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显微镜的光学附件

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显微镜的光学部件包括物镜,目镜,聚光镜及照明装置几个部分。各光学部件都直接决定和影响光学性能的优劣,现分述如下:

一.物镜

物镜是显微镜最重要的光学部件,利用光线使被检物体第一次成像,因而直接关系和影响成像的质量和各项光学技术参数,是衡量一台显微镜质量的首要标准。国际物镜的检测标准是以蔡司物镜为基准的。物镜的结构复杂,制作精密,由于对像差的校正,金属的物镜筒内由相隔一定距离并被固定的透镜组组合而成。物镜有许多具体的要求,如合轴,齐焦。齐焦既是在镜检时,当用某一倍率的物镜观察图像清晰后,在转换另一倍率的物镜时,其成像亦应基本清晰,而且像的中心偏离也应该在一定的范围内,也就是合轴程度。齐焦性能的优劣和合轴程度的高低是显微镜质量的一个重要标志,它是与物镜的本身质量和物镜转换器的精度有关。

传统物镜的种类很多,可从不同的角度分类,现分类介绍。

根据物镜位置色差校正的程度进行分类,可分为:

1.消色差物镜(Achromatic objective): 这是常见的物镜,外壳上常有“Ach”字样。这类物镜仅能校正轴上点的位置色差(红,蓝二色)和球差(黄绿光)以及消除近轴点慧差。不能校正其它色光的色差和球差,且场曲很大。最早的消色差物镜是由蔡司制造的。

2.复消色差物镜(Apochromatic objective): 复消色差物镜的结构复杂,透镜采用了特种玻璃或萤石等材料制作而成,物镜的外壳上标有“Apo” 字样 ,这种物镜不仅能校正红绿蓝三色光的色差,同时能校正红,蓝二色光的球差。由于对各种像差的校正极为完善,比响应倍率的消色差物镜有更大的数值孔径,这样不仅分辨率高,像质量优而且也有更高的有效放大率。因此,复消色差物镜的性能很高,适用于高级研究镜检和显微照相. 完善的复消色差物镜由蔡司制造的. 2004年蔡司推出了研究级ICCS物镜是在传统的平场复消色差物镜的基础上进一步校正倍率色差和无应变,增强短波长的透过率,并且增强反差,明显提高分辨率。

3.半复消色差物镜( Semi apochromatic objedtive): 半复消色差物镜又称氟石物镜,物镜的外壳上标有“FL”字样,在结构上透镜的数目比消色差物镜多,比复消色差物镜少,成像质量上,远较消色差物镜为好,接近于复消色差物镜。平场物镜是在物镜的透镜系统中增加一快半月形的厚透镜,以达到校正场曲的缺陷。平场物镜的视场平坦,更适用于镜检和显微照相。

4.特种物镜:所谓“特种物镜”是在上述物镜的基础上,专门为达到某些特定的观察效果而设计制造的。主要有以下几种:

(1) 带校正环物镜(Correction collar objective):

在物镜的中部装有环装的调节环,当转动调节环时,可调节物镜内透镜组之间的距离,从而校正由盖玻片厚度不标准引起的覆盖差。调节环上的刻度可从0 .11--.023,在物镜的外壳上也标有此数字,表明可校正盖玻片从0.11—0.23mm厚度之间的误差。

(2) 带虹彩光阑的物镜(Iris diaphragm objective ): 

在物镜镜筒内的上部装有虹彩光阑,外方也可以旋转的调节环,转动时可调节光阑孔径的大小,这种结构的物镜是高级的油浸物镜,它的作用是在暗视场镜检时,往往由于某些原因而使照明光线进入物镜,使视场背景不够黑暗,造成镜检质量的下降。这时调节光阑的大小,使背景变黑,使被检物体更明亮,增强镜检效果。

(3)相衬物镜(Phase contrast objective ):

这种物镜是由于相衬镜检术的专用物镜,其特点是在物镜的后焦平面处装有相板。

(4)无罩物镜(No cover objective ):有些被检物体,如涂抹制片等,上面不能加用盖玻片,这样在镜检时应使用无罩物镜,否则图像质量将明显下降,特别是在高倍镜检时更为明显。这种物镜的外壳上常标刻NC,同时在盖玻片厚度的位置上没有0.17的字样,而标刻着“0”。

(5)长工作距离物镜:这种物镜的焦距大于普通物镜,它是为了满足液态材料(高温金相)、液晶、组织培养、悬浮液等材料的镜检而设计。 

二. 目镜

目镜的作用是把物镜放大的实像(中间像)再放大一便,并把物像映入观察者的眼中,实质上目镜就是一个放大镜。已知显微镜的分辨率能力是由物镜的数值孔径所决定的,而目镜只是起放大作用。因此,对于物镜不能分辨出的结构,目镜放的再大,也仍然不能分辨出。由于不同系列目镜光学设计不同,所以不能混用。

三. 聚光镜

聚光镜又名聚光器,装在载物台的下方。小型的显微镜往往无聚光镜,在使用数值孔径0.40以上的物镜时,则必须具有聚光镜。聚光镜不仅可以弥补光量的不足和适当改变从光源射来的光的性质,而且将光线聚焦于被检物体上,以得到最好的照明效果。

聚光镜的的结构有多种,同时根据物镜数值孔径的大小 ,相应地对聚光镜的要求也不同 。

1. 阿贝聚光镜(Abbe condenser)

这是由德国光学大学大师恩斯特。阿贝.(Ernst Abbe 蔡司公司的创始人之一)设计。阿贝聚光镜由两片透镜组成,有较好的聚光能力,但是在物镜数值孔径高于0.60时,则色差,球差就显示出来。因此,多用于普通显微镜上。

2. 消色差聚光镜(Achromatic aplanatic condenser ) 

这种聚光镜又名“消色差消球差聚光镜”和“齐明聚光镜”它由一系列透镜组成,它对色差球差的校正程度很高,能得到理想的图像,是明场镜检中质量最高的一种聚光镜,其NA值达1.4 。因此,在高级研究显微镜常配有此种聚光镜。它不适用于4 X以下的低倍物镜,否则照明光源不能充满整个视场。 

3. 摇出式聚光镜( Swing out condenser)

在使用低倍物镜时(如4X),由于视场大,光源所形成的光锥不能充满真整个视场,造成视场边缘部分黑暗,只中央部分被照亮。要使视场充满照明,就需将聚光镜的上透镜从光路中摇出。

4. 其它聚光镜:

聚光镜除上述明场使用的类型外,还有作特殊用途的聚光镜。如暗视野聚光镜,相衬聚光镜,偏光聚光镜,微分干涉聚光镜等,以上聚光镜分别适用于相应的观察方式。

四.显微镜的照明装置

显微镜的照明方法按其照明光束的形成,可分为“透射式照明”,和“落射式照明”两大类。前者适用于透明或半透明的被检物体,绝大数生物显微镜属于此类照明法;后者则适用于非透明的被检物体,光源来自上方,又称“反射式或落射式照明”。主要应用与金相显微镜或荧光镜检法。

1. 透射式照明

透射式照明法分中心照明和斜射照明两种形式:

(1) 中心照明:这是最常用的透射式照明法,其特点是照明光束的中轴与显微镜的光轴同在一条直线上。它又分为“临界照明”和“柯勒照明”两种。

A. 临界照明(Critical illumination):这是普通的照明法。这种照明的特点是光源经聚光镜后成像在被检物体上,光束狭而强,这是它的优点。但是光源的灯丝像与被检物体的平面重合,这样就造成被检物体的照明呈现出不均匀性,在有灯丝的部分则明亮;无灯丝的部分则暗淡,不仅影响成像的质量,更不适合显微照相,这是临界照明的主要缺陷。其补救的方法是在光源的前方放置乳白和吸热滤色片,使照明变得较为均匀和避免光源的长时间的照射而损伤被检物体。

B. 柯勒照明:柯勒是十九世纪末蔡司厂的工程师,为了纪念他在光学领域的突出贡献,后人把他发明的二次成像叫做柯勒照明. 柯勒照明克服了临界照明的缺点,是研究用显微镜中的理想照明法。这中照明法不仅观察效果佳,而且是成功地进行显微照相所必须的一种照明法。光源的灯丝经聚光镜及可变视场光阑后,灯丝像第一次落在聚光镜孔径的平面处,聚光镜又将该处的后焦点平面处形成第二次的灯丝像。这样在被检物体的平面处没有灯丝像的形成,不影响观察。此外照明变得均匀。观察时,可改变聚光镜孔径光阑的大小,使光源充满不同物镜的入射光瞳,而使聚光镜的数值孔径与物镜的数值孔径匹配。同时聚光镜又将视场光阑成像在被检物体的平面处,改变视场光阑的大小可控制照明范围。此外,这种照明的热焦点不在被检物体的平面处,即使长时间的照明,也不致损伤被检物体。2004年蔡司公司又在传统柯勒式照明基础上推出了带有反光碗的全系统复消色差照明技术,消除照明色差,增强光的还原性,进而提高分辨率,同时照明均匀而光效高。

(2) 斜射照明:这种照明光束的中轴与显微镜的光轴不在一直线上,而是与光轴形成一定的角度斜照在物体上,因此成斜射照明。相衬显微术和暗视野显微术就是斜射照明。

2. 反射式照明

这种照明的光束来自物体的上方通过物镜后射到被检物体上,这样物镜又起着聚光镜的作用。这种照明法是适用于非透明物体,如金属,矿物等。

五. 显微镜的光轴调节

在显微镜的光学系统中,光源、聚光镜、物镜和目镜的光轴以及光阑的中心必须与显微镜的光轴同在一直线上,所以在镜检前必须进行显微镜光轴的调节,否则不能达到最佳观察效果。

1. 光源灯丝调节:旧式显微镜需要调节灯泡的位置。目前的新型显微镜的光源已经进行了预定心设置,所以不需要调整。

2. 聚光镜的中心调整:实际上显微镜光轴调整的重点即是聚光镜的位置调整。

首先将视场光阑缩小,用10X物镜观察,在视场内可见到视场光阑的轮廓,如果不在中央,则利用聚光镜外侧的两个调整螺钉将其调至中央部分,当缓慢地增大视场光阑时,能看到光束向视场周缘均匀展开直至视场光阑的轮廓像完全与视场边缘内接,说明已经和轴。和轴后再略为增大视场光阑,使轮廓像刚好处于视场外切或略大。

3. 孔径光阑的调节:孔径光阑安装在聚光镜内,研究用显微镜的聚光镜的外侧边缘上都有刻度数及定位记号,这样便于调节聚光镜与物镜的数值孔径相匹配,原则上说更换物镜时需调整聚光镜的数值孔径,一般物镜的数值孔径乘0.6或0.8就是聚光镜的数值孔径。

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