物镜小知识（四）：有限远的物镜如何按照无限远物镜来使用
文摘
2024-11-05 11:58
江苏
随着现代科学技术的发展，显微镜被广泛应用多个领域，医学、工业、农业、材料、刑侦等，帮助人类探索和理解微观世界。锐光凯奇已经推送了几期介绍各种各样的成像应用，本期推送内容介绍有限远的物镜如何按照无限远物镜来使用，供大家参考。显微镜的成像系统核心是物镜，按照物镜的工作方式可以分为有限远物镜成像系统和无限远物镜成像系统。工作原理在图1上可以清清楚楚了解到，有限远物镜成像系统是样品经过物镜直接成像到CCD上，自从发明了显微镜以来一直是采用的这种模式；这种模式看起来是比较简单，但是存在一个重要的问题是物镜出射的光是汇聚到CCD靶面，如果在物镜和CCD中间插入任何其它的光学元件都是等效一个平板产生各种各样的像差，对于应用很是不方便。1986年，德国蔡司公司推出了新一代光学显微镜的物镜，这种物镜突破了传统光学显微镜的概念，采用了无限远色差校正的光学系统（infinity color-corrected system，简称ICS物镜），其特点是样品经过物镜出射的成像光束是一束平行光，经过管镜在CCD上成像。这样的优点是在物镜和管镜之间的光路中按需要插入任意多的光学部件而不影响成像质量。无限远的物镜出现以后，迅速得到了普及应用。目前有限远的物镜各大物镜生产商基本已经不在生产。但是很多研发团队还现存有很好质量的高端有限远物镜，基本上处于不在使用的状态。有很多读者联系锐光凯奇咨询有限远的物镜能不能改造成为无限远的物镜。改造有限远物镜结构成为无限远物镜是不现实也是不可能的。本期公众号推送内容就是讨论和解决有限远物镜如何实现无限远物镜成像。![]()
这是一只徕卡物镜，其中标注的数字160是标准筒长，是物镜齐焦面到CCD相机的尺寸。在搭建前介绍一下这种物镜的使用，如图3：图3中的系统涉及到专业术语包括齐焦距离、筒长、工作距离。工作距离和齐焦距离很容易理解，筒长是指物镜的安装定位（齐焦）面到显微镜镜筒上端面CCD靶面的距离，标准定为160mm（大多数物镜厂家）。视频1是图3有限远成像系统的搭建过程：视频1使用的徕卡物镜，徕卡常用物镜的齐焦距离是45mm（徕卡还有95和60mm规格）。在搭建系统中提到了样品表面与物镜安装位置之间的齐焦距离（也称为法兰距），也提及了筒长。物镜筒长在显微镜成像系统中起着重要作用。它决定了光学系统的放大倍数和成像质量。正确的物镜筒长设置可以确保光线正确聚焦，从而提高观察和测量的准确性。在视频1中系统的搭建顺序第一步是设置齐焦距离（也称为法兰距）45毫米，第二步是设置筒长160mm。读者应该注意到整个设置过程都是使用米尺定性的完成，如果用户只是关心形貌，对放大倍率准确性要求不太严格是可以的，但是对于测量的用户并不适用。为了把有限远物镜成像系统更新到无限远物镜系统，其实使用二个短焦距的管镜就可以实现，如图4：
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图4 有限远物镜成像系统的扩充成为无限远系统的使用图4在图3的基础上使用了一对焦距相同的管镜就可以实现无限远物镜的功能。焦距为f的管镜物方焦点与物镜的像点重合，另外一个管镜的象方焦点与CCD靶面重合。因此在4f系统平行光路中（红色位置），可以插入各种各样的光学元件而不引入像差，也不影响物点的位置，实现了有限远物镜成像系统的功能。视频2是实际系统的介绍：到此为止完成了有限远物镜的update，实现无限远物镜的成像功能。这种更新的系统表面上是实现了在系统中插入其它光学元件不引入像差和像面的位移，还有一个重要很少有人提及的一个重要原因是：无穷远系统的系统装调，通过其它的辅助设备是可以实现定量设置的；而有限远物镜系统，例如在图3中管镜与CCD之间的位置，齐焦距离的设置，很难使用其它辅助设备，只能依靠公称尺寸设置，齐焦距离和筒镜距离的任何误差，都会引起放大倍率的误差，对于测量显微镜是非常不利的因素。这一部分的内容涉及到显微镜工厂的工艺流程，比较专业，感兴趣的朋友可以一起交流。
PS 视频2中插入光学平板在转动的时候，如果是严格的平行光，图像不会发生移动。视频中图像发生移动的原因是平行光没有调整好。感谢武汉大学王晓峰教授提醒，在此衷心表示感谢。
