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尼康顯微鏡物鏡的光學結構

2013-11-04  發布者:admin 

顯微鏡物鏡是光學顯微鏡最重要的組成部分,因為他們是負責主圖像形成和發揮核心作用,在確定顯微鏡的圖像質量,是能夠生產。物鏡也有助於確定一個特定的試樣,在顯微鏡的分辨率下,可以觀察到細標本細節的放大倍數。

AG亚游集团的物鏡是設計和組裝的光學顯微鏡中最困難的,並且是第一個元素的光遇到,因為它從檢體進行的圖像平麵。物鏡獲得他們的名字的接近,事實上,他們是從最接近的組件對象(樣本)成像。

主要的顯微鏡製造商提供了廣泛的物鏡設計,廣泛的照明條件下提供優異的光學特性,提供不同程度的主要光學像差的校正。在圖1所示的物鏡是一個60倍的油浸複消色差透鏡,它包含光學元件15,被分成三組透鏡雙峰,三重峰的透鏡組,和三個單獨的的內部單元素透鏡膠合在一起。物鏡還具有一個半球形的前透鏡的彎月形第二透鏡,它的工作同步,以協助在捕獲在高數值孔徑的光線以最小的球麵像差。大多數油浸物鏡的情況下,配備有一個彈簧加載的可伸縮的鼻錐組件的保護的前透鏡元件和碰撞損壞的試樣從圖1中所示的複消色差透鏡。內部透鏡元件都經過精心為導向,緊緊地裝成管狀黃銅外殼封裝物鏡桶。特定物鏡的數值孔徑,倍率,光管長度,像差校正的程度,和其它重要特性參數,如印或刻在桶的外部部分。雖然在圖1中精選的物鏡被設計為可利用作為成像介質的物鏡的前透鏡和標本之間的油,以及其他物鏡的前鏡頭元件,讓他們可以使用在空氣中或浸漬在水,甘油,或其他專門的烴類油。

由許多玻璃元素,現代化的物鏡,質量和性能都達到了較高的狀態,對像差校正的程度和平整度場確定一個物鏡的有用性和成本。建築技術和材料,大大改善了用於製造物鏡的過程中,在過去的100年。今天,物鏡是設計電腦輔助設計(CAD)係統,采用先進的稀土元素的玻璃配方,統一的成分和質量具有高度特異性的折射率的協助。證明使用這些先進的技術的增強的性能,使得廠家生產的物鏡是非常低的色散,最公用的光學工件,例如彗差,像散,幾何畸變,場曲,球形和色差校正。不僅是現在的顯微鏡物鏡校正像差在更廣闊的領域,但已經大大降低了圖像耀斑大幅增加透光,產生非常明亮,清晰,明快的圖像。

最便宜的(最常見)的物鏡,大多數實驗室顯微鏡,場消色差物鏡。這些物鏡是在兩個波長(藍色和紅色;約486納米和656納米,分別),一個單一的共同的焦點,將被帶進校正軸向色差。此外,消色差物鏡糾正球麵像差的顏色綠色(546納米;見表1)。消色差物鏡的有限修正可導致大量文物標本進行檢查時,成像色彩顯微鏡和顯微攝影。如果焦點在綠色光譜區中的選擇,圖像將有紅品紅鹵素(通常被稱為剩餘的顏色)。消色差物鏡產生光通過一個綠色過濾器(通常是幹擾濾波器)和顯微攝影使用黑白膠片時采用這些物鏡的最佳成績。進一步校正場的平整度的缺乏阻礙了消色差透鏡物鏡。在過去的幾年中,大多數廠商已經開始提供平場消色差透鏡物鏡修正,並給予這些平場消色差校正物鏡的名稱

下一個更高級別的校正和成本物鏡熒光半複消色差的,(說明中心物鏡,在圖2),命名為礦物螢石,最初是用在他們的建築中發現圖2示出物鏡三大類:用最少的校正量的消色差透鏡,如上文所討論的螢石(或半複消色差),具有額外的球麵更正;,複消色差是最高度校正的物鏡。在最左邊的圖2中的物鏡定位是10倍的消色差透鏡,其中包含兩個內部透鏡雙峰和鏡頭前端部件。圖2中示出的中心是一個的10倍螢石物鏡具有多個透鏡組包括兩個二重峰和三重峰,在 ​​另外的半球狀的前透鏡和第二彎月形透鏡。在圖2中的右側是一個10倍複消色差透鏡的物鏡,還包含多個透鏡組和單元素。雖然類似的建設螢石物鏡的,具有不同的厚度和曲率的透鏡,並且被布置的結構是唯一的複消色差透鏡物鏡。

物鏡光學像差校正
目的
類型
球麵
像差

像差
現場
曲率
消色差透鏡 1顏色 2色 沒有
消色差 1顏色 2色
螢石 2-3色 2-3色 沒有
平場螢石 3-4顏色 2-4色
平場複消色差透鏡 3-4顏色 4-5顏色
表1

螢石的物鏡是生產先進的玻璃配方,包含材料,如螢石或較新的合成替代品。允許這些新的配方大大提高了光學像差的校正。消色差透鏡類似,螢石的物鏡還糾正色為紅色和藍色的光。此外,螢石還校正球的兩種或三種顏色,而不是一個單一的顏色,以及消色差透鏡。螢石物鏡優越的校正相比,消色差透鏡使這些物鏡要具有較高的數值孔徑,產生更明亮的圖像。螢石的物鏡也有較好的分辨能力比消色差透鏡,並提供更高的對比度,使他們更好地適合白光彩色顯微攝影比消色差透鏡。

 

校正(和費用)的最高級別的複消色差的 物鏡被發現在圖2和圖3中示出。複消色差代表目前最高度校正顯微鏡鏡頭,其高昂的價格,反映在他們的製造需要先進的設計和精心裝配。在圖3中,AG亚游集团比較鏡片一係列的複消色差的物鏡,範圍從10倍到100倍的放大倍率。低功率複消色差透鏡物鏡(10倍和20倍)有較長的工作距離和整體物鏡的長度短於在更高的功率(40倍和100倍)複消色差透鏡物鏡。校正複消色差色三種顏色(紅色,綠色和藍色),幾乎消除了色差,並為兩個或三個波長校正球(見表1)。複消色差的物鏡是白光的彩色顯微攝影的最佳選擇。由於它們具有高的電平的校正,複消色差透鏡的物鏡通常,對於一個給定的放大倍率,更高的數值孔徑比消色差透鏡或螢石。許多較新的高性能的螢石和複消色差透鏡物鏡進行校正四(深藍色,藍色,綠色和紅色)或更多種顏色的色和四色球。

所有三種類型的物鏡遭受明顯的場曲是彎曲的而不是平麵的嚴重程度而增加的工件具有較高的放大倍率和項目圖像。為了克服這種內在條件所產生的曲麵透鏡表麵,光學設計師平場校正物鏡,產生圖像的整個視場都在共同關注的焦點。平場校正和低失真的物鏡,被稱為平場消色差透鏡平場螢石,或平場複消色差,這取決於他們的殘餘像差程度。這樣的修正,雖然價格昂貴,是相當寶貴的數字成像和傳統的顯微攝影。

 

未改正的像場彎曲的光學象差是最嚴重的,發生在半複消色差透鏡(螢石)和複消色差透鏡的物鏡,它作為不可避免的工件了很多年的耐受性。在日常使用中,視場之間的中心和邊緣捕捉到的所有檢體的詳細信息被連續地重新聚焦。引進的平場(圖)修正物鏡,完善其用於顯微攝影和視頻顯微鏡,今天這些修正是標準的一般用途和高性能的物鏡。像場彎曲的校正。添加了相當數量的透鏡元件的目的,圖4中所示的一個簡單的消色差透鏡。圖4中的左側的未校正的消色差透鏡包含兩個透鏡雙峰,除了簡單的薄透鏡前麵元素。與此相反,圖4中的右側的修正計劃的消色差透鏡包含三個透鏡雙峰,中央透鏡三重峰組,和位於後麵的半球狀的前鏡頭的彎月形透鏡。計劃校正,在這種情況下,導致到加法捆綁成更複雜的透鏡分組,這極大地增加了光的複雜性的物鏡的六個透鏡元件。規劃校正鏡片的顯著增加,也會發生螢石和複消色差透鏡的物鏡,經常造成極其緊密配合透鏡元件(見圖1)的內部物鏡套筒內。在一般情況下,校正場曲的計劃物鏡犧牲了大量的工作距離,並且許多高倍率版本有凹的前鏡頭,這是極其困難的清潔和維護。

舊的物鏡一般具有較低的數值孔徑,,稱為像差的倍率色差,需要使用專門設計的的補償目鏡或目鏡校正。這種類型的修正在位期間曾盛行的固定管長度顯微鏡,但沒有必要與現代無限遠校正物鏡和顯微鏡。近年來,現代顯微鏡的物鏡,其內置到自己的物鏡(奧林巴斯尼康)或更正管鏡頭(徠卡蔡司)的放大倍率色差校正

參考後麵的光學路徑中的管透鏡的焦距(前,光管長度)出現在中間圖像中的無限遠校正係統這個長度160毫米和250毫米之間不等,這取決於製造商的設計限製。無限遠校正物鏡的放大率的計算方法是由物鏡的焦距除以基準焦距。

在大多數生物和岩相學應用中,利用玻璃蓋在安裝試樣,既保護了完整的試樣,並提供一個清晰的觀察窗口。玻璃蓋的作用是會聚來源於試樣中的每個點的光錐,而且還引入必須糾正的由物鏡的色差和球麵像差(和由此產生的對比度損失)。在何種程度上會聚光線是由玻璃蓋的折射率,色散和厚度。蓋玻片一批內的折射率雖然應該是相對恒定的,其厚度可在0.13毫米和0.22毫米之間變化。另一個值得關注的是水性溶劑或過量介於標本和蓋玻璃在濕或厚安裝準備安裝介質。例如,在生理鹽水中的折射率顯著不同的蓋玻片,必須集中在物鏡通過一個隻有幾微米厚的水層,從而導致顯著的畸變和點擴展函數的偏差的,不再是對稱的上方和下方的焦平麵。這些因素加至蓋玻片的折射率和厚度的有效變化,是非常難以控製的顯微鏡。

成像介質之間的物鏡前透鏡和標本蓋玻片也是非常重要的,相對於物鏡的透鏡元件的設計中的球麵像差和彗差的校正。較低的功率物鏡具有相對較低的數值孔徑,被設計為用於幹燥空氣僅作為成像介質之間的物鏡前透鏡和玻璃蓋。與空氣得到理論上的最大數值孔徑為1.0,但在實踐中,它幾乎是不可能的,以產生一幹燥的物鏡的數值孔徑0.95以上。玻璃蓋厚度變化的影響是微不足道的幹的物鏡,數值孔徑小於0.4,但這種偏差數值孔徑超過0.65,其中小至0.01毫米的波動可以引入球麵像差顯著。這問題與的高倍率複消色差,必須使用非常短的工作距離在空氣中含有敏感的修正球麵像差,往往很難獲得清晰的圖像。

 

為了解決這個問題,許多高性能複消色差透鏡幹物鏡都配有校正衣領,允許調整玻璃蓋厚度的變化(參見圖5)通過校正球麵像差校正。球麵像差的光學矯正是由旋轉的衣領,這將導致兩個透鏡元件組中的物鏡移動至更近或更遠。圖5中的左側的物鏡有調整蓋的玻璃厚度為0.20mm的校正環,通過將可調透鏡元件非常接近。與此相反,在圖5中的右側的物鏡具有可調透鏡元件由一個相當大的距離分開,以補償為非常薄的蓋玻片(0.13毫米)。大部分直立透射光顯微鏡校正領的設計物鏡有玻璃蓋厚度0.10毫米和0.23毫米之間變化的調節範圍。許多專門設計用倒置顯微鏡觀察組織培養標本的相襯物鏡有一個更廣闊的補償範圍為0〜2毫米。這允許通過底部的培養容器,這往往有戲劇性的厚度波動,在這個尺寸範圍內觀察的標本。露天的標本,如血塗片,也可觀察到與校正彩色物鏡時,調整被設置為0到賬戶的蓋玻璃上的不足。

高數值孔徑物鏡幹缺乏校正白領往往產生圖像,不如玻璃蓋厚度為較低數值孔徑物鏡較少關注。出於這個原因,它往往是謹慎選擇一個較低的放大倍率(數值孔徑),以獲得出色的對比度沒有隨附文物玻璃蓋波動引入的物鏡。作為一個例子,一個40倍物鏡的數值孔徑為0.65,可能是能夠產生更好的圖像,更高的放大倍率物鏡的分辨能力比60X-0.85數值孔徑的物鏡更清晰的對比度和清晰度,即使是理論上更大。

蓋玻片的標準厚度為0.17毫米,這是指定為一個數字1的護罩玻璃。不幸的是,並不是所有的1蓋玻片製造這種緊密的公差(它們的範圍從0.16至0.19毫米)和許多標本有媒體和它們之間的玻璃蓋。補償玻璃蓋的厚度可以通過調整顯微鏡的機械管長度,或(如前麵所討論的),通過利用改變的關鍵要素之間的間距內的物鏡桶專門的校正環來完成的利用校正環調整為這些細微的差別,以確保最佳的物鏡表現。正確的利用顯微鏡物鏡校正鋌要求足夠的經驗和警覺,采用適當的圖像標準重置領的。在大多數情況下,焦點可能移位和校正套環調整過程中,圖像可能會漂移。使用下麵列出的步驟,使小的增量調整,同時觀察一個物鏡的校正領標本圖像的變化。

  • 物鏡桶上的指示標記校正領恰逢0.17毫米刻度刻領住房的位置。

  • 試樣放置在載物台上,和一個小標本功能聚焦顯微鏡。

  • 旋轉校正彩色非常輕微的重新聚焦的物鏡的圖像,以確定是否有所改善或退化。由於這樣的事實,大多數標本準備遭受玻璃蓋/媒體三明治太厚,開始旋轉實驗,嚐試較大的補償值(0.18-0.23)第一。

  • 重複前麵的步驟,以確定圖像提高了還是下降校正套環在一個方向上被打開。

  • 如果圖像退化,遵循相同的步驟,並在相反的方向旋轉校正領(向低的值)找到的位置,提供最佳的分辨率和對比度。

物鏡的數值孔徑可以顯著地增加了設計的物鏡使用的浸漬介質中,如油,甘油,或水。通過使用浸沒介質的折射率類似的玻璃蓋玻片,由於護罩玻璃的厚度變化的圖像劣化,從而實際上消除寬傾角的光線不再發生折射,由物鏡更容易掌握。典型的浸油具有1.51的折射率和色散蓋玻片。通過試樣的光線之間的蓋玻片和浸油遇到的均勻介質中,不折射,當他們進入鏡頭,但隻有當他們離開其上表麵上。因此,如果被放置在試樣的等光程點的第一物鏡,成像透鏡係統的這一部分是完全免費的球麵像差。

一個實用的油浸物鏡的一般設計包括半球狀的前鏡頭元件,其次是正彎月形透鏡和雙合透鏡組。圖6給出了消球差發生在一個典型的複消色差的油浸物鏡在第一次的兩個透鏡元件的折射。將試樣夾持在點P,等光程點的半球狀透鏡元件在顯微鏡載片和護罩玻璃之間出現在後方的半球狀透鏡折射的光線從點P(1) 這也是為彎月形透鏡的第一表麵的曲率中心。折射光線進入彎月透鏡沿其第一表麵的半徑和體驗,表麵沒有折射。彎月形透鏡的後表麵上,光線被折射aplanatically,所以他們出現偏離點P(2) 在後續的透鏡組中的物鏡表麵的光線的折射的光線從點P完成的收斂,從而形成中間圖像。

正確設計的油浸物鏡也糾正色差的缺陷所引入的前兩個透鏡元件,同時采用最起碼的球麵像差量。光錐部分的事實,進入第一透鏡元件之前會聚的球麵像差的控製有助於。應當指出,采用油浸物鏡無蓋玻片,第一透鏡元件的結果,在有缺陷的圖像的應用程序之間的油。這是由於前透鏡的表麵,它引入了不能被校正的球麵像差,由隨後的鏡頭組件內的物鏡發生折射。

 

油浸物鏡的優勢受到嚴重損害,如果利用錯誤的浸漬液。顯微鏡製造商生產的物鏡,折射率和色散,需要匹配的值之間的玻璃蓋和物鏡前透鏡的液體放在有嚴格的公差。可取的做法是隻雇用石油意圖的物鏡的製造商,廠商之間不混合浸泡油,以避免不愉快的文物,如結晶或相分離。

使用水和/或甘油作為成像介質的物鏡,也可在培養的活細胞或組織內的生理鹽水溶液中浸漬的應用。平場複消色差透鏡都配備了水浸泡鏡片校正衣領和數值孔徑為1.2,略小於油浸。這些物鏡可以通過顯微鏡重點高達200微米的水介質中,仍然保持優異的光學校正。不足之處是高數值孔徑的水浸泡鏡片往往花費數千美元,仍然可以降低物鏡時,重點是深入,通過的折光組織或細胞部分圖像



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