拉曼光谱分析技术

测量技术篇

第6回 选择物镜

发布日期 2013年12月11日

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空间分辨率和观察视野决定物镜的选择。在实际分析中,测量对象的大小分为已知和未知两种情况,请根据下述说明选择物镜。

已知测量对象的大小
由于每个物镜的视野和空间分辨率是既定的,请以此为参考选择物镜。
不知测量对象的大小
从低倍率到高倍率,进行预备测试。全部测完以后,再选择最合适的倍率进行样本测量。

请牢记上述要点,我们再来看看物镜的倍率、开口数(NA)和视野、空间分辨率的关系吧。

※ 关于开口数(NA)的说明请点击这里

关于物镜的视野

物镜的倍率决定可测量的视野范围。例如,激光拉曼显微镜RAMANtouch的拉曼图像最大视野如下表所示。因此,需要选择合适的物镜倍率将测量对象全部纳入视野内。

 
▼各个物镜拉曼成像的最大视野
物镜的倍率 最大视野(横[μm]×纵[μm])
5x 1600 x 1400
10x 800 x 700
20x 400 x 350
50x 160 x 140
100x 80 x 70

 

关于物镜的空间分辨率

共聚焦光学系统中,空间分辨率由物镜的开口数NA决定,平面方向(XY)和深度方向(Z)上的值各不相同。 共聚焦光学系统中,使用斑点大小的针孔时,平面方向以及深度方向的空间分辨率理论公式如下图所示。 平面方向的空间分辨率dxy与NA成反比,深度方向的空间分辨率dz与NA的平方成反比。
平面方向の空間分解能
深さ方向の空間分解能の式 NAが0.5以下での深さ方向の空間分解能の近似式
该公式中,n是物镜与样本间媒介的折射率,λ为激发波长。 开口数NA与折射率n成正比,平面以及深度方向的分辨率与折射率n成反比。因此,使用水浸物镜和浸油物镜,可以提高空间分辨率。 应用上述公式,理论空间分辨率的实际计算结果如下图所示(λ=532nm、n=1.0)。 NA=0.90时,理论上的平面方向空间分辨率为300nm,深度方向的分辨率为830nm。


NAによる空間分解能の変化
▲NA引起的空间分辨率变化

当测量对象大小的空间分辨率不佳时,测量过程中将无法辨别对象物,所以与广阔的视野相比,需要优先考虑空间分辨率。视野的狭小问题,可以把测量区域分成几块来解决。 另外,样本表面凹凸程度的容许范围是以深度方向分辨率为目标。如果是透明的样本,或比深度分辨率凹凸程度更大的样本,灵活运用共聚焦光学系统的特征也可获得深度方向的信息。 换言之,改变焦点位置重复进行线性测量的断面(xz)成像,或者重复平面成像进行3D成像(xyz)测量。

 

关于特殊物镜

最后,透过玻璃测量样本,或将样品放置于溶液中等特殊环境时,需选用合适的物镜。下面介绍一些具有代表性的特殊物镜。

浸液物镜……测量溶液中的样本时使用。此外,与一般的物镜相比,溶液的折射率较高可以提高NA。因此,为了提高空间分辨率,有时会使用浸液物镜。

玻璃校正物镜……透过盖玻片或观测瓶内样品时使用。玻璃的厚度可以在0mm~1.2mm之间调整。

长焦物镜……作動距離が長くなっているため凹凸のある試料の測定に用います。 操作距离比较长,凹凸样本测量时使用。在加热环境下的观测时,为了保护物镜需要采取长距离观测,应用于此类特殊样本环境下的测量。

近红外用物镜……使用近红外激光激发波长时,推荐使用性能优良的近红外专用物镜。使近红外区域内的色差以及透过率能够得到较大改善。然而与上述物镜群不一样的是,它不是能够适应样本周围环境的物镜。

特殊対物レンズの模式図

▲特殊物镜的概要图