奥林巴斯显微镜UIS2无限远光学系统的解剖讲解

在过去的10年中，主要的显微镜制造商基本上都迁移到研究级生物医学和工业显微镜都无限远校正光学系统的利用率。 在这些系统中，图像距离被设置为无限远，并且一个管（或an）透镜策略性地放置在物镜和目镜（目镜），以产生所述中间图像之间的主体管内。

无限远光学系统允许引入辅助成分，如微分干涉对比（DIC）棱镜，偏振器，和落射荧光照明器，进入物镜和镜筒透镜与只在焦点和像差校正的影响小之间的平行光路。 旧版有限，或固定管长度，显微镜具有从鼻甲开口，其中该物镜筒被固定，以便在目镜管中的眼座一个的距离。 该距离被称为显微镜的机械管的长度。 该设计假定当试样被放置在焦点，这是一个几微米进一步比物镜的前焦平面距离。 有限长度的管在160毫米十九世纪期间由英国学会显微镜（RMS）标准化，并享有100多年广泛的接受。 设计物镜与具有160毫米的管长度显微镜与枪管这个值是题写使用。

添加光学配件到固定管长度显微镜的光路增加有效管长度比160毫米更大的值。 出于这个原因，除了垂直的反射光照射器，偏振中间阶段，或类似的附接可以引入球面象差成其他方面*校正光学系统。 在当大多数显微镜有固定长度的管期间，厂家不得不把额外的光学元件到这些配件重新建立显微镜系统的有效160毫米的管长度。 此操作的成本是常常在倍率的增加和产生的图像减小的光强度。

一些反射光系统也受到发生形成会聚光线穿过分光镜的结果“鬼影”的阻碍。 在企图绕过通过加入辅助光学组件带来的工件，德国显微镜的制造商赖克特原本开创无限远光学的概念。 该公司开始早与无限远校正光学系统的实验在30年代后期由莱卡和蔡斯紧随其后，但这些光学并没有成为标准的设备，大多数制造商，直到20世纪80年代。

在无限远校正显微镜的管长度被称为基准焦距和160至200毫米之间的范围内，这取决于生产（见表1）。 校正在无限系统的光学像差或者通过管透镜或物镜（多个）来实现的。 在无限远物镜残留横向色差可通过仔细管透镜设计容易地补偿，但有些厂家，包括Nikon，选择以校正在物镜本身球形和色差。 这可能是因为具有极低的分散新型玻璃式的发展。 仍然其它制造商（尤其是，蔡司ICS系统）利用校正的在管透镜和物镜两者的组合。

列于表1是规范，包括管镜头焦段，齐焦距离，物镜螺纹类型，各大厂商提供无限远校正显微镜。 虽然徕卡和尼康都使用200毫米的管长度为25毫米的物镜线程尺寸，物镜齐焦距离是与尼康CFI 60系统显著更大。 奥林巴斯和蔡司用管的镜头焦距越短（180和165毫米，分别为），但两家公司都物镜标准螺纹尺寸，坚持45毫米的长度齐焦。

在固定管长度的有限光学系统，光通过物镜朝向中间像平面（位于目镜的前焦面），并会聚在这一点上，进行建设性和破坏性干涉，以产生一个图像（图图2（a））。 的情况是，其中的物镜产生的在无限远处成像平行光波列的焊剂无限远校正光学系统*不同（通常称为无限空间 ;图2（b）），这是由带入焦点在中间像平面管镜头。 应当注意的是，设计为无限远校正显微镜物镜通常是不与那些用于有限（160或170毫米）的光管长度显微镜可互换的，并且反之亦然。 有限显微镜系统上，由于缺乏管镜头使用时，镜头无限增强，从球面像差受到影响。 在某些情况下，它是可能的，但是，利用对无限远校正显微镜有限的物镜，但也有一些缺点。 当它们与无限远系统，这导致降低分辨率使用的有限物镜的数值孔径受到损害。 另外，在同一系统中使用时，齐焦是有限和无限物镜之间丢失。 当它们与具有管透镜显微镜中使用的工作距离和有限物镜倍率也将降低。

如上所述，一个无限系统的基本光学元件是物镜，管透镜和目镜。 如在图2（b）所示，检体位于所述物镜的前焦平面，集光透过或者从样品的中心部分反射的，并且产生沿着所述光轴投射射线的平行束朝向管透镜显微镜。 光到达物镜的一部分从试样的周边发散，并进入以倾斜角度的光学系统中，前进角（但仍然在平行束）朝向管透镜。 然后所有由管透镜收集的光被聚焦在中间像平面，并且随后通过目镜扩大。

物镜和管透镜一起形成，在显微镜管内的有限距离产生的中间图像的复式物镜系统。管透镜相对于所述物镜的位置是主要关心的设计无限远校正显微镜时。 物镜和管透镜（无限远的空间）之间的区域中提供的平行光线成复杂的光学部件可以置于不引入球面像差或物镜的工作距离的修改的路径。 实际上，在一组匹配不同的物镜之间齐焦可以与无限远校正显微镜进行维护，即使当一个或两个辅助组分加入到光路。 另一个主要的好处是，配件可以被设计而不改变物镜和管透镜之间的对准，以产生一个精确的1倍的放大倍数值。 此功能允许使用的几种光学技术，如相衬或DIC荧光（单独或同时）的组合样品比较。 这是可能的，因为光配件放置成一组平行光波不会发生变化的位置（任一横向或轴向），也不图像的焦点。

如果管透镜位于非常接近物镜，可用于辅助光学组件的空间的量是有限的。 然而，有一个上限，可以位于所述管透镜和的现代显微镜设计的限制范围内的物镜之间的光学元件的数量。 从物镜放置管透镜太远降低由透镜收集的周围光的波数，从而在已经变黑或边缘模糊的图像，并且降低了显微镜的性能。 应当强调的是，术语无限远光学指生产并行权利射线的通量的通过物镜之后，而不是一个无限的空间是可用的显微镜内部。 为了大限度地提高显微镜结构的灵活性，同时保持高的性能，有必要优化的物镜和管透镜之间的距离。

由无限远校正物镜中产生的倍率是由物镜的焦距除以基准焦距（管长）来计算。 作为管透镜的焦距增大时，到中间像平面的距离也增加，这导致更长的总管长度。 200和250毫米之间管的长度被认为是的，因为更长的焦距会产生一个较小的偏轴角为对角线的光线，从而降低了系统的构件。 更长的管的长度也增加了系统的灵活性方面辅助部件的设计。

比较具有160毫米和200毫米的管透镜的焦距（图3）的系统时较长管透镜焦距的优点是显而易见的。 减少在离轴对角线波磁通角可以接近一个显著百分比与较长焦距的光学系统。 倾斜光线的减小角度产生在通过副成分既在轴和离轴光线相应较小位移（DIC棱镜，相位环，分色镜等），这改善了显微镜的效率。在无限远校正系统的落射荧光照明观察对比度增强戏剧性的是由于不再管镜头焦段的光学优势。 与无限远光学观察显微镜图像的改善的一个例子示于图4，其示出一个小鼠肠薄膜部标记有三个荧光染料。 在显微照片上记录的Nikon Eclipse E600利用数值孔径0.75的CFI 60 20×油浸物镜和在微分干涉对比和落射荧光模式同时工作。

我们的物镜焦距必须用无限远系统相比老固定管长度系统时，增加保持相同的放大倍率。 使用45毫米的齐焦距离由所有显微镜厂家多年有限管长度的系统，但是这可能是不充分的高性能无限远校正光学系统。 例如，一个平场复消色差60X油浸物镜（中表现的有限物镜之一）可以具有超过10各透镜元件和基团，产生了非常紧配合用于约束到45毫米的齐焦距离的物镜。 当由被分成一个单独的物镜（光学元件的更大的数值孔径），并且管透镜无边系统所取代，管透镜的焦距变得等于约150毫米。 为了满足无限系统的全部光学势，物镜齐焦距离必须匹配于管透镜的焦距。 因此，对于200毫米焦距，齐焦距离为60毫米，由15毫米超过旧标准长度。

在无限远光学系统中使用更长的物镜焦距需要相应较大工作距离相匹配。 增大物镜的齐焦距离是极为重要的实现工作距离一个显著增加，尤其是对于较低倍率的物镜。 例如，具有1个物镜，用于计算无限远校正系统倍率式决定了物镜焦距应该是相同的管透镜。 在具有200毫米管透镜的焦距的系统中，这将在为了使用这种低倍率的物镜必要更长齐焦距离。 计算表明，低至0.5倍的放大倍数可以用200毫米的管镜头焦距来获得，但较短的焦距限制小物镜放大倍率略高于1倍范围内的值。

另一个要考虑的是物镜的数值孔直径，也必须以获得性能与低倍率物镜，有长管的镜头焦距光学系统增加了。 该RMS物镜标准螺纹尺寸，20.32毫米，限制了有效的数值孔直径和大可达到的数值孔径的物镜，如此装备。 为了正在利用长管透镜的焦距时，产生较高的数值孔径，物镜螺纹尺寸必须增加。 的有效出射光瞳直径（D）必要以实现所需的数值孔径由下式表示：

其中，NA是数值孔径，f是物镜焦距。 因此，对于具有100毫米（利用200毫米焦距管透镜）的焦距和0.10数值孔径，必要的出射光瞳直径（D）2倍复消色差物镜是20毫米。 显然，一个较小的物镜，螺纹尺寸在放大倍率设计无限远光学系统时的10倍比下限物镜的数值孔径。 增加筒长度以上200毫米需要更大的物镜出射光瞳的大小，使这种在无限远校正显微镜的设计的限制因素。