柯勒照明的历史背景
1893年，德国光学工程师 August Kohler 在卡尔蔡司公司（Carl Zeiss）工作期间，为解决显微镜照明不均匀的问题，提出了一种全新的照明方法——柯勒照明（Kohler Illumination）。在此之前，显微镜普遍采用临界照明（Critical Illumination），即将光源直接成像在样品面上。这种方法虽然简单，但光源的结构（如灯丝形状）会直接叠加在样品图像上，导致照明不均匀，严重影响观察和成像质量。
Kohler 的创新在于引入了一套光学中继系统，使光源像和样品像分别位于不同的共轭面上，从而将光源结构与成像彻底分离。这一方法在1893年发表后，迅速被蔡司公司采纳，并逐步成为所有高质量光学显微镜的标准照明技术。时至今日，柯勒照明仍然是透射光和落射光显微镜中最基本、最重要的照明设置方式。
核心原理：两组共轭焦平面
柯勒照明的精髓在于建立两组相互独立的共轭焦平面体系：照明共轭面和成像共轭面。所谓"共轭"，是指在光学系统中，一个平面上的每个点都与另一个平面上的对应点一一成像对应。
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照明共轭面（Illumination Conjugate Planes）
照明共轭面系列包含以下几个平面，它们相互共轭——光源在其中每个面上都能成像：
- 光源灯丝面：光源本身的发光面（如卤素灯的灯丝）
- 聚光镜前焦面（孔径光阑面）：聚光镜的孔径光阑所在平面
- 物镜后焦面：物镜的后焦平面（出瞳）
- 目镜的出瞳面：观察者眼睛虹膜所在位置
在照明共轭面上，光源的像被聚焦；但在成像共轭面上，这些光源像是离焦的、均匀散开的，因此不会影响样品的成像质量。
成像共轭面（Imaging Conjugate Planes）
成像共轭面系列包含：
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- 视场光阑面：位于光源与聚光镜之间的可调光阑
- 样品面：被观察样品所在平面
- 中间像面：物镜在镜筒内形成的实像面
- 视网膜面（或CCD面）：最终成像的探测面
视场光阑的像被精确聚焦在样品面上，用于控制照明范围；而光源的像在样品面上是完全离焦的，确保照明均匀。
落射式柯勒照明：光是怎样一步步照到样品上的
前面讲的是透射式显微镜的柯勒照明：光从样品下方经聚光镜穿过样品。金相显微镜、半导体检测显微镜和绝大多数显微光谱系统用的是落射式（反射式）：照明光从侧面进入，被一块 45° 的半透半反分光镜折向下方，穿过物镜照到样品上；样品反射回来的光再沿原路向上，透过分光镜进入筒镜和相机。此时物镜同时承担了聚光镜的作用。
下面按光的传播顺序把整条光路拆开看。标 照明共轭 的面上能看到光源的清晰像，标 视场共轭 的面上能看到视场光阑的清晰像。两组面交替出现、互不干扰，柯勒照明的原理就在这里。
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- 光源照明共轭：卤素灯丝或 LED 芯片，典型发光面 2～5 mm。它向很大的立体角发光，亮度分布也不均匀，但柯勒照明不受这些影响。
- 集光镜 L1：短焦距、大口径（常用非球面聚光镜），尽可能多地收集光源发出的光，并把光源放大成像到后方的孔径光阑处。
- 孔径光阑 AS照明共轭 · 光源像①：一个可调虹膜。它切掉的是光源像的外圈，也就是限制了哪些方向的光能到达样品。
- 照明透镜 L2：孔径光阑位于它的前焦面上，孔径光阑上每一点发出的光经 L2 后都变成一束平行光。
- 视场光阑 FS视场共轭：位于 L2 后焦面，同时也是 L3 前焦面。这里的光斑是均匀的（每一点都汇集了光源各部分的光），光阑决定照亮多大一块样品。
- 照明透镜 L3：把视场光阑成像到无穷远，同时把孔径光阑（即光源像）成像到它的后焦面，也就是物镜后焦面。
- 半透半反分光镜 BS：45° 放置，把水平方向来的照明光反射向下进入物镜。它不改变任何共轭关系，只是把光路折转 90°。
- 物镜转盘与物镜后焦面照明共轭 · 光源像②：光源在物镜后焦面上第二次成像。后焦面上的每一点经物镜后都变成射向样品的一束平行光，点离光轴越远，平行光越倾斜。
- 样品面视场共轭 · 视场光阑像：物镜把视场光阑的像聚焦在样品面上。倾斜程度不同的平行光照在同一块区域上并叠加，样品因此被均匀照亮。
"光是怎么照到样品上的"可以用一句话回答：光源上的每一点，最终都变成一束平行光，以各自的角度照满整个视场。光源某处更亮，只会让某个方向的光更强，而不会让视场里某个位置更亮。下方设计器里的"样品面放大"小图画的就是这件事：不同颜色代表光源上的不同位置，它们在样品上完全重叠。
样品反射的光沿原路回到物镜，变成平行光向上透过分光镜，经筒镜成像到相机靶面或目镜视场光阑上。这个像面也与视场光阑、样品面共轭，所以在相机里能直接看到视场光阑的边缘，调节柯勒照明时"看光阑像"依据的就是这一点。
柯勒照明交互设计器（落射式）
自动生成的光路零件表
转盘各物镜的光阑设置速查
设计公式：光路参数是怎么算出来的
设计器背后的计算并不复杂，全部基于近轴薄透镜模型。设计从物镜一侧倒推：先确定物镜后焦面有多大，再决定光源需要放大多少倍，最后把总长度分给集光段和中继段。
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第一步：物镜后焦面直径
以筒镜 200 mm 的长工作距物镜为例：10×/0.28 的焦距为 20 mm，后焦面直径 11.2 mm；100×/0.70 的焦距只有 2 mm，后焦面直径 2.8 mm。低倍物镜的后焦面反而最大，所以照明系统要按转盘里后焦面最大的那支物镜来设计，用高倍物镜时多余的光由孔径光阑挡掉。
第二步：光源需要放大多少倍
s 是发光面较短的边。光源像必须盖满整个后焦面（留 10% 余量），否则照明 NA 达不到物镜 NA，分辨率会下降。默认参数下（4 mm 光源、f₁ = 30 mm、f₃/f₂ = 1）需要 β₁ ≈ 3.08×，集光镜物距约 39.7 mm、像距约 122.4 mm。
第三步：分配总长度
L2 和 L3 组成一个 4f 中继：孔径光阑在 L2 前焦面，视场光阑在 L2 后焦面（即 L3 前焦面），物镜后焦面在 L3 后焦面。总长 380 mm 时，集光段约占 162 mm，剩下约 218 mm 平分给 2f₂ + 2f₃，得到 f₂ = f₃ ≈ 54.5 mm。分光镜放在 L3 与物镜后焦面之间。
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第四步：两个光阑开多大
有一个容易被忽略的结论：在无限远物镜、筒镜焦距固定的系统里，视场光阑的满视场口径与物镜倍率无关（默认参数下约 Ø6.0 mm），换物镜不必动视场光阑；孔径光阑则必须随物镜重新调整，因为各物镜后焦面直径不同。
第五步：光源够不够用（光学扩展量）
光学扩展量在无损光学系统中不会增加。如果光源的扩展量小于"视场 × 孔径"的需求，无论怎么设计都无法同时充满视场和后焦面：要么视场边缘暗，要么照明 NA 不足。这是选择光源尺寸的根本依据，详见光学不变量（光学扩展量）一文。
柯勒照明与临界照明的对比
临界照明（Critical Illumination）是柯勒照明出现之前最常用的显微镜照明方式。在临界照明中，光源通过聚光镜直接成像在样品平面上。这种方式的优势是光路简单、光效较高，但存在根本性缺陷。
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| 比较项 | 临界照明 | 柯勒照明 |
|---|---|---|
| 光源像位置 | 在样品面上成像 | 在聚光镜孔径光阑面成像，样品面上离焦 |
| 照明均匀性 | 差，灯丝结构叠加在图像上 | 优异，样品面获得均匀照明 |
| 照明范围控制 | 不易精确控制 | 通过视场光阑精确控制 |
| 对比度控制 | 有限 | 通过孔径光阑调节数值孔径和对比度 |
| 杂散光 | 较多 | 视场光阑有效减少照明范围以外的杂散光 |
| 适用光源 | 要求均匀面光源 | 对光源形状无要求，灯丝光源也可使用 |
| 调节复杂度 | 简单 | 需要规范的调节步骤 |
在现代光学显微镜中，柯勒照明几乎完全取代了临界照明，成为标准配置。仅在一些特殊应用（如使用均匀面光源 LED 的低端教学显微镜）中，临界照明因其简单性仍被采用。
柯勒照明的光路组成
一个完整的柯勒照明系统由以下关键元件组成，从光源到样品依次排列：
光源（Light Source）
常用光源包括卤素灯（钨丝灯）、金属卤化物灯和LED光源。传统显微镜多使用6V/12V卤素灯，灯丝是一个非均匀的发光体，这正是柯勒照明需要解决的核心问题。现代LED光源虽然本身较为均匀，但配合柯勒照明系统仍可获得更好的效果和更精细的控制。
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集光镜（Collector Lens）
集光镜紧贴光源，作用是收集光源发出的光并将其投射到聚光镜系统上。集光镜将光源灯丝成像在聚光镜的前焦面（即孔径光阑处），这是建立照明共轭面关系的第一步。
视场光阑（Field Diaphragm）
视场光阑是一个可变孔径光阑，位于集光镜之后、聚光镜之前。它的像通过聚光镜精确成像在样品面上，因此可以精确控制被照明的样品区域大小。缩小视场光阑可以减少照明面积以外的杂散光，提高图像对比度。
聚光镜（Condenser）
聚光镜是柯勒照明中最关键的光学元件。它执行两个功能：将视场光阑成像在样品面上（控制照明范围），以及将光源的像中继到物镜后焦面（确保照明均匀）。高质量的聚光镜通常由多片透镜组成，具有较高的数值孔径（NA），常见的有阿贝聚光镜（NA 1.25）和消色差-消球差聚光镜。
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孔径光阑（Aperture Diaphragm）
孔径光阑位于聚光镜的前焦面附近，光源灯丝在此成像。通过调节孔径光阑的大小，可以控制照明光锥的角度（即照明的数值孔径），从而平衡图像分辨率和对比度。一般建议将孔径光阑调节到物镜后焦面的60%~80%。
柯勒照明的调节步骤详解
正确设置柯勒照明需要按照以下步骤进行，每一步都有其物理意义：
步骤一：对焦样品
将样品放在载物台上，使用低倍物镜（通常10x），通过调焦旋钮使样品清晰对焦。这一步确保样品位于物镜的焦面上，建立成像共轭面关系的基准。
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步骤二：关小视场光阑
将视场光阑关小到最小位置或较小的开口。此时在目镜中应该能看到视场光阑的像——一个光斑或多边形亮区。如果看不到，说明聚光镜的位置或焦距不正确。
步骤三：调节聚光镜高度
上下移动聚光镜（通过聚光镜调节旋钮），直到视场光阑的像在样品面上清晰成像——在目镜中看到视场光阑边缘清晰锐利。这一步的物理意义是使视场光阑与样品面建立共轭关系。
步骤四：居中视场光阑
使用聚光镜上的居中螺钉（通常有两个），调节使视场光阑的像位于视场中心。最终视场光阑的像应呈现为以视场中心为圆心的对称图形。
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步骤五：打开视场光阑
缓慢打开视场光阑，直到光阑边缘恰好位于视场边缘之外（即照明范围刚好覆盖视场，再略大一点）。这样既保证了完整的视场照明，又最大限度地减少了杂散光。
步骤六：调节孔径光阑
取下一个目镜（或使用博传镜），观察物镜后焦面。调节聚光镜的孔径光阑，使其像约占物镜后焦面直径的60%~80%。孔径太小会降低分辨率，太大会降低对比度。这一步需要根据样品特性和观察需求进行平衡。
工程实践要点
卤素灯还是 LED
卤素灯光谱连续（约 360～2500 nm），是显微光谱测量的首选，但发热大：集光镜后建议加隔热玻璃，虹膜光阑宜用金属叶片。LED 寿命长、几乎没有热辐射、亮度稳定，适合纯成像检测；但白光 LED 在 450 nm 附近有尖峰、近红外基本没有输出，不适合宽带光谱测量。
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LED 芯片表面有焊盘和金线。柯勒照明中它们成像在物镜后焦面而不在样品上，一般不影响视场均匀性；但如果光源像没有充满孔径光阑，焊盘的阴影会让照明角度分布不对称，这时可以在集光镜后加一片弱散射匀光片。
机械结构与对中
两个光阑都要留轴向和横向调节余量：视场光阑轴向需要 ±5 mm 以上的调焦行程，横向需要对中螺钉；灯座需要 X/Y/Z 三向调节，用来把灯丝像调到后焦面中心。用 30 mm 笼式系统搭建时，虹膜和透镜可以直接装在笼板上，同轴度由笼杆保证，调试效率高很多。
分光镜的取舍
50/50 分光镜让照明和成像各损失一半，往返只剩 25%。荧光应用应改用二向色镜，激发光几乎全部反射、荧光几乎全部透过；偏光应用要注意分光镜对 s、p 偏振的反射率不同。分光镜的背面反射和边缘散射是落射照明中杂散光的主要来源，平板分光镜背面应镀增透膜或做楔角。
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显微光谱测量的特殊要求
做显微反射率、膜厚、颜色测量时，照明 NA 会影响测得的反射率（斜入射的菲涅耳反射率不同），所以参比样品和待测样品必须在同一孔径光阑设置下测量。视场光阑只需略大于光谱采集区域，以减少周边区域的散射光混入光谱。
常见照明问题排查
按柯勒照明的原理，大多数照明问题都可以从"哪个共轭面出了问题"倒推出原因。下表列出现场最常见的几种情况，其中多数都能在上面设计器的"调校练习"里复现：
| 现象 | 原因 | 处理方法 |
|---|---|---|
| 视场里能看到灯丝或 LED 芯片的像 | 光源像落到了视场共轭面上：L3 或视场光阑位置不对，系统退化成了临界照明 | 按设计距离复位 L3 和视场光阑，确认视场光阑像清晰 |
| 视场光阑边缘模糊 | 视场光阑离焦 | 调视场光阑轴向位置，直到边缘锐利 |
| 照明光斑偏向一侧 | 视场光阑横向偏心 | 调视场光阑对中螺钉 |
| 视场亮度一边强一边弱 | 灯丝像在后焦面偏心，或光源像没有充满孔径光阑 | 取下目镜看后焦面，调灯座对中 |
| 换高倍物镜后图像发灰、对比度差 | 孔径光阑相对于更小的后焦面开得过大，多出来的光变成杂散光 | 按速查表把孔径光阑重设到 60%～80% |
| 换低倍物镜后视场边缘发暗 | 照明范围或光源像不够大（光学扩展量不足） | 增大集光镜口径或光源尺寸，或缩短 f₂ |
| 图像上有亮斑或鬼像 | 分光镜、透镜表面的反射进入了相机 | 用镀增透膜的元件，平板分光镜做楔角，加遮光筒 |
| 视场很亮但细节发软 | 孔径光阑开得太小，照明 NA 过低 | 把孔径光阑开到 70%～80% |
柯勒照明的优势
照明均匀性
由于光源像在样品面上是完全离焦的，光源的结构（灯丝形状、亮度不均等）不会影响样品照明。每个点的光源贡献被均匀化，实现了高度均匀的照明效果。这对于定量显微光谱测量和精确的图像分析尤其重要。
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对比度控制
孔径光阑提供了独立于照明强度之外的对比度控制手段。调节孔径光阑的大小可以改变照明的相干性——较小的孔径增加空间相干性，提高对比度但降低分辨率；较大的孔径降低相干性，提高分辨率但降低对比度。这种灵活的调节能力使观察者能够根据样品特性优化成像质量。
杂散光抑制
视场光阑将照明范围精确限制在被观察区域，避免了样品未观察区域产生的散射光和衍射光进入成像光路。这大幅降低了图像背景噪声，提高了信噪比。在荧光显微镜中，杂散光的抑制对于弱荧光信号的检测尤为关键。
光源适应性
柯勒照明对光源的均匀性没有特殊要求，即使是结构高度不均匀的灯丝光源也能产生均匀的样品照明。这使得各类光源——从传统卤素灯到现代LED——都能在柯勒照明系统中获得良好效果。
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在现代光学系统中的应用
显微镜领域
柯勒照明是几乎所有研究级光学显微镜的标准配置，包括明场、暗场、相衬、微分干涉（DIC）和荧光显微镜。在落射荧光显微镜中，激发光路也采用柯勒照明的原理来实现均匀的荧光激发。共聚焦显微镜虽然使用点扫描照明，但宽场通道仍依赖柯勒照明。
显微光谱分析
在显微拉曼光谱、显微红外光谱和显微荧光光谱等分析技术中，柯勒照明确保了探测区域的照明均匀性，这是获取准确光谱数据的前提。不均匀的照明会导致光谱信号强度的系统偏差，影响定量分析的准确性。
光刻技术
半导体光刻机中的照明系统本质上也是柯勒照明的延伸。掩模（Mask/Reticle）面需要高度均匀的照明，而光源的不均匀性必须被消除。现代光刻机的照明系统通过复杂的光学积分器和中继透镜组，实现了柯勒照明原理的高级版本。
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工业检测
在机器视觉和工业检测系统中，柯勒照明原理被广泛用于设计均匀照明光路。芯片检测、缺陷检查和精密测量等应用都要求照明在检测区域内的均匀性优于2%，柯勒照明是实现这一要求的基础。
定制显微照明与光谱检测系统
四川森普力科技有限公司可以定制符合要求的显微照明设备，或者进行此类照明光学检测。
我们提供定制显微光谱系统，包括：
- 柯勒照明的显微镜光路设计与集成
- 显微光谱测量平台搭建
- 光路优化与照明均匀性评估
同时销售上海复享光学的光谱仪产品，可基于光谱仪构建完整的显微光谱检测系统。
