尼康顯微鏡：在光學顯微鏡上的創(chuàng)新

所有的科學工具，有可能沒有更多的思考和勞動投入比光鏡下改善。它在過去的幾個世紀的發(fā)展，推動了科學家們希望較小，較暗，（圖1）和組織比以往任何時候都更深處的現(xiàn)象，觀察和測量。

今天的改進的顯微鏡所產生的圖像的一個例子，提出如圖1所示，其示出了數(shù)字方式捕獲的多色一個Eclipse E600顯微鏡使用CFI60 40X的熒光物鏡和尼康的新的地塞米松1200數(shù)碼相機拍攝的組織培養(yǎng)細胞的熒光圖像。

一個世紀前，在顯微鏡達到光的性質的經典理論所預測的極限分辨率。然而，多分辨率需要允許實時顯微鏡檢查活細胞的內部運作。前在極少數(shù)實驗室做的最高的技術大師的技術，減少到現(xiàn)在的容易，臨床常規(guī)程序。認真聽取顯微鏡，顯微鏡設計師，帶來了巨大的創(chuàng)新。本文總結了在顯微鏡設計的最新進展，側重于最近開發(fā)的光學系統(tǒng)可以提高科技進步。

有限與無限光學系統(tǒng)

當生物顯微鏡落射熒光和共聚焦技術相對簡單，之前的日子里，沒有什么必要的物鏡和目鏡 - 的interlens空間的之間夾著厚厚的光學元件。供應的是標準的160 - 或170毫米的管長度，安裝法蘭的物鏡和座椅的目鏡之間的距離，以及此。這些工具有收斂光在interlens空間。冶金學家和地質學家需要偏振光，及晶圓薄偏振片發(fā)明之前，這需要大量的棱鏡和其他配件，在這個空間中插入的。在20世紀30年代制造商之一，運行的空間在標準管和困擾，由于棱鏡的像差校正的問題，第一次嘗試一個版本的無限遠光學來解決這些麻煩。

術語“無窮大”是指物鏡被設計成投影圖像為無窮大，而不是一些有限的距離。無限遠光學系統(tǒng)提供了客觀和目鏡之間的平行光區(qū)域。在這些系統(tǒng)中，復雜的光學組件可以被插入在該平行光的空間的情況下，引入光學像差或減少物鏡的自由工作距離。該系統(tǒng)還保留了物鏡的安排（圖2）的齊焦。圖2給出的是CFI60光學路徑的概念圖。無限遠光學系統(tǒng)包括一個物鏡，管透鏡會聚的光束，和一個目鏡透鏡。模塊和組件可放置在創(chuàng)建了一個非常靈活的系統(tǒng)，無需額外的中繼光學系統(tǒng)的物鏡與鏡筒透鏡之間的光路平行。圖像點的位置保持不變，軸向和橫向，一樣的物鏡和管透鏡之間的對準。

當然，從無窮大型物鏡的光以形成圖像，我們可以看到或記錄，必須進行再次收斂管透鏡，或第二個物鏡之間的平行光的空間和目鏡。一般，在一種情況下多達三個，主要的光學元件可以被放置在該空間不導致性能降低的情況下。

配件和插入組件的設計，現(xiàn)在可以實現(xiàn)剛好1X的倍率，這是有價值的，當具有相同的試樣比較的幾種光學技術。例如，當光學落射熒光和微分干涉相差（DIC）的安裝，但仍是第三個設備的空間， - 用于與變倍，教學頭，一個多端口組件，用于兩個攝像機，或一個繪圖頭數(shù)字化墊跟蹤神經元。

在古典顯微鏡年前，鏡頭設計者必須考慮的物鏡和目鏡校正鏡頭畸變，球形畸變和色差（縱向和橫向的），昏迷，散光和場曲的奢侈品。也被稱為橫向色差（LCA）的倍率色差 - 形成的紅色，綠色，和藍色的圖像在同一焦平面，但與形成不同大小的圖像的每種顏色。

傳統(tǒng)上，工作組已經非常困難的糾正，往往留下未校正的物鏡，目鏡補償。該品種的光學眼鏡和計算技術可用年前不足以糾正LCA內的物鏡任務。插入厚厚的組件在裸其中鏡頭束將進一步破壞光學修正。

即使在今天，并不是所有的廠商已經實現(xiàn)了完全修正LCA內的物鏡。由尼康公司（紐約州Melville）開發(fā)新的玻璃配方具有極低的色散，因此，所有的像差校正的物鏡本身內。公司于1976年推出了第一款完全糾正CF（色差免費）物鏡，這種新技術的不斷發(fā)展CFI60（無鉻無窮大，齊焦的肩膀高度60毫米）的物鏡，管鏡頭和目鏡（尼康）。與無限管長度設計的各種顯微鏡系統(tǒng)，僅這一項結合了其他必要的設計變更要充分利用這一概念。

新鏡頭

一個理想的物鏡為無邊顯微鏡系統(tǒng)的設計比通常的透鏡元件數(shù)量，需要更多的，由于緊急束必須聚焦于無限遠處。添加到熒光技術的要求，如M-FISH（多色熒光原位雜交）（圖3），這是基于盡可能收集盡可能多的光子，并且要求更高的數(shù)值孔徑（NA）的透鏡。添加到這個高NA共聚焦技術的要求，長工作距離鏡頭遠滲透到厚組織。為了滿足這些需求，今天的透鏡必須有較大的物理直徑的玻璃鏡片。總而言之，這些要求，使鏡頭過時的舊的尺寸標準。例如在圖3中，是一種多色熒光圖像的成纖維細胞，在電影拍攝的Eclipse E800顯微鏡使用CFI60 60X，NA 1.4油浸物鏡。

成立于19世紀中葉在英國皇家顯微學會的標準設置的物鏡安裝螺紋的直徑。這個維度，而慷慨的時間和適當?shù)呐f黃銅顯微鏡的光學設計上的限制，成為一個嚴重的。另外，前齊焦肩高的行業(yè)標準 - 從檢體的客觀的安裝法蘭的距離 - 證明是不夠的目前的設計的復雜性。這些尺寸的新標準（螺紋直徑25毫米和60毫米的齊焦的肩膀高度，尼康）可能使創(chuàng)新的新鏡頭，并確保有足夠的空間改善。管透鏡的焦距為200毫米，允許極長的工作距離與高NA的透鏡。這些新標準和管透鏡實現(xiàn)這些物鏡的工作距離。

CFI60鏡頭有更高的NAS比標準放大倍率，通常可提供的細節(jié)更高的分辨率，更大的聚光能力，在共聚焦應用和高性能。許多Eclipse的儀器物鏡共享的屬性不再比平常的工作距離。這允許從頂部到底部，而不必擔心，打破玻璃蓋或損壞的物鏡本身要聚焦厚的樣品。應用浸油更容易，因為是不斷變化的試樣。厚底室是可用的，顯微高倍率的鏡頭成為可能。

現(xiàn)在露出的內部機制和動態(tài)活性細胞的研究，每一個光子熒光發(fā)射是寶貴的。收集這些以最大的效率，需要盡可能高的數(shù)值孔徑的物鏡。福陸公司平場40X NA 1.30油浸鏡頭結合的放大倍率，高NA，現(xiàn)場平整度，工作距離長，高紫外透射熒光研究高效的工作優(yōu)化。對于相等的放大倍率，圖像的亮度在落射照明系統(tǒng)的透鏡的數(shù)值孔徑的四次方成正比。計算表明，在比較普通的干鏡頭40X浸沒透鏡1.30 0.65 NA NA，得到亮度增加16倍。

更好的干圖片

很多的觀測都是用普通，非油浸 40X的物鏡，所謂的干鏡頭。在這種程度的放大，客觀上需要一個相當高的NA，提供豐富的細節(jié)，40X放大倍率應揭示。NA最低的通常為40X鏡頭是0.65。即使在此NA，在顯微鏡的光學性能變得依賴于一個光學部件的透鏡設計和制造商無法控制 - 試樣上的蓋玻片。顯微鏡制造商推薦的蓋玻片的厚度為0.17mm，并且對身體的物鏡（這對應于＃1 1/2的蓋玻片上，在實驗室供應房屋的條款）雕刻。

許多試樣制備與其它厚度的蓋玻片。這是觀測在低功率的影響甚微，但在40X以上，它具有強大的影響力。在鏡頭設計師條款，非標準蓋玻片打亂客觀的球面像差，從用戶的角度，圖像失去對比度和看起來渾濁。

雖然0.65是普通的40X鏡頭的NA，性能更高的干物鏡可高達0.95。這些不利影響蓋玻片厚度校正套環(huán)上必須有物鏡。優(yōu)化圖像質量，將其同時觀察圖像的外觀。車削領子的物鏡的一些組件，不幸的是，也更改了有效的鏡頭的焦距改變的內部間隔。在實踐中，必須同時用一只手和精細的對焦旋鈕，與其他的衣領，一邊尋找清晰的圖像。許多用戶從來沒有掌握這種技術。高數(shù)值孔徑，高干燥鏡頭（尼康），大大減少了**設計的焦點偏移，從而更容易優(yōu)化的圖像質量。對于NAS高于0.95，浸泡鏡片提供。

通用物鏡

每個制造商列出其他觀測技術，比普通明場 - 相襯，DIC和熒光技術，如不同的特殊物鏡。研究人員使用多種技術，一旦需要購買一些這些物鏡對于任何給定的倍率。到現(xiàn)在為止，這是不可能的性能沒有顯著的損失，這四個物鏡設計一個物鏡。平場氟DLL鏡頭（尼康）在所有這些模式的四個功能，而不會犧牲圖像質量。為節(jié)省錢，便利和物鏡轉換器上的空間

最低倍率的物鏡

在生活中，我們通常觀察概述第一場景，然后放大的細節(jié)，抓住我們的眼球。在顯微鏡下，我們先低權力開始，然后移動到更高的權力。病理學家，神經，和植物學家在眾多的生命科學專業(yè)人士常常依賴于低倍率的方向和字面意思是“大局”。然而，在許多顯微鏡，最低的功耗，使用10X的物鏡和10X目鏡是100X，自然大小相當?shù)娘w躍。由于顯微鏡往往不愿意改變低倍率目鏡，低倍率的物鏡是較低級別的放大倍率的最佳選擇。

隨著的CFI60 0.5X物鏡，用戶可以在很寬的視野觀察和拍攝。與實際的字段為50毫米的觀點，這一物鏡是有用的宏觀觀察大的樣品，如椴干圖4中所示的薄膜部。常規(guī)的無限遠光學系統(tǒng)相比，所提供的物鏡的圖像區(qū)域的大小大五倍以上。實際尺寸拍攝有可能在35毫米膠片。

各大廠商紛紛提供約物鏡。4X，2X，和甚至1X權力。該CFI Macroplan 0.5X物鏡，有其特殊的配件，呈現(xiàn)在目鏡5X圖像，將拍攝自然的尺寸，1X的35毫米膠卷上的圖像（參見圖4）。該鏡頭提供了一個非常高的水平，細節(jié)和色彩校正，使顯微鏡放大倍率范圍最廣。

符合人體工程學的設計

不僅僅是光學顯微鏡是多，它是實驗室的儀器科學家有身體接觸。當購買的儀器，其中一個可能會坐幾個小時的時間，這是非常重要的考慮身體的舒適。這是不能輕易表達的一個規(guī)格表。它必須經歷的第一手資料。

在許多舊顯微鏡（甚至在一些較近期的），各種控件放置在他們最方便的制造商。這有時會造成尷尬或不便。

所有主要制造商已在其展臺設計結合人體工程學考慮，但Eclipse的工具帶來符合人體工程學的考慮到一個更高的水平。廣泛的研究用戶如何坐在他們的儀器，測量方便深遠的距離，舒適的手臂和頭部位置的確定被認為是在設計。舞臺上的位置的處理和聚焦控制旋鈕E800顯微鏡進行比較與常規(guī)顯微鏡在圖5（a）。保持自然的位置，并具有身體等距雙手，應變減輕。此外，載物臺手柄和微調旋鈕的位置，這樣他們可以用一只手進行操作，提高舒適的觀察。直立和傾斜目鏡管可在許多尼康顯微鏡（圖5（b）），以確保檢查效率提高和駕駛舒適性增強，通過使用一個系統(tǒng)在一個自然的位置。

此外，加入的組件的interlens空間并不總是舒適的完成。如果組件只是堆疊，大多數(shù)廠家一樣，雙目觀察頭，他們上的目鏡，其結果往往是一個令人不安的高收視安排，用戶吊裝他們的脖子上，同行通過目鏡。在Eclipse，最多三個組件插入在其中鏡頭空間的，而不需要改變儀器的常數(shù)，方便的眼睛的位置。

在新的臺燈，使用最頻繁的控制的顯微鏡中最方便的地方，無論便于制造。凡一起使用的控制與對方，如階段的運動和精細的焦點，在那里他們可以用同一只手的手指進行調整。隨著桌面上舒適地休息的前臂，最常用的控制自然垂下的指尖下。低得多的舞臺位置，使滑動改變方便?？梢园惭b在任何一方左手或右手操作階段控制。

進入看臺，新設計的其它性能包括時間和熱穩(wěn)定性大大增強，這是重要的，隨著時間的推移，這種有絲分裂的研究與胚胎調查延伸。振動阻尼也增加，以改善捕獲的圖像的分辨率。

結論

最終光學顯微鏡被創(chuàng)建，雖然市場上帶來了新的工具顯微鏡到高的發(fā)展水平，我們可能永遠不會達到這個物鏡，只要繼續(xù)科研。未來的需求將需要創(chuàng)新，我們還不能預見。但是，今天的最好的儀器為用戶提供得多可能比短短幾年前的性能和多功能性。