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无限光学系统

从无限光学到无限端口

“无限光学”是指在物镜和镜筒之间具有平行光线的光束路径的概念。可以在不影响图像形成的情况下将平面光学组件带入“无限空间”,这对于使用诸如 迪克 或荧光。

现代显微镜技术要求在无限光路上增加多种光学仪器,例如光源或激光设备。已经出现了满足此需求的不同方法,并在此处进行了描述。

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从Anton van Leeuwenhoek到复合显微镜

自一世纪罗马人发明玻璃以来,人们发现圆形玻璃珍珠可产生放大效果。后来对此效果进行了科学的研究并得到了进一步的发展,从而产生了16 and 17 几个世纪以来,例如汉斯和扎卡里亚斯·詹森或安东·范·列文虎克(Anton van Leeuwenhoek)发明的那些世纪。从历史上看,这是 显微镜的诞生.

根据定义,“显微镜”是一种可以放大人眼通常无法分辨的物体的仪器,因此,这些单镜头工具已经是显微镜了(参见图1)。如今,当我们谈论显微镜时,会想到一些不同的东西。这是由于人们很快意识到,连续使用两个单独的镜头(或镜头系统)的组合比使用单个镜头更有效的视觉工具。

为了描述这种设置,创建了术语“复合显微镜”。 复合显微镜 由一个 目的 放大标本和 目镜 (分别为两个)放大物镜产生的图像(图1中间)。

无限光学的介绍

物镜肩与眼肩之间的距离称为 机械管长 (图1中间)。为了实现标准化,该值通过 皇家显微镜学会 在19 世纪。多年以来,这种设计原来有一些缺点。在光路中添加其他光学元件,例如用于微分干涉对比的棱镜(迪克),偏光镜等改变了有效的灯管长度并引入了像差,这些误差必须被接受或通过添加其他硬件组件进行校正。

因此,显微镜制造商Reichert开始进行所谓的 无限光学 在1930年代,这项技术后来被所有其他显微镜公司采用。这些无限光学系统的物镜将标本图像投影到无限远,这意味着从标本的单个点获得的所有光线均以平行方式从物镜发射。样品(和物镜)中心的光线平行于光轴。样品中心之外的那些平行于彼此,但不平行于光轴。

由无穷大校正后的物镜产生的虚像必须由另外的镜头捕获– 管镜 –将其带到目镜的前焦点(图1底部)。这种方法可以增加光学仪器,例如 迪克 棱镜成“无限空间在物镜和套筒透镜之间”,而不会影响图像质量。图像的位置和焦点都不会改变(图2)。

无限光学的优势

一些 对比方法 需要将特殊的光学组件引入显微镜的光路。例如,用于 迪克,或用于 萤光 显微镜检查,对于相关技术是必不可少的。用有限的光学元件在显微镜的物镜和目镜之间引入这样的光学元件会改变有效的管长并引入球差。可以通过引入其他光学元件来纠正这些问题,但以降低光强度或增加放大倍数为代价。

相比之下,带有无穷大校正光学元件的显微镜通过将其引入无穷大空间,可以容纳额外的用于对比方法的设备,而不会造成光学损坏。安装在无限光路中的设备不会改变 成像比例位置 中间图像。这是由于以下事实:来自样本单个点的所有光线将以平行方式离开物镜。

整体图像质量并不是无限光学带来的唯一好处。由于将不同的光学设备移至无限光路时放大倍率不会改变,因此可以使用不同的对比方法轻松比较完全相同的样品。例如,标本可以在 迪克 和荧光同时进行(图3)。

除了少数例外,大多数显微镜都有一个物镜转轮,可以根据所需的放大倍数安装和更换不同的物镜。 共聚焦 允许用户在物镜之间切换而无需重新聚焦标本。使用无穷大光学器件,即使将其他光学仪器添加到无穷大空间中,也可以保持齐焦。

如何使更多设备进入无限光路

光学显微镜仍然是一个不断发展的领域。新技术的开发要求访问显微镜的光路,例如,包括其他光源或激光设备。光漂白后的荧光恢复(FRAP),例如,需要使用激光漂白荧光团(参见图4)。另一个示例是Digital Mirror设备,用于光遗传学,解笼和光致漂白/激活。

Infinity 光学的推出为这些方法铺平了道路,因为它简化了通过Infinity Space将必要组件耦合到显微镜的光路中的过程。

到现在为止,已经发明了新方法来将其他设备带到无限光路。从技术上讲,有两种进入无限空间的方法:要么在物镜与镜筒之间的成像路径中,要么在物镜与光源之间的照明路径中(s。 图5)。通过成像路径进入的优势在于,可以非常舒适地将专用模块(例如电动快速滤光轮和百叶窗)引入显微镜。

尽管如此,应该记住,无限空间(尽管其名称可能另有说明)不能通过将模块堆叠到显微镜中来无限扩展。原因是只有来自样品中心的光线与光轴平行。

来自样本一个点的偏心光线彼此平行,但会以一定角度入射到套管透镜。从逻辑上扩大物镜和套管透镜之间的成像路径将导致光损失。更准确地说,这会导致渐晕,并会缩小视野。

视频:徕卡DMi8 Infinity端口

通过显微镜的照明路径进入无限空间,例如通过 徕卡Infinity端口,避免了延长成像光路的问题(参见图6)。除了保留图像质量外,此功能还具有通用性。使用正确的适配器,可以将任何设备连接到显微镜。尤其是房屋建筑商,可以建造和连接自己的设备,3rd 派对和Leica仪器,以创建定制的成像解决方案。

Summary

无限远校正光学器件的引入大大改善了现代显微镜的功能。校正棱镜或对比度方法所需的其他光学仪器引入的像差的必要性已经成为过去。除了改善了易用性之外,无限光学器件还允许将多个光源同时耦合到显微镜中。

徕卡的无限港 可以直接进入显微镜支架的无限光路,从而避免了堆叠方法带来的问题。这为研究人员轻松连接其他光学设备打开了大门,而又不牺牲图像质量,并与最新的显微镜技术保持同步。

本文还发表在: 视力&Photonik,第11卷 Issue 1, pages 34–37, February 2016;
DOI: 10.1002 / opph.201600002。

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