Объектив микроскопа, основные характеристики, применение

Что такое объектив микроскопа?

"Объектив микроскопа — это оптическая система, состоящая из нескольких линз, предназначенная для формирования увеличенного и четкого изображения исследуемого объекта..."

Полезные статьи:

Объективы для фотоаппарата, виды, параметры

Телескопы, виды, принцип работы

Все статьи

Введение

Обычно объектив микроскопа создает промежуточное изображение, которое затем дополнительно увеличивается с помощью окуляра (окулярной линзы). Особенно в случаях с большим увеличением, большая часть увеличения обеспечивается объективом.

Большинство объективов основаны на преломляющей оптике, содержащей несколько линз. Например, простой с низким содержанием может содержать менисковую линзу и ахромат. С высоким разрешением обычно содержит более сложную комбинацию различных типов линз полусферического, менискового, ахроматического дублета и триплета.

Существуют также отражающие объективы, содержащие изогнутые зеркала и без линз. Они естественно ахроматичны и могут быть выгодны для работы в областях с экстремальными длинами волн. Кроме того, они могут демонстрировать меньшие потери оптической мощности.

Увеличение объектива микроскопа

Микроскопы часто содержат несколько объективов на поворотном носике, например, сканирующий объектив с увеличением всего в 4 раза, промежуточный (маленький объектив) с 10-кратным увеличением и большой объектив с высоким разрешением с 40-кратным или 100-кратным увеличением. Например, окуляр может увеличивать изображение в 5 или 10 раз.

Обратите внимание, что само по себе большое увеличение бесполезно, если оно только увеличивает изображения без повышения уровня детализации. Также часто используются кольца с цветовой кодировкой, указывающие различные значения увеличения, например, черный для 1 ×, желтый для 4 ×, зеленый для 10 × и т.д.

Полезное и пустое увеличение

В принципе, можно добиться произвольного усиления изображения, например, с помощью каскадных увеличительных оптических приборов. Однако увеличение полезно только до некоторой степени. Например, рассмотрим использование микроскопа:

• Увеличение микроскопа считается полезным (или годным к употреблению) до тех пор, пока оно позволяет видеть больше деталей объектов. В ситуации, когда достигнутое разрешение все еще ограничено разрешением наблюдающего глаза, большее увеличение все еще было бы полезно.
• Однако после этого увеличение становится “пустым”: хотя полученные изображения становятся больше, они не разрешают больше деталей, потому что разрешение ограничено, например, дифракцией или несовершенством оптического прибора.

Та же ситуация возникает при просмотре цифровых изображений на экране. Как только изображение отображается в размере, при котором каждый пиксель изображения соответствует хотя бы одному пикселю экрана, отображается вся доступная информация об изображении. Дальнейшее увеличение увеличения может быть полезно только в том случае, если у наблюдателя возникают трудности с разрешением пикселей экрана.

Фокусное расстояние

Фокусное расстояние объектива микроскопа обычно составляет от 2 мм до 40 мм. Однако этот параметр часто считается менее важным, поскольку увеличения и числовой апертуры достаточно для количественной оценки основных характеристик микроскопа.

Числовая апертура

Чем больше увеличение, тем выше также требуемая числовая апертура. Это фактор, который в конечном итоге ограничивает достижимое разрешение изображения. Существуют разные способы расчета разрешения изображения и немного разные обстоятельства, но они приводят к аналогичным значениям разрешения, которые примерно равны λ / (2 NA), где λ - оптическая длина волны (примерно от 400 до 700 нм), а NA - числовая апертура. Например, NA, равный 1, обеспечивает разрешение изображения примерно 250 нм для зеленого света. Для небольшого увеличения может быть вполне достаточно NA 0,1.

Наибольшие числовые апертуры достигаются при использовании сухих объективов, работающих с воздухом между объективом и объектом, составляют приблизительно 0,95. Значительно более высокие значения, например, 1,5 или даже выше, могут быть достигнуты с иммерсионными объективами, где зазор между объектом и объективом заполнен жидкостью – водой или некоторым количеством иммерсионного масла с более высоким показателем преломления, часто несколько выше 1.5. Оптимизированные иммерсионные масла обладают не только высоким показателем преломления, но также подходящей вязкостью и низкой склонностью к образованию пятен на поверхностях. Их можно оставлять на объективе в течение длительного времени, не повреждая его.

Обратите внимание, что погружение в масло может работать неправильно, например, при наблюдении за биологическим образцом в водном растворе, и масло находится только между защитным стеклом и объективом. Возможно, для таких случаев придется использовать специальные объективы для погружения в воду. Для оптимального освещения также может потребоваться погружение в масло с этой стороны.

Коррекция изображения

Для объективов с высокой числовой апертурой, высокое качество изображения может быть достигнуто только при значительных усилиях по исправлению различных видов оптических аберраций, таких как сферическая, астигматизм, кома, кривизна поля, искажение изображения и хроматические аберрации. Например, плоскоапохроматические объективы, имеющие особо сложную конструкцию, обеспечивают оптимальную коррекцию плоского поля в сочетании с хорошими ахроматическими свойствами.

Хроматические аберрации в основном являются результатом зависимости фокусного расстояния от длины волны. Они приводят к искажению цветного изображения. Для обычной микроскопии они могут быть весьма актуальны, в отличие от других типов оптической микроскопии, например, некоторых типов лазерной микроскопии. Наилучшее подавление хроматических аберраций достигается при использовании апохроматических объективов.

При больших увеличениях влияние покровного стекла с точки зрения хроматических и сферических аберраций может быть весьма важным. Поэтому объективы для использования в таких областях, как биология, где часто требуются покровные накладки, разработаны с интегрированной коррекцией покровных накладок. Коррекция часто выполняется для стандартной толщины скольжения 170 мкм. Отклонение всего в 10 мкм уже может быть довольно проблематичным для объектива с высоким NA, например, 0,95. Некоторые объективы позволяют регулировать скорректированную толщину покровного слоя.

Обратите внимание, что некоторые конструкции микроскопов рассчитаны на коррекцию некоторых остаточных аберраций объектива с помощью окулярной линзы.

К сожалению, идеальных решений не существует; поэтому приходится идти на определенные компромиссы, которые приводят к различным оптимизированным решениям для разных применений. Например, оптимальные свойства плоского поля наиболее важны для измерительных микроскопов; тогда можно допускать несколько большие хроматические аберрации.

Объективы микроскопа с конечной и бесконечной коррекцией

Для старых микроскопов обычно требуются объективы с конечной коррекцией. Здесь предполагается, что объект расположен немного ниже передней фокальной плоскости объектива, а промежуточное изображение получается на конечном расстоянии, например, 160 мм от объектива. Такой объектив предназначен для минимальных искажений изображения в данной конфигурации.

Объективы с конечной коррекцией всегда рассчитаны на определенную длину трубки, например, в соответствии со стандартом DIN или JIS (которые отличаются длиной трубки на 10 мм). Использование объектива неправильного стандарта может значительно ухудшить качество получаемого изображения.

Современные микроскопы в основном требуют объективов с поправкой на бесконечность, когда промежуточное изображение только объектива находится на бесконечном расстоянии. Здесь требуется дополнительная линза в микроскопе для формирования промежуточного изображения на диафрагме окуляра.

Основные характеристики

Диапазон длин волн

Оптические микроскопы обычно работают на основе изображения с помощью видимого света, то есть в области длин волн от 400 нм до 700 нм. Поэтому большинство объективов микроскопа оптимизированы для этого диапазона длин волн, с наибольшим акцентом на область от 480 нм до 640 нм. Однако существуют объективы с расширенным диапазоном, например, от 400 до 950 нм, и другие, которые работают дальше в инфракрасном диапазоне. Например, это требуется для лазерных микроскопов, где требуется передача инфракрасных лазерных лучей.

Обратите внимание, что важно не только иметь хорошую пропускаемость во всем диапазоне длин волн, но и ахроматические характеристики. В обычных световых микроскопах это необходимо, чтобы избежать искажений цветного изображения. В конфокальных многофотонных флуоресцентных микроскопах важно иметь те же положения фокуса для инфракрасного лазерного излучения, что и для флуоресцентного света.

Метки на объективах микроскопа

Ключевые параметры часто легко найти на этикетках с лазерной гравировкой на внешней стороне объектива. Некоторые примеры:

• Метка “50 × / 0,8” указывает на 50-кратное увеличение и числовую апертуру 0,8, вероятно, для сухого объектива.
• “100 × / 1,30 oil” означает 100-кратное увеличение и числовую апертуру 1,30, достигаемую с помощью иммерсионного масла.
• “∞ / 0.17” указывает на объектив с поправкой на бесконечность и компенсацией сферических аберраций при толщине покровного стекла 0.17 мм, в то время как “160/0. 17” указывает на объектив с конечной поправкой для микроскопов с длиной трубки 160 мм и такой же толщиной покровного стекла.
• “WD 0,21” указывает на рабочее расстояние 0,21 мм.
• “DIC” обозначает конструкцию для получения изображений с дифференциальным индексом контрастности.
• “plan fluor” обозначает объектив, апохроматический в плане, т. е. с коррекцией плоского поля и свойствами апохромата.
• “DIN” указывает, что объектив изготовлен в соответствии со стандартом DIN (Deutsche Industrie Norm) для микроскопов в отношении длины трубки, в то время как “JIS” указывает на японский стандарт с несколько более длинной трубкой.

Резьбы на объективах микроскопа

В большинстве случаев объектив микроскопа крепится к окуляру микроскопа с помощью резьбы. К сожалению, разные производители используют разные размеры резьбы для разных типов приболров. В некоторых случаях для установки объектива на микроскоп с другой резьбой можно использовать специальные адаптеры.

Для освещения в темном поле предварительно больше, обеспечивая дополнительное пространство для света подсветки; поэтому они обычно используются с более крупными нитями.

Другие свойства

Рабочее расстояние

Другим практически важным фактором является рабочее расстояние между объективом и объектом. Для объективов с высоким NA обычно требуются небольшие рабочие расстояния, но их также можно в некоторой степени оптимизировать в качестве цели проектирования (возможно, несколько снижая NA или коррекцию). 

Для объективов с погружением в масло относительно небольшое рабочее расстояние действительно хорошо, поскольку в противном случае потребовалось бы больше иммерсионной жидкости, и ее было бы сложнее удерживать на месте.

Некоторые микроскопы допускают подачу светового излучения через объектив на образец. Затем важно, чтобы в объективе не было значительного рассеяния света.

Конструкция объективов микроскопа

Хотя объектив микроскопа иногда называют объективной линзой, обычно он содержит несколько линз. Чем выше числовая апертура и чем выше требуемое качество изображения, тем более сложные конструкции необходимы. В объективах микроскопа высокого класса также могут использоваться асферические линзы.

Разработка высококачественного объектива микроскопа является довольно сложной задачей, для которой требуются значительные знания в области оптики и мощное программное обеспечение для проектирования оптики. Такие конструкции предполагают сложные компромиссы, которые должны быть надлежащим образом обработаны в соответствии с важностью различных аспектов для конкретного применения.

Фокусировка луча и соединение волокон с объективами микроскопа

Объективы микроскопа иногда используются для приложений вне микроскопии. Например, они могут использоваться для точной фокусировки лазерных лучей с размерами пятна в несколько микрометров или даже ниже 1 мкм. Если входной луч является коллимированным лучом, лучше всего подойдет объектив с поправкой на бесконечность. 

Объектив должен иметь числовую апертуру, которая хорошо соответствует расходимости луча, связанной с требуемым размером пятна. Радиус входного луча также должен быть выбран соответствующим образом, т.е, рассчитанный исходя из требуемого размера пятна и фокусного расстояния. Сложность может заключаться в определении фокусного расстояния, поскольку объективный объектив часто указывает только увеличение, а преобразование в фокусное расстояние зависит от конструкции микроскопа.

Другое приложение запускает свет в одномодовое волокно или коллимирует свет из такого волокна. Опять же, объектив должен иметь соответствующую числовую апертуру порядка, чем у волокна. Для таких применений хроматические аберрации часто не являются проблемой, поэтому не требуется использовать хроматическую коррекцию объектива. Кроме того, широкое поле зрения не требуется. 

С другой стороны, объектив микроскопа для видимого света может не обладать идеальными свойствами, например, для пропускания ближнего инфракрасного света в волокно, и его мощность ограничена (но обычно не указывается). Поэтому объектив микроскопа может быть не идеальным решением для такого применения. Однако, возможно, придется использовать его, например, если нет других объективов для достижения требуемого малого размера пятна.

Применение

Объективы микроскопа играют ключевую роль в микроскопии, обеспечивая увеличение и резкость изображения рассматриваемых объектов. Вот некоторые основные применения объективов микроскопа:

1. Биологические исследования: Объективы используются для изучения клеток, тканей и микроорганизмов. Это важно в биологии, медицине и микробиологии.

2. Материаловедение: В этом направлении объективы помогают исследовать структуру материалов, например, металлов и полимеров, на микроскопическом уровне.

3. Медицинская диагностика: Объективы микроскопов используются для анализа образцов крови, тканей и других биологических материалов для выявления заболеваний.

4. Научные исследования: В различных областях науки, таких как генетика, экология и фармакология, объективы помогают исследовать микрообъекты и процессы.

5. Промышленность: В производственных процессах объективы используются для контроля качества и выявления дефектов на микроуровне.

6. Фотография: Некоторые микроскопы оснащены камерами, где объективы помогают создавать высококачественные изображения для научных публикаций и исследований.

Каждое применение требует определённых характеристик объективов, таких как увеличение, разрешающая способность и тип освещения. Это делает выбор правильного объектива критически важным для достижения качественных результатов.