從無(wú)限遠(yuǎn)光學(xué)到無(wú)限遠(yuǎn)接口
“無(wú)限遠(yuǎn)光學(xué)”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(xiàn)的光束路徑。平面光學(xué)元件可以進(jìn)入到這個(gè)“無(wú)限遠(yuǎn)空間”中，而不影響成像，這對(duì)于利用DIC或熒光等對(duì)比度方法至關(guān)重要。
現(xiàn)代顯微技術(shù)需要在無(wú)限遠(yuǎn)光路中添加多種光學(xué)儀器，如光源或激光裝置。滿(mǎn)足這一需求的不同方法已經(jīng)出現(xiàn)，本文對(duì)其進(jìn)行了描述。
從安東·范·列文虎克到復(fù)式顯微鏡
自公元一世紀(jì)羅馬人發(fā)明玻璃以來(lái)，人們就發(fā)現(xiàn)圓形的玻璃珠可以產(chǎn)生放大效果。后來(lái)，人們對(duì)這種效果進(jìn)行了科學(xué)研究和進(jìn)一步開(kāi)發(fā)，從而產(chǎn)生了16和17世紀(jì)的簡(jiǎn)單放大鏡，如漢斯和查卡里亞斯·簡(jiǎn)森或安東·范·列文虎克發(fā)明的簡(jiǎn)單放大鏡。從歷史看，這是顯微鏡誕生的時(shí)刻。
根據(jù)定義，“顯微鏡”是一種可以放大人眼通常無(wú)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(jiàn)圖1上）。如今，當(dāng)我們談?wù)擄@微鏡時(shí)，我們想到的是不同的東西。這是因?yàn)槿藗兒芸炀鸵庾R(shí)到，將兩個(gè)單獨(dú)的透鏡（或透鏡系統(tǒng)）組合成一排是比單透鏡更有效的視覺(jué)工具。
為了描述這種裝置，創(chuàng)造了“復(fù)式顯微鏡”這一術(shù)語(yǔ)。復(fù)式顯微鏡由一個(gè)可以放大標(biāo)本的物鏡和一個(gè)可以放大物鏡產(chǎn)生的圖像的目鏡（分別有兩個(gè)）組成（見(jiàn)圖1中）。

 
圖1：上：顯微鏡始于16和17世紀(jì)的簡(jiǎn)單放大裝置。本例的物鏡是一個(gè)可以放大標(biāo)本的單透鏡。中：有限遠(yuǎn)光學(xué)復(fù)式顯微鏡由雙透鏡系統(tǒng)組成。物鏡放大標(biāo)本，目鏡放大物鏡產(chǎn)生的圖像。物鏡安裝定位面與目鏡安裝定位面之間的距離稱(chēng)為機(jī)械筒長(zhǎng)。下：一個(gè)無(wú)限遠(yuǎn)光學(xué)復(fù)式顯微鏡帶有一個(gè)額外的鏡筒透鏡（TL）。
 
無(wú)限遠(yuǎn)光學(xué)簡(jiǎn)介
物鏡安裝定位面與目鏡安裝定位面之間的距離稱(chēng)為機(jī)械筒長(zhǎng)（見(jiàn)圖1中）。為了標(biāo)準(zhǔn)化，19世紀(jì)時(shí)，英國(guó)顯微鏡學(xué)會(huì)將這一數(shù)值設(shè)定為160毫米。多年來(lái)，這一設(shè)計(jì)被證實(shí)存在一些缺陷。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(huì)改變有效筒長(zhǎng)并引入像差，這些必須通過(guò)添加其他硬件組件進(jìn)行校正。
由于這個(gè)原因，20世紀(jì)30年代時(shí)，顯微鏡制造商徠卡開(kāi)始用無(wú)限遠(yuǎn)光學(xué)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，這項(xiàng)技術(shù)后來(lái)被所有其他顯微鏡公司采用。這些無(wú)限遠(yuǎn)光學(xué)系統(tǒng)的物鏡將標(biāo)本圖像投射到無(wú)限遠(yuǎn)處，這意味著來(lái)自標(biāo)本一個(gè)單點(diǎn)的所有光線(xiàn)都以平行的方式從物鏡中發(fā)射出來(lái)。在標(biāo)本（和物鏡）中心的光線(xiàn)與光軸平行。在標(biāo)本中心以外的光線(xiàn)相互平行，但不與光軸平行。
由無(wú)限遠(yuǎn)校正的物鏡產(chǎn)生的虛像必須由一個(gè)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(jiàn)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(wú)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(méi)有改變（見(jiàn)圖2）。

 
圖2：上：有限遠(yuǎn)光學(xué)系統(tǒng)由物鏡和目鏡組成。物體被放置在物鏡的單聚焦點(diǎn)和雙聚焦點(diǎn)之間。物鏡產(chǎn)生的中間圖像在目鏡的前聚焦點(diǎn)和目鏡之間聚焦。用戶(hù)可以通過(guò)目鏡查看圖像。下：在無(wú)限遠(yuǎn)校正系統(tǒng)中，標(biāo)本被放置在物鏡的聚焦點(diǎn)上。在這種情況下，從標(biāo)本一個(gè)點(diǎn)射出的所有光線(xiàn)在物鏡后面都是平行的，就像一個(gè)放置在無(wú)限遠(yuǎn)處的物體。從標(biāo)本中心射出的光線(xiàn)經(jīng)過(guò)物鏡后平行于光軸（圖中未顯示）。從標(biāo)本邊緣一個(gè)點(diǎn)射出的光線(xiàn)經(jīng)過(guò)物鏡后彼此平行，但不與光軸平行。物鏡與鏡筒透鏡之間的空間稱(chēng)為無(wú)限遠(yuǎn)空間。進(jìn)入這個(gè)空間的平面光學(xué)裝置幾乎不會(huì)影響圖像，因?yàn)閺臉?biāo)本一個(gè)點(diǎn)射出的所有光線(xiàn)都會(huì)受到同樣的光學(xué)影響。鏡筒透鏡形成的虛像可以通過(guò)目鏡查看。
無(wú)限遠(yuǎn)光學(xué)的優(yōu)點(diǎn)
幾種光學(xué)對(duì)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(duì)于相關(guān)技術(shù)而言都是*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(zhǎng)，并引入了球面像差。這些可以通過(guò)引入額外的光學(xué)元件來(lái)校正，但代價(jià)是光強(qiáng)度較弱或放大倍數(shù)增加。
相比之下，無(wú)限遠(yuǎn)校正光學(xué)顯微鏡可以容納用于光學(xué)對(duì)比法的額外設(shè)備，不會(huì)因?qū)⑵湟氲綗o(wú)限遠(yuǎn)空間中而造成光學(xué)損傷。安裝在無(wú)限遠(yuǎn)光路中的裝置既不會(huì)改變成像比例，也不會(huì)改變中間圖像的位置。這是由于從標(biāo)本的一個(gè)點(diǎn)射出的所有光線(xiàn)會(huì)平行穿過(guò)物鏡。
從無(wú)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(dòng)到無(wú)限遠(yuǎn)光路時(shí)，放大倍數(shù)不會(huì)發(fā)生變化，因此可以很容易地使用不同的光學(xué)對(duì)比法來(lái)比較*相同的樣品。例如，標(biāo)本可以同時(shí)在DIC和熒光中成像（見(jiàn)圖3）。

 
圖3：DIC棱鏡或熒光濾鏡等光學(xué)裝置，進(jìn)入有限遠(yuǎn)光學(xué)的光路，損壞圖像。必須通過(guò)使用額外的光學(xué)元件來(lái)確定引入的像差。這會(huì)增加物體的放大倍數(shù)。而引入無(wú)限遠(yuǎn)空間的光學(xué)元件對(duì)放大倍數(shù)沒(méi)有影響。因此，DIC圖像（左）和熒光圖像（中）可以同時(shí)接收（右）。
 
除了少數(shù)例外，大多數(shù)顯微鏡都有一個(gè)物鏡轉(zhuǎn)盤(pán)，在轉(zhuǎn)盤(pán)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(hù)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(wú)限空間中添加額外的光學(xué)儀器，也可以保持無(wú)限遠(yuǎn)光學(xué)的齊焦性。
如何讓更多的裝置進(jìn)入無(wú)限遠(yuǎn)光路中

 
圖4：一些顯微技術(shù)要求同時(shí)耦合額外的光源或激光。例如，在FRAP實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)將激光耦合到無(wú)限遠(yuǎn)光路中進(jìn)行熒光漂白。
 
光學(xué)顯微鏡仍然是一個(gè)不斷發(fā)展的領(lǐng)域。新技術(shù)的開(kāi)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(duì)熒光基團(tuán)進(jìn)行漂白（見(jiàn)圖4）。另一個(gè)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(wú)限遠(yuǎn)光學(xué)的引入為這些方法奠定了基礎(chǔ)，因?yàn)槠浜?jiǎn)化了必要組件通過(guò)無(wú)限遠(yuǎn)空間耦合到顯微鏡光路的過(guò)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(wú)限遠(yuǎn)光路中。從技術(shù)上看，有兩種方式可以進(jìn)入無(wú)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(jiàn)圖5）。通過(guò)成像路徑進(jìn)入的優(yōu)點(diǎn)是，電動(dòng)快速濾光片輪和快門(mén)等專(zhuān)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(wú)限遠(yuǎn)空間（盡管其名字與其含義相反）不能通過(guò)將模塊堆疊到顯微鏡中而無(wú)限延伸。原因是只有從標(biāo)本中心射出的光線(xiàn)平行于光軸。
從標(biāo)本一個(gè)點(diǎn)射出的偏離中心的光線(xiàn)彼此平行，但會(huì)以一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(huì)導(dǎo)致光損失。更準(zhǔn)確地說(shuō)，這會(huì)引起漸暈，并縮小視野。

 
圖5：可以通過(guò)兩種方法獲取顯微鏡的無(wú)限遠(yuǎn)光路：物鏡與管鏡筒透鏡（TL）之間的成像路徑（上），或光源（L）與物鏡之間的照明路徑（下）。前一種方法需要將相關(guān)模塊堆疊到顯微鏡中，從而延長(zhǎng)了成像路徑。第二種方法允許用戶(hù)通過(guò)在照明路徑中利用反射鏡和分光器獲取顯微鏡上的多個(gè)應(yīng)用。
 
視頻：徠卡DMi8無(wú)限遠(yuǎn)端口
通過(guò)顯微鏡的照明路徑，例如通過(guò)徠卡無(wú)限端口，進(jìn)入無(wú)限遠(yuǎn)空間，可以避免延長(zhǎng)成像光路的問(wèn)題（見(jiàn)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。

 
圖6：堆疊方法延長(zhǎng)了顯微鏡成像的無(wú)限遠(yuǎn)光路。這可能會(huì)導(dǎo)致那些并非從標(biāo)本中心射出的光線(xiàn)的損失。徠卡顯微系統(tǒng)的無(wú)限遠(yuǎn)端口既不會(huì)延長(zhǎng)成像光路，也不需要在成像光路中添加其他組件，這是堆疊系統(tǒng)的另一個(gè)缺點(diǎn)。
 
總結(jié)
無(wú)限遠(yuǎn)校正光學(xué)的引入改進(jìn)了現(xiàn)代顯微鏡的功能。目前已不再需要校正光學(xué)對(duì)比法所需的棱鏡或其他光學(xué)儀器引入的像差。無(wú)限遠(yuǎn)光學(xué)的易用性增加，除此之外，還允許多個(gè)光源同時(shí)耦合到顯微鏡中。
徠卡的無(wú)限遠(yuǎn)接口可以直接獲取顯微鏡座的無(wú)限遠(yuǎn)光路，從而避免了堆疊方法產(chǎn)生的問(wèn)題。這為研究人員打開(kāi)了大門(mén)，使研究人員可以在不犧牲圖像質(zhì)量的情況下輕松連接其他光學(xué)裝置，并跟上最新的顯微鏡趨勢(shì)。
本文也發(fā)表于：Optik & Photonik，11卷，1期，34-37頁(yè)，2016年2月；
 

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