显微镜物镜也许是光学显微镜重要的组成部分，因为它们负责原始图像的形成，并在确定显微镜能够产生的图像质量方面起着核心作用。物镜还有助于确定特定样品的放大率和分辨率，在显微镜下可以观察到精细的样品细节。
图1-浸油式无极校正的复消色差物镜
物镜是光学显微镜设计和组装中困难的组件，并且是光从样品行进到像平面时遇到的个元素。物镜的名称是由于它们是邻近物体，是要成像的物体（样本）的事实。
大型显微镜制造商提供了多种物镜设计，这些物镜在宽广的照明条件下均具有出色的光学特性，并对主要光学像差提供不同程度的校正。图1中所示的物镜是60倍油浸复消色差透镜，其中包含15个光学元件，这些光学元件粘合在一起成为三组透镜复透镜，一组三透镜组和三个独立的内部单透镜。物镜还具有一个半球形的前透镜和一个弯月形的第二透镜，它们可以同步工作，以大的球面像差捕获高数值孔径的光线。与大多数油浸物镜一样，复消色差如图1所示。装有弹簧加载的可伸缩鼻锥组件，可保护前镜片和标本免受碰撞损坏。内部透镜元件经过仔细定向，并紧密包装在由物镜筒封装的管状黄铜外壳中。特定的物镜参数（例如数值孔径，放大倍率，光学管长度，像差校正度和其他重要特性）被印在或刻在镜筒的外部。尽管图1中的物镜设计为使用油作为物镜前透镜和标本之间的成像介质，但其他物镜具有前透镜元件，可以在空气中或浸入水，甘油或其他物质中使用特种烃基油。
由许多玻璃元素组成的现代物镜已经达到了很高的质量和性能状态，像差的校正程度和视场的平坦度决定了物镜的实用性和成本。在过去的100年中，用于制造目标的建筑技术和材料得到了极大的改善。如今，物镜是在计算机辅助设计（cad）系统的辅助下使用*的稀有玻璃配方制成的，这些玻璃的成分和质量均具有很高的比折射率。使用这些*技术所展示的增强性能使制造商能够生产出色散非常低的物镜，并且可以对大多数常见的光学伪像（例如，昏迷，像散，几何畸变，场曲，球差和色差。现在不仅可以对显微镜物镜进行校正，以在更宽的范围内获得更多像差，而且随着光透射率的显着提高，图像光斑也得到了大大减少，从而产生了非常明亮，清晰和清晰的图像。
消色差物镜是大多数实验室显微镜上使用的（也是见）的物镜。这些物镜针对两个波长（蓝色和红色；分别约为486和656纳米）中的轴向色差进行了校正，这些波长被引入一个公共焦点。此外，消色差物镜针对绿色（546纳米；参见表1）中的球差进行了校正。消色差物镜的有限校正可能会导致在使用彩色显微镜和显微照相检查样本并对其成像时产生大量伪像。如果在光谱的绿色区域中选择焦点，则图像将具有红品红色光晕（通常称为残留色））。当将这些物镜用于显微照相时，消色差物镜通过绿色滤光片（通常是干涉滤光片）并使用黑白胶片时，将获得结果。缺乏对场平坦度的校正进一步阻碍了消色差物镜的实现。在过去的几年中，大多数制造商已开始提供消色差物镜的平场校正，并将这些校正后的物镜命名为平面消色差器。
图2-通用物镜光学校正系数
在称为萤石或半复消色差物镜（图2中的中心物镜）的物镜中发现了更高的校正和成本，该物镜初用于其构造中的矿物萤石。图2描绘了三种主要的物镜类型：如上所述，消色差小的消色差；具有附加球形校正的萤石（或半复消色差透镜）；复消色差物镜是目前可用的度校正的物镜。位于图2左边的物镜是一个10倍消色差透镜，它包含两个内部透镜双合透镜和一个前透镜元件。如图2*所示是一个10倍萤石物镜，除了半球形前透镜和辅助弯月形透镜外，还具有几个透镜组，包括两个双透镜和一个三透镜。图2的右边是一个10倍复消色差物镜，它还包含多个透镜组和单个元件。尽管在结构上与萤石物镜相似，但这些镜片具有不同的厚度和曲率，并且以复消色差物镜的配置进行排列。
表1-光学像差的物镜校正物镜类型球面像差色像差场曲率
achromat1种颜色 2种颜色 没有
plan achromat1种颜色 2种颜色 是
fluorite2-3种颜色 2-3种颜色 没有
plan apochromat3-4种颜色 4-5种颜色 是
萤石物镜由玻璃配方制成，其中包含诸如萤石或较新的合成替代品之类的材料。这些新配方可大大改善光学像差的校正。与消色差透镜类似，萤石物镜也针对红色和蓝色光进行了彩色校正。另外，萤石也被球面校正为两种或三种颜色，而不是单色消色差。与消色差透镜相比，萤石物镜的出色校正使这些物镜可以制成更高的数值孔径，从而获得更明亮的图像。萤石物镜还具有比消色差镜更好的分辨能力，并提供了更高的对比度，使其比消色差镜更适合白光彩色显微照相。
交互式教程- 数值孔径光锥数值孔径是物镜捕获的高衍射光线的量度。
在复消色差物镜中可以找到水平的校正（和费用），如图2和3所示。复消色差透镜是目前市场上校正程度的显微镜镜头，其高价反映了其制造所需的精密设计和精心组装。在图3中，我们在一系列复消色差物镜（放大倍数从10x到100x）中比较镜头元件。较低功率的复消色差物镜（10x和20x）具有更长的工作距离，并且总的物镜长度比较高功率的复消色差物镜（40x和100x）短。对复消色差透镜进行了三种颜色（红色，绿色和蓝色）的色校正，几乎消除了色差，并针对两个或三个波长进行了球面校正（请参见表1））。复消色差物镜是白光彩色显微摄影的选择。由于复消色差物镜的校正水平高，通常在给定的放大倍数下，其数值孔径要比消消色差镜或萤石高。许多较新的高性能萤石和复消色差物镜已分别校正了四种（深蓝色，蓝色，绿色和红色）彩色（球面）和四种颜色（深蓝色，蓝色，绿色和红色）。
图3-复消色差物镜
所有这三种类型的物镜都具有明显的场曲和弯曲而不是平坦的投影图像，这种伪像随着放大率的提高而增加。为了克服由弯曲的透镜表面引起的这种固有条件，光学设计人员已经制作了经平场校正的物镜，该物镜可产生在整个视场中共同聚焦的图像。具有平场校正和低畸变的物镜称为平场消色差镜，平场萤石或平场复消色差镜，具体取决于它们的剩余像差程度。这种校正虽然昂贵，但是在数字成像和常规显微照相中非常有价值。
交互式教程- 场曲率由透镜元件的球面引起的常见像差。
未校正的场曲是在萤石（半复消色差）和复消色差物镜中出现的严重的光学像差，并且多年来作为不可回避的伪影被容忍。在日常使用中，视野必须在中心和边缘之间连续重新聚焦，以捕获所有样本细节。将平场（计划）校正引入物镜可完善其在显微成像和视频显微镜中的使用，今天，这些校正在常规用途和高性能物镜中都是标准的。像场弯曲的校正为物镜增加了许多透镜元件，如图4所示，具有简单的消色差。图4左侧未校正的消色差除了一个简单的薄镜片前置元件之外，还包含两个双合透镜。相反，图4右侧的校正后的平场消色差镜包含三个双合透镜，一个*三联透镜组和一个位于半球形前透镜后面的弯月形透镜。在这种情况下，计划校正已导致将六个透镜元件捆绑在一起，形成更复杂的透镜组，这极大地增加了物镜的光学复杂性。萤石和复消色差物镜也大大增加了用于平面校正的透镜元件，经常导致透镜元件的紧密配合（见图1）。）在内部物镜套筒内。通常，针对场曲进行校正的平面物镜会牺牲大量的自由工作距离，并且许多高倍率镜都有凹形的前透镜，这很难清洁和维护。
图4-场曲率的物镜校正
较旧的物镜通常具有较低的数值孔径，并且会受到称为倍率色差的像差的影响，需要使用特殊设计的补偿目镜或目镜进行校正。这种类型的校正在固定管长显微镜统治期间很普遍，但是对于现代无限远校正的物镜和显微镜则不是必需的。近年来，现代显微镜的物镜已经对物镜本身（奥林巴斯和尼康）内置了倍率色差进行校正，或者在镜筒透镜（徕卡和蔡司）中进行了校正。
无限远校正系统中的中间图像出现在光路中镜筒透镜后面的参考焦距（以前是镜筒长度）处。该长度在160到250毫米之间变化，具体取决于制造商施加的设计约束。通过将参考焦距除以物镜的焦距，可以计算出无限远校正后的物镜的放大倍率。
在大多数生物学和岩石学应用中，盖玻片用于安装样本，既可以保护样本的完整性，又可以提供清晰的观察窗。防护玻璃的作用是使源自样品中每个点的光锥会聚，但也会引入色差和球差（以及由此造成的对比度损失），必须通过物镜进行校正。光线的会聚程度取决于防护玻璃的折射率，色散和厚度。尽管在一批防护玻璃中折射率应相对恒定，但厚度可以在0.13到0.22毫米之间变化。另一个问题是在湿的或厚的固定制剂中，位于样品和盖玻片之间的水性溶剂或过量的固定介质。例如，在折射率与盖玻片的折射率明显不同的生理盐水中，物镜必须聚焦在仅几微米厚的水层上，从而导致明显的像差和不再对称的点扩展函数偏差在焦平面的上方和下方。这些因素增加了盖玻片的折射率和厚度的有效变化，并且对于显微医师来说很难控制。
物镜前透镜与标本盖玻片之间的成像介质对于物镜元件设计中的球差和彗差校正也非常重要。较低功率的物镜具有相对较低的数值孔径，并且设计用于干式使用在物镜前透镜和防护玻璃之间只有空气作为成像介质。空气可获得的大理论数值孔径为1.0，但是实际上，不可能生产出数值孔径大于0.95的干燥物镜。对于数值孔径小于0.4的干燥物镜，盖玻片厚度变化的影响可以忽略不计，但当数值孔径超过0.65时，这种偏差会变得很明显，而小至0.01毫米的波动都会引入球差。这给大功率复消色差透镜带来了问题，该复消色差透镜必须在空气中使用非常短的工作距离，并且必须对球差进行敏感的校正，这往往会使难以获得清晰的图像。
交互式教程-coverslip校正项圈研究如何调整高数值孔径干物镜中的内部透镜元件，以校正盖玻片厚度的波动。
为了解决这个问题，许多高性能复消色差干燥物镜都配有校正环，可以通过校正盖玻片厚度的变化来进行校正，以校正球差（请参见图5）。通过旋转轴环可对球差进行光学校正，这会导致物镜中的两个透镜元件组彼此靠近或更远。图5左侧的物镜通过将可调透镜元件非常靠近在一起，将校正环调整为0.20 mm的防护玻璃厚度。相反，图5右侧的目标可调透镜元件之间的距离相当远，以补偿非常薄的保护玻璃（0.13毫米）。设计用于立式透射光显微镜的大多数校正套环物镜的调节范围是：盖玻璃厚度在0.10到0.23毫米之间变化。设计用于倒置显微镜观察组织培养物样本的许多相衬物镜的补偿范围甚至更大，为0到2毫米。这样可以从大多数培养皿的底部观察标本，这些培养皿通常在此尺寸范围内具有明显的厚度波动。如果将调整设置为0以说明缺少盖玻片，则还可以使用校正衣领物镜观察未覆盖的标本，例如血液涂片。
缺少校正轴环的高数值孔径干物镜通常产生的图像劣于较低数值孔径物镜的图像，在较低数值孔径物镜中，玻璃盖的厚度不太重要。因此，通常要谨慎选择较低的放大倍率（和数值孔径）物镜，以便获得优异的对比度，而不会因玻璃盖罩波动而产生伴随的伪影。例如，即使理论上更高倍率的物镜的分辨力更高，具有0.65数值孔径的40x物镜也可能比60x-0.85数值孔径物镜产生具有更清晰对比度和清晰度的更好图像。
图5-球差校正环
防护玻璃的标准厚度为0.17毫米，称为1½防护玻璃。不幸的是，并不是所有的1.5英寸防护玻璃都制造到这个接近的公差（范围在0.16到0.19毫米之间），并且许多标本在它们和防护玻璃之间有介质。覆盖玻璃厚度的补偿可以通过调整显微镜的机械筒长来实现，或者（如前所述）通过使用的校正环来实现。改变了物镜筒内关键元件之间的间距。校正环用于调整这些细微的差异，以确保物镜性能。正确使用带校正轴环的物镜需要显微镜专家有足够的经验，并且要足够警觉，以使用适当的图像标准来重新设置轴环。在大多数情况下，在校正项圈的调整过程中，焦点可能会移动并且图像可能会漂移。使用下面列出的步骤，在观察样品图像变化的同时，对物镜的校正环进行小的增量调整。
放置校正环，使物镜筒上的指示标记与刻在轴环外壳上的0.17毫米刻度一致。
将标本放在平台上，然后将显微镜聚焦在一个小的标本上。
稍微旋转校正环，然后重新聚焦物镜，以确定图像是否已改善或退化。由于大多数样本制备物都受过厚的盖玻片/介质三明治的影响，因此，请首先尝试较大的补偿值（0.18-0.23），以开始旋转实验。
重复上一步，确定在向单个方向旋转校正环时图像是否在改善或退化。
如果图像质量下降，请执行相同的步骤，然后沿相反方向（朝较低的值）旋转校正环，以找到提供分辨率和对比度的位置。
通过设计与浸没介质（如油，甘油或水）一起使用的物镜，可以大大提高物镜的数值孔径。通过使用折射率与玻璃盖玻片的折射率相似的浸没介质，实际上消除了由于盖玻片的厚度变化而导致的图像劣化，从而宽倾斜角的光线不再发生折射并且更易于被物镜抓住。典型的浸入油的折射率为1.51，其色散与玻璃盖玻片相似。穿过样品的光线在盖玻片和浸没油之间遇到均匀的介质，并且在进入透镜时不会折射，而只会在离开透镜的上表面时折射。因此，如果将标本放置在个物镜的非平面点，
图6-油浸显微镜物镜
实用的油浸物镜的总体设计包括一个半球形的前透镜元件，然后是一个正弯月形透镜和一个双合透镜组。示于图6是发生在典型的复消色差油浸物镜的两个透镜元件的消球差折射。标本被夹在显微镜载玻片和盖玻片之间的p点（半球透镜元件的非平面点）之间。在半球透镜后方折射的光线似乎是从点p（1）开始的，它也是弯月形透镜表面的曲率中心。折射的光线沿弯月形透镜的个表面的半径进入，在该表面上没有折射。在弯月形透镜的后表面，光线被非平面地折射，因此它们似乎从点p（2）发散。物镜中随后的透镜组的表面处的光线的折射完成了来自点p的光线的会聚，从而形成了中间图像。
正确设计的油浸式物镜还可以校正前两个透镜元件引入的色差，同时引入小的球差。在进入透镜之前，光锥部分会聚的事实有助于控制球差。应当注意的是，在盖玻片和透镜元件之间不施加油的情况下采用油浸物镜会导致图像缺陷。这是由于在前透镜表面发生的折射所引起的，从而引入了球面像差，该物镜无法通过物镜中的后续透镜组件进行校正。
交互式教程- 浸油和折射率折射率对于确定物镜的工作数值孔径至关重要。
如果使用了错误的浸液，则会严重损害油浸物镜的优点。显微镜制造商生产的物镜对折射率和色散具有严格的公差，这要求在盖玻片和物镜前透镜之间的液体中具有匹配的值。建议仅使用目标制造商想要的油，并且不要在制造商之间混合浸渍油，以免产生令人不快的伪影，例如结晶或相分离。
使用水和/或甘油作为成像介质的物镜还可用于活细胞在培养物中或浸在生理盐水溶液中的组织切片中。plan复消色差水浸镜头配备有校正环和高达1.2的数值孔径，略小于其油浸对应物。这些物镜使显微镜技术人员可以聚焦至200微米的水性介质，并且仍保持出色的光学校正效果。不利的一面是，高数值孔径的水浸镜头通常要花费数千美元，并且当物镜通过折射组织或细胞部分深深聚焦时，图像仍会退化。