显微物镜设计课件.ppt

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1、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

2、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

3、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

4、。,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

5、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

6、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

7、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，

8、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，

9、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

10、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

11、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）

12、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

13、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

14、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,