光学显微镜最基本的组成部分：透镜组的搭配和特性

现代复合显微镜是用来提供一个二维图像放大,可以聚焦的轴向连续的焦平面,从而使一个彻底检查标本的二维和三维精细结构详图。

大多数显微镜提供翻译机制上舞台,允许显微镜工作者准确位置,东方,重点优化可视化和记录的样本图片。 光的照度和定位路径可以控制整个显微镜与策略性地放置横隔膜,镜子,棱镜,束器和其他光学元素来实现所需的程度的亮度和对比度的标本。
呈现在图1中是一个Eclipse E600尼康显微镜配有三目的头和dxm - 1200数码相机系统记录图像。 tungsten-halide灯定位提供照明的光源,发光,首先通过聚光透镜,然后变成一个光学显微镜基础途径。 还驻扎在显微镜的基础是一系列的过滤器条件白炽灯发出的光反映在镜子前穿过隔膜和显微镜台下的冷凝器。 冷凝器形式的照明锥沐浴标本,位于镜台,随后进入目标。 光离开目标是转移一个分束器/棱镜组合到目镜组成一个虚拟映像,或者直接通过投影透镜安装在三目的扩展管,它可以形成一个图像CCD光电二极管阵列定位在数字成像系统。
包含在现代显微镜的光学组件安装在一个稳定、人体工学的设计基础,允许快速交换,定心精度,小心对齐那些光学组件之间相互依存的。 在一起,显微镜的光学和机械部件,包括装在一个玻璃微观滑动和盖玻片标本上,形成一个 光学系统 中心轴,遍历显微镜基础和立场。 显微镜光学系统通常由一个照明(包括光源和聚光透镜),显微镜台下的冷凝器,标本,目标,目镜,和探测器,这是某种形式的照相机或观察者的眼睛(表1)。Research-level显微镜还包含light-conditioning设备之一,常常照明器和冷凝器之间的定位,和互补的检测器或过滤装置,是客观和目镜之间插入或相机。 空调设备(s)和探测器一起工作来修改图像对比度作为空间频率的函数,阶段,极化,吸收、荧光、离轴照明,和/或其他标本和照明技术的属性。 即使没有添加特定的照明设备条件和滤波器成像波,某种程度的自然过滤甚至发生在Zui基本的显微镜配置。

显微镜光学系统组件

虽然有些显微镜的光学组件作为成像元素,其他用于生产各种修改照明的标本同时也过滤和转换功能。 组件参与形成图像的显微镜光学系统的聚光透镜(定位内部或附近的照明器)、冷凝器、客观、目镜(或眼部),人眼的屈光要素或镜头。 尽管其中一些组件通常不被认为是成像组件,其成像属性是Zui重要的在确定Zui后的显微镜图像的质量。表1

基础的理解显微镜成像是个别镜头的动作元素,包括光学系统中的组件。 Zui简单的成像元素是一个 完美的镜头 (图2),这是一个理想的纠正玻璃元素无畸变和集中到一个点上。 平行,近轴光束穿过凸透镜和集中,通过折射,成点源位于透镜的焦点(标记点 焦点 在图2中)。这样的镜头通常被称为 积极的 眼镜,因为他们诱导会聚光束收敛更快,或导致发散光束偏离迅速减少。 一个点光源位于透镜焦点体现了近轴平行光束离开镜头,从右到左如图2所示。 之间的距离镜头和被称为焦点 焦距 的镜头(用距离 F 如图2所示)。

光学现象通常被解释根据量子理论或波动力学,这取决于所描述的特定问题。 在考虑透镜的作用,波属性常常被忽略和光线直线传播通常称为 射线 。 简单的雷图足以解释显微镜包括折射的许多重要方面,焦距,放大成像,横隔膜。 在其他情况下,它是方便参考光波是由离散的粒子( 广达电脑 ),特别是当光量子力学产生的事件或转化为其他形式的能量。 这个讨论将限制光学透镜模型利用近轴光线符合光的波动性和简单的雷图光从左到右。 近轴光线是那些旅游非常接近光轴、导致事故和折射的角度非常小,在弧度测量时,可以被视为等于正弦值。
在一个平行的光束,个人单色光波组成 波波列 有电和磁矢量振动阶段形成 波阵面 ,它有一个振动方向与波传播方向垂直。 平面波被转换为一个球面波通过完美的镜头,与前面集中焦点( 焦点 )的镜头(图2)。光波到达阶段的焦点和增强干涉彼此在这个位置。 另外,光组成的球面波前来自一个完美的透镜的焦点是镜头的转换为平面波(图2中从右到左)。每个光线方向的平面波经历不同的变化碰到镜头,因为它到达表面在一个稍微不同的入射角。 在新兴的镜头,光线的方向也发生了改变。 在实际系统中,折射的角度和镜头的焦点或一组镜头取决于厚度、几何、折射率和色散系统中的每个组件。
一般行动的一个完美的透镜(或透镜系统)是一个球面波转换成另一种类型,与透镜的几何性质确定焦点的位置。 透镜的光源的距离增加,不同的角度光线进入镜头却降低了相应增加波前的半径。 如果半径的球面波进入镜头是无限的,球面波通过透镜的半径等于透镜的焦距。 一个完美的透镜有两个焦点,平面波通过镜头聚焦到其中的一个点,根据是否光线进入的左边或者右边的镜头。

在平面波的传播方向的情况下不配合镜头的光轴的焦点透镜产生的球面波也从轴中删除。 图3说明了飞机的情况下波前遇到一个完美的透镜倾斜一个角度时(伪)。 产生的球面波的中心标记年代 和谎言在远处未从轴向(标记为焦点 焦点 在图3中),但在同一个焦平面。 未的价值可以表示为 :

未= f锟�罪(伪)

在哪里 F 是一个完美的透镜的焦距。 几何光学, F 是一个价值,指的是一个弧半径为中心 年代并通过透镜的中心就像一个折射面。
另一种模型来调查一个点光源( (1) ),不在于镜头的焦平面如图4所示。 在这个图中,完美的镜头分割为两个独立的镜头元素( 透镜(a) 和 透镜(b) ),这样的点光源 (1) 定位是一个相等的距离吗f() (焦距) 透镜(a) 。 同样,源点 (2) 在距离定位吗 f(b) 的焦距 透镜(b) 。 一条直线连接的中心透镜(a) 和 透镜(b) 被称为 光轴 透镜系统。

dual-lens系统(图4),一个来自光源球面波前 (1) ,位于距离未从透镜的光轴,转换 透镜(a) 成一个平面波。 因为它退出 透镜(a) ,平面波倾斜镜头轴角伪。 未和伪相关的正弦方程上面所讨论的,值 F 被取代了 f() 。 通过第二个镜头( 透镜(b) ),平面波转换为球面波中心位于 (2) 。 其结果是,一个完美的透镜 l ,这等于 透镜(a) + 透镜(b) ,是光 (1) 上点 (2) 的聚焦光并执行相反的操作点 (2) 上点 (1) 。 焦点在这种关系通常称为透镜系统 共轭点 。
命名的古典光学、光源之间的空间 (1) 表面和入口第一个镜头被称为 对象空间 第二个镜头之间,而该地区出口表面和点 (2) 被称为 图像空间 。 所有点参与主要或次要的光线称为 对象(或 标本 在光学显微镜),而包含的折射光线集中的地区镜头被称为 图片 。 如果光波相交,图像真正的 ,而如果只有预计的扩展的折射光线相交, 虚拟 图像是由透镜系统。 一个真正的图像投影到屏幕上时可以可视化,捕捉到摄影胶片感光乳剂,或组织成一个数字光电二极管阵列的元素的电荷耦合装置(CCD)。 相反,一个虚拟映像需要另一个透镜或透镜系统的援助被观察者。
如果这一点 (1) 在图4中扩展为一系列点遍布同一焦平面,然后一个完美的透镜将集中系列中的每个点到焦平面的共轭点 (2) 。 在点集的情况 (1) 位于一个平面垂直于光轴的镜头,那么相应的共轭点集 (2) 也会躺在一个平面垂直于轴。 反过来也一样:镜头将集中的每一个点集 (2) 在共轭点的飞机或表面点集 (1) 。 这种类型的相应的飞机或表面被称为 共轭飞机 。
代表的另一种方法传播光波的火车是斜光波如图5所示。 这种方法依赖于应用几何光学定律来确定图像的大小和位置形成的透镜或multi-lens系统。 两个有代表性的光线,一个近轴和一个通过透镜的中心(旅行 主射线 ),都有必要建立成像的参数情况。 很多教科书高斯光学参考这些光线 特征射线 ,校长射线经过的入口和出口的中心学生,镜头,光圈膜片的光学系统。 通常,校长射线是省略了考虑和特征射线通过前后镜头的焦点是用来定义对象和图像的大小和位置。 在图5中,第二个特征射线作为yellow-filled虚线所示穿过前面的焦点( F” )的镜头。

标本或指定光源 (1) 在图5中,位于距离 一个 左边的镜头,在该地区被称为对象空间。 指定的一个光线,虚线来自 (1) 和交叉光轴object-side焦点( F” ),是折射透镜的表面和光轴平行退出。 扩展的折射和入射线相交在镜头内的表面位于距离 一个 从源( (1) )。 这是被称为表面 第一个或 object-side主要表面 ,是指定的 (1页) 在图5中。 Zui上面光线,进步 (1) 方向平行于光轴,由镜头和折射穿过image-side焦点( F )。 扩展的折射和入射线相交 image-side主要表面 (指出(2页) 在图5中)在镜头和定位在距离 b 从图像点 (2) 。 表面附近的透镜轴附近 (1页) 和 (2页)近似平面的表面,被称为 主要的飞机 的镜头。 这些飞机的十字路口与透镜的光轴(不是插图)被称为 主要分 。 简单凸镜头展示左右对称的主要点对称透镜表面。 更复杂的镜头和多个透镜系统往往主要点,配合表面的玻璃外的镜头,甚至扩展元素。
另一组点用来定义透镜参数 节点分 的扩展,这发生斜光线通过镜头相交光轴。 节点分不是如图5所示,但是都非常接近镜头的主要点。 因此,三双点,镜头焦点( F 和 F” ),主要的飞机( (1页)和 (2页) ),和主要节点所有躺在镜头光轴。 如果焦点的位置和主要分或结点,然后雷痕迹说明对象和图像的几何结构参数可以进行不考虑折射的光线在每个镜头的表面。 结果是,任何透镜系统只能模拟利用画射线跟踪的重点和主要的飞机好像遇到第一个主平面,旅行光轴平行,走出第二主平面折射。
请注意,距离 一个 大于透镜焦距, F” 在图5中。 在这种情况下,一个实像( (2) )然后形成的图像空间距离 b 右边的镜头。 的长度 b 大于焦距镜头后, F ,这是与距离有关 一个 和 b 由方程的经典镜头 :

1 / + 1 / b = 1 / f

图像的高度 (2) 用的数量吗 h(2) 代表大小的增加,产生放大的对象或标本 (1) 定位在前面的镜头和高度 h(1) 。 的 横向放大率,米 这个简单的镜头(近似高斯薄透镜)表示的方程 :

M = h(2)/小时(1)= b / a

因为 (1) 和 (2) 躺在共轭平面图像 (2) 将集中在 (1) 的镜头。 焦距将为代表 F” 和放大( 米 )倒1 / M 由于图像的大小减少当被认为是相反的情况。
两个像点之间的距离比沿光轴在对象方面的镜头和两个共轭点图像被称为 纵向 或 轴向放大。 纵向放大率的幅度的平方是横向放大率为小型飞机距离图像。
光学显微镜的成像组件都是由上述基本几何关系。 这包括聚光透镜、冷凝器、客观、目镜(投影模式),摄像系统,人类的眼睛。

显微镜光学系统的第一阶段是灯箱,灯和聚光透镜,并负责建立显微镜的主要照明条件。 如图6所示是一个典型的灯的原理图和聚光透镜的配置。 提出了图像大小和位置根据图5中引入的约定基本主透镜系统。 tungsten-halide灯发出的光线通过聚光透镜系统和丝主要是冷凝器的前焦平面上。 第一个显微镜光学系统的像平面( 图像平面(1) )发生在隔膜的位置字段。
点 (1) 在灯灯丝共轭点 (2) ,这是成像焦平面的冷凝器光圈的显微镜操作配置条件下K榘ler照明。 的距离 (1) 第一个主平面的聚光透镜系统用距离 一个 ,距离的电容可变光圈image-side收集器的主平面的距离 b 。 显微镜领域隔膜(图6和7)控制光束的直径由照明系统发出之前,进入冷凝器孔径。

共轭图像平面之间的关系在聚光透镜和照明系统如图7所示。 这一领域隔膜( 图像平面(1) )在相同的飞机标本成像( 图像平面(2) )当显微镜配置为K榘ler照明。 冷凝器的前焦平面( F” )居住在光圈的中心。 长度 一个 和 b 代表各自的距离的隔膜( 图像平面(1) )和标本的飞机( 图像平面(2) )的主要飞机聚光透镜的元素。 光源发出的光,经过冷凝器是形成一个锥形的照明,沐浴,随后通过标本。 调整电容器光圈可变光圈孔径控制光照锥的数值孔径。

图像平面的目标提出了在图8中,这说明了一个典型的目标内部透镜系统,标本飞机( 图像平面(2) ),显微镜的中间图像的相对位置( 图像平面(3) )。 标本平面共轭中间图像平面,并且每个目标主要飞机分开的距离 一个 和 b ,分别。 客观方面指定焦点 F” ,而后方焦点,这发生在飞机目标后的孔径,是指出 F 。 内部镜头元素通常是复杂的组件组成的半球形和半月板镜头,镜头紧身衣和三胞胎,单镜头不同的设计元素。

目镜(或眼)设计项目真实或虚拟映像,根据中间图像平面之间的复杂关系,目镜焦平面和内部目镜隔膜。 此外,固定直径的目镜隔膜也决定了线性场大小观察显微镜工作者。 这个值称为 字段数量 或 视野数量 (缩写 fn ),通常是刻在目镜房屋外观。
图像平面的目镜,当用于投影模式,如图9所示。 的主要焦点 F” 和 F ,分别前后焦点。 中间图像平面( 图像平面(3) )位于中心的固定目镜隔膜,这是放置之前或之后目镜物镜,取决于设计。 这幅图像平面共轭 图像平面(4) 目镜聚焦的位置和测量reticles插入。 长度 一个 代表的距离目镜固定隔膜的主平面eyelens(镜头靠近观察者的眼睛), b 是距离eyelens 图像平面(4) ,位于传感器表面。 因为 一个 比前面的焦距eyelens( F” ),形成的图像 图像平面(4) 是一个真正的(不是虚拟)的形象。 的数量 F 表示距离eyelens目镜后焦平面( F ),也代表了后方的焦距目镜系统。

图像平面上的视频和CCD传感器提出了在图10中,这说明了专业积极投影透镜成像的应用到这些传感器。 焦点 (f) 坐落在视频管光电阴极或CCD光电二极管阵列表面,根据探测器的几何和其他参数。 如果后的投影透镜位于目镜的光学系统,那么它收敛虚拟映像(位于 图像平面(3’) )到传感器表面 图像平面(4) 。 这幅图像平面位于距离 b 从投影eyelens等于透镜的焦距。 应该指出的是,传统的胶片相机系统也可以用于视频或CCD传感器的地方,在这种情况下,图像平面伴随着化学乳液分层平面到片基上。
当图像在显微镜下检查,一个 中间的形象 (见 图像平面(3) 在图11中)是由客观的距离 一个 ,这是比它稍微接近目镜焦距(前面 F” )。 这可以防止眼透镜后形成一个真正的形象,就像如图9所示的目镜在投影模式下操作。 眼睛和目镜组合在一起形成了一个图像在视网膜( 图像平面(4) )好像眼睛看到了虚拟映像。

在距离的情况下 一个 小于焦距,然后倒数方程有关的焦距 一个 和 b 显示, b 必须小于零。 因此,一个真正的形象没有形成正确的目镜的眼睛的缺席或相机。 相反,虚拟映像( 图像平面(3’) )出现在距离对应 各行 (图11)左边的目镜(或 b 向右;参见图5)。当通过目镜观察图像,成像光束发散出通过eyelens似乎源自虚拟源(位于 图像平面(3’) )。 照明光线退出目镜组成一个锥构成的出射光瞳显微镜,也通常被称为 眼睛点 或 拉姆斯登盘 。 适当的放大观察标本的显微镜出射光瞳的学生必须配合观察者的眼睛。
图像平面2、3、3 ',4(图7 - 11)相关几何如图12所示。 在所有的成像步骤,除了 图像平面(3’) ,图像是真实的,倒(参见图7 - 11)。 当显微镜目镜用于直接观察(图11)而不是投影(图9),图像 图像平面(3’) 不是真的,但虚拟和不是倒相对于中间的形象。 人类的眼睛不会认为视网膜上的图像( 图像平面(4) )倒,即使图像是倒在中间图像( 图像平面(3) )和虚拟映像(位于 图像平面(3’))。
显微镜的主要图像平面的几个发生在固定或可调光圈或横隔膜,这是所有光学系统的重要组件。 隔膜,也称为 停止 ,是一个不透明的门或一个物镜与一个圆形开口(通常是可调)控制通过显微镜光流。 两种基本类型的显微镜利用膜片: 光圈 调整显微镜的孔径角,和 场隔膜 控制字段的大小成像的仪器。 膜片在光学显微镜的主要作用是防止光线严重畸变和杂散光进入图像平面,并确保适当的分布和强度的光在物体和图像空间。
古典显微镜设计依赖于两个孔和两个膜片通过显微镜来控制光的通道。 隔膜,定位在灯箱或在显微镜的基础,是一个可调iris-type隔膜,确定照明光场的大小。 定位在冷凝器焦平面冷凝器孔,另一个膜片,利用调整梁的大小和角度的光线的标本。 第三个孔固定大小,位于后焦平面的目标。 这个孔径决定的客观的出射光瞳直径和大小的中间图像,而共轭固定隔膜目镜(目镜字段隔膜)的大小决定viewfield被显微镜工作者。
的总放大显微镜可以确定通过考虑客观和目镜的属性。 目标是纠正为特定的投影距离,这是特定于放大,光管长度约等于。 在固定管长度显微镜,这种投影距离大约是160毫米。 因此,8-millimeter焦距目标将横向放大率的大约20 x(160/8)相应的纵向放大率的400 x(20锟�0)。
视觉观察,目镜放大被认为是标本(或图像)时统一放置在一个250毫米的距离从观察者的眼睛。 在这方面,一个目镜焦距的25毫米会放大10倍(250/25)的价值。 显微镜总放大视觉观察是通过计算产品的目标和目镜的放大。 刚刚描述的客观和目镜,总横向放大率约200 x(10倍目镜乘以20 x目标)。 应该注意的是,大多数现代研究显微镜配有infinity-corrected目标不再项目中间图像直接在中间图像平面。 光从这些目标而不是集中到无穷大,和第二个镜头,称为 管透镜 在焦平面,形成图像。 Wavetrains离开infinity-focused目标是平行光,允许引入辅助组件,如微分干涉对比(DIC)棱镜偏振器件,和epi-fluorescence照明者、平行光路客观和管之间的镜头只有一个对焦点和像差修正的影响很小。
中间图像的放大与infinity-corrected光学显微镜系统是由管透镜的焦距的比值和物镜。 因为管透镜的焦距变化之间的160和250毫米(取决于制造商和模型),客观的焦距可以不再被认为是160毫米除以放大。 因此,客观的8毫米焦距infinity-correct显微镜与管200毫米的镜头焦距的横向放大率25 x(200/8)。
老有限或固定管长度、显微镜有一个指定的距离鼻甲,桶的目的是获得,目镜的眼座管。 这个距离是称为 机械管长度 的显微镜。 设计假设当标本放在重点,它比前面几微米远焦平面的目标。 有限管长度在160毫米标准化在十九世纪的皇家显微镜学会(RMS),享受被普遍地接受了100多年。 目标设计用于显微镜有一管160毫米的长度上刻有该值。
将光学配件添加到固定管长度显微镜光路的增加有效管长度值大于160毫米。 出于这个原因,添加垂直反射光照明,两极分化的中间阶段,或类似附件可以介绍球面像差到一个否则perfectly-corrected光学系统。 期间大多数显微镜固定管长度、制造商被迫将额外的光元素放入这些配件重建的有效长度160毫米管显微镜系统。 这一行动的成本往往是放大的增加和减少光强度产生的图像。

记录图像与视频显微镜,光电二极管阵列CCD相机,或古典显微摄影胶片相机,专业正透镜通常放置在目镜后(参见图10)。 光线离开目镜,集中到无穷大,由正透镜聚集到飞机的光电阴极,CCD阵列或照相乳剂。 忽视了物镜的放大倍数时,投影系统的横向放大率( M(p) )是表示为 :

M(p)= f(p)/ f(e)

在哪里 f(p) 投影透镜的焦距和吗 f(e) 目镜焦距。 在这种投影系统,总横向放大率( 米 )面板的摄像机CCD光电二极管阵列或照相乳剂 :

M = M(o)+ M(p)

M = M(o)M(e)f(p)/ 250毫米

在哪里 米(o) 客观的放大和吗 米(e) 目镜放大。 如果不利用投影镜头背后的目镜,而是采用目镜本身项目图片到视频图像传感器或照相乳剂,总横向放大率 :

M = M(o)D(p)/ f(e)

在哪里 D(p) 是图像的投影距离目镜飞机。 为了避免图像失真,至少一个值应该用于20到30厘米 D(p) ,除非采用一种特殊的目镜。
目镜的放大刻在客观桶或制造商rim公司的名义和必须与舞台测微计校准得到精确值。 放大测量是通过把舞台的样本平面上的千分尺(在显微镜下舞台上)和成像的细线在相同的光条件下统治。
在某些情况下,相机传感器是直接放置在中间图像平面,不存在投影目镜和结果的图像放大限于产生的目标。 这种方法只推荐当视频系统的性能绝对可用光的数量是有限的,因为这样的一个固定放大将严重限制的能力优化Zui终的视频图像的质量。

总之,通过有限管长度和射线路径infinity-corrected显微镜进行了综述和图12和13所示。 有限(固定管长度)显微镜光学系统如图12所示,其中包括必要的光元素和射线跟踪定义图像平面的关系。 标本位于前一小段距离目标前焦平面成像通过共轭飞机在眼睛的视网膜上 图像平面(4)。 物镜项目实际和放大的实像标本的中间像面显微镜( 图像平面(3) ),它位于目镜的中心领域目标背后的隔膜在一个固定的距离。 在图12中,目标后方焦平面定位在光轴上的位置标记F”(客观) ,这个焦平面之间的距离和中间图像平面代表显微镜的光管长度。
天线的中间图像进一步放大了显微镜目镜和产生正像标本的视网膜表面,这似乎倒置显微镜工作者。 正如上面所讨论的,标本的放大倍数计算考虑样本之间的距离和目标,和前面的物镜的焦距系统( F(客观) )。 中间平面的图像产生的因素进一步放大25厘米(称为近距离眼睛)除以目镜的焦距。 观察者的视觉形象(虚拟)看起来好像是10英寸远离眼睛。
大多数目标都纠正图像距离的一个狭窄的范围内工作,和许多工作只有在具体改善光学系统设计与匹配的目镜。 刻的放大目标桶管长度的定义目标设计的显微镜。

如图13所示的光学系统,使用射线追踪,infinity-corrected显微镜系统。 这个系统的组件标记以类似方式finite-tube长度系统(图12),便于比较。 在这里,放大的目的是由管透镜的焦距。 注意的无限“无限远的空间被定义为平行光束在每一个方位目标和管之间的镜头。 这是显微镜制造商使用的空间添加附件,如垂直照明,DIC棱镜,偏振器件,缺陷板、等,用更简单的设计和小图像的失真。 客观infinity-corrected系统的放大率等于管透镜的焦距除以焦距的目标。
在光学显微镜、共轭平面成像到彼此,集体可以观察到在检查标本的目镜。 这个概念如图14所示的图像彩色植物组织的薄片叠加虹膜叶子上的隔膜和目镜的聚焦分划板中间图像平面。 可变光圈,毗邻灯聚光透镜成像大幅成相同的平面标本的显微镜冷凝器。 场隔膜和标本的图像形成的中间目标和图像平面的投射到固定字段隔膜的目镜,聚焦十字线的位置。 随后,目镜(与观察者的眼睛,位于 图像平面(4) )形式的图像传感器表面上的所有三个图像平面的成像系统或人眼的视网膜。 隔膜,标本,中间图像,视网膜都构成一组共轭图像平面,同时出现在焦点。