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奥林巴斯显微镜:镜子的介绍

2013-10-16  发布者:admin 

镜子是被人利用,利用光的力量,也许是最古老的光学元件,甚至早于原油镜头。史前穴居迷住了他们的倒影在未受干扰的池塘和其他水体,但毫无疑问,直到埃及金字塔文物可以追溯到公元前1900年左右进行了检查,没有发现最早的人造镜。在希腊 - 罗马时期和中世纪镜由高度抛光的金属,如青铜,锡,银,塑造成微微凸起的磁盘,提供超过一千年的人类。

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而不是直到晚12或早期第十三世纪中使用玻璃与金属背衬的开发是为了寻找眼镜,但这种技术的细化了一个额外的几百年。由十六世纪,威尼斯工匠们制造英俊的镜子,从老式的一张平板玻璃涂上一层薄薄的水银锡汞齐(见图1)哥特式版本。在接下来的几百年中,德国和法国的专家开发制镜成了一门艺术,精工雕琢的镜子装饰的大厅,餐饮,生活,和卧室的欧洲贵族。

最后,在19世纪中叶,德国有机化学贾斯特斯冯李比希发明的方法的一个预蚀刻的玻璃表面上沉积金属银化学还原硝酸银的水溶液。这一发现早已既定镜业是一个重大的科技进步,并预示着一个新时代的镜子可以用玻璃制成的任何。现代的家用和商用的反射镜已经前进了一步,通常是由封闭在真空中溅射一层薄的铝或银的玻璃板的背面之上,而。科学和光学仪器需要更复杂的制造技术,包括真空蒸镀多层薄膜,专门的衬底材料,高精确度的抛光,极其精细的公差,和耐磨损的保护涂层。

光的反射的反射镜,一个固有的和重要的基本属性和定量的表面和入射表面,作为反射率已知的术语,反射的光的量之间的比率来衡量不同的设计和施工镜子在他们的反射率有很大的不同,与金属涂层的高抛光镜,反映了可见光和红外光的波长从近100%,几乎为零强烈吸收材料。

由反射镜形成的图像无论是真实的虚拟的,根据接近的对象的反射镜,并且相对于从任何特定的反射镜的几何形状的基础上计算的大小和位置,可以准确地预测。实时图像时形成的入射和反射光线相交在镜子前,而虚拟的图像出现在入射和反射光线的扩展收敛点镜子后面。平面(平面)的反射镜产生的虚拟图像,因为着力点,扩展所有入射光线相交的位置后面的反射面。

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无论是平面镜的前表面或后表面能够涂有一个合适的反射材料。普通的家用反射镜的后表面上涂覆保护玻璃的反射面,但通常设计的关键科学应用和光学系统的反射镜的前表面上涂覆,被称为第一表面反射镜。检查的对象的位置和距离的从反射镜表面(参见图2),可以由一个平面镜的成像特性。对于所有的平面反射镜,被定位的对象和虚拟图像的反射面的距离相等,服从反射定律(入射和反射光线的影响,并以相等的角度出现,从光轴)与个别光线。平面镜所产生的图像中的对象的大小等于出现的,是直立(右边朝上)。室内装饰往往利用平面镜的光学性能,以造成一种错觉,一个房间是它的实际大小的两倍。

正如图2中所示,一个观察者可视化镜子后面的位置的由所述反射镜反射的对象,因为眼睛的会聚点的反射光沿直线插值。通过检查反射,这是显而易见的,在对象唯一的变化是一个180度的左右旋转的平面的反射镜,效果逆转的图像通常被称为因此,一个非对称的对象的镜像,比如一个人的手,将反向的(实际上,左手的镜像,将显示为右手)。惯用左手的系统对象空间中的一个右手坐标系统的转换被称为反转,多个平面镜,可以被用来产生一个偶数或奇数的倒位数。

为了高效率地反射光的波,镜子表面必须在很长的范围内是完全光滑的,远远小于被反射的光的波长与缺陷。此要求适用于无论反射镜的形状,它可以是不规则的或弯曲的,除了常见的家庭中的平面镜表面。曲面镜被粗略地分为两类,凹面凸面,也被用来描述简单的薄透镜的几何形状的条款的。用镜子,弯曲表面为凹面或凸面的,取决于是否发生的反射面的一侧或相反侧的曲率中心。

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虽然大多数的曲面反射镜作为一个球体的表面的一部分的形状,其表面也可以是圆筒形,抛物面,椭圆面,双曲面(见图3),具有非球面几何形状或其他形式在一般情况下,球面反射镜产生放大或缩小的图像,这取决于他们是否是凹或凸。作为一个例子,在汽车上的凸后视镜产生全景图像的缩小的尺寸,而凹妆镜在下巴周围放大的脸的特征。圆柱反射镜的反射光线成线性的焦平面上的一个单一的轴具有减小的横向尺寸,椭圆面镜,其中有两个焦点,并作为反射器是有用的,从一个焦点的光线聚焦。相比之下,抛物面反射镜(类似于其他非球面例子)可以集中成平行光束的光点光源,反之亦然,而双曲面反射镜产生的焦点定位在对象的虚拟影像。其他镜的形状,包括棒和圆锥形,用于360度全方位照明,图像路径弯曲,激光应用。这些反射镜通常有较小的直径,使其理想用于大小的限制,如纤维内窥镜和内窥镜设备。许多非球面反射镜的几何形状是难以制造具有精确公差,并具有更大程度的像差,导致更高的成本,因此,实际应用较少。

球面反射镜

一个球形反射面的反射镜具有能够形成图像的方式类似的薄透镜或一个单一的折射表面,但没有随附的色差,往往伴随着透镜分散。出于这个原因,镜子偶尔雇用来代替复杂的光学仪器的镜头,但他们不能更换镜头元素,完全是因为其他镜像像差都比较困难,如果不是不可能的,纠正。定量描述镜子的几何光学不太复杂的比它的镜头,两人有很多共同特征。球面反射镜有一个明确定义的从球体的中心延伸,并形成直角的表面上的每一点的曲率半径。此外,通过从一个中心位置上的球面的曲率中心的画的线定义的主要的光学的轴的反射镜。

在近轴光线的入射的情况下的球面反射镜表面(平行于光轴的旅客),所有反射光线(或扩展)将收敛于一个共同的焦点,在前面或后面的镜子定位。被称为焦点之间的距离和反射镜表面的反射镜焦距为了保持一致的术语适于透镜,其焦距的凹面镜具有正值,而凸面镜是否定的。其结果是,会聚光线的反射镜,有正的焦距(类似于透镜)和发散光线有负面的焦距。此外,带镜头的术语,通过焦点的横向平面相一致的方式被称为焦平面,及反映在任何角度相对于光轴的平行光线会聚在焦平面内的一些焦点。

 

实验才能确定的位置球面反射镜产生图像,图形,或通过应用几何公式。图形化或射线追踪技术代表一种简单而常用的方法,用于确定由一个反射镜形成的图像的位置。图4展示的是平行光迹线表示的主光线和由一个凹部(图4(a)条)和凸起(图4(b))的反射镜形成的图像的位置。 主要射线是有用的,因为它们可以被绘制对象之间的连接的关键位置,形象,镜面的曲率中心,没有精确的角度测量和着力点。

红色,黄色和蓝色的散发出的光线从一个对象的最高点 P ,上面的绿色箭头的尖端)都反映了从图4(a)中的凹面反射镜的表面的共轭点(正被聚焦P' ),以形成一个真正的,小于对象的倒立像。的蓝色光射线行进平行于光轴的方向被反射之前,通过焦点(F)的共轭面(图像)。红色射线穿过的焦点,并反映在由所述反射镜的光轴平行的方向上。的最后的主光线,这是黄色,首先通过反射镜的曲率中心和撞击的角度垂直于前表面反射回到它自身上的反射镜上面。简单的薄透镜的光线追迹图的情况下,这三个主光线中的任何两个可以被用来定位的图像,出现在收敛点。第三射线,然后确认光线跟踪计划非常有用。

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一个凸镜的光线追迹图图4(b)中示出采用图4(a),具有相同的配色方案。来自绿色箭头的尖端(P),由所述反射镜表面反射的光线,产生偏离的共轭点(P' 扩展,形成一个直立的,后面的镜子的虚拟图像。在方式类似于在凹面镜图,蓝色的光行进的凸面反射镜的光轴平行,但现已反映在,就好像它源自的焦点(F的发散角通过延伸的蓝色光线通过镜子画的焦点。同样,黄色的光撞击在一个垂直的角度反射镜,并反射回到自身上,但产生的一个扩展,反射镜的曲率中心相交。红色射线,旅客之前,遇到反射镜的光轴的角度,被反射的轴线平行,并且还产生了一个扩展,通过焦点。

评论镜子光线追踪技术中,从对象,它是平行于光轴的光线通过焦点反射,平行于光轴的反射离轴光线通过的主要焦点。此外,射线撞击顶点以相等的角度从光轴(图中未示出),通过的曲率中心的光线被反射,被反射返回到自己。正如上面所讨论的主光线中,只有两个是必要的,以显示的图像的几何参数。通过检查相应的透镜式的折射率和厚度的若干假设,可衍生镜象方程。最根本的方程被称为镜像式的关系由下式给出:

1/ d 0 + 1/ d 1 = 1 / F

其中,D(0)是从反射镜表面的对象的距离,D(1)的图像和反射镜之间的距离,  f 为反射镜的焦距。至于镜头,焦距正面融合(凹)镜子和消极分歧(凸)镜子。当纳入光学系统的球面形状的凹部和凸镜使他们能够作为镜片的正反面分别。

由凸球面反射镜形成的图像的大小是依赖于有关的反射镜的焦点的对象的位置,但总是虚拟的,直立的,和小于对象的图像。与此相反,在凹球面反射镜的曲率中心位置的对象超出形成了一个真实的图像之间的联络点的曲率中心。当对象被移动到与曲率中心重合,凹面反射镜形成的实像中的对象的大小等于,但是是反向的。即使移动更接近表面,该对象形成的图像的反转,比它还大。在半反射镜,它的曲率中心(镜子的焦点)之间的一个点上,从物体反射光成为平行和不形成图像(镜子充满了不能识别的模糊)。如果对象被移动接近的焦点和镜子之间,反射光线发散,形成一个直立的,大于对象的虚拟图像。最后,当对象靠在镜面,虚拟图像再次成为对象的大小相同。

 

镜面光线追迹图,例如图4中的例子,是专门设计用于简单的超薄镜片遵循相同的约定。例如,测量距离从左边到右边是积极的,反之亦然。入射光被吸引,因此他们的旅行由左到右,而反射光线由右至左旅游。A线垂直于光轴的方向和切线的反射面的中心(称为顶点),可以得出从测量图像,对象,聚焦点,和曲率的距离作为参考。按照这些基本规则,对于大多数镜子的光学参数确定和与透镜元件可能共享在光学系统中的职责。

简单的凸面和凹面反射镜的非球面反射镜的设计的大部分行为类似于附近的光线的傍轴光焦度的区域(接近光轴)时,被认为是。事实上,许多镜子的形状可以考虑从球面反射镜在这方面基本上没有区别。然而,由于从中心轴线更远除去的光线进行检查,偏差开始出现新的,更具体地,存在几何关系的对象之间,图像和联络点。此外,光学像差的大小和严重程度往往不同于来自一个反射镜的设计,设计时利用这些反射镜的光学系统,这些都必须考虑到。

镜制备和涂层技术

任何未涂覆的表面的反射率依赖于折射率,入射角,入射光的偏振状态,以及所利用的材料的表面质量。非常适于生产的廉价的反射镜衬底包括一种经济的派热克斯耐热玻璃,硼硅酸盐玻璃的配方,表现出低的热膨胀系数和相对低的光学变形, 熔融石英是一种人工合成的制剂,通常采用建立坚固的激光反射镜,具有优良的热稳定性,宽带波长的传输,并且可以进行抛光以极其接近的公差,以尽量减少波前畸变和光散射。此外,开发的研究实验室,肖特微晶玻璃玻璃陶瓷具有的特点使这种材料为优质镜面制造一个出色的候选人。陶瓷是透明的,但有一个稍微偏黄,并具有极低的热膨胀。其他材料,如红外透明氟化钙,用于生产高能量的激光系统的关键镜。

的质量(光滑度)和光学表面的平整度是为特定应用设计反射镜时,要考虑的主要因素之一。当平面波阵面的镜面反射,在波的实际产生的失真的范围可以从一个半到的表面的平坦度的值的两倍。通常表示一个完美的平面衬底偏离多少不完善的大小范围的可见光的波长(550纳米)或波长馏分,可以被检测到的整个表面。将支持许多非关键应用中的一个或多个波长的大偏差,而更严格的应用中经常要求的表面偏离不超过波长的四分之一或更少。镜像表面平滑度是由测量的每单位面积的划痕麻点的数量,并表示为一比此值。因此,划痕/挖比为70/40适合低端应用,而所需的高性能激光光学成像系统和分析波前畸变的应用中,必须保持在一个最小值的比率为10/5。

的一面镜子,以进行热量的能力是重要的许多应用中。金属镜基板相差的光学系统比玻璃更有效地传导热量,但他们往往更难以制造专门的几何形状,通常添加到系统的多余的重量。轻金属,如铍,正在成为流行与设计师和热量是一个问题,需要僵硬镜在危急情况下,可以利用。许多较新的玻璃配方具有出色的热膨胀系数,并且适合于应用程序不遭受过多的热量问题。

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最简单和最常用的方法为用于生产镜镀膜涂上薄薄的金属层抛光的玻璃基板上通过真空蒸镀技术。选择(见图5)的金属包括银,铝,铜,金,铑。一般情况下,一个100纳米的铝或银层提供了一个极好的表面涂层的各种应用,但是更厚的涂层,在粗糙的表面,增加光的散射。铝可直接应用于玻璃,但镀铬层或其他中介机构必须用于黄金和其他金属。新鲜沉积的铝涂层在大部分的紫外线,可见光和近红外光谱区域(图5)显示约90%的反射率,而银产生相应的约95%的反射率在可见光和红外光,但是下降严重的紫外线。的金属反射镜的反射率可以按下列公式计算:

反射率(%)=((n - 1)2+ K2)/((n +1)2 + K2)×100

 

n)的金属涂层的折射率,k是摩尔消光系数。一般情况下,作为反射波长值增大到红外区域的折射率和消光系数也增大,导致反射率的增加。银是最合适的材料设计为在可见光区域的反射光的反射镜,但铝是更有效的紫外光。然而,由于到红外区域波长的增加,铝的反射率的降低,低于90%,这可以阻止,有几个反射镜的光学系统的性能。例如,在80%的反射率值,有六个反射镜系统将有只有26%的通过。铜和金是有用的,只有在长波长的可见光区和红外区(大于650纳米)(参见图5),而铑可用于跨越所有非关键应用,如家庭镜的光谱区域。

金属镜涂层中的一个严重的问题发生与形成氧化物(玷污)及其他存款时,薄膜的被暴露到大气中,这可能会导致反射镜的性能显着退化。为了保护精致的金属反射镜涂层,表面通常覆盖有介电外涂层,使反射镜的处理和清洁的,并提高耐久性,同时减少氧化物的形成。铝膜,可以得到保护的半波长厚的氧化硅层,以产生一个相对耐磨的表面。在某些情况下,具有交替的折射率值的一些介电层沉积在铝膜,以进一步提高反射率和增加外涂层的弹性。乘法通常被称为作为增强反射涂层的金属反射镜,并表示该类别的最先进的涂料。金及银膜也覆盖有单个或多个电介质氧化硅涂层,以产生与铝所观察到的结果相似。

介电镜涂料

一个典型的具有金属涂层的反射镜反映在紫外,可见和红外光谱区的入射光波的90%左右。为了提高这种性能,一些透明的介电材料层,如二氧化钛和二氧化硅(具有交替的高和低的折射率),可以施加到一个平滑的基板,产生被称为介质镜(参见图6 )。发生部分反射的入射光在各接口之间的介电层,产生光波相干(同相),可以增强建设性的干扰。其结果是高性能反射镜反射率可以达到接近100%的关键成像和激光应用。此外,绝缘涂料是远远比许多受保护的金属涂层更耐用。

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介质镜可以微调,以反映特定波长通过修整的各层的厚度,从而使产品的厚度和折射率等于四分之一的目标波长。这种类型的涂层被称为一个四分之一波长叠层反射器在大多数情况下,在堆栈中第一层和最后一层是由具有较高折射率材料,内部层之间交错的高和低的折射率。增加层的数量可以增加为特定波长的反射率,但往往会牺牲光谱带宽。另一个缺点是,介电反射镜往往是非常敏感的入射角的位置不正确时,可能会产生意想不到的平面偏振光。

有限反射光谱区,展出由介质镜一般归入其特定的应用程序的实用性。这些反射镜的一个共同任务是,以反映通过光学系统的光的频谱的一部分,同时传递一个选择的区域的波长。这种类型的后视镜被称为二色二色性反射镜,因为它们有效地分离的光分为两个不同的光谱区域。另一种流行的用于介质镜的反射激光束,作为激光谐振腔本身的一部分,或作为一个重要组成部分,使光束通过光学系统的列车。典型的介电反射镜,用于激光应用包括20至25的薄膜层,从而产生最大的反射率大于99.9%。

宽带介质反射镜,可以通过组合带通波长区域有重叠的两个四分之一波长堆叠。这些反射镜往往具有多达100交替的介电层,从而显着增加了成本和制造难度。然而,他们的表现是无与伦比的,并有99%以上在整个可见光光谱的反射率,可以产生非常耐用的多层介质镜。

多层介电反射镜,能够选择性地通过可见光的波长,而反射红外线被称为热反射镜这些反射镜,这是典型的制造成平板或凹反射器,是非常有用的投影和照明系统,通常遭受过多的热量所产生的高强度的灯。在红外区反射的波长带,增加扩展的热反射镜,一个高性能的版本的是标准的红外线反射介质镜。从由热或扩展的热反射镜的光学系统在一个单一的反射红外线的波长被拆掉。另外,红外线的波长可以通过热反射镜转移到散热更方便(如风扇单元或散热片)的区域中。相关反射镜的设计,同时发射红外反射可见光。称为冷反射镜,这些介电反射器可以被用来去除热量,将其传输通过反射镜光学系统。冷热镜是利用太阳能电池及红外太阳辐射保护宇航员太空服的头盔和护目镜。

面镜光学畸变

当近轴光线球形或非球面镜面反射,产生的图像是在大家关注的焦点。然而,光线收集所有分布式对象百分点和高度倾斜离轴光线往往会产生不同的联络点(取决于镜面几何)所造成的一些证据充分的文物被称为光学像差图7所示的这种现象是最常见的缺陷,球面像差,平行的入射光线,在从轴线的距离增加正被聚焦到镜子。当被放置在一个小屏幕上的傍轴光焦度的焦平面和然后朝镜子移动,达到一个点图像的大小聚焦到最低限度。这个区域被称为最小模糊圆

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球面像差,可以减少或消除由镜面设计的改变。例如,一个抛物面反射镜将产生类似的凹球面反射镜的反射图案,但抛物面反射镜的几何形状可以改变,以使所有反射光线到一个共同的焦点。另一种方法涉及涂层的后表面上的球面的弯月形透镜,利用光的折射透过玻璃减轻球面像差的透镜元件。本质上是无球面像差椭球面镜的焦点的椭球,双曲面后视镜也是同样的道理。

离轴像差,散光(图7)中,当对象被定位相差的反射镜的光轴发生。从物体击发出的入射光线反射镜倾斜的角度,并导致形成两个相互垂直的线,而不是一个图像点。抛物面反射镜,这是无球面像差,往往远轴的位置定位在图像表现出显着的散光度数。出于这个原因,抛物面反射器被限制在他们的应用程序的设备,如天文望远镜和探照灯,项目或收集平行光线。

喜欢镜片,非球面和球面反射镜遭受其他常见的像差,彗差像 ​​场弯曲畸变,但它们的像差,超薄镜片具有丰富经验的最严重的光学缺陷。这一事实已被用来构造的镜子,是完全无色差显微镜物镜由几个厂家的优势。

镜像应用

光学显微镜使广泛使用平面反射镜,用于引导照明光束通过光学路径到标本,将图像投影到目镜或图像传感器。在平面镜的其他应用程序是通过简单和复杂的光学系统的途径,方向灯和日常工作,如菜刀,一般束偏转,旋转图像。椭圆平面镜有一个细长的长轴和聘用精确的角度与波前畸变最小弯曲或折叠光。

圆柱镜,光线聚焦在一个单一的轴,利用横梁吊具,线发电机,以及放大图像沿一个轴。相比之下,比较流行的凸镜看到几乎无处不在,从安全广角镜在百货公司圣诞树饰品。在望远镜中发现巨大的抛物面反射镜收集光线从遥远的宇宙角落,而较小的版本播出的形式探照灯光回太空。甚至作为主要利用哈勃太空望远镜的聚光一个双曲面镜设计。

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言归正传,镜子发挥了重要作用,在专门的暗场和反射光显微镜照明系统。非球面的抛物面反射镜,用于形成一个中空的倒锥形的照明,在高数值孔径对于暗场成像,而椭圆镜利用垂直照明灯的直射光透过的反射光系统中的目标。专业的目标,被称为反射的(参见图8),受聘于反射光显微镜,在他们的镜头有两个基本优势。反射的目标是无色差,不吸收显着量的紫外线和红外线。后一个因素导致紫外线和红外线显微镜的反射目标的发展,除了应用在显微分光光度。

反射的物镜的另一个优点是,它们可以进行设计和建造,有更长的工作距离比折射物镜的等效放大倍率和数值孔径。这使损坏前镜片的折射物镜的温度,将被用于热台显微镜的物镜。除了反射的目标,反射镜在荧光显微镜中扮演重要的角色,在那里他们作为二色性分束器直接朝向试样的激发波长,则块相同后,已被反射回来通过物镜的光。显微镜的其他部分还包括反射镜。电弧放电和卤钨灯灯室的,经常有抛物型反射器,帮助浓缩照明的通过聚光透镜,进入显微镜的光学路径。此外,激光共聚焦显微镜扫描头采用精心安排的反射镜扫描的激光束在整个试样中的栅格状图案。这些和其他简单的和先进的应用使一个看似无休止的名单反映了一个最重要的光学元件在物理学家的工具箱中。



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