判斷顯微鏡物鏡的優(yōu)劣

 顯微鏡光學(xué)系統(tǒng)的主要構(gòu)件是顯微鏡物鏡和目鏡,其任務(wù)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(guān),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(xiàng)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(gè)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(shí)關(guān)系，當(dāng)焦點(diǎn)變動時(shí)可以看到殘余的色差。但一般低倍放大時(shí)影響不大。鑒于其黃綠波區(qū)校正較佳，使用時(shí)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(jià)格又低，故應(yīng)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(jìn)一步校正，因此投象平直，使視域邊緣與中心能同時(shí)清晰成象。所以適于金相顯微鏡攝影。

●復(fù)消色差物鏡及平面復(fù)消色差物鏡
復(fù)消色差物鏡是由多組透鏡組合而成的。色差的校正實(shí)際上等于可風(fēng)光的全部波區(qū)，但部分放大率色差仍然存在。當(dāng)其與福根目鏡或其它簡單組合目鏡配用時(shí)，這些殘存的色差會使映像邊緣略帶色彩。因此，需要與補(bǔ)償型目鏡配合使用。復(fù)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(lán)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(jìn)一步作象彎曲的校正外，其它象差校正程度與復(fù)消色物鏡相同。使用復(fù)消色差物鏡造象的平坦程度不如消色差物鏡，而平面復(fù)消色段物鏡可使映象清晰、平坦、進(jìn)一步提高成象質(zhì)量。

●半復(fù)消色差物鏡
顯微鏡就象差校正程度而言，半復(fù)消色差物鏡介于消色差與復(fù)消色差物鏡之間，但其它光學(xué)性質(zhì)都與復(fù)消色差物鏡接近。其售價(jià)較低廉，常用來替代復(fù)消色差物鏡，使用時(shí)最好能與補(bǔ)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(qiáng)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(dǎo)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(gè)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(shí)際上sinu的最大值只能達(dá)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(dāng)光線沿光軸方向射向觀察物時(shí)，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(shí)，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(xì)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(jìn)入物鏡。

一般高倍顯微鏡物鏡常設(shè)計(jì)為油鏡。油鏡是按某一介質(zhì)特別設(shè)計(jì)的，因此應(yīng)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(dá)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(gè)物點(diǎn)清晰分辨的最大能力，以兩個(gè)物點(diǎn)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(xué)儀器成象時(shí)，每一物點(diǎn)對應(yīng)有一象點(diǎn)，但由于光的衍射，物點(diǎn)的象不再是一個(gè)幾何點(diǎn)，而是有一定大小的衍射亮斑?？拷膬蓚€(gè)物點(diǎn)所成的象一兩個(gè)亮斑如果互相重疊，則導(dǎo)致這兩個(gè)物點(diǎn)分辨不清，從而限制了光學(xué)系統(tǒng)的分辨本領(lǐng)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(lǐng)愈小。

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

瑞利(Rayleigh)提出一個(gè)推測(又稱瑞利準(zhǔn)則)：認(rèn)為當(dāng)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(shí)，A1、A2是可以分辨的，將此時(shí)定出的兩物點(diǎn)距離A1、A2作為光學(xué)統(tǒng)的分辨極限。θ0稱為極限分辨角。不言而喻，當(dāng)θ＞θ0時(shí)是完全可分辨的，θ＜θ0時(shí)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?yàn)?theta;0很小，所以由圖2-4得：
                                                              

d′≈θ0=1.22λS / D
    顯微鏡物鏡在設(shè)計(jì)時(shí)，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(diǎn)上的孔徑角；d和d′分別為物點(diǎn)、象點(diǎn)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(dāng)?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(shí)常用黃綠光(λ ≈4400A)，則可使分辨能力提高25%左右。

對于光學(xué)金相顯微鏡，若用藍(lán)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(dá)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?yàn)槟跨R是不能進(jìn)一步增大整個(gè)光學(xué)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(jìn)一步提高顯微鏡的鑒別率應(yīng)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(shí)所對應(yīng)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(guān)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(dāng)λ=5500A時(shí)， M有效=(500～1000)N.A.=325～650×

因此，應(yīng)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(xì)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(diǎn)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(yīng)位于不同平面上目的物細(xì)節(jié)能否清晰成象的一個(gè)性質(zhì)，垂直鑒別率的大小由滿意成象的平面的兩個(gè)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(gè)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(xué)鏡筒長(△)而變化。只有確定了光學(xué)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(shè)計(jì)的光學(xué)鏡筒長來標(biāo)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(xué)鏡筒長為△時(shí)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(shè)計(jì)時(shí)的情況，使象差復(fù)又呈現(xiàn)。因此，物鏡一定要在規(guī)定的機(jī)械鏡筒長度的距離，對指定的一套光學(xué)儀器是固定不變的。一般顯微鏡的機(jī)械鏡筒長度多數(shù)為160mm，170mm，190mm，此外，金相顯微鏡在攝影時(shí)，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(biāo)志
物鏡的主要性能已標(biāo)注在物鏡的外殼上，內(nèi)容包括：

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

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

●放大倍數(shù)
如標(biāo)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(biāo)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(jī)械鏡筒長度
如標(biāo)有170mm，190mm，∞/0分別表示物鏡適用的機(jī)械筒長度為170mm，190mm，無限長。

●油浸物鏡
凡油浸物鏡均有特別標(biāo)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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