光學基礎知識 - 使用浸潤介質增加數值孔徑

資料來源：https://www.microscopyu.com/tutorials/immersion

成像介質的折射率是決定顯微鏡物鏡的數值孔徑的重要因子，可根據數值孔徑的公式 NA = n sinθ 得知。

因此可以想像，當在光線出入物鏡的角度固定時，將介質空氣（n=1）更改為油、甘油或水等液態浸潤介質（n>1）時，可觀察到數值孔徑的根據介質折射率比例增加。意即物鏡設計在前透鏡玻璃和樣品之間使用較高折射率的浸潤介質取代空氣，即能在不改變光源、機構或鏡片設計的情況下，得到更高的數值孔徑。

從上述公式中可知，影響數值孔徑有折射率和角度兩個變因，因此先以一個固定 θ = 65 度角孔徑的物鏡，探討成像介質折射率的變化如何影響光線在物鏡的路徑。

首先，圖 1 中介質為空氣，可看到僅五條光線到達物鏡的前鏡頭，其他路徑的光因折射或全反射而無法對形成圖像做出貢獻，此時數值孔徑為 0.9。

圖 2 中將空氣更換為水，則可發現相較於空氣，成像的有效光線數量明顯增加了，且不再有全反射的光，數值孔徑由 0.9 提升至 1.21。

圖 3 中進一步將水更換為折射率更高的油，此時所有光線皆為成像的有效光線，數值孔徑提升至 1.38。