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奥林巴斯显微镜,普通光学透镜系统的缺陷(畸变)

2013-10-16  发布者:admin 

显微镜等光学仪器的透镜扭曲的形象的错误产生的球面透镜表面的几何形状的缺陷(通常称为“像差”)与由各种机制所困扰。有三个主要的来源的非理想透镜作用(错误),在显微镜观察。

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透镜错误的三个主要类别,与波阵面,并相对于焦平面的显微镜的光学轴的方向。这些包括色差球面像差的光轴上透镜的错误,主要离轴彗差像散表现为错误,和像场弯曲第三类的像差,在立体显微镜的变焦透镜系统,常见的是,其中包括两个桶形畸变和枕形失真的几何失真

在一般情况下,在显微镜的光学像差的最终效果是在微小的功能和标本的细节被观察的图像,或数字记录,可诱发故障。在显微镜的镜头文物首次讨论在18世纪时伦敦仪器制造商约翰多隆德发现,使用两种不同类型的玻璃在制造镜片的组合可以减少或消除色差。几十年后,在十九世纪,消色差(色差)具有高数值孔径的目标发展,但仍然有与镜头的几何失真问题。现代玻璃配方以及抗反射涂层,加上先进的研磨和制造技术,几乎已经消除了大部分从今天的显微镜物镜的畸变。然而,仔细注意必须支付这些文物,尤其是当进行高倍率数码显微镜或工作时,变焦镜头系统与立体显微镜。

色差 -一个球面透镜中观察到的最常见的故障,会发生色差,因为镜片的折射白光中的各种颜色的波长以不同的角度(参见图1)。红色光作为绿色或蓝色的光在相同的角度折射,所以透镜的光轴上的焦点远离红色光透镜。同样,绿色光聚焦到透镜比红色光,蓝色的光被聚焦在一个平面上的透镜是最接近。这种现象就是通常所说的作为分散体,并发生在一定程度上在所有球形透镜元件。的镜头不能把所有的颜色略有不同的图像大小和焦点的三个主要波长组到一个共同的焦平面结果。其结果是一个彩色条纹或,晕色变化为着力点的客观图像周围是多种多样的。

 

色差复合工件的图像放大倍率的差异而发生的结果为每个颜色组的不同的焦平面,这种效应被称为倍率色差这种类型的像差的,可显着减少或消除,通过使具有不同的颜色分散性的单个元素组成的化合物镜片。现在各种各样的光学眼镜镜头设计师。例如,冕牌玻璃的色散特性,使得它可以火石玻璃元件,以产生一个消色差双合透镜系统,蓝色和红色波长集中在同一图像中平面的透镜双峰配对更复杂的玻璃公式和形状的光学系统的其他细化可以进一步减少色差。

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球面像差 -一个潜在的严重神器显微镜所产生的图像上,可以有严重的后果,球面像差是使用镜片具有球面,这是目前唯一可行的办法,镜头设计的结果。时发生的球面像差的透镜的外周通过光波没有带入确切的重点,与通过的中心(参见图2),例如,使用单色红光。其结果是,不存在一个明确的图像平面,试样不能正确聚焦。作为一个例子,一个点光源的出现作为一个耀眼的光环所包围或一系列的衍射环斑显微镜时,被带进其“最好”的重点。复杂的试样,有一个显着的厚度通常很模糊,无法识别,尤其是在视场的周边。

校正球面像差的光学系统(如显微镜)通常是通过利用具有不同的厚度,胶合在一起,以形成一个复合透镜组的正,负透镜元件的组合球差透镜的分辨率是非常重要的,因为它们会影响点沿着光轴重合成像透镜的性能,这将严重影响试样的锐度和清晰度降低。在这些透镜的缺陷常常可以减少通过限制从曝露在光线中使用的隔膜,并且还通过利用非球面透镜表面的光学系统内的透镜的外边缘。

最高质量的现代显微镜物镜解决了一些方法,其中包括特殊镜头的研磨技术,提高了玻璃的配方,并更好地控制光学路径中的球面像差。高度为球面像差校正的目标,这些目标的设计通常是为特定的条件,如严格的护罩玻璃的厚度限制,浸油,和窄的折射率公差。可调校正铤一些高干燥无油的玻璃盖厚度变化的目标。显微镜运营商应仔细研读专门的目标没有出台一定的球面像差由于利用的客观条件下,它不是设计的基本要求。

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彗差 -在许多方面类似球面像差,彗差普遍遇到与离轴光线和显微镜是最严重的时候是正确对齐。像差彗星尾巴的形状非常相似,被命名为是表现出现源于一个聚焦点在外围视光连胜。昏迷通常被认为是最棘手的像差的不对称,它产生的图像。这也是一个证明的最简单的像差。例如,在一个明亮的,阳光明媚的日子,当一个放大镜是用来将图像聚焦在人行道上的太阳,彗差,可以看到从太阳时,影像中的放大镜就主光线倾斜。太阳的影像,投射到混凝土时,将拉长到类似彗星的形状,彗差的特点。

 

独特的形状由患彗形像差的图像显示,是通过各种透镜区的入射角变得更斜的光线折射差异(离轴)的结果。彗形像差的严重程度是薄透镜的形状的函数。在极端情况下,在子午光线通过的透镜的外周,以计算接近的轴比的光线通过透镜的中心部(和更接近主光线的像面的彗差的结果,如图所示3)。在这种情况下,外围光线产生最小的影像,被说成是负的彗形像差相反,当外围光线集中,越往下轴中产生更大的图像,像差被称为阳性“彗星”的形状可以具有它的“尾巴”指向的视场的中心或相差,根据像差是否具有正值或负值。彗形像差的程度更大更大光圈的镜头,可以被纠正(部分)通过降低孔径尺寸。显微镜设计人员通常试图校正彗形像差,对于一个给定的目标和目镜组合,以容纳直径的对象的字段。

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散光 -散光像差是类似于慧差,然而,该工件是孔径大小不敏感,更强烈地依赖于光束的倾斜角的。表现的试样点的图像显示为一条线或椭圆形,而不是一个离散点由离轴像差。根据离轴光线进入镜头的角度,线阵图像可能会被定向在任何两个不同的方向(参见图4),切线方向(经向)或了得sagitally的(赤道)。单位图像的强度比,定义,细节会减弱,并失去了作为离中心的距离增加对比度。

在不太昂贵的显微镜,散光往往是由于非对称透镜曲率透镜的制造或安装不当,在其框架内定向的客观桶失误的结果。通常,散光透镜错误校正的显微镜物镜设计,提供精确的单个透镜元件的间距,以及适当的透镜的形状和折射率。小心校准和调节的单个透镜元件是通过带隔片和垫片,以减少或消除散光的影响。

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场曲 -也通常被称为像场弯曲,这种像差,这是自然的结果,采用曲面镜头,是非常熟悉的许多经验丰富的显微镜。光被聚焦时,通过一个弯曲的透镜,该透镜所产生的像面弯曲的,如在图5中示出。的图像可以聚焦点之间的范围内,以产生清晰的聚焦的边缘上,或在中心。归类为离轴像差,像 ​​场弯曲产生具有的形状的凹的球形表面(类似凸透镜表面),从客观的图像平面。虽然连续区可以成为关注的焦点,通过翻译的目标,整个图像不能同时聚焦到一个平面上,如薄膜平面或CCD或CMOS图像传感器的表面。

 

光学设计师专门设计的平场物镜中的物镜加入纠正镜片处理场曲虽然像场弯曲的光学矫正需要加入一些新的镜片的设计,这些物镜(称为平场)是在今天使用的最常见的类型的物镜。像场弯曲是很少完全消除,但它往往是很难检测到的边缘的曲率与大多数平场校正物镜。其结果是,像场弯曲的非常有限的程度的通常不降解的显微照片或数字图像。神器是在低倍率,更严重的,可能是一个严重的问题,立体显微镜。

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几何失真 -图像失真的像差通常在立体显微镜观察,在外形上的变化,而 ​​不是一个图像的锐度或彩色光谱表现。最普遍的两种类型的几何失真,正面和负面的(通常被称为枕状和桶状,分别),往往能非常清晰的图像,否则为球形和色差,以及慧差和散光纠正。当图像遭受的失真,真实的几何形状的试样不再保持在图像中。图6所示的例子相当明显的枕形失真和桶形失真,在图像的计算机微处理器集成电路。

几何失真,很难检测到,特别是当其像差相对轻微和试样缺乏周期性结构。这种类型的神器是最严重的标本中,有直线,如定期电网,正方形,矩形或其他正多边形功能,随时显示曲度存在失真。失真经常被发现在光学设计,采用复合透镜系统(鱼眼,长焦,变焦)含半月板,凹,半球形,和厚厚的凸透镜。复杂的透镜系统,如放大的设计,可以有相当明显的失真,这可能会随焦距,生产长焦距和短焦距的桶形畸变的枕形畸变。出于这个原因,经典的立体变焦显微镜有一个显着的量的失真度和显微镜制造商已经花费了相当大的努力缓解这一像差。