При выборе микроскопа важно обращать внимание на объективы, установленные в его револьверной головке. Объективы микроскопа – один из важнейших элементов оптической системы микроскопа, в итоге определяющие качество изображения (яркость, четкость, цветопередчу и т.п.), а также разрешающую способность микроскопа. В данной статье мы поговорим об объективах биологических микроскопов.
Сразу же скажем несколько слов об объективах детских микроскопов игрушек, линзы которых изготовлены из оптического пластика, и отсеем их из дальнейшего обсуждения. Очевидными недостатками подобных объективов является, во-первых, очень слабая разрешающая способность, т.е. такой объектив не позволит Вам выявить многих микроскопических деталей исследуемого образца, а, во-вторых, наличие ряда оптических искажений, в частности неправильная цветопередача, тусклость и размытость (особенно при высоких увеличениях).
Школьные же микроскопы будут иметь уже стеклянную оптику, т.е. линзы объективов будут изготовлены из оптического стекла. Хотя, конечно же, они все же будут уступать по качеству дорогостоящим объективам для лабораторных микроскопов. Кроме того, следует обратить внимание и на то, что часто объективы школьных микроскопов имеют несъемную конструкцию, т.е. они закреплены в револьверной головке намертво.
Теперь перейдем к подробному изучению параметров объективов лабораторных биологических микроскопов.
Наиболее распространенные в мире стандарты объективов биологических микроскопов
Существует два наиболее распространенных стандарта объективов: DIN и JIS.
- DIN стандарт — Deutsches Institut für Normung (Немецкий институт по стандартизации)
- JIS стандарт — Japan Industrial Standards (Японские промышленные стандарты)
Объективы стандарта DIN рассчитаны для работы с микроскопами с длиной тубуса 160мм и имеют парфокальную высоту 45мм. Объективы стандарта JIS рассчитаны для работы с микроскопами с длиной тубуса 170мм и имеют парфокальную высоту 36мм. Таким образом, объективы стандарта DIN обеспечивают большее рабочее расстояние. Объективы этих двух стандартов взаимозаменяемы, однако же будут иметь разницу в увеличении приблизительно на 10%: объектив JIS, установленный в микроскоп DIN, даст на 10% меньшее увеличение, а объектив DIN, установленный в JIS микроскоп, — на 10% большее увеличение. Резьба у объективов этих стандартов идентична – это RMS (Royal Microscopical Society – пер. Королевское Микроскопическое Общество) резьба 0.7965″ (20.23мм) x 36TPI (TPI — число витков резьбы на дюйм). Гораздо реже встречается резьба стандартов M25 (метрическая 25мм резьба объектива) и M32 (метрическая 32мм резьба объектива).
Кроме того, сегодня многие современные микроскопы оснащены объективами, скорректированными на бесконечность – Infinity Corrected. Такие объективы гораздо более дорогостоящие, однако они позволяют устанавливать дополнительные оптические элементы вдоль «параллельного оптического пути», не внося искажений, что будет особенно полезным для флуоресцентных, поляризационных, фазово-контрастных микроскопов и др. Как правило, производители микроскопов используют свои запатентованные разработки и имеют свои уникальные стандарты Infinity Corrected объективов, поэтому мы рекомендуем покупать подобные объективы того же бренда, что и Ваш микроскоп.
*Заметка. Парфокальные объективы – это объективы, не требующие значительной перефокусировки при изменении увеличения.
Конструктивные особенности объективов
Кроме того, объективы различаются на сухие и иммерсионные. Так объективы с числовой апертурой меньшей единицы являются сухими, а объективы с числовой апертурой большей единицы называются масляными и требуют использования иммерсии для работы с ними. Мощные объективы, ка правило, от 40х имеют подпружиненную конструкцию для предотвращения повреждения предметного стекла.
Степень коррекции оптических искажений
Еще одна классификация объективов состоит в их различии по степени исправления оптических искажений. Как правило, Вы можете встретить такие маркировки, нанесенные на корпус объектива
- ACHRO — ахроматические объективы
- APO — апохроматические объективые
- S-Plan, Semi-Plan — полупланахроматические объективы
- PLAN — планахроматические объективы
- Plan APO — планапохроматические объективы
Что же означают данные маркировки?
Многие производители также предлагают сегодня флюоритовые (Fluo, Fluorite) объективы, в которых подобно ахроматическим объективам хроматизм исправлен для двух длин волн синего и красного цвета, а вот сферическая аберрация – для длин волн двух-трех цветов. Флюоритовые объективы также отличаются более высокой разрешающей способностью и лучшим контрастом в сравнении с ахроматическими объективами.
Исправление кривизны поля возможно как для ахроматических, так и апохроматических объективов. Так с этой целью в Plan объективах добавлен специальный линзовый элемент, что, закономерно, приводит к существенному удорожанию объектива. Использование план объективов рекомендуется для микрофотографии, в частности отличным выбором будет планапохроматический объектив, в котором будут практически полностью исправлены как хроматизм, так и кривизна поля.
Таким образом, мы получаем следующие возможные варианты объективов:
Просветляющее покрытие линз объективов
Для достижения лучшей яркости и четкости изображения на линзы объективов должно быть нанесено специальное просветляющее покрытие, уменьшающее количество отраженного света, и, как следствие, повышающее коэффициент светопропускной способности оптической системы, что, в свою очередь, приводит к формированию более яркого и контрастного изображения.
Автор статьи: Галина Цехмистро
ГРУППА А. ВЫХОДНЫЕ ПАРАМЕТРЫ
1. Увеличение. В зависимости от степени увеличения объективы делятся на четыре группы:
— объективы малого увеличения (Объективы увеличения от 1х до 5х в обиходе называют: объективы лупного увеличения, поисковые объективы, обзорные объективы) — от 1х до 20х;
— объективы среднего увеличения — от 20х до 50х;
— объективы большого увеличения — от 50х до 100х;
— объективы сверхбольшого увеличения — свыше 100х. Увеличение маркируется на корпусе объектива, например «10х».
Классификационный признак не уточняется (Ранее в микроскопах, имеющих длину тубуса «∞», на корпус вместо увеличения наносилась маркировка фокусного расстояния.).
2. Числовая апертура. В зависимости от величины числовой апертуры объективы также делятся на четыре группы:
1. объективы малых числовых апертур — до 0,2;
2. объективы средних числовых апертур — от 0,2 до 0,65;
3. объективы высоких числовых апертур — от 0,65;
4. объективы повышенных числовых апертур (Разработкой этого класса объективов в разное время занимались группы под руководством д.т.н. Грамматина А.П. (ГОИ им. Вавилова), д.т.н. Ивановой Т.А. и Фролова Д.Н. (ЛОМО им. Ленина).) — с числовыми апертурами выше традиционных для соответствующего увеличения (например, 10х/0,40; 40х/0,75; 100х/1,30МИ).
Числовая апертура маркируется на корпусе объектива после увеличения, например, «0,65». Классификационный признак не уточняется.
3. Рабочее расстояние. По величине рабочего расстояния объективы подразделяются на:
— объективы с обычным рабочим расстоянием;
— объективы с большим рабочим расстоянием (Этот класс объективов в нашей стране был разработан под руководством д.т.н. Грам-матина А.П. — для биотехнологии и микроэлектроники и д.т.н. Андреева Л.Н. — для поляризационной микроскопии (ГОИ им. Вавилова), а также Фроловым Д.Н. — для биотехнологии (завод ЛОМО им. Ленина).) (LD — long distance);
— объективы со сверхбольшим рабочим расстоянием (LLD — large long distance).
На корпус зарубежных объективов наносится маркировка LD и LLD. Числовое значение рабочего расстояния не маркируется и обычно указывается в описании, прилагаемом к микроскопу.
4. Рабочая область спектра. Данный признак классифицирует объективы по светопропусканию в различной области спектра:
— объективы для видимой области спектра — пропускание от 400 до 700 нм;
— объективы для ультрафиолетовой области спектра — от 250 до 400 нм (кроме специальных);
— объективы для инфракрасной области спектра — от 700 до 900 нм (кроме специальных).
На корпус наносится маркировка принадлежности объективов к группам для ультрафиолетовой (УФ, UV) и инфракрасной (ИК, IR) областей спектра.
5. Линейное поле. По этому параметру современные объективы делятся на две группы:
1. обычные — с линейным полем в плоскости предмета до 20 мм;
2. широкопольные (Этот класс объективов был разработан д.т.н. Андреевым (для МБИ15), а экспериментальные образцы отработаны и внедрены на ЛОМО группой микроскопии под руководством к.т.н. Соколовой Т.И.) — с линейным полем выше 20 мм.
Обычно величина линейного поля на корпусе объектива не маркируется. Однако, на корпусе высококачественных объективов UPlanSApo нового поколения UIS2-оптики ф. Olympus, например, указана величина линейного поля окуляра 10х — «FN 26,5».
ГРУППА Б. КАЧЕСТВО ИЗОБРАЖЕНИЯ (ТИП ОПТИЧЕСКОЙ КОРРЕКЦИИ)
1. Ахроматизация. По этому параметру можно оценить класс объектива, связанный с качеством изображения и, следовательно, разделить по соотношению «цена-качество».
Объективы делятся на 4 группы:
1. ахроматы — объективы, в которых аберрации исправлены для одной основной длины волны — зеленой и не исправлены для двух других — красной и синей, при этом полевые аберрации не исправлены (Тип оптической коррекции касается исправления неких волновых аберраций, но не касается понятия «план», т.е. плоского поля. Такие объективы всегда имеют значительную «кривизну» и требуют постоянной перефокусировки для получения резкого изображения для центра и края поля. К ним относятся объективы микроскопов моделей Биолам Р,С,Д и Микмед 1.);
3. полуапохроматы (Объективы, содержащие оптические элементы из кристалла флюорита или стекол типа фторфосфатных. По своим техническим параметрам и качеству изображения они близки к апохроматам, но за счет неполной исправности волновых аберраций в широком спектральном диапазоне, а значит и более простой оптической схеме и менее жестким требованиям к технологии изготовления и сборки, их стоимость менее высокая. Такие объективы называются флюотарами (Fluotar), флюарами (Fluar) и т.п.) — объективы, в которых аберрации исправлены для одной основной длины волны (зеленой) и не доисправле-ны для двух других (красной и синей);
4. монохроматы — объективы, в которых аберрации исправлены только для одной длины волны, которая указывается.
На корпусе объектива маркируется апохроматическая (АПО, АРО), полуапохроматическая (МИКРОФЛЮАР, FLUAR, FLUOTAR) и монохроматическая коррекция (указывается длина волны, в которой рассчитаны все аберрации и объектив имеет наибольшее светопропускание).
2. Кривизна поля. По этому параметру, также как и по ахромати-зации, можно оценить класс объектива по соотношению «цена-качество», связанному с качеством изображения.
По указанному признаку современные объективы делятся всего на две группы: на объективы с кривизной (с улучшенным качеством изображения по полю) и объективы с плоским полем.
На корпусе объектива маркируется только вторая группа при этом, объектив ахроматической коррекции маркируется — ПЛАН, PL, A-Plan, Achroplan, апохроматической коррекции — План-АПО, Plan-APO; а полуапохроматической — Plan-Neofluar.
3. Хроматические аберрации. По этому параметру объективы делятся на две группы:
1. объективы с хроматической разностью увеличения (ХРУ) — величина более 0,3%, требующая дополнительной компенсации при наблюдении (компенсационные окуляры);
2. объективы без хроматической разности увеличения — ХРУ = 0%; система не требует дополнительной компенсации при наблюдении.
Этот параметр на корпусе объективов не маркируется, поскольку является признаком всего поколения и, как правило, рекламируется или представляется фирмами в начале описания или основного каталога. Новое поколение оптики без хроматической разности различные фирмы маркируют по-разному, например:
ICS-оптика и lOS-оптика (Carl Zeiss);
UIS-оптика и UIS2-onmuKa (Olympus);
ГРУППА В. КОНСТРУКТИВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ
1. Длина тубуса. По длине тубуса объективы делятся на три группы:
— конечная длина тубуса стандартная (По соотношению «цена-качество» стоимость данных объективов ниже, чем в современных микроскопах с длиной тубуса «бесконечность». Особенности и влияние этой длины тубуса на качество изображения буде рассмотрено далее.) — 160 мм;
— стандартная длина тубуса — «бесконечность» (∞) (Тубусная система, определяющая увеличение объектива, имеет разное фокусное расстояние. Оптимальным считается фокусное расстояние 160 мм (фирма Carl Zeiss). Однако эта же фирма для удешевления объективов в простейших микроскопах Primostar использует фокусное расстояние 180 мм.);
— нестандартная длина тубуса (Обычно это микроскопы-игрушки.) — не определена ГОСТом или ISO. Длина тубуса маркируется на корпусе объектива (Маркировка была введена стандартами 80-х годов XX в.).
2. Высота объектива. По этому параметру объективы делятся на две группы: нестандартная и стандартная высота. Международным стандартом принята высота, равная 45 мм (В СССР ГОСТом 70-х годов были определены две величины высоты — 33 мм (микроскопы серии БИОЛАМ, МИКМЕД 1) и 45 мм. Новая оптика фирмы Nikon имеет высоту 60 мм.). Параметр на корпусе объектива не указывается.
3. Коррекция на толщину покровного стекла. По этому параметру объективы делятся на три группы:
— без покровного стекла (d = 0);
— с корректировкой на стандартную толщину покровного стекла (d = 0,17 мм);
— с корректировкой на определенную толщину покровного стекла (Это специализированные объективы для инвертированных микроскопов.) (например, 0-2,0; 1,5-2,5).
На корпусе объектива обязательно указывается корректировка на толщину покровного стекла (На объективах прежних стандартов (принятых до 80-х годов) стандартная величина 0,17 мм не указывалась.). Если объектив работает в диапазоне стандартной толщины, то есть от 0 до 0,17 мм, то маркировка имеет знак «−».
4. Отношение к иммерсии. По этому параметру объективы делятся на сухие и иммерсионные.
На корпусе объектива указывается тип иммерсии, с которой работает объектив. Кроме этого обязательной является маркировка цветным кольцом.
ГРУППА Г. КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ
1. Пружинящая оправа. По этому конструктивному параметру объективы делятся на две группы:
— без пружинящей оправы — по международному стандарту это могут быть объективы с числовой апертурой до 0,50;
— с пружинящей оправой — по международному стандарту это должны быть объективы с числовой апертурой более 0,50.
На корпусе объектива не указывается. Может упоминаться в описании на микроскоп.
2. Коррекционные кольца. По этому конструктивному параметру объективы делятся на две группы:
— без коррекционной оправы;
— с коррекционной оправой.
Коррекционная оправа позволяет корректировать качество изображения объектива (переход на другую толщину покровного стекла или иммерсионную среду) за счет подвижного элемента внутри объектива.
На корпусе объектива с коррекционным кольцом есть указание Когг.
3. Ирисовая диафрагма. По этому параметру объективы делятся на объективы без ирисовой диафрагмы и с ирисовой диафрагмой. На корпусе объектива с ирисовой диафрагмой есть указание Iris.
Объектив для микроскопа
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).
Классификация объективов
Наиболее распространенные в мире стандарты объективов биологических микроскопов
DIN (DeutschesInstitutfurNormung) — Немецкий институт по стандартизации (член ISO).
ГОСТ (Государственный стандарт) — национальный стандарт РФ, межгосударственный стандарт в СНГ.
ISO (International Organisation for Standartisation) — Международнаяорганизацияпостандартизации.
CEN — Европейский комитет по стандартизации.
DIN EN — немецкое издание европейского стандарта, которое без каких- либо изменений принимается всеми членами Европейского комитета по стандартизации (CEN).
DIN EN ISO — стандарты, совместно разработанные и изданные ISO и Европейской комиссией по стандартизации (CEN).
DIN ISO — стандарт ISO, принятый как национальный без каких-либо изменений.
• DIN стандарт — DeutschesInstitutfürNormung (Немецкий институт по стандартизации)
• JIS стандарт — JapanIndustrialStandards (Японские промышленные стандарты)
Стандарты определяют основные конструктивные параметры и присоединительные размеры в микроскопе, в том числе и основные конструктивные параметры объективов, связанные с условиями их работы. Нас интересуют два параметра: длина тубуса микроскопа и высота объектива.
Рассмотрим два наиболее ходовых стандарта для микроскопов учебного (студенческого) и упрощенного рабочего классов микроскопов. Для этих микроскопов характерным является конечная длина тубуса (механическачя), определяемая расстоянием от нижнего среза револьверного устройства до верхнего среза окулярной трубки насадки. Высота объективов это расстояние от плоскости предмета (положение сфокусированного объектива) до нижнего среза револьверного устройства, куда объектив ввинчен. Если мы возьмём объектив в руки, то высота объектива для нас будет не ощутима. Мы видим габаритные размеры объектива. Для того, чтобы понять что такое «высота» мы должны габаритный размер от резьбы объектива до нижнего среза фронтальной линзы мысленно увеличить до стандартной величины высоты (45 мм), т.е. на величину рабочего расстояния этого объектива.
Длина тубуса может быть оптической и механической.
Объективы стандарта ISO рассчитаны для работы с микроскопами с длиной тубуса «конечной» (160 мм) и «бесконечность» и имеют парфокальную высоту 45 мм. Отечественный ГОСТ допускает длину тубуса 160 мм, 190 мм и «бесконечность». Высоту объективов 33 мм и 45 мм.
Рассмотрим два стандарта DIN и JIS.
Объективы этих двух стандартов взаимозаменяемы, однако из-за разницы в механической длине тубуса будут иметь разницу в увеличении приблизительно на 10%: объектив JIS, установленный в микроскоп DIN, даст на 10% меньшее увеличение, а объектив DIN, установленный в JIS микроскоп, — на 10% большее увеличение. Резьба у объективов этих стандартов идентична – это RMS (RoyalMicroscopicalSociety – пер. Королевское Микроскопическое Общество) резьба 0.7965″ (20.23мм) x 36TPI (TPI — число витков резьбы на дюйм). Соответствует так называемой «объективной» резьбе. Отечественные объективы имеют резьбу по ГОСТ 4/5Х1/36. Кстати, в отечественных объективах для отражённого света (эпи-объективах) резьбовое соединение соответствует размеру метрической резьбе М27х0,75. Такую же резьбу имеют сейчас все объективы Цейсс. М25 и М32 является резьбой Лейки и т.д. Револьверные устройства в микроскопах ведущих фирм более высокого класса по качеству имеют метрическую резьбу. Для перехода от объективной резьбы к метрической существуют переходники с внешней резьбой – метрической, с внутренней резьбой – объективной. Обратите, например внимание на резьбу ломо отраженный свет 190 в обычный микроскоп он не полезет.
Гораздо реже встречается резьба стандартов M25 (метрическая 25мм резьба объектива) и M32 (метрическая 32мм резьба объектива)?
Стандарт Для микроскопов с длиной тубуса Парфокальная высота Резьба объективов
DIN 160мм 45мм RMS
JIS 170мм 36мм RMS
Сегодня многие современные микроскопы оснащены объективами, скорректированными на бесконечность – InfinityCorrected. Такие объективы гораздо более дорогостоящие, однако они позволяют устанавливать дополнительные оптические элементы в «параллельном оптическом пути», не внося искажений, что будет особенно полезным для флуоресцентных, поляризационных, фазово-контрастных микроскопов и др. Эти объективы имеют две части – собственно объектив и тубусную линзу, расположенную в бинокулярной насадке. Из объетива выходит параллельный пучок, этот же параллельный пучок входит в тубусную линзу и из неё уже выходит сходящийся пучок, сроящий изображение в плоскости изображения. Увеличение объектива связано с фокусным расстоянием объектива и фокусным расстоянием тубусной линзы.
Как правило, производители микроскопов используют свои запатентованные разработки и имеют свои уникальные стандарты InfinityCorrected объективов, связанные с размером фокусного расстояния тубусной линзы, поэтому мы рекомендуем покупать подобные объективы того же бренда, что и Ваш микроскоп.
*Заметка. Парфокальные объективы – это объективы, имеющие одну высоту и не требующие значительной перефокусировки при смене увеличения.
Существуют монохроматические аберрации(искажения) – сферическая аберрация, кома, астигматизм, и хроматические аберрации – положения, увеличения.
Степень коррекции оптических искажений
- ACHRO — ахроматические объективы
- APO — апохроматические объективые
- S-Plan, Semi-Plan E-Plan — полупланахроматические объективы
- PLAN — планахроматические объективы
- Plan APO — планапохроматические объективы
Исправление кривизны поля повышает качество изображения объектива любой ахроматической коррекции будь то ахромат, апохромат или полуапохромат (флюоритовые объективы). С этой целью в конструкцию объективов вводятся дополнительные склеенные компонентычто, закономерно, приводит к существенному удорожанию объектива. Использование план объективовсейчас является негласным стандартом для микроскопов, начиная с рабочей модели.
