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高性能光學成像技術的里程碑

來源:聯(lián)合光科技(北京)有限公司   2025年03月12日 15:09  

高性能光學成像技術的里程碑,前文中提到的現(xiàn)代玻璃材料科學之父——奧托·肖特在蔡司面前其實是小輩。1840年代,卡爾·蔡司已經(jīng)成為有名的透鏡制作者,而這一時期肖特還沒有出生。1851年出生的肖特和蔡司差著一代人的年紀,他們是如何從忘年交一步步發(fā)展成光學領域商業(yè)伙伴,這得從老大哥卡爾·蔡司說起。

       1816年9月11日,卡爾·蔡司出生于離耶拿不遠的魏瑪市。1838至1845年間,蔡司輾轉于多個城市,邊打工邊學習,擴充自己在物理、數(shù)學和機械方面的知識。1845年他回到耶拿開辦了一家機械作坊制作透鏡,此即為今天蔡司公司的前身。
 

       蔡司直到1847年才制造出一種只用單片透鏡的簡易型顯微鏡,但這批顯微鏡賣得不太好,畢竟蔡司先生30多歲了,也要買房買車養(yǎng)家養(yǎng)孩子,所以蔡司開始動腦筋研發(fā)新產(chǎn)品。1857年蔡司開發(fā)的新產(chǎn)品——復合式顯微鏡 Stand I 型上市,并在圖林根工業(yè)展覽會上獲得金獎,被認為是德國的科學儀器。Stand I 型大賣,蔡司也有了資金積累,這個時候蔡司認為要想從產(chǎn)品上繼續(xù)突破,就要從顯微成像的基礎科學研究出發(fā),消除諸如球差、像散和視野彎曲等光學缺陷。

       早在18世紀,切斯特·穆爾·霍爾(Chester Moor Hall)發(fā)現(xiàn)燧石玻璃的色散明顯大于冕牌玻璃,使用冕牌玻璃做凸透鏡,燧石玻璃做凹透鏡,并將兩塊透鏡拼在一起。冕牌和燧石玻璃對不同波長光的折射率比例是不一樣的(A、B、C分別對應于紅、綠、藍)。通過選擇合適的拼接角度,可以將冕牌玻璃紅和藍兩種邊緣色散光重新會聚在一起,這種復合透鏡就能在很大程度上消除色差,這就是早期的消色差透鏡技術。


 



圖:白光在a燧石玻璃和b冕牌玻璃中的色散情況



圖:早期的消色差復合透鏡
 

       時間到了1870年代,恩斯特·阿貝教授已經(jīng)作為合伙人與蔡司一同專注于解決顯微成像系統(tǒng)中消除色差和二級光譜問題(復消色差)。根據(jù)阿貝博士的理論研究,只有得到兩種玻璃,色散不同但相對色散比例(A:B:C)相符時,才能消除“二級光譜”。這一時期蔡司公司已經(jīng)能夠制作出當時優(yōu)秀的透鏡系統(tǒng),但是要攻克二級光譜問題(復消色差)的瓶頸在于沒有相匹配的光學玻璃材料。
 

       幸運的是,阿貝博士認識肖特,對!就是上文中提到的現(xiàn)代玻璃材料科學之父。肖特的重要突破是發(fā)明了硼硅酸鹽玻璃,發(fā)現(xiàn)燧石玻璃中引入硼酸后,藍紫區(qū)光譜收縮,使相對色散比例(A:B:C)與冕牌玻璃匹配,這種新型玻璃的出現(xiàn)鋪平了通往高性能顯微鏡的道路。1886年,蔡司發(fā)布了全新的物鏡系列——復消色差物鏡(apochromatic objective),為現(xiàn)代高性能光學成像奠定了可靠的基礎,具有里程碑的意義。
 


 

圖:蔡司早期LOGO就是一個消色差復合透鏡示意圖
 

       這種復消色差物鏡,在顯微應用中有廣闊的使用場景,目前能供應高品質長工作距離平場復消色差顯微物鏡(LWD M Plan Apo)的公司主要是Z家,M家和O家德日系光學企業(yè),但貨期較長。聯(lián)合光科為業(yè)內(nèi)客戶準備了2X、10X、20X、50X、100X的長工作距離顯微物鏡,這些物鏡被廣泛應用到亮場工業(yè)檢測、教育科研等領域,關鍵的是有現(xiàn)貨!有現(xiàn)貨!有現(xiàn)貨!
 



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