透镜的光学缺陷和设计

1.2.1 透镜光学缺陷

单透镜具有球形表面，由于球形表面伴随着许多本征光学缺陷（称为像差），它们以多种方式影响图像质量。在这些缺陷中，主要的像差是色差、球差、像散、慧差、场弯曲和畸变，如图1-24所示。对于理想的薄凸透镜成像，物平面上的一个点将在像平面得到对应的一个点，由此像平面上获得一放大或缩小的图像。但是对于有像差的透镜来讲，物平面与像平面上不能得到一一对应的几何意义上的点，而是有一定尺寸的圆斑，由此导致图像分辨率下降或图像失真。色差（见图1-24（a））指不同波长的轴上光线被聚焦在不同的光轴位置上；球差（见图1-24（b））指轴上的近轴光线和远轴光线被聚焦在不同的光轴位置上；慧差（见图1-24（c））指离轴的近轴和远轴光线被聚焦在像平面的不同位置上；像散（见图1-24（d））指离轴光线通过水平与垂直方向后使一个点被聚焦成一条线；畸变和场曲（见图1-24（e））指成像平面不是一个平面而是一个曲面，由此导致桶形畸变和枕形畸变。

图1-24 透镜光学缺陷

1.2.2 透镜的设计和特性

1.2.2.1 物镜

物体的第一幅放大像是通过物镜获得的，因此，物镜的质量在很大程度上决定了显微镜的成像质量。为此，各种像差校正的物镜相继问世。消色差物镜的外壳上刻有英文、德文、法文Achromat字样或俄文AXP字样。复消色差物镜的外壳上刻有英文、德文、法文Apoc-hromat（简写Apo）字样或俄文АПО字样。萤石物镜外壳刻有英、德、法文Fluormat（或简写Fluor）。刻有Planochromat字样的平视场物镜常用的系列有：平视场萤石消色差物镜（Plan-Neofluor）、平视场复消色差物镜（Plan-Achromat）和平视场萤石消色差偏光物镜（Plan-Neofluorpol）等。相差显微镜必须配有相差物镜。这种物镜的外壳刻有英、德、法文Pha或俄文φ字样。单色物镜（monochromat）是专用于紫外光干涉显微镜的。带有可变光阑的物镜的镜体上装有螺纹转动圈。转动圈的标号可在0.5～1.0移动，其适用于暗视场显微镜。

物镜质量的改善方法：一是通过物镜材料的选择，二是通过透镜的组合。

物镜的材料有普通光学玻璃、萤石、水晶。普通光学玻璃制造的透镜一般在物镜上不带标记，而特殊物镜的外壳上则有字样。在物镜的外壳上通常还刻有物镜的性能、物镜的工作距离、放大倍数，如图1-25所示。各种放大倍率及其颜色标记如表1-1所示。

表1-1 放大倍率及其颜色标记

图1-25 平视场物镜的外观和特性

除了物镜的材料外，物镜可由不同凹凸透镜的组合来提高成像质量，如图1-26所示。

图1-26 两种常用的物镜

（a）平视场物镜；（b）复消色差物镜

主要使用的物镜性能简述如下。

消色差物镜能够校正红光和蓝光（波长为656nm和486nm）。这些物镜对于白光照明可给出满意的性能，如果是单色光照明则可给出优异的性能。它们适合于在一定倍率下工作（30～40×或更低倍率），并且造价不贵。

萤石物镜由低色差材料（Ca F2）制成，能校正色散和场曲。良好的色散校正、极高的透明度（包括近紫外光）和高衬度的结合使得它适用于免疫荧光显微镜、偏光微分干涉衬度显微镜和其他形式的光学显微镜，可获得的最大数值孔径约为1.3。

复消色差物镜是昂贵的，具有高度的色差校正，适用于白光照明下的彩色照相，如图1-25所示。这种物镜对色差可校正红、绿、蓝和深蓝色，几乎覆盖了整个可见光范围；对球差可校正绿、蓝波长范围。复消色差物镜复合透镜组能将不同波长光线成像于同一平面而使图像变得清晰。色差的高度校正使这类物镜适合于荧光显微镜，因为来自样品发散出的各种荧光波长能被正确地聚焦在同一像平面上。但是复消色差物镜和萤石物镜不能很好校正场曲，而由更多透镜组成的平视场物镜可克服该缺点，其特点是，显著扩大了图像视域的平整范围，使整个视域图像清楚，适用于观察和照相。当然平视场物镜比前两种物镜贵得多。这种物镜的桶形外观及透镜组合如图1-26所示。某些使用物镜的特征总结于表1-2中：放大倍率（M）、透镜设计类型（Type）、空气或油浸的折射率（n）、工作距离（WD）、数值孔径（NA）、最小可分辨距离（dmin）、场深（DOF）和亮度（B）。

表1-2 某些使用物镜的特征

1.2.2.2 目镜

目镜的作用是将物镜放大的实像再放大，观察时在明视距离处呈现放大的虚像（物镜所成的像在目镜焦点之内），在照相时底片上将得到一实像（物镜所成的像在目镜焦点之外）。目镜种类繁多，但基本上可分为三大类：惠更斯目镜、冉斯登目镜和补偿目镜。

1）惠更斯目镜

图1-27 惠更斯目镜（a）和冉斯登目镜（b）

惠更斯（Haygens）目镜是由两块同类光学玻璃研制成的单面透镜片组成。图1-27（a）是惠更斯目镜剖面图。接近眼睛的一片称为目透镜或称接目镜（图中小的透镜），其平面向外，凸面向内，起放大作用；另一片称聚光镜，也称场透镜，其平面和凸面朝向与目透镜相同，它的作用是使由物镜射来的光线折向接目镜，从接目镜的出口以一束平行光线射出。两者之间装有一个金属环，即为视场光栏。视场光栏可以放置显微刻度尺并可上下推动，将其置于目透镜平面上时，就能从目镜中观察到迭加在物像上的刻度。

惠更斯目镜既可用于观察，又可用于照相，当物镜所成的像在目透镜焦点之内时为放大的虚像，即可进行图像观察；当物镜所成的像在目透镜焦点之外时为放大的实像，此时可进行图像摄影。惠更斯目镜因焦点在两片透镜之间，故不能单独作为放大镜使用，这种不能单独作为放大镜使用的目镜叫做负型目镜。惠更斯目镜结构简单，价格便宜，最为常用，其缺点是没有校正像差，只适合与低、中倍消色差物镜配合使用，它的放大倍率不能超过15倍。

2）冉斯登目镜

冉斯登（Ramsden）目镜的剖面图如图1-27（b）所示。它与惠更斯目镜构造几乎一样，只是目透镜和场透镜平、凸面的朝向相反。冉斯登目镜的焦点位于场透镜之外，可以看作单一的凸透镜，并能单独作为放大镜使用，故又称为正型目镜。这种目镜能校正慧差和像散，但不能校正球差和色差。在同样放大倍数下，视场比负型目镜小。目前这种目镜较少使用。

3）补偿目镜

补偿目镜是一种由正、负透镜复合特制的透镜，可校正两种不同波长的色光所造成的横向色差和球差，所以这种目镜能补偿物镜仍未能消除的色差和像差。补偿目镜配合复消色差物镜使用时，能够达到消除色差来获得清晰图像，可用于高倍观察。补偿目镜的外壳上刻有放大倍数和英文字母“C”或俄文字母“K”字识别符号，如10×K。

1.2.2.3 聚光镜

光学显微镜的成像质量不仅取决于物镜，而且取决于光的传递系统，包括照明源、光的收集透镜和尤为重要的聚光镜。聚光镜的基本作用是，①会聚可见光并使之均匀照射样品；②控制照明光锥的孔径并使之与物镜数值孔径相匹配；③为各种成像技术提供特殊类型的照明。

图1-28 阿贝聚光镜（a）和消色差球差聚光镜（b）

高性能聚光镜可以校正色差和球差以及场曲。但是，当使用通常仅由两个透镜构成的阿贝聚光镜时（见图1-28（a）），上述的像差仍会明显存在。高性能消色差球差聚光镜（见图1-28（b））由5个透镜构成（包括两个消色差双合透镜），它的数值孔径可达1.4，使用浸没透镜可得到高分辨的图像。这些聚光镜可以校正红、蓝波长等可见光的色差，也可校正黄-绿可见光的球差和场曲。