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影响显微镜成像的关键因素-像差

   由于客观条件,任何光学系统都不能生成理论上理想的像,各种像差的存在影响了成像质量。所谓像差(aberration),是指测量显微镜或者体视显微镜透镜或反射镜所呈的像与原物面貌并非完全相同的现象。像差又可以分为几类,例如球面像差是由于一点光源发散的光线被分聚在不同的点上的缘故。色彩像差的原因是透镜的折光指数随光波的长短而变化,从而引起像的边缘呈现色彩。可以理解为实际像与根据单透镜理论确定的理想像的偏离,这些偏离是折射定律造成的。像差是由透镜对色光的不同弯曲能力所致,并造成带有色晕的像。与色无关的像差(“单色像差”)包括使像变形的像差(“畸变”、“场曲”)和使像模糊的像差(“球差”、“彗差”、“散光”)。 像差在金相显微镜、数码CCD、生物显微镜和其他光学显微镜中可以通过透镜的组合减小到最低限度。镜面也有与透镜一样的单色像差,但没有像差。

    色差(Chromatic aberration)
    色差是透镜成像的一个严重缺陷,发生在多色光为光源的情况下,单色光不产生色差。白光由红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七种组成,各种光的波长不同,所以在通过透镜时的折射率也不同,这样物方一个点,在像方则可能形成一个色斑。
    色差一般有位置色差,放大率色差。位置色差使像在任何位置观察都带有色斑或晕环,使像模糊不清。而放大率色差使像带有彩色边缘。显微镜光学系统最主要的功能就是消色差。
    球差(Spherical aberration)
    球差是轴上点的单色相差,是由于透镜的球形表面造成的。球差造成的结果是,一个点成像后,不在是个亮点,而是一个中间亮边缘逐渐模糊的亮斑,从而影响成像质量。球差的矫正常利用透镜组合来消除,由于凸、凹透镜的球差是相反的,可选配不同材料的凸凹透镜胶合起来给予消除。旧型号显微镜,物镜的球差没有完全矫正,应与相应的补偿目镜配合,才能达到纠正效果。现一般生物显微镜、工业显微镜包括体视显微镜的球差完全由物镜消除。
    慧差(Coma)
    慧差属轴外点的单色像差。轴外物点以大孔径光束成像时,发出的光束通过透镜后,不再相交一点,则一光点的像便会得到一逗点状,型如慧星,故称“慧差”。使用轴向平行光可以消除慧差。
    像散(Astigmatism)
    像散也是影响清晰度的轴外点单色像差。当视场很大时,边缘上的物点离光轴远,光束倾斜大,经透镜后则引起像散。像散使原来的物点在成像后变成两个分离并且相互垂直的短线,在理想像平面上综合后,形成一个椭圆形的斑点。像散是通过复杂的透镜组合来消除。
    场曲(Curvature of field)
    场曲又称“像场弯曲”。当透镜存在场曲时,整个光束的交点不与理想像点重合,虽然在每个特定点都能得到清晰的像点,但整个像平面则是一个曲面。这样在镜检时不能同时看清整个像面,给观察和照相造成困难。因此研究用显微镜的物镜(包括奥林巴斯显微镜、尼康显微镜、蔡司显微镜等系列)一般都是平场物镜,这种物镜已经矫正了场曲。
    畸变(Distortion)
    前面所说各种像差除场曲外,都影响像的清晰度。畸变是另一种性质的像差,光束的同心性不受到破坏。因此,不影响像的清晰度,但使像与原物体比,在形状上造成失真。
    如今的显微镜在物镜设计上已经逐步设计出了平场消色差物镜、半复消色差物镜、甚至全复物镜,对于显微镜成像质量给了很好的保证。

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