立體顯微鏡通常被稱為實驗室或生產部門的主力。選擇立體顯微鏡時,需要考慮哪些因素呢? 答案是:“看情況”。這是為什么呢? 因為它取決于用途,取決于用戶想要完成的任務。立體顯微鏡基本上是一種工具,用于將三維目標在三個維度中放大。 不同于復式顯微鏡,立體顯微鏡能夠應付這個任務。
過去的雙目顯微鏡,其特點是透鏡系統簡單,而且設計和傳統的復式顯微鏡相同。 此類解剖顯微鏡,正如當時所熟知的那樣,主要用于生物學中的解剖用途;當時沒有技術上的應用。大約在 1890 年,美國生物學家和動物學家霍雷肖•S•格里諾(Horatio S. Greenough)采用了一項設計原理,今天仍為光學儀器的所有主要制造商所使用。“格里諾原理”基礎上的立體顯微鏡,實現了的高質量立體圖像。
1957 年,美國光學公司采用了帶有共用主物鏡的現代立體顯微鏡設計,并命名為Cycloptic®。它的現代鋁外殼下,是兩道平行的光束的路徑和主物鏡,以及一個五步變倍器。此種立體顯微鏡,制造商除采用格里諾原理外,還采用望遠鏡或 CMO(普通主物鏡)原理,并用于模塊化的、高性能的儀器。兩年后,另一家美國公司博士倫提出了 StereoZoom® 格里諾設計,作出了開創性的創新: 一步到位的變倍器(變焦)。 今天幾乎所有的設計都是基于一個變焦系統。
時至今日,立體顯微鏡仍基于提到的技術方法——格里諾或 CMO 原理。
四個事項需要仔細評估:
a)用途是什么?
b)哪種結構需要觀察、記錄或可視化?
c)有多少人在使用顯微鏡?
d)解決方案的可用預算是多少?
一旦上述因素已知,則可以歸結為以下標準。
放大倍數、變焦范圍和物場
景深和數值孔徑
光學質量和工作距離
人體工學
照明
立體顯微鏡的總放大倍數,是變倍器、物鏡和目鏡的放大倍數的組合。
像放大鏡一樣,變倍器由光學透鏡構成,可以用來改變儀器的放大倍數。改變變倍器的位置,會改變圖像放大的程度。圖像放大的程度稱為放大倍數。現代立體顯微鏡能夠提供 16 倍放大(只有變焦體),20.5:1 的變焦范圍,其特點是能夠進行可靠測量的機動化或編碼。
接下來,圖像通過目鏡得到進一步放大。為找出目鏡中觀察到的目標的放大程度,用戶將變倍器和目鏡的放大倍數相乘。
當從適當的距離向目鏡中觀察、而且瞳孔間距設置正確時,可以看到稱為物場的一個圓形區域。 物場的直徑根據放大倍數而變化。換言之,放大倍數和物場直徑之間存在著數學關系。 10 倍目鏡提供的物場數是23。這意味著變焦體和主物鏡放大 1 倍時,物場大小為23mm。 3 倍放大時物場減少到三分之一,即物場的直徑僅有7.66mm。
在顯微鏡中,景深往往被視為一種經驗參數。 實際上它是由數值孔徑、分辨率和放大倍數之間的相關性確定的。為了得到視覺印象,現代顯微鏡的調整設施會在景深和分辨率——在理論上具有負相關性的兩個參數——之間產生一種平衡。
在視感景深這個問題上,Max Berek 是位發表觀點的作者,早在 1927 年他就發表了經過大量實驗得來的結果。Berek 公式給出了視覺景深的實際值,因此今天仍然使用。
FusionOptics是一種復雜的光學方法,能夠消除立體顯微鏡中分辨率和景深之間的關系。在這里,光路之一為觀察者的一只眼睛提供了高分辨率和低景深的一副圖像。通過二光路,另一只眼睛看到相同目標的低分辨率和高景深的圖像。人類大腦會將兩個獨立的圖像組合成一個整體圖像,其特點是分辨率高和景深高。
另一個說明人類大腦非凡能力的例子是格里諾立體顯微鏡。在這里,左右光路的目標平面彼此形成一個微小的角度。在整體圖像中,產生的整個區域似乎顯得清晰,盡管左邊或右邊的圖像并非如此。
現代立體顯微鏡,其特點是 20.5:1 變焦范圍、APO 校正光學系統和 FusionOptics。
立體顯微鏡的光學質量通常列為 Achro 或 Achromat(消色差),以及 Apo(復消色差),代表球形和色差的程度的校正。場曲率校正縮寫為 Plan,而 PlanApo 是色差和場曲率校正的組合。
Achro, Achromat:消色差校正
Plan:平場光學校正
PlanApo:復消色差和平場校正
在立體顯微鏡等光學儀器中,色差是一種失真,鏡頭無法將所有顏色集中到同一個會聚點。這是因為鏡頭對不同波長的光有不同的折射率(透鏡的色散)。折射率隨著波長的增加而減少。良好的光學設計的目的,是減少或完全消除此種影響。
消色差透鏡是一種旨在限制色差和球面像差的影響的透鏡。消色差透鏡經過校正后,將兩種波長(通常為紅色和藍色)聚焦到同一個平面上。此類透鏡或顯微鏡用于以下任務,即無需顏色復現和主要是評估幾何特性。另一方面,復消色差透鏡旨在較正三種波長(紅、綠和藍色),將它們聚焦到同一個平面上。
這是標本聚焦時,物鏡前鏡頭和和標本頂部之間的距離。在大多數情況下,物鏡的工作距離隨著放大倍數增加而減少。在立體顯微鏡中,工作距離是的標準之一,因為它直接影響著顯微鏡作為工具的可用性。
人體工學鏡筒——身體和頭部放松,手臂有支撐,腿部有足夠空間,并充分利用椅子。
人有高有矮,這使得儀器需求成為個人問題。例如,為一定的任務配備的顯微鏡,有配件和特定的工作距離,其現有高度可能相當不適合特定的用戶。如果觀察高度過低,觀察者在工作時將被迫向前彎曲,導致頸部肌肉緊張。因此在理想狀態下,顯微鏡的觀察高度和視角,應根據用戶的體形調整。此外,可變的觀察高度,是用來防止完全久坐不動的姿勢的方法。它允許觀察者采用個人坐姿,并按照自然的沖動周期性地改變,以便不時左右移位。的確,椅子的高度可以改變,這樣一種放松、微微彎曲的姿勢代替了之前的正襟危坐,但這不是方法。更簡單、更的方法是使用一種可變的雙目鏡筒,以彌補身高的差異。
由于采用了模塊化產品的方法,帶有 CMO 設計的立體顯微鏡可以根據用戶的尺碼或工作習慣提供的多種方式定制儀器,因而是方案。
在立體顯微鏡中,照明是將所有的工作暴露在光線下的關鍵。正確的照明將僅僅通過改變光的類型,便使所需的結構可視化,或有關樣品的新信息被發現。重要的是,將照明正確地匹配到正確的顯微鏡和正確的用途上。
現代立體顯微鏡照明系統基于持久的發光二極管,并提供獨特的方式,將解決方案整合到整個顯微鏡系統。高度整合的環形光源和使用中的偏振器,是為了減少標本上的眩光。