物镜简介

物镜是显微镜中重要的光学部件，对物体起第一步的放大作用，因而影响着成像的质量和各项光学技术参数。物镜结构复杂，由固定在物镜筒内的多个透镜组组成，每个透镜组由一系列不同参数的透镜胶合而成，多个透镜组相互配合有效地校正了物镜的像差。

1. 物镜的类型

1.1 按照色差分类

• 消色差物镜：只能校正红光和蓝光的轴向色差，同时校正了球差和近轴点彗差，是一种常见的物镜，结构比较简单，常用于中、低级显微镜中。
• 复消色差物镜：复消色差物镜的结构复杂，透镜采用了特种玻璃或萤石等材料制作而成，物镜的外壳上标有“APO”，这种物镜不仅能校正红绿蓝三色光的色差，而且能消除剩余色差，同时能校正红、蓝二色光的球差。由于对各种像差的校正极为完善，比响应倍率的消色差物镜有更大的数值孔径，这样不仅分辨率高，成像质量优秀，而且也有更高的有效放大率。因此，复消色差物镜的性能很高，适用于高级研究镜检和显微照相。观察时应与补偿目镜配合使用，否则图像质量会下降。
• 半复消色差物镜：半复消色差物镜（又称氟石物镜）是一种介于消色差与复消色差物镜之间的高性能物镜，其外壳常标有“FL”标识。它通过增加透镜数量（多于消色差、少于复消色差结构），使成像质量显著优于普通消色差物镜，并接近复消色差级别，兼具结构精简性与高性能优势。

1.2 按照像场的平面性分类

平场物镜结构较为复杂，在物镜的透镜系统中增加一块半月形的厚透镜，以达到校正场曲的缺陷。平场物镜视场平坦、视场较大、工作距离较普通物镜有所增长，所以适用于高级研究镜检和显微照相。

• 平场消色差物镜：平场消色差物镜外壳上标有“PLAN”，采用多镜片组合的复杂结构，有效地校正了像散和场曲，克服了消色差物镜视场清晰度不均匀的问题。平场消色差物镜仍存在剩余色差，如果其垂轴色差在1%以下，可以不配合色差校正补偿目镜使用；如果垂轴色差在1%以上，且在2.5%以下，则需要与补偿目镜配合使用。
• 平场复消色差物镜：平场复消色差物镜外壳上刻有“Plan Apo”，校正了红、黄、蓝三条谱线的轴向色差、像散和场曲，是显微镜物镜的最佳形式，整个视场平坦、清晰。
• 平场半复消色差物镜：平场半复消色差物镜外壳上刻有“Plan FL”，消色差的性能介于平场消色差物镜和平场复消色差物镜之间，一般采用萤石（CaF₂）材料，又称为萤石物镜。
• 平场物镜还有更高级的超平场物镜（外壳刻有S Plan）和超平场复消色差物镜（外壳刻有S Plan Apo）。

1.3 按照特殊性分类

为了达到特定的观察效果而设计制造的物镜称为特种物镜。主要包含以下几种：

• 无应力物镜：无应力物镜外壳刻有“PO”或“POL”，在透镜组装配中消除了应力的存在，用作透射式偏光检测物镜，能达到更佳的偏光镜检效果。
• 长工作距离物镜：长工作距离物镜为了满足组织培养、悬浮液等材料的镜检而设计制造。组织培养、悬浮液等被观测物放在培养皿或培养瓶中，只有物镜的工作距离足够长，才能满足上述被观测目标的镜检要求。

2. 物镜的主要技术参数

• 有效焦距：物镜的有效焦距为物镜的主平面到焦点的距离，用f表示。
• 数值孔径：物镜的数值孔径用来衡量物镜的接收角，用NA来表示。下式为NA的计算公式，其中n为物镜与被观测物之间的折射率，θ为物镜最大接收角的一半。

\( NA=n*\sin\theta \)

• 分辨率：物镜的分辨率指物镜能区分的两个物点之间的最小距离，用σ来表示。物镜分辨率的计算公式如下式，其中λ为使用光的波长。

\( \sigma=\frac{0.61\lambda}{NA} \)

• 放大倍率：物镜的放大倍率是指物镜本身对物体放大若干倍的能力，用M来表示。物镜的放大倍率公式如下式，其中L为光学镜筒的长度，f为物镜的焦距。由下式可知，物镜的放大倍率与镜筒的长度相关，镜筒越长，放大倍率越大，但同时成像质量会下降，所以不能随意改变镜筒的长度，国际上显微镜的标准筒长定为160mm，联邦德国Levitz曾为170mm，此数字一般会刻在物镜外壳上。

\( M=\frac{L}{f} \)

• 工作距离：工作距离是指物镜前表面到被观测样品表面的距离。一般放大倍率越大，工作距离越小。
• 齐焦距离：齐焦距离是指对准焦点时的物镜镜体定位面到物体表面的距离。
• 视场数：一般特指目镜，而非物镜。Olympus等厂家的物镜标注的视场数指物镜的像方视场。

3. 物镜外壳基本组成及标识含义

物镜外壳的基本组成包含螺纹、镜肩、标签区域、放大倍率标识环，某些物镜还具有校正环、内置光阑等。放大倍率标识环的不同颜色代表了不同的放大倍率，如果是水浸或油浸物镜倍率标识环下还可能会有一个彩色环，具体的各种颜色代表的含义见表1。校正环的作用是补偿不同厚度盖玻片造成的成像误差。内置光阑可以保持背景的黑暗，非常适合暗视场的应用。下图所示为Olympus的平场半复消色差物镜UPLFLN60X的外壳结构组成示意图。

表1 各种颜色代表的含义

不同厂家生产的物镜的标识略有不同，基本标识符号的含义如下：消色差物镜没有符号，复消色差物镜外壳上刻有“Apo"或“Apochromatic”字样，半复消色差物镜刻有“FL”、“Neofluar”或“Fluorite”字样，平场物镜上刻有“PLAN”(平场消色差)、“Plan Apo”（平场复消色差）、“Plan FL”(平场半复消色差)、"PL(广视野平场)"、“Epiplan(反射光专用平场)”等字样；干燥物镜无符号，水浸物镜刻有“W”或“Water”字样，油浸物镜刻有“Oil”、“Oel”、“HI”、“imm”等字样，水浸油浸两用物镜则刻有“W+Oil”；二碘甲烷浸刻有“Meth-iodide”或“Methyleniodide”，甘油浸刻有“Glyz”或“Glyc”等；B表示明场物镜，BD表示明暗场物镜，BDP表示明暗场与偏光，PH表示相差或霍夫曼物镜；LCD表示红/紫外并带光阑调整和校正帽物镜，DIC表示微差干涉衬度物镜，WD表示工作距离，“20X/1.0”表示放大倍率20倍/NA1.0，“∞”表示无限远校正。