扫描显微组合选型指南

在激光扫描显微、光学相干层析、工业激光检测等光学系统中，物镜、扫描透镜、套筒透镜的组合是决定成像质量的核心光路，它们的搭配合理性直接影响了分辨率、视场平整度、扫描线性度及成像畸变控制效果。

物镜核心参数解析

1. 数值孔径

定义为物镜与样品间介质的折射率乘以物镜所能接收来自物点光线的最大半孔径角的正弦值，表征物镜收集光信号的能力与成像分辨潜力。

 

图1 左图的NA大于右图

1.1 数值孔径对显微物镜的分辨率有什么影响？

根据阿贝成像原理，显微物镜的理论最小分辨距离与数值孔径成反比，在入射光波长固定的条件下，数值孔径越大，物镜能够分辨开的两个物点之间的最小距离就越小，成像分辨率也就越高。
1.2 如何提高显微物镜的数值孔径？

在工作波长不变时，可通过增大物方介质折射率或是提高物镜接收光线的最大半孔径角来提升显微物镜的数值孔径；前者常见手段是把干镜更换为水浸、油浸等高折射率浸没物镜，后者则依靠扩大物镜前透镜的有效通光口径，让物镜能够接收更大倾角的物方光线。

2. 放大倍率

系统放大倍率定义为物体实际尺寸和成像尺寸的比值，在典型显微成像系统中，物镜的放大倍率决定了系统的放大倍率，此外系统放大倍数也和tubelens的焦距相关。

选型建议：高倍物镜（如100X）需配合油浸技术，但可能导致工作距离过短或图像变暗。一般情况下，高倍率的物镜光通量更低，在图像端呈现“图像变暗”的情况，此时需要通过调节LED亮度来实现亮度补偿。

3. 工作距离

定义为物镜最前端的透镜表面到被观测样品表面之间的垂直距离。

图2 工作距离示意图

 

选型建议：长工作距离物镜适用于工业检测或活体样本操作，避免物镜触碰样品；短工作距离的物镜一般应用在高分辨率的系统。

4. 齐焦距离

定义为物镜安装螺纹端面至物方焦平面的距离，一般情况下，同一品牌的物镜，齐焦距离是相同的，如“OLYMPUS”物镜的齐焦距离一般为45 mm。

 

图3 齐焦距离示意图

选型建议：在需要切换不同倍率的应用场景下，尽量同一品牌，齐焦距离相同的物镜。

5. 物镜种类

常见的物镜种类包括干物镜、水浸物镜和油浸物镜

选型建议：三者主要差异是物镜与样品之间的浸润介质及其折射率，这会直接影响 NA、分辨率、工作距离和样品兼容性。典型 NA 范围可参考：干物镜为0.04-0.95；水浸物镜为0.8-1.2；油浸物镜为1.0-1.49，具体数值因厂商和型号而异。

a. 低中倍率，看大视野→干物镜

b. 活细胞、含水厚组织、深层成像、不想油污染→水浸物镜

c. 极限分辨率、超薄贴壁样品、100×荧光/拉曼 → 油浸物镜

套筒透镜与物镜组合选型

套筒透镜（Tube Lenses），需和无限远矫正物镜配合使用，来搭建无限远校正光学系统。在无限远校正光学系统中，由物面通过物镜的光线不在物镜成像，而是作为无限远的平行光束进入成像透镜，由成像透镜形成中间像或最终像。

放大倍率

套筒透镜焦距与物镜焦距之间的比例决定了系统的总放大倍率。通过选择不同焦距的套筒透镜，可以改变系统的放大倍率，从而满足不同的观察需求，100 mm~600 mm是套筒透镜常用的焦距范围。其中，100 mm左右焦距的套筒透镜为短焦Tube lens，一般应用于大视场成像或中继模块中，300 mm以上焦距的套筒透镜为长焦Tube lens，一般用于远距离成像或高倍率观测。

但主流显微镜厂商把无限远物镜体系长期标准化在180 mm（典型如奥林巴斯）和 200 mm（典型如徕卡/尼康/蔡司等常见体系）的套筒透镜上——物镜的像差校正、视场与放大倍率都是按这个套筒透镜焦距配套设计的；选180/200 mm 既能直接兼容最多的∞物镜与现成镜筒/相机接口，又能在倍率、视场、系统长度与成本之间取得最通用的平衡，因此使用最广。

对于无限远光路，放大倍率的计算方法如下：

相同物镜放大倍率下，焦距越大的套筒透镜可获得更高倍率。例如，套筒透镜焦距180mm时，物镜焦距6 mm对应30倍放大倍数。相机成像时，图像的放大倍率为物镜放大倍率与相机套筒放大倍率的乘积。例如，如果使用20X的Olympus物镜和f=200mm的相机套筒，那么，相机成像的放大倍率为20X × 1.1X = 22.2X。

在某些特殊场景下，需要在无限空间中插入大量的照明光学组件或其他光学元件，导致无限空间距离过大，整个视场范围内（从中心到边缘），图像亮度不一致的渐晕成像。因此，按照物镜搭配套筒透镜时，需根据物镜和套筒透镜的参数，确定无限空间的最大允许距离，计算方法如下：

无限远空间的最大允许距离R

观察区域

相机的传感器尺寸和系统放大倍率，共同决定了样品在相机中成像的视野范围，LBTEK相机系列常见的传感器尺寸如下：

例如：LBTEK-HS200RM-U的传感器尺寸为13.1mmX 8.8mm，代入视野范围的计算公式

当系统总放大倍率为20x时，则视野范围为655umx440um。

扫描显微的组合选型

扫描透镜通常与振镜配合，将随扫描角变化的入射光束聚焦到不同位置。选型时要区分三项指标：

① 平场性描述最佳聚焦面是否接近平面；

② f-θ 特性描述焦点位置 y 与光学扫描角 θ 是否近似满足 y＝fθ（θ 用弧度表示）；

③ 像方远心性描述像方主光线是否近似平行于光轴。

三者对应不同的设计要求，不能相互替代。图3-1仅示意场曲校正：左侧镜头存在明显场曲，在平面样品上扫描时边缘可能离焦；右侧镜头经过平场优化。f-θ 镜也可以具有平场设计，负畸变用于调整扫描位置与角度的关系，并不等于场曲校正。全视场光斑与照度是否均匀，还取决于像差、通光口径和入瞳匹配。

 

图3-1 存在场曲的聚焦镜头与经过平场优化的扫描镜头示意

1. 入瞳位置

装调时应将振镜的有效扫描支点布置在镜头规定的入瞳位置附近。

单轴振镜通常以光束在镜面转轴处的反射点作为扫描支点。双轴分立振镜的两个支点在光路上有间隔，可按厂家要求将名义入瞳布置在两者之间作为折中；高要求系统可通过附加中继使两个扫描支点共轭。

2. 扫描距离 L

设计入瞳到镜头指定机械基准面的距离。图3-2给出示意，具体测量端面以产品机械图为准。

3. 扫描角度 θ

图中表示光束相对中心轴的偏转角；对单次镜面反射，光学偏转量是镜面机械转角的两倍。a 为方形扫描区域边长，b 为其对角线。角度与幅面的对应关系须核对厂家采用的单轴或径向定义，不能直接混用。

4. 工作距离 WD

镜头指定后端机械基准面到设计焦平面的距离；不要将其与从主平面量起的有效焦距混淆。

 

图3-2 扫描透镜的入瞳位置、扫描距离 L、工作距离 WD 和扫描区域

 

选型建议：共聚焦、多光子显微通常采用“扫描透镜＋套筒透镜＋无限远物镜”；OCT 样品臂常由扫描透镜直接聚焦。

激光扫描显微

图3-3 激光扫描显微扫描器件与光路

其中，扫描透镜与套筒透镜负责中继，物镜负责聚焦。

在激光扫描显微光路中，对于入射光近似准直、采用标准 4f光瞳中继的情况，设扫描透镜、套筒透镜的焦距分别为f₁、f₂。4f 中继的基准距离依次为 f₁、f₁＋f₂、f₂，对应扫描面至扫描透镜前主平面、两镜相邻主平面之间、套筒透镜后主平面至物镜后瞳。

保持两镜间距f₁＋f₂不变。若两端距离改为f₁＋xd₁（d₁为最小扫描距离）和f₂＋xd₂（d₂为物镜距离），为维持瞳共轭，应满足：

 

此外，激光扫描显微需要选择远心套筒透镜，目的是将振镜扫描面共轭到物镜后瞳，使扫描时光束在物镜后瞳位置基本不发生横向移动。

 

OCT 样品臂

图3-6 典型OCT样品臂光路

 

OCT系统中，振镜改变光束角度，扫描透镜将角度变化转换为样品面的横向扫描位置，并完成聚焦。选型时重点关注工作波段、焦距、入射光束直径、扫描视场、NA、工作距离及通光孔径，同时应优先选择宽带消色差、低回反、平场且具有良好远心性的OCT专用扫描透镜。

振镜前，入射光束直径越大，则物镜聚焦光斑尺寸越小。由于光学渐晕效果，扫描角度范围随光束直径的增加而减小。小于入瞳直径的光束，其光斑尺寸大于产品标称的数值。大直径的光束会被阻挡。

 

总结

物镜选型先看数值孔径与工作距离，套筒透镜需匹配物镜，二者共同决定了显微镜的放大倍率，扫描透镜用于激光扫描，与偏转镜搭配使用。组合应用时，需兼顾焦距匹配、波段适配、倍率匹配与场景需求，可解决多数成像模糊、边缘畸变、倍率偏差、扫描光斑不均匀等问题。