【自有技术大讲堂】工业镜头-无限共轭显微物镜

一、导读

显微物镜在机器视觉中除照相物镜外，另一种使用广泛的镜头类型。常规的显微物镜是有限共轭设计，即物距和像距都是有限远的，显微系统的机械筒长也是固定的。而工业上测量中用到的显微物镜很多是采用无限共轭设计，即显微物镜的入射光为平行光。在工业测量中，无限远显微物镜可以提供许多优点，在白光干涉显微系统、激光显微共焦系统和自动对焦系统等都有广泛应用。

二、定义

常规显微系统由物镜和目镜组成，由于物镜和目镜都是有限共轭距设计的，在实际使用时物镜和目镜之间的距离是不能改变的。系统的整个放大倍率由物镜和目镜倍率乘积决定。而工业中用的显微系统通常由物镜和筒镜组成，其结构如图1所示，物镜和筒镜都是无穷远设计，物镜和筒镜中间是平行光路，因此改变物镜与筒镜的距离不会影响成像质量，这也是无限共轭显微物镜与有限共轭显微物镜的最大区别。无限共轭显微系统的放大倍率由筒镜和物镜的焦距之比决定的。由于物镜是平行光入射，因此显微物镜的放大倍率根据筒镜的焦距确定。规定筒镜的焦距为200mm时是标准的1X筒镜，即物镜焦距为200mm，系统整体放大倍率是1X，此时物镜为1X物镜，相应的10X物镜的焦距则为20mm。

图1. 无限远显微系统

三、显微镜头主要参数

无限远显微物镜与有限远显微物镜主要区别是入射光的形式，其它参数的定义基本是一样的，但在实际应用中略有差异。

1）工作波长，生物医学用显微物镜的工作波长主要是白光，而无限远显微物镜还应用于激光共焦系统等，其工作波长不仅限于白光，还有专用于特定激光或特定波段范围的镜头，如紫外显微物镜。

2）数值孔径NA，描述了透镜收光锥角的大小，而后者决定了物镜收光能力和空间分辨率，在无限远显微物镜中，其数值孔径一般为物方数值孔径。

3）视场，指物镜的观测范围，显微物镜的视场通常是指物方的视野，对于整个系统来说，实际的视场还要通过筒镜和传感器的参数计算。

4）工作距，指物镜的最后一面到观测样品之间的距离。

显微物镜是典型的大数值孔径小视场系统，上述这些参数都是相互制约的，如倍率越大，数值孔径越大，视场就越小，工作距离也越短。

四、分类

消色差显微物镜，是较常见的一种显微物镜，只能校正光谱线中红光和蓝光的轴向色差。同时校正了轴上点球差和近轴点慧差，这种物镜不能消除二级光谱，并且像场弯曲仍很大，也就是说，只能得到视场中间范围清晰的像。此类物镜结构简单，经济实用，被广泛地应用在中、低倍显微镜上。

平场消色差显微物镜，在消色差基础上，较好地校正物镜像散和像场弯曲，使整个视场都能显示清晰。

复消色差显微物镜，需要使用特殊玻璃校正系统的二级光谱，在可见光波段色差都很小，因此像质很好，但镜片多、加工和装校都较困难，在高倍率显微镜上使用较多。

平场复消色差显微物镜，除进一步作像场弯曲校正外，其它像差校正程度均与复消色差显微物镜相同。

半复消色差显微物镜，部分镜片特殊玻璃制成，性能比消色差物镜好，价格比复消色差物镜便宜。校正像差程度介于消色差与复消色差两种物镜之间，但其它光学性质都与后者相近。

长工作距显微物镜，由于显微物镜数据大数值孔径系统，所以通常工作距离较短，而在工业测量中，由于照明和测量的需要，通常对工作距离有一定的要求，因此针对这种情况，一些厂家专门开发了长工作距系统的显微物镜，但通常这些长工作距显微物镜比相同倍率显微物镜数值孔径小一些。

图2. 无限共轭长工作距复消色差显微物镜

图2为我司某项目中使用的无限共轭长工作距复消色差显微物镜，显微物镜的参数一般被标注外壳上，便于识别。其中代表无限共轭，20X代表放大倍率20倍，M Plan代表平场，Apo代表复消色差，0.42代表物方数值孔径0.42，f=200代表配合200mm筒镜使用。

参考文献

[1] 王之江. 实用光学技术手册[M].北京:机械工业出版社

[2] 郁道银, 谈恒英. 工程光学[M].北京:机械工业出版社