硬度计物镜介绍

物镜是硬度计重要的光学部件,利用光线使被检物体次成象,因而直接关系和影响成象的质量和各项光学技术参数,是衡量一台硬度计质量的首要标准.

物镜的结构复杂,制作精密,由于对象差的校正,金属的物镜筒内由相隔一定距离并被固定的透镜组组合而成.物镜有许多具体的要求,如合轴,齐焦.

现代显微物镜已达到高度完善,其数值孔径已接近极限,视场中心的分辨率与理论值之区别已微乎其微.但继续增大显微物镜视场与提高视场边缘成象质量的可能性仍然存在,这种研究工作,至今仍在进行.

齐焦既是在镜检时,当用某一倍率的物镜观察图象清晰后,在转换另一倍率的物镜时,其成象亦应基本清晰,而且象的中心偏离也应该在一定的范围内,也就是合轴程度.齐焦性能的优劣和合轴程度的高低是硬度计质量的一个重要标志,它是与物镜的本身质量和物镜转换器的精度有关.

与宽光束有关的象差是球差、慧差以及位置色差;与视场有关的象差是象散、场曲、畸变以及倍率包差.

显微物镜与目镜在参于成象这点上是有区别的.物镜是硬度计复杂和重要的部分,在宽光束中工作(孔径大),但这些光束与光轴的倾角较小(视场小);目镜在窄光束中工作,但其倾角大(视场大).当计算物镜与目镜,在消除象差上有很大差别.

显微物镜是一消球差系统.这意味着:就轴上的一对共轭点而言,消除了球差并且实现了正弦条件时,每一物镜仅有两个这种消球差点.因此,物体与象的计算位置的任何改变均导致象差变大.

1．物镜的基本类型

(1)按硬度计镜筒长度(以mm计):透射光用160镜筒,带0.17mm厚或更厚的盖玻片;反射光用190镜筒,不带盖玻片;透射光与反射光用镜筒,筒长无限大.

(2)按浸法特征:非浸式(干式)、浸式(油浸、水浸、甘油浸及其它浸法).

(3)按光学装置:透射式、反射式以及折反射式.

(4)按数值孔径和放大倍数:低倍(NA≤0.2与β≤10X),中倍(NA≤0.65与β≤40X),高倍(NA＞0.65与β＞40X).

(5)按校正象差的情况不同,通常分为消色差物镜,半复消色差物镜,复消色差物镜,平视场消色差物镜,平视场复消色差物镜和单色物镜.

a.复消色差物镜(Apochromaticobjective)

这类物镜的结构复杂,透镜采用了特种玻璃或萤石等材料制作而成,物镜的外壳上标有"Apo"字样.它对两个色光实现了正弦条件,要求严格地校正轴上点的位置色差(红,蓝二色)、球差(红,蓝二色)和正弦差,同时要求校正二级光谱(再校正绿光的位置色差).其倍率色差并不能完全校正,一般须用目镜补偿.

由于对各种象差的校正极为完善,比响应倍率的消色差物镜有更大的数值孔径,这样不仅分辨率高,象质量优而且也有更高的有效放大率.因此,复消色差物镜的性能很高,适用于高级研究镜检和显微照相.

b.消色差物镜(Achromaticobjective)

这是应用广泛的一类显微物镜,外壳上常有"Ach"字样.它校正了轴上点的位置色差(红,蓝二色)、球差(黄绿光)和正弦差,保持了齐明条件.轴外点的象散不超过允许值(－4属光度),二级光谱未校正.

数值孔径为0.1~0.15的低倍消色差物镜一般由两片透镜胶合在一起的双胶物镜构成.数值孔径至0.2的消色差物镜由两组双胶透镜构成.当数值孔径增大到0.3时,再加入一平凸透镜,该平凸透镜决定着物镜的焦距,而其它透镜则补偿由其平面与球面产生的象差.高倍物镜的平面象差可用浸法消除.高倍消色差物镜一般均为浸式,由四部分构成:前片透镜、新月形透镜及两个双胶透镜组.

c.平场物镜(Planobjective)

平场物镜是在物镜的透镜系统中增加一快半月形的厚透镜,以达到校正场曲的缺陷,提高视场边缘成像质量的目的.平场物镜的视场平坦,更适用于镜检和显微照相.对于平视场消色差物镜,其倍率色差不大,不必用特殊目镜补偿.而平视场复消色差物镜,则必须用目镜来补偿它的倍率色差.

d.半复消色差物镜(Semiapochromaticobjective)

半复消色差物镜又称氟石物镜,物镜的外壳上标有"FL"字样.在结构上透镜的数目比消色差物镜多,比复消色差物镜少,成象质量上,远较消色差物镜为好,接近于复消色差物镜.

e.单色物镜

这类物镜由石英、荧石或氟化锂制的一组单片透镜构成.只能在紫外线光谱区的个别区内使用(宽度不超过20mm),可见光谱区不能采用单色物镜.这类物镜均制成反射式与折反射式系统.主要缺点是相当大一部分光束在中心被遮蔽(入瞳面积的25%).在新型折反射系统中,由于采用半透明反射镜以及物镜的胶合结构,使这一缺点大为减轻,从而可以取消反射镜框的遮光.并且两同轴反射镜的残余象差是互相补偿的,同时用透镜组来增大数值孔径.若系统的校正满意,孔径达到NA=1.4时,中心遮蔽可不超过入瞳面积的4%.

f.特种物镜

所谓"特种物镜"是在上述物镜的基础上,专门为达到某些特定的观察效果而设计制造的.主要有以下几种:

(a)带校正环物镜(Correctioncollarobjective)

在物镜的中部装有环装的调节环,当转动调节环时,可调节物镜内透镜组之间的距离,从而校正由盖玻片厚度不标准引起的覆盖差.调节环上的刻度可从0.11--.023,在物镜的外壳上也标科有此数字,表明可校正盖玻片从0.11-0.23mm厚度之间的误差.

(b)相衬物镜(Phasecontrastobjective)

这种物镜是由于相衬镜检术的专用物镜,其特点是在物镜的后焦平面处装有相板.

(c)带虹彩光阑的物镜(Irisdiaphragmobjective)

在物镜镜筒内的上部装有虹彩光阑,外方也可以旋转的调节环,转动时可调节光阑孔径的大小,这种结构的物镜是高级的油浸物镜,它的作用是在暗视场镜检时,往往由于某些原因而使照明光线进入物镜,使视场背景不够黑暗,造成镜检质量的下降.这时调节光阑的大小,使背景变黑,使被检物体更明亮,增强镜检效果.

(d)长工作距离物镜

这种物镜是倒置硬度计的专用物镜,它是为了满足组织培养,悬浮液等材料的镜检而设计.

(e)无罩物镜(Nocoverobjective)

有些被检物体,如涂抹制片等,上面不能加用盖玻片,这样在镜检时应使用无罩物镜,否则图象质量将明显下降,特别是在高倍镜检时更为明显.这种物镜的外壳上常标刻NC,同时在盖玻片厚度的位置上没有0.17的字样,而标刻着"0".

2．物镜的主要参数

(1)放大率β

(2)机械筒长L:在硬度计中,物镜支承面到目镜支承面之间的距离称为机械筒长.对于一台硬度计来说,机械筒长是固定的.我国规定机械筒长是160毫米.

(3)数值孔径NA

(4)工作距离WD

(5)盖玻片厚度d

这些参数,大多刻在物镜筒上,如图3所示.蔡康高档硬度计

有一种所谓筒长无限的显微物镜有一种所谓筒长无限的显微物镜,这种物镜的后方一般带有辅助物镜(也叫补偿物镜或镜筒物镜),被观察物体位于物镜前焦点上,经过物镜以后,成像在无限远,再经过辅助物镜成像在辅助物镜的焦平面上,如图4所示.在物镜和辅助物镜之间是平行光,所以中间距离比较自由一些,可以加入棱镜等光学元件.

(五)目镜

目镜的作用是把物镜放大的实象(中间象)再放大一级,并把物象映入观察者的眼中,实质上目镜就是一个放大镜.已知硬度计的分辨率能力是由物镜的数值孔径所决定的,而目镜只是起放大作用.因此,对于物镜不能分辨出的结构,目镜放的再大,也仍然不能分辨出.