無限遠(yuǎn)光學(xué)系統(tǒng)
“無限遠(yuǎn)光學(xué)”這***概念是指在顯微鏡的物鏡和鏡筒透鏡之間具有平行光線的光束路徑。平面光學(xué)元件可以進(jìn)入到這個“無限遠(yuǎn)空間”中，而不影響成像，這對于利用DIC或熒光等對比度方法至關(guān)重要。 現(xiàn)代顯微技術(shù)需要在無限遠(yuǎn)光路中添加多種光學(xué)儀器，如光源或激光裝置。滿足這***需求的不同方法已經(jīng)出現(xiàn)，本文對其進(jìn)行了描述。
從安東·范·列文虎克到復(fù)式顯微鏡 自公元***世紀(jì)羅馬人發(fā)明玻璃以來，人們就發(fā)現(xiàn)圓形的玻璃珠可以產(chǎn)生放大效果。后來，人們對這種效果進(jìn)行了科學(xué)研究和進(jìn)***步開發(fā)，從而產(chǎn)生了16和17世紀(jì)的簡單放大鏡，如漢斯和查卡里亞斯·簡森或安東·范·列文虎克發(fā)明的簡單放大鏡。從歷史上看，這是顯微鏡誕生的時刻。 根據(jù)定義，“顯微鏡”是***種可以放大人眼通常無法分辨的物體的儀器，因此這些單透鏡工具已經(jīng)是顯微鏡了（見圖1上）。如今，當(dāng)我們談?wù)擄@微鏡時，我們想到的是不同的東西。這是因?yàn)槿藗兒芸炀鸵庾R到，將兩個單獨(dú)的透鏡（或透鏡系統(tǒng)）組合成***排是比單透鏡更有效的視覺工具。 為了描述這種裝置，創(chuàng)造了“復(fù)式顯微鏡”這***術(shù)語。復(fù)式顯微鏡由***個可以放大標(biāo)本的物鏡和***個可以放大物鏡產(chǎn)生的圖像的目鏡（分別有兩個）組成。
無限遠(yuǎn)光學(xué)簡介 物鏡安裝定位面與目鏡安裝定位面之間的距離稱為機(jī)械筒長（見圖1中）。為了標(biāo)準(zhǔn)化，19世紀(jì)時，英***皇***顯微鏡學(xué)會將這***數(shù)值設(shè)定為160毫米。多年來，這***設(shè)計(jì)被證實(shí)存在***些缺陷。在光路中添加額外的光學(xué)元件，例如用于微分干涉成像（DIC）的棱鏡、偏振器等，會改變有效筒長并引入像差，這些必須通過添加其他硬件組件進(jìn)行校正。 由于這個原因，20世紀(jì)30年代時，顯微鏡制造商徠卡開始用無限遠(yuǎn)光學(xué)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，這項(xiàng)技術(shù)后來被所有其他顯微鏡公司采用。這些無限遠(yuǎn)光學(xué)系統(tǒng)的物鏡將標(biāo)本圖像投射到無限遠(yuǎn)處，這意味著來自標(biāo)本***個單點(diǎn)的所有光線都以平行的方式從物鏡中發(fā)射出來。在標(biāo)本（和物鏡）中心的光線與光軸平行。在標(biāo)本中心以外的光線相互平行，但不與光軸平行。 由無限遠(yuǎn)校正的物鏡產(chǎn)生的虛像必須由***個附加透鏡（鏡筒透鏡）捕捉，并進(jìn)入到目鏡透鏡的前聚焦點(diǎn)（見圖1下）。這種方法使DIC棱鏡等光學(xué)儀器可以添加到物鏡和鏡筒透鏡之間的“無限遠(yuǎn)空間”中，而不影響成像質(zhì)量。圖像的位置和聚焦點(diǎn)都沒有改變。
無限遠(yuǎn)光學(xué)的優(yōu)點(diǎn) 幾種光學(xué)對比法需要在顯微鏡的光路中引入特殊的光學(xué)元件。例如，用于DIC的棱鏡和偏振器，或用于熒光顯微鏡的二向色鏡和濾光片，對于相關(guān)技術(shù)而言都是必不可少的。在有限遠(yuǎn)光學(xué)顯微鏡的物鏡和目鏡之間引入這樣的光學(xué)元件，改變了有效筒長，并引入了球面像差。這些可以通過引入額外的光學(xué)元件來校正，但代價是光強(qiáng)度較弱或放大倍數(shù)增加。 相比之下，無限遠(yuǎn)校正光學(xué)顯微鏡可以容納用于光學(xué)對比法的額外設(shè)備，不會因?qū)⑵湟氲綗o限遠(yuǎn)空間中而造成光學(xué)損傷。安裝在無限遠(yuǎn)光路中的裝置既不會改變成像比例，也不會改變中間圖像的位置。這是由于從標(biāo)本的***個點(diǎn)射出的所有光線會平行穿過物鏡。 從無限遠(yuǎn)光學(xué)中受益的不僅僅是整體圖像質(zhì)量。由于將不同的光學(xué)裝置移動到無限遠(yuǎn)光路時，放大倍數(shù)不會發(fā)生變化，因此可以很容易地使用不同的光學(xué)對比法來比較完全相同的樣品。例如，標(biāo)本可以同時在DIC和熒光中成像。
除了少數(shù)例外，大多數(shù)顯微鏡都有***個物鏡轉(zhuǎn)盤，在轉(zhuǎn)盤中，可以根據(jù)所需的放大倍數(shù)安裝并更換不同的物鏡。齊焦性允許用戶在不同的物鏡之間切換，而不需要重新聚焦標(biāo)本。即使在無限空間中添加額外的光學(xué)儀器，也可以保持無限遠(yuǎn)光學(xué)的齊焦性。
如何讓更多的裝置進(jìn)入無限遠(yuǎn)光路中
光學(xué)顯微鏡仍然是***個不斷發(fā)展的領(lǐng)域。新技術(shù)的開發(fā)需要使用顯微鏡的光路，例如包括額外光源或激光裝置。其中，熒光漂白后恢復(fù)技術(shù)（FRAP）需要激光對熒光基團(tuán)進(jìn)行漂白（見圖4）。另***個例子是數(shù)字鏡像器件，用于光遺傳技術(shù)、光解籠鎖和光漂白/激活。
無限遠(yuǎn)光學(xué)的引入為這些方法奠定了基礎(chǔ)，因?yàn)槠浜喕吮匾M件通過無限遠(yuǎn)空間耦合到顯微鏡光路的過程。
到目前為止，人們已經(jīng)發(fā)明了新的方法，可以使額外的裝置進(jìn)入到無限遠(yuǎn)光路中。從技術(shù)上看，有兩種方式可以進(jìn)入無限遠(yuǎn)空間：在物鏡和鏡筒透鏡之間的成像路徑，或在物鏡和光源之間的照明路徑（見圖5）。通過成像路徑進(jìn)入的優(yōu)點(diǎn)是，電動快速濾光片輪和快門等專用模塊，可以非常容易地引入到顯微鏡中。
然而，應(yīng)謹(jǐn)記，無限遠(yuǎn)空間（盡管其名字與其含義相反）不能通過將模塊堆疊到顯微鏡中而無限延伸。原因是只有從標(biāo)本中心射出的光線平行于光軸。 從標(biāo)本***個點(diǎn)射出的偏離中心的光線彼此平行，但會以***定的角度照射到鏡筒透鏡上。從邏輯上講，擴(kuò)大物鏡和鏡筒透鏡之間的成像路徑會導(dǎo)致光損失。更準(zhǔn)確地說，這會引起漸暈，并縮小視野。 通過顯微鏡的照明路徑，例如通過徠卡無限端口，進(jìn)入無限遠(yuǎn)空間，可以避免延長成像光路的問題（見圖6）。除了保持圖像質(zhì)量外，該特性還具有通用性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。只要有正確的適配器，任何裝置都可以連接到顯微鏡上。特別是自定義產(chǎn)商，他們可以制造自己的裝置，并將自己的裝置與第三方和徠卡儀器連接，創(chuàng)建定制的成像解決方案。
