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为什么在优质显微镜设计中必须使用波前像差得到了控制的物镜?

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波前像差得到了控制的显微镜物镜

奥林巴斯始终致力于通过研发制造高品质的光学设备、部件和零件,推动生命科学、工业和医疗研究领域不断发展。其中一项光学产品是我们为图像分析和基于显微镜的成像系统制造商最新推出的可以集成到他们设备中的高性能物镜

我们从与制造商的对话中经常发现,他们很难确保生产的所有设备都提供一致的高质量图像。即使是那些设计出高性能设备的制造商,如果在制造过程中由于集成显微镜物镜的性能不好而出现了重大差异或误差,也将无法实现他们在质量、成本和交货时间方面做出的承诺。正是这样的对话,促使着我们不断推陈出新,研发出新的产品。

我们在成像领域中的最新突破是研发了X Line物镜。2019年推出的X Line物镜,可以同时提供高水平的数值孔径、色差校正和平坦度三种功能,从而清除了传统的成像障碍 -- 在过去,这三个关键参数是相互制衡的。我们还对这些物镜进行了波前像差控制,为成像分析和显微镜制造商提供了一种通过统一物镜性能而避免出现问题的解决方案。

测量物镜光学性能的标准方法是计算其Strehl(斯特列尔)比率。Strehl(斯特列尔)比率是以百分比表示的,带有像差的实际光学系统可达到的收敛比与理想的无像差光学系统像场中的收敛比(或中心强度)的比值。这意味着Strehl(斯特列尔)比率越高,光学系统的质量越好。例如,奥林巴斯的MPLAPON50X和MPLAPON100X物镜具有95%或更高的Strehl(斯特列尔)比率。

那么,为什么波前像差控制如此重要?请继续阅读,找寻答案。

波前像差控制如何降低物镜性能的差异

显微镜物镜性能的提高促使其内置透镜结构更加复杂化和微型化(图1)。因此,物镜往往会因制造误差而在质量上出现差异,有时这些差异还会造成最终产品性能的参差不齐。

显微镜物镜的透镜设计

图1:物镜内一组排列紧凑的复合透镜的示例。

为了尽量降低出现这类差异的风险,奥林巴斯的技术人员在装配X Line和其他类型物镜的过程中会测量物镜的波前像差。波前像差是指所生成图像与理想图像之间的偏差,并被作为一项质量参数加以控制。

检测显微镜物镜透镜的波前像差检测显微镜物镜透镜的波前像差

图2:奥林巴斯的技术人员正在检测显微镜物镜透镜的波前像差。

通过在生产过程中对每个物镜的波前像差进行测量和控制,使其更接近理想状态(无像差),我们的新型物镜与传统物镜(参见下图3(a))相比,在光学性能上表现的差异要小得多。其所获得的图像质量也更为一致,如图3(b)所示。

使用X Line物镜透镜得到几乎没有像差的波前使用X Line物镜透镜得到几乎没有像差的波前

图3:波前的示例(a)左图:带像差的波前(传统物镜)。(b)右图:几乎不带像差的波前(X Line物镜)。

将波前像差得到控制的物镜集成到成像设备中的3个原因

以下是将波前像差得到控制的物镜集成到显微镜设计中的几个首要原因:

  1. 可生成高质量的稳定图像
    图像质量会影响设备软件对图像进行测量的速度和准确性。波前像差得到了控制的物镜有助于生成高质量的稳定图像,因此如果可靠性对于您的最终产品非常重要,那么就一定要集成一个波前像差得到了控制的物镜。
  2. 可降低成本
    由于所集成物镜在性能上的差异而不能正常工作的成像设备,会产生额外的成本。例如:您可能需要放弃使用当前的物镜,并购买一个替代物镜。而波前像差得到了控制的物镜由于性能出色,可以避免产生这些成本。
  3. 按时间表顺利交货
    如果成像设备中装配的是性能参差不齐的物镜,那么要使设备发挥优质性能,就需要进行更多的调整。这就意味着生产周期更长。相反,采用波前像差得到了控制的物镜,则可以确保最终产品具有统一的上乘质量,从而可使商家信守承诺,按期交货。另外,您还可以保留一批性能可靠物镜的备份库存。

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OEM经理

Bunryu Arashi在欧洲奥林巴斯科学解决方案担任OEM经理。Bunryu拥有12年的显微镜产品开发经验,曾经为奥林巴斯BX和CKX系列显微镜设计过物镜,相机适配器,以及照明光学系统。他拥有日本大阪大学的工程学硕士学位。

2020年11月16日
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