显微镜光学相差中的散光相差

2022-01-07 09:42:02 admin 4

散光像差类似于彗差;然而,这些伪影对光圈大小并不敏感,并且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点。根据进入透镜的离轴光线的角度,线图像可以定向在两个不同方向之一,切线(子午线)或矢状线(赤道线)。随着与中心距离的增加,单位图像的强度比将减小,清晰度、细节和对比度会丢失。


本教程使用出现在图像窗口右上角的窗口中的牛肺动脉细胞的荧光显微照片进行初始化。该细胞用 DAPI、BODIPY 和 MitoTracker Red CMXRos 进行三重染色。在图像窗口下方是一个标有“选择标本”的下拉菜单,可用于从调色板中选择一个新标本。离轴距离滑块用于通过向光学系统中引入越来越多的散光来控制教程。将滑块向右移动会强调切向平面,而将滑块向左移动则说明发生在矢状平面中的效果。当滑块向左或向右移动时,显微镜图像会变形以显示散光如何通过目镜出现的夸张视图(模糊水平线同时锐化垂直线,反之亦然)。同时,点扩散函数和艾里图案(显示在图像窗口的中央部分)也发生变化以模拟散光的引入。当焦点设置在矢状和切向极端之间的折衷位置时,会产生四叶艾里图案。

散光像差出现在未校正镜片的视场外部,根据焦平面的位置,会导致理想的圆形点图像(艾里图案)模糊成漫射圆、椭圆斑块或线。图 1 中说明的是通过切向平面和矢状平面的离轴光线,它们共同用于定义散光的几何形状。切平面(也称为子午平面)包含主光线光轴的透镜(或透镜系统),而矢状面(也称为径向和/或赤道面)仅包含主光线并垂直于切面定位。主光线被定义为从离轴点光源发出的特殊光线,它穿过透镜入瞳的中心。在无像差的光学系统中,主光线也会通过孔径光阑的中心和镜头的出瞳。

当考虑复杂的多元件透镜系统时,例如显微镜物镜,切平面从系统的一端到另一端是相干的。相比之下,矢状面通常会随着主光线被组成透镜系统的元件偏离而改变斜率,这通常会导致系统每个区域的一系列连续变化的矢状面。与矢状面或切向面相关的光束将具有不同的配置,从而导致每个平面的焦距不同。这种焦距差异是散光的衡量标准,通常称为散光差,并将取决于光线的倾角和透镜度数(与形状或折射率相反)。随着物体(或样本)光源点离轴更远,光线通量以越来越大的斜角进入光学系统,从而导致更大的焦距差异。

位于切线和矢状面的光线折射不同,两组光线在不同的像点与主光线相交,称为切线图像(切向焦平面)和矢状线图像(矢状焦平面;见图 2) . 这些光线无法产生聚焦的图像点,而是产生一系列从线性到椭圆形的细长图像,具体取决于光学系统内的位置。在被称为最小混乱圈的区域,位于切线图像和矢状线图像之间,椭圆的长短轴相等,图像接近圆形几何。这些概念在图 2 中进行了说明,其中显示了切向和矢状光线的主轴、最小混淆圆,并显示了路径中重要位置的近似艾里图案。

每个透镜系统都有一个固有的曲率,称为Petzval 曲率,与组成透镜元件的折射率及其表面曲率有关。没有像散像差的系统具有彼此重合并位于 Petzval 表面的矢状和切向图像表面。散光的特征通常是主光线与透镜系统光轴之间的角度依赖性,称为视场角ε )。像散的镜头校正通常由抛物线图表示,该曲线表示切线(T;图 3)和矢状(S;图 3)像点的位置作为视场角的函数(ε )。未经校正的镜片显示出如图 3(a) 所示的典型曲线,而图 3(b) 和 3(c) 显示了几幅经过散光校正的镜片图。散光代表切向和矢状场曲线(图 3(a))相对于 Petzval 表面的偏离。

当透镜系统中存在散光时,Petzval 表面的切向场偏离比矢状场显示的切向场大三倍。如果切向和矢状图像都位于 Petzval 表面的左侧(图 3(a)),则散光称为负像、矫正不足或向内弯曲(朝向晶状体)。当这个顺序颠倒时,散光过度矫正或向后弯曲。负透镜将向后曲率引入散光透镜系统,而正透镜产生 Petzval 表面的向内曲率。在薄透镜系统中,Petzval 表面与理想平面图像表面的纵向偏差等于图像高度的平方除以焦距加上透镜元件的折射率的二分之一。为了矫正散光,有必要减小像散差值,或切线和矢状线图像之间的距离。完全消除散光是很困难的,但是当两条曲线出现在光学系统中时可能会发生,ST变得更平坦并重合(图 3(c)),然后在靠近 Petzval 表面(P的区域中形成图像

物镜中的透镜对中不良或物镜、中间光学器件和目镜之间的对准不良会增加像散,因为它会导致彗差。当镜头系统组装错误时,像散会受到严重影响,通常会在整个图像区域产生不对称的性能。小倾斜角,即使低至 5 分弧度,也很严重,会导致图像质量下降。散光误差通常通过物镜设计来校正,以提供单个透镜元件的精确间距以及适当的透镜形状、孔径大小和折射率。像散的校正通常与场曲像差的校正一起完成。