徠卡共聚焦無限遠光學係統的特點

從(cong) 無限遠光學到無限遠接口
“無限遠光學”這一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。平麵光學元件可以進入到這個(ge) “無限遠空間”中，而不影響成像，這對於(yu) 利用DIC或熒光等對比度方法至關(guan) 重要。
現代顯微技術需要在無限遠光路中添加多種光學儀(yi) 器，如光源或激光裝置。滿足這一需求的不同方法已經出現，本文對其進行了描述。
從(cong) 安東(dong) ·範·列文虎克到複式顯微鏡
自公元一世紀羅馬人發明玻璃以來，人們(men) 就發現圓形的玻璃珠可以產(chan) 生放大效果。後來，人們(men) 對這種效果進行了科學研究和進一步開發，從(cong) 而產(chan) 生了16和17世紀的簡單放大鏡，如漢斯和查卡裏亞(ya) 斯·簡森或安東(dong) ·範·列文虎克發明的簡單放大鏡。從(cong) 曆史看，這是顯微鏡誕生的時刻。
根據定義(yi) ，“顯微鏡”是一種可以放大人眼通常無法分辨的物體(ti) 的儀(yi) 器，因此這些單透鏡工具已經是顯微鏡了（見圖1上）。如今，當我們(men) 談論顯微鏡時，我們(men) 想到的是不同的東(dong) 西。這是因為(wei) 人們(men) 很快就意識到，將兩(liang) 個(ge) 單獨的透鏡（或透鏡係統）組合成一排是比單透鏡更有效的視覺工具。
為(wei) 了描述這種裝置，創造了“複式顯微鏡”這一術語。複式顯微鏡由一個(ge) 可以放大標本的物鏡和一個(ge) 可以放大物鏡產(chan) 生的圖像的目鏡（分別有兩(liang) 個(ge) ）組成（見圖1中）。

圖1：上：顯微鏡始於(yu) 16和17世紀的簡單放大裝置。本例的物鏡是一個(ge) 可以放大標本的單透鏡。中：有限遠光學複式顯微鏡由雙透鏡係統組成。物鏡放大標本，目鏡放大物鏡產(chan) 生的圖像。物鏡安裝定位麵與(yu) 目鏡安裝定位麵之間的距離稱為(wei) 機械筒長。下：一個(ge) 無限遠光學複式顯微鏡帶有一個(ge) 額外的鏡筒透鏡（TL）。

無限遠光學簡介
物鏡安裝定位麵與(yu) 目鏡安裝定位麵之間的距離稱為(wei) 機械筒長（見圖1中）。為(wei) 了標準化，19世紀時，英國顯微鏡學會(hui) 將這一數值設定為(wei) 160毫米。多年來，這一設計被證實存在一些缺陷。在光路中添加額外的光學元件，例如用於(yu) 微分幹涉成像（DIC）的棱鏡、偏振器等，會(hui) 改變有效筒長並引入像差，這些必須通過添加其他硬件組件進行校正。
由於(yu) 這個(ge) 原因，20世紀30年代時，顯微鏡製造商徠卡開始用無限遠光學進行實驗，這項技術後來被所有其他顯微鏡公司采用。這些無限遠光學係統的物鏡將標本圖像投射到無限遠處，這意味著來自標本一個(ge) 單點的所有光線都以平行的方式從(cong) 物鏡中發射出來。在標本（和物鏡）中心的光線與(yu) 光軸平行。在標本中心以外的光線相互平行，但不與(yu) 光軸平行。
由無限遠校正的物鏡產(chan) 生的虛像必須由一個(ge) 附加透鏡（鏡筒透鏡）捕捉，並進入到目鏡透鏡的前聚焦點（見圖1下）。這種方法使DIC棱鏡等光學儀(yi) 器可以添加到物鏡和鏡筒透鏡之間的“無限遠空間”中，而不影響成像質量。圖像的位置和聚焦點都沒有改變（見圖2）。

圖2：上：有限遠光學係統由物鏡和目鏡組成。物體(ti) 被放置在物鏡的單聚焦點和雙聚焦點之間。物鏡產(chan) 生的中間圖像在目鏡的前聚焦點和目鏡之間聚焦。用戶可以通過目鏡查看圖像。下：在無限遠校正係統中，標本被放置在物鏡的聚焦點上。在這種情況下，從(cong) 標本一個(ge) 點射出的所有光線在物鏡後麵都是平行的，就像一個(ge) 放置在無限遠處的物體(ti) 。從(cong) 標本中心射出的光線經過物鏡後平行於(yu) 光軸（圖中未顯示）。從(cong) 標本邊緣一個(ge) 點射出的光線經過物鏡後彼此平行，但不與(yu) 光軸平行。物鏡與(yu) 鏡筒透鏡之間的空間稱為(wei) 無限遠空間。進入這個(ge) 空間的平麵光學裝置幾乎不會(hui) 影響圖像，因為(wei) 從(cong) 標本一個(ge) 點射出的所有光線都會(hui) 受到同樣的光學影響。鏡筒透鏡形成的虛像可以通過目鏡查看。
無限遠光學的優(you) 點
幾種光學對比法需要在顯微鏡的光路中引入特殊的光學元件。例如，用於(yu) DIC的棱鏡和偏振器，或用於(yu) 熒光顯微鏡的二向色鏡和濾光片，對於(yu) 相關(guan) 技術而言都是*的。在有限遠光學顯微鏡的物鏡和目鏡之間引入這樣的光學元件，改變了有效筒長，並引入了球麵像差。這些可以通過引入額外的光學元件來校正，但代價(jia) 是光強度較弱或放大倍數增加。
相比之下，無限遠校正光學顯微鏡可以容納用於(yu) 光學對比法的額外設備，不會(hui) 因將其引入到無限遠空間中而造成光學損傷(shang) 。安裝在無限遠光路中的裝置既不會(hui) 改變成像比例，也不會(hui) 改變中間圖像的位置。這是由於(yu) 從(cong) 標本的一個(ge) 點射出的所有光線會(hui) 平行穿過物鏡。
從(cong) 無限遠光學中受益的不僅(jin) 僅(jin) 是整體(ti) 圖像質量。由於(yu) 將不同的光學裝置移動到無限遠光路時，放大倍數不會(hui) 發生變化，因此可以很容易地使用不同的光學對比法來比較*相同的樣品。例如，標本可以同時在DIC和熒光中成像（見圖3）。

圖3：DIC棱鏡或熒光濾鏡等光學裝置，進入有限遠光學的光路，損壞圖像。必須通過使用額外的光學元件來確定引入的像差。這會(hui) 增加物體(ti) 的放大倍數。而引入無限遠空間的光學元件對放大倍數沒有影響。因此，DIC圖像（左）和熒光圖像（中）可以同時接收（右）。

除了少數例外，大多數顯微鏡都有一個(ge) 物鏡轉盤，在轉盤中，可以根據所需的放大倍數安裝並更換不同的物鏡。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本。即使在無限空間中添加額外的光學儀(yi) 器，也可以保持無限遠光學的齊焦性。
如何讓更多的裝置進入無限遠光路中

圖4：一些顯微技術要求同時耦合額外的光源或激光。例如，在FRAP實驗過程中，通過將激光耦合到無限遠光路中進行熒光漂白。

光學顯微鏡仍然是一個(ge) 不斷發展的領域。新技術的開發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，熒光漂白後恢複技術（FRAP）需要激光對熒光基團進行漂白（見圖4）。另一個(ge) 例子是數字鏡像器件，用於(yu) 光遺傳(chuan) 技術、光解籠鎖和光漂白/激活。
無限遠光學的引入為(wei) 這些方法奠定了基礎，因為(wei) 其簡化了必要組件通過無限遠空間耦合到顯微鏡光路的過程。
到目前為(wei) 止，人們(men) 已經發明了新的方法，可以使額外的裝置進入到無限遠光路中。從(cong) 技術上看，有兩(liang) 種方式可以進入無限遠空間：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）。通過成像路徑進入的優(you) 點是，電動快速濾光片輪和快門等專(zhuan) 用模塊，可以非常容易地引入到顯微鏡中。
然而，應謹記，無限遠空間（盡管其名字與(yu) 其含義(yi) 相反）不能通過將模塊堆疊到顯微鏡中而無限延伸。原因是隻有從(cong) 標本中心射出的光線平行於(yu) 光軸。
從(cong) 標本一個(ge) 點射出的偏離中心的光線彼此平行，但會(hui) 以一定的角度照射到鏡筒透鏡上。從(cong) 邏輯上講，擴大物鏡和鏡筒透鏡之間的成像路徑會(hui) 導致光損失。更準確地說，這會(hui) 引起漸暈，並縮小視野。

圖5：可以通過兩(liang) 種方法獲取顯微鏡的無限遠光路：物鏡與(yu) 管鏡筒透鏡（TL）之間的成像路徑（上），或光源（L）與(yu) 物鏡之間的照明路徑（下）。前一種方法需要將相關(guan) 模塊堆疊到顯微鏡中，從(cong) 而延長了成像路徑。第二種方法允許用戶通過在照明路徑中利用反射鏡和分光器獲取顯微鏡上的多個(ge) 應用。

視頻：徠卡DMi8無限遠端口
通過顯微鏡的照明路徑，例如通過徠卡無限端口，進入無限遠空間，可以避免延長成像光路的問題（見圖6）。除了保持圖像質量外，該特性還具有通用性強的優(you) 點。隻要有正確的適配器，任何裝置都可以連接到顯微鏡上。特別是自定義(yi) 產(chan) 商，他們(men) 可以製造自己的裝置，並將自己的裝置與(yu) 第三方和徠卡儀(yi) 器連接，創建定製的成像解決(jue) 方案。

圖6：堆疊方法延長了顯微鏡成像的無限遠光路。這可能會(hui) 導致那些並非從(cong) 標本中心射出的光線的損失。徠卡顯微係統的無限遠端口既不會(hui) 延長成像光路，也不需要在成像光路中添加其他組件，這是堆疊係統的另一個(ge) 缺點。

總結
無限遠校正光學的引入改進了現代顯微鏡的功能。目前已不再需要校正光學對比法所需的棱鏡或其他光學儀(yi) 器引入的像差。無限遠光學的易用性增加，除此之外，還允許多個(ge) 光源同時耦合到顯微鏡中。
徠卡的無限遠接口可以直接獲取顯微鏡座的無限遠光路，從(cong) 而避免了堆疊方法產(chan) 生的問題。這為(wei) 研究人員打開了大門，使研究人員可以在不犧牲圖像質量的情況下輕鬆連接其他光學裝置，並跟上新的顯微鏡趨勢。