[科普中国]-孔径角

简介

孔径角又称"镜口角"，是物镜光轴上的物体点与物镜前透镜的有效直径所形成的角度。孔径角越大，进入物镜的光通亮就越大，它与物镜的有效直径成正比，与焦点的距离成反比。1

数值孔径数值孔径简写NA，数值孔径是物镜和聚光镜的主要技术参数，是判断两者（尤其对物镜而言）性能高低的重要标志。其数值的大小，分别标科在物镜和聚光镜的外壳上。

数值孔径（NA）是物镜前透镜与被检物体之间介质的折射率（h）和孔径角（u）半数的正玄之乘积。用公式表示如下：

显微镜观察时，若想增大NA值，孔径角是无法增大的，唯一的办法是增大介质的折射率h值。基于这一原理，就产生了水浸系物镜和油浸物镜，因介质的折射率h值大于一，NA值就能大于一。

数值孔径最大值为1.4，这个数值在理论上和技术上都达到了极限。目前，有用折射率高的溴萘作介质，溴萘的折射率为1.66，所以NA值可大于1.4。

这里必须指出，为了充分发挥物镜数值孔径的作用，在观察时，聚光镜的NA值应等于或略大于物镜的NA值。

数值孔径与其他技术参数有着密切的关系，它几乎决定和影响着其他各项技术参数。它与分辨率成正比，与放大率成正比，与焦深成反比，NA值增大，视场宽度与工作距离都会相应地变小。

对分辨率的影响分辨率又称"鉴别率"，"解像力"。是衡量显微镜性能的又一个重要技术参数。

显微镜的分辨率用公式表示为：d=l/NA

式中d为最小分辨距离；l为光线的波长；NA为物镜的数值孔径。可见物镜的分辨率是由物镜的NA值与照明光源的波长两个因素决定。NA值越大，照明光线波长越短，则d值越小，分辨率就越高。

要提高分辨率，即减小d值，可采取以下措施

1． 降低波长l值，使用短波长光源。

2．曾大介质h值和提高NA值（NA=hsinu/2）。

3．增大孔径角。

4．增加明暗反差

对工作距离的影响工作距离也叫物距，即指物镜前透镜的表面到被检物体之间的距离。镜检时，被检物体应处在物镜的一倍至二倍焦距之间。因此，它与焦距是两个概念，平时习惯所说的调焦，实际上是调节工作距离。

在物镜数值孔径一定的情况下，工作距离短孔径角则大。

数值孔径大的高倍物镜，其工作距离小。

在孔径光阑中定义孔径光阑是限制轴上物点成像光束立体角（锥角）的光阑。也就是起到决定能通过光学系统的光能（即像平面照度）作用的光阑。

将此光阑Q1QQ2通过其前面的透镜成像到物空间去，则其像P1PP2 就决定了光学系统的物方孔径角（由孔径光阑决定的光锥角称为孔径角U）。这一限制轴上点光束孔径角的光阑）孔径光阑被其前面的光组在光学系统物空间所成的像称为入射光瞳，简称入瞳。

孔径光阑Q1QQ2被其后面的透镜（光组）在像空间所成的像P1'P'P2' 称为出射光瞳，简称出瞳，其决定了系统像方孔径角U'。

与入射光瞳、出射光瞳对应的那个实际起着限制光束作用的光阑Q1QQ2即为孔径光阑。

孔径角的作用光束的孔径角是表征实际光学系统功能的重要性能参数之一。它不但决定了像面的照度，而且还决定了光学系统分辨能力。

在物面上按其成像光束孔径角的不同可分为三个区域：

第一个区域是以B1A为半径的圆形区，其中每个点均以充满入射光瞳的全部光束成像。此区域之边缘点B1由入射光瞳下边缘P2和入射窗下边缘点M2的连线所确定。

第二个区域是以B1B2绕光轴旋转一周所形成的环形区域，在此区域内，每一点已不能用充满入瞳的光束成像，在含轴面内看光束，由B1点到B2点，其能通过入射光瞳的光束，由100%到50%渐变，这就是轴外点的渐晕现象。 此区域的边缘点B2由入射光瞳中心P和入射窗下边缘M2的连线确定

第三个区域是以B2B3绕光轴旋转一周所形成的环形区域，在此区域内各点的光束渐晕更为严重，由B2点到B3点，其渐晕系数由50%降低到0。B3点是可见视场最边缘点，它由入射光瞳上边缘点P1和入射窗下边缘点M2的连线所决定。

以上三个区域只是大致的划分，实际上在物平面上，由B1到B3点的渐晕系数由100%到0是渐变的，并没有明显的界限。用眼睛通过放大镜观察物面时，由放大镜和眼睛组成的光学系统就是这样。2