→

Объектив является самым важным элементом оптической системы микроскопа. С помощью объектива строится микроскопическое изображение с помощью входящих в конструкцию нескольких линз. Количество линз будет зависеть от задач, решаемых объективом, и может доходить до 14 штук (для получения наивысшего качества изображения).

В объективе выделяется фронтальная система линз, которая определяет рабочее расстояние и числовую апертуру, и последующие линзы, которые уже отвечают за увеличение и фокусное расстояние.

Существует несколько классификаций объективов на основе различных параметров. Ниже представлены наиболее распространенные наименования.

Классификация объективов по степени исправления искажений :

• Ахроматические объективы - устраняют хроматические аберрации благодаря наличию в конструкции объектива стеклянных элементов с разной дисперсией (в результате чего крайние лучи видимого спектра сходятся в одном фокусе).
• Флюоритовые объективы - устраняют окрашенность изображения с помощью цветокорректирующих добавок
• Апохроматические объективы - устраняет как хроматические, так и сферические аберрации.
• Полуапохроматические объективы - по конструкции те же апохроматы, однако более дешевый их вариант со средним качеством изображения.
• Планарные объективы - устраняют кривизну изображения по всему полю наблюдения.

Классификация объективов по увеличению :

• Объективы малых увеличений (до 10х).
• Объективы средних увеличений (до 50х).
• Объективы больших увеличений (50-100х)
• Объективы сверхбольших увеличений (более 100х).

Классификация объективов по числовой апертуре :

• Объективы малых числовых апертур (до 0,25).
• Объективы средних числовых апертур (до 0,65).
• Объективы больших числовых апертур (более 0,65).

В объективах с ирисовой диафрагмой есть возможность изменять числовую апертуру.

Классификация объективов по полю наблюдения :

• Объективы для наблюдения в пределах нормального поля (до 18 мм).
• Широкопольные объективы (до 22,5 мм).
• Сверхширокопольные объективы (более 22,5).

Теперь давайте разберемся в маркировке объектива для микроскопа. На объективе обязательно указывается увеличение, числовая апертура, а также может быть указана дополнительно буквенная маркировка. Например, что означает маркировка 40х/0,65 Ф? Первое числовое значение указывает на увеличение в 40х, второе на значение числовой апертуры - 0,65. Буквенная маркировка указывает на метод исследования объектива - Ф или Ph (фазовый, то есть с фазовым элементом внутри, которое представляет собой полупрозрачное кольцо). Также в буквенной маркировке могут быть обнаружены следующие обозначения: П или Pol (поляризационный объектив), Л или L (люминесцентный объектив), ФЛ или PhL (фазово-люминесцентный объектив) и так далее.

Также в буквенной маркировке может указываться тип оптической коррекции: АПО или APO (апохроматический), ПЛАН или PL (планарный), ПЛАН-АПО (планапохромат), СФ или М-ФЛЮАР (полуапохромат). Также могут встречаться такие маркировки как S (фирма OptiTech, ахромат с пружинным механизмом), или SemiPlan или SP (объективы - что-то среднее межу ахроматами и планахроматами).

И напоследок, следует отметить, что объективы могут быть сухие (безыммерсионные), с водной иммерсией или масляной иммерсией. Иммерсионная жидкость - это жидкость, которая находится между покровным стеклом и объективом и благодаря которой повышается разрешение объектива (используются в объективах с большими увеличениями). На иммерсию также указывает маркировка объектива: МИ или Oil (масляная иммерсия), ВИ или W (водная иммерсия).

Покупая оптические приборы в магазине – телескопы, микроскопы, бинокли, фотоаппараты, а то и оптические прицелы, мало кто задумывается об устройстве самой главной части – оптики. Ведь любое из этих устройств имеет линзы, которые на вид – самые обычные «стекляшки». Но это совсем не так, они имеют довольно сложное устройство, благодаря чему мы имеем возможность получать прекрасное изображение. Итак, как же устроен объектив – линзовая, преломляющая свет, часть любого фотоаппарата или другого серьезного оптического прибора?

На заре использования оптики, а это примерно начало 17-го века, когда широко распространились телескопы и подзорные трубы, а также появились более-менее работоспособные микроскопы и лупы, применялись обычные двояковыпуклые линзы из стекла, имеющие форму чечевицы, если смотреть сбоку. Они, конечно, выполняли свою функцию и в сочетании с такой же линзой меньшего размера – окуляром, давали увеличенное или уменьшенное изображение объектов. Но…

Как известно, свет – это не просто белое сияние, а смесь различных цветов, или, по – научному, некоторый диапазон электромагнитных волн. Именно поэтому мы можем видеть различные цвета – от фиолетового до красного. При прохождении этой «смеси» через стеклянную линзу лучи разного цвета преломляются немного по-разному. Это очень портит картинку, окрашивая края объектов в красный и синий цвета. Понятно, что получается очень некачественное изображение. Вот такое цветное окрашивание называется «хроматической аберрацией». Для повышения качества картинки с этой бедой оптических устройств и началась война.

Когда Фраунгофер стал работать в крупной оптической мастерской Утцшнейдера, а это было в 1806 году, он приложил много сил к созданию так называемого ахроматического объектива, лишенного хроматической аберрации. Он же разработал технологию получения качественных сортов стекла – флинтгласа и кронгласа, которые еще называют просто флинтом и кроном. Они имеют несколько разные преломляющие свойства и это стало большим подспорьем в создании ахроматической оптики.

Устройство ахроматического объектива просто, как и все гениальное –просто вместо одной линзы в нем используют две склеенных, сделанных из разного стекла – флинта и крона. Этот вариант был предложен Томасом Груббом в 1857 году. При этом двояковыпуклая, собирающая линза делается из крона, а рассеивающая вогнутая линза – из флинта. Они склеиваются вместе с помощью специального оптического клея – канадского бальзама и подобных ему. Это позволяет избавиться от лишних потерь и искажений света, когда они отражаются от поверхности линзы, ведь теперь их четыре, а не две. Склеенная линза представляет собой одно целое, но ее слои - из разного стекла. Что это дает?

Так как разное стекло преломляет свет по разному, то удается получить схождение лучей разного цвета в одной точке, или очень близко к ней, по крайней мере. Это позволяет избавиться от хроматической аберрации – окрашивания каемок объектов в радужные цвета, или сделать так, что это окрашивание неразличимо для глаза.

Существуют и более сложные, трехлинзовые системы, так называемые ахроматы Питера Доллонда. В них вогнутая линза находится в середине, а на обе ее поверхности наклеены выпуклые, сделанные из крона.

Конечно, даже с помощью таких ухищрений совсем избавиться от хроматической аберрации невозможно, но можно значительно ее уменьшить, а для определенного цвета и совсем убрать. Современные качественные ахроматические объективы для профессионального применения, конечно, имеют еще более сложное устройство. В них используется не одна линза, пусть даже и «склеенная» ахроматическая. Обычно используются дополнительные линзы, компенсирующие остаточную хроматическую аберрацию. Это могут быть как простые, однослойные линзы, так и ахроматические, специально рассчитанные для конкретной системы.

Так что современный объектив, как видим – это вовсе не набор стекол, а очень сложная оптическая система, каждая линза которого рассчитана и выполнена с высочайшей точностью. Только так возможно получить качественное изображение, не окрашенное цветной «аурой».

Объектив из трех несклеенных линз.| Ахроматический объектив Петцваля с плоским зеркалом и полевой линзой.  

Ахроматический объектив из двух положительных компонентов (типа Петцваля) для видимой области спектра хорошо известен. Каждый компонент обычно состоит из двух линз, склеенных или несклеенных. У этого объектива могут быть исправлены сферическая аберрация, кома, астигматизм, а при наличии воздушного промежутка между линзами первого компонента - и сферохроматическая аберрация.  

Ахроматические объективы - наиболее простые системы, у которых исправлена сферическая аберрация, кома и хроматическая аберрация положения для двух длин волн. У них заметен небольшой остаточный хроматизм положения, из-за чего контуры объектов имеют цветную кайму. Объективы с апертурой до 0 1 состоят из одной ахроматической линзы. Для объективов с апертурой до 0 2 применяют систему из двух склеенных компонент. Это позволяет избавиться от крутых поверхностей. При переходе к апертурам до 0 65 двух компонент оказывается недостаточно и впереди добавляют обычно одну фронтальную линзу.  

Ахроматические объективы частично устраняют нежелательный эффект - хроматическую аберрацию (неодинаковое преломление линзой лучей различного цвета, в результате чего эти лучи после преломления в линзе не имеют общего фокуса, поэтому ухудшается четкость изображения); в ахроматических объективах сохранена аберрация для трех монохроматических лучей. Ахроматы имеют собственное увеличение до 50 раз.  

Ахроматические объективы - наиболее простые по устройству системы, у которых хроматическая аберрация исправлена для двух длин волн и имеется небольшая остаточная окраска изображения.  

Ахроматические объективы дают изображение объектов, в котором совпадают изображения средних красок спектра как по месту, так и по увеличению. Ахроматы (табл. 14) перекорригированы в части сферической аберрации для слабых голубых лучей и недокорригированы для красных лучей. Изображения, даваемые этими лучами, не совпадают с изображениями, даваемыми средними участками спектра, что следует иметь в виду при выборе источника освещения и при установке на резкость. Они являются наиболее простыми и дешевыми объективами. Слабые и средние ахроматы используются с окулярами Гюйгенса.  

Даже ахроматические объективы обладают остаточным хроматизмом положения - вторичным спектром: положения фокальных плоскостей для разных длин волн несколько различны. Это приводит к дефокусировке монохроматических изображений входной щели на выходной щели.  

У ахроматических объективов исправлена сферическая аберрация, кома и хроматическая абберация для двух цветов, наиболее важных для визуального наблюдения; кривизна изображения не исправлена. Апохроматические объективы отличаются более высокой степенью исправления сферической аберрации и комы, а также обспечивают более правильную цветопередачу. В сочетании с компенсационными окулярами эти объективы дают высокое качество изображения и особенно подходят для больших увеличений и микрофотографирования. Планахроматы и планапохроматы скорректированы соответственно так же, как ахроматические и апохроматиче-ские объективы, и, кроме того, у них исправлена кривизна изображения.  

Труднее изготовить ахроматические объективы для ультрафиолетовой области спектра, где оптическое стекло непрозрачно.  

Схема призменного спектрального аппарата. горизонтальное сечение, вертикальное сечение и общая схема.| Проекция дифракционной решетки или грани призмы на объектив.

Вместо таких сложных ахроматических объективов часто применяют вогнутые зеркала, у которых полностью отсутствует хроматическая аберрация, так как угол отражения света не зависит от длины волны.  

Качество изображения у ахроматических объективов вполне удовлетворительно для проведения рядовых повседневных работ, тогда как дорогостоящие апохроматические объективы применяют для исследовательских работ.  

Из пластмасс трудно изготовить ахроматические объективы, что в первую очередь связано с ограниченной областью значений показателей преломления и ограниченной дисперсионной способностью имеющихся пластмасс. Ахроматические объективы, выполненные из пластмасс, чувствительны к колебаниям температуры, так как изменения температуры вызывают изменения показателя преломления и дисперсии.  

Одна из самых главных частей микроскопа, как и телескопа, это объектив. К подбору и покупке объективов к микроскопу нужно подходить очень тщательно. От этого зависит качество изображения, даваемое микроскопом, и насколько мелкие детали вы сможете увидеть в него. На рынке можно встретить большое количество объективов для микроскопов разных производителей. По характеру оптической коррекции аберраций объективы делятся на ахроматы, апохроматы, планахроматы, планапохроматы. Встречаются специализированные объективы, но мы их рассматривать не будем, т.к. они нужны для специальных исследований и для домашнего пользования очень дорогие.

По виду иммерсии они делятся на безыммерсионные (сухие), с водной иммерсией и с масляной иммерсией. Иммерсия это когда между покровным стеклом и объективом находится иммерсионная жидкость и объектив в нее погружен. Это изменяет коэффициент преломления среды между объектом наблюдения и объективом, и все лучи попадают в объектив, т.е. значительно повышается разрешение объектива. Иммерсионные объективы обычно бывают с большими увеличениями от 40 и более крат. При масляной иммерсии используется кедровое или специальное синтетическое масло, использование других масел не допускается. В водной иммерсии используется дистиллированная вода.

Маркируются по иммерсии объективы микроскопом следующим образом.

МИ, Oil и черное кольцо на оправе объектива – масляная иммерсия.

ВИ, W и белое кольцо на объективе – водная иммерсия.

Цветовая идентификация принята в России, на зарубежных объективах может какое угодно быть кольцо по цвету.

Если на объективе микроскопа нет обозначений иммерсии, то это сухой объектив.

Давайте подробно рассмотрим каждый вид объектива.

Ахроматы. Объективы ахроматы имеют цветовую коррекцию по основной и двух дополнительных длин волн видимого диапазона спектра. Хроматическая разность увеличения не исправлена, но ее можно компенсировать т.н. компенсационным окуляром. Кривизна поля не исправлена и в объективы особенно с маленьким увеличением по краям поля зрения изображение размыто. В маркировке на оправе объектива обычно не указан код оптической коррекции.

На объективах фирмы OptiTech встречается маркировка (S ) - это объектив ахромат с пружинным механизмом, который защищает препаратотраздавливания объективоммикроскопа.

Апохроматы - это объективы, у которых полностью исправлена хроматическая аберрация, но хроматическая разность увеличения и кривизна поля зрения не исправлены. На оправе объектива указана маркировка АПО, APO .

Планахроматы – это объективы у которых исправлена кривизна поля, хроматическая аберрация и хроматическая разность увеличения. Очень полезный объектив, для малых увеличений, дающий резкое изображение по всему полю. Маркируется кодом ПЛАН, PL , Plan.

Планапохромат – это объектив с полной хроматической коррекцией, плоским полем и исправленной хроматической разностью увеличений. Это наиболее совершенный и дорогой объектив для микроскопа. Объектив маркируется кодом ПЛАН-АПО, Plan-apo.

На западе выпускают т.н. семипланаты (Semi-Plan). У этих объективы находятся между ахроматами и планахроматами, и у них уменьшена (не полностью исправлена) кривизна поля. Эти объективы маркируются кодом SP.

Рассмотрим подробно маркировку объективов к микроскопам.

На оправе объектива указывается увеличение объектива, например 4х, 40х, 100х. Чтобы рассчитать увеличение микроскопа нужно увеличение объектива умножить на увеличение окуляра.

После значения увеличения объектива микроскопа через дробь указывается т.н. числовая апертура (обозначается символом NA при расчетах). Числовая апертура показывает, какое максимально полезное увеличение можно добиться с этим объективом и какое разрешение имеет объектив. Максимально полезное увеличение микроскопа с данным объективом рассчитывается так числовая апертура умножается на 1000. Например, объектив микроскопа с числовой апертурой 0.65 имеет полезное увеличение 650х. Значительно большее увеличение смысла ставить нет, т.к. это не прибавит деталей, а только ухудшит контрастность и яркость изображения. Также можно рассчитать разрешение объектива. Для этого нужно поделить длинно волны в мкм при которой наблюдаем на удвоенную числовую апертуру. Качественные иммерсионные объективы с числовой апертурой 1,40 дают разрешение порядка 0,12мкм.

Под увеличением и числовой апертурой на объективе микроскопа иногда указываются и другие параметры. Например, длина тубуса микроскопа, с которым объектив может работать со штатным увеличением. Например, обычная длина тубуса 160мм. Также указывается толщина покровного стекла, с которым штатно будет работать объектив, обычно это 0,17 мм.

Рассмотрим на примерах маркировку объективов микроскопов.

Объектив производства Биомед Планахромат, увеличение 4х, числовая апертура 0,10, длинна тубуса микроскопа с которым объектив будет работать штатно 160 мм, толщина покровного стекла 0,17мм	Объектив производства OptiTech Ахромат, увеличение 60х, числовая апертура 0,85, длинна тубуса микроскопа с которым объектив будет работать штатно 160 мм, толщина покровного стекла 0,17мм	Объектив производства OptiTech Планахромат, увеличение 100х, числовая апертура 1,25, длинна тубуса микроскопа с которым объектив будет работать штатно 160 мм, толщина покровного стекла 0,17мм, объектив с масляной иммерсией

Как же все-таки выбрать объектив для микроскопа. Если вы хотите наблюдать насекомых или другие более-менее крупные объекты, то нужно стремиться купить объектив с небольшим увеличением, например 4х. Но самое главное чтобы объектив был с кодом коррекции ПЛАН, PL или Plan . Эти объективы дадут резкое изображение по всему полю зрения. Если вы хотите делать снимки через микроскоп, то желательно купить объектив не только с коррекцией поля, но и с полной коррекцией хроматической аберрацией и хроматической разностью увеличений. Но эти объективы очень дороги. Для наблюдения бактерий нужно стремится купить иммерсионный объектив с максимально возможной числовой апертурой. Это позволит применять большие увеличения.

Виталий Шведун

Страницы по теме: