物镜教程：理解标识和规格

作为一种复杂的多透镜光学系统，物镜不仅是显微镜的关键部件，还经常用于搭建激光聚焦或光子收集装置。选择物镜时需要考虑规格和应用。规格很容易通过镜筒上刻的符号和文字确定，但要为每个具体的应用找到合适的物镜并不容易。

从有限共轭到无穷远校正

有限共轭物镜通常由两个或三个透镜(包含一个消色差透镜)组成。物体处于物镜前方但不在焦平面上，只需把眼睛或相机放在物镜后方就能观测图像。

有限共轭物镜的成像无穷远校正物镜把物体放在焦平面上，所以输出准直光束(图像位于无穷远)，需要另外通过套筒透镜把图像聚焦在中间像平面。这种物镜刻有一个∞符号，内部包含更多的光学元件，所以尺寸和重量通常都大于有限共轭物镜，当然性能也更好。

无穷远校正物镜的成像无穷远校正设计的好处是可以将其它光学元件尽量向后推，方便操控光束，而且如果不同物镜具有相同的齐焦距离(从物镜肩部到样品或盖玻片顶部的距离)，可直接通过一个支架安装并切换物镜，不需要调节套筒透镜。

切换不同放大率的无穷远校正物镜物镜两端分别要注意的是工作距离(WD)和螺纹孔径。有些物镜提供很小的工作距离(比如高倍率和高NA物镜)，所以包含缩进机制，以防碰撞样品时导致损坏。螺纹孔径限制物镜的入瞳直径，而后者应等于物镜数值孔径(NA)和有效聚焦(f)乘积的两倍。物镜常用的安装螺纹包括RMS (0.800"-36)以及M25 x 0.75或M27 x 0.75螺纹，而更大的M32或M40螺纹能提供更长的工作距离和更大的视野。Thorlabs提供多种黄铜螺纹转接件，便于在不同的系统中安装物镜。

油浸物镜和干物镜的标识示例

分辨率和放大率

数值孔径(NA)和放大率(M)是物镜的两个主要规格。NA表示物镜从样品收集光的角度范围并决定分辨率，其大小通常根据阿贝判据以0.5λ/NA计算。NA越大，分辨率越高。在上图中，40x/1.30 OIL表示1.30 NA的40倍油浸物镜，60x/0.85表示0.85 NA的60倍干物镜，所以前者的分辨率更高。干物镜是指物镜前端和样品之间为空气，可实现的最大NA通常为0.95。为了提高NA，可在物镜和样品之间加入液体，以此增大收集样品光的角度。浸液物镜可通过不同颜色的环辨别，但如果将其当干物镜使用，图像质量会很差。浸液物镜按用法分为两种：Dipping和Immersion。Dipping物镜直接将前端透镜浸入样品介质中，中间不用盖玻片。Immersion物镜需要在样品上加盖玻片，并在盖玻片和物镜之间滴上液体。对比如下图所示。

Water Dipping vs Water Immersion

对于放大率，镜筒上也有不同颜色的环：

但在实际使用中，物镜的有效放大率还和套筒透镜焦距有关。如果显微镜使用的套筒透镜焦距不同于设计套筒焦距，则物镜的有效放大率为：

物镜生产商	设计套筒焦距(mm)
Thorlabs,  Nikon, Leica, Mitutoyo	200
Olympus	180
Zeiss	165

比如，如果将40倍Olympus物镜和Thorlabs 200 mm焦距的套筒透镜一起使用，将套筒透镜的实际焦距和设计焦距代入上面的公式可知有效放大率为44.4倍。像差校正物镜按色差校正水平可分为：消色差、半复消色差、复消色差、超复消色差以及改进的可见光复消色差；前三种像差校正等级来自ISO 19012-2标准中的定义。另外，像差校正字符中包含Plan说明校正了场曲。

物镜等级	常用缩写
消色差	ACH, ACHRO
半复消色差或萤石	SEMIAPO, FL, FLU
复消色差	APO
超复消色差	SAPO
改进的可见光复消色差	VIS+

场数(Field Number)

以∞/0.17/FN26.5标识为例，前两项说明这是一个无穷远校正物镜，而且需要配合0.17 mm厚的盖玻片使用；如果盖玻片厚度处于某个范围，则镜筒上还会有一个校正环。

第三项FN26.5为场数，以毫米为单位。FN和物镜的有效放大率之比等于物镜可成像的样品直径，比如对于下面三种物镜，由于不同的FN和倍率，可成像的样品直径分别为：

• FN26.5 / 40X = 0.663 mm
• FN22 / 10X = 2.2 mm
• FN26.5 / 100X = 0.265 mm
  

这说明低倍率物镜有时能观测更大的样品面积，可能更适合特定的应用。另外，视场(Field Of View, FOV)表示探测器实际可观测的样品面积。很多相机传感器和光学元件会限制可观测的样品面积，因为它们的尺寸通常小于物镜场数。

综合实例

[size=0.875]使用Thorlabs的CS2100M-USB相机和0.75X套筒透镜(焦距为150 mm)以及Olympus的40X物镜进行成像。

RMS40X-PFO

CS2100M-USB

• 物镜有效放大率：
  40 x 150 / 180 = 33.3X
• 物镜可成像直径：
  26.5 mm / 33.3 = 795 μm
• 因为相机传感器尺寸(9.68 mm x 5.44 mm)小于物镜FN，所以实际可成像的样品面积为：
• 每个像素(5 μm)可成像的样品尺寸：
  5 μm / 33.3 = 150 nm
• 物镜在500 nm处的分辨率：
  0.5 x 500 / 1.3 = 192 nm
  

所以，物镜的最小可分辨特征需要占用约1.3个像素。

物镜FN vs 相机FOV

Thorlabs生产多种用于生命科学的成像物镜、宽带反射式显微物镜、用于多光子显微镜的生理学物镜、以及用于Nd:YAG或紫外激光波长的高功率聚焦物镜，并提供来自Olympus、Nikon和Mitutoyo的各种物镜。点击阅读原文可跳转至产品导航页面。