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聊聊工作距离和数值孔径


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什么叫显微镜数值孔径呢?

显微镜数值孔径是显微镜物镜和聚光镜的一个参数,简写NA,是判断物镜和聚光镜性能高低的重要标志。其数值大小会标刻在物镜和聚光镜的外壳上。


数值孔径(NA)是物镜前透镜与被检物体之间介质的折射率(n)和孔径角(u)半数的正弦之乘积。用公式表示如下:NA=n*sin(u/2) 

注:下图 α=u/2

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孔径角又称镜口角,是物镜光轴上的物体点与物镜前透镜的有效直径所形成的角度。孔径角越大,进入物镜的光通亮就越大,它与物镜的有效直径成正比,与焦点的距离成反比。
显微镜观察时,若想增大NA值,孔径角是无法增大的,唯独的办法是增大介质的折射率n值。基于这一原理,就产生了水浸物镜和油浸物镜,因介质的折射率n值大于1,NA值就能大于1。
数值孔径大值为1.4,这个数值在理论上和技术上都达到了极限。目前,有用折射率高的溴萘作介质,溴萘的折射率为1.66,所以NA值可大于1.4。
这里必须指出,为了充分发挥物镜数值孔径的作用,在观察时,聚光镜的NA值应等于或略大于物镜的NA值。
显微镜数值孔径与其他技术参数有着密切的关系,它几乎决定和影响着其他各项技术参数。它与分辨率成正比,
NA值增大,视场宽度与工作距离都会相应地变小。


什么叫显微镜工作距离?

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显微镜物镜通常设计成具有较短的自由工作距离,显微镜工作距离也叫物距(W.D:Working Distance):指试样调准焦点时的物镜前缘与试样表面(或物镜使用盖玻片时,与盖玻片顶面)的距离,被检物体应处在物镜的一倍至二倍焦距之间。


因此,它与焦距是两个概念,平时习惯所说的调焦,实际上是调节工作距离。
在物镜数值孔径一定的情况下,工作距离短孔径角则大。
数值孔径大的高倍物镜,其工作距离小。


实际工作
在实践中,使用干物镜很难获得大于0.95的数值孔径值。下图展示了一系列从不同焦距和数值孔径的物镜得到的光锥。随着光锥变大,角孔径(α)从7°增加到60°,结果数值孔径从0.12增加到0.87,接近将空气用作成像介质时的极限。

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高度校正的物镜往往具有更大的数值孔径,如下图所示。如果我们以一系列典型的10倍物镜为例,可以看到对于平场校正的平面物镜,数值孔径的增加对应于色差和球差的增强校正平面消色差,NA = 0.25;计划萤石,NA = 0.30; 并计划复消色差,NA = 0.45。

在一系列类似放大倍率的物镜中,随着光学校正因子的增加而增加数值孔径的这一特征在整个放大倍率范围内都适用,大多数制造商努力确保其物镜具有最高的校正和数值孔径

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