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奥林巴斯显微镜:什么是无限远光学系统?

2013-10-16  发布者:admin 

在过去的10年中,主要的显微镜制造商基本上都迁移到无限远校正光学系统的研究级的生物医学和工业显微镜的利率。在这些系统中的图像距离被设置为无穷大,和一个管(或telan)透镜策略性地放置在物镜和目镜(视觉)产生的中间图像内的管体之间。

infinity figure1

无限远光学系统允许引进辅助成分,如微分干涉相差(DIC)的棱镜,偏振器,和落射荧光光源,只有很小影响焦点和像差校正之间的物镜和管透镜成并行的光学路径。旧版有限的,或固定的管的长度,显微镜从物镜转盘开始,其中的物镜筒被固定,在目镜管眼用座有一个指定的距离。这个距离被称为在显微镜的机械管长度。本设计假定,当试样被放置在焦点,它是几微米比物镜的前焦平面较远。在19世纪的皇家显微学会(RMS)有限管长度在160毫米标准化,并得到广泛接受超过100年。此值在管上刻有设计用于具有160毫米的管长度用显微镜的物镜。

添加到一个固定的管的长度显微镜的光路中的光学配件,增加了有效的管长度一个值大于160毫米。出于这个原因,另外一个垂直的反射光照明器,偏振的中间阶段,或类似的附件可以引入到出一个理想的校正光学系统的球面像差。在此期间大多数显微镜固定管长度,制造商被迫附加额外的光学元件,这些配件重新建立有效的管160毫米长的显微镜系统。这一行动的成本往往倍率的增加,并减少了由此产生的图像中的光强度。

一些反射光系统也阻碍了“重影”,出现的结果会聚的光线,通过分光器。在试图规避所带来的另外的辅助光学元件的工件中,德国显微镜制造商Reichert首创无限远光学系统的概念。该公司开始尝试无限远校正光学系统,早在20世纪30年代尾随其后的莱卡和蔡司,但并没有成为这些光学与大多数厂家的标准设备,直到20世纪80年代。

无穷远校正的显微镜中管子的长度被称为基准焦距和范围在160至200毫米之间,取决于制造商的(见表1)。在无限系统的光学像差校正完成通过管透镜或物镜。剩余无穷远物镜横向色差,可以方便地补偿仔细的管式镜头设计,但一些厂商,包括尼康,选择正确的球形和色差物镜本身。这可能是因为专有的新型玻璃配方,具有极低的分散体的发展。还有其他一些制造商(值得注意的是,蔡司ICS系统)利用相结合的管镜头和物镜修正。

无限远光学系统参数

生产厂家

管镜焦距(毫米)

齐焦距离(毫米)

螺纹类型

Leica

200

45

M25

Nikon

200

60

M25

Olympus

180

45

RMS

Zeiss

165

45

RMS

 

 

列于表1的规格,包括管透镜的焦距,齐焦距离和物镜的螺纹类型,无限远校正显微镜的主要制造商提供。虽然这两个徕卡和尼康使用的管的长度为200毫米和25毫米的一个物镜的螺纹尺寸,物镜共焦距是显着更大的尼康CFI60系统。奥林巴斯蔡司使用更短管透镜的焦距(分别为180毫米和165毫米),但两家公司有标准化的物镜螺纹尺寸和坚持一个齐焦长度为45毫米。

在一个固定管长度的有限光学系统,物镜的光通过朝向中间像平面(位于目镜的前焦平面)和在该点的收敛,发生建设性的和破坏性的干扰,以产生图像(图图2(a))。情况是相当不同的无限远校正光学系统,其中物镜产生成象在无穷远(通常简称为无穷大空间,图2(b)),正被聚焦在中间图像平面的平行光的波列管透镜。应该指出的是,设计用于无限远校正的显微镜物镜通常是不可互换的,与用于与一个有限的(160或170毫米)光管长度显微镜,反之亦然。使用时,在一个有限的显微镜系统由于缺乏的管透镜​​,无穷远镜头遭受增强的球面像差。然而,在某些情况下,它是可能的,利用有限的物镜在无限远校正的显微镜,但有一些缺点。数值孔径的有限物镜受到损害时,它们被用于与无穷大系统,从而导致降低的分辨率。此外,齐焦丢失有限和无穷物镜之间使用时,在同一系统中。有限物镜的工作距离和放大倍率也将被降低时,它们所使用的具有管透镜显微镜。

正如上面提到的,无穷大系统的基本的光学元件的目的,管透镜和目镜。正如图2(b)中所示,位于试样的前焦面的物镜,该集从试样的中央部透过或反射的光,并产生一个沿着光轴的平行射线束投影朝向管透镜显微镜。甲的光的一部分到达物镜源自的检体的外周,并进入所述光学系统,在倾斜的角度,推进对角线(但仍然在平行束)朝向管透镜。由管透镜收集的所有的光聚焦在中间像平面中,并随后由目镜放大。

infinity figure2

管的物镜和透镜一起形成结合的物镜系统,在一个有限的距离内的显微镜管产生一个中间图像。管透镜的位置相对于物镜是首要关心的问题,设计时,无限远校正的显微镜。物镜和管透镜(无穷大的空间)之间的区域提供到复杂的光学元件可以被放置的引入的球面像差或修改的物镜工作距离的情况下,平行光线的路径。事实上,一个匹配的集合中的不同的物镜之间的齐焦可以保持与无限远校正的显微镜,即使当被添加到一个或两个辅助组件的光路。另一个主要的好处是,可被设计成产生一个精确的1倍的放大倍数值,而无需改变物镜之间的对准和管透镜配件。此功能允许使用几个光学技术的组合,如相位与荧光(单独或同时)的对比度或DIC的标本比较。这是可能的,因为光学配件放入一组平行的光波不移位的位置(无论是横向或轴向),也不影响图像的焦点。

如果管透镜位于非常接近物镜,可用于辅助光学元件的空间量是有限的。然而,有一个上限的光学部件的数量,可以位于管透镜和物镜之间的约束内的现代显微镜设计。名次太多从客观的管透镜​​的数量减少周光波由透镜收集,得到的在已变暗或模糊的边缘的图像,和减少显微镜的性能。应当强调的是,术语无限远光学系统是指通过物镜后的磁通平行的右射线生产,而不是一个无限的空间是可用的内部的显微镜。为了最大限度地提高显微镜的配置的灵活性,同时保持高的性能,它是要优化物镜之间的距离,管透镜。

infinity figure3

由无限远校正物镜产生的倍率计算除以基准焦距(管长)由物镜的焦距。管透镜的焦距增加,中间图像平面的距离也增加,从而导致较长的整体的管长度。在200毫米和250毫米之间的管的长度被认为是最佳的,因为较长的焦距,将产生一个较小的离轴角为对角线光线,降低了系统的工件。较长的管长度也增加了系统的灵活性方面的设计的附件组件。

比较,具有一个160毫米和200毫米的管透镜的焦距(图3)的系统时,较长的管透镜焦距的优点变得明显。减少离轴对角线波磁通角的时间越长焦距光学系统的可以接近一个显着的百分比。减少的角度倾斜的光线产生的相对较小的移位,通过辅助部件(DIC棱镜,相位环,分色镜等),从而提高了效率,在显微镜上的轴和离轴光线。戏剧增强对比度水平观察到与外延荧光光源在无限远校正系统被归因于较长的管透镜的焦距的光学优点。与无限远光学显微镜图像观察到的改善的一个例子提出了在图4中示出了老鼠肠薄膜部与三个荧光染料标记。显微照片记录了尼康的Eclipse E600利用CFI6020倍油浸物镜的数值孔径0.75,同步运行,微分干涉对比和落射荧光模式。

infinity figure4

无穷大系统相比,旧的固定管长度系统,以保持相同的放大倍率的物镜焦距必须增加。所有的显微镜制造商,使用一个共焦距为45毫米,多年与有限的管长度系统,但是这可能是不足的高性能无限远校正光学系统。例如,可以有计划复消色差60倍油浸物镜(有限表现最好的目标之一)超过10个单独的镜头元素和组,在一个非常紧密的配合为物镜限制在一个共焦距为45毫米。无限远系统所取代,被细分成一个单独的物镜(与一个更大的一些光学元件)和管透镜时,管透镜的焦距变得相当于约150毫米。为了满足全光潜力无穷大系统,物镜的齐焦距离必须管镜头焦距相匹配。因此,对于一个200毫米的焦距,最佳的齐焦距离为60毫米,15毫米的超过旧标准长度的。

onger物镜焦距无限远光学系统中使用的要求,以配合相应较大的工作距离。增加齐焦距离物镜是最重要的,实现了显着的工作距离的增加,尤其是对于低倍率物镜。 1x的物镜,例如,所使用的公式来计算放大倍数为无限远校正系统,决定作为管透镜,物镜焦距应该是相同的。用200毫米的管透镜的焦距在一个系统中,这将需要一个较长的共焦距,以便使用这种低倍率的一个目的。计算表明,低至0.5倍的倍率,可以得到具有200毫米的管透镜焦距,但较短的焦距限制值略高于的1x的范围内的最小的物镜放大倍率。

另一个要考虑的是,这也必须增加,低倍率的物镜以获得最佳性能与具有长管透镜焦距的光学系统的物镜瞳孔直径。 RMS标准物镜螺纹尺寸,20.32毫米,限制了有效的瞳孔直径和最大可达到物镜,使装备的数值孔径。为了产生更高的数值孔径时长管镜头的焦段都被利用,物镜螺纹尺寸必须增加。必要,以实现所需的数值孔径的有效的出射光瞳直径(D)由下式表示:

D = 2NA × f

其中,NA是数值孔径,f是物镜的焦距。因此,对于具有一个2x复消色差物镜的焦距为100毫米(利用200毫米焦距管透镜)的数值孔径为0.10,必要的出射光瞳直径(D)为20毫米。很显然,一个较小的物镜螺纹尺寸限制物镜的数值孔径,放大倍数低于10倍时,无限远光学系统设计。增加高于200毫米的管长度需要一个更大的物镜出射光瞳的大小,使这样的一个限制因素,在设计的无穷远校正的显微镜。