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目镜、物镜和光学畸变

Spherical aberration describes the fact that waves which pass through the centre of the lens are refracted less than the waves which pass through the edges of the curved lens. Spherical_aberration_with_optical_lens.jpg

目镜

目镜是我们观察最终样本图像的光学镜片(见图1)。这些光学器件有时被称为“接目镜”或“目镜”。放大率除了取决于物镜的选择,还要考虑目镜,它的放大率通常是10的倍数。目镜是显微镜的一个看似简单的光学部件。一些基础款目镜确实是由一个顶部和底部安装镜片的金属管组成但许多研究级目镜由多组相互配合的镜片组成,它提供样本的校正视图,并补充物镜的特性。

无论目镜的组件设计如何,金属外壳的两端只有两个用户可以看到的镜片。观察最终图像的镜片(最接近眼睛)被称为“目镜”,另一端的镜片(朝向显微镜主体)被称为“场镜”。

你通常会在目镜周围发现橡胶或塑料眼罩(见图2)。这些眼罩有多种功能。它们会阻挡一些环境光线,让观察者可以更清楚地看到感兴趣的样本。此外,它们还将用户限制在与目镜的最佳距离内。如果您佩戴眼镜,可以简单地将它们卷到目镜的顶部,或者摘掉眼镜。

关于显微镜卫生需注意的一点:如果你在共享的实验室或设施中使用显微镜,卫生和清洁都是重要的因素。一个重要的考虑因素是眼部感染。如果你不幸有眼部感染,则应避免使用共享显微镜,直到感染症状完全消失。眼部感染可能具有高传染性,很容易传播给其他显微镜使用者。无论您的眼睛是否健康,您都应该将目镜和眼罩(以及整个显微镜)保持在清洁状态,以便于下一个用户的使用。

目镜屈光度的调整

显微镜用户需要调整目镜适应自己的视力。这被称为“屈光度调节”,用于纠正眼睛之间的焦点和视觉差异(见图2)。除非您有完美的正常视力(也称为“20/20视力”),否则为更清晰地观察样本,您需要完成这一简单的调整。在调整屈光度之前,首先应调整目镜之间的距离(假设您使用的是双目显微镜)以适应使用者的生理结构。双目目镜安装在一个水平的“滑块”上,两个目镜可以活动以适应眼睛之间的距离。或者,每个目镜都安装在独立的外壳中,能够以半圆形的旋转方式移动,配合使用者眼睛之间的距离。

设置好物理距离后,就可以调节屈光度。检查每一个目镜时,您会注意到至少有一个目镜的金属体或外壳周围有一个滚花环(另一个也可以是固定焦点目镜)。仅通过固定目镜向下看,并使用显微镜的主调焦轮让样本进入清晰的焦点。闭合固定焦距目镜上的眼睛,仅使用可调节光圈的目镜来观察样本。保持样本的原始焦点的同时,慢慢转动屈光度环,直到样本进入清晰的焦点。当你睁开双眼时,样本现在应该处于清晰的焦点。调整屈光度厚,每个所选物镜的设置都是一样的。

光学畸变

显微镜(以及在本文的范围内)有两种主要类型的光学畸变:色差和几何像差。几何像差(也被称为“单色差“或“球面像差”)也被称为“塞德尔像差”。菲利普·路德维希·冯·塞德尔(Philipp Ludwig von Seidel)(1821-1896)是一位德国数学家,他在1857年确定了五种几何像差(球差、慧差、像散、场曲和畸变)。一般来说,几何/单色/赛德尔像差是由于镜片的结构和几何形状,以及光在通过镜片时的折射和反射方式而产生。

考虑到所有可能通过曲面镜片的光波,通过镜片中心的光波将比通过曲面镜片边缘的光波的折射率低。通过镜面之前平行的光波不会汇聚到一个焦点上,而是作为不同的点沿光轴传播(图3)。

色差主要是由于镜片的材料而发生的。白光是由许多不同的波长/颜色组成的,当它通过凸透镜时,它被分割成不同的组成部分。波长的分裂意味着,一旦光线通过透镜,各组成颜色就不会彼此聚焦在同一个汇聚点上(图4)。

物镜

显微镜物镜的制造和校正是为了在每个光学部件中考虑一个或多个这样的像差。在物镜外壳上蚀刻的信息中(除了放大率、物镜类型、数值孔径(NA)等),还包括有关光学校正的信息(见图3)。

尽管有许多可用的光学校正,但本文将探讨可能遇到和使用的四种最常见的光学校正。除了目镜之外,物镜看起来也很简单。物镜两端的两个透镜被称为“前透镜”(离样本最近)和“后透镜”。后透镜在使用过程中不可见,因为它面向显微镜的主体。大多数物镜由一系列相对复杂的镜片组成,镜片相互补充,纠正其他扭曲的光学像差。

消色差物镜

最常见的校正显微镜物镜是“消色差”物镜。这种物镜的镜筒上有缩写“Achro”或“Achromat”。这些物镜校正“轴向色差”。当白光通过凸透镜时,会发生这种像差。因此,白光被分割成红、绿和蓝色波长。这种分裂意味着这些波长不会汇聚到光轴上的同一个焦点上(见图4)。

如果使用没有校正轴向色差的物镜观察样本,那么样本周围会出现彩色条纹和图像的模糊。非色差物镜只校正了两个波长(红色和蓝色),使其与绿色波长的焦点大致相同。此外,消色差物镜的球面像差也只针对一种颜色进行了校正。

平场消色差物镜

更高一级的校正是在“平场消色差”物镜中发现的。这些通常由物镜筒上的缩写“平场消色差”或“Achroplan”来识别。除了校正轴向色差外,这些物镜还校正一种被称为“场曲率”的光学现象。当光线通过曲面镜片时,便会发生这种现象。投射的图像导致样本的视图发生弯曲。如果使用未校正视场曲率的物镜观察样本,会导致整个视场的焦点不均匀。视场的边缘或中心可能被聚焦,但不是同时聚焦。虽然这不会影响样本的日常观察和检查,但如果你想拍摄用于发表的图像,就会有问题。在这种情况下,建议使用平场消色差物镜校正平场,实现整个图像视图的均匀聚焦。

半复消色差物镜

再高一级的校正物镜是“半复消色差”或“萤石”物镜。这些物镜由物镜筒上的缩写“Fluar”、“Fluor”、“Fluo”或“Fl”来识别。术语“萤石”可以追溯到一个时期,当时这种镜片是由萤石制造的,它是一种氟化钙矿物。在商业上,这种矿物也被称为“萤石”,并且仍然被用于制造一些半复消色差镜片,尽管现在大多数都是由合成材料制成的。半复消色差物镜对一种或两种组成色进行校正,确保不同的光波集中在一起,成为光轴上所谓的“最小混淆圈”。

除了上述外观上的缩写外,还有一些带有“Plan FL”或“Plan Fluor”名称的物镜。这些物镜不仅校正了球差和色差,而且还校正了视场曲率。

复消色差物镜

最高级别的校正物镜(反映在这些光学器件的成本上)是“复消色差”物镜。这些物镜在镜筒上有“Plan Apochromat”、“PL APO”或“Plan Apo”的缩写(见表1)。这些物镜对场曲率进行了校正(因此缩写名称中的“Plan”),并对红、绿和蓝色波长进行了色度校正。此外,复消色差物镜还对三个波长进行了球面校正。在复消色差透镜中的高水平校正,相比校正较少的物镜,在同等放大率下,可产生更高的NA。

徕卡的校正物镜

关于徕卡不同类别校正物镜的概述,可以通过以下<链接显微镜产品-物镜-物镜类别>链接找到(见表1)。此外,通过填写<链接显微镜产品-物镜-物镜查找-物镜>页面上的在线表格,徕卡可以帮助您找到您的应用所需的合适物镜。

消色差

半复消色差

复消色差

  • HI PLAN
  • N PLAN
  • FL PLAN
  • PL Fluotar
  • PL S-Apo
  • PL APO
  • PL APO CS / CS2
  • PL IRAPO

表1:国际标准化组织(ISO)区分了三组物镜类别,它们在色度校正的质量上有所不同。消色差、半复消色差和复消色差。徕卡的命名法进一步区分了这些组别,例如,它们的场平度、透射率等。

徕卡物镜上使用的进一步的缩写。

BD 代表明场/入射光暗场
PH 相差物镜
RC 反射相位对比物镜(仅适用于DM R)
P, POL 低应变,用于定量偏振
/ 不用于入射光,荧光除外
LMC 调制对比物镜 (仅与Leica DM IRB一起使用)

表2:特别适用于特定对比法的物镜都有相应的标记。

OIL DIN/ISO标准浸泡油
W
GLYC 甘油
IMM 任何其他或多于一种的浸泡介质

表3:必须与某一物镜一起使用的浸泡介质在物镜上标明。

CORR 带校正环的物镜
L 具有超长自由工作距离的物镜
6-digit code 标记物镜,向徕卡显微系统订购产品时需要

表4:徕卡物镜上提到的更多标签。

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