6.5 物镜和目镜、成像像差在线视频

大家好

这节课我们来讲解

显微镜最重要的两个部件

物镜和目镜

这两个部件都直接参与成像的过程

物镜是显微镜的核心元件

光学放大的功能主要就是由物镜实现的

目镜对人眼来说类似于放大镜的作用

这是物镜和目镜的典型的内部结构

与原理图中

单个薄透镜的抽象表现形式不同的是

实际的物镜和目镜

都是由多片球面镜

甚至非球面镜所组成的透镜组

之所以使用这么多片的透镜

是因为设计者希望能够尽可能地

提高显微镜系统的成像质量

这样人们才能够观察到最真实

正确

而高分辨率的精细的结构

我们首先看一下物镜

它的设计是一个典型的光学设计的问题

所谓光学设计

指的是由于实际的成像系统

存在孔径和视场的要求

远远超出了满足理想成像规律的

近轴系统的范畴

存在各种各样的成像的缺陷

也就是各种像差

这样像与物之间失去了相似性

为了解决这一问题

需要对光学系统进行整体的安排

并且计算和确定

系统或者是系统的各个组成部分的

光学参量和性能参量

结构形式

并且计算它的初始结构参量

之后要校正和平衡各项像差

最终完成像质的评价

限于我们这门课程的时间和教学的目的

我们在这儿就简单地列出

几种常见的像差的类型

并且在这个基础上

介绍常用的物镜的类型

物镜的几何像差

或者叫作Seidel像差

可以分为轴上物点的像差

和轴外物点的像差

如这幅图所示

那么典型的轴上像差

包括色差和球差这两种

所谓色差指的是

不同波长的光

会聚于光轴上不同的轴向位置

导致像的边缘

可能会出现明显的颜色的分离的现象

而球差是一种单色的像差

它指的是不同的孔径

也就是不同的入射角的成像光线

会聚于不同的轴向位置

这样点物在理想像面上

就会形成圆形的弥散斑

导致成像变得模糊

那么典型的轴外像差包括了彗差

像散

场曲和畸变

这些像差只有轴外点

或者说存在一定视场范围内的点才会存在

此处我们不展开来讲各类像差产生的原因

只说一下这几种像差它的现象是怎样的

彗差 顾名思义

因为轴外点成像不对称

而形成的不对称

类似于彗星尾巴形状的这样的一个弥散斑

而像散就是我们人眼有散光的时候那种像差

一个圆形的点物

会形成一个椭圆形的弥散斑

这样在两个正交方向上

光斑的尺寸是不一致的

上述两类像差都会使得像

进一步地变模糊

而降低分辨率和对比度

所谓场曲指的是

同一个物平面上的点

所对应的像点是分布在一个球面上的

而不是在一个平面上

而畸变指的是像与物

它们的形状是不相似的

尤其是在边缘

根据变形的不同

畸变可以分为桶形的畸变和枕形的畸变

考虑到显微镜是定性的观测应用居多

所以只要可以看清楚

哪怕它的形状有一点变化

也没有太大的影响

所以我们物镜设计的首要的目的

是消除上述所有会使得成像变模糊的像差

那就包括了球差 彗差和像散

而颜色信息

对于大多数的样品来说也是非常重要的

所以我们也要把色差给消除掉

与之对应的常见的物镜呢

就包括以下几种

最基本 最常用的是这个

消色差物镜

它只针对某个特定的波长消除球差和彗差

以及某两个波长之间的色差

而不校正场曲

对于可见光成像系统来说

这里消球差的波长

一般是指D谱线

也就是587纳米的绿色光

消色差的两个波长呢

一个是C谱线656纳米的红光

一个是F谱线486纳米的蓝光

这一类物镜 消色差物镜

可以工作在单色光照明的情况下

或者是带宽比较窄的

复色光的照明条件下

不过它仍然会有少许的色差残余

那根据场曲像差的定义我们知道

如果没有消除场曲的话

物镜的像面会是一个球面

你如果使用一个平面的探测器件去探测的话

那么同时清晰的视场会非常的小

这样我们就需要进行多次的调焦

让视场从中心向四面逐一变清楚

这样的一个过程是非常麻烦的

所以没有消除场曲的消色差物镜

它的成像质量是很一般的

放大倍率也不会做到太高

它的价格相对来说也比较便宜

如果在消色差物镜的基础上

增加了场曲的校正

那就构成了平场消色差物镜

它所适用的波长条件与消色差物镜是相似的

不过由于平场物镜清晰视场的范围要大很多

所以它的像质也会提高一些

价格要略微高一些

随着显微物镜放大倍率和数值孔径的增大

上述物镜所残留的色差的影响会逐渐地增大

此时需要使用一种特殊的光学材料

萤石来制造部分透镜

用于消除这些残留的高级色差

这种物镜能够消除

两到三种波长的球差 色差

被称为萤石物镜

或者是半复消色差物镜

它的其性能比消色差物镜

或者平场消色差物镜都要优良得多

所以它的成本也更高

如果我们把萤石物镜

再加上消场曲的设计

就能够构成平场的萤石物镜

而像质最好的是平场复消色差物镜

它同时消除了三到四个波长的球差

以及四到五个波长的色差

还有场曲像差

这种物镜它的像质是极佳的

然而它的成本也是非常非常高的

这一枚就是Zeiss的

平场复消色差物镜的外形

和内部结构的示意图

外形图由上至下分别是接口螺纹

装饰筒

装饰筒上标有制造商的名称

物镜的规格

这幅图里给出的是这个产品的零件号

一般来说物镜的规格应该会包括

放大倍率

数值孔径

工作距离等等

再往下是浸没介质的选择环

表明这是一枚高数值孔径的浸没物镜

它可以选择油或者是其他的介质

作为它的浸没介质

再往下是放大率的颜色标记

为了方便人们在拾取物镜的时候

直接根据颜色就能判断

它的放大率是多少

最下端是前端镜片的一个装配罩

从右侧的内侧结构图中我们可以看出来

这样的一枚物镜它的内部是由5个镜组组成的

由上至下分别是后置镜组

双胶合透镜组

可移动透镜组

弯月透镜和半球状的前置镜组

这其中

双胶合物镜是采用不同的材料

胶合装配而成

一般用于消除色差

而弯月透镜一般是用于消除场曲像差的

介绍完了物镜

我们再来简单地看一下目镜

目镜的作用是把物镜形成的中间像

进一步放大

方便我们人眼进行直接的观察

根据内部透镜和光阑的结构不同

常用的目镜可以分为两类

一类是负目镜

它的光阑位于不同的透镜之间

以惠更斯目镜为代表

一类是正目镜

它的光阑在所有的透镜组之下

以冉斯登目镜为代表

由于惠更斯目镜的内部是没有实像面的

所以它不能够安装用于测量读数的分划板

而冉斯登目镜是可以的

所以它常用于

各种需要测量读数的显微镜中

不过这两种简单的目镜

与物镜搭配使用的时候

仍然会残留色差

为了解决这一问题

人们设计了补偿目镜

这是补偿目镜的一种

叫作Periplan目镜

它的结构是比较复杂的

但是能够校正残留的横向色差

同时能够保证平场

如果将它与高性能的物镜相结合

就能够实现更好的综合的成像质量

一般来说

物镜和目镜的选用以配套为宜

如果两者的配置差距过大

则无法发挥出高配的性能

而且相同的基本参数

不同性能的物镜或者目镜之间

价格的差别是非常大的

我们应该根据系统的需求

进行合理的选用

而不用盲目地去追求高配置