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尼康显微镜物镜的光学结构

2013-11-04  发布者:admin 

显微镜物镜是光学显微镜最重要的组成部分,因为他们是负责主图像形成和发挥核心作用,在确定显微镜的图像质量,是能够生产。物镜也有助于确定一个特定的试样,在显微镜的分辨率下,可以观察到细标本细节的放大倍数。

我们的物镜是设计和组装的光学显微镜中最困难的,并且是第一个元素的光遇到,因为它从检体进行的图像平面。物镜获得他们的名字的接近,事实上,他们是从最接近的组件对象(样本)成像。

主要的显微镜制造商提供了广泛的物镜设计,广泛的照明条件下提供优异的光学特性,提供不同程度的主要光学像差的校正。在图1所示的物镜是一个60倍的油浸复消色差透镜,它包含光学元件15,被分成三组透镜双峰,三重峰的透镜组,和三个单独的的内部单元素透镜胶合在一起。物镜还具有一个半球形的前透镜的弯月形第二透镜,它的工作同步,以协助在捕获在高数值孔径的光线以最小的球面像差。大多数油浸物镜的情况下,配备有一个弹簧加载的可伸缩的鼻锥组件的保护的前透镜元件和碰撞损坏的试样从图1中所示的复消色差透镜。内部透镜元件都经过精心为导向,紧紧地装成管状黄铜外壳封装物镜桶。特定物镜的数值孔径,倍率,光管长度,像差校正的程度,和其它重要特性参数,如印或刻在桶的外部部分。虽然在图1中精选的物镜被设计为可利用作为成像介质的物镜的前透镜和标本之间的油,以及其他物镜的前镜头元件,让他们可以使用在空气中或浸渍在水,甘油,或其他专门的烃类油。

由许多玻璃元素,现代化的物镜,质量和性能都达到了较高的状态,对像差校正的程度和平整度场确定一个物镜的有用性和成本。建筑技术和材料,大大改善了用于制造物镜的过程中,在过去的100年。今天,物镜是设计电脑辅助设计(CAD)系统,采用先进的稀土元素的玻璃配方,统一的成分和质量具有高度特异性的折射率的协助。证明使用这些先进的技术的增强的性能,使得厂家生产的物镜是非常低的色散,最公用的光学工件,例如彗差,像散,几何畸变,场曲,球形和色差校正。不仅是现在的显微镜物镜校正像差在更广阔的领域,但已经大大降低了图像耀斑大幅增加透光,产生非常明亮,清晰,明快的图像。

最便宜的(最常见)的物镜,大多数实验室显微镜,场消色差物镜。这些物镜是在两个波长(蓝色和红色;约486纳米和656纳米,分别),一个单一的共同的焦点,将被带进校正轴向色差。此外,消色差物镜纠正球面像差的颜色绿色(546纳米;见表1)。消色差物镜的有限修正可导致大量文物标本进行检查时,成像色彩显微镜和显微摄影。如果焦点在绿色光谱区中的选择,图像将有红品红卤素(通常被称为剩余的颜色)。消色差物镜产生光通过一个绿色过滤器(通常是干扰滤波器)和显微摄影使用黑白胶片时采用这些物镜的最佳成绩。进一步校正场的平整度的缺乏阻碍了消色差透镜物镜。在过去的几年中,大多数厂商已经开始提供平场消色差透镜物镜修正,并给予这些平场消色差校正物镜的名称

下一个更高级别的校正和成本物镜荧光半复消色差的,(说明中心物镜,在图2),命名为矿物萤石,最初是用在他们的建筑中发现图2示出物镜三大类:用最少的校正量的消色差透镜,如上文所讨论的萤石(或半复消色差),具有额外的球面更正;,复消色差是最高度校正的物镜。在最左边的图2中的物镜定位是10倍的消色差透镜,其中包含两个内部透镜双峰和镜头前端部件。图2中示出的中心是一个的10倍萤石物镜具有多个透镜组包括两个二重峰和三重峰,在 ​​另外的半球状的前透镜和第二弯月形透镜。在图2中的右侧是一个10倍复消色差透镜的物镜,还包含多个透镜组和单元素。虽然类似的建设萤石物镜的,具有不同的厚度和曲率的透镜,并且被布置的结构是唯一的复消色差透镜物镜。

物镜光学像差校正
目的
类型
球面
像差

像差
现场
曲率
消色差透镜 1颜色 2色 没有
消色差 1颜色 2色
萤石 2-3色 2-3色 没有
平场萤石 3-4颜色 2-4色
平场复消色差透镜 3-4颜色 4-5颜色
表1

萤石的物镜是生产先进的玻璃配方,包含材料,如萤石或较新的合成替代品。允许这些新的配方大大提高了光学像差的校正。消色差透镜类似,萤石的物镜还纠正色为红色和蓝色的光。此外,萤石还校正球的两种或三种颜色,而不是一个单一的颜色,以及消色差透镜。萤石物镜优越的校正相比,消色差透镜使这些物镜要具有较高的数值孔径,产生更明亮的图像。萤石的物镜也有较好的分辨能力比消色差透镜,并提供更高的对比度,使他们更好地适合白光彩色显微摄影比消色差透镜。

 

校正(和费用)的最高级别的复消色差的 物镜被发现在图2和图3中示出。复消色差代表目前最高度校正显微镜镜头,其高昂的价格,反映在他们的制造需要先进的设计和精心装配。在图3中,我们比较镜片一系列的复消色差的物镜,范围从10倍到100倍的放大倍率。低功率复消色差透镜物镜(10倍和20倍)有较长的工作距离和整体物镜的长度短于在更高的功率(40倍和100倍)复消色差透镜物镜。校正复消色差色三种颜色(红色,绿色和蓝色),几乎消除了色差,并为两个或三个波长校正球(见表1)。复消色差的物镜是白光的彩色显微摄影的最佳选择。由于它们具有高的电平的校正,复消色差透镜的物镜通常,对于一个给定的放大倍率,更高的数值孔径比消色差透镜或萤石。许多较新的高性能的萤石和复消色差透镜物镜进行校正四(深蓝色,蓝色,绿色和红色)或更多种颜色的色和四色球。

所有三种类型的物镜遭受明显的场曲是弯曲的而不是平面的严重程度而增加的工件具有较高的放大倍率和项目图像。为了克服这种内在条件所产生的曲面透镜表面,光学设计师平场校正物镜,产生图像的整个视场都在共同关注的焦点。平场校正和低失真的物镜,被称为平场消色差透镜平场萤石,或平场复消色差,这取决于他们的残余像差程度。这样的修正,虽然价格昂贵,是相当宝贵的数字成像和传统的显微摄影。

 

未改正的像场弯曲的光学象差是最严重的,发生在半复消色差透镜(萤石)和复消色差透镜的物镜,它作为不可避免的工件了很多年的耐受性。在日常使用中,视场之间的中心和边缘捕捉到的所有检体的详细信息被连续地重新聚焦。引进的平场(图)修正物镜,完善其用于显微摄影和视频显微镜,今天这些修正是标准的一般用途和高性能的物镜。像场弯曲的校正。添加了相当数量的透镜元件的目的,图4中所示的一个简单的消色差透镜。图4中的左侧的未校正的消色差透镜包含两个透镜双峰,除了简单的薄透镜前面元素。与此相反,图4中的右侧的修正计划的消色差透镜包含三个透镜双峰,中央透镜三重峰组,和位于后面的半球状的前镜头的弯月形透镜。计划校正,在这种情况下,导致到加法捆绑成更复杂的透镜分组,这极大地增加了光的复杂性的物镜的六个透镜元件。规划校正镜片的显着增加,也会发生萤石和复消色差透镜的物镜,经常造成极其紧密配合透镜元件(见图1)的内部物镜套筒内。在一般情况下,校正场曲的计划物镜牺牲了大量的工作距离,并且许多高倍率版本有凹的前镜头,这是极其困难的清洁和维护。

旧的物镜一般具有较低的数值孔径,,称为像差的倍率色差,需要使用专门设计的的补偿目镜或目镜校正。这种类型的修正在位期间曾盛行的固定管长度显微镜,但没有必要与现代无限远校正物镜和显微镜。近年来,现代显微镜的物镜,其内置到自己的物镜(奥林巴斯尼康)或更正管镜头(徕卡蔡司)的放大倍率色差校正

参考后面的光学路径中的管透镜的焦距(前,光管长度)出现在中间图像中的无限远校正系统这个长度160毫米和250毫米之间不等,这取决于制造商的设计限制。无限远校正物镜的放大率的计算方法是由物镜的焦距除以基准焦距。

在大多数生物和岩相学应用中,利用玻璃盖在安装试样,既保护了完整的试样,并提供一个清晰的观察窗口。玻璃盖的作用是会聚来源于试样中的每个点的光锥,而且还引入必须纠正的由物镜的色差和球面像差(和由此产生的对比度损失)。在何种程度上会聚光线是由玻璃盖的折射率,色散和厚度。盖玻片一批内的折射率虽然应该是相对恒定的,其厚度可在0.13毫米和0.22毫米之间变化。另一个值得关注的是水性溶剂或过量介于标本和盖玻璃在湿或厚安装准备安装介质。例如,在生理盐水中的折射率显着不同的盖玻片,必须集中在物镜通过一个只有几微米厚的水层,从而导致显着的畸变和点扩展函数的偏差的,不再是对称的上方和下方的焦平面。这些因素加至盖玻片的折射率和厚度的有效变化,是非常难以控制的显微镜。

成像介质之间的物镜前透镜和标本盖玻片也是非常重要的,相对于物镜的透镜元件的设计中的球面像差和彗差的校正。较低的功率物镜具有相对较低的数值孔径,被设计为用于干燥空气仅作为成像介质之间的物镜前透镜和玻璃盖。与空气得到理论上的最大数值孔径为1.0,但在实践中,它几乎是不可能的,以产生一干燥的物镜的数值孔径0.95以上。玻璃盖厚度变化的影响是微不足道的干的物镜,数值孔径小于0.4,但这种偏差数值孔径超过0.65,其中小至0.01毫米的波动可以引入球面像差显着。这问题与的高倍率复消色差,必须使用非常短的工作距离在空气中含有敏感的修正球面像差,往往很难获得清晰的图像。

 

为了解决这个问题,许多高性能复消色差透镜干物镜都配有校正衣领,允许调整玻璃盖厚度的变化(参见图5)通过校正球面像差校正。球面像差的光学矫正是由旋转的衣领,这将导致两个透镜元件组中的物镜移动至更近或更远。图5中的左侧的物镜有调整盖的玻璃厚度为0.20mm的校正环,通过将可调透镜元件非常接近。与此相反,在图5中的右侧的物镜具有可调透镜元件由一个相当大的距离分开,以补偿为非常薄的盖玻片(0.13毫米)。大部分直立透射光显微镜校正领的设计物镜有玻璃盖厚度0.10毫米和0.23毫米之间变化的调节范围。许多专门设计用倒置显微镜观察组织培养标本的相衬物镜有一个更广阔的补偿范围为0〜2毫米。这允许通过底部的培养容器,这往往有戏剧性的厚度波动,在这个尺寸范围内观察的标本。露天的标本,如血涂片,也可观察到与校正彩色物镜时,调整被设置为0到账户的盖玻璃上的不足。

高数值孔径物镜干缺乏校正白领往往产生图像,不如玻璃盖厚度为较低数值孔径物镜较少关注。出于这个原因,它往往是谨慎选择一个较低的放大倍率(数值孔径),以获得出色的对比度没有随附文物玻璃盖波动引入的物镜。作为一个例子,一个40倍物镜的数值孔径为0.65,可能是能够产生更好的图像,更高的放大倍率物镜的分辨能力比60X-0.85数值孔径的物镜更清晰的对比度和清晰度,即使是理论上更大。

盖玻片的标准厚度为0.17毫米,这是指定为一个数字1的护罩玻璃。不幸的是,并不是所有的1盖玻片制造这种紧密的公差(它们的范围从0.16至0.19毫米)和许多标本有媒体和它们之间的玻璃盖。补偿玻璃盖的厚度可以通过调整显微镜的机械管长度,或(如前面所讨论的),通过利用改变的关键要素之间的间距内的物镜桶专门的校正环来完成的利用校正环调整为这些细微的差别,以确保最佳的物镜表现。正确的利用显微镜物镜校正铤要求足够的经验和警觉,采用适当的图像标准重置领的。在大多数情况下,焦点可能移位和校正套环调整过程中,图像可能会漂移。使用下面列出的步骤,使小的增量调整,同时观察一个物镜的校正领标本图像的变化。

  • 物镜桶上的指示标记校正领恰逢0.17毫米刻度刻领住房的位置。

  • 试样放置在载物台上,和一个小标本功能聚焦显微镜。

  • 旋转校正彩色非常轻微的重新聚焦的物镜的图像,以确定是否有所改善或退化。由于这样的事实,大多数标本准备遭受玻璃盖/媒体三明治太厚,开始旋转实验,尝试较大的补偿值(0.18-0.23)第一。

  • 重复前面的步骤,以确定图像提高了还是下降校正套环在一个方向上被打开。

  • 如果图像退化,遵循相同的步骤,并在相反的方向旋转校正领(向低的值)找到的位置,提供最佳的分辨率和对比度。

物镜的数值孔径可以显着地增加了设计的物镜使用的浸渍介质中,如油,甘油,或水。通过使用浸没介质的折射率类似的玻璃盖玻片,由于护罩玻璃的厚度变化的图像劣化,从而实际上消除宽倾角的光线不再发生折射,由物镜更容易掌握。典型的浸油具有1.51的折射率和色散盖玻片。通过试样的光线之间的盖玻片和浸油遇到的均匀介质中,不折射,当他们进入镜头,但只有当他们离开其上表面上。因此,如果被放置在试样的等光程点的第一物镜,成像透镜系统的这一部分是完全免费的球面像差。

一个实用的油浸物镜的一般设计包括半球状的前镜头元件,其次是正弯月形透镜和双合透镜组。图6给出了消球差发生在一个典型的复消色差的油浸物镜在第一次的两个透镜元件的折射。将试样夹持在点P,等光程点的半球状透镜元件在显微镜载片和护罩玻璃之间出现在后方的半球状透镜折射的光线从点P(1) 这也是为弯月形透镜的第一表面的曲率中心。折射光线进入弯月透镜沿其第一表面的半径和体验,表面没有折射。弯月形透镜的后表面上,光线被折射aplanatically,所以他们出现偏离点P(2) 在后续的透镜组中的物镜表面的光线的折射的光线从点P完成的收敛,从而形成中间图像。

正确设计的油浸物镜也纠正色差的缺陷所引入的前两个透镜元件,同时采用最起码的球面像差量。光锥部分的事实,进入第一透镜元件之前会聚的球面像差的控制有助于。应当指出,采用油浸物镜无盖玻片,第一透镜元件的结果,在有缺陷的图像的应用程序之间的油。这是由于前透镜的表面,它引入了不能被校正的球面像差,由随后的镜头组件内的物镜发生折射。

 

油浸物镜的优势受到严重损害,如果利用错误的浸渍液。显微镜制造商生产的物镜,折射率和色散,需要匹配的值之间的玻璃盖和物镜前透镜的液体放在有严格的公差。可取的做法是只雇用石油意图的物镜的制造商,厂商之间不混合浸泡油,以避免不愉快的文物,如结晶或相分离。

使用水和/或甘油作为成像介质的物镜,也可在培养的活细胞或组织内的生理盐水溶液中浸渍的应用。平场复消色差透镜都配备了水浸泡镜片校正衣领和数值孔径为1.2,略小于油浸。这些物镜可以通过显微镜重点高达200微米的水介质中,仍然保持优异的光学校正。不足之处是高数值孔径的水浸泡镜片往往花费数千美元,仍然可以降低物镜时,重点是深入,通过的折光组织或细胞部分图像