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历史形状的现代光学显微镜,第二部分:矫正镜片和目标

人举起一个镜头对着光来代表镜头和物镜

本系列的第一部分追溯了简单显微镜和复合显微镜的短暂历史。正如引言中提到的第一部分在美国,实验室显微镜依靠经过色差和几何像差校正的物镜。矫正透镜和物镜的历史是广阔的,有许多先驱,但本文提供了这些成像异常和过去几个世纪的发展的一般概述。

透镜和物镜:几何和色差

早期的显微镜镜片质量低,形状不完美,由于几何和色差产生次优成像。

有五种几何像差(或“赛德尔”):(1)散光;(2)昏迷;(3)变形;(4)球形;(5)场曲率。本文简要介绍了球面像差校正透镜的研究进展。

简而言之,球面像差与透镜的结构和几何形状有关,并且在通过它时光的折射。通过弯曲透镜边缘的光波比在更大程度上折射到中心。因此,焦点沿着光轴散布,具有模糊成像和降低的分辨率(图1)。

图1

图1。平行光线通过双凸透镜时的球差图,焦点沿光轴展开。图像源,鲍勃博士,Wikimedia Commons3.0 CC冲锋队

色差与透镜材料有关,它可能导致白光分裂成组成波长。透镜的折射率随波长而变化,在白光光源下,红色分量的折射率最小,其次是绿色,然后是蓝色。因此,组成部分颜色不会聚在同一个焦点上,导致彩色的条纹或光圈(图2)。

历史如何塑造现代光学显微镜,第二部分:矫正透镜和物镜

图2。白光通过双凸透镜,沿光轴分裂组成波长时的色差图。图像源,安德里亚斯06,维基媒体共享。(公共领域)。

对上述像差校正的目标被称为“消色差”,“APOCOOMOOM”和“萤石”,下面突出显示的差异(表1)。

客观的 色差校正 球面像差校正 简称(刻在物镜筒上)
消色差(或“消色差透镜”) 蓝色和红色 绿色的 “胶体”或“消色差透镜的
萤石(或Semi-Apochromatic) 蓝色和红色 两到三个波长 'fl','fluo','fluar'或'fluor'
复消色差的(或“高度消色透镜”) 蓝色,绿色和红色 两到三个波长 “13日”
表1目标类别和像差校正。一些客观名称包括“计划”,表示场曲率校正(如“计划消色差”)。

第一代消色差透镜

第一个消色差透镜是由英国数学家切斯特·摩尔·霍尔(1703-1771)在1729年左右发明的。霍尔在1733年用这个透镜将皇冠玻璃和燧石玻璃熔合,建造了一个消色差望远镜。

尽管霍尔的工作,英国眼镜商约翰Dollond(1706-1761)被认为是消色差透镜的发明者,因为他是第一个为该设计申请专利的人。出于对霍尔早期发展的专业尊重,Dolland没有执行专利。然而,在约翰死后,他的儿子彼得Dollond(1730-1820)强制执行该专利,导致争议和苦味法院与其他35名配镜师的战斗。然而,这些镜片大而不适用于显微镜。

消色差物镜的研制

又过了50年,消色差透镜被应用到显微镜领域。这是由Jan(1715-1801)的父子团队完成的Harmanus班车de(1738 - 1809)。1770年,他们发明了足够小的显微镜物镜,并于1807年首次将其商业化。他们的目标是5\亩m与复合放大率高达150X。

德国玻璃和镜面制造商Joseph Von Fraunhofer(1787-1826)制造了进一步的Achromat改进。他对光学理论的最大贡献在他对太阳频谱的工作中突出了(Fraunhofer光谱吸收线在他的荣誉)。通过提高光学玻璃的质量,并留在物镜透镜之间的气隙,他减少了色差。此间隙配置(具有一些细化)仍然使用。

改进的消色差是在18年发明的th和19th几个世纪,球面像差继续妨碍最佳成像,早期尝试纠正这种降低的标本亮度和分辨率。尽管担任葡萄酒商人,约瑟夫杰克逊主人(1786-1869;开创性抗菌手术的Joseph Lister的父亲)对光学和显微镜感兴趣非常浓厚(图3)。李斯特开始在1820年代中期开始研究镜头,发现改变镜片之间的距离可以减少像差。Lister于1830年在改进的镜片上发表了一篇论文,并与Andrew Ross(1798-1859)合作,是一个着名的伦敦显微镜制造商。使用Lister的设计,Ross构造了改进的消色差镜片,其为两个波长和球形校正。Lister和Ross是17名17人中的两个人在1839年在伦敦的显微镜学会(现在是皇家显微镜社会)。

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图3。约瑟夫·杰克逊·李斯特在他的显微镜下。图像源,欢迎图片,维基共享。(cc by 4.0)

恩斯特阿贝-他的理论和应用

在历史上,镜头矫正是一个很大程度上的经验追求,但这即将改变Ernst Abbe(1840-1905)的工作。ABBE提出了许多理论和公式,仍然形成了镜头设计和成像的基础,包括数值孔径的指定。

1866年,Abbe被Carl Zeiss(1816-1888)聘请了,自1847年以来一直在制作和销售显微镜。蔡司意识到竞争,并且光学部件的生产依赖于试验和错误。他旨在制作“预先通过计算决定”的乐器,并指定ABBE作为蔡司光学工作的研究主任。从1872年起,所有Zeiss显微镜都根据Abbe的理论生产。

然而,随着可用的玻璃质量,物镜的折射率变化导致次优分辨率和成像。1879年,阿贝从化学家奥托·肖特(Otto Schott, 1851-1935)那里收到了一份新的锂玻璃样品。1882年,阿贝把肖特带到德国耶拿市,那里为他建立了一个玻璃制造实验室。他们与蔡司合作成立了一家公司,现在被称为“Schott”(Duran玻璃器皿)。

约1881年,ABBE开始尝试矿物萤石,假设其光学性质可以减少彩色和球面像差。从中接受萤石后Oltscheren1886年,阿贝来到阿尔卑斯山地区,在蔡司光学工厂的小木屋里度过了一段时间。萤石可能被用于第一个复色物镜,尽管这从来没有详细说明。

1886年,该公司生产了最精确的目标,Apochromat,消除了三个波长的色差,并且大大最小化球面像差。尽管有初始镜头问题,但蔡司光学工作为目标铺平了道路彻底改变显微镜,形成现代复色物镜的基础。

ABBE于1890年公布了萤石的作品,而且该目标提供了比Achromat更大的球面像差校正。萤石是(仍然是)比Apochromat更实惠,但尽管一些现代镜片使用合成替代品,但矿物仍然用于目标。

1889年,在蔡司死后一年,Abbe在他身上建立了Carl Zeiss基金会荣誉。他还改变了员工的工作条件,包括实行8小时工作制。阿贝于1903年退休,1500名蔡司员工在他的办公室举行了火炬游行荣誉。他于1905年去世,耶拿有两种纪念形式(图4)。

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图4耶拿大学阿贝纪念馆图像源,KaurJmeb,维基共享(3.0 CC冲锋队)。

由于早期镜片固有的缺陷和反复试验的镜片矫正方法,直到19世纪下半叶,最佳显微镜成像才在很大程度上受到阻碍。在不减损早期先驱的工作的情况下,我们感谢恩斯特阿贝成像理论和现代镜头设计的基础。

下面的时间表总结矫正镜片和物镜的发展。

日期 发明家/制造商 组件 笔记
1729. 切斯特摩尔音乐厅 消色差透镜 皇冠和燧石玻璃透镜,仅用于望远镜。霍尔在1733年建造了第一架消色差望远镜。
1758年 约翰Dollond 消色差透镜 获得消色差透镜专利,但只适用于望远镜。
1770. Jan和Harmanus van Deyl 消色差物镜 1807年发明了第一台商用消色差物镜。
1817 约瑟夫•冯•弗劳恩霍夫 消色差物镜 玻璃和光学技术的巨大进步导致了色差的减少。
1830 Joseph Jackson Lister和Andrew Ross 消色差物镜(两个平凸消色差双重性)。 校正色差和球差的目标。
1886 恩斯特·阿贝,奥托·肖特和卡尔·蔡司 复色物镜和萤石物镜。 首先是基于理论基础的目标。
表2日期、发明者及其对矫正透镜和物镜的贡献摘要。

参考文献

进一步阅读

人举起一个镜头对着光来代表镜头和物镜

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