咋样解决显微镜透镜误差的困扰

2021-10-25 14:52:26 admin 11

镜头系统中的常见光学缺陷(像差)


2021/10/20 9:01:50 发布者:admin
由于我们使用显微镜来看标本,除了失真的图像外,还有透镜误差的困扰,这些问题,无不对显微镜成像的清晰度和解析度产生较大影响。下面我们来看看这其中的产生缘由和咋样规避减小这样的误差产生。


显微镜和其他光学仪器通常受到透镜误差的困扰,这些误差会通过与透镜表面的球面几何形状导致的缺陷(通常称为像差)相关的各种机制使图像失真。在显微镜中观察到的非理想镜头作用(误差)的三个主要来源。

在三大类镜头误差中,有两个与波前和焦平面相对于显微镜光轴的方向有关。这些包括在轴透镜错误,如色差和球面像差,和主要离轴表现为误差慧差,散光,和场曲率。在具有变焦镜头系统的体视显微镜中常见的第三类像差是几何畸变,包括桶形畸变和枕形畸变。

一般来说,显微镜中光学像差的最终影响是在被观察或数字记录的图像的微小特征和样本细节中引起缺陷。18 世纪,伦敦仪器制造商约翰·多伦 (John Dollond) 发现,在透镜制造过程中结合使用两种不同类型的玻璃可以减少或消除色差,从而首次解决了显微镜中的镜头伪影问题。几十年后,在 19 世纪,开发了具有高数值孔径的消色差(无色差)物镜,尽管镜头仍然存在几何畸变问题。现代玻璃配方和抗反射涂层,加上先进的研磨和制造技术,几乎消除了当今显微镜物镜的大部分像差。但是,仍然必须仔细注意这些伪影,尤其是在进行高倍数字显微镜检查或使用具有变焦镜头系统的体视显微镜时。

色差- 球面镜片中观察到的最常见故障之一,色差的发生是因为镜片根据波长以不同角度折射白光中存在的各种颜色(见图 1)。红光与绿光或蓝光的折射角度不同,因此透镜光轴上的焦点离红光透镜更远。同样,绿光比红光更靠近镜头,而蓝光则聚焦在最靠近镜头的平面上。这种现象通常称为色散并且在一定程度上出现在所有球形透镜元件中。镜头无法将所有颜色带入一个公共焦平面,这导致三个主要波长组中的每一个的图像尺寸和焦点略有不同。结果是图像周围出现彩色条纹或光晕,光晕颜色随着物镜焦点的变化而变化。

由于每个颜色组的焦平面不同而产生的图像放大率差异加剧了色差伪影,这种效应称为放大率色差。通过制造由具有不同颜色分散特性的单个元件组成的复合透镜,可以显着减少或消除这种类型的像差。现在镜片设计师可以使用各种各样的光学眼镜。例如,冠玻璃具有分散性能,使它在一个透镜要配对双峰用火石玻璃元件产生消色差双合透镜系统,将蓝色和红色波长聚焦在同一图像平面上。使用更复杂的玻璃配方和形状对光学系统进行额外改进,可以进一步减少色差。

球面像差 - 一种可能对显微镜产生的图像产生严重后果的潜在严重伪影,球面像差是使用具有球面的镜头的结果,这是目前唯一实用的镜头设计方法。当穿过透镜外围的光波与穿过透镜中心的光波没有精确聚焦时,就会发生球面像差(参见图 2 中使用单色红光的示例)。结果是不存在明确定义的图像平面,并且标本无法正确聚焦。例如,当显微镜进入其“最佳”焦点时,点光源表现为一个被明亮光晕或一系列衍射环包围的点。具有显着厚度的复杂标本通常非常模糊以致无法识别,尤其是在视场的外围。

光学系统(如显微镜)的球面像差校正通常是通过将不同厚度的正负透镜元件粘合在一起形成复合透镜组来实现的。球面像差在镜头分辨率方面非常重要,因为它们会影响沿光轴的点的重合成像并降低镜头的性能,这将严重影响样品的清晰度和清晰度。通过使用光圈限制镜头的外边缘暴露在光线下,以及在光学系统内使用非球面镜头表面,通常可以减少这些镜头缺陷。

最高质量的现代显微镜物镜以多种方式解决球面像差问题,包括特殊的透镜研磨技术、改进的玻璃配方和更好地控制光路。高度校正球差的物镜通常是为特定条件而设计的,例如严格的盖板玻璃厚度限制、油浸和窄的折射率公差。一些高干无油物镜提供可调节的校正环,以解决盖玻片厚度的变化。显微镜操作员应仔细研究专用物镜的基本要求,以确保在非设计条件下使用物镜不会引入某些球差。

慧差 - 在许多方面类似于球差,彗差通常会遇到离轴光线,并且在显微镜未正确对准时最为严重。这种像差因其与彗星尾巴的形状非常相似而得名,表现为从视野边缘的聚焦点发出的光条纹。由于彗差在图像中产生的不对称性,它通常被认为是最有问题的像差。它也是最容易证明的畸变之一。例如,在阳光明媚的日子里,当使用放大镜将太阳的图像聚焦在人行道上时,当放大镜相对于太阳的主要光线倾斜时,可以在图像中看到彗形像差.太阳的图像,当投射到混凝土上时,会拉长成彗星状,这是彗形像差的特征。

具有彗形像差的图像所显示的独特形状是由于入射角变得更倾斜(离轴)时穿过各个透镜区域的光线产生折射差异的结果。彗差的严重程度是薄透镜形状的函数。在极端情况下,彗差会导致子午线穿过镜头的外围到达像平面,比穿过镜头中心部分的光线更靠近轴(并且更靠近主光线,如图所示) 3)。在这种情况下,外围光线产生最小的图像,彗形像差被称为负值。相比之下,当外围光线聚焦在轴下方以产生更大的图像时,像差被称为正.“彗星”形状的“尾巴”可能指向视场的中心或远离,这取决于像差是正值还是负值。光圈较宽的镜头彗形像差的程度更大,并且可以通过减小光圈大小来(部分)校正。对于给定的物镜和目镜组合,显微镜设计者通常会尝试校正彗形像差以适应物场的直径。

散光 - 散光像差类似于彗差;然而,这种伪影对光圈大小并不敏感,它更依赖于光束的倾斜角。像差表现为样本点的离轴图像显示为线或椭圆而不是离散点。根据进入镜头的离轴光线的角度,线图像可能会在两个不同方向(见图 4)、切线(子午线)或矢状线(赤道线)方向上定向。单位图像的强度比会降低,随着与中心距离的增加,清晰度、细节和对比度会丢失。

在较便宜的显微镜中,散光通常是由于制造错误或镜头在其框架中安装不当或在物镜镜筒内的方向造成的不对称镜头曲率的结果。散光透镜误差通常通过设计显微镜物镜来校正,以提供单个透镜元件的精确间距以及适当的透镜形状和折射率。单个透镜元件的仔细对准和调整是通过垫片和垫片来完成的,以减少或消除散光的影响。

场曲 - 也通常被称为场曲,该像差,这是采用具有弯曲表面的透镜的自然结果,是许多有经验的显微镜非常熟悉。当光线通过曲面透镜聚焦时,该透镜产生的图像平面将弯曲,如图 5 所示。图像可以聚焦在A点和B点之间的范围内在边缘或中心产生清晰的焦点。归类为离轴像差,场曲产生具有凹球面形状(类似于凸透镜表面)的图像平面,如从物镜所见。虽然可以通过平移物镜使连续的区域聚焦,但整个图像不能同时聚焦在平坦表面上,例如胶片平面或 CCD 或 CMOS 图像传感器的表面。

光学设计师通过在专门设计的平场物镜中向物镜添加校正透镜元件来处理场曲。尽管场曲的光学校正需要在设计中添加几个新透镜,但这些物镜(称为平面或平面)是当今使用的最常见的物镜类型。场曲很少完全消除,但通常很难用大多数平面校正物镜检测边缘曲率。因此,非常有限的场曲度通常不会降低显微照片或数字图像的质量。在低倍率下,伪影更为严重,并且对于立体显微镜来说可能是一个严重的问题。

几何失真 - 图像失真是立体显微镜中常见的一种像差,表现为图像形状的变化,而不是锐度或色谱的变化。两种最普遍的几何畸变类型,正畸变和负畸变(通常分别称为枕形畸变和桶形畸变)通常会出现在非常清晰的图像中,否则这些畸变对球面像差和色差以及彗差和散光都进行了很好的校正。当图像出现失真时,图像中不再保留样本的真实几何形状。图 6 说明了计算机微处理器集成电路图像中相当显着的枕形和桶形失真的示例。

几何畸变可能难以检测,特别是当像差相对较小且样品缺乏周期性结构时。这种类型的伪影在具有直线的样本中最为严重,例如周期性网格、正方形、矩形或其他规则的多边形特征,这些特征很容易显示因变形而存在的曲率。在使用包含弯月面、凹面、半球形和厚凸透镜的复合透镜系统(长焦、鱼眼和变焦)的光学设计中经常会发现失真。复杂的镜头系统,例如变焦设计,会产生相当明显的畸变,畸变可能随焦距而变化,在长焦距下会产生枕形畸变,在短焦距下会产生桶形畸变。出于这个原因,立体变焦显微镜通常存在大量畸变,并且显微镜制造商在减轻这种像差方面付出了相当大的努力。