光学设计第章显微镜物镜设计.doc

第十六章 显微镜物镜设计 显微镜是用来帮助人眼观察近距离细小目标的一种目视光学仪器，它由物镜和目镜组合而成。显微镜物镜的作用是把被观察的物体放大为一个实像、位在目镜的焦面上，然后通过目镜成像在无限远，供人眼观察。 在一架显微镜上，通常都配有若干个不同倍率的物镜目镜供互换使用。为了保证物镜的互换性，要求不同倍率的显微镜物镜的共轭距离（物平面到像平面的距离）相等。各国生产的通用显微镜物镜的共轭距离大约为左右，我国规定为。如图16－1所示。可见，显微镜物镜的倍率越高，焦距越短。 还有一种被称为“无限筒长”的显微镜物镜，被观察物体通过物镜以后，成像在无限远，在物镜的后面，另有一个固定不变的筒镜透镜，再把像成在目镜的焦面上，如图16－2所示。筒镜透镜的焦距，我国规定为。物镜的倍率按与筒镜透镜的组合倍率计算为： 整个显微镜的性能，也就是它的视放大率和衍射分辨率，主要是由显微镜物镜决定。 图16－1 显微镜系统 图16－2 无限筒长显微镜系统 §1 显微镜物镜的光学特性 一 显微镜物镜的倍率 显微镜物镜的倍率是指物镜的垂轴放大率。由于显微镜是实物成实像，因此为负值，但一般用的绝对值代表物镜的倍率。在共轭距一定的条件下，与物镜的焦距存在以下关系： 对于无限筒长的显微镜的物镜，其焦距与倍率之间的关系为： 式中，为负值。 无论是有限筒长，还是无限筒长的显微镜的物镜，倍率的绝对值越大，焦距越短。所以，实际上，物镜的倍率决定了物镜的焦距。因此，显微镜物镜的焦距一般比望远镜物镜的焦距短得多。焦距短是显微镜物镜光学特性的一个特点。 二 显微镜物镜的数值孔径 数值孔径，是显微镜物镜最主要的光学特性，它决定了物镜的衍射分辨率，根据显微镜物镜衍射分辨率的计算公式： 公式中，代表显微镜物镜能分辨的最小物点间隔；为光的波长，对目视光学仪器来说，取平均波长；为物镜的数值孔径。因此要提高显微镜物镜的分辨率，必须增大数值孔径。 显微镜物镜的倍率、数值孔径、显微镜目镜的焦距与系统出射光瞳直径之间满足以下关系： 式中，为目镜的视放大率。为了保证人眼观察的主观亮度，出射光瞳直径最好不小于。在一定的数值孔径下，如果目镜的倍率越小，就要求物镜有更高的倍率，但是物镜的倍率越高，工作距离越短，这给显微镜的使用造成不方便，因此一般希望尽量提高目镜的倍率，但目镜由于受到出射光瞳距离的限制，焦距不能太小，通常目镜的最高倍率为，因此物镜倍率越高，要求物镜的数值孔径越大。 数值孔径与相对孔径之间近似符合以下关系： 一个的显微镜物镜，高倍率的显微镜物镜（不包括浸液物镜），其数值孔径最大可能达到，其相对孔径可以达到2。 相对孔径大，是显微镜物镜的一个特点。 三 显微镜的视场 显微镜的视场是由目镜的视场决定的，一般显微镜的线视场不大于。对无限筒长的显微镜来说，筒镜的物方视场角为： 筒镜的物方视场角就是物镜的像方视场角，因此物镜的视场角一般不大于。 视场小，也是显微镜物镜的一个特点。 四 显微镜物镜设计中应校正的像差 根据显微镜物镜的光学特性，它的视场小，而且焦距短，因此设计显微镜物镜主要校正轴上点的像差和小视场的像差，即球差、正弦差、轴向色差。 对于较高倍率的显微镜物镜，由于数值孔径加大、相对孔径比望远镜物镜大得多，因此还要校正孔径的高级像差，如高级球差、高级正弦差、色球差。 对于轴外像差，如像散、倍率色差，由于视场比较小，而且一般允许视场边缘的像质下降，因此在设计中，只有在优先保证前三种像差校正的前提下，在可能的条件下加以考虑。 对于某些特殊用途的高质量研究用显微镜，如用于显微摄影的物镜，要求整个视场成像质量都比较清晰，除了校正球差、正弦差、轴向色差外，还要求校正场曲、像散、垂轴色差，这种物镜就是平像场物镜。 由于显微镜属于目视光学仪器，因此它同样对光和光消色差，对光校正单色像差。 §2 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，数值孔径在左右，对应的相对孔径大约为左右。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