图2.1 光学设计过程框图
3物镜的种类及高倍物镜的设计方案
3.1 物镜的种类
根据物镜校正原理的不同，显微镜物镜通常分为以下几种物镜：消色差物镜类，包括消色差物镜和复消色差物镜、以及平像场物镜和消色差物镜的综合平场复消色差物镜、折射和折反射物镜等。
一 消色差物镜
消色差物镜是一种结构简单明了应用最为广泛的显微镜物镜。消色差物镜的设计只需要校正镜片的球差、正弦差和一般的单色光像差，而不校正复色像差，所以被称为消色差物镜。而这类物镜的分类，则根据它的放大倍率和物镜的数值孔径的不同分为低、中、高倍和浸液消色差物镜。 1 低倍消色差物镜
这类物镜一般应用于放大倍率低（放大倍率大约为3?~4?）、数值孔径小（数值孔径大约在0.1左右）、视场小的场合（对应的相对孔径大约为14左右）。由于相对孔径不大，视场比较小，所以低倍物镜的设计只要求校正球差、慧差和轴向色差。求解的关键是则是选择合适的玻璃组合，以便能同时校正这三种色像差。因此结构最为简单双胶合透镜就成为低倍消色差物镜光学设计的首选物镜。而这款显微镜物镜的设计方法与双胶合望远镜的物镜的设计方法十分类似，这里就不再赘述；唯一不同的地方在于，物体成像的位置并不在理论上的无限远处，而是位于有限距离。
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2 中倍消色差物镜
中倍消色差物镜又被称为李斯特物镜，它的的倍率大约为8?~12?，数值孔径约为
0.2~0.3。最常用的李斯特物镜的数值是：数值孔径NA?0.25，倍率??10?。
由于李斯特物镜的数值孔径相对低倍物镜加大，对应的相对孔径也相应增加，李斯特物镜的孔径高级球差将成倍增长，设计难度也有所提升，所以单单只采用一个双胶合透镜已经不能满足李斯特物镜的设计要求了。李斯特物镜的设计一般都会采用两个双胶合透镜的组合形式从而达到减小该物镜的孔径高级球差的目的。如图2.1－1所示，称为李斯特物镜。 为了达到同时校正轴向色差和倍率色差的目的，我们使每个
双胶合透镜分别校正垂直的轴向色差，即双胶合透镜的 图3－1 李斯特物镜
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这样整个物镜能同时校正轴向色差和倍率色差了。
在设计过程中我们遇到如下问题，就是如果两个双胶合透镜组密接的话，则整个物镜组就与一个密接薄透镜组相当了，仍然只能校正两种单色像差。而如果两个透镜组分离的话，在两个透镜组之间有较大的空气间隔，则相当于由两个分离的薄透镜组构成了一个薄透镜系统，最多可以校正四种单色像差，这就增加了设计光学系统校正像差的可能性。所以，在采用这种方案时，除了系统理论上必须要处理的球差和慧差外，还有可能在一定的程度上校正像散，从而提高轴外上物点的成像质量。
当然，我们也可以使用单独镜片去校正它的球差和慧差，但是，随着每个镜片单独的校正，一般都会存在细微的负像散，彼此相互叠加，再加上光学系统本身的缺陷（不可避免的场曲），使得镜片成的像面更加弯曲失真。所以我们在挑选镜片的时候都会刻意的选一些球差和慧差彼此互补的，这样，我们在校正这些数据的同时也能在一定程度上产生正像散以减小物镜自身缺陷。 3 高倍消色差物镜
高倍消色差物镜又被称为阿西米物镜，它的的倍率大约为40?~60?，数值孔径约为
0.6~0.8。最常用的阿西米物镜的数值是：数值孔径
NA=0.65，倍率40X。
阿西米物镜可以看作是在中倍物镜的光学系统上，再加上一个或多个单会聚透镜组成的，单会聚透镜是无
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球差无慧差的。对于新加的半球形透镜，前面是平面，后面是齐名面，也就是轴上的光线经过前面折射以后与轴线的交点将位于后面的齐名面上。 图3－2 阿米西物镜
因为在高倍镜的设计过程中数值孔径一直增大，所以我们利用在前镜添加这种半球形
透镜以达到目的。如图3－3所示，假如U1为入射光线的径角、经平面折射后的径角为
U1/?U2、再经过等晕面（第二面）折射后的径角为U2/，则第一面折射后，有：
n1sinU1/ ?sinI?1/nn1对于第二面，等晕成像公式为：
//sinU2sinI2n21 ???/sinU2sinnnI22由此得到
sinU2sinU1/sinU1/U2??? sin 2nnnsinU1/?sinI1? 图3－3 阿米西物镜中等晕透镜的作用
如图3－2（a）所示，前片可以看作是在中倍物镜的光学系统上，再加上一个或多个单会聚透镜（无球差无慧差）组成的。为了工作方便，实际上我们在物镜与物平面之间留有一点空隙，产生的微量球差和慧差则可以在后面的两个双胶合透镜组中补偿，前片的色差也同样用着两个透镜组补偿。
由图3－2（b）可见，两个透镜组都是由一个齐名面和一个平镜组成，然而两个透镜组又有所不同，第一个透镜组是不产生误差的，而第二个透镜组的第一面会产生球差和慧差，并且两个透镜组的叠加又会加大色差的产生，这些设计上不可避免的误差都必须靠后面的的两个双胶合透镜组来修正
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4 浸液物镜
如图3-4所示的显微物镜我们称之为浸液物镜，因为它为了提高数值孔径（NA）,在盖玻片与前片之间注满油液，通常用杉木油。
因此在使油液的折射率与盖玻片的折射率相近的同时，也满足了我们对数值孔径的要求。
其数值孔径可以达到1.25~1.3，倍率为100?。
图3－4 阿贝油浸物镜
二 复消色差物镜
因为二级光谱对应的像差数值与物镜的焦距成正相关，会随着物镜倍率和数值孔径增加，几何像差数值对应的波像差与数值孔径的平方成比例，二级光谱色差所对应的波像差增大，一般的消色差物镜已经无法满足我们的需求。因此在一些质量要求特别高的显微镜中，就要求校正二级光谱色差，称为复消色差物镜。
复消色差物镜，由多组特殊高级透镜组组合而成，这些透镜的特殊地方在于它们是光学玻璃和荧石制成的。近年，国际上出现了一种消倍率色差的所谓CF物镜。这类物镜结构相当复杂，如图3－5为德国的CF物镜。
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图3-5 复消色差物镜 四 平场复消色差物镜
而对于那些高级研究人员来说，对显微镜的要求既需要有足够大的视场，有需要有优良的成像素质，应运而生的就是平场复消色差物镜了。它是在平像场物镜中注入少许氟冕玻璃代替其他玻璃。
由于平场复消色差物镜对球差和二级光谱等差值都有较大的改善，数值孔径较其物镜也有所增加，不仅具有复消色差物镜的特点，也具有平像场物镜的特点，所以它是最为理想也是最有发展前景的显微物镜。
如图3－7 德国蔡司的超广视野平场复消色差物镜的光学结构。 图3－8 莱茨的平场复消色差物镜系列的光学结构。 图3－9 苏联平场复消色差物镜系列的光学结构。 图3－10 奥林巴斯的平场复消色差物镜系列的光学结构。
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