显微物镜设计课件.ppt
第5章 显微物镜设计,第5章 显微物镜设计,显微镜:帮助人眼观察近距离细小目标。由物镜和目镜组合而成。原理:把观察的物体,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。,1 显微物镜设计的特点,显微镜:帮助人眼观察近距离细小目标。由物镜和目镜组合而成。1,显微镜的视放大率和衍射分辨率,主要是由它物镜决定的。,显微镜上通常都配有若干个不同倍率的物镜和目镜供互换使用。为了保证物镜的互换性,要求不同倍率的显微物镜的共轭距离由物平面至像平面的距离相等。各国生产的通用显微物镜的共轭距离大约为190mm左右。我国规定为195mm。,显微物镜的倍率越高,焦距越短。,显微镜的视放大率和衍射分辨率,主要是由它物镜决定的。显微镜,显微镜分类:,显微镜,有限筒长,无限筒长,显微镜分类:显微镜有限筒长无限筒长,有限筒长显微物镜:物体通过物镜成一个实像,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。,有限筒长显微物镜:物体通过物镜成一个实,无限筒长显微物镜:被观察物体通过物镜以后,成在无限远,在物镜的后面,另有一固定不变的镜筒透镜,再把像成在目镜的焦面上。,无限筒长显微物镜:被观察物体通过物镜以后,成在无限远,在物镜,镜筒透镜的焦距,我国规定为250mm。物镜的倍率按与镜筒透镜的组合倍率计算:,镜筒透镜的焦距,我国规定为250mm。物镜的倍率按与镜筒透镜,同样的倍率,无限筒长的显微镜物镜的工作距离比有限筒长的显微镜物镜要长。,例如:假设倍率为10对于无限筒长的显微镜,可算出物镜焦距为:,对于有限筒长的显微镜,有:,可以解出:,可见,同样的倍率,无限筒长物镜的焦距比有限筒长物镜的焦距长,这样它的工作距离就长。在某些需要长工作距离时非常有利。,同样的倍率,无限筒长的显微镜物镜的工作距离比有限筒长的显微镜,显微物镜的光学特性,(1)显微物镜的倍率,显微物镜的倍率是指物镜的垂轴放大率。由于显微物镜是实物成实像,因此为负值,但一般用正值(的绝对值)代表物镜的倍率。在共轭距L一定的条件下,和物镜的焦距存在以下关系:,(公式中取负值),显微物镜的光学特性主要有两个倍率和数值孔径。,显微物镜的光学特性(1)显微物镜的倍率 显微物镜的倍率是指物,对无限筒长的物镜,焦距和倍率之间的关系由下面的公式确定:,无论是有限筒长,还是无限筒长,越大(绝对值),f越短。所以物镜的倍率实际上决定了物镜的焦距。,以无限筒长物镜为例,20物镜的焦距f=12.5mm。100的物镜焦距只有2.5mm。所以显微物镜的焦距一般比望远物镜短得多。,焦距短是显微物镜的一个显著特点,对无限筒长的物镜,焦距和倍率之间的关系由下面的公式确定:,(2)显微物镜的数值孔径,数值孔径NA=nsinU,是显微物镜最主要的光学特性,它决定了物镜的衍射分辨率。,公式中,代表显微物镜能分辩的最小物点间隔;为光的波长,对目视光学仪器来说取平均波长=0.00055 mm;NA为物镜的数值孔径。因此要提高显微物镜的衍射分辨率必须增大数值孔径NA。,根据显微物镜衍射分辨率的公式:,(2)显微物镜的数值孔径数值孔径NA=nsinU,是显微物镜,为了保证人眼观察的主观亮度,出瞳直径最好不小于1mm,显微镜目镜的标准倍率为10,将D=1,=10代入得:,显微物镜的倍率、数值孔径NA、显微镜目镜的焦距 和系统出瞳直径D之间满足以下关系:,公式中 为目镜的视放大率,,可见,对于显微物镜来说,倍率越高,要求物镜的数值孔径越大。,为了保证人眼观察的主观亮度,出瞳直径最好不小于1mm,显微镜,数值孔径NA和相对孔径 之间近似符合以下关系:,一个NA=0.25的显微物镜,高倍率的显微物镜(不包括浸液物镜)数值孔径最大可能达到0.95,对应的相对孔径。因此,较高倍率的显微物镜的相对孔径会比望远物镜大的多。,例如一个3的显微物镜,NA=0.1;10的显微物镜NA=0.250.4。对倍率较高的显微物镜NA取得比公式小,对应的出瞳直径D将按比例下降,小于1mm。,数值孔径NA和相对孔径 之间近似符合以下关系:一个N,显微物镜的视场是由目镜的视场决定的,一般显微物镜的像方线视场2y为20mm。,(3)显微物镜的视场,小结:显微物镜光学特性特点 焦距短,视场小,相对孔径大。,镜筒透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5。对有限筒长的显微物镜来说,也大致相当。,对无限筒长的显微镜来说,镜筒透镜(f=250mm)的物方视场角为:,显微物镜的视场是由目镜的视场决定的,一般显微物镜的像方线视场,根据显微物镜光学特性的特点,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:球差、轴向色差 和正弦差SC,与望远物镜相似。,2显微物镜设计中应校正的像差,但是对较高倍率的显微物镜,由于数值孔径加大,相对孔径比望远物镜大得多,因此除了校正这三种像差的边缘像差而外,还必须同时校正它们的孔径高级像差,如孔径高级球差、色球差、高级正弦差。,根据显微物镜光学特性的特点,它的视场小,而且焦距短,因此设计,对于轴外像差,例如像散、垂轴色差,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,要求整个视场成像质量都比较清晰,除了校正球差,轴向色差和正弦差外,还要求校正场曲、像散和垂轴色差,这类显微物镜称为“平像场物镜”。,由于显微物镜属于目视光学仪器,因此它同样对F光和C光消色差,对D光校正单色像差。,对于轴外像差,例如像散、垂轴色差,由于视场比较,2显微物镜的类型,消色差物镜、复消色差物镜、平像场物镜和平像场复消色差物镜,1消色差物镜,这类物镜中只校正轴上点的球差和轴向色差,以及正弦差,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,中倍和高倍以及浸液物镜四类。,2显微物镜的类型 消色差物镜、复消色差物镜、平像场物镜和平像,(1)低倍消色差物镜,这类物镜的倍率大约为34,数值孔径在0.1-0.15,对应的相对孔径大约为1/4-1/3。,(1)低倍消色差物镜 这类物镜的倍率大约为34,数值孔径,它的设计方法和双胶合望远物镜的设计十分相似,不同的只是物平面不位在无限远。,由于焦距比较短,相对孔径不大,视场又比较小,除校正边缘球差、正弦差和轴向色差,不需要校正高级像差。因此,低倍消色差物镜都采用最简单的双胶合组。,它的设计方法和双胶合望远物镜的设计十分相似,不同的只是物平面,(2)中倍消色差物镜,这类物镜的倍率大约为812,数值孔径在0.2-0.4,(2)中倍消色差物镜这类物镜的倍率大约为812,数值孔径,中倍消色差物镜采用两个双胶合组。每个双胶合组分别消色差,整个物镜同时校正轴向色差和垂轴色差。两个透镜组之间通常有较大的空气间隔,这是因为如果两透镜组密接整个系统仍相当于一个薄透镜组,只能校正两种单色像差。如果两透镜组分离,则相当于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,增加了系统校正像差的能力。除了必须校正的球差和正弦差之外,还有可能校正像散,以提高轴外像点的成像质量。,中倍消色差物镜采用两个双胶合组。每个双胶合组分别消色,(3)高倍消色差物镜,这类物镜的倍率大约为4060,数值孔径在0.6-0.8,(3)高倍消色差物镜 这类物镜的倍率大约为4060,数值,高倍消色差物镜可以看作是在上述中倍物镜基础上,加上一个或两个单透镜构成的,单透镜的像差由后面的两个双胶合组进行校正,整个物镜的数值孔径就可以提高。,高倍消色差物镜可以看作是在上述中倍物镜基础上,加上一,(4)浸液物镜,这类物镜的倍率大约为100,数值孔径在1.2-1.4,(4)浸液物镜 这类物镜的倍率大约为100,数值孔径在1,在前面的几种物镜中成像物体都位在空气中,物空间介质的折射率n=1,因此它们的数值孔径(NA=nsinU)不可能大于1,目前这类物镜的数值孔径最大为0.95。为了进一步增大数值孔径,很容易想到,如果把成像物体浸在液体中,物空间介质的折射率等于液体的折射率,因而可以大大提高物镜的数值孔径,这样的物镜称为浸液物镜,这类物镜的数值孔径可达到1.2-1.4,最高倍率一般不超过100。,在前面的几种物镜中成像物体都位在空气中,物空间介质的,2复消色差物镜,在一般的消色差物镜中,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,在高倍的消色差显微物镜中,二级光谱色差往往成为影响成像质量的主要因素。在一些高质量的显微物镜中就要求校正二级光谱色差。这种物镜称为“复消色差物镜”。,2复消色差物镜 在一般的消色差物镜中,物镜的二级光,(a),(b)为一般消色差物镜和复消色差物镜的三种颜色光线的轴上球差曲线。复消色差物镜的球差和色差要好得多。校正二级光谱色差通常需要采用特殊的光学材料,例如采用萤石(CaF2:=95.5,=0.706,n=1.433),它和一般重冕玻璃(ZK)有相同的相对色散,同时又有足够的值差和n值差。复消色差物镜的结构复杂,因为它要求孔径高级球差和色球差也达到很好的校正。,(a),(b)为一般消色差物镜和复消色差物镜的三种颜色光线的,图中有斜线的透镜,就是由萤石做成的。由于萤石的工艺性和化学稳定性不好,同时晶体内部有应力,目前已很少采用,而改用FK类玻璃做正透镜,用TF类玻璃做负透镜,它们的结构往往更复杂。,图中有斜线的透镜,就是由萤石做成的。由于萤石的工艺性,3平像场物镜,要求显微物镜能在一个像平面上清晰成像,这就要求物镜校正场曲、像散、垂轴色差等各种轴外像差,这样的显微物镜称为“平像场物镜”。,3平像场物镜 要求显微物镜能在一个像平面上清晰成像,这就要,一般显微物镜由于没有校正场曲,所成的像位在一个曲面上,因此在同一平面上不可能得到整个视场清晰的像。对人眼直接观察的显微镜可以用调焦的方法,观察视场内不同位置的像来弥补。但是对用于照相或摄像的显微镜来说,就不可能获得整个视场的清晰图像。因此高级显微镜要求显微物镜能在一个像平面上清晰成像,这就要求物镜校正场曲、像散、垂轴色差等各种轴外像差,这样的显微物镜称为“平像场物镜”。,一般显微物镜由于没有校正场曲,所成的像位在一个曲面上,为了校正场曲,物镜中必须加入具有负光焦度的弯月形厚透镜,整个物镜的结构和一般物镜相比要复杂得多。,为了校正场曲,物镜中必须加入具有负光焦度的弯月形厚透,4平像场复消色差物镜,在研究用高级显微镜中,对成像质量的要求特别高,一般要求整个视场同时清晰。平像场复消色差物镜就是为了满足了上述要求而发展起来的。它的结构型式基本上和平像场物镜相似,但必须在系统中使用特殊光学材料,以校正二级光谱色差。平像场复消色差物镜是当前显微物镜的发展方向。,4平像场复消色差物镜 在研究用高级显微镜中,对成像,