尼康无限远独立校正色差光学系统CFI60的基本原理

CFI60光学系统428

象差(Aberration)

实际光学系统的成象具有一系列缺陷,这就是象差。
实际的光学系统,只有近光轴区域以很小孔径角的光束所生成的象才是完善的。但实际应用中,都需一定大小的成象空间和光束孔径,同时还由于成像光束是由不同颜色的光组成的,同一镜头(介质)(光学系统)的折射率随颜色而异。因此镜头的成像具有一系列缺陷。这就是像差。象差的大小反映了光学镜头质量优劣。
几何象差主要有七种:单色光有五种,球差、彗差、象散、场曲、畸变。 复色光有二种,轴向色差、垂轴色差(又称放大色差)

色差(Chromatic aberration)

从上述简介色差是十分重要的像差,因为包括显微镜在内的绝大多数光学仪器都在复色光条件下使用,这里介绍一下复色光形成的两种色差就显得十分必要。不同色光在同一种光学玻璃传播速度各不相同,即不同色光(波长不同)具有不同的折射率,或不同的焦距,象的位置及大小也随之而异。

轴向色差:又称位置色差或纵向色差沿着光轴度量不同色光光线。

与光轴交点间距离:LC-LF=•C-F.

垂轴色差:又称放大率色差,倍率色差,沿垂轴方向度量不同色光所成的像大小之差异。YC-YF=•YC-F.

消色差与CF物镜及光学系统

几乎所有显微镜及其他光学仪器的消色差物镜都是只校正二种色光或称为两条谱线的轴向色差(一般为C光和F光)而垂轴色差是消不掉的,原因是没有合适牌号的玻璃,几乎各光学仪器厂商解决消除垂轴色差方法都用补偿法-----物镜的残留垂轴色差是正向的,用负向垂轴色差目镜去补偿,这种方法已经应用了近百年,这是一种简便经济的设计方法,但是这种方法有很大局限性,尤其是光学事业飞速发展,光学仪器越来越复杂,绝不是能用一种物镜对一种目镜固定搭配来补偿垂轴色差,形色多样,变化多端的光学系统使垂轴色差的消除变成捉模不定,而且不能消到规定的容限内。

请看下面三种情况:

  1. 在一种仪器上往往配备很多类物镜、很多目镜,按照使用要求会产生更多的组合排列,以显微镜为例,物镜有1X、2X、4X、10X、20X、40X、60X、100X ,性能有消色差,半平场、平场、复色差、荧光相衬•等等,目镜同样有不同倍数,不同性能,垂轴色差很难消除。
  2. 另外,有些选购附件上的附加镜,转像镜一旦用入主机,也会将原来物镜同目镜之间已经平衡,补偿掉的垂轴色差给破坏了。
  3. 很多光学仪器只有物镜或只有目镜,补偿法无法施展,如照相物镜,投影物镜,光刻物镜,判读仪,额镜•

综上所述,消色差的物镜及光学系统存在了垂轴色差消除困难的痼疾,一直困扰着光学设计工作者,几十年来一直为之奋斗找寻解决方法,最后,只有呼吁有关产业赶紧研制新的光学玻璃系列。

CF物镜及光学系统(Chromatic Aberration Free)

长期以来,CF全消色-•Chromatic Aberration Free(CF)即同时消除、轴向色差及垂轴色差的设计原则及设计方法为很多光学工作者运行和发展,最终因受光学玻璃品种发展的限制,没有应用在商品上,尼康公司凭借优厚的实力及科技开发能力,近二十年,为此作出不懈的努力,运用计算机辅助设计(CAD),计算机辅助制造(CAM),开发出针对CF光学系统所特需,独自熔炼出专用的系列光学玻璃,至此,总算彻底扫清发展CF镜头的障碍,而尼康公司成为第一个广泛应用CF镜头的光学公司,这给整个光学界很大震撼,设计人员不论任职何种公司,都认为:CF消色差镜头明显地优于传统的消色差镜头,由于消去了垂轴色差成像更清晰,层次更丰富,色调优良,而视场更平,(尽管不是平场镜头),更有镜头之间自由搭配,不需顾及传统消色差镜头补偿关系,此时正值公元1976年。

需要指出的是,CF光学系统的成功与尼康公司拥有自己的光学玻璃冶炼厂有很大的关系。

什么是CFI?

尼康在CF镜头大获成功后,又抓紧开发CFI镜头,于1996年成功推出CFI60光学系统。CFI是在满足CF消色差要求的同时将镜头后焦距设计成平行光,即无限远。I代表英文Infinity(无限远)的第一个字母。它的好处:可以任意选用选购附件插入主机内,因为选购附件均有平板玻璃或棱镜在以前焦距为有限距的会聚光路中都会产生各种像差,为此物镜原设计像质给破坏,必须设计各种辅镜头配合其使用,这给操作者造成麻烦----各自单独装卸而且价格增加,而这些选购件(由平板,棱镜为其组成之一)在平行光路里没像差,所以,可以设计成拉插式结构方便。

什么是CFI60?(详见下图)

其中60是指齐焦距离为60mm, 另外的二个参数:筒镜焦距:200mm,物镜的螺纹直径:25mm,这3个参数一起突破了当时的国际标准。从而成就了许多光学上的性能。 例如较长工作距离、较高NA值、提供0.5X物镜作观察、更清晰的微分干涉差、更长的第一次成像空间、以及视野平面化等等。
尼康CFI60光路概念图


尼康CFI60光路概念图

  1. CF是不同于通常消色差镜头的新型优异光学系统,由于系统内镜头把轴上及垂轴二种色差一起消除,物镜及目镜可以自由互换搭配,没有互相补偿的依赖关系。
  2. CFI中的I字母代表Infinity无限远或平行光路之意在括号内长度内所有选购附件可以让用户自由地方便地插进,拉出。
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