光學(xué)顯微鏡像差參數(shù)之球差

   光學(xué)顯微鏡球差是由于電磁透鏡中心區(qū)域和邊緣區(qū)域?qū)﹄娮訁R聚能力不同而造成的。遠(yuǎn)軸電子通過(guò)透鏡時(shí)被折射得比近軸電子厲害得多，因而有同一物點(diǎn)散射的電子經(jīng)過(guò)透鏡后不交在一點(diǎn)上，而是在透鏡相平面上變成一個(gè)漫射圓斑。
球差亦稱球面像差，軸上物點(diǎn)發(fā)出的光束，經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)以后，與光軸夾不同角度的光線交光軸于不同位置，因此，在像面上形成一個(gè)圓形彌散斑，這就是球差。一般是以實(shí)際光線在像方與光軸的交點(diǎn)相對(duì)于近軸光線與光軸交點(diǎn)（即高斯像點(diǎn)）的軸向距離來(lái)度量它。
    對(duì)于單色光來(lái)說(shuō)，球差是軸上點(diǎn)成像時(shí)wei一存在的像差。軸外成像時(shí)，存在許多種像差，球差只是其中一種。
    除特殊情況外，一般而言，單個(gè)球面透鏡不能校正球差，正透鏡產(chǎn)生負(fù)球差，負(fù)透鏡產(chǎn)生正球差。對(duì)一定位置的物點(diǎn)而言，當(dāng)保持透鏡的孔徑和焦距不變時(shí)，球差的大小隨透鏡的形狀而異。因此，以適當(dāng)形狀的正、負(fù)透鏡組合成的雙透鏡組成或雙交合鏡組是可能消球差的一種簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)。保持透鏡的焦距不變而改變透鏡形狀，猶如把柔軟的物體彎來(lái)彎去。故被稱為透鏡的整體彎曲，它是光學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)校正像差的一種重要技巧。
    設(shè)單個(gè)折射球面的曲率半徑為r，兩邊媒質(zhì)的折射率為n1和n2，則當(dāng)物點(diǎn)處于三個(gè)位置，即球面頂點(diǎn)（物距u=0），球心和由I=r+r* n2/ n1所決定的點(diǎn)時(shí)，不產(chǎn)生球差，后兩種情況有重要的應(yīng)用。球面反射鏡僅當(dāng)物點(diǎn)位于頂點(diǎn)和球心時(shí)無(wú)球差。所有的回轉(zhuǎn)二次非球面反射鏡，都有一點(diǎn)不產(chǎn)生球差的共軛點(diǎn)。其中，拋物鏡面是無(wú)窮遠(yuǎn)軸上點(diǎn)和焦點(diǎn)；橢球面鏡和雙曲面鏡是他們的一對(duì)焦點(diǎn)。他們都有實(shí)際的應(yīng)用。
    下面我們來(lái)看一下如何用ZEMAX軟件來(lái)消除軸上球差LONA和SPHA：
    LONA表示的是軸上物點(diǎn)指定波長(zhǎng)，指定光束尺寸（光線對(duì)）的軸上成像交點(diǎn)到近軸焦平面之間軸向距離。這個(gè)定義和我們定義的軸向球差相同。光瞳尺寸（光束尺寸）在0～1之間，那么將追跡實(shí)際的光束匯交點(diǎn)計(jì)算軸向球差。
    SPHA常用于指定面產(chǎn)生的像差數(shù)值。若不指定特殊面（取值為0），則計(jì)算所有面產(chǎn)生球差總和。注意這個(gè)總合不是像差計(jì)算公式中的經(jīng)過(guò)各面逐個(gè)放大之后的加權(quán)和，而是代數(shù)和（這還有待讀者的進(jìn)一步驗(yàn)證）。
    經(jīng)驗(yàn)：當(dāng)選擇LONA控制不住球差時(shí)，同時(shí)加入SPHA操作數(shù)，設(shè)置合理的權(quán)重，可以將軸向球差進(jìn)一步改善。