显微镜物镜规格

通常，很容易识别单个物镜的属性，因为重要的参数通常刻在物镜本身的外壳（或镜筒）上，如图1所示。该图描绘了典型的60倍平场消色差物镜，其中包括常见的雕刻。 确定物镜设计目的所需的所有规格以及正确使用的必要条件。

显微镜制造商提供多种物镜设计，以满足专门成像方法的性能需求，以补偿盖玻片的厚度变化，并增加物镜的有效工作距离。通常，仅通过查看物镜的构造无法了解特定目标的功能。有限的显微镜物镜旨在将衍射极限图像投射在固定平面（中间图像平面）上，该平面由显微镜镜管长度决定，位于距物镜后焦平面预先指定的距离处。显微镜物镜通常设计为与特定组的目镜和/或镜筒镜配合使用，这些镜和/或镜筒在策略上可以帮助消除残留的光学误差。例如，较旧的尼康和奥林巴斯补偿目镜与高数值孔径的萤石和复消色差物镜配合使用，可消除横向色差并提高像场平整度。较新的显微镜（来自尼康和奥林巴斯）具有完全校正的物镜，不需要目镜或套管透镜的其他校正。

现在，大多数制造商已过渡到无穷大校正的物镜，该物镜将平行束中的出射光线从每个方位角投射到无穷大。这些物镜在光路中需要筒形透镜以将图像聚焦在中间图像平面上。无限远校正和有限管长的显微镜物镜不可互换，不仅必须与特定类型的显微镜相匹配，而且还必须与单个制造商的特定显微镜相匹配。例如，尼康无限远校正物镜与奥林巴斯无限远校正物镜不能互换，这不仅是因为管长不同，而且还因为安装螺纹的螺距或直径不同。物镜通常包含一个指示镜筒焦距校正的铭文，将在下面进行讨论。

每个物镜的筒上都刻有大量信息，可以分为几类。其中包括线性放大倍率，数值孔径值，光学校正，显微镜镜筒长度，物镜设计的介质类型，以及决定物镜是否按需执行的其他关键因素。这些属性的更详细讨论在下面以及指向其他涉及特定问题的页面的链接中提供。

• 制造商-物镜制造商的名称几乎总是包含在物镜中。图1中所示的物镜是尼康公司制造的，但可比较的物镜是奥林巴斯，蔡司和徕卡制造的，它们是显微镜行业中受尊敬的制造商之一。
• 线性放大倍率-对于图1中的复消色差物镜，线性倍率为60倍，尽管制造商生产的物镜的线性倍率从0.5倍至250倍不等，中间有许多放大倍率。
• 光学校正-通常将它们列出为Achro和Achromat（消色差），Fl，Flual，Fluor，Neofluar或Fluotar（萤石），以获得更好的球形和色差校正，以及Apo（复消色差）以实现最高的球差和色差校正度。像场弯曲校正缩写为Plan，Pl，EF，Achroplan，Plan Apo或Plano。其他常见缩写是ICS（无限远校正系统）和UIS（通用无限远系统），N和NPL（普通视场平面），Ultrafluar（透明至250纳米的玻璃的萤石物镜）以及CF和CFI（无铬；无铬无限远）。图中的物镜（图1）是平面复消色差透镜，其光学校正程度最高。有关经常在物镜镜筒上找到的缩写的完整列表，请参见表1。

表1-专门的物镜名称

数值孔径-这是一个关键值，它表示光线的接收角度，而角度又决定了聚光能力，分辨能力和物镜的景深。

一些专门为透射光荧光和暗场成像设计的物镜配有内部可调光阑，可调节有效数值孔径。 这些物镜上刻在镜管上的缩写包括I，Iris和W / Iris。 上面说明的60倍复消色差物镜的数值孔径为1.4，这是使用浸油作为成像介质的现代显微镜中可获得的最高数值孔径之一。

• – 机械管长度Mechanical Tube Length -这是显微镜镜筒在镜鼻开口（安装物镜的位置）和观察镜的上边缘（插入目镜）之间的长度。 镜筒长度通常在物镜上标有固定长度的毫米数（160、170、210等），对于经无限远校正的镜筒的长度，标记无限远符号（∞）。 图1中所示的物镜已针对无限远的管长度进行了校正，尽管许多较旧的物镜将针对160（尼康，奥林巴斯，蔡司）或170（莱卡）毫米的管长进行了校正。
• 盖玻片的厚度-大多数透射光物镜旨在成像被盖玻片覆盖的样本。 现在，这些小玻璃板的厚度在大多数应用中已标准化为0.17毫米，尽管一批盖玻片的厚度通常会有所不同。 因此，一些更先进的物镜对内部透镜元件进行了校正环调整，以补偿这种变化。 校正环调整的缩写包括Corr，w / Corr和CR，尽管存在可移动的滚花环和刻度尺也表明了此功能.

在某些应用中，不需要为覆盖玻璃厚度校正物镜。 这些包括为反射光的冶金样品，组织培养，集成电路检查以及许多其他需要观察而无需对盖玻片进行补偿的应用而设计的物镜。

• 工作距离-这是标本聚焦时物镜前透镜与盖板玻璃顶部之间的距离。 在大多数情况下，物镜的工作距离随放大率的增加而减小。 工作距离值未包含在所有物镜中，并且其存在取决于制造商。 常见的缩写是：L，LL，LD和LWD（长工作距离），ELWD（超长工作距离），SLWD（超长工作距离）和ULWD（超长工作距离）。 较新的物镜通常在镜管上刻有工作距离（以毫米为单位）的大小。 图1所示的物镜的工作距离很短，仅为0.15毫米。
• 特殊的光学特性-显微镜物镜通常具有可在某些条件下优化性能的设计参数。 例如，有专门针对偏振照明设计的物镜，其缩写为P，Po，POL或SF（无应变和/或所有镜筒雕刻都涂成红色），相衬（PH和/或绿色镜筒雕刻） ，差分干涉对比（DIC）和其他用于其他应用的缩写。 表1列出了一些缩写，通常是特定于制造商的。图1所示的复消色差物镜针对DIC显微照相进行了优化，并在镜筒上标明。 DIC标记旁的大写字母H表示必须将物镜与为高放大倍率应用优化的特定DIC Wollaston棱镜一起使用。

表2-物镜数值孔径和工作距离

*缩写：
ACH =消色差
PL =平场消色差
PL FL =平场萤石
PL APO =平场复消色差

• 物镜螺纹-几乎所有物镜上的安装螺纹的尺寸均符合皇家显微学会（RMS）的标准，以实现通用兼容性。图1中的物镜的安装螺纹直径为20.32 mm，螺距为0.706，符合RMS标准。奥林巴斯（Olympus）和蔡司（Zeiss）制造商目前在生产无限远物镜时使用该标准。尼康和徕卡通过引入新的无穷远校正物镜突破了标准，该物镜具有更宽的安装螺纹尺寸，使徕卡和尼康物镜仅可在自己的显微镜上使用。我们在介绍尼康CFI60 200/60/25生物医学显微镜规格的部分中解释了尼康的推理。通常用于表示螺纹尺寸的缩写是：RMS（皇家显微学会物镜螺纹），M25（公制25毫米物镜螺纹）和M32（公制32毫米物镜螺纹）。
• 浸入介质-大多数物镜被设计为以空气作为物镜和保护玻璃之间的介质对标本成像。

为了获得更高的工作数值孔径，许多物镜被设计为通过另一种介质对样本成像，从而减小玻璃与成像介质之间的折射率差。当浸没介质是折射率为1.51的特殊油时，高分辨率平场消色差物镜可以实现高达1.40的数值孔径。其他常见的浸入介质是水和甘油。为特殊浸没介质设计的物镜通常在物镜镜筒的圆周上刻有一个颜色编码的环，如表3所示和以下所述。常见的缩写是：油，Oel（油浸），HI（同质浸），W，水，Wasser（水浸）和Gly（甘油浸）。).

• 颜色代码-显微镜制造商用颜色代码标记物镜，以帮助快速识别放大倍率和任何特殊的浸没介质要求。图1所示物镜上的深蓝色代码表示线性放大倍数为60x。当您拥有一个包含5个或6个物镜的物镜转台时，这非常有用，您必须快速选择特定的放大倍率。一些专门的物镜还有一个附加的颜色代码，指示实现最佳数值孔径所必需的浸入介质的类型。与油一起使用的浸没透镜有一个黑色的环，而与甘油一起使用的那些浸入的透镜有一个橙色的环，如图2左侧的物镜所示。设计用于水介质中的生物体成像的物镜带有白色环，以及专门用于非常规浸没介质的高度物镜通常都刻有红色环。表3列出了大多数制造商正在使用的放大倍率和成像介质颜色代码。.

Table 3 – Objective Color Codes

特殊功能-物镜通常具有特定于特定制造商和物镜类型的附加特殊功能。图1所示的平场复消色差物镜有一个装有弹簧的前透镜，可以防止物镜意外驱动到显微镜载玻片表面时造成损坏。

专用物镜的其他功能还包括可变工作距离（LWD）和数字孔径设置，可通过转动物镜主体上的校正环来调节它们，如图2所示。左侧的平场荧光物镜具有可变的浸入介质/数值孔径设置，可将物镜与空气和其他液体浸没介质甘油一起使用。右边的平场复消色差物镜具有可调节的工作距离控制器（称为“校正环”），该物镜可通过厚度可变的玻璃盖玻片对样本成像。这对于具有高数值孔径的干燥物镜尤其重要，当与厚度不同于指定设计值的盖玻片一起使用时，这些物镜特别容易受到球面和其他像差的影响，这些像差会损害分辨率和对比度。

尽管今天并不常见，但过去已经制造了其他类型的可调节物镜。也许最有趣的例子是复合“变焦”物镜，其放大倍率可变，通常为4倍至15倍。这些物镜的镜筒很短，光学器件设计不佳，存在严重的像差问题，对于显微摄影或关键的定量显微镜来说，不太实用。

齐焦距离-这是另一个规格，通常会因制造商而异。大多数公司生产的物镜的焦距为45毫米，旨在改变倍率时最大程度地减少重新聚焦。

图3左侧描绘的物镜的齐焦焦距为45mm，除放大色码外，还用浸入媒介彩色代码标记。如图所示，从物镜安装孔到样本的聚焦点测量共焦距离。图3右侧的物镜的焦距更长，为60毫米，这是由于它是按照尼康CFI60 200/60/25规格生产的，因此再次偏离了其他制造商（例如奥林巴斯和蔡司）的做法，后者仍然生产45mm焦距的物镜。大多数制造商还将物镜的物镜架设为同心，这意味着当样品在一个物镜的视场中居中时，在旋转物镜架以使用另一个物镜时，样品保持居中。

玻璃设计-在现代显微镜光学的发展过程中，玻璃配方的质量至关重要。许多制造商已经实现了许多设计，但是我们将把讨论限制在一种专门的低分散玻璃配方上。引入超低色散（ED）玻璃是透镜设计的一项重大进步，其光学质量与萤石矿物相似，但没有机械和光学缺点。这种玻璃使制造商可以使用具有卓越校正和性能的透镜元件来制造更高质量的物镜。

多层镀膜-高质量的显微镜物镜通过独特的高透射抗反射多层镀膜得到保护和增强，该镀膜应用于镜片的空气界面表面，以减少眩光和重影并确保高对比度图像。这些专用涂层也用于相差物镜的相板上，以使对比度最大化。

从上面的讨论中可以明显看出，物镜是显微镜的最重要元素。出于这个原因，要投入大量的精力来确保它们的标签正确并适合当前的任务。

撰稿人
Michael W. Davidson – National High Magnetic Field Laboratory, 1800 East Paul Dirac Dr., The Florida State University, Tallahassee, Florida, 32310.