读懂显微镜物镜(下)

2018-08-17 16:54:32 普赫 999

接上期我们继续来读一读显微物镜。把物镜装到显微镜上,需要匹配螺纹标准,在行业内很长一段时间物镜的螺纹标准RMS(Royal Microscopical Society),提高不同厂家物镜之间的通用性。比如Olympus的大部分物镜都是RMS螺纹标准的,也有其他厂家采用M25/M32这样的标准。相对应地,物镜还有一个参数是齐焦距离(Parfocal Distance, 参看下图),齐焦的通俗理解是当物镜从10倍换到20倍40倍的时候,样品还保持在相同的焦面上。齐焦距离的标准有45mm和60mm,不同厂家有不同的设计考虑。

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工作距离(Working Distance)对于物镜来说是一个非常重要的参数,上期我们在物镜上有读到“WD 0.21”这样的标识,代表工作距离是0.21mm。在生命科学的应用中,对于物镜的工作距离需求是有很大变化的。在细胞房或者样品器皿的底部相对较厚(>1mm)的时候,长工作距离的物镜就非常有必要,比如LUCPLFLN40XPH这个物镜,工作距离可以在3.0-4.2mm之间调节,比如UPLSAPO40X2这个高分辨率物镜,工作距离只有0.18mm。所以我们在选择物镜的时候,一定需要明确使用场景,对于工作距离的需求。

数值孔径(Numerical Aperture即NA),上面提到的两个40倍物镜,工作距离差别很大,同时对应的数值孔径也不一样(NA 0.95和NA 0.6)。物镜的光学分辨率和NA正好成反比,一般分辨率的公式是d = 0.61*wavelength / NA,也就是说NA越大物镜分辨率越高。下图是两种不同物镜(干镜和油镜)的收集光线角度的描述说明,可以看到油镜的收光角度很大,由于NA=n*sin(θ),其中n是空气或者油的折射率,收光角度越大那么NA越大。所以这就是为什么油镜的分辨率都比干镜的分辨率更高。

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放大倍数(Magnification),大部分同学可能觉得放大倍数是最好理解的,物镜上标注几倍那就是几倍了。其实这并不完全准确,比如把Olympus物镜装在Nikon显微镜上,标注是20倍的物镜其实最终的放大倍数并不是20倍。这是为什么呢?现在所有科研级物镜都已经是无限远光学系统校准的,要实现成像功能,物镜还需要搭配一块Tube Lens才能真正出来图像。所以物镜的真实放大倍数=Tube Lens焦距/物镜焦距,对于不同厂家,Tube Lens焦距是不一样的比如Olympus是180mm而Nikon则是200mm。这样的话,20倍Olympus物镜装到Nikon显微镜上,真实的放大倍数是22.2倍。下图解释说明了无限远物镜成像系统。


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