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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190mm左右，我国规定为195mm 。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 250mm。物镜的倍率按与筒镜透镜的组合倍率计算为：

250

f 物

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

L 一定的条件下，

与物镜的焦距存

在以下关系：

f 物

) 2

L

(1

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：

f 物

250

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 f 物 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 NA n sin U ，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：

0.61

NA

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

0.0005mm 500nm ； NA 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 NA 。

显微镜物镜的倍率 、数值孔径 NA 、显微镜目镜的焦距 f 目 与系统出射光瞳直径 D / 之

间满足以下关系：

D

/

NA f 目＝

NA

250

目

式中， 目为目镜的视放大率。为了保证人眼观察的主观亮度，出射光瞳直径最好不小于

1mm 。在一定的数值孔径下，如果目镜的倍率

目 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

15 ，因此物镜倍率越高，要求物镜的数值孔径越大。

数值孔径 NA 与相对孔径之间近似符合以下关系：

D

2 NA

f /

一个 NA 0.25 的显微镜物镜 D 1

，高倍率的显微镜物镜（不包括浸液物镜），其数值

f / 2

孔径最大可能达到0.95 ，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 2 y /不大于20mm。对无限筒长的显微镜来说，筒镜的物方视场角为：

y/ ＝10

＝，＝

0 250

f筒

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 2 一般不大于50。

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 F 光和 C 光消色差，对 D 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