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透鏡的像差-決定顯微鏡成像質量的核心因素

時間:2018-11-27

顯微鏡主要的光學部件包括目鏡、物鏡、聚光鏡等,這些部件均由不同透鏡組合而成。不同檔次及品牌的顯微鏡,雖然技術指標相同,但是呈現出來的圖像質量卻千差萬別,主要原因就在于透鏡的像差控制的是否到位。

各種透鏡的成像都或多或少地存在像差。這是由于制造鏡頭的材料的缺陷、制造工藝、以及光線本身某些特性,使透鏡上存在不同程度的像差現象。因此,一些高級鏡頭采用復雜的工藝及技術對像差問題做最大限度的消除,以實現更好的像質。

透鏡的像差主要有色像差、球面像差、橫向色差、慧形像差、畸變、像散和像場彎曲等七種。

1. 色像差 產生色像差的原因是透鏡對不同的波長的色光具有不同的折射率,當白光透過透鏡后就會發生色散,不同的顏色焦點距離透鏡的遠近不同,便在成像面上形成色像差。紫藍色焦點在前面,黃色焦點在中間,紅色焦點在后,如下圖。色像差的特點是白光點經透鏡成像后不能會聚成一個白光點,而形成一個彩色的光環。消除方法:使用具有不同折射率和色散率凸凹透鏡相互配合,可不同程度地消除或減少色像差。

2. 球面像差 來自光軸某點的單色光通過透鏡時,由于通過光軸附近的光線的折射角小,而通過透鏡邊緣的光線折射角大,因而會形成前后分布的許多聚焦點,成一彌散的光斑。這種現象稱為球面像差。

為了降低球面像差,可采用組合透鏡作為物鏡進行校正。此外,還可以通過調節孔徑光闌,控制入射光束的粗細,讓一束細光通過透鏡中心部位,從而可把球面像差降到最低,但同時會損失分辨率。


3. 像場彎曲 像場彎曲就是成像系統把垂直于光軸的平面物形成曲面像的現象,它是像差的一種。當透鏡無其像差存在時,每一物點成一個象點,但是垂直于主軸的物線所成之像一般仍舊是彎曲線,這時的像稱為像場彎曲。像場彎曲可以用特制的物鏡校正,平場消色差物鏡和平場復消色差物鏡均可以實現校正像場彎曲,使圖像平坦清晰。


4. 彗形像差 產生彗形像差的原因是球面透鏡各光區成像的放大率不一致,各光區的焦點不同。在邊區一帶光線形成亮度較低,虛散的大環形,主光軸一帶光線形成高亮度清晰的小環形。重疊后呈現梨狀圓形。彗形像差的種類有多種,根據彗形亮端朝向來分,可分為外向彗形像差和內向彗形像差兩種;根據產生方式來分,可分為初級彗形像差和高級彗形像差兩種。校正彗形像差的辦法主要有以下兩種:一是在設計制造鏡頭時,可用不同曲率透鏡的組合加以校正;二是對校正不良,尚存彗形像差的鏡頭,可采用縮小光圈的辦法減少彗形像差的影響。

5. 畸變 是指因為影像各部分相對比例關系與被攝體實際比例關系不一致而出現的一種變形現象?;冎挥懈纳?/span>物鏡的結構才能得以消除。

6. 像散 像散是單色性像差的一種。它產生的原因是:與主光軸垂直的平面,其影像位于兩個不同的表面上,一個表面上僅有水平線條,而另一具表面上則只有垂直子午線條,當這兩個表面不能相重合時,便宜產生了像散。有像散的透鏡或透鏡組,對同一垂直面內垂直線條和水平線條不能同時準確成像。在透鏡主光軸以外的點狀物體,其影像在任何處均不是一個點,而是隨著聚焦屏位置的變化而改變,人弧矢直線變為切向直線。對于像散的校正通常采用折射率較高、色散率較低的光學玻璃制造物鏡,并配制各種曲率的表面互相抵消。

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