柯勒照明

2021-04-19 15:15:24 浏览:3510

定义

柯勒照明(Köhler illumination)是一种将光源像成在物镜入瞳面的照明方法。

历史沿革

在柯勒照明之前,临界照明是样品照明的主要技术。临界照明的主要局限性在于光源(通常是灯泡)的图像与样本图像位于同一平面,即在最终图像中可见灯泡灯丝。光源的图像通常称为灯丝图像。因此,临界照明会导致样品的照明不均匀。灯丝图像中的明亮区域会更强烈地照亮样品的那些区域。临界照明会在图像中引入诸如眩光和阴影之类的伪影,因此需要改进这种不均匀的照明技术。

可以使用多种方法来散布灯丝图像,包括降低光源的功率或在灯泡和样品之间使用乳色玻璃灯泡或乳色玻璃扩散器。这些方法在某种程度上都具有减少照明不均匀的功能,但是它们都降低了照明强度并改变了到达样品的光的波长范围。

为了解决这些限制,奥古斯特·柯勒(AugustKöhler)设计了一种新的照明方法,该方法使用完全散焦的光源图像来照明样品 这项工作发表于1893年的《时代周报》[1],不久之后又在《皇家显微学会杂志》上发表了英文译本[2]

柯勒照明主要用于透射式和反射式光学显微镜的标本照明作用是产生均匀的样品照明,并确保在所得图像中看不到照明源的图像(例如卤素灯丝)。柯勒照明是现代科学光学显微镜中用于样品照明的主要技术。它需要附加的光学元件,这些附加的光学元件更昂贵并且在更基本的光学显微镜中可能不存在。

柯勒照明也已在非成像光学领域得到发展[3]

原理及基本结构

阿贝照明的主要限制是在标本图像平面中形成光源的图像。柯勒照明通过确保光源图像在样品平面及其共轭图像平面中离焦来解决此问题。在照明光路的光线图中,这可以看作是成像光线是平行穿过样品的。

柯勒照明主要有四个光学组件成,分别是前置透镜、前置透镜后光阑、聚光镜前光阑和聚光透镜,主要光路如图1所示。

图 1 柯勒照明光路图

这些组件按顺序位于光源和样本之间,并控制样本的照明。前置透镜(也称柯勒镜)用于收集来自光源的光并将其聚焦在聚光镜光阑平面上[4]。聚光镜光阑放置在聚光镜的前焦平面,聚光镜继而将来自光源的光投射穿过样品,而不会聚焦[5]。在紧靠柯勒镜后放置光阑1,光阑1限制了进入柯勒镜的光束孔径,是柯勒镜的孔径光阑。聚光镜光阑(光阑2)限制了柯勒镜的照明光源的视场,称作柯勒镜的视场光阑。光阑2限制了聚光镜光束的孔径,是聚光镜的孔径光阑,柯勒镜的孔径光阑限制的成像物镜的视场,是成像物镜的视场光阑。也就是也就是说柯勒照明是“窗对瞳、瞳对窗”的光管[6]

这种照明方案创建了两组共轭图像平面,一组为光源图像平面,另一组为样品图像平面。这两组图像共轭平面位于以下位置(有关数字和字母,请参见图2):

光源图像平面(图像中标有浅绿色条):(1)灯丝;(2)聚光镜前光阑;(3)物镜的后焦平面;(4)视点

标本图像平面:(A)柯勒镜后光阑;(B)标本;(C)中间像平面(目镜光阑);(D)眼视网膜或相机传感器

图 2 柯勒照明共轭面示意图

照明特点

柯勒照明的主要优点是样品的照明均匀[7]。这样可以减少图像伪像并提供高的样品对比度。样品的均匀照明对于先进的照明技术(例如相位对比和微分干涉对比显微镜)也至关重要。

调节聚光镜光阑会改变样品对比度。此外,可以通过改变聚光镜的尺寸来改变显微镜的有效数值孔径进而改变样品的景深。聚光镜的作用类似于摄影中的光圈,尽管显微镜的聚光镜通过控制标本的照明来起作用,而照相机的光圈则通过控制探测器的照明来起作用。

改变聚光镜光阑,可以自由调节进入样品的光量,而不会改变存在的光波长,这与通过临界照明(改变灯的色温)降低光源的功率形成了对比。然而,如上所述,该调节总是与系统的数值孔径的改变耦合,因此仍然需要通过其他手段来调节照明源强度。

通过调节视场光阑,设置样本平面中视场光阑的像略大于样本成像区域的尺寸。当视场光阑,样本和目镜场光阑全部位于共轭像平面上时,此调整允许照明光线完全填充目镜视场,同时将必须被目镜视场阑阻挡的多余光量降至最低。这种多余的光会在系统内部散射并降低对比度。

测试和设置

必须定期检查使用柯勒照明的显微镜是否正确对准。重新对准程序需要测试正确的光学组件是否在聚焦在两组共轭像平面,光源像平面和标本像平面。

通常通过首先加载测试样本,通过移动物镜或样本使其聚焦来使得成像在样本像平面上的光学组件对准。之后将视场光阑部分关闭,光阑的边缘应与样本位于同一共轭像平面中,可以通过增大或减小聚光镜和光阑来调节焦点使得光阑边缘聚焦。最后,将视场光阑重新打开,使其刚好超出视场。

为了测试组件在光源像平面上的对齐程度,必须取下目镜以直接观察中间像平面(目镜光阑的位置),也可以使用相位望远镜/贝特朗透镜观察。光源(例如灯泡灯丝)和聚光镜的边缘应对准焦点。物镜的后焦平面(例如,相衬显微镜的相环)和聚光镜(例如相衬显微镜的环面)上的任何光学组件也应聚焦。

参考文献

[1] Köhler, August (1893). “Ein neues Beleuchtungsverfahren für mikrophotographische Zwecke”. Zeitschrift für wissenschaftliche Mikroskopie und für Mikroskopische Technik. 10 (4): 433–440.
[2] Koehler, August (1894). “New Method of Illumination for Photomicrographical Purposes”. Journal of the Royal Microscopical Society. 14: 261–262.
[3] Chaves, Julio (2015). Introduction to Nonimaging Optics, Second Edition. CRC Press. ISBN 978-1482206739.
[4] 沈默. LED投影显示照明系统研究 [D]. 浙江大学, 2006.
[5] 刘倩. 基于微透镜阵列的红外多目标背景复合系统研究 [D]. 哈尔滨工业大学, 2014.
[6]工程光学 [M]. 机械工业出版社,郁道银,谈恒英, 2017
[7] 师小波. 基于LED微投影仪中照明系统优化设计的研究 [D]. 燕山大学, 2010.

作          者: 泮桥成像光电商城

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