Nikon CFI60 光學系統簡介

資料來源：https://www.microscopyu.com/microscopy-basics/nikon-cfi60-optical-system

當顯微鏡專家在談論到顯微鏡時，可能會提出一個理想中具有無限遠光學系統的顯微鏡，當使用具有無限遠光學系統的顯微鏡時，性能會提高，若不是無限遠光學系統則性能較低。難道有限光學系統一定比無限遠光學系統差嗎？Nikon 光學設計團隊對此深入研究並開發 CFI60 系統，以下將帶您了解其性能，包含鏡筒透鏡焦距為 200mm、齊焦距離為 60mm 的物鏡以及物鏡螺紋尺寸為 25mm。

為什麼鏡筒透鏡焦距為 200mm？

在有限光學系統中，來自物體的光線穿過物鏡後，會被引導至目鏡焦點處的主像平面（中間像平面）並會聚，如圖 1 所示。

而在無限遠光學系統中，光軸上的光線經過物鏡後變成一束平行光線，直到經過鏡筒透鏡後才會聚，如圖 2 所示。

在無限遠光學系統中，來自物體外圍離光軸較遠的光在經過鏡筒透鏡後，最邊緣的光會形成平行光，其他則往對角方向與平行光會聚成像，如圖 3 所示。因此”無限遠光學系統”中的無限，僅在描述光軸上的光線經過物鏡後變成一束平行光線，並非系統內有無限空間。

若要採用無限遠光學元件來進一步開發顯微鏡，將需要增加物鏡和鏡筒透鏡之間的距離，並增加系統的靈活性。為了延長這個距離，減少光軸外平行光的角度。一般普遍認為鏡筒透鏡的焦距較長就可以實現這一點，但這個長度有其限制。

無限遠光學顯微鏡中物鏡的放大倍率Mo可使用以下公式獲得：

其中 Ft 為鏡筒透鏡焦距，Fo 為物鏡焦距（見圖 2）。

為了從遠離光軸的物體獲得相同尺寸的影像，鏡筒透鏡的焦距越長，產生的光與光軸的角度越小，光線越不會擴散，因此增加鏡筒透鏡和物鏡之間的距離，從而大大增強系統靈活性，如圖 4 所示。但由於放大倍率在設計前已經被決定，因此鏡筒透鏡焦距變大，則物鏡焦距也會等比放大，而這將使得顯微鏡的結構尺寸變大。考量光學系統的靈活性與顯微鏡尺寸，得到結論是 200mm 最適合鏡筒透鏡。

這種較長的光學系統在包含穿透光學元件的系統中有特別的優勢。以鏡筒透鏡焦距 200mm 和 160mm 比較為例（圖 5），離軸光在鏡筒焦距為 200mm 的系統中，與光軸的夾角較小，當通過例如 DIC 模組的 Nomarski 稜鏡時，這些離軸光產生的偏移也會較小，使影像對比較佳。

齊焦距離為什麼是 60mm？

過去的歷史中，全世界曾經統一過齊焦距離定為 45mm，以使不同光學系統間的物鏡可通用。但光學系統的蓬勃發展，使原本的有限光學系統無法滿足需求，因此當有限光學系統被替換成無限遠光學系統後，鏡筒透鏡的等效焦距約為 150mm，因此可得到齊焦距離：鏡筒透鏡焦距 = 45 : 150。而由上述已知鏡筒透鏡的最佳焦距為 200mm，因此根據比例計算可得最佳齊焦距離為 60mm（60：200）。

另一個齊焦距離拉長的好處，則是工作距離因為物鏡焦距的增加而拉長，使鏡頭與樣品的距離更遠，更不容易造成鏡頭和樣品的碰撞與損傷，降低操作困難性。

為什麼要使用 25mm 的物鏡螺紋？

物鏡光瞳直徑被物鏡螺紋尺寸所限制，即物鏡在扣除螺紋所需尺寸後剩餘的有效直徑。攝影鏡頭的亮度（F）用以下公式表示

F = f / D

其中 f 為透鏡焦距，D 為有效直徑。由於顯微鏡的 N.A. 值可對應攝影鏡頭的 F 值，因此 F 又可表示為

F = 1 /（2×N.A.）

結合上述兩式，則可以使用此公式找到實現所需數值孔徑的有效直徑，即

D = 2×N.A.×f

而有效直徑的挑戰在低倍率的物鏡上，因為越低的倍率，物鏡焦距就要越大，在相同有效直徑上 N.A. 值就越小，如此會降低物鏡的光學解析度；若選擇了較大的 N.A.，則有效直徑會等比增大。

舉例來說，假設一個 CFI Plan Apo 4x（N.A. = 0.2）的物鏡，在 N.A. 保持 0.2 且放大率為 4 倍下，若在鏡筒焦距為 160mm 和 180mm 的物鏡上，最佳有效直徑分別應為 16mm 和 18mm。然而目前大部分製造商皆使用 20.32mm 螺紋尺寸，這使得實際製造上有困難，而 Nikon 使用 25mm，因此能夠獲得高數值孔徑，得到較佳的影像解析度。

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