Об’єктиви для мікроскопів. Частина 2

69
IMG Об’єктиви для мікроскопів

Найвищий рівень корекції (і витрати) спостерігається в апохроматичних об’єктивах, зображених на Рис. 2 та Рис. 3. Апохромати являють собою найбільш висококориговані об’єктиви для мікроскопів, доступні на даний момент, а їхня висока ціна обумовлюється складним дизайном і складністю виготовлення.  На Рис. 3 ми порівнюємо лінзові елементи в серії апохроматичних об’єктивів зі збільшенням від 10x до 100x. Апохроматичні об’єктиви з меншою потужністю (10x і 20x) мають більшу робочу відстань, а загальна довжина об’єктива менша, ніж у апохроматних об’єктивів з більшою потужністю (40x і 100x). Апохромати коригуються хроматично для трьох кольорів (червоного, зеленого та синього), майже усуваючи хроматичну аберацію, і коригуються сферично для двох або трьох довжин хвиль (див. Табл. 1). Апохроматичні об’єктиви є найкращим вибором для кольорової мікрофотозйомки в білому світлі. Через високий рівень корекції апохроматичні об’єктиви зазвичай мають вищу числову апертуру для певного збільшення, ніж ахромати або флюорити. Багато новітніх високоефективних флюоритових і апохроматних об’єктивів мають корекцію на чотири (темно-синій, синій, зелений і червоний) або більше кольорів хроматично та чотири кольори сферично.

Першу частину статті можна прочитати за посиланням

Рис.3 Апохроматичні об’єктиви
Рис.3 Апохроматичні об’єктиви

Усі три типи об’єктивів страждають від вираженої кривизни поля та проектують зображення, які вигнуті, а не плоскі. Щоб вирішити цю проблему, розробники оптики виготовили об’єктиви з корекцією плоского поля, які дають зображення, що перебувають у спільному фокусі в усьому полі огляду. Об’єктиви, які мають корекцію плоского поля та низькі спотворення, називаються план-ахроматами, план-флюорами або план-апохроматами, залежно від їхнього ступеня залишкової аберації. Така корекція, хоча й дорога, є досить цінною для цифрових зображень і звичайної мікрофотозйомки.

Нескоригована кривизна поля є найсерйознішою оптичною аберацією, яка виникає у флюоритових (напівапохроматичних) і апохроматичних об’єктивах, і протягом багатьох років її сприймали як неминучу. Під час звичайного використання поле огляду доводиться постійно перефокусувати між центром і краями, щоб захопити всі деталі зразка. Запровадження корекції плоского поля (плану) для об’єктивів вдосконалило їх використання для мікрофото- та відеомікроскопії, і сьогодні ці корекції є стандартними як для загального використання, так і для високоефективних об’єктивів. Поправка на кривизну поля додає до об’єктива значну кількість лінзових елементів, як показано на Рис. 4 із простим ахроматом. Невиправлений ахромат ліворуч на Рис.4 містить дві пари лінз на додаток до простого переднього елемента тонкої лінзи. Навпаки, виправлений ахромат у плані праворуч на Рис. 4 містить три пари лінз, центральну групу з трьох лінз і лінзу меніска, розташовану за напівсферичною передньою лінзою. Корекція плану в цьому випадку призвела до додавання шести лінзових елементів, об’єднаних у більш складні групи лінз, що значно збільшує оптичну складність об’єктива. Значне збільшення лінзових елементів для корекції плану також відбувається з флюоритовими та апохроматичними об’єктивами, що часто призводить до надзвичайно щільного прилягання лінзових елементів (див. Рис. 1) до внутрішньої гільзи об’єктива. Загалом планові об’єктиви з поправкою на кривизну поля жертвують значною кількістю вільної робочої відстані, і багато версій із великим збільшенням мають увігнуту передню лінзу, яку може бути надзвичайно важко чистити та обслуговувати.

Рис.4 - Об'єктивна поправка на кривизну поля
Рис.4 – Об’єктивна поправка на кривизну поля

У більшості біологічних і петрографічних застосувань під час кріплення зразка використовується покривне скло, щоб захистити цілісність зразка та забезпечити прозорість для спостереження. Покривне скло зближує світлові конуси, що виходять з кожної точки зразка, але також створює хроматичну та сферичну аберацію (і, як наслідок, втрату контрасту), які повинні бути виправлені об’єктивом. Ступінь зближення світлових променів визначається показником заломлення, дисперсією і товщиною покривного скла. Хоча показник заломлення має бути відносно постійним у партії покривних стеклець, товщина може коливатися від 0,13 до 0,22 міліметра. Іншою проблемою є водяний розчинник або надлишок монтажного середовища, який знаходиться між зразком і покривним склом у вологих або товстих препаратах. Наприклад, у фізіологічному розчині, показник заломлення якого суттєво відрізняється від показника заломлення покривного скла, об’єктив повинен фокусуватися через шар води товщиною лише кілька мікрон, що призводить до значних аберацій та відхилення функції розповсюдження точки, яка більше не є симетричною над і під фокальною площиною. Ці фактори додають дуже важко контролювати мікроскопісту.

Середовище зображення між передньою лінзою об’єктива та покривним склом зразка також дуже важливе для корекції сферичної аберації та коми в конструкції елементів лінзи для об’єктивів. Об’єктиви з меншою потужністю мають відносно низькі числові апертури та призначені для використання в сухому стані лише з повітрям як середовищем для зображення між передньою лінзою об’єктива та покривним склом. Максимальна теоретична числова апертура, яку можна отримати з повітрям, становить 1,0, однак на практиці практично неможливо виготовити сухий об’єктив з числовою апертурою вище 0,95. Вплив зміни товщини покривного скла незначний для сухих об’єктивів із числовою апертурою менше 0,4, але таке відхилення стає суттєвим при числовій апертурі, що перевищує 0,65, де коливання навіть 0,01 міліметра можуть викликати сферичну аберацію. Це створює проблеми з потужними апохроматами, які повинні використовувати дуже короткі робочі відстані в повітрі та містити чутливі поправки для сферичних аберацій, які, як правило, ускладнюють отримання чітких зображень.

Щоб виправити це, багато високоефективних апохроматичних сухих об’єктивів оснащено коригуючими кільцем, які дозволяють коригувати сферичну аберацію шляхом корекції варіацій у товщині покривного скла (див. Рис. 5). Оптична корекція сферичної аберації здійснюється шляхом обертання кільця, що змушує дві групи елементів лінзи в об’єктиві зближуватися або віддалятися. Об’єктив ліворуч на Рис. 5 має коригувальне кільце, налаштовану на товщину покривного скла 0,20 мм шляхом зближення регульованих елементів лінзи. Навпаки, об’єктив праворуч на Рис. 5 має регульовані елементи лінзи, розділені на досить великій відстані, щоб компенсувати дуже тонкі покривні стекла (0,13 мм). Більшість об’єктивів з коригуючими кільцями, розробленими для мікроскопії у вертикальному положенні в прохідному світлі, мають діапазон регулювання для зміни товщини покривного скла від 0,10 до 0,23 міліметра. Багато спеціалізованих фазово-контрастних об’єктивів, призначених для огляду зразків тканинних культур за допомогою інвертованого мікроскопа, мають ще ширший діапазон компенсації від 0 до 2 міліметрів. Це дозволяє переглядати зразки через дно більшості посудин для культур, які часто мають різкі коливання товщини в цьому діапазоні розмірів. Непокриті зразки, наприклад мазки крові, також можна спостерігати за допомогою об’єктивів з коригуючим кільцем, якщо налаштування встановлено на 0, щоб врахувати відсутність покривного скла.

Рис.5. Коригуюче кільце для сферичної аберації
Рис.5. Коригуюче кільце для сферичної аберації

Загальна конструкція практичного масляного іммерсійного об’єктива включає напівсферичний передній лінзовий елемент, потім лінзу позитивного меніска та групу пар лінз. На Рис. 6 представлено апланатичне заломлення, яке відбувається на перших двох елементах лінзи типового апохроматичного масляного іммерсійного об’єктива. Зразок затиснутий між предметним склом мікроскопа та покривним склом у точці P, апланатичній точці напівсферичного елемента лінзи. Світлові промені, заломлені на задній частині напівсферичної лінзи, здається, виходять з точки P(1), яка також є центром кривизни для першої поверхні меніскової лінзи. Заломлені промені світла потрапляють в лінзу меніска вздовж радіуса її першої поверхні і не заломлюються на цій поверхні. На задній поверхні лінзи меніска світлові промені заломлюються апланатично, тому вони ніби розходяться від точки P(2). Заломлення променів світла на поверхнях наступних груп лінз в об’єктиві завершує зближення променів світла, що виходять з точки Р, утворюючи таким чином проміжне зображення.

Рис. 6 Об'єктив масляного імерсійного мікроскопа
Рис. 6 Об’єктив масляного імерсійного мікроскопа

Правильно сконструйовані іммерсійні лінзи об’єктива також виправляють хроматичні дефекти, які вносяться першими двома елементами лінзи, створюючи при цьому мінімальну кількість сферичної аберації. Той факт, що світловий конус частково зближується перед входом у перший елемент лінзи, допомагає контролювати сферичну аберацію. Слід зазначити, що використання об’єктива з масляною імерсією без нанесення олії між покривним склом і першим елементом лінзи призводить до дефектних зображень. Це відбувається через заломлення, яке виникає на поверхні передньої лінзи, що створює сферичну аберацію, яку не можна виправити наступними компонентами лінзи в об’єктиві.

Інтерактивний туторіал –  Імерсійна олія та показник заломлення

Дізнайтеся також: Показник заломлення залежно від дисперсії властивостей різних матеріалів.

Автор статті: Michael W. Davidson – National High Magnetic Field Laboratory

Оригінальна стаття Nikon за посиланням