显微镜物镜 Microscope objectives

2022-11-09 10:36:18 浏览:469

定义

显微镜的光学元件,紧挨着被观察物体。

显微镜物镜是实现显微镜高性能的关键部件。 它是放置在被观察物体旁边的部分,通常在几毫米的相当小的距离内。 通常,显微镜物镜在显微镜中产生中间图像,然后用目镜(目镜)进一步放大。 特别是在高放大倍率的情况下,大部分放大倍率由物镜提供。

大多数显微镜物镜基于折射光学元件,包含多个透镜。 例如,简单的低数值孔径物镜可能包含弯月透镜和消色差透镜。 高数值孔径物镜通常包含半球形、弯月面、消色差双峰和三重透镜等各种类型的透镜的更复杂的组合。

还有反射物镜,包含曲面镜,没有透镜。 它们天然是消色差的,可能有利于在极端波长域中操作。 此外,它们可以表现出较低的光功率损耗。

放大

显微镜通常在可旋转物镜转盘上包含多个物镜,例如只有4×放大倍率的扫描透镜,具有10×的中间透镜(小型物镜)和具有40×或100×放大倍率的高分辨率大物镜。 例如,目镜可能会在放大倍率上贡献另一个 5 或 10 倍。

请注意,如果仅使用大放大倍率只会使图像变大而不增加细节水平,则单独使用大放大倍率是没有帮助的;请参阅下面有关数值孔径的部分。

通常还有颜色编码的环表示不同的放大倍数值,例如黑色表示 1 ×,黄色表示 4 ×,绿色表示 10 ×等。

焦距

显微镜物镜的焦距通常在2 mm至40 mm之间。 然而,该参数通常被认为不太重要,因为放大倍率和数值孔径足以量化显微镜的基本性能。

数值孔径

放大倍率越高,所需的数值孔径也就越高,因为这是最终限制可实现的图像分辨率的因素。 计算图像分辨率的方法不同,情况略有不同,但它们导致相似的分辨率值,大致为λ/(2 NA),其中λ是光学波长(约400至700nm),NA是数值孔径。 例如,NA 为 1 时,绿光的图像分辨率约为 250 nm。 对于低放大倍率,0.1的数值孔径可能完全足够。

使用物镜和物体之间的空气操作的干物镜可实现的最高数值孔径约为0.95。 使用浸没物镜可以实现更高的值,例如1.5甚至更高,其中物体和物镜之间的间隙充满液体 - 水或一些具有更高折射率的浸油,通常略高于1.5。 优化的浸油不仅具有高折射率,而且还具有合适的粘度和在表面上产生污渍的低倾向。 它们可以长时间留在目标上而不会损坏它。

请注意,油浸可能无法正常工作,例如,在水溶液中观察生物样品时,油仅在盖玻片和物镜之间。 在这种情况下,可能必须使用特殊的水浸物镜。

最佳照明可能还需要在该侧浸油。

图像校正

特别是对于具有高数值孔径的物镜,只有通过大量努力校正各种光学像差(例如球面,散光,彗差,视场曲率,图像失真和色差),才能实现高图像质量。 例如,平面复消色差物镜具有特别复杂的设计,可提供最佳的平场校正和良好的消色差性能。

色差主要是由焦距的波长依赖性引起的。 它们会导致彩色图像失真。 对于传统显微镜,与其他类型的光学显微镜(例如某些类型的激光显微镜)相比,它们可能非常相关。 复消色差物镜可以最好地抑制色差。

不要忘记盖玻片的影响!

至少对于高放大倍率,盖玻片对色差和球面像差的影响可能非常重要。 因此,用于生物学等领域的物镜(通常需要盖玻片)的设计具有集成的盖玻片校正功能。 校正通常针对 170 μm 的标准滑移厚度进行。 对于数值孔径高(例如0.95)的物镜来说,仅10 μm的偏差已经是相当成问题的。 一些物镜允许调整校正后的盖玻片厚度。

请注意,一些显微镜设计依赖于通过目镜校正物镜的一些残余像差。

不幸的是,没有完美的解决方案;因此,人们必须接受某些权衡,这会导致针对不同应用的不同优化解决方案。 例如,最佳的平场特性对于测量显微镜来说是最重要的;然后,人们可以容忍更大的色差。

有限校正和无限远校正显微镜物镜

较旧的显微镜通常需要有限校正物镜。 在这里,物体应该放置在物镜前焦平面下方一点的地方,中间图像发生在距离物镜160毫米的有限距离处。 这样的物镜旨在将配置中的图像失真降至最低。

有限校正物镜总是针对一定的管长而设计的,例如根据DIN或JIS标准(管长相差10 mm)。 使用错误标准的物镜可能会显着降低获得的图像质量。

现代显微镜大多需要无限远校正物镜,其中物镜的中间图像单独位于无限远的距离。 在这里,需要在显微镜中增加一个管透镜,以在目镜的光圈处生成中间图像。

关于显微镜的文章解释了基于远场校正物镜的显微镜设计的优势。

波长范围

光学显微镜通常基于可见光成像,即在400nm至700nm的波长区域工作。 因此,大多数显微镜物镜都针对该波长范围进行了优化,最强调的是480 nm至640 nm的区域。 然而,有些物镜的增强范围为400 nm至950 nm,而其他物镜则在红外线下进一步工作。 例如,对于需要传输红外激光束的激光显微镜,这是必需的。

请注意,不仅在整个波长范围内具有良好的透射率,而且消色差性能也很重要。 在传统的光学显微镜中,这是为了避免彩色图像失真的需要。 在共聚焦多光子荧光显微镜中,红外激光的焦点位置与荧光的焦点位置相同非常重要。

物镜上的标签

关键参数通常很容易在物镜外筒的激光雕刻标签上找到。 一些例子:

  • 标签“50× / 0.8”表示放大倍率为50×,数值孔径为0.8,可能是干物镜。
  • “100× / 1.30 油”表示浸油达到 100 ×倍率和 1.30 的数值孔径。
  • “∞ / 0.17”表示具有球面像差补偿的无限场校正物镜,盖玻片厚度为0.17 mm,而“160 / 0.17”表示具有160 mm管长和相同盖玻片厚度的显微镜的有限校正物镜。
  • “WD 0.21”表示工作距离为 0.21 mm。
  • “DIC”表示差分折射率对比度成像的设计。
  • “荧光计划”表示平场复消色差物镜,即具有平场校正和复消色差特性。
  • “DIN”表示物镜是根据DIN(德国工业规范)显微镜标准关于管长制造的,而“JIS”表示日本标准,管长一些。

图1:显微镜物镜。资料来源:卓越科技。前面的那个,用于检查,是一个平面复消色差物镜,放大倍率为5×,数值孔径为0.14,无盖玻片的无限远校正,焦距为200毫米。

显微镜物镜螺纹

在大多数情况下,显微镜物镜使用螺纹安装在显微镜的物镜转盘上。 不幸的是,不同的制造商和不同类型的目标使用不同的螺纹尺寸。 在某些情况下,可以使用特殊的适配器将物镜应用于具有不同螺纹的显微镜。

暗场照明的物镜暂定更大,为照明光提供了额外的空间;因此,它们通常与较大的线程一起使用。

显微镜物镜的其他品质

另一个实际重要的因素是工作距离,即物镜和物体之间的距离。 高数值孔径物镜通常需要较小的工作距离,但也可以在一定程度上作为设计目标进行优化(可能在一定程度上影响数值孔径或校正)。 对于油浸物镜,相对较小的工作距离实际上是好的,因为否则需要更多的浸没液,并且更难固定到位。

一些显微镜允许通过物镜将照明光注入样品。 因此,重要的是物镜中没有明显的光散射。

显微镜物镜设计

虽然显微镜物镜有时被称为物镜,但它通常包含多个物镜。 数值孔径越高,所需的图像质量越高,需要的设计就越复杂。 高端显微镜物镜也可能涉及非球面透镜。

高质量显微镜物镜的设计是一项相当复杂的任务,为此需要大量的光学专业知识和强大的光学设计软件。 此类设计涉及复杂的权衡,应根据特定应用的不同方面的重要性进行适当处理。

光束聚焦和光纤耦合与显微镜物镜

显微镜物镜有时用于显微镜以外的应用。 例如,它们可用于激光束的紧密聚焦,光斑尺寸为几微米甚至低于1μm。 如果输入光束是准直光束,则无限远校正物镜效果最佳。 物镜应具有与所需光斑尺寸相关的光束发散度的数值孔径。 还应适当选择输入光束半径,即根据所需的光斑尺寸和焦距计算。 找出焦距可能是一个困难,因为物镜筒通常只指示放大倍率,而焦距的转换取决于显微镜设计。

另一个应用是将光发射到单模光纤中或从这种光纤准直光。 同样,物镜应具有与光纤数量级相同的适当数值孔径。 有关更多详细信息,请参阅有关光纤发射系统的文章。

对于此类应用,色差通常不是问题,因此不会利用物镜的色差校正。 此外,不需要宽视野。 另一方面,用于可见光的显微镜物镜可能不具有理想的特性,例如用于将近红外光发射到光纤中,并且其功率处理能力有限(但通常没有指定)。 因此,显微镜物镜可能不是此类应用的理想解决方案。 但是,可能必须使用它,例如,如果没有其他镜头可用于达到所需的小光斑尺寸。

光学测量

作          者: 泮桥成像光电商城

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