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显微镜物镜设计—— 显微镜物镜的类型

时间:2015/5/24 21:34:43   作者:郑士利   来源:正势利   阅读:1620   评论:0
内容摘要:显微镜物镜的类型根据校正情况不同,显微镜物镜通常分为消色差物镜、复消色差物镜、平像场物镜、平场复消色差物镜、折射和折反射物镜等。一  消色差物镜这是一种结构相对来说比较简单、应用得最多的一类显微镜物镜。在这类物镜中只校正球差、正弦差及一般的消色差,而不校正二级光谱色差,所以称为消...
显微镜物镜的类型
根据校正情况不同,显微镜物镜通常分为消色差物镜、复消色差物镜、平像场物镜、平场复消色差物镜、折射和折反射物镜等。
 
一  消色差物镜
这是一种结构相对来说比较简单、应用得最多的一类显微镜物镜。在这类物镜中只校正球差、正弦差及一般的消色差,而不校正二级光谱色差,所以称为消色差物镜。这类物镜,根据它们的倍率和数值孔径不同又分为低倍、中倍、高倍、浸液物镜。
1 低倍消色差物镜
这类物镜一般用于倍率较低、数值孔径较小,视场较小的情况。一般倍率大约为3x^4x ,数值孔径在0.1左右,对应的相对孔径大约为1\4 左右。由于相对孔径不大,视场比较小,只要求校正球差、慧差、轴向色差。因此这类物镜一般都采用最简单的双胶合透镜作为物镜。
它的设计方法与一般的双胶合望远镜物镜的设计方法十分相似,不同的只是物体的位置不在无限远,而是位于有限距离。求解的关键是选择合适的玻璃组合,以便同时校正三种像差。
2 中倍消色差物镜
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两个透镜组之间通常有较大的空气间隔,这是因为如果两个透镜组密接,则整个物镜组与一个密接薄透镜组相当,仍然只能校正两种单色像差,如果两个透镜组分离,则相当于由两个分离薄透镜组构成的薄透镜系统,最多可能校正四种单色像差,这就增加了系统校正像差的可能性,因此除了显微镜物镜中必须校正的球差和慧差以外,还有可能在某种程度上校正像散,以提高轴外物点的成像质量。
对于球差和慧差也可以各自单独校正,但那样,每个双胶合透镜组在校正了球差、慧差之后,一般总要留有一定量的负像散,再加上系统的不可避免的场曲,使得像面弯曲加重。所以还是两个双胶合透镜的球差、慧差相互补偿为好,这样可以在整个物镜校正好球差、慧差的同时,产生一定量的正像散以补偿场曲。
这种物镜可以应用“薄透镜系统初级像差理论”,象求解望远镜物镜那样用解析法求出其结构。
也可以采用近年来发展起来的“配合法”进行设计。在前、后双胶合透镜分别校正色差的条件下,对前、后双胶合透镜选几种弯曲,求出球差、慧差值,作出前、后双胶合透镜各自的球差、慧差随弯曲而改变的曲线。在前、后双胶合透镜曲线上找出使前、后双胶合透镜球差、慧差相互补偿的弯曲。如果玻璃选择的恰当,总可以找出前、后双胶合透镜相互补偿的解。
3 高倍消色差物镜
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在图16-4(a)中,前片透镜是由一个齐名面和一个平面构成的,齐名面不产生球差和慧差,如果把物平面与前片的第一面(平面)重合,也不产生球差和慧差,但为了工作方便,实际物镜与物平面之间需要留有一定的间隙,这样,透镜的第一面就将产生少量的球差和慧差,它们可以由后面的两个双胶合透镜组进行补偿,前片的色差也同样需要后面的两个双胶合透镜组进行补偿。
在图16-4(b)中,第一个透镜是由一个齐名面和一个平面构成的,不产生球差和慧差。第二个透镜也是由一个齐名面和一个平面构成的,它的第一面产生的少量球差和慧差,以及两个透镜的色差,由后面的两个双胶合透镜组进行补偿。
这种物镜的设计方法,一般是首先根据要求的倍率和数值孔径确定前组的结构,计算出它们的像差,作为后面两个双胶合透镜组的像差补偿要求,然后进行后组的设计。
4 浸液物镜
显微镜物镜的分辨率决定于其数值孔径。为了提高显微镜物镜的分辨率,除了增加孔径角 外,还可以提高物方介质的折射率 。普通显微镜,物点位于空气中, ,其数值孔径 不可能大于1。为了提高数值孔径,可以在物体与物镜之间充以
液体,使液体折射率与盖玻片折射率相近,这样就可以认为显微镜物方介质就是该液体,数值孔径表示式中的 就是该液体的折射率,一般可达1.5以上,这就可以大大提高了数值孔径。
这种显微镜物镜的实际结构如图16-6所示,称为阿贝浸液物镜。第一片为盖玻片,盖在被观察的物体上面。盖玻片与前片之间充满油液,通常用杉木油,其折射率n=1.15 。其数值孔径可以达到1.25-1.3 ,倍率为100x 。
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二  复消色差物镜
在一般的消色差显微镜物镜中,物镜的二级光谱色差随着倍率和数值孔径的提高越来越严重,因此在高倍的消色差显微镜物镜中二级光谱往往成为影响成像质量的主要因素,因为二级光谱对应的几何像差数值近似与物镜的焦距成正比,随着物镜倍率的增加,表面上二级光谱色差随着焦距的缩短而减小,但是一定的几何像差数值对应的波像差近似与数值孔径的平方成比例,因此总起来,随着倍率和数值孔径的提高,二级光谱色差所对应的波像差增大。因此在一些质量要求特别高的显微镜中,就要求校正二级光谱色差,称为复消色差物镜。
在显微镜物镜中校正二级光谱色差通常采用特殊的光学材料,早期的复消色差物镜中都采用萤石(氟化钙)(n=1.43385,v=95.5 ),它与一般重冕牌玻璃有相同的部分相对色散,同时具有足够的色散差和折射率差。复消色差物镜的结构一般比相同数值孔径的消色差物镜复杂,因为它要求孔径高级球差和色球差也应得到很好的校正。如图16-7为不同倍率和数值孔径的复消色差物镜的结构,图中划斜线的透镜就是由萤石做成的。
由于萤石的工艺性和化学稳定性不好,同时晶体内部有内应力,因此目前很少采用,而改用 FK(氟冕玻璃)类和 TK(特种冕玻璃)类玻璃。它们结构同样比较复杂。
复消色差物镜往往有较大的剩余倍率色差,要求与具有反号倍率色差的目镜配合使用,这样的专用目镜称为补偿目镜。
近年,国际上出现了一种消倍率色差的所谓CF物镜。这类物镜结构相当复杂,如图16-8为民主德国的CF物镜。
三  平像场物镜
前面讲的所有物镜都没有校正场曲。对于高倍率的显微镜物镜,由于它的焦距很短,尽管它的视场不大,但仍然有严重的场曲存在,所以一般高倍显微镜物镜的清晰视场是十分有限的,只有在视场中心很小范围内才是成像清晰的。对于要求有较大的清晰视场的情况,如显微照相,就要求校正物镜的场曲和像散,主要校正匹兹万和。这样的显微镜物镜可以作到在较大的视场内像场较平,成像清晰,称为平像场物镜。
校正场曲的方法主要是在靠近物面和像面的地方加入负光焦度,可以产生负的匹兹万和而对偏角影响不大。或者加入若干厚的弯月形透镜。
由于显微镜物镜孔径角很大,再加上平像场要求,使得平像场物镜的结构特别复杂。平像场物镜的基本型式如图16-9所示。
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四  平场复消色差物镜
在高级研究用显微镜中,既要求有较大的视场,又要求有优良的像质,平场复消色差物镜就是为了满足以上要求发展起来的。它是在平像场物镜中引入部分萤石代替冕牌玻璃。目前,由于氟冕玻璃等的问世,它有取代萤石(氟化钙)的趋势。
平场复消色差物镜在色球差和二级光谱方面都得到较大改善,数值孔径也较普通物镜大。对波长从0.434um到0.656um光谱区域的像差校正。此类物镜最理想,它既有复消色差物镜的性能,又具有平像场物镜的优点,是目前显微镜发展的方向。
如图16-10所示为民主德国蔡司的超广视野平场复消色差物镜的光学结构。图16-11是联邦德国莱茨的平场复消色差物镜系列的光学结构。图16-12为苏联平场复消色差物镜系列的光学结构。图16-13为日本奥林巴斯的平场复消色差物镜系列的光学结构。
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五  反射和折反射物镜
反射和折反射显微镜物镜比折射式物镜有两个明显的优点:一是容易得到长的工作距离,可以有比焦距大几倍的工作距离;另一个优点是可以有比较宽的消色差谱线范围,并可在光谱的红外和紫外区工作。
反射镜不产生色差,在红外和紫外区也可以工作。而对折射物镜,由于能透过红外和紫外的光学材料很少,难于设计出性能良好的物镜。在折反射物镜中,主要的光焦度由反射镜承担,再加上若干校正透镜校正反射镜的像差,这些校正透镜一般口径不大,可以采用特殊光学材料。
反射和折反射物镜的缺点是存在中心栏光,入射光瞳为环形,使得物镜对于低对比度物体的分辨率下降。另一个缺点是反射面的加工要求高,物镜的装校困难。
如图16-14是一种典型的反射式物镜,NA=0.5 ,倍率50X ,可以在紫外到红外波段范围内工作。图16-15是一种典型的折反射式物镜,NA=0.5 ,倍率40X ,工作距离为18mm 。图16-16是一种折反射式物镜,NA=0.72 ,倍率 53X,可以在紫外波段范围内工作。
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