Келеровское освещение - это метод освещения образца, используемый для оптической микроскопии в проходящем и отраженном свете (транс- и эпи-освещении) . Освещение по Келлеру действует для создания равномерного освещения образца и гарантирует, что изображение источника освещения (например, нити накала галогенной лампы ) не будет видно на полученном изображении. Келеровское освещение - преобладающий метод освещения образцов в современной научной световой микроскопии. Это требует дополнительных оптических элементов, которые более дороги и могут отсутствовать в более простых световых микроскопах.
История и мотивация
До освещения Келера критическое освещение было преобладающим методом освещения образцов. Основное ограничение критического освещения состоит в том, что изображение источника света (обычно лампочки ) падает в той же плоскости, что и изображение образца, то есть нить накала лампы видна на конечном изображении. Изображение источника света часто называют изображением нити накала . Поэтому критическое освещение дает неравномерное освещение образца; яркие области на изображении нити освещают эти области образца сильнее. Неравномерное освещение нежелательно, поскольку оно может привести к появлению на изображении таких артефактов, как блики и тени.
Для рассеивания изображения нити накала можно использовать различные методы, включая снижение мощности источника света или использование колбы из опалового стекла или рассеивателя из опалового стекла между колбой и образцом. Все эти методы в некоторой степени функциональны для уменьшения неравномерности освещения, однако все они уменьшают интенсивность освещения и изменяют диапазон длин волн света, который достигает образца.
Чтобы устранить эти ограничения, Август Келер разработал метод освещения, который использует идеально расфокусированное изображение источника света для освещения образца. Эта работа была опубликована в 1893 году в Zeitschrift für wissenschaftliche Mikroskopie [1], а вскоре после этого был опубликован английский перевод в Журнале Королевского микроскопического общества . [2]
Освещение Келера также было разработано в контексте не отображающей оптики . [3]
Оптические принципы
Основным ограничением критического освещения является формирование изображения источника света в плоскости изображения образца. Освещение Келера решает эту проблему, обеспечивая идеальную расфокусировку изображения источника света в плоскости образца и сопряженных с ним плоскостях изображения . На лучевой диаграмме светового пути освещения это можно увидеть как формирующие изображение лучи, проходящие параллельно через образец.
Освещение Келера требует для работы нескольких оптических компонентов:
- Коллекторная линза и / или полевая линза
- Полевая диафрагма
- Диафрагма конденсатора
- Конденсаторная линза
Эти компоненты расположены в указанном порядке между источником света и образцом и управляют освещением образца. Коллекторные / полевые линзы собирают свет от источника света и фокусируют его в плоскости диафрагмы конденсатора. Конденсорная линза проецирует этот свет, не фокусируя его, через образец. Эта схема освещения создает два набора сопряженных плоскостей изображения, один с изображением источника света, а другой с образцом. Эти два набора плоскостей изображения находятся в следующих точках (цифры и буквы см. На рисунке):
- Плоскости изображения источников света (отмечены светло-зеленой полосой на изображении):
- Лампа накаливания (1)
- Диафрагма конденсатора (2)
- Задняя фокальная плоскость объектива (3)
- Окошко (4)
- Плоскости изображения образцов:
- Полевая диафрагма (A)
- Образец (B)
- Промежуточная плоскость изображения (диафрагма окуляра) (C)
- Сетчатка глаза или датчик камеры (D)
Преимущества
Основным преимуществом освещения Келера является равномерное освещение образца. Это уменьшает артефакты изображения и обеспечивает высокую контрастность образца. Равномерное освещение образца также имеет решающее значение для современных методов освещения, таких как фазовый контраст и микроскопия с дифференциальным интерференционным контрастом .
Регулировка диафрагмы конденсатора изменяет контраст образца . Кроме того, изменение размера диафрагмы конденсора позволяет регулировать глубину резкости образца путем изменения эффективной числовой апертуры микроскопа. Роль диафрагмы конденсора аналогична диафрагме в фотографии, хотя диафрагма конденсора микроскопа функционирует, управляя освещением образца, в то время как апертура камеры функционирует, управляя освещением детектора.
Изменение диафрагмы конденсатора позволяет свободно регулировать количество света, попадающего в образец, без изменения длины волны присутствующего света, в отличие от снижения мощности источника света с критическим освещением (которое изменяет цветовую температуру лампы). Эта регулировка всегда связана с изменением числовой апертуры системы, как указано выше, и поэтому регулировка интенсивности источника освещения с помощью других средств все еще необходима.
Путем регулировки полевой диафрагмы изображение апертуры полевой диафрагмы в плоскости образца устанавливается на размер немного больше, чем отображаемая область образца (что, в свою очередь, соответствует части изображения образца, брошенной в ограничитель поля окуляра). ). Поскольку полевая диафрагма, образец и ограничитель поля окуляра лежат на сопряженных плоскостях изображения , эта регулировка позволяет освещающим лучам полностью заполнять поле зрения окуляра, сводя к минимуму количество постороннего света, который должен блокироваться ограничителем поля окуляра. Такой посторонний свет рассеивается внутри системы и ухудшает контраст.
Тестирование и настройка освещения Köhler
Микроскопы, использующие освещение Келера, необходимо регулярно проверять на правильность юстировки. Процедура перестройки проверяет, находятся ли правильные оптические компоненты в фокусе на двух наборах сопряженных плоскостей изображения; плоскости изображения источника света и плоскости изображения образца.
Выравнивание оптических компонентов на плоскости изображения образца обычно выполняется путем первой загрузки исследуемого образца и его фокусировки путем перемещения объектива или образца. Полевая диафрагма тогда частично закрывается; края диафрагмы должны находиться в тех же сопряженных плоскостях изображения, что и образец, поэтому должны быть в фокусе. Фокус можно регулировать, поднимая или опуская линзы конденсатора и диафрагму. Наконец, полевая диафрагма снова открывается и выходит за пределы поля зрения.
Чтобы проверить совмещение компонентов на плоскости изображения источника света, необходимо снять окуляр, чтобы можно было наблюдать промежуточную плоскость изображения (положение диафрагмы окуляра) либо напрямую, либо с помощью фазового телескопа / линзы Бертрана . Источник света (например, нить накала лампы) и края диафрагмы конденсатора должны быть в фокусе. Любые оптические компоненты на задней фокальной плоскости объектива (например, фазовое кольцо для фазово-контрастной микроскопии) и на диафрагме конденсора (например, кольцо для фазово-контрастной микроскопии) также должны быть в фокусе.
Смотрите также
- Кёлер интеграция
- Пространственная фильтрация , оптический принцип, реализованный в полевой диафрагме осветителя Келера.
- Микроскопия в поляризованном свете
- Модуляционная контрастная микроскопия Хоффмана
Рекомендации
- ↑ Köhler, август (1893). "Ein neues Beleuchtungsverfahren für mikrophotographische Zwecke" . Zeitschrift für wissenschaftliche Mikroskopie und für Mikroskopische Technik . 10 (4): 433–440.
- ^ Келер, август (1894 г.). «Новый метод освещения для микрофотографических целей» . Журнал Королевского микроскопического общества . 14 : 261–262.
- ^ Чавес, Хулио (2015). Введение в оптику без изображений, второе издание . CRC Press . ISBN 978-1482206739.