显微镜物镜的规格和标识

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60X平场消色差物镜，包括包含确定物镜设计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，就无法了解特定物镜的功能。有限显微镜物镜旨在将衍射极限图像投射在固定平面（中间像平面），由显微镜试管的长度决定，并位于距物镜的后焦平面预先指定的距离处。显微镜物镜通常被设计为与特定的目镜和/或镜筒透镜一起使用，这些目镜和/或镜筒在策略上放置有助去除残留的光学误差。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限远校正的物镜，该物镜将平行束中的新兴光线从每个方位角投射到无限远。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。物镜通常包含指示管焦距的题字，这将在后面讨论。

每个物镜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，光学校正，显微镜镜机械筒长，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中所示的物镜是由一家日本的虚拟公司Nippon制成的，但可比较的物镜由尼康，奥林巴斯，蔡司和徕卡等公司制造，它们是显微镜行业中最受尊敬的制造商。

线性放大倍率 -在图1中的复消色差物镜的情况下，线性放大倍数为60X，尽管制造商生产的线性放大倍率的物镜范围从0.5X至250X，并且介于两者之间。

光学校正 -通常将其列为Achro和消色差（消色差），Fl，Flual，Fluor，Neofluar或Fluotar（萤石）以获得更好的球面和色度校正，并列为Apo（复消色差）以提供最高的球面校正度和色差。场曲率校正缩写为Plan，Pl，EF，Achroplan，Plan Apo或Plano。其他常见的缩写是ICS（无限色彩校正系统）和UIS（通用无限远系统），N和NPL（常规视场平面图），Ultrafluar（萤石物镜，透明至250纳米的玻璃透明）以及CF和CFI（无铬；铬-无限远）。插图中的物镜（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。

数值孔径 -这是一个临界值，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备有内部虹膜光阑，可调节有效数值孔径。这些物镜上刻在枪管上的缩写包括I，Iris和W / Iris。上面说明的60X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。

机械筒长 -这是显微镜镜筒在镜筒开口（安装物镜的位置）与观察镜筒的上边缘之间的长度，在镜筒的开口处装有物镜。在底漆的机械管长度部分将更全面地讨论显微镜设计的这一方面。管的长度通常在物镜上标有固定长度的毫米数（160、170、210等），对于无限远校正的管长度，无限远符号（∞）。图1中所示的物镜针对无穷远的灯管长度进行了校正，尽管许多较旧的物镜针对的是160mm（尼康，奥林巴斯，蔡司）或170mm（莱卡）的透镜。

盖玻片厚度 -大多数透射光物镜旨在由盖玻片（或盖覆盖图像样本滑移）。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轴环调节，以补偿这种变化。校正项圈调整的缩写包括Corr，w / Corr和CR，尽管存在可移动的滚花项圈和刻度尺也表明了此功能。

工作距离 -这是标本聚焦时物镜前透镜与盖玻片顶部之间的距离。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）。较新的物镜通常包含刻在枪管上的工作距离（以毫米为单位）的大小。图1中所示的物镜的工作距离非常短，仅为0.21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，有针对偏振照明设计的特殊物镜，其缩写为P，Po，POL或SF（无应变和/或所有桶形雕刻都涂成红色），相衬（PH和/或绿色桶形雕刻） ，微分干涉对比（DIC），以及其他用于其他应用程序的缩写。表1列出了一些缩写，通常是制造商特定的。图1所示的复消色差物镜针对DIC显微摄影进行了优化，并在镜筒上标出。DIC标记旁边的大写字母H表示该物镜必须与为高放大率应用优化的特定DIC Wollaston棱镜一起使用。

ACH，消色差

PL FL，Plan Fluorite

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镜学会（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校正物镜时使用此标准。尼康和徕卡通过引入新的经无限远校正的物镜突破了标准，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。我们在描述尼康CFI60 200/60/25规格的部分中解释了尼康的推理用于生物医学显微镜。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25mm物镜螺纹）和M32（公制32mm物镜螺纹）。

浸入介质 -大多数物镜旨在通过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oil时，高分辨率平场消色差物镜可实现高达1.40的数值孔径。其他常见的浸入介质是水和甘oil。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：oil，Oel（油浸），HI（均质浸），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个物镜的物镜转台并且必须快速选择特定的放大倍率时，这将非常有用。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。打算与oil一起使用的浸入式透镜有一个黑色的环，而打算与甘oil一起使用的那些浸入式透镜有一个橙色的环，如图2左侧的物镜所示。指定了用于在水性介质中成像生物的物镜。带白色环的水浸物镜和用于特殊浸入介质的高度专业化的物镜通常刻有红色环。表3列出了大多数制造商使用的当前放大倍率和成像介质颜色代码。

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中所示的平场复消色差物镜具有一个弹簧加载的前透镜，可防止将物镜意外驱动到显微镜载玻片表面时造成损坏。

在专门物镜上发现的其他功能是可变工作距离（随钻测距））和数值孔径设置（可通过转动物镜主体上的校正环来调节），如图2所示。左侧的平面荧光物镜具有可变的浸入介质/数值孔径设置，可将物镜用于两种空气和另一种浸液介质甘oil。右侧的载脂蛋白平物镜具有可调节的工作距离控制装置（称为“校正环”），该物镜可以通过可变厚度的玻璃盖玻片对标本成像。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。也许最有趣的示例是复合“缩放”物镜，其放大倍率可变，通常为4X至15X。这些物镜的镜筒较短，光学器件设计不佳，存在严重的像差问题，对于显微摄影或严重的定量显微镜来说，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X率时最大程度地减少重新聚焦。

图3左侧描绘的物镜的共焦距为45mm，除放大色码外，还标有浸入式中色码。如图所示，从物镜安装镜的物镜安装孔到样品聚焦点的共焦距是测量的。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，仍然可以产生45mm焦距的物镜。大多数制造商还使他们的物镜转接器成为准中心，这意味着当一个标本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，它仍保持居中。

玻璃设计 -玻璃配方的质量在现代显微镜光学系统的发展中至关重要，目前有数百种光学玻璃可用于设计显微镜物镜。玻璃对显微镜物镜要求的光学性能的适合性取决于其物理性质，例如折射率，色散，透光率，污染物浓度，残留自发荧光和整个混合物的整体均匀性。光学设计人员必须注意确保用于高性能物镜的玻璃在近紫外区域具有高透射率，并且对于诸如偏振光或差分干涉对比之类的应用也会产生高消光系数。

用于构建多个透镜元件的水泥通常厚度约为5-10微米，这可能是将三个或更多透镜元件粘合在一起的成组伪影的来源。双重透镜，三重透镜和其他多个透镜布置可能会显示杂散吸收，透射和荧光特性，这会使某些应用无法使用透镜。

多年来，天然萤石通常用于制造萤石（半复消色差）和复消色差物镜。不幸的是，许多新开发的荧光技术通常依赖波长显着低于400纳米的紫外线激发，而该矿物中存在的天然有机成分产生的自发荧光严重损害了这种激发。同样，天然萤石具有显示出广泛的局部结晶区域的趋势会严重降低偏振光显微镜的性能。新的，更先进的材料（例如氟冠玻璃）可以规避许多这些问题。

光学玻璃的退火对于制造物镜是至关重要的，以消除应力，提高透射率并减少其他内部缺陷的程度。一些用于复消色差透镜构造的玻璃配方需要缓慢冷却并退火较长时间，通常超过六个月。真正的复消色差物镜由天然萤石和其他在近紫外线区域透射率降低的玻璃制成。

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出色光学校正和性能的透镜元件来创建更高质量的物镜。由于许多玻璃的化学和光学性质均为专有性质，因此很难或不可能获得文档。由于这个原因，文献通常对于在构造显微镜物镜中使用的玻璃的特定特性含糊不清。

多层减反射膜 -近年来，物镜设计领域最重要的进步之一就是抗反射涂层技术的改进，该技术有助于减少光线穿过镜头系统时产生的有害反射（眩光和重影），并确保高对比度图像。每个未镀膜的气-玻璃界面可以反射垂直于表面的入射光束的百分之四到百分之五，导致法向入射时的透射值为95-96％。具有合适的折射率的四分之一波长厚的抗反射涂层的应用可以使该值增加百分之三到百分之四。随着物镜的数量越来越多，物镜变得越来越复杂，消除内部反射的需求也相应增加。一些具有高校正度的现代物镜可以包含多达15个具有许多气-玻璃界面的透镜。如果未镀膜，仅轴向光线的反射损失将使透射率值降至50％左右。曾经用于减少眩光并改善透射率的单层透镜涂层现已被多层涂层所取代，该多层涂层在可见光谱范围内产生的透射率超过99.9％。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。曾经用于减少眩光并改善透射率的单层透镜涂层现已被多层涂层所取代，该多层涂层在可见光谱范围内产生的透射率超过99.9％。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。曾经用于减少眩光并改善透射率的单层透镜涂层现已被多层涂层所取代，该多层涂层在可见光谱范围内产生的透射率超过99.9％。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。

图3中示出了反射和/或穿过涂覆有两个抗反射层的透镜元件的光波的示意图。入射波以一定角度入射到第一层（图3中的A层），导致部分光被反射（R（o）），另一部分透射过第一层。遇到第二防反射层（B层），另一部分光以相同角度反射，并干扰从第一层反射的光。其余的一些光波继续照射到玻璃表面，在此再次被反射和透射。从玻璃表面反射的光（从相长和相消的角度）与从抗反射层反射的光发生干涉。抗反射层的折射率不同于玻璃和周围介质（空气）的折射率。随着光波通过抗反射层和玻璃表面，大部分光（取决于入射角-在光学显微镜中通常垂直于透镜）最终会透射过玻璃并聚焦形成图像。

氟化镁是薄层光学减反射涂层中使用的许多材料之一，但是大多数显微镜制造商现在都生产自己的专有配方。总的结果是，对比度和可见光波长的传输有了显着改善，同时在传输频带之外的谐波相关频率中存在破坏性干扰。这些专用涂层很容易因处理不当而损坏，显微镜医师应注意此漏洞。与单层涂层的紫色色调相反，多层抗反射涂层的色调略带绿色，这种观察可用于区分涂层。内置透镜上使用的防反射涂层的表面层通常比设计用于保护外部透镜表面的相应涂层要柔软得多。清洁涂有薄膜的光学表面时，应格外小心，尤其是在拆卸显微镜并且仔细检查内部透镜元件的情况下。

从上面的讨论中可以明显看出，物镜是复合显微镜最重要的光学元件。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。我们将在本教程的其他部分中探索显微镜物镜的其他特性和方面。