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Nikon CFI60 光學系統簡介

Nikon CFI60 光學系統簡介

資料來源:https://www.microscopyu.com/microscopy-basics/nikon-cfi60-optical-system

當顯微鏡專家在談論到顯微鏡時,可能會提出一個理想中具有無限遠光學系統的顯微鏡,當使用具有無限遠光學系統的顯微鏡時,性能會提高,若不是無限遠光學系統則性能較低。難道有限光學系統一定比無限遠光學系統差嗎?Nikon 光學設計團隊對此深入研究並開發 CFI60 系統,以下將帶您了解其性能,包含鏡筒透鏡焦距為 200mm、齊焦距離為 60mm 的物鏡以及物鏡螺紋尺寸為 25mm。

為什麼鏡筒透鏡焦距為 200mm?

在有限光學系統中,來自物體的光線穿過物鏡後,會被引導至目鏡焦點處的主像平面(中間像平面)並會聚,如圖 1 所示。

Nikon CFI60 光學系統簡介
▲圖1 有限光學系統

而在無限遠光學系統中,光軸上的光線經過物鏡後變成一束平行光線,直到經過鏡筒透鏡後才會聚,如圖 2 所示。

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▲圖 2 無限遠光學系統

在無限遠光學系統中,來自物體外圍離光軸較遠的光在經過鏡筒透鏡後,最邊緣的光會形成平行光,其他則往對角方向與平行光會聚成像,如圖 3 所示。因此”無限遠光學系統”中的無限,僅在描述光軸上的光線經過物鏡後變成一束平行光線,並非系統內有無限空間。

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▲圖 3 無限遠光學系統光軸與外圍光路

若要採用無限遠光學元件來進一步開發顯微鏡,將需要增加物鏡和鏡筒透鏡之間的距離,並增加系統的靈活性。為了延長這個距離,減少光軸外平行光的角度。一般普遍認為鏡筒透鏡的焦距較長就可以實現這一點,但這個長度有其限制。

無限遠光學顯微鏡中物鏡的放大倍率Mo可使用以下公式獲得:

Mo = Ft / Fo

其中 Ft 為鏡筒透鏡焦距,Fo 為物鏡焦距(見圖 2)。

為了從遠離光軸的物體獲得相同尺寸的影像,鏡筒透鏡的焦距越長,產生的光與光軸的角度越小,光線越不會擴散,因此增加鏡筒透鏡和物鏡之間的距離,從而大大增強系統靈活性,如圖 4 所示。但由於放大倍率在設計前已經被決定,因此鏡筒透鏡焦距變大,則物鏡焦距也會等比放大,而這將使得顯微鏡的結構尺寸變大。考量光學系統的靈活性與顯微鏡尺寸,得到結論是 200mm 最適合鏡筒透鏡。

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▲圖 4 增加光學系統長度得到的系統靈活性

這種較長的光學系統在包含穿透光學元件的系統中有特別的優勢。以鏡筒透鏡焦距 200mm 和 160mm 比較為例(圖 5),離軸光在鏡筒焦距為 200mm 的系統中,與光軸的夾角較小,當通過例如 DIC 模組的 Nomarski 稜鏡時,這些離軸光產生的偏移也會較小,使影像對比較佳。

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▲圖 5 鏡筒透鏡焦距 200mm 與 160mm 比較

齊焦距離為什麼是 60mm?

過去的歷史中,全世界曾經統一過齊焦距離定為 45mm,以使不同光學系統間的物鏡可通用。但光學系統的蓬勃發展,使原本的有限光學系統無法滿足需求,因此當有限光學系統被替換成無限遠光學系統後,鏡筒透鏡的等效焦距約為 150mm,因此可得到齊焦距離:鏡筒透鏡焦距 = 45 : 150。而由上述已知鏡筒透鏡的最佳焦距為 200mm,因此根據比例計算可得最佳齊焦距離為 60mm(60:200)。

另一個齊焦距離拉長的好處,則是工作距離因為物鏡焦距的增加而拉長,使鏡頭與樣品的距離更遠,更不容易造成鏡頭和樣品的碰撞與損傷,降低操作困難性。

為什麼要使用 25mm 的物鏡螺紋?

物鏡光瞳直徑被物鏡螺紋尺寸所限制,即物鏡在扣除螺紋所需尺寸後剩餘的有效直徑。攝影鏡頭的亮度(F)用以下公式表示

F = f / D

其中 f 為透鏡焦距,D 為有效直徑。由於顯微鏡的 N.A. 值可對應攝影鏡頭的 F 值,因此 F 又可表示為

F = 1 /(2×N.A.)

結合上述兩式,則可以使用此公式找到實現所需數值孔徑的有效直徑,即

D = 2×N.A.×f

而有效直徑的挑戰在低倍率的物鏡上,因為越低的倍率,物鏡焦距就要越大,在相同有效直徑上 N.A. 值就越小,如此會降低物鏡的光學解析度;若選擇了較大的 N.A.,則有效直徑會等比增大。

舉例來說,假設一個 CFI Plan Apo 4x(N.A. = 0.2)的物鏡,在 N.A. 保持 0.2 且放大率為 4 倍下,若在鏡筒焦距為 160mm 和 180mm 的物鏡上,最佳有效直徑分別應為 16mm 和 18mm。然而目前大部分製造商皆使用 20.32mm 螺紋尺寸,這使得實際製造上有困難,而 Nikon 使用 25mm,因此能夠獲得高數值孔徑,得到較佳的影像解析度。

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