显微镜物镜 - 简介

显微镜物镜算得上是光学显微镜非常重要的部件，因为它们负责形成主要图像，并在决定显微镜能够生成的图像质量方面发挥核心作用。物镜还有助于确定特定标本的放大倍率以及在显微镜中可以观察到精细标本细节的分辨率。

物镜是光学显微镜中比较难以设计和组装的部件，也是光线从标本进入图像平面时首先遇到的部件。物镜的名称来源于这样一个事实，即物镜是距离所成像的物体（标本）最近的部件。

一些大型显微镜制造商会提供多种多样的物镜设计，在各种照明条件下都具有出色的光学特性，并对主要光学像差进行不同程度的校正。图1所示的物镜是一款250x长工作距离的复消色差物镜，它包含14个光学元件，这些光学元件被粘合成三组双透镜、一组三重透镜和三个独立的内部单透镜。物镜还有一个半球形前透镜和一个半月形后透镜，它们同步工作，以较小的球差协助捕捉高数值孔径的光线。虽然该物镜上没有这种设计，但许多类似设计的高放大倍率物镜都配备了弹簧式可伸缩前锥体组件，可保护前透镜元件和标本免受碰撞损坏。内部透镜元件的方向经过了仔细调整，然后被紧紧地装入由物镜镜筒封装的管状黄铜外壳中。具体的物镜参数，如数值孔径、放大倍率、光导管长度、像差校正程度和其他重要特征都印刻或雕刻在镜筒的外部。虽然图1中的物镜是利用空气作为物镜前透镜和标本之间的成像介质，但其他一些物镜的前透镜元件可以浸入水、甘油或专门的烃基油中。

现代物镜由许多内部玻璃透镜元件组成，其质量和性能已达到很高的水平，对像差和像场平度的校正程度决定了物镜的用途和成本。在过去的100年中，用于制造物镜的构造技术和材料有了很大的进步。如今，物镜是在计算机辅助设计(CAD)系统的帮助下，使用具有高度特定折射率、成分和质量分布均匀的先进稀有元素玻璃配方来设计的。采用这些先进技术后，物镜的性能大大提高，制造商能够生产出色散极低的物镜，并能校正大多数常见的光学缺陷，如彗差、像散、几何畸变、场曲、球差和色差。现在，显微镜物镜不仅能在更宽的视场中校正更多的像差，而且图像眩光也大幅减少，透光率显著提高，从而能够生成明亮、锐利和简洁的图像。

物镜的三个关键设计特性设定了显微镜的最终分辨率极限。这包括用于照亮标本的光的波长、物镜捕捉到的光锥的角度孔径以及物镜前透镜和标本之间物体空间的折射率。衍射极限光学显微镜的分辨率可描述为两个紧密间隔的标本点之间的最小可探测距离：

R = λ / 2n(sin(θ))

其中R是间隔距离，λ是照明波长，n是成像介质折射率，θ是物镜角度孔径的二分之一。通过研究这个等式，可以发现分辨率与照明波长成正比。人眼对400纳米到700纳米之间的波长区域有反应，这代表了大部分显微镜观察所使用的可见光光谱。分辨率还取决于成像介质的折射率和物镜角度孔径。物镜的设计目的是在前透镜和标本之间用空气或折射率较高的介质对标本进行成像。视场通常非常有限，而物镜的前透镜元件与标本相近，务必会与标本保持光学接触。用浸油代替空气作为成像介质时，分辨率可提高约1.5倍。

决定物镜分辨率的最后一个因素，可能是关键因素，是角度孔径，其实际上限约为72度（正弦值为0.95）。结合折射率时，乘积：

n(sin(θ))

就是数值孔径（缩写为NA），是衡量任何特定物镜分辨率的实用指标。数值孔径通常是选择显微镜物镜时需要考虑的重要设计标准（光学校正除外）。数值孔径的范围从0.1（适用于放大倍率极低的物镜[1x至4x]）至1.6（适用于使用专用浸油的高性能物镜）不等。在一系列相同放大倍率的物镜中，随着数值孔径值的增加，我们通常会观察到更强的聚光能力和更高的分辨率。显微镜学家应仔细选择物镜放大倍率，以便在各种情况下，都可以将刚刚分辨出来的细节放大到足以让人舒适地进行观察，但又不至于有空放大倍率妨碍对精细标本细节的观察。

正如显微镜中照明的亮度受聚光器工作数值孔径平方的影响一样，物镜产生的图像亮度也受其数值孔径平方的影响。此外，物镜放大倍率也对图像亮度起决定作用，其与横向放大倍率的平方成反比。数值孔径/放大倍率的平方表示物镜在使用透射照明时的聚光能力。由于高数值孔径物镜通常能更好地校正像差，因此也能收集更多光线，生成更明亮、校正度更高且分辨率更高的图像。需要注意的是，图像亮度会随着放大倍率的增加而迅速降低。如果光照等级是一个限制因素，则应选择数值孔径最大的物镜，但放大倍率至少能产生足够的分辨率。

消色差物镜是大多数实验室显微镜上使用的便宜（也是常见）的物镜。这些物镜对两个波长（蓝色和红色；分别约为486纳米和656纳米）的轴向色差进行校正，并将其引入一个共同焦点。此外，消色差物镜对绿色进行球差校正（546纳米；参见表1）。在使用彩色显微镜和显微摄影法对标本进行检查和成像时，消色差物镜的有限校正会导致严重的伪影。如果选择的焦点在光谱的绿色区域，图像就会出现偏红的品红色光晕（通常称为残色）。使用消色差物镜进行显微摄影时，通过绿色滤光片（通常是干涉滤光片）和黑白胶片可以获得较好的效果。消色差物镜缺乏对像场平度（或场曲）的校正，这进一步阻碍了消色差物镜的使用。在过去几年中，大多数制造商都开始为消色差物镜提供平场校正，并将这些校正后的物镜命名为平场消色差物镜。

校正和成本较高一级的物镜称为萤石或半消色差物镜（如图2中的中心物镜所示），因最初用于制造这些物镜的矿物为萤石而得名。图2描述了三大类物镜：上述校正度较低的消色差物镜；具有额外球面校正的萤石（或半消色差）物镜；以及校正度更高的复消色差物镜。图2左侧的物镜是一个10x消色差物镜，包含两个内部双透镜和一个前透镜元件。图2中部显示的是一个10x萤石物镜，除了一个半球形前透镜和一个辅助半月板透镜外，还具有多个透镜组，包括两个双透镜和一个三重透镜。图2右侧是一个10x复消色差物镜，也包含多个透镜组和单透镜元件。虽然在结构上与萤石物镜相似，但透镜的曲率和厚度不同，并且采用了复消色差物镜特有的排列方式。

物镜光学像差校正

表1

在物镜组装过程中，首先对透镜进行有策略的间隔并将其搭接到镜座上，然后将其封装到中央套筒中，该套筒将安装在物镜镜筒内部。透镜在精密的车床卡盘中旋转时，会将单个透镜安装在黄铜肩座上，然后用薄薄的金属边缘进行打磨，将透镜（或透镜组）锁定到位。进行球差校正时，要选择一组合适的垫片，并将其安装在下部两个透镜座（半球透镜和半月形透镜）之间。使用锁定螺母将套筒内的整个透镜组向上或向下移动，使物镜形成等焦面，这样就可以在不失焦的情况下更换安装在多个物镜转换器上的物镜。对彗差的调整是通过三颗定心螺钉完成的，这三颗螺钉可以优化内部透镜组相对于物镜光轴的位置。

萤石物镜由先进的玻璃配方制成，其中含有萤石等材料或较新的合成替代物。这些新配方可大大改善光学像差校正。与消色差物镜类似，萤石物镜也会对红光和蓝光进行色差校正。此外，萤石物镜还能对两种或三种颜色进行球面校正，而不是像消色差物镜那样只校正一种颜色。与消色差物镜相比，萤石物镜的校正能力更强，这些物镜的数值孔径更大，可获得更明亮的图像。萤石物镜的分辨能力也比消色差物镜更强，对比度更高，因此比消色差物镜更适合在白光下进行彩色显微摄影。

如图2和图3所示，复消色差物镜的校正水平（和费用）较高。复消色差透镜是目前校正度较高的显微镜透镜，其高昂的价格反映了其制造所需的复杂设计和精心装配。在图3中，我们比较了放大倍率从10x到100x的一系列复消色差物镜的透镜元件。与高放大倍率（40x和100x）的复消色差物镜相比，低放大倍率复消色差物镜（10x和20x）的工作距离更长，物镜总长度更短。一般来说，复消色差物镜对三种颜色（红、绿、蓝）进行色差校正，几乎可以消除色差，并对两种或三种波长进行球面校正（见表1）。复消色差物镜是在白光下进行彩色显微摄影的理想选择。由于其校正水平高，在给定的放大倍率下，复消色差物镜的数值孔径通常高于消色差物镜或萤石物镜。许多较新的高性能萤石和复消色差物镜可以校正四种（深蓝、蓝、绿和红）或更多颜色的色差和四种颜色的球差。

所有这三种物镜都有明显的场曲，投射出的图像是弯曲的而不是平面的，这种伪影会随着放大倍率的提高而加剧。为了克服这种因透镜表面弯曲而产生的固有问题，光学设计人员制造出了平场校正物镜，这种物镜所产生的图像在整个视场中都是共焦的。具有平场校正和低畸变的物镜被称为平场消色差、 平场萤石或平场复消色差物镜，具体取决于其残余像差的程度。这种校正虽然昂贵，但在数字成像和传统显微摄影中却非常有价值。

未校正的场曲是萤石（半复消色差）和复消色差物镜中出现的最严重的光学像差，多年来一直被视为不可避免的伪影。在日常使用中，为了捕捉标本的所有细节，必须在中心和边缘之间不断重新聚焦视场。平场校正技术的引入完善了物镜在显微摄影和视频显微镜中的应用，如今这些校正技术已成为普通物镜和高性能物镜的标准配置。如图4中的简单消色差物镜所示，进行场曲校正需要为物镜增加相当数量的透镜元件。图4左侧未校正的消色差物镜包含两个透镜双透镜，此外还有一个简单的薄透镜前置元件。相比之下，图4右侧已校正的平场消色差透镜包含三个双透镜、一个中央透镜三重透镜组和一个位于半球形前透镜后面的半月形透镜。在这种情况下，平场校正导致增加了六个透镜元件，这些透镜元件捆绑在更复杂的透镜组中，大大增加了物镜的光学复杂性。萤石物镜和复消色差物镜也会大幅增加用于平场校正的透镜元件，这往往会导致内部物镜套筒中的透镜元件（见图1）接触极为紧密。一般来说，经过场曲校正的平场物镜会牺牲相当大的自由工作距离，而且许多高放大倍率物镜的前透镜是凹面的，清洁和维护工作会变得非常困难。

老式物镜的数值孔径通常较低，而且会产生一种被称为倍率色差的像差，需要使用专门设计的补偿目镜进行校正。这种类型的校正在固定镜筒显微镜主导时期非常普遍，但在现代无限远校正物镜和显微镜中则没有必要。近年来，现代显微镜的物镜对倍率色差进行校正的方法是，通过物镜本身进行校正（例如奥林巴斯和尼康），或者通过在镜筒内各透镜之间进行校正（例如徕卡和蔡司）。

无限远校正系统中的中间图像出现在光学通路中镜筒透镜后面的参考焦距（以前称为光学镜筒长度）处。这个长度在160毫米到250毫米之间，具体取决于制造商的设计限制。无限远校正物镜的放大倍率是通过参考焦距除以物镜焦距计算得出的。

在大多数生物和岩石学应用中，固定标本时都要使用盖玻片，这样既可以保护标本的完整性，又可以为观察提供一个清晰的窗口。盖玻片的作用是使来自标本各点的光锥汇合，但同时也会产生色差和球差（以及随之而来的对比度损失），而这必须由物镜进行校正。光线的汇合程度由盖玻片的折射率、色散和厚度决定。虽然一批盖玻片的折射率应相对恒定，但其厚度可在0.13至0.22毫米之间变化。另一个值得关注的问题是，在湿法或厚装制备中，标本与盖玻片之间存在水性溶剂或多余的装片介质。例如，生理盐水的折射率与盖玻片的折射率相差很大，在生理盐水中，物镜必须通过只有几微米厚的水层聚焦，从而导致显著的像差和点扩散函数偏差，使焦平面上下不再对称。这些因素增加了盖玻片折射率和厚度的有效变化，显微镜操作员很难控制。

物镜前透镜和标本盖玻片之间的成像介质对于在设计物镜透镜元件时校正球差和彗差也非常重要。低放大倍率物镜的数值孔径相对较低，设计用于在干燥时使用，将空气作为物镜前透镜和盖玻片之间的成像介质。使用空气可获得的最大理论数值孔径为1.0，但实际上几乎不可能生产出数值孔径超过0.95的干物镜。对于数值孔径小于0.4的干物镜来说，盖玻片厚度变化的影响可以忽略不计，但当数值孔径超过0.65时，这种偏差就会产生明显的影响，小到0.01毫米的波动都会带来球差。这就给高配置的复消色差物镜带来了问题，它必须在空气中使用非常短的工作距离，并包含敏感的球差校正，这往往会使其难以获得清晰的图像。

为了解决这个问题，许多高性能的复消色差干物镜都配备了校正环，可以通过校正盖玻片厚度的变化来校正球差（见图5）。球差的光学校正是通过旋转校正环来实现的，旋转校正环会使物镜中的两个透镜元件组靠近或远离。图5中左侧的物镜已通过将可调透镜元件靠得很近，为0.20毫米的盖玻片厚度调整了校正环。相比之下，图5中右侧的物镜将可调透镜元件分开了相当大的距离，以补偿非常薄的盖玻片（0.13毫米）。为直立透射光显微镜设计的大多数校正环物镜的盖玻片厚度变化调节范围在0.10至0.23毫米之间。许多为使用倒置显微镜观察组织培养标本而设计的专用相衬物镜的补偿范围甚至更广，为0至2毫米。这样就可以通过大多数培养容器的底部观察标本，而这些容器的厚度在此尺寸范围内通常会有剧烈波动。在使用校正环物镜观察没有盖玻片的标本（例如血液涂片）时，可以将校正环物镜的调节值设置为0。

没有校正环的高数值孔径干物镜所产生的图像往往不如低数值孔径物镜，因为低数值孔径物镜不需要考虑盖玻片的厚度。因此，选择低放大倍率（和数值孔径）物镜通常是明智之举，这样既能获得出色的对比度，又不会受到盖玻片波动带来的伪影影响。例如，数值孔径为0.65的40x物镜可能比数值孔径为0.85的60x物镜拍摄出对比度和清晰度更高的图像，尽管理论上高放大倍率物镜的分辨能力更强。

盖玻片的标准厚度为0.17毫米，被称为1½盖玻片。遗憾的是，并非所有的1½盖玻片都能达到如此接近的公差（它们的公差范围在0.16到0.19毫米之间），并且许多标本和盖玻片之间都有介质。可以通过调整显微镜的机械镜筒长度来实现盖玻片厚度补偿，或者（如前所述）使用专门的 校正环来改变物镜镜筒内关键元件之间的间距。校正环被用来调整这些细微差别，以确保物镜的良好性能。正确使用带有校正环的物镜要求显微镜操作员具有足够的经验和警惕性，能够根据适当的图像标准重新设置校正环。在大多数情况下，调整校正环时焦点可能会移动，图像可能会偏移。请使用以下步骤对物镜的校正环进行细微增量式调整，同时观察标本图像的变化。

• 调整校正环的位置，使物镜镜筒上的指示标记与刻在校正环外壳上的0.17毫米刻度标记重合。
• 将标本放在载物台上，并将显微镜聚焦于一个小的标本特征。
• 微微旋转校正环并重新聚焦物镜，确定图像是有所改善还是退化。由于大多数标本的制备都会受到盖玻片/介质夹层太厚的影响，因此在开始旋转实验时，应先尝试较大的补偿值(0.18-0.23)。
• 重复上一步，确定校正环在单向旋转时图像是在改善还是在退化。
• 如果图像质量下降，则按照相同的步骤，朝相反的方向（朝较低的值）旋转校正环，以找到提供合适分辨率和对比度的位置。

物镜数值孔径可以通过设计与浸入介质（如油、甘油或水）一起使用而显著提高。通过使用折射率与玻璃盖玻片相近的浸入介质，实际上消除了由于盖玻片厚度变化而导致的图像质量下降，使大斜度光线不再发生折射，更容易被物镜捕捉。典型的浸油折射率为1.51，色散与玻璃盖玻片相似。穿过标本的光线会遇到盖玻片和浸油之间的均匀介质，在进入透镜时不会发生折射，只有在离开透镜上表面时才会发生折射。因此，如果将标本放置在第一物镜的齐明点（焦点和视场中心），则透镜系统的这一部分成像完全没有球差。

实用油浸物镜的一般设计包括一个半球形前透镜元件、一个正半月形透镜和一个双透镜组。图6显示的是典型的复消色差油浸物镜前两个透镜元件发生的平面折射。标本夹在显微镜载玻片和盖玻片之间，位于半球形透镜元件的齐明点P处。在半球形透镜后部折射的光线似乎从P(1)点出发，该点也是半月形透镜第一表面的曲率中心。折射光线沿着半月形透镜第一表面的半径进入半月形透镜，在该表面不会发生折射。在半月形透镜的后表面，光线发生平面折射，因此它们似乎是从P(2)点开始发散。光线在物镜中的后续透镜组表面的折射使来自P点的光线完成汇合，从而形成中间图像。

设计合理的油浸物镜还能纠正前两个透镜元件带来的色差，同时将球差降到最低。事实上，光锥在进入第一个透镜元件之前已经部分汇合，这有助于控制球差。应该注意的是，在盖玻片和第一透镜元件之间不涂油的情况下使用油浸物镜会导致图像缺陷。这是因为前透镜表面会发生折射，从而产生球差，而物镜内的后续透镜组件无法纠正球差。

如果使用了错误的浸液，油浸物镜的优势会大打折扣。显微镜制造商生产的物镜对折射率和色散的公差要求很高，这就要求放置在盖玻片和物镜前透镜之间的液体具有与之匹配的值。建议只使用物镜制造商指定的浸油，不要混合使用不同制造商生产的浸油，以避免出现结晶或相分离等令人不悦的伪影。

使用水和/或甘油作为成像介质的物镜也适用于培养的活细胞或浸泡在生理盐水溶液中的组织切片。平场复消色差水浸透镜配有校正环，数值孔径可达1.2，略低于油浸透镜。这些物镜可让显微镜学家通过厚达200微米的水介质进行聚焦，并仍能保持出色的光学校正效果。但缺点是，高数值孔径水浸透镜通常需要数千美元，而且当物镜深入聚焦折射组织或细胞部位时，图像仍然会出现退化。有关水、甘油和油浸式物镜的更多详情，请访问显微镜入门指南中有关浸入介质的部分。

物镜镜筒上刻有大量信息，我们在物镜的规格和鉴别部分对此进行了讨论。简而言之，每个物镜上都刻有放大倍率（例如10x、20x或40x等）；物镜设计用于提供精细图像的镜筒长度（通常为160毫米或希腊无穷远符号）；保护标本的盖玻片厚度，设计者在校正球差时假定该厚度为恒定值（通常为0.17毫米）。如果物镜设计为在与标本之间有一滴油的情况下工作，则物镜上会刻有OIL或OEL或HI（均匀浸入）字样。如果物镜上没有刻这些标记，则表示物镜是干式的，物镜的较低部分与标本之间是空气。物镜上还总是刻有数值孔径(NA)值。数值孔径从低规格物镜的0.04到高规格油浸复消色差物镜的1.3或1.4不等。如果物镜没有标明更高的校正值，通常可以认为其是消色差物镜。校正度更高的物镜会标有apochromat或apo、plan、FL、fluor等字样。老式物镜的镜筒上通常刻有焦距（透镜到图像的距离），这是放大倍率的量度。在现代显微镜中，物镜是为特定的光学镜筒长度而设计的，因此在镜筒上同时刻有焦距和放大倍率就显得有些多余。

表2列出了四类常见物镜的工作距离和数值孔径与放大倍率的函数关系：消色差物镜、平场消色差物镜、平场萤光物镜和平场复消色差物镜。请注意，所有干物镜的数值孔径都小于1.0，只有为液体浸入介质设计的物镜的数值孔径会超过这一数值。

按放大倍率划分的物镜规格

表2

当制造商提供的一套匹配物镜被安装在物镜转换器上时，例如不同放大倍率的所有消色差物镜（表2中列出的物镜的一个子集），它们通常被设计为将图像投射到机身镜筒中大致相同的平面上。因此，通过旋转物镜转换器来更换物镜时，通常只需使用微调旋钮即可重新建立清晰的焦距。这样的物镜被称为齐焦物镜，是一种非常有用、便利且安全的功能。匹配的物镜组也被设计为齐中心，当旋转物镜转换器使另一个物镜投入使用时，在一个物镜视场中居中的标本仍能保持居中。

多年来，大多数制造商为生物应用设计的物镜都符合齐焦距离的国际标准。因此，大多数物镜的齐焦距离都是45.0毫米，并且可以互换。随着逐渐过渡到无限远校正镜筒长度，出现了一套新的设计标准来校正物镜和镜筒透镜的像差。再加上对更高灵活性的需求不断增加，以适应工作距离越来越远、数值孔径和视场尺寸越来越大的需要，不同制造商生产的物镜之间的互换性随之消失。现代尼康CFI-60光学系统就是这种转变的例证，其具有“无铬”物镜、镜筒透镜和目镜。CFI-60系统中的每个组件都是单独校正的，不会利用其中一个组件来实现对另一个组件的校正。镜筒长度通过镜筒透镜设置为无限远（平行光路），并且齐焦距离增加到60毫米。甚至物镜安装螺纹的尺寸也从20.32毫米改为25毫米，以满足光学系统的新要求。

光学显微镜的视场直径用视场数或简单的场数表示，视场直径以毫米为单位，并在中间图像平面处测量。物体（标本）平面上的视场直径就是视场数除以物镜放大倍率。虽然视场数通常受到目镜视场光阑的放大倍率和直径的限制，但物镜的设计显然也会对视场数造成限制。在早期的显微镜物镜中，最大可用视场直径被限制在大约18毫米（高放大倍率目镜的话会小得多），但现代的平场复消色差物镜和其他专门的平场物镜在与宽视场目镜结合使用时，其可用视场通常在22到28毫米之间，甚至更大。遗憾的是，物镜镜筒上一般不会刻有最大可用视场数，显微镜目录中也通常不会列出。

物镜可以聚焦且图像清晰度没有明显变化的轴向范围被称为物镜景深。该值在低数值孔径物镜和高数值孔径物镜中的变化很大，通常随着数值孔径的增大而减小（见表3和图7）。在高数值孔径下，景深主要由波光学决定，而在低数值孔径下，几何光学“模糊圈”占主导地位。总景深由波光和几何光学景深之和得出，即：

dtot = λn/NA2 + (n/M•NA)e

其中λ是照明波长，n是成像介质的折射率，NA是物镜数值孔径、M是物镜的横向放大倍率，e是放置在物镜图像平面上的探测器能够分辨的最小距离。请注意，衍射极限景深（等式右侧第一项）与数值孔径的平方成反比缩小，而横向极限分辨率与数值孔径的一次方成反比缩小。因此，系统数值孔径对轴向分辨率和光学切片厚度的影响远远大于显微镜的横向分辨率（见表3）。

景深和图像深度

表3

盖玻片较近表面与物镜前透镜之间的间隙距离称为工作距离。在标本设计为不使用盖玻片成像的情况下，工作距离是在标本的实际表面测量的。一般来说，在一系列匹配的物镜中，工作距离会随着放大倍率和数值孔径的增大而减小（见表2）。以空气为成像介质观察标本的物镜，在满足数值孔径要求的前提下，其工作距离应尽可能长。另一方面，浸入式物镜的工作距离应较短，以便在前透镜和标本之间容纳浸入液体。许多工作距离较近的物镜都有一个弹簧式回缩挡块，可以通过将前透镜组件推入物镜主体并旋转锁定到位来使其回缩。当物镜在物镜转换器中旋转时，这种附件会非常方便，这样它就不会在干净的载玻片表面拖动浸油。向相反方向扭转回缩挡块可释放透镜组件以供使用。在某些应用中（见下文），较长的自由工作距离是必不可少的，尽管在实现大数值孔径和必要程度的光学校正方面存在困难，但还是为这种用途设计了特殊的物镜。

近年来，物镜设计方面重要的进步之一是抗反射涂层技术的改进，这有助于减少光线通过透镜系统时产生的不必要反射。每个无涂层的空气玻璃界面可反射表面入射光束的4%至5%，因此在正常入射情况下的透射值为95-96%。使用具有适当折射率的、厚度为四分之一波长的抗反射涂层可将这一值降低3%至4%。随着物镜变得越来越复杂，透镜元件数量不断增加，消除内部反射的需求也相应增加。一些具有高度校正功能的现代物镜可能包含多达15个透镜元件，其中有许多空气-玻璃界面。如果透镜没有涂层，仅轴向光线的反射损耗就会使透光率下降到50%左右。曾经用来减少眩光和提高透光率的单层透镜涂层现已被多层涂层所取代，在可见光谱范围内，多层涂层的透射率超过99.9%。

图8中显示了光波反射自和/或穿过涂有两层抗反射层透镜元件的示意图。入射波以一定角度照射第一层（图3中的A层），导致部分光被反射(R(o))，而部分光穿过第一层。到达第二层抗反射层（B层）时，另一部分的光以相同角度反射，并与从第一层反射的光相干涉。剩余的部分光波继续传播到玻璃表面，并在此再次被部分反射和部分透射。玻璃表面反射的光与从抗反射层反射的光相干涉（建设性和破坏性）。抗反射层的折射率与玻璃和周围介质（空气）的折射率不同。当光波穿过抗反射层和玻璃表面时，大部分光线（取决于入射角度，在光学显微镜中通常垂直于透镜）最终会透过玻璃并聚焦形成图像。

尽管大多数显微镜制造商现在都用自己的专利配方生产，氟化镁仍是用于制作光学抗反射薄涂层的众多材料之一。其总体效果是显著提高对比度和可见光波长的透射率，同时对透射带以外的谐波相关频率产生破坏性干扰。这些专用涂层很容易因处理不当而损坏，显微镜专家应注意这一弱点。多层抗反射涂层的色调略带绿色，而单层涂层的色调略带紫色。用于内部透镜的抗反射涂层表层通常比用于保护外部透镜表面的相应涂层要柔软得多。在清洁镀有薄膜的光学表面时应格外小心，尤其是在显微镜已经拆卸并且内部透镜元件需要仔细检查的情况下。

透镜系统的焦距定义为从透镜中心到光轴上平行光线聚焦点（通常称为主焦点）的距离。与主焦点垂直的假想平面称为透镜系统的焦平面。每个透镜都有两个主焦点，分别对应进入两侧的光线，一个在前，一个在后。按照惯例，靠近前透镜元件的物镜焦平面称为前焦平面，位于物镜后面的焦平面称为后焦平面。后焦平面的实际位置因物镜结构而异，但对于高放大倍率物镜而言，一般位于物镜筒内的某处。低放大倍率物镜的后焦平面通常在镜筒外，位于螺纹区或显微镜物镜转换器内。

光线通过物镜时，会受到物镜后孔径或出瞳的限制。低放大倍率物镜的此孔径直径在12毫米之间，高倍复消色差物镜的则在5毫米左右。对于依靠物镜同时充当成像系统和聚光镜的外延照明应用来说，孔径大小极为关键，因为在这种应用中，出瞳也会成为入瞳。光源图像必须完全充满物镜后孔，才能在整个视场产生均匀的照明。如果光源图像小于后孔，视场就会因照明不均而产生渐晕。另一方面，如果光源图像大于后孔，一些光线就无法进入物镜，照明强度就会降低。

总之，19世纪80年代后期，Ernst Abbe与Carl Zeiss和Otto Schott合作，最早开发出了复消色差物镜和补偿目镜，这开创了高品质显微镜物镜的先河。20世纪30年代后期，Hans Boegehold（蔡司）制造出了第一台平场消色差和平场复消色差物镜，这是物镜设计领域的又一重大进步。最近，Zenji Wahimoto（尼康）和Horst Riesenberg（蔡司）开发的“无铬”(CF)光学技术引发了显微镜物镜设计的新革命。

现今生产的许多显微镜物镜，只要选择合适的物镜并正确使用，都能实现相当低的像差和很少的其他瑕疵。不过，显微镜学家需要注意的是，无法打造完美无瑕的物镜，而是要根据预期用途、物理尺寸限制和价格范围来设计满足特定规格要求的物镜。因此，物镜对色差和球差、视场大小和平整度、透射波长、荧光自由度、双折射以及其他导致背景噪声的因素都有不同程度的校正。此外，它们还会被设计用于某些限定条件，例如特定的镜筒长度和镜筒透镜、浸入介质和盖玻片的类型和厚度、波长范围、视场大小、目镜类型和特殊聚光器。光学显微镜的最终目标是提供有用的放大倍率，能够细致观察微小的标本，从而揭示隐藏在看不见的物体中的世界。