奥林巴斯显微镜:光学畸变

2019-02-27 10:53:29 Pooher Inc. 502

现代光学显微镜中的透镜误差是由光与玻璃透镜相互作用引起的伪影引起的不幸问题。 导致非理想透镜效应的两个主要原因:几何或球面像差与透镜的球面特性和用于获得高斯透镜方程的近似值有关; 以及由可见光中广泛频率范围的折射率变化引起的色差。

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一般来说,光学像差的影响是通过显微镜引起观察图像特征的缺陷。图1中示出了底下聚光镜的色差,其中场光阑图像边缘的蓝色边缘是由于色差引起的。这些工件首先在十八世纪得到了解决,物理学家John Dollond发现通过在制造透镜时使用两种不同类型的玻璃的组合来减少或校正色差。后来,在十九世纪,开发了具有高数值孔径的消色差物镜,尽管透镜仍存在几何问题。现代玻璃配方和抗反射涂层与先进的研磨和制造技术相结合,除了今天的显微镜物镜之外,几乎消除了大部分像差,但仍需要特别注意这些效应,特别是在进行定量高倍率视频显微镜和显微摄影术时。


球面像差 - 当通过透镜周边的光波没有通过穿过中心的光波时,如图2所示,这些伪影发生。经过透镜中心附近的波只是稍微折射,而经过近处的波外围被折射到更大的程度,导致沿着光轴产生不同的焦点。这是最严重的分辨率伪影之一,因为样本的图像是分散的而不是清晰的焦点。

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图2示出了通过凸透镜的三个假想单色光线的放大视图。外围光线的折射最大,其次是中间的光线,然后是中心的光线。最外面光线的较大折射导致焦点(如焦点1所示)出现在由靠近镜片中心的光线(焦点2和3)产生的焦点前面。焦点上的这种差异大部分是由近似球面折射表面的高斯透镜方程的各个角度的正弦值和正切值的近似值引起的:


n / s + n'/ s'=(n'-n)/ r

其中n和n'分别表示空气和包含透镜的玻璃的折射率,s和s'分别是物体和图像距离,r是透镜的曲率半径。该表达式确定由具有夹在折射率n和n'介质之间的半径r的透镜的曲面形成的图像的相对位置。该方程的细化通常被称为高阶(第一,第二或第三)校正,方法是在孔径角度的立方中包含项,从而导致更精确的计算。


球面像差对于镜头的分辨率而言非常重要,因为它们会影响沿着光轴的点的重合成像并降低镜头的性能,这将严重影响样品的清晰度和清晰度。这些透镜缺陷可以通过使用光阑限制透镜的外边缘暴露于光下以及利用系统内的非球面透镜表面来减少。最高质量的现代显微镜物镜以多种方式解决球面像差问题,包括特殊的镜头研磨技术,改进的玻璃配方以及更好的光路控制。


色差 - 这种类型的光学缺陷是白光由许多波长组成的事实的结果。当白光通过凸透镜时,分量波长会根据其频率进行折射。蓝光最大程度地折射,然后是绿光和红光,这种现象通常称为色散。透镜无法将所有颜色带入共同焦点导致每个主要波长组的图像大小和焦点略有不同。这导致图像周围的彩色边缘如下面的图3所示:

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我们已经极大地夸大了白光分量波长的折射特性的差异。这被描述为白光成分的折射率的分散。折射率是光在真空中的速度与其在诸如玻璃的介质中的速度的比率。出于所有实际目的,空气中的光速几乎与真空中的光速相同。从图3可以看出,每个波长在透镜的光轴上形成自己独立的焦点,这种效应称为轴向或轴向色差。这个镜头错误的最终结果是,在白光下,一个点的图像被彩色环绕。例如,如果您要将焦点放在“蓝色平面”上,则图像点将被其他颜色的光线环绕,而环形外部则为红色。同样,如果您要将焦点集中在“红色平面”上,图像点将以绿色和蓝色环绕。


色差是使用经典透镜制造商的公式生成的单薄透镜非常常见的,该公式涉及近轴光线的标本和图像距离。对于用折射率为n且曲率半径为r(1)和r(2)的材料制造的单个薄透镜,我们可以写出以下等式:


1 / s + 1 / s'=(n-1)(1 / r(1)-1 / r(2))

其中s和s'分别被定义为物体和图像距离。在球面透镜的情况下,焦距(f)被定义为平行入射光线的图像距离:


1 / f = 1 / s + 1 / s'

如图3所示,焦距f随光的波长而变化。通过使用具有粘合在一起的不同光学特性的两个透镜,可以部分地校正该变化。在18世纪后期,当Dollond,Lister等人设计出减少纵向色差的方法时,首先尝试了矫正镜片。通过结合冠玻璃和火石玻璃(每种类型具有不同的折射率色散),他们成功地将蓝色光线和红色光线带到一个共同的焦点上,与绿色光线接近但不相同。这种组合被称为双透镜,其中每个透镜具有不同的折射率和色散特性。镜头双合透镜也被称为消色差镜片或简称为消色差镜片,源于希腊语术语“a”的含义,而“色度”意味着颜色。这种简单的校正形式可以使蓝色区域486纳米和红色区域656纳米的图像点重合。这是使用最广泛的镜头,常用于实验室显微镜。没有特别注明的物镜可能是消色差。消色差是常规实验室使用的令人满意的物镜,但由于它们没有针对所有颜色进行校正,无色样品细节在白光下很可能会显示淡绿色最佳对焦(所谓的二次光谱)。一个简单的消色差透镜如图4所示。

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从该图中可以看出,透镜厚度,曲率,折射率和色散的适当组合允许双合透镜通过将两个波长组带入共同焦平面来减少色差。如果萤石被引入到用于制造透镜的玻璃配方中,则红,绿和蓝三种颜色可以被带入单个焦点,导致可忽略的色差量。这些镜头被称为复消色差镜头,用于制造非常高质量的色差显微镜物镜。现代显微镜利用这个概念,现在通常发现由三个透镜元件粘合在一起制成的光学透镜三元组(图5),特别是在高质量物镜中。对于色差校正,一个典型的10x消色差显微镜物镜由双透镜双合透镜构成,如图5所示。图5右侧所示的复消色差物镜包含两个透镜双合透镜和一个透镜三合透镜,用于高级校正色差和球差。

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著名的德国镜头制造商恩斯特阿贝(Ernst Abbe)是19世纪末第一个成功制造复消色差物镜的公司。自从阿贝因为当时的设计原因,没有完成物镜本身的所有色差校正,他选择通过目镜完成一些校正;因此术语补偿目镜。


除了纵向(或轴向)色差校正之外,显微镜物镜还显示出另一种色差缺陷。即使所有三种主要颜色轴向(如在萤石和消色差物镜中)都被带到相同的焦平面上,靠近视场外围的细节的点图像也不是相同的大小。这是因为离轴射线通量被分散,导致分量波长在图像平面上以不同高度形成图像。例如,细节的蓝色图像比白色光中的绿色图像或红色图像略大,导致在视场的外部区域处的样本细节的色环。因此,轴向焦距对波长的依赖性也产生横向放大率对波长的依赖性。这种缺陷被称为横向色差或倍率色差。当用白光照明时,具有横向色差的镜头会产生一系列重叠的图像,其大小和颜色都不相同。


在具有有限的管长的显微镜中,补偿目镜是用于校正横向色差的,具有与物镜的放大率相反的色差的补偿目镜。由于这种缺陷也可在较高放大倍数的消色差镜片中找到,因此补偿目镜也经常用于此类物镜。实际上,许多制造商设计出具有标准横向色差的消色差,并使用补偿目镜实现所有物镜。这种目镜经常带有K或C或者Compens的题词。因此,补偿目镜具有内置横向色差,本身不能完美校正。 1976年,尼康推出了CF光学镜头,该镜头无需目镜辅助即可校正横向色差。较新的无限校正显微镜通过将固定量的横向色差引入管透镜来处理这个问题,该管透镜用于通过物镜发出的光形成中间图像。


值得注意的是,人眼有很大的色差。幸运的是,当大脑处理图像时,我们可以弥补这种伪影,但可以在一张纸上使用一个小紫点来显示像差。靠近眼睛时,紫色圆点在由红色光环围绕的中心处显示为蓝色。随着纸张被移开更远,该点将呈现红色,并被蓝色光环包围。


尽管显微镜制造商花费了大量的资源来制造无球面像差的物镜,但用户可能会不经意间将这种人为因素引入校正良好的光学系统。通过利用油浸物镜或通过引入类似的折射率失配来利用错误的安装介质(例如在水环境中的活组织或细胞),显微镜专家通常可以在健康的显微镜中产生球面像差伪影。另外,当使用高倍率,高数值孔径的干物镜时,盖玻璃的正确厚度(建议0.17毫米)至关重要;因此在这些物镜上包含一个校正环,以便对不正确的盖玻片厚度进行调整,如图6所示。通过将校正环的镜头元件靠近在一起,左侧的物镜已经调整为盖玻璃厚度为0.20mm。通过将透镜元件在另一个极端(图6中右侧的物镜)上移动得很远,对0.13mm的盖玻片厚度校正物镜。类似地,将附件插入有限长管物镜的光路中可能会在样品重新对焦时引入像差,除非这些附件已经通过其他光学元件进行了适当设计。我们已经构建了一个交互式Java教程,旨在让我们的读者熟悉盖玻片厚度变化的客观校正环。

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不同质量物镜的区别在于,它们将各种颜色带入整个视野的共同焦点和相同大小。在消色差和消色差类型校正之间,还有一些被称为半消色差的物镜,或者相当混淆地称为萤石。萤石的成本较低,但与复消色差几乎相同;因此,它们通常也非常适合用于白光显微摄影。


其他几何像差 - 这些包括各种各样的效果,包括散光,场曲和彗形像差,可以通过适当的镜头制造容易地进行校正。场曲的主题已经在前面的章节中详细讨论过了。彗差与球差类似,但它们仅在离轴物体上遇到,并且在显微镜不对准时最严重。在这种情况下,点的图像是不对称的,导致彗星状(因此,术语彗差)形状。由于图像中产生的不对称,昏迷通常被认为是最有问题的像差。这也是最容易发生的畸变之一。在晴朗而阳光明媚的日子里,使用放大镜将太阳图像聚焦在人行道上,并相对于来自太阳的主要光线稍微倾斜玻璃。当投射到混凝土上时,太阳的图像将伸长成彗差特征的彗星状。


通过具有彗差的图像显示的独特形状是随着入射角增加而通过各透镜区域的光线的折射差异的结果。彗形像差的严重程度是薄透镜形状的函数,该透镜形状在极端情况下使通过透镜周边的子午光线到达靠近轴线的图像平面,而不是通过更接近轴线且更靠近主体的光线(见图7)。在这种情况下,外围光线产生最小的图像,并且彗形象差符号被认为是负的。相反,当外围光线进一步向下聚焦并产生更大的图像时,像差被称为正面。根据彗形像差是正值还是负值,“彗星”形状可能具有指向视场中心或远离视场中心的“尾部”。

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通常通过球面像差或通过设计各种形状的透镜元件来校正彗形像差以消除该误差。旨在为广角视场目镜提供出色图像的物镜,必须使用管透镜中专门设计的多元件光学元件来校正彗差和散光,以避免视场边缘的这些伪影。


散光像差与彗差相似,但是这些伪像对于光圈尺寸并不敏感,并且更强烈地依赖于光束的倾斜角度。像差表现为样本点的轴外图像出现为线或椭圆而不是点。取决于进入透镜的离轴光线的角度,线图像可以在两个不同方向(图8),切向(子午)或矢状(赤道)中的任一方向上取向。单位图像的强度比将减小,随着与中心的距离增加,定义,细节和对比度将丢失。

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散光误差通常通过设计物镜来校正,以提供单个透镜元件的精确间距以及合适的透镜形状和折射率。 校正散光通常是结合场曲率像差的校正来完成的。


从我们关于光学像差的讨论中,应该清楚的是,影响显微镜内光学元件性能的因素有很多。 尽管近年来这些伪影的修正取得了巨大进展,但设计师仍然发现完全去除或抑制与显微镜相关的所有复杂光学问题是非常困难的。


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查看原始的英语文章:Anatomy of a Microscope - Optical Aberrations


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