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顯微鏡鏡頭選擇與放大倍率迷思

使用顯微鏡觀察各種動植物是在下的興趣
最近因為需要買顯微鏡鏡頭,因此對於相關知識研究了一下
此外,對於想買顯微鏡鏡頭(目鏡/物鏡)也會有一些個人粗淺的見解


本篇重點只有鏡頭
因為發現大部分都是相機方面討論,但是對於顯微鏡方面就較少中文面的資訊
想說分享一下研究心得,免得若要購買時
只買到”可以看”的顯微鏡鏡頭(之前我買的時候就是,一晃眼幾年過去都老了)


深入了解才會發現各種玄機
在下並非超專業人士,僅有些許相關知識,若有誤,請大家不吝指教


如果想要一次了解到原理到最透徹,可以跳過本文,直接上Olympus顯微鏡網站(英文)
用IE可以看到很清楚的說明和Java的原理講解,包含如何正確操作顯微鏡
這個是個很棒的資源,看了才會發現自己了解的太少。


本文除了簡單的內容外,另外會對於顯微鏡”價格”做討論
我想以一般人而言,若要購買顯微鏡應該不用用到實驗室等級吧,所以CP值是很重要的。
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放大率問題
一般若上網搜尋顯微鏡,會發現琳琅滿目,價格3000~9000塊錢就可以有個2000倍放大率。
你如果問店家,我要放大兩千倍,他會跟你說”你裝個100X物鏡+20X目鏡就行了”


那我如果要2500X呢? 是不是裝個100X物鏡+25X目鏡就行了?
答案為否。



你如果有查過一些高檔顯微鏡,像是蔡司Zeiss或是Olympus顯微鏡,價格幾萬甚至數十萬的設備
他也不會隨便裝個2000X up的設計,想想看,市面上幾千塊甚至幾百塊的顯微鏡能清楚放大到2000X嗎?



其實,並不是說你裝100X物鏡和25X目鏡就不會放大
但是他的放大可能是”空放大”,就是說可能東西有變大了,但是缺少了細節
就像是你去放大一張JPG的圖一樣,你可以一直放大,但到最後細節不會變多,你反而會看到一堆點



顯微鏡過度的放大倍率就有這樣的毛病,為啥?
~~~ 因為光學上繞射極限 ~~~
所以店家宣稱放大多少倍的話是需要考量的


一般較為OK的放大倍率大概是 ”1000乘以物鏡的數值孔徑(NA)”



數值孔徑(Numerical Aperture)事實上決定了繞射的極限
因此即使物鏡上標100X ,目鏡25X,這些幾倍放大率也只是參考而已


Ex: 有一個100X的物鏡,NA值為1.25
放大率公式100X1.25=1250
1250倍放大率是可用的範圍
稍微延伸一下放大範圍,使用16X目鏡做搭配這個100X物鏡
100X16=1600倍 這個倍率已經是很好了
如果硬加到2000倍不是不行,但是影像品質就會扣分

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想真的了解顯微鏡就要知道 數值孔徑(Numerical Aperture)
縮寫NA



NA值和”折射率n” 與 “光最大可以入射鏡頭的角度θ” 有關
NA=n*sin⁡θ


因為一般空氣折射率n=1,Sin函數最大等於一,因此在空氣中(一般使用時),鏡頭的NA值不可能大於1



有用過顯微鏡的人可能會發現,有些在100X的物鏡上有寫Oil,就是油鏡的意思
為啥要用油? 因為把鏡頭浸在油裡面的時候,油的折射率n>1
因此可以達到NA值大於1的效果


所以你只要看到NA值大於一的鏡頭,
他一定需要某些介質,像是油鏡油
使用100X油鏡不用油可不可以? 當然可以
只是如果你裸露在空氣中(折射率n=1)就沒辦法發揮到這顆物鏡最大的效果

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光學的繞射極限的限制


R=λ/(2*NA)
R是兩個點可以分辨的距離,NA就是上面說的數值孔徑,λ為光的波長



如果用了一個NA值達到1.4的油鏡,而可見光波長我們取550nm(奈米)
計算出來的最小兩點分辨長度R大約是0.2um(微米)


一般如果從目鏡用眼睛看進去,以100X的物鏡放大來說
可見視野最大大小估計為0.25mm
如果我們用這個顯微鏡去看0.2um的東西,假設他放大到0.25mm大小
放大率也就1250倍
因此,過大的放大倍率是不必要的。



你可以無限的放大,但敵不過繞射極限。



如果你上面看了有點頭暈,那也沒關係,重點就是
數值孔徑(NA)越大,解析力越好



因此你會發現,放大倍率越大的鏡頭,NA值越大(解析力越好)

EX:
(放大倍率/NA值)
4 /0.1
10/0.25
40/0.65
60/0.85
100/1.25 Oil



為了達到超越空氣折射率(n=1),取得大於1的NA值
因此在NA值大於1的鏡頭會需要使用特殊高折射率介質,像是油鏡油(n>1)


這樣可以把鏡頭整體NA值提升到1以上,提升NA值,提高放大的解析力。
重點:放大解析力關鍵在NA值而非放大幾倍


你也會發現放大倍率越大的鏡頭越接近觀察樣品,這個原因顯而易見
因為提高NA值的方法除了讓折射率n變大之外,也可以提高” 光最大入射鏡頭角度θ”
因為θ角度越大,Sin函數越大,而當θ角度大小趨近於最大值90度時,就是Sin函數的最大值。
由圖中可以發現,當θ越大的時候,鏡頭和樣品的工作距離(Working distance)也變得非常近。


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了解了這些後,再來就是一些購買的相關資訊
你會發現,為啥有些顯微鏡放大1200倍只要2000 不到,有些卻要上萬塊
甚是是實驗室等級的顯微鏡要數萬至數十萬,其中差異當然很大
但現在先就物鏡說起


便宜的物鏡到處都有,可能700塊台幣不到,但是高檔的物鏡卻要上萬塊台幣
差就差在色差的校正和場型的校正上,有些還有考慮到玻片影響的調正設計。


But 這邊不考慮那些超過5000台幣的鏡頭
因為我想一般人如果只想看看顯微鏡應該不太會去買一隻超過5000的鏡頭(無預算上限的就別說了XD)
因為連很多國中小的顯微鏡也都沒有太高級


如果預算太多就買德國/日本等光學大廠的顯微鏡吧
上面的機種絕對各種消色差、場型校正,Plan Apo
各種特殊玻璃、螢石,絕對可以購物愉快XD
如果可以到認識的實驗室借到相關器材你就會發現,挖~ 其實
東西真的不是貴假的。


回歸正題,除了那些貴到不行的頂級物鏡外
其實,殘酷也幸運的事實是
絕大部分顯微鏡鏡頭都是大陸製,不要想說啥顯微鏡是精密儀器
其實,一個平常的消色差的物鏡也頂多500~1000台幣,各位不信可以去淘寶上看看。
你會說一分錢一分貨,看看台灣會不會有相關店家也賣


有,大約是一千多到兩三千,但是我告訴你
這些台灣的貨也幾乎都是大陸製品
根本不是日本或德國生產的
兩三千買不到日本貨的。


在淘寶上你很可能可以用1/2到1/3的價格買到台灣相同等級的貨品
信不信,如果你可能用1200~2000的價格,在對岸已經買到”平場物鏡”(鏡頭上有標Plan)



而且你會發現,大部分鏡頭很都沒有牌子XD
有些連Spec都沒標清楚,有沒有消色差,也沒說,真的很樸實



可以搜尋: 和祿光學 H&L optics http://www.hl-optics.com/
很多白牌,或是掛牌的鏡頭都它生產的
外觀看起來都差不多,如出一轍


在此並沒有推銷的意思,只是告訴大家,其實
廉價鏡頭的時代已經到來了,只到你在淘寶上看一下原廠的價格
就會知道,歐~ 原來這些鏡頭也只是一餐600元大餐的價格,根本連兩千都不到


很瞎吧? 你覺得我亂說?


其實可以仔細評估一下預算,為啥市面顯微鏡可以降到一台普通的顯微鏡7000元了

一般你會拿到的鏡頭就這幾種,總共價格2150元台幣

目鏡:
WF10X 200元
WF20X 250元

物鏡:
4 /0.1 250元
10/0.25 250元
40/0.65 550元
100/1.25 Oil 650元


這個價格已經是有名子的廠商做出來白牌鏡頭的價格
再低像是1500以下的顯微鏡我就不敢想像了。


你想,相機鏡頭動不動就幾千幾萬,C家和N家頂級鏡頭動不動就上萬
花個幾百塊的顯微鏡鏡頭應該是物超所值了,再低應該品質應該也就不敢想像了。



其實說了那麼多,要說的就是,現在這種全面低價中國製造的時代
像是物鏡/目鏡這種東西,如果想看看就好
沒有太高的要求
就買剛好就好的價格,普遍台灣的價格都偏高(可能可以比較安心吧XD)
但是買低了也不行,那就變玩具顯微鏡了



一般物鏡會要求有”消色差”,這幾乎是最低要求
如果他有標示在物鏡上的話會是”Achro”,全名是Achromatic aberration correction。
現在中國大廠製造的白牌鏡頭很多都有消色差功能,只是都沒有標示
但是你如果到原廠網站上Spec就可以看到,他是有消除色差的設計的。


太過便宜的物鏡可能就沒有消色差,這樣會導致影像品質大幅低落,猶如彩虹般耀眼(開玩笑)
所以,為啥相機要用螢石? 鏡頭要用螢石?
就是因為它色散低的特性,可以降低色散對成像品質的影響。



好一點的可能有平場設計,鏡頭上會標示”Plan”
這種鏡頭價格可能高速上升,但某些仍在可以接受範圍
有了場型校正,邊緣變形就不會太嚴重。
在高級的顯微鏡物鏡裡,會用很多組鏡片去校正各種不理想的現象
可能一顆物鏡就用了十幾片鏡片,因此價格才會如此高昂。


LightGalaxy wrote:
使用顯微鏡觀察各種...(恕刪)


專業分享 感恩 長知識!
太專業了!!

前幾天剛好有家VHX 5000數位顯微鏡廠商來我這做DEMO
0.1~5000X 又有每秒50張 景深合成功能 2000 TV Line解析度
拿來觀察生物應該很過癮
不過售價不斐 還在評估中
只知道功能強大 但不懂其中的原理 , 樓主這篇 獲益良多,學習了

看來遇到同好了, 只是我是對立體顯微鏡(100x 以下)有興趣, 希望用來觀察植物細微構造, 近日看到若干二手貨有若干疑問, 還請釋疑:
(1) 固定放大倍數與連續可變放大倍數, 兩者品質上有無重要差異?
(2) 底座照明與上方環燈照明, 在觀察上有無差異呢?

目前看到不少品項, 有的是知名廠牌平價款, 有的則是不知名者, 也很想知道對於業餘者來說, 有任何明顯差異嗎?

LightGalaxy wrote:
使用顯微鏡觀察各種動...(恕刪)


專業好文
樓主大大除了研究生物
還研究了光學
太強啦
Eric's Long-Term Memory http://chang-eric.blogspot.tw/

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