尼康顯微鏡物鏡的光學(xué)結(jié)構(gòu)
顯微鏡物鏡是光學(xué)顯微鏡*重要的組成部分，因?yàn)樗麄兪秦?fù)責(zé)主圖像形成和發(fā)揮核心作用，在確定顯微鏡的圖像質(zhì)量，是能夠生產(chǎn)。物鏡也有助于確定一個特定的試樣，在顯微鏡的分辨率下，可以觀察到細(xì)標(biāo)本細(xì)節(jié)的放大倍數(shù)。
我們的物鏡是設(shè)計(jì)和組裝的光學(xué)顯微鏡中*困難的，并且是*個元素的光遇到，因?yàn)樗鼜臋z體進(jìn)行的圖像平面。物鏡獲得他們的名字的接近，事實(shí)上，他們是從*接近的組件對象（樣本）成像。
主要的顯微鏡制造商提供了廣泛的物鏡設(shè)計(jì)，廣泛的照明條件下提供優(yōu)異的光學(xué)特性，提供不同程度的主要光學(xué)像差的校正。在圖1所示的物鏡是一個60倍的油浸復(fù)消色差透鏡，它包含光學(xué)元件15，被分成三組透鏡雙峰，三重峰的透鏡組，和三個單獨(dú)的的內(nèi)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(xié)助在捕獲在高數(shù)值孔徑的光線以*小的球面像差。大多數(shù)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(hù)的前透鏡元件和碰撞損壞的試樣從圖1中所示的復(fù)消色差透鏡。內(nèi)部透鏡元件都經(jīng)過精心為導(dǎo)向，緊緊地裝成管狀黃銅外殼封裝物鏡桶。特定物鏡的數(shù)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(shù)，如印或刻在桶的外部部分。雖然在圖1中精選的物鏡被設(shè)計(jì)為可利用作為成像介質(zhì)的物鏡的前透鏡和標(biāo)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(xiàn)代化的物鏡，質(zhì)量和性能都達(dá)到了較高的狀態(tài)，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。建筑技術(shù)和材料，大大改善了用于制造物鏡的過程中，在過去的100年。今天，物鏡是設(shè)計(jì)電腦輔助設(shè)計(jì)（CAD）系統(tǒng)，采用*的稀土元素的玻璃配方，統(tǒng)一的成分和質(zhì)量具有高度特異性的折射率的協(xié)助。證明使用這些*的技術(shù)的增強(qiáng)的性能，使得廠家生產(chǎn)的物鏡是非常低的色散，*公用的光學(xué)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(xiàn)在的顯微鏡物鏡校正像差在更廣闊的領(lǐng)域，但已經(jīng)大大降低了圖像耀斑大幅增加透光，產(chǎn)生非常明亮，清晰，明快的圖像。
*便宜的（*常見）的物鏡，大多數(shù)實(shí)驗(yàn)室顯微鏡，場消色差物鏡。這些物鏡是在兩個波長（藍(lán)色和紅色;約486納米和656納米，分別），一個單一的共同的焦點(diǎn)，將被帶進(jìn)校正軸向色差。此外，消色差物鏡糾正球面像差的顏色綠色（546納米;見表1）。消色差物鏡的有限修正可導(dǎo)致大量文物標(biāo)本進(jìn)行檢查時，成像色彩顯微鏡和顯微攝影。如果焦點(diǎn)在綠色光譜區(qū)中的選擇，圖像將有紅品紅鹵素（通常被稱為剩余的顏色）。消色差物鏡產(chǎn)生光通過一個綠色過濾器（通常是干擾濾波器）和顯微攝影使用黑白膠片時采用這些物鏡的*佳成績。進(jìn)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(shù)廠商已經(jīng)開始提供平場消色差透鏡物鏡修正，并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或半復(fù)消色差的，（說明中心物鏡，在圖2），命名為礦物螢石，*初是用在他們的建筑中發(fā)現(xiàn)。圖2示出物鏡三大類：用*少的校正量的消色差透鏡，如上文所討論的螢石（或半復(fù)消色差），具有額外的球面更正;，復(fù)消色差是*高度校正的物鏡。在*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(nèi)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(cè)是一個10倍復(fù)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(shè)螢石物鏡的，具有不同的厚度和曲率的透鏡，并且被布置的結(jié)構(gòu)是*的復(fù)消色差透鏡物鏡。
物鏡光學(xué)像差校正
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表1
螢石的物鏡是生產(chǎn)*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(xué)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(lán)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**的校正相比，消色差透鏡使這些物鏡要具有較高的數(shù)值孔徑，產(chǎn)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，并提供更高的對比度，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(fèi)用）的*高級別的復(fù)消色差的 物鏡被發(fā)現(xiàn)在圖2和圖3中示出。復(fù)消色差代表目前*高度校正顯微鏡鏡頭，其高昂的價格，反映在他們的制造需要*的設(shè)計(jì)和精心裝配。在圖3中，我們比較鏡片一系列的復(fù)消色差的物鏡，范圍從10倍到100倍的放大倍率。低功率復(fù)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于在更高的功率（40倍和100倍）復(fù)消色差透鏡物鏡。校正復(fù)消色差色三種顏色（紅色，綠色和藍(lán)色），幾乎消除了色差，并為兩個或三個波長校正球（見表1）。復(fù)消色差的物鏡是白光的彩色顯微攝影的*佳選擇。由于它們具有高的電平的校正，復(fù)消色差透鏡的物鏡通常，對于一個給定的放大倍率，更高的數(shù)值孔徑比消色差透鏡或螢石。許多較新的高性能的螢石和復(fù)消色差透鏡物鏡進(jìn)行校正四（深藍(lán)色，藍(lán)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面的嚴(yán)重程度而增加的工件具有較高的放大倍率和項(xiàng)目圖像。為了克服這種內(nèi)在條件所產(chǎn)生的曲面透鏡表面，光學(xué)設(shè)計(jì)師平場校正物鏡，產(chǎn)生圖像的整個視場都在共同關(guān)注的焦點(diǎn)。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，或平場復(fù)消色差，這取決于他們的殘余像差程度。這樣的修正，雖然價格昂貴，是相當(dāng)寶貴的數(shù)字成像和傳統(tǒng)的顯微攝影。
未改正的像場彎曲的光學(xué)象差是*嚴(yán)重的，發(fā)生在半復(fù)消色差透鏡（螢石）和復(fù)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(xì)信息被連續(xù)地重新聚焦。引進(jìn)的平場（圖）修正物鏡，完善其用于顯微攝影和視頻顯微鏡，今天這些修正是標(biāo)準(zhǔn)的一般用途和高性能的物鏡。像場彎曲的校正。添加了相當(dāng)數(shù)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(cè)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面元素。與此相反，圖4中的右側(cè)的修正計(jì)劃的消色差透鏡包含三個透鏡雙峰，中央透鏡三重峰組，和位于后面的半球狀的前鏡頭的彎月形透鏡。計(jì)劃校正，在這種情況下，導(dǎo)致到加法捆綁成更復(fù)雜的透鏡分組，這極大地增加了光的復(fù)雜性的物鏡的六個透鏡元件。規(guī)劃校正鏡片的顯著增加，也會發(fā)生螢石和復(fù)消色差透鏡的物鏡，經(jīng)常造成極其緊密配合透鏡元件（見圖1）的內(nèi)部物鏡套筒內(nèi)。在一般情況下，校正場曲的計(jì)劃物鏡犧牲了大量的工作距離，并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(hù)。
舊的物鏡一般具有較低的數(shù)值孔徑，，稱為像差的倍率色差，需要使用專門設(shè)計(jì)的的補(bǔ)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(xiàn)代無限遠(yuǎn)校正物鏡和顯微鏡。近年來，現(xiàn)代顯微鏡的物鏡，其內(nèi)置到自己的物鏡（奧林巴斯和尼康）或更正管鏡頭（徠卡和蔡司）的放大倍率色差校正。
參考后面的光學(xué)路徑中的管透鏡的焦距（前，光管長度）出現(xiàn)在中間圖像中的無限遠(yuǎn)校正系統(tǒng)。這個長度160毫米和250毫米之間不等，這取決于制造商的設(shè)計(jì)限制。無限遠(yuǎn)校正物鏡的放大率的計(jì)算方法是由物鏡的焦距除以基準(zhǔn)焦距。
在大多數(shù)生物和巖相學(xué)應(yīng)用中，利用玻璃蓋在安裝試樣，既保護(hù)了完整的試樣，并提供一個清晰的觀察窗口。玻璃蓋的作用是會聚來源于試樣中的每個點(diǎn)的光錐，而且還引入必須糾正的由物鏡的色差和球面像差（和由此產(chǎn)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(nèi)的折射率雖然應(yīng)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(guān)注的是水性溶劑或過量介于標(biāo)本和蓋玻璃在濕或厚安裝準(zhǔn)備安裝介質(zhì)。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只有幾微米厚的水層，從而導(dǎo)致顯著的畸變和點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)的偏差的，不再是對稱的上方和下方的焦平面。這些因素加至蓋玻片的折射率和厚度的有效變化，是非常難以控制的顯微鏡。
成像介質(zhì)之間的物鏡前透鏡和標(biāo)本蓋玻片也是非常重要的，相對于物鏡的透鏡元件的設(shè)計(jì)中的球面像差和彗差的校正。較低的功率物鏡具有相對較低的數(shù)值孔徑，被設(shè)計(jì)為用于干燥空氣僅作為成像介質(zhì)之間的物鏡前透鏡和玻璃蓋。與空氣得到理論上的*大數(shù)值孔徑為1.0，但在實(shí)踐中，它幾乎是不可能的，以產(chǎn)生一干燥的物鏡的數(shù)值孔徑0.95以上。玻璃蓋厚度變化的影響是微不足道的干的物鏡，數(shù)值孔徑小于0.4，但這種偏差數(shù)值孔徑*過0.65，其中小至0.01毫米的波動可以引入球面像差顯著。這問題與的高倍率復(fù)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面像差，往往很難獲得清晰的圖像。
為了解決這個問題，許多高性能復(fù)消色差透鏡干物鏡都配有校正衣領(lǐng)，允許調(diào)整玻璃蓋厚度的變化（參見圖5）通過校正球面像差校正。球面像差的光學(xué)矯正是由旋轉(zhuǎn)的衣領(lǐng)，這將導(dǎo)致兩個透鏡元件組中的物鏡移動至更近或更遠(yuǎn)。圖5中的左側(cè)的物鏡有調(diào)整蓋的玻璃厚度為0.20mm的校正環(huán)，通過將可調(diào)透鏡元件非常接近。與此相反，在圖5中的右側(cè)的物鏡具有可調(diào)透鏡元件由一個相當(dāng)大的距離分開，以補(bǔ)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(lǐng)的設(shè)計(jì)物鏡有玻璃蓋厚度0.10毫米和0.23毫米之間變化的調(diào)節(jié)范圍。許多專門設(shè)計(jì)用倒置顯微鏡觀察組織培養(yǎng)標(biāo)本的相襯物鏡有一個更廣闊的補(bǔ)償范圍為0?2毫米。這允許通過底部的培養(yǎng)容器，這往往有戲劇性的厚度波動，在這個尺寸范圍內(nèi)觀察的標(biāo)本。露天的標(biāo)本，如血涂片，也可觀察到與校正彩色物鏡時，調(diào)整被設(shè)置為0到賬戶的蓋玻璃上的不足。
高數(shù)值孔徑物鏡干缺乏校正白領(lǐng)往往產(chǎn)生圖像，不如玻璃蓋厚度為較低數(shù)值孔徑物鏡較少關(guān)注。出于這個原因，它往往是謹(jǐn)慎選擇一個較低的放大倍率（數(shù)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(shù)值孔徑為0.65，可能是能夠產(chǎn)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(shù)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(biāo)準(zhǔn)厚度為0.17毫米，這是指定為一個數(shù)字1的護(hù)罩玻璃。不幸的是，并不是所有的1蓋玻片制造這種緊密的公差（它們的范圍從0.16至0.19毫米）和許多標(biāo)本有媒體和它們之間的玻璃蓋。補(bǔ)償玻璃蓋的厚度可以通過調(diào)整顯微鏡的機(jī)械管長度，或（如前面所討論的），通過利用改變的關(guān)鍵要素之間的間距內(nèi)的物鏡桶專門的校正環(huán)來完成的。利用校正環(huán)調(diào)整為這些細(xì)微的差別，以確保*佳的物鏡表現(xiàn)。正確的利用顯微鏡物鏡校正鋌要求足夠的經(jīng)驗(yàn)和警覺，采用適當(dāng)?shù)膱D像標(biāo)準(zhǔn)重置領(lǐng)的。在大多數(shù)情況下，焦點(diǎn)可能移位和校正套環(huán)調(diào)整過程中，圖像可能會漂移。使用下面列出的步驟，使小的增量調(diào)整，同時觀察一個物鏡的校正領(lǐng)標(biāo)本圖像的變化。
物鏡桶上的指示標(biāo)記校正領(lǐng)恰逢0.17毫米刻度刻領(lǐng)住房的位置。
試樣放置在載物臺上，和一個小標(biāo)本功能聚焦顯微鏡。
旋轉(zhuǎn)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。由于這樣的事實(shí)，大多數(shù)標(biāo)本準(zhǔn)備遭受玻璃蓋/媒體三明治太厚，開始旋轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)，嘗試較大的補(bǔ)償值（0.18-0.23）*。
重復(fù)前面的步驟，以確定圖像提高了還是下降校正套環(huán)在一個方向上被打開。
如果圖像退化，遵循相同的步驟，并在相反的方向旋轉(zhuǎn)校正領(lǐng)（向低的值）找到的位置，提供*佳的分辨率和對比度。
物鏡的數(shù)值孔徑可以顯著地增加了設(shè)計(jì)的物鏡使用的浸漬介質(zhì)中，如油，甘油，或水。通過使用浸沒介質(zhì)的折射率類似的玻璃蓋玻片，由于護(hù)罩玻璃的厚度變化的圖像劣化，從而實(shí)際上消除寬傾角的光線不再發(fā)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(zhì)中，不折射，當(dāng)他們進(jìn)入鏡頭，但只有當(dāng)他們離開其上表面上。因此，如果被放置在試樣的等光程點(diǎn)的*物鏡，成像透鏡系統(tǒng)的這一部分是完全免費(fèi)的球面像差。
一個實(shí)用的油浸物鏡的一般設(shè)計(jì)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(fā)生在一個典型的復(fù)消色差的油浸物鏡在*次的兩個透鏡元件的折射。將試樣夾持在點(diǎn)P，等光程點(diǎn)的半球狀透鏡元件在顯微鏡載片和護(hù)罩玻璃之間。出現(xiàn)在后方的半球狀透鏡折射的光線從點(diǎn)P（1） ，這也是為彎月形透鏡的*表面的曲率中心。折射光線進(jìn)入彎月透鏡沿其*表面的半徑和體驗(yàn)，表面沒有折射。彎月形透鏡的后表面上，光線被折射aplanatically，所以他們出現(xiàn)偏離點(diǎn)P（2） 。在后續(xù)的透鏡組中的物鏡表面的光線的折射的光線從點(diǎn)P完成的收斂，從而形成中間圖像。
正確設(shè)計(jì)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*起碼的球面像差量。光錐部分的事實(shí)，進(jìn)入*透鏡元件之前會聚的球面像差的控制有助于。應(yīng)當(dāng)指出，采用油浸物鏡無蓋玻片，*透鏡元件的結(jié)果，在有缺陷的圖像的應(yīng)用程序之間的油。這是由于前透鏡的表面，它引入了不能被校正的球面像差，由隨后的鏡頭組件內(nèi)的物鏡發(fā)生折射。
油浸物鏡的優(yōu)勢受到嚴(yán)重?fù)p害，如果利用錯誤的浸漬液。顯微鏡制造商生產(chǎn)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(yán)格的公差。可取的做法是只雇用石油意圖的物鏡的制造商，廠商之間不混合浸泡油，以避免不愉快的文物，如結(jié)晶或相分離。
使用水和/或甘油作為成像介質(zhì)的物鏡，也可在培養(yǎng)的活細(xì)胞或組織內(nèi)的生理鹽水溶液中浸漬的應(yīng)用。平場復(fù)消色差透鏡都配備了水浸泡鏡片校正衣領(lǐng)和數(shù)值孔徑為1.2，略小于油浸。這些物鏡可以通過顯微鏡重點(diǎn)高達(dá)200微米的水介質(zhì)中，仍然保持優(yōu)異的光學(xué)校正。不足之處是高數(shù)值孔徑的水浸泡鏡片往往花費(fèi)數(shù)千美元，仍然可以降低物鏡時，重點(diǎn)是深入，通過的折光組織或細(xì)胞部分圖像