌上也會標註，如圖所示。

6.有限遠共軛&無限遠共軛：這裏的有限遠、無限遠共軛指的是物面與像面這兩個共軛面而言的，有限遠共軛顯微物鏡：從樣品散射的光被物鏡彙集到一點，然後通過目鏡成像，有限共軛顯微鏡有兩個標準DIN(Deutsceh Industrie Norm)、JIS(JapaneseIndustrial Standard)，如圖所示。對於這兩種標準的顯微鏡，有幾個長度需要注意，機械筒長（MechanicalTube Length, MTL）、光學筒長(Optical Tube Length, OTL)、齊焦距(Parfocal Distance)。關於這三個長度的定義如下：

機械筒長：從物鏡安裝面到目鏡安裝面的距離，即物鏡凸緣到目鏡凸緣的距離。

光學筒長：從物鏡後焦面到中間像面的距離。

齊焦距：從物鏡安裝面（物鏡凸緣）到觀察物體所在平面的距離。

這兩種標準物鏡的安裝螺紋規格都是RMS（0.7965" x 36TPI）

無限遠共軛顯微物鏡：從樣品散射出的光經過物鏡後呈平行光束，通過在物鏡與目鏡之間加一個管透鏡來成中間像，這種現代的顯微鏡設計方式較傳統顯微鏡設計多了一個透鏡，但卻使得顯微鏡的配置更加靈活，及時物鏡與管透鏡之間的距離變化，也不改變放大倍率，不受之前的距離限制，方便在顯微鏡中擴展熒光等成像模塊以及濾光片等，現在顯微鏡系統多采用無限遠共軛顯微鏡。

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來源:中科院長春光機所