Transcript 第7章显微镜物镜设计
第七章 光学显微镜系统 人眼：0.2mm/250mm 光学显微镜：0.2um 显微镜发展史 1590年，荷兰和意大利的眼镜制造者造 出类似显微镜的放大仪器； 1673～1677年期间，列文胡克制成单组 元放大镜式的高倍显微镜； 19世纪70年代，德国人阿贝奠定了显微 镜成像的古典理论基础； 1850年出现了偏光显微术； 1893年出现了干涉显微术； 1935年荷兰物理学家泽尔尼克创造了相 衬显微术。 Zacharias Jansson (1580-1638) Antonie van Leeuwenhoek （1632-1723） Hook，Robert （1635-1703） 世界上第一台显微镜 詹森显微镜原理 列文虎克和他的显微镜 放大倍数：300倍 列文.虎克显微镜原理 y’ y F 250 f' F' 罗伯特·虎克制造的显微镜 放大倍数：140倍 显微镜系统成像原理 目镜 物镜 A” B A F1 F1’ 显微镜和放 大镜起着同样 的作用 相当于复杂 化的放大镜 A’ F2 B’ A’B’ 位于目镜的物方焦点 F2 上或在很靠近 F2 的位置上； A’B’再经目镜放大为虚像A”B” 后供眼睛观察。这说明 目镜与放大镜的作用一样； ” 经过物镜和目镜的两次放大，所以显微镜系统总的放大率Γ应该是物镜横 B 向放大率β和目镜放大率Γe的乘积。 显微镜物镜的特性 孔径光阑（出瞳） P1’ -Umax θ1 z -σ σ′ U’max A’ P2’ 1.共轭距 显微镜物镜物平面到像平面的距离称为共轭距 不同的国家有不同的标准，有185系列，195系列和无 限筒长。 我国规定为195mm。 2.物镜的放大倍率 显微物镜的系统参数，对于显微物镜来说，有意义的不 是焦距，而是放大倍率β 250 像高 有限共轭距离时 无限筒长时 f ' 物 物高 显微镜物镜的特性 3.线视场 一般中间像面也就是系统的视场光阑为φ18,所以显微物 镜的线视场（也就是物方视场） 2y 18 限制系统所 能看到的物 的大小 显微镜物镜的特性 4.数值孔径（NA） 影响系统的分辨率和像面的照度 物镜的主要指标直接影响物镜系统的复杂程度 NA n sin u 显微物镜的最小分辨距即分辨率，有 0.61 0.61 n sin U max NA 0.61 NA 显微镜的分辨率 只与物镜的数值 孔径有关，与目 镜无关。 NA-显微镜的物方数值孔径 有效放大率：物空间的两点不仅应通过物镜分 辨，最后还要为人眼所分辨。 应充分利用物镜的分辨率，使以被显微镜物镜 分辨出来的细节能同时被眼睛所看清，显微镜 必须有恰当的放大率 。 取2′为分辨角的下限， 4′为上限，则在明视距离 250mm处能分辨开两点之间的距离σ′为 250 2 0.00029 ' 250 4 0.00029 σ′是显微镜像空间被人眼所能分辨的线距离 换算到显微镜的物方，相当于显微镜的分辨率乘以视觉 放大率，得到 0.29 设所使用光线的波长为 550nm，上式成为 NA 0.58 500 NA 1000 NA 满足上式的放大率称为显微镜的有效放大率 显微镜物镜的特性 5.物方介质 普通的显微物镜物方折射率为空气 为了提高数值孔径，选用高折射率的物方介质，这时物 方NA可以大于1 6.盖波片的厚度 通常0.17mm 显微镜物镜的特性 7.机械筒长 在显微镜中，取下显微物镜和目镜后，所剩下的镜筒 长度即 物镜支撑面到目镜支撑面之间的距离称为机械筒长 对于一台显微镜来说，机械筒长是固定的机械筒长各国标准 是不同的，有160mm，170mm和190mm 等。 我国规定机械筒长为160mm。 无限筒长的显微镜机械筒长为无穷大 显微镜物镜的特性 8.工作距离 物平面光学系统第一个物镜的球面顶点的距 离称为“工作距” 物镜倍率越高，它的焦距越短，工作距离越短。 要想增大显微物镜工作距离，显微系统会非常负责，设 计难度很大。 显微物镜结构类型 显微物镜根据用途不同分为： 消色差显微物镜 复消色差物镜 平场消色差物镜 平场复消色差物镜 40X0.95复消色显微物镜 折反射显微物镜 40X0.85平场复消色显微物镜 普通显微物镜大多数属于消色差型，只需校正球差、 正弦差、轴向色差即可，但边缘像质较差。 按数值孔径NA的大小由四种型式（消色差） 1、双胶型 β=1~5x NA=0.1~0.15 2、李斯特型 β =8~20x NA=0.25~0.30 x NA=0.40~0.65 3、阿米西型 β =25~40 x NA=1.25~1.40 4、阿贝油浸型 β =90~100 显微镜物镜的像差 显微物镜属于小视场大孔径系统，设计时主要校正球差， 位置色差，正弦差。 平场消色差显微物镜要求整个视场成像都比较清晰，还 要求校正场曲，像散，倍率色差 复消色差要求对F，D，C三种色光校正轴向色差，即不 允许有大的二级光谱和色球差 显微镜的物镜和目镜都要互换使用，因此设计时，一般 不考虑物镜和目镜之间的像差的互相补偿而采取分别独立 校正像差。 物镜标识 显微物镜设计指标 Magnification NA WD(mm) Achromat 4X 0.1 30 10X 0.25 6.10 20X 0.4 2.1 40X 0.65 0.65 60X 0.8 0.3 100X（oil ) 1.25 0.18 Magnification NA WD(mm) 0.5X 1X 2X 4X 10X 20X 40X 50X（oil ) 100X（oil ) 40X 100X Plan Achromat 0.02 0.04 0.06 0.1 0.25 0.4 0.65 0.9 1.25 0.65 0.9 7 3.2 7.5 30 10.5 1.3 0.57 0.4 0.17 0.48 0.26 消色差显微镜物镜的设计 10X 李斯特型 4X 双胶型 40X 阿米西型 100X 阿贝油浸型 4X设计要求 低倍消色差显微物镜的设计： 4×， NA=0.10， 设计的共轭距=195mm， 物方线视场4.5mm， 可见光， 玻璃用BK7，SF2 设计考虑 倒置设计的 原因？ • 设计时倒过来设计，即从长距离共轭到短距 离共轭， • 放大率为1/4， • 物空间NA=0.1/4＝0.025， • 线视场，物高18mm(这一个值是固定的)，这 样像高为4.5（倒过来）。 对应哪些系统参 • 用一个双胶合消色差透镜， 数？ • 对F，C光消色差。