从显微镜物镜上的标识认知物镜的功能

2021-12-07 15:00:18 admin 11

显微镜物镜是显微镜的重要组成部分,功能也就各有不同,在显微镜观察上发挥着不同的作用,其型号和功能也基本标注在物镜筒的表面上。

识别单个物镜的特性通常非常容易,因为重要的参数通常刻在物镜本身的外壳(或镜筒)上,如图 1 所示。该图描绘了一个典型的 60x 平面复消色差物镜,包括常见的雕刻,其中包含确定物镜的设计目的和正确使用所必需的条件所需的所有规范。

显微镜制造商提供广泛的物镜设计,以满足专业成像方法的性能需求,补偿盖玻片厚度变化,并增加物镜的有效工作距离。通常,仅通过查看目标的构造,特定目标的功能并不明显。有限显微镜物镜旨在将衍射极限图像投射到固定平面(中间像平面),由显微镜管长度决定,位于距物镜后焦平面预先指定的距离处。显微镜物镜通常设计为与特定的一组目镜和/或套管透镜一起使用,这些目镜和/或镜筒透镜被战略性地放置,以帮助消除残余光学误差。例如,旧的尼康和奥林巴斯补偿目镜与高数值孔径萤石和复消色差物镜一起使用,以消除横向色差并改善视场平坦度。较新的显微镜(来自尼康和奥林巴斯)具有完全校正的物镜,不需要目镜或镜筒透镜的额外校正。

大多数制造商现在已经过渡到无限远校正物镜,从每个方位角到无限远以平行光束投射新兴光线。这些物镜在光路中需要一个管透镜,以将图像聚焦在中间像平面上。无限远校正和有限管长度显微镜物镜不可互换,不仅必须与特定类型的显微镜相匹配,而且通常还必须与来自单一制造商的特定显微镜相匹配。例如,尼康无限远校正物镜不能与奥林巴斯无限远校正物镜互换,这不仅是因为管长不同,还因为安装螺纹的螺距或直径不同。物镜通常包含一个铭文,表示将讨论的管焦距。

每个目标的桶上都刻有丰富的信息,可以分为几类。其中包括线性放大倍率、数值孔径值、光学校正、显微镜镜筒长度、物镜设计的介质类型以及决定物镜是否按需要执行的其他关键因素。下面提供了对这些属性的更详细讨论,并提供了指向处理特定问题的其他页面的链接。

  • 制造商- 物镜制造的名称几乎总是包含在物镜上。图 1 中所示的物镜是由日本一家名为Nippon的虚构公司制造的,但类似的物镜由尼康奥林巴斯蔡司徕卡制造,这些公司是显微镜行业中一些最受尊敬的制造商。

  • 线性放大- 在图 1 中的复消色差物镜的情况下,线性放大率为 60 倍,尽管制造商生产的物镜的线性放大倍数范围从 0.5 倍到 250 倍不等,其间有多种尺寸。

  • 光学校正- 这些通常列为AchroAchromat(消色差),列为 Fl、Fluar、FluorNeofluarFluotar(萤石)以获得更好的球面和色度校正,并列Apo(复消色差)以获得最高程度的球面校正和色差场曲校正缩写为PlanPlEFAchroplanPlan ApoPlano其他常见的缩写是ICS(无限远校正系统)和UIS(通用无限远系统)、NNPL(正常视野平面)、Ultrafluar(玻璃萤石物镜,透明至 250 纳米),以及CFCFI(无铬;铬-免费无限)。图中的物镜(图 1)是一个平面复消色差仪,具有最高的光学校正度。请参阅表 1,了解常见于物镜桶上的缩写的完整列表。

专业目标名称
缩写类型
消色差、消色差消色差校正
Fluor, Fl, Fluar, Neofluar, Fluotar萤石像差校正
载脂蛋白复消色差校正
计划,Pl,Achroplan,普莱诺平场光学校正
EF,Acroplan扩展视野
(视野小于平面)
不良贷款正常视野平面图
计划载脂蛋白复消色差和平场
校正
UPLAN奥林巴斯通用计划(明场、
暗场、DIC 和偏振光)
LUNikon Luminous Universal(明场、
暗场、DIC 和偏振光)
L、LL、LD、LWD长工作距离
ELWD超长工作距离
SLWD超长工作距离
超轻型飞机超长工作距离
校正,带校正,CR矫正衣领
我,鸢尾花,带鸢尾花可调数值孔径(带可变光阑)
石油,Oel油浸
水,WI,水浸水
你好均匀浸入
甘氨酸甘油浸泡
网卡、网卡差分或 Nomarski 干涉对比
CF、CFI无铬,无铬无限校正(尼康)
ICS无限远色彩校正系统(蔡司)
有效值皇家显微学会物镜螺纹尺寸
M25、M32公制 25 毫米物镜螺纹;公制 32 毫米物镜螺纹
相位、PHACO、PC相衬
博士 1、2、3 等相位冷凝器环 1、2、3 等。
DL、DLL、DM、BM相衬:暗低、暗低低、暗中、亮中
锁相环、锁相环相衬:正低,正低低
下午,PH相衬:正中、正高对比度(折射率较高的区域显得更暗。)
荷兰,新墨西哥,新罕布什尔州相衬:负低、负中、负高对比度(具有较高折射率的区域显得更亮。)
P、Po、Pol、SF无应变、低双折射,适用于偏振光
U、UV、通用用于紫外激发落射荧光的紫外透射(低至约 340 nm)
金相(无盖玻片)
数控、数控无盖玻片
环境影响指数倾斜或 Epi 照明
TL透射光
BBD、HD、B/D明场或暗场(地狱,敦克尔)
D暗场
H与加热台一起使用
犹他州与通用载物台一起使用
DI、MI、TI干涉测量法,非接触式,多光束 (Tolanski)
表格1
  • 数值孔径- 这是一个临界值,表示光接收角,它反过来决定了光收集能力、分辨率和物镜的景深。

    数值孔径

    研究进入物镜前透镜的光锥大小如何随物镜数值孔径值变化。

    入门教程

    一些专为透射光荧光和暗场成像设计的物镜配备了内部可变光阑,可以调整有效数值孔径。这些物镜的镜筒上刻有缩写,包括IIrisW/Iris上图所示的 60 倍复消色差物镜的数值孔径为 1.4,是使用浸油作为成像介质的现代显微镜中可达到的最高数值孔径之一。

  • 机械管长度- 这是安装物镜的物镜转盘开口和插入目镜(目镜)的观察管顶部边缘之间显微镜主体管的长度。显微镜设计的这一方面在我们 引物的机械管长度部分进行了更彻底的讨论 管长度通常刻在物镜上,作为固定长度的毫米数(160、170、210 等),或无限远校正管长度的无穷大符号 (∞)。图 1 中所示的物镜针对无限远的管长度进行了校正,尽管许多较旧的物镜将针对 160(尼康、奥林巴斯、蔡司)或 170(徕卡)毫米的管长度进行校正。

  • 玻璃盖厚度-大多数透射光目标旨在由覆盖玻璃(或盖覆盖图像样本滑移)。对于大多数应用,这些小玻璃板的厚度现在标准化为 0.17 毫米,尽管一批盖玻片内的厚度通常会有一些变化。出于这个原因,一些更先进的物镜具有 内部透镜元件的 校正环调整,以补偿这种变化。校正项圈调整的缩写包括Corrw/CorrCR,但可移动、滚花项圈和刻度尺的存在也是此功能的一个指标。

    盖玻片校正

    了解如何调整高数值孔径干物镜中的内部透镜元件以校正盖板玻璃厚度的波动。

    开始教程 »

    上面链接的交互式 Java 教程允许访问者调整显微镜物镜上的校正环。有些应用不需要根据盖玻片厚度校正物镜。其中包括专为反射光冶金标本、组织培养、集成电路检测和许多其他需要观察而无需补偿盖玻片的应用而设计的物镜。

  • 工作距离- 当样品处于焦点时,这是物镜前透镜和盖板玻璃顶部之间的距离。在大多数情况下,物镜的工作距离随着放大倍数的增加而减小。并非所有物镜都包含工作距离值,它们的存在因制造商而异。常用缩写有:LLLLDLWD(长工作距离)、ELWD(超长工作距离)、SLWD(超长工作距离)、ULWD(超长工作距离)。较新的物镜通常包含刻在枪管上的工作距离大小(以毫米为单位)。图 1 中所示的物镜的工作距离非常短,仅为 0.21 毫米。

  • 专业的光学特性- 显微镜物镜通常具有在特定条件下优化性能的设计参数。例如,有专为偏振照明设计的特殊物镜,由缩写PPo、POLSF(无应变和/或将所有桶形雕刻涂成红色)、相衬(PH和/或绿色桶形雕刻)表示, 微分干涉对比 ( DIC),以及许多其他应用程序的缩写。表 1 中列出了几个缩写,通常是特定于制造商的缩写。图 1 中所示的复消色差物镜针对 DIC 显微照相进行了优化,并在镜筒上标明。DIC 标记旁边的大写 H 表示物镜必须与针对高倍率应用优化的特定 DIC Wollaston 棱镜一起使用。

物镜数值孔径和工作距离
光学校正*和放大倍率数值
孔径
工作距离
(毫米)
ACH 10 倍0.256.10
ACH 20 倍0.403.00
ACH 40x0.650.45
ACH 60x0.800.23
ACH 100x(油)1.250.13
PL 4x0.1022.0
PL 10x0.2510.5
PL 20x0.401.20
PL 40x0.650.56
PL 100x(油)1.250.15
PL FL 4x0.1317.0
PL FL 10x0.3010.00
PL FL 20x0.501.60
PL FL 40x0.750.51
PL FL 100x(油)1.300.10
PL APO 1.25x0.045.1
PL 或 2x0.066.20
PL 或 4x0.1613.00
PL APO 10x0.403.10
PL 或 20 倍0.700.65
PL APO 40x0.850.20
PL APO 60x(油)1.401.10
PL APO 100x(油)1.400.10

*缩写:
ACH、Achromat
PL FL、Plan Fluorite
PL APO、Plan Apochromat

表 2
  • 物镜螺纹 - 几乎所有物镜上的安装螺纹的尺寸都符合皇家显微学会 (RMS) 的标准,以实现通用兼容性。图 1 中的物镜具有直径为 20.32 毫米、螺距为 0.706 的安装螺纹,符合 RMS 标准。该标准目前由制造商奥林巴斯和蔡司生产无限远校正物镜。尼康和徕卡推出了具有更宽安装螺纹尺寸的新型无限远校正物镜,从而打破了标准,使徕卡和尼康物镜只能在他们自己的显微镜上使用。尼康的推理在我们描述尼康 CFI60 200/60/25 规格的部分中进行了解释  用于生物医学显微镜通常用于表示螺纹尺寸的缩写有:RMS(皇家显微学会物镜螺纹)、M25(公制 25 毫米物镜螺纹)和 M32(公制 32 毫米物镜螺纹)。

  • 浸没介质 - 大多数物镜设计用于以空气作为物镜和盖玻片之间的介质对样品进行成像。

    浸油和折射率

    探索成像介质折射率的变化如何影响物镜捕获从样品发出的光线的能力。

    开始教程 »

    为了获得更高的工作数值孔径,许多物镜被设计为通过另一种介质对样品进行成像,从而减少玻璃和成像介质之间的折射率差异。当浸没介质是折射率为 1.51 的特殊油时,高分辨率平面复消色差物镜可以实现高达 1.40 的数值孔径。其他常见的浸渍介质是水和甘油。专为特殊浸没介质设计的物镜通常有一个颜色编码的环,刻在物镜筒的圆周上,如表 3 中所列,如下所述。常用缩写有:Oil、Oel(浸油)、HI(均质浸)、W、Water、Wasser(浸水)和Gly (甘油浸泡)。

  • 颜色代码- 显微镜制造商用颜色代码标记他们的物镜,以帮助快速识别放大倍率和任何专门的浸没介质要求。图 1 所示物镜上的深蓝色代码表示线性放大倍数为 60 倍。当您的物镜转盘包含 5 个或 6 个物镜并且您必须快速选择特定的放大倍数时,这非常有用。一些专门的物镜有一个额外的颜色代码,用于指示实现最佳数值孔径所需的浸没介质类型。用于油的浸没透镜具有黑色环,而用于甘油的浸没透镜具有橙色环,如图 2 左侧的物镜所示。 设计用于对水性介质中的生物进行成像的物镜被指定  带有白色环的水浸物镜,以及用于特殊浸没介质的高度专业化的物镜通常都刻有红色环。表 3 列出了当前大多数制造商使用的放大倍率和成像介质颜色代码。

客观颜色代码
放大色标
1 / 2x未指定颜色
1x黑色的
1.25 倍黑色的
1.5 倍黑色的
2x棕色(或橙色)
2.5 倍棕色(或橙色)
4倍红色的
5倍红色的
10倍黄色
16倍绿
20 倍绿
25倍绿松石
32倍绿松石
40倍浅蓝
50 倍浅蓝
60倍钴蓝色
63倍钴蓝色
100倍白色的
150倍白色的
250倍白色的
沉浸式媒体色标
黑色的
甘油橘子
白色的
特别的红色的
表3

特殊功能- 物镜通常具有特定于特定制造商和物镜类型的附加特殊功能。图 1 所示的平面复消色差物镜有一个弹簧加载的前透镜,以防止物镜被意外驱动到显微镜载玻片表面时造成损坏。

在专用物镜上发现的其他功能是可变工作距离 ( LWD) 和数值孔径设置,可通过转动物镜主体上的校正环进行调节,如图 2 所示。左侧的平面荧光物镜具有可变浸没介质/数值孔径设置,允许物镜与两者一起使用空气和另一种浸液介质,甘油。右侧的计划载脂蛋白物镜具有可调节的工作距离控制(称为“校正环”),允许物镜通过厚度可变的玻璃盖玻片对标本进行成像。这对于具有高数值孔径的干物镜尤其重要,当与厚度不同于指定设计值的盖玻片一起使用时,这些物镜特别容易受到球面像差和其他像差的影响,这些像差会降低分辨率和对比度。

虽然今天不常见,但过去也制造过其他类型的可调物镜。也许最有趣的例子是具有可变放大率的复合“变焦”物镜,通常从大约 4 倍到 15 倍。这些物镜的镜筒很短,光学设计很差,有明显的像差问题,对于显微摄影或严肃的定量显微镜来说不太实用。

齐焦距离- 这是另一个规格,通常会因制造商而异。大多数公司生产的物镜具有 45 毫米的齐焦距离,其目的是在放大倍数改变时最大限度地减少重新聚焦。

图 3 左侧描绘的物镜具有 45mm 的齐焦距离,除了放大倍率颜色代码外,还标有浸没介质颜色代码。齐焦距离是从物镜物镜安装孔到样品上的焦点点测量的,如图所示。图3右边的物镜有更长的60毫米齐焦距,这是它按照尼康CFI60 200/60/25规格生产的结果,再次偏离了奥林巴斯蔡司等其他厂商的做法,他们仍然生产具有 45mm 齐焦距离的物镜。大多数制造商也使他们的物镜物镜转盘偏心,这意味着当样品在一个物镜的视野中居中时,当旋转物镜转盘以使用另一个物镜时,它仍保持居中。

玻璃设计- 玻璃配方的质量在现代显微镜光学系统的发展过程中至关重要,目前有数百种光学玻璃可用于设计显微镜物镜。玻璃对显微镜物镜要求苛刻的光学性能的适用性取决于其物理特性,例如折射率、色散、透光率、污染物浓度、残留自发荧光和整个混合物的整体均匀性。光学设计者必须注意确保用于高性能物镜的玻璃在近紫外区域具有高透射率,并在偏振光或微分干涉对比等应用中产生高消光因子。

用于构建多个透镜元件的水泥通常具有大约 5-10 微米的厚度,这可能是三个或更多透镜元件粘合在一起的组中的伪影来源。双合透镜、三合透镜和其他多透镜排列可能会显示虚假的吸收、透射和荧光特性,这会使透镜不适合某些应用。

多年来,天然萤石常用于制造萤石(半复消色差)和复消色差物镜。不幸的是,许多新开发的荧光技术通常依赖于波长远低于 400 纳米的紫外线激发,而这种矿物中存在的天然有机成分产生的自发荧光严重损害了这种技术。此外,天然萤石表现出广泛的局部结晶区域的趋势会严重降低偏光显微镜的性能。许多这些问题都可以通过新的、更先进的材料来解决,例如氟皇冠玻璃。

用于制造物镜的光学玻璃的退火对于消除应力、提高透射率和减少其他内部缺陷水平至关重要。一些用于复消色差透镜结构的玻璃配方需要长时间缓慢冷却和退火,通常超过六个月。真正的复消色差物镜是由天然萤石和其他在近紫外区域降低透射率的玻璃组合而成。

超低色散 ( ED ) 玻璃作为镜头设计的一项重大进步而引入,其光学品质类似于矿物萤石,但没有其机械和光学缺陷。这种玻璃使制造商能够使用具有卓越光学校正和性能的透镜元件制造更高质量的物镜。由于许多玻璃的化学和光学特性具有专有性质,因此很难或不可能获得文档。出于这个原因,文献通常对用于构建显微镜物镜的玻璃的具体特性含糊不清。

多层抗反射涂层- 近年来物镜设计最重要的进步之一是抗反射涂层技术的改进,这有助于减少光通过镜头系统时发生的不需要的反射(眩光和鬼影),并确保高对比度图像。每个未镀膜的空气玻璃界面可以反射 4% 到 5% 的垂直于表面的入射光束,从而导致垂直入射时的透射值为 95% 到 96%。应用具有适当折射率的四分之一波长厚的抗反射涂层可使该值增加 3% 到 4%。随着镜头元件数量的不断增加,物镜变得更加复杂,消除内部反射的需求也相应增加。一些具有高度校正的现代物镜可以包含多达 15 个具有许多空气玻璃界面的透镜元件。如果镜片没有镀膜,仅轴向光线的反射损失就会使透射率值下降到 50% 左右。曾经用于减少眩光和提高透射率的单层镜片镀膜现在已被多层镀膜所取代,后者在可见光谱范围内产生超过 99.9% 的透射值。这些专门的涂层也用于相衬物镜的相位板上,以最大限度地提高对比度。曾经用于减少眩光和提高透射率的单层镜片镀膜现在已被多层镀膜所取代,后者在可见光谱范围内产生超过 99.9% 的透射值。这些专门的涂层也用于相衬物镜的相位板上,以最大限度地提高对比度。曾经用于减少眩光和提高透射率的单层镜片镀膜现在已被多层镀膜所取代,后者在可见光谱范围内产生超过 99.9% 的透射值。这些专门的涂层也用于相衬物镜的相位板上,以最大限度地提高对比度。

图4中说明的是反射和/或穿过涂覆有两个抗反射层的透镜元件的光波的示意图。入射波以一定角度撞击第一层(图 4 中的A),导致部分光被反射(R(o)),部分光透过第一层。当遇到第二个抗反射层(层 B),另一部分光以相同的角度反射并与从第一层反射的光发生干涉。一些剩余的光波继续到达玻璃表面,在那里它们再次被反射和传输。从玻璃表面反射的光与从抗反射层反射的光干涉(相长和相消)。抗反射层的折射率与玻璃和周围介质(空气)的折射率不同。当光波穿过抗反射层和玻璃表面时,大部分光(取决于入射角 - 在光学显微镜中通常垂直于镜头)最终透射过玻璃并聚焦以形成图像。

氟化镁是用于薄层光学抗反射涂层的众多材料之一,但大多数显微镜制造商现在生产自己的专有配方。总体结果是可见波长的对比度和传输得到显着改善,同时在传输带外的谐波相关频率中产生相消干涉。这些专门的涂层很容易因处理不当而损坏,显微镜专家应该意识到这个漏洞。多层抗反射涂层略带绿色,与单层涂层的紫色相反,这一观察结果可用于区分涂层。内部镜片上使用的抗反射涂层的表面层通常比用于保护外部镜片表面的相应涂层软得多。清洁涂有薄膜的光学表面时应格外小心,尤其是在显微镜已被拆卸且内部透镜元件受到仔细检查时。

从上面的讨论可以看出,物镜是复合显微镜最重要的光学元件。正是出于这个原因,我们投入了大量精力来确保它们被很好地标记并适合手头的任务。我们将在本教程的其他部分探讨显微镜物镜的其他属性和方面。