显微物镜的选择

2024年3月31日发(作者：)

我们在摄影中，尤其是彩色摄影，都希望能得到真实的色彩。几乎所有的现代摄影镜头都能正确地在胶片上录下与人眼所见相同的色彩。但用长焦距镜头拍摄的胶片，将其放大后，就会看到在被摄主体的边缘环绕着彩色像斑，从而降低了照片的清晰度和分辨率，这就是说该镜头存在着色差。

任何两种色光在一定位置校正后，对第三种色光的剩余色差来说可看作是二级光谱色差。其几何像差的图形如图所示。

把d光线的边缘校正到零，c光线与f光线在0．707带相交，交点到d光线0．707带顶点的距离代表二级光谱的几何值。双胶合透镜的二级光谱色差为:

△L'= -f'(p1-p2)/(v1-v2)

其中p1,p2和v1,v2 分别为两种消色差材料的相对部分色散和阿贝数，它们均与所选择的波长有关。f'为透镜组的焦距

在焦距一定的情况下，由于二级光谱是由两块玻璃的相对色散差与阿贝常数差的比值来确定的，因此只有相对色散小，阿贝常数又足够大的玻璃组合，才能较好地校正二级光谱。但绝大多数玻璃的色散和阿贝常数之间可用线性关系表示,其斜率为

(p1-p2)/(v1-v2)

若要校正二级光谱色差，则至少要选择一种偏离此线性关系的玻璃。由于二级光谱正比于f'，对于长焦距镜头来说，焦距较长，二级光谱色差很大，若校正不好，则会给系统带来很大的像差，所以无法达到较好的成像质量。

为了克服二级光谱，光学工作者作了大量努力。从光学玻璃材料的发面出发，选择具有特殊色散的光学玻璃，即上面提到的偏离线性关系得玻璃。

CaF2等是常用的选择。但使用特殊光学玻璃，也只能一定程度上减小二级光谱，并不能完全消除。因此产生了一些其它的消除二级光谱的方法，如将结构复杂化，可以明显降低二级光谱，但是复杂化的结果随之带来成本增大，体积过重，误差增加等一系列的结果，所以在实际应用中不多见；另外用全息光学的应用也对复消色差用很大帮助；二元光学的发展也为二级光谱的消除带来了新发展，用普通玻璃就可以达到消除二级光谱的目的。

⑴按显微镜镜筒长度（以mm计）：透射光用160镜筒，带0.17mm厚或更厚的盖玻片；反射光用190镜筒，不带盖玻片；透射光与反射光用镜筒，筒长无限大。

⑵按浸法特征：非浸式（干式）、浸式（油浸、水浸、甘油浸及其它浸法）。

⑶按光学装置：透射式、反射式以及折反射式。

⑷按数值孔径和放大倍数：低倍（NA≤0.2与β≤10X），中倍（NA≤0.65与β≤40X），高倍（NA>0.65与β>40X）。

⑸按校正象差的情况不同，通常分为消色差物镜,半复消色差物镜，复消色差物镜，平视场消色差物镜,平视场复消色差物镜和单色物镜。

⒈消色差物镜 (Achromatic) 是较常见的一种物镜（表1-1），由若干组曲面半径不同的一正一负胶合透镜组成，只能矫正光谱线中红光和蓝光的轴向色差。同时校正了轴上点球差和近轴点慧差，这种物镜不能消除二级光谱，只校正黄、绿波区的球差、色差，未消除剩余色差和其他波区的球差、色差，并且像场弯曲仍很大，也就是说，只能得到视场中间范围清晰的像。使用时宜以黄绿光作照明光源，或在光程中插入黄绿色滤光片。此类物镜结构简单，经济实用，常和福根目镜、校正目镜配合使用，被广泛地应用在中、低倍显微镜上。在黑白照相时，可采用绿色滤色片减少残余的轴向色差，获得对比度好的相片。

⒉复消色差物镜（Apochromatic） 由多组特殊光学玻璃和荧石制成的高级透镜组组合而成。将红、蓝、黄光校正了轴向色差，消除了二级光谱，因此像质很好，但镜片多、加工和装校都较困难。色差的校正在可见光的全部波区。若加入蓝色或黄色滤光片效果更佳。它是显微镜中最优良的物镜，对球面差、色差都有较好的校正，适用于高倍放大。但仍需与补偿目镜配合使用，以消除残余色差。

⒊平面消色差物镜（Plana chromatic) 采用多镜片组合的复杂光学结构，较好地校正像散和像场弯曲，使整个视场都能显示清晰，适用于显微摄影。该物镜对球差和色差的校正仍限于黄绿波区，且还存在剩余色差。

⒋平面复消色差物镜（PF,Planapochromat) 除进一步作像场弯曲校正外，其它像差校正程度均与复消色差物镜相同，使映像清晰、平坦；但结构复杂，制造困难。

⒌半复消色差物镜（Halfapochromatic) 部分镜片用荧石制成，故又称荧石物镜，性能比消色差物镜好，价格比复消色差物镜便宜。校正像差程度介于消色差与复消色差两种物镜之间，但其它光学性质都与后者相近；价格低廉，最好与补偿目镜配合使用。

6.特种物镜 所谓特种物镜就是在上述物镜的基础上，专门为达到某些效果而设计。根据用途主要有以下几种：

1）相差物镜（phase contrast objective）这种物镜是相差显微镜的专用镜头（当然也可常规使用）。特点是在物镜的后焦点平面处装有一块相板，已达到推迟光波的目的。

2）带校正环物镜（correction collar objective）在物镜中装有环状的调节环。当转动调节环时，可调节物镜内的透镜组（一般为第二和第三组透镜）之间的距离，从而校正由盖玻片厚度不标准所引起的覆盖差。

3）带虹彩光阑物镜（iris diaphragm objective）在物镜镜筒内的上部装有虹彩光阑，外方也有可旋转的调节环，转动时可调节光阑孔径的大小。这种结构是最高级的油浸物镜。

4）无应变物镜（strain-free objective）这种物镜在透镜组的装配中克服了应力的存在，是专作透射式偏光镜检用的物镜，能达到更佳的偏光镜检效果。

5）无荧光物镜（non-fluorescing objective）是专用于落射式荧光显微镜上的物镜。这种物镜即使受到很强的激励光源时也不发出荧光。

6）无盖片物镜（no cover objective） 有些被检物体，尤其是涂抹制片等，上面不能加用盖玻片，这样镜检时应使用无盖片物镜，否则图像质量将明显下降，在高倍镜检时更为显著。

参数

物镜主要参数包括：放大倍数、数值孔径和工作距离。

①、放大倍数是指眼睛看到像的大小与对应标本大小的比值。它指的是长度的比值而不是面积的比值。

例：放大倍数为100×，指的是长度是1μm的标本，放大后像的长度是100μm，要是以面积计算，则放大了10,000倍。显微镜的总放大倍数等于物镜和目镜放大倍数的乘积。

②、数值孔径也叫镜口率，简写NA 或A，是物镜和聚光器的主要参数，与显微镜的分辨力成正比。干燥物镜的数值孔径为0.05-0.95，油浸物镜（香柏油）的数值孔径为1.25。

③、工作距离是指当所观察的标本最清楚时物镜的前端透镜下面到标本的盖玻片上面的距离。物镜的工作距离与物镜的焦距有关，物镜的焦距越长，放大倍数越低，其工作距离越长。例：10倍物镜上标有10/0.25和160/0.17，其中10为物镜的放大倍数；0.25为数值孔径；160为镜筒长度（单位mm）；0.17为盖玻片的标准厚度（单位 mm）。10倍物镜有效工作距离为6.5mm，40倍物镜有效工作距离为0.48mm。

物镜（objective）是显微镜最重要的光学部件，利用光线使被检物体第一次成像，因而直接关系和影响成像的质量和各项光学技术参数，是衡量一台显微镜质量的首要标准。 物镜的结构复杂，制作精密，由于对象差的校正，金属的物镜筒内由相隔一定距离并被固定的透镜组组合而成。物镜的要求是齐焦合轴。齐焦即在镜检时，当用某一倍率的物镜观察图像清晰后，在转换另一倍率的物镜时，其成像亦应基本清晰。和轴即上述操作中，像的中心偏离也应该在一定的范围内。齐焦性能的优劣和合轴程度的高低是显微镜质量的一个重要标志，它与物镜本身的质量和物镜转换器的精度有关。 传统物镜的种类很多，可从不同的角度分类。现在分类介绍。

一、 按象差校正程度分类 物镜的种类及象差校正程度 编号 物镜 色差 球差 场曲

1 消色差物镜 红、蓝波区校正 黄、绿波区校正 存在

2 复消色差物镜 红、绿、蓝波区校正 红、蓝波区校正 存在

3 半复消色差物镜 红、蓝波区校正 红、蓝波区校正 存在

4 平场物镜 存在 存在 已校正

5 平场消色差物镜 红、蓝波区校正 黄、绿波区校正 已校正

6 平场复消色差物镜 红、绿、蓝波区校正 红、蓝波区校正 已校正物镜根据使用条件的不同可分为干燥物镜和浸液物镜；其中浸液物镜又可分为水浸物镜和油浸物镜（常用放大倍数为90—100倍）。

根据放大倍数的不同可分为 低倍物镜（10倍以下）、中倍物镜（20倍左右）高倍物镜（40—65倍）。 根据像差矫正情况，分为消色差物镜（常用，能矫正光谱中两种色光的色差的物镜）和复色差物镜（能矫正光谱中三种色光的色差的物镜，价格贵，使用少）。

1．消色差物镜（achromatic objective）：常见物镜，尽管各厂家的标志不完全一样，但外壳上一般标有“ACH”字样。这类物镜仅能校正轴上点红蓝光的色差和黄绿光的球差，以及消除近轴点慧差。不能校正其他光的色差和球差，且场曲很大。

2．复消色差物镜（Apochromatic objective）：复消色差物镜的结构复杂，透镜采用特种玻璃或萤石等材料制作而成，物镜的外壳上标有“APO”字样。这种物镜不仅能校正红绿蓝三色光的色差，同时能校正红蓝二色光的球差。 实际上，复消色差物镜不仅能校正红、绿、蓝三色光的色差，而且在同一焦点平面上成像，达到消除“剩余色差”（又称二级色谱）的效果，所以色差的校正实际上等于可见光的全部波区，但二级色谱的放大率色差仍然存在。当其与简单组合目镜配用时，这些残存的色差会使影像边缘略带色彩。因此，需要与补偿型目镜配合使用。复消色差物镜对于光源无任何限制，白光照明也可得到良好的效果。若加入蓝色或黄色滤光片效果更佳。 由于对各种象差的校正极为完善，比相应倍率的消色差物镜有更大的数值孔径，因此不仅分辨率高、图像质量好，而且有更高的有效放大率。复消色差物镜的性能很高，适用于高级研究镜检和显微照相。它的景深要比其他物镜小，价格昂贵。

3．半复消色差物镜（Semi Apochromatic objective）：又称氟石物镜，物镜的外壳上标有“FL”字样。在结构上透镜的数目比消色差物镜多、比复消色差物镜少。成像质量上，远比消色差物镜好，接近于复消色差物镜。能校正红蓝二色光的色差和球差。可用于荧光观察，是比较高级的物镜。 就象差校正程度而言，半复消色差物镜介于消色差与复消色差物镜之间，但其他光学性质都与复消色差物镜接近。其售价较低，常用来替代复消色差物镜，使用时最好与补偿型目镜相配合。

4. 平场物镜（Plan objective）：平场物镜一般标有“PLAN”字样。在物镜的透镜系统中增加了一块半月形的厚透镜，以达到校正场曲的目的。平场物镜的视场平坦，更适于镜检和显微照相。

5. 平场消色差物镜（Plan Achromatic objective）：平场消色差物镜常标有“A-PLAN”字样。是在红蓝色差校正的基础上，对场曲作了进一步校正，因此图像平直，使视野边缘与中心能

同时清晰成像。 消色差物镜、平场消色差物镜的色差校正为红蓝两个波区，球差校正仅为黄绿两个波区，仍然存在其他波区的色差和球差。但一般低倍放大时影响不大。鉴于其黄绿波区校正较佳，宜使用黄绿光作为照明光源，或加红色滤光片。

6. 平场复消色差物镜（Plan Apochromatic objective）：平场复消色差物镜除进一步做场曲的校正外，其他象差校正程度与复消色物镜相同。使用复消色差物镜成像的平坦程度不如消色差物镜，而平场复消色差物镜可使映像清晰、平坦、进一步提高成像质量。 另外，还有平场半复消色差物镜（Plan Semi Apochromatic objective）、超平场物镜（外壳标有“S PLAN”）、超平场复消色差物镜（外壳标有“S PLAN APO”）、消象散物镜（Anastigmatic objective）等。

按功能分类

1. 相差物镜（Phase Contrast objective）：一般带有“PH”标志，字体用绿色。这种物镜是相差（相衬）镜检术的专用物镜，其特点是在物镜的后焦平面处装有相位板。用来观察无色透明的标本或活细胞，倒置显微镜上使用广泛。

2. DIC物镜：一般要求半复消色差或复消色差物镜，用于DIC镜检观察无色样品或细胞，图像呈现立体感。

3. HMC物镜：标有“HMC”标志，一种类似于相差物镜的物镜。观察效果有立体感。用于霍夫曼观察，但不能用于荧光观察。

4. 偏光物镜：一般标有“POL”字样，这种物镜装配了克服应力设备，是专做偏光观察的物镜。

5. 荧光物镜：这种物镜的荧光透过率非常高，物镜用于对离子位移进行定性和定量的分析以及用于特别关键的荧光技术（如人类染色体的研究以及细胞遗传学）。这类物镜的突出特点是它们对340nm起的波长有特别高的数值孔径和高传输率（340nm时约为70%！）。视场平直足可以使用CCD照相。

6. TIRF专用物镜：要求数值孔径大，NA一般为1.45~1.65。如尼康公司的APO TIRF 60×/100× 1.49物镜。

7. 多功能物镜：有的厂家生产一些多功能物镜，可以同时做相差、DIC、荧光等观察。例如奥林巴斯的UPLANFLN（万能平场半复消色差）物镜和蔡司的EC PLAN –NEOFLUAR（高衬度平场新荧光）系列物镜。

特殊物镜分类 特殊物镜主要有以下几种：

1. 带校正环物镜（Correction Collar objective）：在物镜中部装有环状的调节环，当转动调节环时，可调节物镜内透镜组之间的距离，从而校正由盖玻片厚度不标准引起的覆盖差。物镜外壳的调节环上标有数字“11~23”，表明可校正盖玻片0.11~0.23mm厚度之间的误差。

2. 带虹彩光阑的物镜（Iris Diaphragm objective）：在物镜镜筒内的上部装有虹彩光阑，外方也有可旋转的调节环，转动时可调节光阑孔径的大小。这种结构的物镜是高级的油浸物镜，常用于暗视野观察，在暗视野镜检时，往往由于某些原因而使照明光线进入物镜，使视场背景不够黑暗，造成镜检质量的下降。这时调节光阑的大小，使背景变黑、被检物体更明亮，增强镜检效果。

3. 无罩物镜（No Cover objective）：有些被检物体，如涂抹制片等，上面不能加用盖玻片，在镜检时应使用无罩物镜。否则图像质量将明显下降，特别是在高倍镜检时更为明显。这种物镜的外壳上常标刻“NC”，同时在标记盖玻片厚度的位置上没有“0.17”的字样，而标刻着“0”。

其他分类方法

1. 按工作距离分类 （1）普通物镜：工作距离小，可以观察切片，但不能观察培养皿。 （2）

长工作距离物镜（Long Working Distance objective）：一般有“LD”标志，是倒置显微镜的专用物镜，它是为了满足组织培养、悬浮液等材料的镜检而设计制造的。由于这类被检物体都是放置在培养皿或培养瓶中，必须要求物镜的工作距离长才能达到镜检的要求。工作距离高至10.6mm，并可以进行光学修正，适用于0~2mm厚度的玻璃，通常由修正环或特殊的玻璃盖帽完成修正。例如奥林巴斯的LUCPLFLN-PH物镜和蔡司的LD-A-PLAN PH物镜。

2. 按物镜前透镜与盖玻片之间的介质分类 （1）干燥系物镜：镜检时，物镜前透镜与盖玻片之间以空气（n=1）为介质。这类物镜最为常用，如40×以下的物镜，数值孔径均小于1。

（2）水浸系物镜：一般有“W”标志，这些水浸系物镜同正立显微镜一起主要应用于生理学，如脑片等较厚样品的观察。镜检时，物镜前透镜与盖玻片之间是以水为介质的，宜用蒸馏水或生理盐水。 （3）油浸系物镜：即油镜头，其放大率为40×~100×。镜检时，物镜前透镜与盖玻片之间常以香柏油、无荧光油（n=1.515左右）为介质。有时也用甘油（n=1.450）、石蜡油（n=1.471）为介质。该类物镜的外壳上常标刻有“OIL”或“HI”字样，国产物镜刻以“油”或汉语拼音字头“Y”。 上述水浸与油浸物镜所应用的介质均为液体物质，所以又称为“浸液系物镜”，数值孔径大于1。

3. 按放大倍数分类 （1）极低倍物镜：这类物镜的倍率不是放大而是缩小，是为了观察较大的被检物体的全貌而设计、制造的。目前有些研究用显微镜附有这类物镜，在镜检时，应与极低倍聚光镜相配使用。如倍率为0.75×、0.5×的物镜。 （2）低倍物镜：1×~6×，NA

0.04~0.15。 （3）中倍物镜：6×~25×，NA 0.15~0.40。 （4）高倍物镜：25×~63×，NA

0.35~0.95。 （5）油浸物镜：40×~100×，NA 1.25~1.40。

4. 按厂家分类 按照生产厂家，物镜又可以分为奥林巴斯物镜、尼康物镜、徕卡物镜、蔡司物镜等。 当然还有其他一些物镜，比如反射暗视野物镜、自动识别物镜等。