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奥林巴斯显微镜:光学像差的概念

2013-10-16  发布者:admin 

 在现代光学显微镜的镜头错误是一个不幸的文物所产生的光与玻璃镜片所造成的问题。 有两个主要的原因,非理想的透镜作用 : 几何或球面像差的透镜和用于获得高斯透镜方程近似;及像差,从可见光中发现的频率的宽范围的折射率的变化而产生的球面性质有关。

 

diaphragm

在一般情况下,光学像差的影响的是诱导被通过显微镜观察到的图像中的故障的功能。 在图1中示出,其中蓝色边缘的边缘处的视场光阑图像由于色差色差台下聚光。 这些文物被首次提到在18世纪时物理学家John Dollond发现,将减少色差或更正结合使用两种不同类型的玻璃镜片制造的。 后来,在19世纪,高消色差物镜数值孔径的发展,虽然仍有几何问题的镜头。 现代玻璃配方和防反射涂层,先进的研磨和制造技术,完全消除从今天的显微镜物镜的畸变,但是,要小心注意必须支付这些影响,尤其是当进行定量高倍率视频显微镜和显微摄影。


球面像差 -这些工件发生光波通过的透镜的外周时不带入焦点与那些,如在图2中示出通过中心。 波浪通过透镜中心的附近只有轻微折射,而传递的外围附近的波被折射在更大的程度,从而在生产的不同的焦点沿着光轴。 这是一个最严重的分辨率文物,因为图像的样本分布,而不是大家关注的焦点。

spherical1


 

图2示出了夸大的三个假设的单色光线通过凸透镜视图。 外围光线的折射最大其次由那些在中间,然后在中心的光线。 折射最外面的光线的焦点(画焦点1)发生在前面的联络点产生的光线经过近的镜头(重点2和3)的中心。 出现这种差异在重点从各自的角度提出的高斯镜头的球面折射面方程等价的正弦和 ​​正切值的近似值

 

N / S + N'/ S'=(N'-N)/ R
 

其中n和n'表示空气和玻璃,其特征在于该透镜的折射率分别,s和s'的对象和图像的距离,  r是在透镜的曲率半径。 此表达式确定透镜具有夹着介质的折射率n和n'的半径 r的弯曲表面形成的图像的相对位置。 这个方程通常被称为甲细化为更高阶的(第一,第二,或第三个)的校正包括在多维数据集在一个更精确的计算所导致的孔径角的条款。
 

球面像差的镜头的分辨率而言是非常重要的,因为它们影响的点沿着光轴重合成像和降解的透镜的性能,这将严重影响试样的锐度和清晰度。 这些透镜的缺陷,可以减少通过限制从暴露于光的镜头使用隔膜和利用系统内的非球面透镜表面的外边缘。 最高质量的解决现代显微镜物镜球面像差的方法,包括特殊的透镜的研磨技术,改进的玻璃的配方,和更好地控制光学路径在一个数量。
 

色像差 -这种类型的光学缺陷的事实的结果,白色光的许多波长组成。 当白光穿过一个凸透镜,折射组件波长根据它们的频率。 蓝色光被折射到其次是绿色和红色的光的最大程度,这种现象通常称为作为分散 。 的镜头不能把所有的颜色略有不同的图像大小和焦点为每个主要的波长组成共同关注的焦点。 这导致周围的图像,如在下面的图3中示出的彩色条纹

 

chromatic1


 

我们已经大大夸大白光元件波长的折射特性的差异。 这被描述为白色光的组件的折射率的分散液。 折射系数是光在真空中的速度相比,其速度在介质中(如玻璃)的比率。 对于所有实际目的,光在空气中的速度是光在真空中的速度几乎相同。 在图3中可以看出,每个波长的镜头的光轴上形成其自身的独立的联络点,称为轴向纵向色差的效果。 这个镜头错误的最终结果是形象的一个点,在白光环绕的色彩搭配。 例如,如果你要集中在“蓝面”,形象点环绕与其他颜色的光,在外面的环用红色。 同样,如果你是一个点集中在“红面”,形象点环绕的绿色和蓝色。
 

色差是很常见的单超薄镜片采用经典的镜头制造商的公式 ,涉及的标本和图像的距离近轴光线。 对于一个单一的具有折射率 n和半径的曲率半径r(1)和r(2)的材料与制作的薄透镜,我们可以写出以下等式
 

1/s + 1/s' = (n-1)(1/r(1)-1/r(2))
 

其中,s和s'被定义为对象和图像的距离,分别。 在球面透镜的情况下,焦距(f)是用于并行传入射线的图像距离定义为
 

1/f = 1/s + 1/s
 

焦距 f的光的波长而变化,如在图3中示出。 这种变化可以通过使用胶合在一起的具有不同光学性质的两个透镜部分校正。 后者的一部分,18世纪的第一次尝试在镜头校正时Dollond, Lister和其他设计方法,以减少纵向色差。 通过结合冕牌玻璃火石玻璃 (每个类型具有不同的折射率的分散体),他们成功地使蓝色光线和红色的光线以一个共同的焦点,接近但不相同的光线与绿色。 此组合被称为透镜双重峰,其中每个透镜具有不同的折射率和分散性能。 镜头的双峰也被称为消色差透镜消色差透镜 ,来自希腊文“一”的含义和“色度”,意思是颜色不。 这个简单的校正形式允许在蓝色区域在486纳米和656纳米到现在重合在红色区域的图像点。 这是最广泛使用的透镜和通常对实验室显微镜发现。物镜,不进行特殊的铭文说明,否则可能会消色差透镜。 消色差常规实验室使用,是理想的物镜,但因为他们不纠正所有的颜色,无色标本的细节可能会显示,白光,淡绿色在最佳聚焦(所谓的二次光谱 )。 一个简单的消色差透镜在下面的图4所示。

 

achromatdoublet


 

在该图中可以看出,透镜厚度,曲率,折射率,和分散的适当的组合允许双重减少色差,通过使两个波长组到一个共同的焦平面。 如果萤石引入用于制造透镜的玻璃配方,那么三种颜色红,绿,和蓝色可以带入一个焦点,从而可以忽略不计的量的色差。 这些镜头被称为复消色差透镜,并用它们来构建非常高品质的色差物镜。 现代显微镜利用这个概念,今天是很常见的的光学镜头三胞胎 (图5),有三个镜片胶合在一起,特别是在高品质的物镜。 色像差校正中,一个典型的10倍的消色差透镜显微镜物镜是建立与两个透镜双峰,如在图5中所示,在左边。 对图5中的右侧示出的复消色差透镜物镜包含两个透镜的双峰和透镜三重峰为高级色差和球面像差的校正。

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著名的德国镜头制造商恩斯特·阿贝是第一个成功地在19世纪后期的复消色差物镜。 由于阿贝,在设计上的原因,没有完成所有的色差校正自己的物镜,他选择了一些通过目镜校正完成,因此长期补偿目镜 。
 

除了纵向(或轴向)色像差校正,显微镜的物镜,也表现出另一个色缺陷。 即使当所有三个主要的颜色被带到相同的焦平面沿轴向(如在萤石和复消色差物镜),点的视场的外周附近的细节的图像是不相同的大小。 会出现这种情况,因为离轴射线通量被分散,从而导致组件波长在不同的高度的图像平面上形成图像。例如,蓝色图像的细节是稍大于绿色的图像或白色光中的红色图像,导致试样细节的视场的外区域的颜色振铃。 因此,轴向焦距的依赖于波长,以及产生的依赖于波长的横向倍率。 这一缺陷被称为横向色差倍率色差 。 当用白光照射时,横向色差的镜头,会产生一系列不同大小和颜色的重叠图像。
 

在具有有限的管长度的显微镜,它是补偿的目镜,与倍率色差的正好相反的物镜,这是用来校正横向色差。因为这个缺陷也发现在高放大倍率的消色差透镜,补偿目镜经常使用这样的物镜。 事实上,许多制造商设计自己的消色差透镜一个标准的横向色差错误,使用补偿目镜他们所有的物镜。 这样的目镜经常携带的题词K或 C或Compens。 其结果是,补偿目镜有内置的横向色差误差都没有,在本身,完全纠正。 在1976年,尼康推出了CF光学镜头,如果没有援助,从目镜横向色差纠正。 较新的无限远校正的显微镜处理这个问题,通过引入到管透镜,用于从物镜发出的光形成的中间图像的固定量的横向色差。
 

有趣的是,要注意,人眼具有大量的色差。 幸运的是,我们能够弥补此工件时,大脑处理图像,但它有可能证明使用一个小紫点上一张纸的像差。 靠近眼睛时,会出现蓝紫色的圆点的红色光环包围的中心。 由于纸张移动距离越远,点会出现红色的蓝色的光晕包围。
 

虽然显微镜制造商耗费了相当多的资源,以产生的球面像差的物镜,这是可以为用户无意中引入此神器成良好的校正光学系统。 通过利用与油浸物镜或通过引入类似折射率不匹配的错误安装的介质(如活组织或细胞在含水环境中),显微镜可以经常会产生球面像差工件在其他方面健康的显微镜。 此外,当使用高倍率,高数值孔径干燥物镜,正确的厚度的玻璃盖(建议0.17毫米)是至关重要的,因此对这些物镜校正环列入启用不正确的护罩玻璃厚度的调整,如下面的图6所示。 物镜已调整为在左侧的盖玻璃的厚度为0.20mm,通过使透镜元件的校正铤靠得更近。 通过移动透镜元件在另一个极端(图6中的右侧)的物镜相距甚远,客观上校正的盖玻璃厚度为0.13mm。 同样,有限管长度的物镜的光路中的插入配件当试样重新聚焦,除非这样的配件已经适当地与额外的光学设计时,可能引入像差。 

 

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不同的质量物镜不同,在如何以及他们带来的各种颜色,以共同关注的焦点,同样大小的整个视野。 之间的消色差和复消色差型校正,也有被称为半apochromats物镜,或相当容易混淆,为萤石。 萤石成本较低,但几乎一样的apochromats校正,这样一来,他们通常也非常适合显微摄影白光。
 

其他几何像差 -其中包括各种影响,包括像散 , 场曲 ,和彗形像差 ,很容易纠正与正确的镜片制造。 场弯曲的话题已经在前面的章节中详细讨论。 彗形像差,球面像差类似,但它们仅与离轴对象遇到,最严重时,显微镜是满分对齐。 在这种情况下,图像的一个点是不对称的,导致的彗星(因此,术语彗差)等的形状。 昏迷通常被认为是最容易出问题的不对称它产生的图像中的像差。 这也是一个最简单的畸变证明。 在一个阳光明媚的一天,用放大镜集中在人行道上,阳光的形象,主要来自太阳的光线,微微翘起的玻璃。 太阳的影像,投射到具体的时,将拉长成彗星状的彗形像差的特点。
 

彗形像差的图像显示的独特的形状,是由光线通过的各种透镜区作为入射角的增加的折射率差异的结果。 彗形像差的严重程度是薄的透镜形状的函数,在另一个极端,使通过的外周的镜头的子午光线到达图像平面接近的轴线比射线更靠近轴传递接近本金射线(参见图7)。 在这种情况下的周射线产生最小的图像和所述彗形像差的符号为 。 与此相反,当的周射线集中进一步向下轴中产生更大的图像中,像差被称为阳性 。 “彗星”的形状可以具有它的“尾巴”的视场的中心指向或离开取决于彗差是否有一个正的或负的值。

 

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彗形像差通常是与球面像差,或通过设计各种形状的透镜元件,以消除这种错误校正。 物镜而设计的,得到了极好的图象,用于广泛的领域的视图目镜等,都必须使用专门设计的多元素光纤在管透镜的视场的外周,以避免这些工件校正彗差和像散。
 

散光像差彗形像差,但是这些文物是不敏感的光圈大小和依赖更强烈的光束的倾斜角度。 像差表现由离轴的试样点的图像的显示为一条线或椭圆形,而不是一个点。 根据的离轴光线进入镜头的角度上,线图像可以是在任一的两个不同的方向(图8),切线方向(经向)或矢状面(赤道)取向。 单位图像的强度比的定义,细节,将减弱,和对比度从中心的距离增加丢失。

 

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散光纠正错误通常是设计的物镜提供精确的间距各透镜元件以及适当的透镜的形状和折射指数。 往往是完成结合的校正场曲像差矫正散光。

来自我们的讨论光学像差,应该清楚的是有一些因素影响性能的光学元件内的显微镜。 在校正这些文物在最近几年出现了巨大的进步,设计师们仍然发现很难彻底清除或抑制所有的复杂与显微镜的光学问题。
 

特约作者

Mortimer Abramowitz  -奥林巴斯美国公司,两家企业的中心驱动器,梅尔维尔,纽约,11747。

Michael W. Davidson-国家强磁场实验室,佛罗里达州塔拉哈西佛罗里达州立大学博士,1800东狄拉克(Paul Dirac),32310。