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                                                                奧林巴斯顯微鏡:什么是無限遠光學系統?

                                                                2019-06-12 19:18:10 382

                                                                在過去的10年中,主要的顯微鏡制造商基本上都遷移到無限遠校正光學系統的研究級的生物醫學和工業顯微鏡的利率。在這些系統中的圖像距離被設置為無窮大,和一個管(或telan)透鏡策略性地放置在物鏡和目鏡(視覺)產生的中間圖像內的管體之間。

                                                                infinity figure1

                                                                無限遠光學系統允許引進輔助成分,如微分干涉相差DIC)的棱鏡偏振器,和落射熒光光源,只有很小影響焦點和像差校正之間的物鏡和管透鏡成并行的光學路徑。舊版有限的,或固定的管的長度,顯微鏡從物鏡轉盤開始,其中的物鏡筒被固定,在目鏡管眼用座有一個指定的距離。這個距離被稱為在顯微鏡的機械管長度。本設計假定,當試樣被放置在焦點,它是幾微米比物鏡的前焦平面較遠。在19世紀的皇家顯微學會(RMS)有限管長度在160毫米標準化,并得到廣泛接受超過100年。此值在管上刻有設計用于具有160毫米的管長度用顯微鏡的物鏡。

                                                                添加到一個固定的管的長度顯微鏡的光路中的光學配件,增加了有效的管長度一個值大于160毫米。出于這個原因,另外一個垂直的反射光照明器,偏振的中間階段,或類似的附件可以引入到出一個理想的校正光學系統的球面像差。在此期間大多數顯微鏡固定管長度,制造商被迫附加額外的光學元件,這些配件重新建立有效的管160毫米長的顯微鏡系統。這一行動的成本往往倍率的增加,并減少了由此產生的圖像中的光強度。

                                                                一些反射光系統也阻礙了“重影”,出現的結果會聚的光線,通過分光器。在試圖規避所帶來的另外的輔助光學元件的工件中,德國顯微鏡制造商Reichert首創無限遠光學系統的概念。該公司開始嘗試無限遠校正光學系統,早在20世紀30年代尾隨其后的萊卡和蔡司,但并沒有成為這些光學與大多數廠家的標準設備,直到20世紀80年代。

                                                                無窮遠校正的顯微鏡中管子的長度被稱為基準焦距和范圍在160至200毫米之間,取決于制造商的(見表1)。在無限系統的光學像差校正完成通過管透鏡或物鏡。剩余無窮遠物鏡橫向色差,可以方便地補償仔細的管式鏡頭設計,但一些廠商,包括尼康,選擇正確的球形和色差物鏡本身。這可能是因為專有的新型玻璃配方,具有極低的分散體的發展。還有其他一些制造商(值得注意的是,蔡司ICS系統)利用相結合的管鏡頭和物鏡修正。

                                                                無限遠光學系統參數

                                                                生產廠家

                                                                管鏡焦距(毫米)

                                                                齊焦距離(毫米)

                                                                螺紋類型

                                                                Leica

                                                                200

                                                                45

                                                                M25

                                                                Nikon

                                                                200

                                                                60

                                                                M25

                                                                Olympus

                                                                180

                                                                45

                                                                RMS

                                                                Zeiss

                                                                165

                                                                45

                                                                RMS

                                                                ?

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                                                                列于表1的規格,包括管透鏡的焦距,齊焦距離和物鏡的螺紋類型,無限遠校正顯微鏡的主要制造商提供。雖然這兩個徠卡和尼康使用的管的長度為200毫米和25毫米的一個物鏡的螺紋尺寸,物鏡共焦距是顯著更大的尼康CFI60系統。奧林巴斯蔡司使用更短管透鏡的焦距(分別為180毫米和165毫米),但兩家公司有標準化的物鏡螺紋尺寸和堅持一個齊焦長度為45毫米。

                                                                在一個固定管長度的有限光學系統,物鏡的光通過朝向中間像平面(位于目鏡的前焦平面)和在該點的收斂,發生建設性的和破壞性的干擾,以產生圖像(圖圖2(a))。情況是相當不同的無限遠校正光學系統,其中物鏡產生成象在無窮遠(通常簡稱為無窮大空間,圖2(b)),正被聚焦在中間圖像平面的平行光的波列管透鏡。應該指出的是,設計用于無限遠校正的顯微鏡物鏡通常是不可互換的,與用于與一個有限的(160或170毫米)光管長度顯微鏡,反之亦然。使用時,在一個有限的顯微鏡系統由于缺乏的管透鏡??,無窮遠鏡頭遭受增強的球面像差。然而,在某些情況下,它是可能的,利用有限的物鏡在無限遠校正的顯微鏡,但有一些缺點。數值孔徑的有限物鏡受到損害時,它們被用于與無窮大系統,從而導致降低的分辨率。此外,齊焦丟失有限和無窮物鏡之間使用時,在同一系統中。有限物鏡的工作距離和放大倍率也將被降低時,它們所使用的具有管透鏡顯微鏡。

                                                                正如上面提到的,無窮大系統的基本的光學元件的目的,管透鏡和目鏡。正如圖2(b)中所示,位于試樣的前焦面的物鏡,該集從試樣的中央部透過或反射的光,并產生一個沿著光軸的平行射線束投影朝向管透鏡顯微鏡。甲的光的一部分到達物鏡源自的檢體的外周,并進入所述光學系統,在傾斜的角度,推進對角線(但仍然在平行束)朝向管透鏡。由管透鏡收集的所有的光聚焦在中間像平面中,并隨后由目鏡放大。

                                                                infinity figure2

                                                                管的物鏡和透鏡一起形成結合的物鏡系統,在一個有限的距離內的顯微鏡管產生一個中間圖像。管透鏡的位置相對于物鏡是首要關心的問題,設計時,無限遠校正的顯微鏡。物鏡和管透鏡(無窮大的空間)之間的區域提供到復雜的光學元件可以被放置的引入的球面像差或修改的物鏡工作距離的情況下,平行光線的路徑。事實上,一個匹配的集合中的不同的物鏡之間的齊焦可以保持與無限遠校正的顯微鏡,即使當被添加到一個或兩個輔助組件的光路。另一個主要的好處是,可被設計成產生一個精確的1倍的放大倍數值,而無需改變物鏡之間的對準和管透鏡配件。此功能允許使用幾個光學技術的組合,如相位與熒光(單獨或同時)的對比度或DIC的標本比較。這是可能的,因為光學配件放入一組平行的光波不移位的位置(無論是橫向或軸向),也不影響圖像的焦點。

                                                                如果管透鏡位于非常接近物鏡,可用于輔助光學元件的空間量是有限的。然而,有一個上限的光學部件的數量,可以位于管透鏡和物鏡之間的約束內的現代顯微鏡設計。名次太多從客觀的管透鏡??的數量減少周光波由透鏡收集,得到的在已變暗或模糊的邊緣的圖像,和減少顯微鏡的性能。應當強調的是,術語無限遠光學系統是指通過物鏡后的磁通平行的右射線生產,而不是一個無限的空間是可用的內部的顯微鏡。為了最大限度地提高顯微鏡的配置的靈活性,同時保持高的性能,它是要優化物鏡之間的距離,管透鏡。

                                                                infinity figure3

                                                                由無限遠校正物鏡產生的倍率計算除以基準焦距(管長)由物鏡的焦距。管透鏡的焦距增加,中間圖像平面的距離也增加,從而導致較長的整體的管長度。在200毫米和250毫米之間的管的長度被認為是最佳的,因為較長的焦距,將產生一個較小的離軸角為對角線光線,降低了系統的工件。較長的管長度也增加了系統的靈活性方面的設計的附件組件。

                                                                比較,具有一個160毫米和200毫米的管透鏡的焦距(圖3)的系統時,較長的管透鏡焦距的優點變得明顯。減少離軸對角線波磁通角的時間越長焦距光學系統的可以接近一個顯著的百分比。減少的角度傾斜的光線產生的相對較小的移位,通過輔助部件(DIC棱鏡,相位環,分色鏡等),從而提高了效率,在顯微鏡上的軸和離軸光線。戲劇增強對比度水平觀察到與外延熒光光源在無限遠校正系統被歸因于較長的管透鏡的焦距的光學優點。與無限遠光學顯微鏡圖像觀察到的改善的一個例子提出了在圖4中示出了老鼠腸薄膜部與三個熒光染料標記。顯微照片記錄了尼康的Eclipse E600利用CFI6020倍油浸物鏡的數值孔徑0.75,同步運行,微分干涉對比和落射熒光模式。

                                                                infinity figure4

                                                                無窮大系統相比,舊的固定管長度系統,以保持相同的放大倍率的物鏡焦距必須增加。所有的顯微鏡制造商,使用一個共焦距為45毫米,多年與有限的管長度系統,但是這可能是不足的高性能無限遠校正光學系統。例如,可以有計劃復消色差60倍油浸物鏡(有限表現最好的目標之一)超過10個單獨的鏡頭元素和組,在一個非常緊密的配合為物鏡限制在一個共焦距為45毫米。無限遠系統所取代,被細分成一個單獨的物鏡(與一個更大的一些光學元件)和管透鏡時,管透鏡的焦距變得相當于約150毫米。為了滿足全光潛力無窮大系統,物鏡的齊焦距離必須管鏡頭焦距相匹配。因此,對于一個200毫米的焦距,最佳的齊焦距離為60毫米,15毫米的超過舊標準長度的。

                                                                onger物鏡焦距無限遠光學系統中使用的要求,以配合相應較大的工作距離。增加齊焦距離物鏡是最重要的,實現了顯著的工作距離的增加,尤其是對于低倍率物鏡。 1x的物鏡,例如,所使用的公式來計算放大倍數為無限遠校正系統,決定作為管透鏡,物鏡焦距應該是相同的。用200毫米的管透鏡的焦距在一個系統中,這將需要一個較長的共焦距,以便使用這種低倍率的一個目的。計算表明,低至0.5倍的倍率,可以得到具有200毫米的管透鏡焦距,但較短的焦距限制值略高于的1x的范圍內的最小的物鏡放大倍率。

                                                                另一個要考慮的是,這也必須增加,低倍率的物鏡以獲得最佳性能與具有長管透鏡焦距的光學系統的物鏡瞳孔直徑。 RMS標準物鏡螺紋尺寸,20.32毫米,限制了有效的瞳孔直徑和最大可達到物鏡,使裝備的數值孔徑。為了產生更高的數值孔徑時長管鏡頭的焦段都被利用,物鏡螺紋尺寸必須增加。必要,以實現所需的數值孔徑的有效的出射光瞳直徑(D)由下式表示:

                                                                D = 2NA × f

                                                                其中,NA是數值孔徑,f是物鏡的焦距。因此,對于具有一個2x復消色差物鏡的焦距為100毫米(利用200毫米焦距管透鏡)的數值孔徑為0.10,必要的出射光瞳直徑(D)為20毫米。很顯然,一個較小的物鏡螺紋尺寸限制物鏡的數值孔徑,放大倍數低于10倍時,無限遠光學系統設計。增加高于200毫米的管長度需要一個更大的物鏡出射光瞳的大小,使這樣的一個限制因素,在設計的無窮遠校正的顯微鏡。

                                                                ?



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