显微镜聚光镜的作用

2021-12-30 14:04:33 admin 9

台下聚光器收集来自显微镜光源的光并将其集中成一个光锥,在整个视场内以均匀的强度照亮标本。正确调整聚光器光锥以优化进入物镜前透镜的光的强度和角度至关重要。每次更换物镜时,必须对台下聚光镜进行相应的调整,以便为新物镜的数值孔径提供合适的光锥。

图 1 展示了一个简单的双透镜阿贝聚光镜。在该图中,来自显微镜照明源的光穿过位于聚光器底部聚光器孔径光阑,并被内部透镜元件会聚,然后投射光从每个方位以平行束穿过试样。光锥的大小和数值孔径由孔径光阑的调节决定。通过样品(在显微镜载玻片上)后,光线会以适当的角度发散成倒锥形,以填充物镜的前透镜。

聚光器孔径膜片操作

探索台下聚光器孔径如何控制进入物镜的照明。

入门教程

光圈调整和聚光镜的适当聚焦对于实现物镜的全部潜力至关重要。具体来说,适当使用可调孔径可变光阑(安装在聚光镜中或正下方)对于确保正确的照明、对比度和景深最重要。该虹膜光阑的打开和关闭控制着穿过聚光镜、穿过样品然后进入物镜的照明光线(以及孔径)的角度。欢迎参观者在我们的交互式 Java 教程中探索改变聚光器孔径如何影响照明锥探索聚光镜数值孔径。聚光镜高度由齿条和小齿轮系统控制,该系统允许调整聚光镜焦点以适当照亮样品。聚光镜相对于照明锥和焦点的正确定位对于定量显微镜和最佳显微摄影至关重要。

必须注意确保聚光镜孔径打开到相对于物镜数值孔径的正确位置。当聚光器孔径光阑打开过大时,来自样品的斜光线折射产生的杂散光会引起眩光并降低整体对比度。另一方面,当孔径太小时,照明锥不足以提供足够的分辨率,并且由于样品的折射和衍射,图像会失真。参观者可以通过我们的交互式聚光光圈 Java 教程探索这些现象,教程演示了聚光镜光圈位置对样品照明的影响。

聚光镜对图像对比度的影响

了解聚光镜孔径的大小如何影响标本图像对比度。

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聚光镜按用途分类(例如:明场、暗场、相衬等),也根据其光学校正程度进行分类。有四种主要类型的聚光镜校正光学像差,如表 1 所示。

聚光镜像差校正
冷凝器类型像差校正

球形彩色的
阿贝------
脱皮的X---
消色差---X
Aplanatic-
消色差
XX
表格1

最简单、校正最少(也是最便宜)的聚光镜是阿贝聚光镜,在具有三个或更多内部透镜元件的高端型号中,其数值孔径可达 1.4。虽然阿贝聚光镜能够通过强光,但它没有针对色差或球面光学像差进行校正。典型的阿贝聚光器如图 2 所示。在其最简单的形式中,阿贝聚光器具有两个光学透镜元件,可产生不清晰且边缘被蓝色和红色包围的照明视场光阑的图像。

由于没有光学校正,阿贝聚光镜主要适用于具有适度数值孔径和放大率的物镜的常规观察。阿贝聚光镜的主要优点是聚光镜能够产生的宽锥照明以及它与长工作距离物镜一起工作的能力。大多数显微镜由制造商提供,默认配备阿贝聚光镜,这些聚光镜是常规实验室使用的真正主力。

下一级聚光镜校正分为消球差消色差聚光镜,专门针对球面(消球差)或色差(消色差)光学像差进行校正。这些聚光镜的典型例子如图 3(消色差)和图 4(消球差)所示。消色差聚光镜通常包含三到四个透镜元件,并在两个波长(红色和蓝色)中校正色差。

图 3 中所示的消色差聚光镜包含四个透镜元件,数值孔径为 0.95,这是无需浸油即可达到的最高数值。这种聚光镜可用于“干”物镜的常规和关键实验室分析,也可用于黑白或彩色显微摄影。

选择台下聚光镜的一个关键因素是数值孔径性能,这是为目标提供足够的照明锥所必需的。聚光镜数值孔径应等于或略小于最高物镜数值孔径。因此,如果最高放大倍率物镜是数值孔径为 1.40 的油浸物镜,那么台下聚光镜也应具有等效的数值孔径,以保持最高的系统分辨率。在这种情况下,必须在聚光镜顶部透镜和显微镜载玻片下侧之间涂抹浸油,以实现预期的数值孔径 (1.40) 和分辨率。不使用油会限制系统的最高数值孔径为 1.0,

透射显微镜光路

了解聚光镜和视场光阑如何影响透射显微镜中的照明。

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消球差聚光镜可以很好地校正球面像差(绿色波长),但不能很好地校正色差。数值孔径为 1.40 的典型消球差聚光器如图 4 所示。该聚光器具有五个透镜元件,能够将光聚焦在一个平面上。当与激光源产生的绿光或使用卤钨照明的干涉滤光片一起使用时,消球差聚光镜能够产生出色的黑白显微照片。

消球差消色差聚光镜采用最高级别的光学像差校正。该聚光镜针对色差和球面像差进行了很好的校正,是用于白光临界彩色显微摄影的首选聚光镜。图 5(数值孔径 = 1.35)说明了一个典型的消球差消色差聚光镜。这种聚光镜具有八个内部透镜元件,它们粘合成两个双合透镜和四个单透镜。

聚光镜外壳上的雕刻包括其类型(消色差、消散差等)、数值孔径和指示孔径光阑大致调整(尺寸)的分级刻度。正如我们上面提到的,数值孔径大于 0.95 的聚光镜在与载玻片下表面接触的上透镜上滴一滴油时性能最佳。这确保了从聚光镜发出的斜光线不会从载玻片下方反射,而是被引导到样品中。在实践中,这会变得乏味,并且在常规显微镜中并不常见,但在高分辨率下工作和使用高功率(和数值孔径)物镜进行精确显微摄影时必不可少。

另一个重要的考虑因素是显微镜载玻片的厚度,这对聚光镜来说与盖玻片厚度对物镜一样重要。大多数商业生产商提供厚度在 0.95 到 1.20 毫米之间的载玻片,最常见的是非常接近 1.0 毫米。厚度为 1.20 毫米的显微镜载玻片太厚,无法与大多数工作距离非常短的高数值孔径聚光镜一起使用。虽然这对常规标本观察没有太大影响,但精密显微摄影的结果可能是毁灭性的。我们建议选择厚度为 1.0 ± 0.05 毫米的显微镜载玻片,并在使用前彻底清洁。

聚光灯锥

研究光学校正如何影响聚光灯锥的大小和形状。

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当物镜改变时,例如从 10X 到 20X,还必须调整聚光镜的孔径光阑,以提供与新物镜的数值孔径相匹配的新光锥。这是通过转动图 2-6 中所示的冷凝器上的滚花旋钮来完成的。该旋钮上有一个黄色的小箭头或索引标记,表示与聚光镜外壳上的线性渐变相比时孔径的相对大小。许多制造商将同步此等级以对应于聚光镜的近似数值孔径。例如,如果显微镜师选择了数值孔径为 0.25 的 10X 物镜,那么箭头将放置在聚光镜外壳上刻划的渐变值 0.18-0.20(大约物镜数值孔径的 80%)旁边。

通常,由于必须生产多种光锥以匹配物镜数值孔径,因此将单个聚光镜与整个物镜范围(2X 至 100X)一起使用是不切实际的。使用 2X 至 5X 范围内的低功率物镜,照明锥的直径将在 6-10 毫米之间,而高功率物镜(60X 至 100X)需要高度聚焦的光锥,直径仅约 0.2-0.4 毫米. 在固定焦距的情况下,很难用单个聚光镜实现这种大范围的照明锥。

在实践中,这个问题可以通过多种方式解决。对于低功率物镜(低于 10 倍),可能需要拧下聚光镜的顶部透镜,以便用光填充视场。如图 6 所示,一些聚光镜采用可翻转的上透镜来更容易地实现这一点。许多制造商现在生产的聚光镜在与低倍物镜一起使用时可以完全翻转。其他公司可能会在光路中加入辅助校正透镜,以确保物镜小于 10x 的适当照明。当聚光镜在没有顶部透镜的情况下使用时,孔径可变光阑被打开,现在在物镜背面可见的视场光阑就好像它是孔径光阑一样。翻盖式聚光镜采用多种配置制造,数值孔径范围从 0.65 到 1.35。数值孔径值为 0.95 或更低的那些聚光镜旨在与“干”物镜一起使用。然而,数值孔径大于 0.95 的翻转式聚光镜旨在与油浸物镜一起使用,在检查关键样品时,它们必须在显微镜载玻片底部和聚光镜顶部透镜之间放置一滴油。

除了上面讨论的常见明场聚光镜外,还有多种适用于许多不同应用的专用型号。表 2 列出了许多不同的冷凝器配置和预期应用。

台下冷凝器应用
冷凝器类型明场暗场相位
对比
十二月偏振
Achromat/Aplanat
N.A. 1.3

[10x~100x]




消色差
摆出 N.A. 0.90

[4x~100x]




低功耗
N.A. 0.20

[1x~10x]




相差阿贝
N.A. 1.25

[最高不适用 0.65]

[10x~100x]


相衬消色差
N.A. 0.85

[最高不适用 0.70]

[4x~100x]


DIC 通用
消色差/消色差

[最高不适用 0.70]

[10x, 100x]

[20 倍、40 倍、100 倍]

暗场,干燥
N.A. 0.80~0.95


[4x~40x]



暗场,石油
N.A. 1.20~1.43


[4x~100x]



无污染消色差摆出
NA 0.90




[4x~100x]
表 2

从表2中的数据可以看出,台下冷凝器在不同应用之间具有很大的互换性。例如,除了主要的 DIC 应用外,DIC 通用消色差/消光片聚光镜还可用于明场、暗场和相衬。其他冷凝器具有类似的互换性。我们将在我们的专业显微镜技术部分处理需要改进聚光镜的个别技术的各个方面请随时访问我们网站上有趣的部分,了解有关台下冷凝器的更多具体信息。