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課堂 | 目鏡、物鏡和光學畸變
發布時間：2023-06-25
對于大多數顯微鏡應用，通常只有兩套光學器件需要由用戶調整，即物鏡和目鏡。當然，這是假設顯微鏡已經校正了科勒照明，即調整了聚光鏡和光闌。
本文首先介紹了目鏡組件以及如何正確調整它們以適應你的眼睛。其次是物鏡，我們將探討光學畸變和四種最常見的物鏡，這些物鏡均經過校正以克服這些異常現象。
在制造商的設計中，顯微鏡的目鏡和物鏡是一個組合，并在光學上相互補充。如果你出于任何原因更換顯微鏡之間的目鏡或物鏡，那么應該記住這一點。為獲得最佳的樣本圖像，顯微鏡的物鏡和目鏡必須是一個和諧的工作組合。購買完整的顯微鏡時，光學部件相互匹配，為用戶提供最佳的觀察條件。如果你在組裝一個定制的研究級顯微鏡，那么選擇的物鏡將決定適合的目鏡，反之亦然。
目 鏡
目鏡是我們觀察最終樣本圖像的光學鏡片（見圖1）。這些光學器件有時被稱為“接目鏡”或“目鏡”。放大率除了取決于物鏡的選擇，還要考慮目鏡，它的放大率通常是10的倍數。目鏡是顯微鏡的一個看似簡單的光學部件。一些基礎款目鏡確實是由一個頂部和底部安裝鏡片的金屬管組成但許多研究級目鏡由多組相互配合的鏡片組成，它提供樣本的校正視圖，并補充物鏡的特性。
無論目鏡的組件設計如何，金屬外殼的兩端只有兩個用戶可以看到的鏡片。觀察最終圖像的鏡片（最接近眼睛）被稱為“目鏡”，另一端的鏡片（朝向顯微鏡主體）被稱為“場鏡”。
圖1：顯微鏡的最終圖像可以用目鏡觀察，也叫接目鏡。
你通常會在目鏡周圍發現橡膠或塑料眼罩（見圖2）。這些眼罩有多種功能。它們會阻擋一些環境光線，讓觀察者可以更清楚地看到感興趣的樣本。此外，它們還將用戶限制在與目鏡的最佳距離內。如果您佩戴眼鏡，可以簡單地將它們卷到目鏡的頂部，或者摘掉眼鏡。
關于顯微鏡衛生需注意的一點：如果你在共享的實驗室或設施中使用顯微鏡，衛生和清潔都是重要的因素。一個重要的考慮因素是眼部感染。如果你不幸有眼部感染，則應避免使用共享顯微鏡，直到感染癥狀完全消失。眼部感染可能具有高傳染性，很容易傳播給其他顯微鏡使用者。無論您的眼睛是否健康，您都應該將目鏡和眼罩（以及整個顯微鏡）保持在清潔狀態，以便于下一個用戶的使用。
目鏡屈光度的調整
顯微鏡用戶需要調整目鏡適應自己的視力。這被稱為“屈光度調節”，用于糾正眼睛之間的焦點和視覺差異（見圖2）。除非您有完美的正常視力（也稱為“20/20視力”），否則為更清晰地觀察樣本，您需要完成這一簡單的調整。在調整屈光度之前，首先應調整目鏡之間的距離（假設您使用的是雙目顯微鏡）以適應使用者的生理結構。雙目目鏡安裝在一個水平的“滑塊”上，兩個目鏡可以活動以適應眼睛之間的距離?；蛘撸總€目鏡都安裝在獨立的外殼中，能夠以半圓形的旋轉方式移動，配合使用者眼睛之間的距離。
設置好物理距離后，就可以調節屈光度。檢查每一個目鏡時，您會注意到至少有一個目鏡的金屬體或外殼周圍有一個滾花環（另一個也可以是固定焦點目鏡）。僅通過固定目鏡向下看，并使用顯微鏡的主調焦輪讓樣本進入清晰的焦點。閉合固定焦距目鏡上的眼睛，僅使用可調節光圈的目鏡來觀察樣本。保持樣本的原始焦點的同時，慢慢轉動屈光度環，直到樣本進入清晰的焦點。當你睜開雙眼時，樣本現在應該處于清晰的焦點。調整屈光度厚，每個所選物鏡的設置都是一樣的。
圖2：大多數目鏡都有可移動或可彎曲的眼罩，用于阻擋一些環境光線。此外，它們還可以將用戶限制在與目鏡的最佳距離內。佩戴眼鏡的用戶應該摘下眼罩。借助屈光度調節，可以根據用戶的屈光度對目鏡進行個性化設置。
光學畸變
顯微鏡（以及在本文的范圍內）有兩種主要類型的光學畸變：色差和幾何像差。幾何像差（也被稱為“單色差“或“球面像差”）也被稱為“塞德爾像差”。菲利普·路德維希·馮·塞德爾(Philipp Ludwig von Seidel)（1821-1896）是一位德國數學家，他在1857年確定了五種幾何像差（球差、慧差、像散、場曲和畸變）。一般來說，幾何/單色/賽德爾像差是由于鏡片的結構和幾何形狀，以及光在通過鏡片時的折射和反射方式而產生。
考慮到所有可能通過曲面鏡片的光波，通過鏡片中心的光波將比通過曲面鏡片邊緣的光波的折射率低。通過鏡面之前平行的光波不會匯聚到一個焦點上，而是作為不同的點沿光軸傳播（圖3）。
圖3：球面像差描述了這樣一個事實：通過鏡片中心的光波比通過曲面鏡片邊緣的光波的折射率要小。因此，在通過透鏡之前是平行的光波不會匯聚到一個焦點上。
色差主要是由于鏡片的材料而發生的。白光是由許多不同的波長/顏色組成的，當它通過凸透鏡時，它被分割成不同的組成部分。波長的分裂意味著，一旦光線通過透鏡，各組成顏色就不會彼此聚焦在同一個匯聚點上（圖4）。
圖4：通過凸透鏡的白光被分割成不同的波長，并在不同程度上被折射。因此，它們不會匯聚在同一個焦點上。這種現象被稱為色差。
物 鏡
圖5：一個帶有校正環的甘油浸泡物鏡。
顯微鏡物鏡的制造和校正是為了在每個光學部件中考慮一個或多個這樣的像差。在物鏡外殼上蝕刻的信息中（除了放大率、物鏡類型、數值孔徑（NA）等），還包括有關光學校正的信息（見圖3）。
盡管有許多可用的光學校正，但本文將探討可能遇到和使用的四種最常見的光學校正。除了目鏡之外，物鏡看起來也很簡單。物鏡兩端的兩個透鏡被稱為“前透鏡”（離樣本最近）和“后透鏡”。后透鏡在使用過程中不可見，因為它面向顯微鏡的主體。大多數物鏡由一系列相對復雜的鏡片組成，鏡片相互補充，糾正其他扭曲的光學像差。
消色差物鏡
最常見的校正顯微鏡物鏡是“消色差”物鏡。這種物鏡的鏡筒上有縮寫“Achro”或“Achromat”。這些物鏡校正“軸向色差”。當白光通過凸透鏡時，會發生這種像差。因此，白光被分割成紅、綠和藍色波長。這種分裂意味著這些波長不會匯聚到光軸上的同一個焦點上（見圖4）。
如果使用沒有校正軸向色差的物鏡觀察樣本，那么樣本周圍會出現彩色條紋和圖像的模糊。非色差物鏡只校正了兩個波長（紅色和藍色），使其與綠色波長的焦點大致相同。此外，消色差物鏡的球面像差也只針對一種顏色進行了校正。
平場消色差物鏡
更高一級的校正是在“平場消色差”物鏡中發現的。這些通常由物鏡筒上的縮寫“平場消色差”或“Achroplan”來識別。除了校正軸向色差外，這些物鏡還校正一種被稱為“場曲率”的光學現象。當光線通過曲面鏡片時，便會發生這種現象。投射的圖像導致樣本的視圖發生彎曲。如果使用未校正視場曲率的物鏡觀察樣本，會導致整個視場的焦點不均勻。視場的邊緣或中心可能被聚焦，但不是同時聚焦。雖然這不會影響樣本的日常觀察和檢查，但如果你想拍攝用于發表的圖像，就會有問題。在這種情況下，建議使用平場消色差物鏡校正平場，實現整個圖像視圖的均勻聚焦。
半復消色差物鏡
再高一級的校正物鏡是“半復消色差”或“螢石”物鏡。這些物鏡由物鏡筒上的縮寫“Fluar”、“Fluor”、“Fluo”或“Fl”來識別。術語“螢石”可以追溯到一個時期，當時這種鏡片是由螢石制造的，它是一種氟化鈣礦物。在商業上，這種礦物也被稱為“螢石”，并且仍然被用于制造一些半復消色差鏡片，盡管現在大多數都是由合成材料制成的。半復消色差物鏡對一種或兩種組成色進行校正，確保不同的光波集中在一起，成為光軸上所謂的“最小混淆圈”。
除了上述外觀上的縮寫外，還有一些帶有“Plan FL”或“Plan Fluor”名稱的物鏡。這些物鏡不僅校正了球差和色差，而且還校正了視場曲率。
復消色差物鏡
最高級別的校正物鏡（反映在這些光學器件的成本上）是“復消色差”物鏡。這些物鏡在鏡筒上有“Plan Apochromat”、“PL APO”或“Plan Apo”的縮寫（見表1）。這些物鏡對場曲率進行了校正（因此縮寫名稱中的“Plan”），并對紅、綠和藍色波長進行了色度校正。此外，復消色差物鏡還對三個波長進行了球面校正。在復消色差透鏡中的高水平校正，相比校正較少的物鏡，在同等放大率下，可產生更高的NA。
徠卡的校正物鏡
關于徠卡不同類別校正物鏡的概述，可以通過以下鏈接<顯微鏡產品-物鏡-物鏡類別>找到（見表1）。此外，通過填寫<鏈接顯微鏡產品-物鏡-物鏡查找-物鏡>頁面上的在線表格，徠卡可以幫助您找到您的應用所需的合適物鏡。
| 消色差 | 半復消色差 | 復消色差 |
| HI PLAN |
PL Fluotar |
PL APO |
| N PLAN | PL S-Apo |
PL APO CS / CS2 |
| FL PLAN | PL IR APO |
表1：國際標準化組織(ISO)區分了三組物鏡類別，它們在色度校正的質量上有所不同。消色差、半復消色差和復消色差。徠卡的命名法進一步區分了這些組別，例如，它們的場平度、透射率等。
徠卡物鏡上使用的進一步的縮寫。
| BD | 代表明場/入射光暗場 |
| PH | 相差物鏡 |
| RC | 反射相位對比物鏡（僅適用于DM R） |
| P, POL | 低應變，用于定量偏振 |
| BD | 明暗場物鏡 |
| LMC | 調制對比物鏡（僅與Leica DM IRB一起使用） |
表2：特別適用于特定對比法的物鏡都有相應的標記。
| OIL | DIN/ISO標準浸泡油 |
| W | 水 |
| IMM | 任何其他或多于一種的浸泡介質 |
| GLYC | 甘油 |
表3：必須與某一物鏡一起使用的浸泡介質在物鏡上標明。
| CORR | 帶校正環的物鏡 |
| L | 具有超長自由工作距離的物鏡 |
| 6位數的代碼 | 標記物鏡，向徠卡顯微系統訂購產品時需要。 |
表4：徠卡物鏡上提到的更多標簽。
