判斷顯微鏡物鏡的優(yōu)劣

 顯微鏡光學系統(tǒng)的主要構(gòu)件是顯微鏡物鏡和目鏡,其任務是放大,并獲得清晰的圖像，市場上顯微鏡物鏡種類很多，究竟如何判斷物鏡的優(yōu)劣呢？

一.物鏡的類型
顯微鏡物鏡的優(yōu)劣直接影響顯微鏡成象的質(zhì)量,這與象差的校正有關,因此,物鏡是根據(jù)象差校正的程度分類的.在第一透鏡成象的象差分晰中已知:對映象質(zhì)量影響最大的是球面差、色差和象場彎曲，前二項對映象中央部分的清晰度有很大影響，而彎場彎曲對攝影邊緣部分有極大影響。

這里，就常用的幾種物鏡特性說明如下。

●消色差及平面消色差物鏡
這兩種物鏡球差色差的校僅為黃、綠、二個波區(qū)，仍然存在其他波區(qū)的球差和色差，因而映象不有得到各色彩間的真實關系，當焦點變動時可以看到殘余的色差。但一般低倍放大時影響不大。鑒于其黃綠波區(qū)校正較佳，使用時宜以黃綠光作為照明光源，或在入色、紅色濾光片，以免顯著暴露未校正的色差。

消色左物鏡常與福根目鏡或校正目鏡相配合，用于低倍、中倍放大。因其結(jié)構(gòu)較為簡單，映象中央部分象差大致可以校正，價格又低，故應用較多。一般臺式顯微鏡物鏡多屬此類。

平面消色差物鏡對象場彎曲作了進一步校正，因此投象平直，使視域邊緣與中心能同時清晰成象。所以適于金相顯微鏡攝影。

●復消色差物鏡及平面復消色差物鏡
復消色差物鏡是由多組透鏡組合而成的。色差的校正實際上等于可風光的全部波區(qū)，但部分放大率色差仍然存在。當其與福根目鏡或其它簡單組合目鏡配用時，這些殘存的色差會使映像邊緣略帶色彩。因此，需要與補償型目鏡配合使用。復消色差物鏡對于光源無任何限制，白光照明也可得到良好的效果。若加入藍色或黃色濾光片效果更佳。它是顯微鏡中最優(yōu)良的一種物鏡。

平面消色差物鏡除進一步作象彎曲的校正外，其它象差校正程度與復消色物鏡相同。使用復消色差物鏡造象的平坦程度不如消色差物鏡，而平面復消色段物鏡可使映象清晰、平坦、進一步提高成象質(zhì)量。

●半復消色差物鏡
顯微鏡就象差校正程度而言，半復消色差物鏡介于消色差與復消色差物鏡之間，但其它光學性質(zhì)都與復消色差物鏡接近。其售價較低廉，常用來替代復消色差物鏡，使用時最好能與補償型目鏡相配合。

此外，尚有特殊用途的高溫反射物鏡，折反型物鏡、紫外線物鏡等，都在各專用顯微鏡中有專述。

二.顯微鏡物鏡的性質(zhì)

●物鏡的數(shù)值孔徑
顯微鏡物鏡的數(shù)值孔徑表征物鏡的聚光能力，是物鏡的重要性質(zhì)之一，增強物鏡的聚光能力可提高物鏡的鑒別率。
數(shù)值孔徑通常以符號“N.A.”表示(即Numerical Aperture)。根據(jù)理論的推導得出：
N.A.=n.sinu
式中n──物鏡與觀察之間介質(zhì)的折射率；
    u──物鏡的孔徑半角

因此，有兩個提高數(shù)字孔徑的途徑：
●增大透鏡的直徑或減少物鏡的焦距，以增大孔徑半角u。此法因?qū)е孪蟛钤龃蠹爸圃炖щy，實際上sinu的最大值只能達到0.95

●增加物鏡與觀察之間的折射率n。是介質(zhì)對物鏡數(shù)值孔徑影響示意圖。當光線沿光軸方向射向觀察物時，自物體S處發(fā)出的反射光除沿SO方向反射外，尚有(S1 S1′)(S2，S2′)等衍射光。(a)是以空氣為介質(zhì)(又稱干系物鏡)的情況，只有(S1 S1′)內(nèi)的衍射光可以通過物鏡，(S1 S1′)以外的衍射光如(S2，S2′)均不能通過物鏡。(b)是物鏡與觀察之間以松柏油或其它油為介質(zhì)(又稱油浸物鏡)時，由于折射率n增加，使衍射光的角度變狹，致使(S2，S2′)甚至(S3，S′3)內(nèi)的衍射光均可通過物鏡。因而使物鏡通過盡可能多的衍射光束，利于鑒別組織細節(jié)。

在相同介質(zhì)中，波長短的光源將有較大的折射率。同理，也將有較多的衍射光束進入物鏡。

一般高倍顯微鏡物鏡常設計為油鏡。油鏡是按某一介質(zhì)特別設計的，因此應按指定介質(zhì)使用。最常用的介質(zhì)是松柏油(n=1.515)，其最大數(shù)值孔徑N.A=1.40；用a-壹代溴萘為介質(zhì)，n=1.658，最高數(shù)值孔徑可達1.60。

●物鏡的鑒別率及顯微鏡的有效放大倍數(shù)
顯微鏡物鏡的鑒別率是指物鏡具有將兩個物點清晰分辨的最大能力，以兩個物點能清晰分辨的最小距離d的倒數(shù)表示。d愈小，表示物鏡的鑒別率愈高。

要明白鑒別率可以有一定的限度，這就要用光通過透鏡后產(chǎn)生衍射現(xiàn)象來解釋。物體通過光學儀器成象時，每一物點對應有一象點，但由于光的衍射，物點的象不再是一個幾何點，而是有一定大小的衍射亮斑。靠近的兩個物點所成的象一兩個亮斑如果互相重疊，則導致這兩個物點分辨不清，從而限制了光學系統(tǒng)的分辨本領一分辨率。顯然，象面上衍射圖象中央亮斑半徑愈大，系統(tǒng)的分辨本領愈小。

如何確定物鏡的極限分辨率，這可由物點A1、A2通過透鏡后的衍射進行分析。A1′、A2′為物點A1、A2的衍射圖象，呈同心環(huán)狀。中心的光線強度最大，衍射環(huán)的光強度隨環(huán)直徑的增加而逐漸減弱。

瑞利(Rayleigh)提出一個推測(又稱瑞利準則)：認為當A1′衍射花樣的第一極小值正好落在A2′衍射花樣的極大值時，A1、A2是可以分辨的，將此時定出的兩物點距離A1、A2作為光學統(tǒng)的分辨極限。θ0稱為極限分辨角。不言而喻，當θ＞θ0時是完全可分辨的，θ＜θ0時是不可分辨的。

由圓孔衍射理論得到：θ0=1.22λ / D

式中λ──入射光波長；
    D──入射光的最大允許孔徑(透鏡直徑)。
    因為θ0很小，所以由圖2-4得：
                                                              

d′≈θ0=1.22λS / D
    顯微鏡物鏡在設計時，總是使它滿足阿貝正弦條件的，即ndsinu=n′d′sinu′

式中n和n′為物、象所在空間的折射率，成象總是在空氣介質(zhì)中，故n′=1；u各u′分別為光線在物、象空間共軛點上的孔徑角；d和d′分別為物點、象點中心斑的間距。

考慮到顯微鏡中入射光并非都是平行光，有傾斜光線，對上式系數(shù)作適當?shù)男拚?，所以式中nsinu就是物鏡的數(shù)值孔徑，因此，上式或者寫：d=0.5λ  /N.A

因此表明：物鏡的數(shù)值孔徑愈大，入射光的波長愈短，則物鏡的分辨能力愈高。在可見光中，觀察時常用黃綠光(λ ≈4400A)，則可使分辨能力提高25%左右。

對于光學金相顯微鏡，若用藍色光，采用油浸物鏡，那么物鏡的最大分辨能力約為1600A。

金相顯微鏡的鑒別率最高只能達到物鏡的鑒別率，故物鏡的鑒別率又可稱為顯微鏡的鑒別率。因為目鏡是不能進一步增大整個光學系統(tǒng)鑒別率的，它最多不過是用來保證物鏡鑒別率的充分利用。若想進一步提高顯微鏡的鑒別率應采用更短波長的電子波，這就是電子顯微鏡。

在顯微鏡中保證物鏡的鑒別率充分利用時所對應的顯微鏡的放大倍數(shù)，稱為顯微鏡的有效放大倍數(shù)。有效放大倍數(shù)可由以下關系推出：人眼在明視距離(250mm)處的分辨能力為0.15～0.30，因此，需將物鏡鑒別的距離d經(jīng)顯微鏡放大后成0.15～0.30mm方能被人眼分辨。若以M表示顯微鏡的放大倍數(shù)，則
d.m=0.15~0.30
M=0.15~0.30 / d=(0.15~0.30)(N.A.) / 0.5λ =0.3~0.6 N.A. / λ

由此可知：顯微鏡的有效放大倍數(shù)由物鏡的數(shù)值孔徑及入射光波長決定。已知有效放大倍數(shù)就可以正確選擇物鏡和目鏡的配合，以充分發(fā)揮物鏡的鑒別能力而又不致造成虛放大。

例如：選用N.A.=0.65的32×物鏡，當λ=5500A時， M有效=(500～1000)N.A.=325～650×

因此，應選擇10～20倍的目鏡配用。如果目鏡的倍數(shù)低于10倍，未充分發(fā)揮物鏡的鑒別能力；如果目鏡的倍數(shù)高于20倍，將會造成虛放大，仍不能顯示物鏡鑒別率的微細結(jié)構(gòu)。

●垂直鑒別率
垂直鑒別率又稱景深，定義為在固定相點的情況下，成象面沿軸向移動仍能保持圖象清晰的范圍。表征物鏡對應位于不同平面上目的物細節(jié)能否清晰成象的一個性質(zhì)，垂直鑒別率的大小由滿意成象的平面的兩個極限位置(位于聚焦平面之前和之后)間的距離來量度。

如果人跟分辨能力為0.15～0.30mm，n為目的物所在介質(zhì)的折射率，(N.A.)為物鏡的數(shù)值孔徑，M為顯微鏡的放大倍數(shù)，則垂直鑒別率h可由下式求出：
h=n / (N.A.).M ×(0.15～0.30)mm
由上式可知：如果要求較大的垂直鑒別率，最好選用數(shù)值孔徑小的物鏡，或減少孔徑光闌以縮小物鏡的工作孔徑，這樣就不可避免降低了顯微鏡的分辨能力。這兩個矛盾因素，只能被具體情況決定取舍。

●物鏡的放大率
由第一章顯微鏡放大原理中可知：物鏡的放大率M=△/F物，這表明，在確定了物鏡的焦距(F物)以后，放大率隨顯微鏡的光學鏡筒長(△)而變化。只有確定了光學顯微鏡筒長△以后，物鏡的放大率才有意義。因此，物鏡的放大率是按設計的光學鏡筒長來標定的，必須在指定的鏡筒長度上使用，否則其放大倍數(shù)將改變。

●顯微鏡鏡筒長度
物鏡的像差是依據(jù)一定位置的映象來校正的。如是以光學鏡筒長為△時校正的透鏡成象情況：G(綠光)R(紅光)均成象于O′處，沒有象差：(a)(c)分別為鏡筒短于及長于原設計時的情況，使象差復又呈現(xiàn)。因此，物鏡一定要在規(guī)定的機械鏡筒長度的距離，對指定的一套光學儀器是固定不變的。一般顯微鏡的機械鏡筒長度多數(shù)為160mm，170mm，190mm，此外，金相顯微鏡在攝影時，由于放大倍率不同，映象投射距離變動成象，物鏡的象差均已校正。

三.顯微鏡物鏡的性能標志
物鏡的主要性能已標注在物鏡的外殼上，內(nèi)容包括：

●物鏡類型
國產(chǎn)物鏡標有物鏡類別的漢語拼音字頭，如平面消色差物鏡標“PC”

西歐各國產(chǎn)物鏡多標有物鏡類別的英文名稱或字頭，如平面消色差物鏡標以“Plana—pchromatic或PI”，消色差物鏡標以“Achromatic”復消色差物鏡標有“Apochromatic”

●放大倍數(shù)
如標以15×，20×，32×，40×等分別表示其放大倍數(shù)為15倍，20倍。32倍，40倍。

●顯微鏡數(shù)值孔徑
物鏡數(shù)值孔徑的數(shù)值均有直接標注，如0.30，0.65，0.95等分別表示物鏡的數(shù)值孔徑為0.30，0.65，0.95

●適用的機械鏡筒長度
如標有170mm，190mm，∞/0分別表示物鏡適用的機械筒長度為170mm，190mm，無限長。

●油浸物鏡
凡油浸物鏡均有特別標志，刻以HI，oil，國產(chǎn)物鏡刻以“油”或漢語拼音字頭“y”。

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