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光學(xué)顯微鏡最關(guān)鍵的零件就是物鏡，也是最難設(shè)計(jì)和裝配的零件，物鏡是由一些列透鏡組裝而成，負(fù)責(zé)將樣品發(fā)出的光匯聚后經(jīng)過目鏡進(jìn)行成像，是光從樣品傳輸?shù)较嗝嫠?jīng)過的第一個(gè)傳輸元件，最接近物體，也因此得名——物鏡。物鏡鏡筒上都會(huì)印有一些代表物鏡信息的標(biāo)識(shí)，今天我們一起了解一下物鏡標(biāo)識(shí)所代表的含義。

1.生產(chǎn)廠家：好一點(diǎn)的商業(yè)物鏡上都會(huì)有生廠廠家的字樣，比如ZEISS、LEICA、Nikon、OLYMPUS等，都是常見的顯微物鏡制造商，物鏡品質(zhì)也相對較好。

2.物鏡校正因子：在生產(chǎn)廠家的下面，會(huì)有一些英文字母，Plan、APO、Fluor等，許多初識(shí)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(shè)計(jì)時(shí)對像差的矯正級別標(biāo)識(shí)，也包括使用場景（比如用于紅外、紫外等不同波長），值得一提的是不同廠家對于不同標(biāo)準(zhǔn)的寫法會(huì)有區(qū)別，但本質(zhì)代表著物鏡的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，感興趣的可以自行查閱。光學(xué)透鏡成像經(jīng)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(gè)透鏡的顯微物鏡尤為關(guān)鍵，根據(jù)矯正程度大致分為以下幾個(gè)級別，如圖，顯微物鏡的銘牌上會(huì)標(biāo)注這些矯正信息，物鏡價(jià)格也會(huì)隨著矯正級別的增加而顯著增加。

消色差物鏡（Achromatic Objective）：是實(shí)驗(yàn)室常用的物鏡，消色差物鏡針對藍(lán)光（486nm）和紅光（656nm）兩種波長進(jìn)行垂軸色差矯正，同時(shí)也對546nm波長的光進(jìn)行球差矯正。

平場消色差物鏡（Plan Achromatic Objective）：消色差物鏡并沒有進(jìn)行場曲矯正，平場消色差物鏡則是對消色差物鏡進(jìn)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(fù)消色差透鏡（Semi-apochromats），相比消色差物鏡，對更多波長進(jìn)行色差、球差的矯正，也具有更好的成像質(zhì)量。

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

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

在這著重講一下場曲矯正，想要矯正場曲像差，需要在光學(xué)設(shè)計(jì)上增加相當(dāng)多的光學(xué)透鏡，如圖所示為消色差透鏡和平場消色差透鏡的光學(xué)結(jié)構(gòu)對比，透鏡多物鏡的制作成本自然會(huì)升高，但場曲矯正在高端物鏡設(shè)計(jì)中是十分必要的，尤其對于復(fù)消色差物鏡。

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

實(shí)際上物鏡的放大倍率取決于鏡筒透鏡和物鏡的焦距，公式如下：

不同廠商的物鏡是根據(jù)自己的顯微鏡設(shè)計(jì)的，因此只有用在自己的顯微鏡上才是標(biāo)注的放大倍率。那如果把物鏡應(yīng)用在其他顯微鏡或者自制顯微鏡上呢？每個(gè)廠家的顯微鏡鏡筒透鏡焦距是固定的，如下圖：

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

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

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

5.蓋玻片厚度：有些生物顯微鏡在使用時(shí)需要在樣品上蓋一個(gè)蓋玻片其厚度通常為0.17mm，針對這種應(yīng)用的顯微物鏡在設(shè)計(jì)時(shí)就考慮到這0.17mm的距離矯正，其銘牌上也會(huì)標(biāo)注，如圖所示。

6.有限遠(yuǎn)共軛&無限遠(yuǎn)共軛：這里的有限遠(yuǎn)、無限遠(yuǎn)共軛指的是物面與像面這兩個(gè)共軛面而言的，有限遠(yuǎn)共軛顯微物鏡：從樣品散射的光被物鏡匯集到一點(diǎn)，然后通過目鏡成像，有限共軛顯微鏡有兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)DIN(Deutsceh Industrie Norm)、JIS(JapaneseIndustrial Standard)，如圖所示。對于這兩種標(biāo)準(zhǔn)的顯微鏡，有幾個(gè)長度需要注意，機(jī)械筒長（MechanicalTube Length, MTL）、光學(xué)筒長(Optical Tube Length, OTL)、齊焦距(Parfocal Distance)。關(guān)于這三個(gè)長度的定義如下：

機(jī)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(xué)筒長：從物鏡后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(biāo)準(zhǔn)物鏡的安裝螺紋規(guī)格都是RMS（0.7965" x 36TPI）

無限遠(yuǎn)共軛顯微物鏡：從樣品散射出的光經(jīng)過物鏡后呈平行光束，通過在物鏡與目鏡之間加一個(gè)管透鏡來成中間像，這種現(xiàn)代的顯微鏡設(shè)計(jì)方式較傳統(tǒng)顯微鏡設(shè)計(jì)多了一個(gè)透鏡，但卻使得顯微鏡的配置更加靈活，及時(shí)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(kuò)展熒光等成像模塊以及濾光片等，現(xiàn)在顯微鏡系統(tǒng)多采用無限遠(yuǎn)共軛顯微鏡。

原文標(biāo)題：聊聊顯微物鏡的有關(guān)知識(shí)

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