物镜教程：理解标识和规格

时间：2025/5/3 11:13:13 作者：Leslie 来源：正势利阅读：52 评论：0

内容摘要：一、从有限共轭到无穷远校正二、分辨率和放大率三、像差校正四、场数(Field Number)

作为一种复杂的多透镜光学系统，物镜不仅是显微镜的关键部件，还经常用于搭建激光聚焦或光子收集装置。选择物镜时需要考虑规格和应用。规格很容易通过镜筒上刻的符号和文字确定，但要为每个具体的应用找到合适的物镜并不容易。

一、从有限共轭到无穷远校正

有限共轭物镜通常由两个或三个透镜(包含一个消色差透镜)组成。物体处于物镜前方但不在焦平面上，只需把眼睛或相机放在物镜后方就能观测图像。

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有限共轭物镜的成像

无穷远校正物镜把物体放在焦平面上，所以输出准直光束(图像位于无穷远)，需要另外通过套筒透镜把图像聚焦在中间像平面。这种物镜刻有一个∞符号，内部包含更多的光学元件，所以尺寸和重量通常都大于有限共轭物镜，当然性能也更好。

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无穷远校正物镜的成像

无穷远校正设计的好处是可以将其它光学元件尽量向后推，方便操控光束，而且如果不同物镜具有相同的齐焦距离(从物镜肩部到样品或盖玻片顶部的距离)，可直接通过一个支架安装并切换物镜，不需要调节套筒透镜。

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切换不同放大率的无穷远校正物镜

物镜两端分别要注意的是工作距离(WD)和螺纹孔径。有些物镜提供很小的工作距离(比如高倍率和高NA物镜)，所以包含缩进机制，以防碰撞样品时导致损坏。螺纹孔径限制物镜的入瞳直径，而后者应等于物镜数值孔径(NA)和有效聚焦(f)乘积的两倍。

物镜常用的安装螺纹包括RMS (0.800"-36)以及M25 x 0.75或M27 x 0.75螺纹，而更大的M32或M40螺纹能提供更长的工作距离和更大的视野。

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油浸物镜和干物镜的标识示例

二、分辨率和放大率

数值孔径(NA)和放大率(M)是物镜的两个主要规格。

NA表示物镜从样品收集光的角度范围并决定分辨率，其大小通常根据阿贝判据以0.5λ/NA计算。NA越大，分辨率越高。在上图中，40x/1.30 OIL表示1.30 NA的40倍油浸物镜，60x/0.85表示0.85 NA的60倍干物镜，所以前者的分辨率更高。

干物镜是指物镜前端和样品之间为空气，可实现的最大NA通常为0.95。为了提高NA，可在物镜和样品之间加入液体，以此增大收集样品光的角度。浸液物镜可通过不同颜色的环辨别，但如果将其当干物镜使用，图像质量会很差。

浸液物镜按用法分为两种：Dipping和Immersion。Dipping物镜直接将前端透镜浸入样品介质中，中间不用盖玻片。Immersion物镜需要在样品上加盖玻片，并在盖玻片和物镜之间滴上液体。对比如下图所示。

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Water Dipping vs Water Immersion

对于放大率，镜筒上也有不同颜色的环：

但在实际使用中，物镜的有效放大率还和套筒透镜焦距有关。如果显微镜使用的套筒透镜焦距不同于设计套筒焦距，则物镜的有效放大率为：

Effective M=Design M x fTube lens in microscope/fDesign tube lens

物镜生产商	设计套筒焦距(mm)
Thorlabs, Nikon, Leica, Mitutoyo	200
Olympus	180
Zeiss	165

比如，如果将40倍Olympus物镜和Thorlabs 200 mm焦距的套筒透镜一起使用，将套筒透镜的实际焦距和设计焦距代入上面的公式可知有效放大率为44.4倍。

三、像差校正

物镜按色差校正水平可分为：消色差、半复消色差、复消色差、超复消色差以及改进的可见光复消色差；前三种像差校正等级来自ISO 19012-2标准中的定义。另外，像差校正字符中包含Plan说明校正了场曲。