Об’єктиви для мікроскопів. Частина 1

386

Об’єктиви є одним з найважливіших компонентів оптичного мікроскопа, оскільки вони відповідають за формування первинного зображення та відіграють центральну роль у визначенні якості зображень, які мікроскоп здатний створити. Об’єктиви також мають важливе значення для визначення збільшення конкретного зразка та роздільної здатності, за якої дрібні деталі зразка можна спостерігати в мікроскопі.

Рис.1 Масляний імерсійний апохроматичний об’єктив із нескінченною корекцією

Об’єктив — це найскладніший компонент оптичного мікроскопа для проектування та складання, і це перший елемент, з яким стикається світло під час проходження від зразка до площини зображення. Свою назву об’єктиви отримали від того факту, що вони є найближчим компонентом до об’єкта (зразка).

Основні виробники мікроскопів пропонують широкий вибір конструкцій об’єктивів, які мають чудові оптичні характеристики за широкого спектру умов освітлення та забезпечують різний ступінь корекції первинних оптичних аберацій. Об’єктив, зображений на Рис. 1, — це 60-кратний масляний імерсійний апохромат, який містить 15 оптичних елементів, з’єднаних у три групи пар лінз, групу з трьох лінз і три окремі внутрішні одноелементні лінзи. Об’єктив також має напівсферичну передню лінзу та меніскову другу лінзу, які працюють синхронно, допомагаючи вловлювати світлові промені з високою числовою апертурою з мінімальною сферичною аберацією. Як і у випадку з більшістю масляних імерсійних об’єктивів, апохромат, зображений на Рис. 1, оснащений висувною підпружиненою конусною частиною, яка захищає елементи передньої лінзи та зразок від пошкодження при зіткненні. Внутрішні елементи об’єктива ретельно орієнтовані та щільно запаковані в трубчастий латунний корпус, закритий оправою об’єктива. Конкретні параметри об’єктива, такі як числова апертура, збільшення, довжина оптичної трубки, ступінь корекції аберації та інші важливі характеристики, надруковані або вигравірувані на зовнішній частині. Хоча об’єктив, зображений на малюнку, призначений для роботи з використанням масла як середовища для формування зображення між передньою лінзою об’єктива та зразком, інші об’єктиви мають передні лінзові елементи, які дозволяють використовувати їх у повітрі або занурити у воду, гліцерин чи інші спеціалізовані масла на вуглеводневій основі.

Читайте також: Калькулятор глибини різкості об’єктивів

Сучасні об’єктиви, що складаються з багатьох скляних елементів, досягли високого рівня якості та продуктивності, причому ступінь корекції аберацій та площинності поля визначає якість  та вартість об’єктива. За останні 100 років технології будівництва та матеріали, що використовуються для виготовлення об’єктивів, значно покращилися. Сьогодні об’єктиви розробляються за допомогою систем автоматизованого проектування (CAD) з використанням скла з рідкісними елементами однорідного складу та якості з високоспецифічними показниками заломлення. Покращена продуктивність, продемонстрована за допомогою цих передових технологій, дозволяє виробникам створювати об’єктиви з дуже низькою дисперсією та з корекцією більшості поширених оптичних артефактів, таких як астигматизм, геометричні спотворення, кривизна поля, сферична та хроматична аберація. Зараз не тільки об’єктиви мікроскопа виправлені на більшу кількість аберацій у більш широких полях, але й відблиски зображення значно зменшено завдяки значному збільшенню пропускання світла, тому зображення є надзвичайно яскравими, різкими та чіткими.

Найдешевшими (і найпоширенішими) об’єктивами, які використовуються в більшості лабораторних мікроскопів, є ахроматичні об’єктиви. Ці об’єктиви коригуються на осьову хроматичну аберацію на двох довжинах хвиль (синій і червоний; приблизно 486 і 656 нанометрів відповідно), які зведені в єдину загальну фокусну точку. Крім того, ахроматичні об’єктиви коригуються на сферичну аберацію зеленого кольору (546 нанометрів; див. Таб.1). Обмежена корекція ахроматичних об’єктивів може призвести до суттєвих артефактів під час дослідження зразків і їх зображення за допомогою кольорової мікроскопії та мікрофотографії. Якщо фокус вибрано в зеленій області спектра, зображення матимуть червонувато-пурпуровий ореол (їх часто називають залишковим кольором).

Ахроматичні об’єктиви дають найкращі результати, якщо світло проходить через зелений фільтр (часто інтерференційний фільтр) і з використанням чорно-білої плівки, коли ці об’єктиви використовуються для мікрофотозйомки. Відсутність корекції площинності поля ще більше ускладнює ахроматичні об’єктиви. За останні кілька років більшість виробників почали надавати коррекцію плоского поля для ахроматичних об’єктивів і назвали ці скориговані об’єктиви плановими ахроматами.

Рис. 2. Загальні коефіцієнти оптичної корекції об’єктива

Наступний вищий рівень корекції та вартості спостерігається в об’єктивах, які називаються флюоритами або напівапохроматами (центральний об’єктив на Рис. 2), названими на честь мінералу флюориту, який спочатку використовувався для їх виготовлення. На Рис. 2 зображено три основні класи об’єктивів:

  • ахромати з найменшою кількістю корекції;
  • флюорити (або напівапохромати), що мають додаткові сферичні поправки; 
  • апохромати, які мають найбільшу корекцією. 

Об’єктив, розташований зліва на Рис. 2, є 10-кратним ахроматом, який містить дві внутрішні пари лінз і передню лінзу. У центрі Рис.2 показано 10-кратний флюоритовий об’єктив із кількома групами лінз, у тому числі двома парами та групою з трьох лінз, на додаток до напівсферичної передньої лінзи та вторинної меніскової лінзи. Праворуч на Рис. 2 зображено 10-кратний апохроматичний об’єктив, який також містить кілька груп лінз і окремі елементи. Незважаючи на те, що конструкція лінз подібна до флюоритових об’єктивів, вони мають різну товщину, кривизну та конфігурацію, унікальну для апохроматних об’єктивів.

Табл. 1. Корекція аберації об’єктива

Флюоритові об’єктиви виготовляються з передових скляних композицій, які містять такі матеріали, як плавиковий шпат або нові синтетичні замінники. Ці нові формули дозволяють значно покращити корекцію оптичних аберацій. Подібно до ахроматів, флюоритові об’єктиви також хроматично коригуються для червоного та синього світла. Крім того, флюорити також скориговані сферично для двох або трьох кольорів замість одного кольору, як і ахромати. Покращена корекція флюоритових об’єктивів порівняно з ахроматами дає змогу створювати ці об’єктиви з вищою числовою апертурою, що забезпечує яскравіші зображення. Флюоритові об’єктиви також мають кращу роздільну здатність, ніж ахромати, і забезпечують вищий ступінь контрастності, що робить їх кращими, ніж ахромати, для кольорової мікрофотозйомки в білому світлі.

Продовження статті читайте за посиланням