复消色差体视显微镜

仪器信息网讯 近日，瑞士保罗谢尔研究所(Paul Scherrer Institute,简称PSI) 的科学家开发了一种X射线显微镜的突破性光学元件——X 射线消色差透镜。这使得 X 射线束即使具有不同的波长也可以准确地聚焦在一个点上。对应成果于3月14日发表在科学杂志Nature Communications上，成果表示，新型X射线镜头将使使用 X 射线研究纳米结构变得更加容易；这种类型的X射线消色差仪将克服衍射光学和折射光学的色差限制，并为宽带X射线管光源在光谱学和显微镜中的新应用铺平道路。DOI: 10.1038/s41467-022-28902-8用于在微纳米尺度上无损研究物质内部结构和元素组成的X射线技术需要高性能的X射线光学系统。为此，在过去的十年中，人们开发了各种类型的反射、折射和衍射光学元件。衍射和折射光学元件已成为大多数高分辨率X射线显微镜的组成部分。然而，始终遭受固有色差的影响。到目前为止，这限制了它们在窄带辐射中的使用，从本质上说，这类高分辨率X射线显微镜仅限于高亮度同步辐射源。与可见光光学类似，解决色差的一种方法是将具有不同色散功率的聚焦光学和散焦光学结合起来。在这次新成果中，PSI科学实现了X射线消色差仪的首次成功实验，该消色差仪由电子束光刻和镀镍制作的聚焦衍射菲涅耳波带片（FZP）和3D打印双光子聚合制作的散焦折射透镜（RL）组成。利用扫描透射X射线显微镜（STXM）和光学显微镜，科学家演示了在宽能量范围内的亚微米消色差聚焦，而无需任何焦距调整。这种类型的X射线消色差仪将克服衍射光学和折射光学的色差限制，并为宽带X射线管光源在光谱学和显微镜中的新应用铺平道路。消色差镜头对于在摄影和光学显微镜中产生清晰的图像至关重要。它们确保不同颜色（即不同波长的光）具有共同的焦点。然而，迄今为止，X 射线还没有消色差透镜，因此只有单色 X 射线才能实现高分辨率 X 射线显微镜。在实践中，这意味着必须从 X 射线光束光谱中滤除所有其他波长，因此只能有效使用一小部分光，从而导致相对低效的图像捕获过程。由 3D 打印机创建的微结构：由 PSI 科学家开发的创新折射结构与衍射元件相结合，形成一个消色差 X 射线镜头，约一毫米长（或高，如图所示）。打开它的末端，就像一个微型火箭。它是由 3D 打印机使用特殊类型的聚合物创建的。该结构的图像由扫描电子显微镜拍摄。图片来源：Paul Scherrer Institute/Umut SanliPSI 科学家团队已通过成功开发用于 X 射线的消色差 X 射线透镜解决了以上问题。由于 X 射线可以揭示比可见光小得多的结构，创新的镜头将特别有利于微芯片、电池和材料科学等领域的研发工作。比可见光消色差更加复杂对于可见光，消色差透镜的应用已经超过200多年。但对于X 射线的消色差透镜直到现在才被开发出来，这一事实乍一看似乎令人惊讶。可见光的消色差透镜是由一对不同的材料组成，当可见光穿透第一种材料时，分散成不同光谱颜色（就像穿过传统的玻璃棱镜时一样），然后这些光谱再通过第二种材料时就会逆转这种分散效果，聚焦在一个点上。（在物理学中，分散不同波长的过程称为“色散”）消色差聚焦原理：散焦折射透镜（RL）的色度作为聚焦菲涅耳波带片（FZP）色度特性的校正器。b扫描电子显微镜（SEM）显示了通过电子束光刻和镍电镀制作的镍FZP，用于对比测量。c由四个堆叠抛物面组成的RL的SEM图像，使用双光子聚合光刻技术进行3D打印。d使用消色差作为聚焦光学元件的扫描透射X射线显微镜（STXM）和光学成像实验装置的草图。PSI 的X 射线纳米科学与技术实验室 X 射线光学与应用研究组负责人、物理学家 Christian David 解释说：“这种适用于可见光范围的基本原理在 X 射线范围内不再起作用。对于 X 射线，没有任何两种材料的光学特性能够在很宽的波长范围内足以抵消另一种材料的影响。换句话说，材料在 X 射线范围内的色散是太相似了。”两个原理而不是两种材料因此，科学家们没有将寻找答案放在在两种材料的组合中，而是探索将两种不同的光学原理联系在一起。“诀窍是要意识到我们可以在衍射透镜前面放置第二个折射透镜，”新研究的主要作者Adam Kubec说。Kubec 目前是 Christian David 小组的研究员，现在为 XRnanotech 工作，XRnanotech 是 PSI 在 X 射线光学研究过程中的一个衍生公司。“多年来，PSI 一直是 X 射线镜片生产的世界领导者，”David 说，“我们为全球同步加速器光源的 X 射线显微镜提供专门的透镜，称为菲涅耳波带片。” David 的研究小组使用已建立的纳米光刻方法来生产衍射透镜。然而，对于消色差透镜中的第二个元素——折射结构——需要一种新方法，这种方法最近才得以实现：微米级的 3D 打印。这最终使 Kubec 能够制作出一种类似于微型火箭的形状。使用消色差仪演示在不同能量下的 STXM 成像。a）使用消色差获得的图b 中所示的Siemens star样品的 STXM 图像，表明在最佳能量约 6.4 keV 的附近，消色差范围 1 keV。b) Siemens star 测试样品的 SEM 图像，外圈和内圈的径向线和间距 (L/S) 的宽度分别为 400 nm 和 200 nm，见红色箭头。c) STXM 的比较结果是使用消色差 (上) 和传统 FZP (下) 获得的能量范围为 6.0 keV 至 6.4 keV。虽然 FZP 图像的对比度随能量快速变化，但使用消色差获得的图像质量变化很小。潜在的商业应用新开发的镜头使得X射线显微镜实现了从研究应用到商业应用（例如工业）的飞跃。“同步加速器源产生如此高强度的 X 射线，以至于可以滤除除单个波长以外的所有波长，同时仍保留足够的光来产生图像，”Kubec 解释说。然而，同步加速器是大型研究设施。迄今为止，在工业界工作的研发人员被分配了固定的光束时间，在研究机构的同步加速器上进行实验，包括 PSI 的瑞士同步辐射光源 SLS。这种光束时间极其有限、昂贵，且需要长期规划。“行业希望在他们的研发过程中拥有更快的响应循环，”Kubec 说，“我们的消色差 X 射线镜头将在这方面提供巨大帮助：它将使工业公司可以在自己的实验室内操作紧凑型 X 射线显微镜。”PSI 计划与 XRnanotech 一起将这种新型镜头推向市场。Kubec 表示，他们已经与专门在实验室规模上建造 X 射线显微镜设施的公司建立了适当的联系。作为元件安装在瑞士同步辐射光源SLS上进行测试为了测试他们的消色差仪的性能，科学家们在将其作为聚焦光学元件安装在瑞士同步辐射光源SLS的cSAXS光束线上。其中一种方法是非常先进的 X 射线显微镜技术，称为 ptychography。“这种技术通常用于检测未知样本，”该研究的第二作者、Christine David 研究小组的物理学家、X 射线成像专家 Marie-Christine Zdora 说，“另一方面，我们使用 ptychography 来表征 X 射线束，从而表征我们的消色差透镜。” 这使科学家能够精确检测不同波长的 X 射线焦点的位置。他们还使用一种方法对新镜头进行了测试，该方法使样品以小光栅步长穿过 X 射线束的焦点。当改变 X 射线束的波长时，使用传统 X 射线镜头产生的图像会变得非常模糊。但是，在使用新的消色差镜头时不会发生这种情况。“当我们最终在广泛的波长范围内获得测试样品的清晰图像时，我们知道我们的镜头正在发挥作用，” Zdora高兴地说道。David 补充说：“我们能够在 PSI 开发这种消色差 X 射线镜头，并且很快将与 XRnanotech 一起将其推向市场，这一事实表明，我们在这里所做的这类研究将在很短的时间内实现实际应用。”

体视显微镜显微镜有很多种，体视显微镜是其中的一种，比如还有生物显微镜、金相显微镜等。体视显微镜，又叫实体显微镜、立体显微镜或解剖镜。体视显微镜是一种常用的显微镜，具有正像立体感的目视仪器，不需要专门进行加工制作样品，可以直接放在体视显微镜镜头下进行观察，它能够通过放大和放映图像，使我们能够观察和研究微小的物体和细胞结构，从不同角度观察物体，使双眼引起立体感觉的双目显微镜，工作效率极高。体视显微镜创新点：1、双目镜筒中的左右两束光不是平行的，而是具有一定夹角的，一般为12度到15度，这个角称为体视角。因此成像会有三维立体感。观察者可以更加真实地感受到样品的立体形态，更好地理解样品的结构和特性。2、由于体视显微镜的棱镜把图像倒转过来，使观察者看到的图像是直立的，便于操作。3、虽然放大倍率不及其它光学显微镜的倍率大（如生物显微镜和金相显微镜的放大倍率可达1000倍甚至更大），但体视显微镜优点就是工作距离长，视场直径大。景深大，便于观察物体的全貌。4、体视显微镜操作简单，放大倍数一般在7X~45X、7X~63X。其他更高端科研级体视显微镜型号NSZ818，变焦倍率比达到 1：18 ，10X目镜能够实现7.5-135X的放大倍数。果蝇转基因 转基因育种体视显微镜用途上也最为广泛,主要用途如下：1、动物学、植物学、昆虫学、组织学、矿物学、考古学、地质学和皮肤病学等的研究。2、在纺织工业中，用于原料及棉毛织物的检验。3、在电子工业中，作为元器件检查，焊点检查等操作工具。4、各种材料的裂缝构成，气孔形状腐蚀情况等表面现象的检查。5、在制造小型精密零件时，用于机床工具的装置、工作过程的观察、精密零件的检查以及装配工具。MHZ-101/MHZ-201体视显微镜可将微小物体放大并形成正的立体像，具有工作距离长，成像清晰而平稳、视场宽阔、清晰度高、倍率连续可调和操作方便等特点。根据人机工程学要求设计，45度倾斜观察，长时间工作而不感觉颈肩不适。特别适用于科研、高教、农林地质、珠宝、医学卫生、公安部门作观察分析、生物解剖。近年来还广泛应用于电子工业和仪器仪表等行业作细小精密零件的检验、装配修理用。MHZ-201体视显微镜MHZ-201体视显微镜技术参数表:◆放大倍数: 标准配置：7X~63X 选配目镜及辅助物镜，连续变倍◆物镜: 标准配置：连续变倍物镜 变倍比9：1 确保像面齐焦性◆观察头: 45°倾斜，360°旋转◆目镜: 标准配置： 10X/20mm，宽视野，广角，高眼点，为佩带眼镜的观察者提供方便◆可选目镜: 10X、15X、 20X 、25X◆工作距离：标准配置110mm（有效距离）◆可选辅助物镜：0.5X工作距离165mm/1.5X/2X ◆显微镜摄像头：C接口的USB2.0和USB3.0相机可选◆荧光照明器：LED落射荧光照明器/环形荧光照明器NSZ818科研级平行光体视显微镜NSZ818科研级平行光体视显微镜在大健康市场领域的主要应用：1、用于蛋白质结晶过程和晶体的高对比度观察和成像。2、作为分子生物学、细胞生物学、神经生物学、发育生物学、胚胎学、系统生物学、结构生物学的从宏观到微观高分辨观察与成像研究工具。3、用于斑马鱼、小鼠、线虫等模式生物和各种透明样本、微观细胞组织、亚细胞结构的明场、浮雕相衬；可升级为荧光观察和成像系统。4、数码体视显微镜作文书纸币的真假判辨，大样品上的颜料残留物分析和鉴定，区分轻微的结构偏差和真实的色彩。5、广泛应用于纺织制品、化工化学、塑料制品、电子制造、机械制造、医药制造、食品加工、印刷业、高等院校、考古研究等众多领域。体视显微镜NSZ818技术参数：◆光学系统：平行光（伽利略型）复消色差光学系统◆变倍比：1:18，变倍范围0.75-13.5X◆物镜：PLAN APO 1X（NA 0.15, WD 60mm）◆放大率：7.5-135X◆目镜（F.O.V.mm）：三目 20°固定倾角镜筒 可变倾角三目镜筒，范围为 0-30°◆可选目镜：10X（23） 10X（22）15X（16） 20X（12）◆底座：LED 立体照明底座（OIC 内置照明器）◆支持观察方式：明场，荧光，斜照明，简易偏光，暗场

上期我们聊到物镜的数值孔径，了解到数值孔径的大小直接影响最终获取的图像分辨率，为物镜的重要参数。然而，在物镜上我还会看到一些简写，如下图所示： 那么，这些英文简写表示什么意思呢？可以看到，上图物镜上游两个简写：N、PLAN。分别表示色差矫正和球差矫正的等级。有些小伙伴就会问道，什么是色差，什么是球差？自然光或LED光源发出的光线都是白光，白光由不同波长的光组合而成，不同的波长呈现不同的颜色，穿过透镜的折射率也不相同，如上图所示：一束白光从w点发出斜射至一块凸透镜中，不同波长的光折射率不同从而分散开来，从而不同颜色的光落在不同的位置。这只是一个点光源就出现这种效果，如果在显微镜成像中，复杂的颜色分布，多种颜色的组合，如果颜色依旧如此乱的呈现在视野中，我们可能都认不出所观察的图像是什么了。下图为一张白纸在体视镜下观察的效果，左边为无色彩矫正的图像，右边为色彩校正后的图像。明显可以看出，白纸的网格状结构未进行色差校正后的像有红色的彩边，产生色差，而色彩校正后就可以还原图像的本质。那么色彩校正是如何实现的？在凸透镜的两侧添加一些校正透镜（如下图），形成透镜组，不同波长的光通过透镜组后改变行程方向，还原初始位置，从而完成色差校正。然而，不同波长的光校正难度有差异，从而物镜的档次有消色差、半复消色差、复消色差等多个等级，可校正颜色越多的物镜等级越高。说完色差校正，凸透镜还有球差需要进行矫正。所谓球差，同一个平面的物体通过透镜后，呈现的像不在同一平面上。如下图所示：凸透镜左侧红、黄两点在同一个平面上，通过透镜折射后，在凸透镜右侧成像却不在同一平面。 在实际的观察中表现的效果为：同一个视野中间是可以清晰可见的，而四周呈现的图像为模糊的，这样的图像给使用者带来的观察效果和感受会很差，无法一次性分析和观察全视野的图像。球差的矫正技术目前在物镜中较为基础，市场上几乎所有的物镜都具有矫正球差的功能（物镜上会有PLAN或PL的标记），从而在选择物镜的过程中不用担心球差问题。Leica徕卡 DMi1 倒置相差显微镜Leica徕卡 DMiL倒置荧光显微镜