图 1：系统通量。

在显微技术中，无限共轭显微物镜已成为行业标准，它为滤光片、分束器和荧光立方体等辅助光学元件提供了更高的灵活性和兼容性。然而，这些物镜在支持复杂光学设计的同时，也引入了一层复杂性 —— 尤其是在将其集成到定制成像系统中时。

事实上，并不存在“一个能适合所有应用”的解决方案：从生物医学成像到工业检测，不同应用的系统要求差异极大，每种应用都对角视场、数值孔径和色差校正提出了独特限制。本文将讨论定制显微物镜设计中的这些规格，以及如何确定需要做出哪些权衡。

设计考量

数值孔径（NA）

数值孔径（NA）是在成像系统中设计显微物镜时，需要定义的最重要的规格之一。NA 定义了物镜在给定工作距离下的聚光能力（见图 1）。它描述了物镜由角度 θ 定义的接收锥角，并与物镜的衍射极限或分辨率相关。公式 （1）给出了NA与系统分辨率的关系：

分辨率 = λ/(2×NA)          （1）

其中：λ为波长。

分辨率与NA的关系可用于理解系统的衍射极限，或者两个不同的点光源可以被区分的最小距离。这定义了物空间中的系统分辨率，并决定了显微物镜设计的复杂度。随着NA的增大，进入物镜的光线（θ）变得更陡峭，需要更多光学元件和先进的组装技术来控制像差。在大NA设计中，物镜将具有更高的分辨能力，可用于电子检测和生命科学等高端显微应用。

图 2：角视场（AFoV）。

角视场

显微物镜的角视场（AFoV）描述了通过目镜或相机观察时的最大可视区域（见图 2）。AFoV 通常指定为与所使用的成像传感器水平尺寸相关的全角度（以度为单位）。标准显微物镜的 AFoV 通常约为 4°，并随传感器覆盖范围的增加而增加。相反，较短焦距的物镜将具有更大的AFoV，但这给光学设计带来了校正像差（如球面像差）的挑战 —— 球面像差会导致光线散焦，造成图像模糊。

波段

与机器视觉成像镜头类似，定制显微物镜的设计波段是一个重要的考量因素，因为它会影响系统分辨率。多色光引发的色差会导致成像偏离“理想”的理论性能。尽管不存在“完美”的镜头，但可通过设计可以最小化色差对图像质量的负面影响。在设计定制显微物镜时，了解应用所需要的波长范围非常重要。例如，透射紫外光与紫外成像的物镜设计要求截然不同。以荧光显微技术为例，其中短波长光仅需透射至样本激发特定荧光团（仅需透射）——该场景下短波长引发的色差不会在传感器成像，大幅降低了对光学设计的约束强度。

图 3：显微物镜横截面图。

图3显示了复消色差物镜（左）与消色差物镜（右）的截面结构。复消色差设计的光学元件数量是消色差物镜的三倍。根据ISO 19012-2:2013(E)标准，消色差物镜仅需校正红蓝光波段之间的焦距偏移，而复消色差物镜则需同时校正红蓝波段与基准波长（可见光物镜通常以绿光为基准）之间的焦距偏移。这种设计要求的差异直接决定了两类物镜的色差校正能力，图4直观对比了二者的色差校正程度差异。

图 4：消色差（上）和复消色差（下）显微物镜的色差焦距偏移。

制造考量

数值孔径

大数值孔径对光学设计提出了很高要求，以校正彗差、像散和横向色差等轴外像差。这导致光学和金属部件的制造与组装复杂度显著增加。高NA物镜的典型组装过程涉及主动对准 —— 在光学元件安装到光学镜筒中时，实时测量物镜波前像差并动态调整元件位姿。这种组装不仅需要熟练的操作人员，而且需要更长的生产时间。

除了组装挑战外，光学设计本身可能需要具有陡峭曲率或极短半径的透镜元件。这使得这些元件的制造更加困难，需要更长的加工时间。在非常复杂的设计中，有时会使用非球面透镜来减少光学元件的数量，但这也需要特定的制造技术。

角视场

为大角视场设计需要与大 NA 物镜相同的精密制造和组装技术。需要主动对准和更长的加工时间，来实现几微米级精度的透镜定位。与大 NA 类似，大 AFoV 物镜设计中使用的玻璃类型可能具有高折射率，这使得制造更加困难。在采购光学玻璃目录中更特殊的材料时，还可能面临供应链挑战。

波段

当显微物镜的设计波段非常宽时，与窄带物镜相比，其设计复杂度会指数级增加。以覆盖400~1000nm（可见光-近红外）的设计为例，其实现成本将远高于仅需覆盖400~700nm（可见光）波段的设计；这是因为需要特殊玻璃来透射不同波段，尤其是紫外和红外波段。轴向色差和横向色差也受波段影响，需要对玻璃类型和透镜几何形状进行不同考量。

对应用的影响

数值孔径

在需要大景深的应用中，使用较小数值孔径的物镜可能很有用。当应用涉及检测高度变化的物体（如半导体晶圆、电子元件、生物样本和微流控设备）时，大景深将减少采样过程中重新聚焦的需求。图5显示了小NA（上）与大NA（下）物镜的景深比较。每个圆锥的中心代表聚焦的物体，随着圆锥变大，图像模糊得更快。

图 5：景深。

当景深不如光通量和分辨率重要时，使用大 NA 物镜是更好的解决方案。大 NA 物镜将收集更多的光，是荧光显微术等低光应用的理想选择。回顾公式（1），理论上更大的 NA 将使成像系统能够分辨被观察物体上更小的特征尺寸。然而，重要的是要考虑到，由于前面讨论的设计和制造挑战，大 NA 物镜的价格更高。

角视场

如果需要紧凑的系统，并且需要滤光片或分束器等额外光学元件，那么使用大 AFoV 无限共轭物镜可能是一个合适的选择。大 AFoV 物镜的整体系统长度比典型的～4° AFoV 物镜更短。如图 6 所示，大 AFoV 物镜的系统长度更短，但代价是光学元件更大。物镜和管透镜的尺寸将增加，因此光束路径中的额外光学元件必须增大，以避免出现渐晕。

图 6：角视场比较。

波段

除了物镜在应用波段上进行色差校正外，使用带通滤光片将改善系统的图像质量。当使用多色光时，难以校正轴外色差（如横向色差）。图 7 显示，当使用多色光时，横向色差会导致不同波段在像平面上的不同点聚焦。这种像差对于颜色对识别特定细胞结构至关重要的生命科学应用可能是有害的。当使用带通滤光片时，只有一小段波段的光通过物镜成像，横向色差将显著减少。

图 7：横向色差。

结论

设计定制显微物镜需要考虑数值孔径、波段和角视场之间的权衡。例如，增加 NA 可以提高分辨率和聚光能力，但通常会以 AFoV 减小和给定波段内更复杂的色差校正为代价。同样，如果不在光学透镜设计中加以控制，拓宽光谱范围可能会引入显著的色差，而扩大 AFoV 可能会引入挑战传统透镜设计策略的轴外像差。最终，优化定制物镜是一项优先排序的工作 —— 使光学配置与特定应用需求相匹配，同时承认一个参数的提升往往需要在另一个参数上做出妥协。