Конструктивные особенности объективов

Коррекционные оправывыполняются конструктивно в соответствии с требованиями расчета при коррекции сферической аберрации с помощью линзовой системы объектива. Сферическая аберрация может быть скомпенсирована подобной системой в следующих случаях:

- в результате применения покровного стекла толщиной, отличной от стандартной (часто используется в объективах от инвертированных микроскопов);

- в результате работы объективов с различными иммерсионными жидкостями (чаще всего это или «водная»-«масляная»-«глицериновая», или две иммерсионные системы в разных сочетаниях);

- в результате работы объектива в двух системах «сухая» - «иммерсионная».

В конструкции объектива предусмотрено кольцо (рис. 38), при повороте которого происходит перемещение линз внутри объектива. На корпусе обычно маркируются или пределы толщины покровного стекла (положение линз в системе объектива, при котором именно эта толщина покровного стекла скомпенсирована), например, «1,0» - «1,5» - «2,0», или условное обозначение иммерсионной жидкости, например, «OIL» - «GLYC» - «DRY».

Пружинящие оправы– механическая конструкция объектива выполнена таким образом, что фронтальный компонент под действием пружины совершает плавное возвратно-поступательное движение. Применение подобного механизма связано с числовой апертурой объектива: чем больше числовая апертура, тем меньше рабочее расстояние и глубина резкости объектива, тем больше вероятность при настройке (фокусировке) испортить фронтальную линзу объектива или раздавить покровное стекло. Независимо от увеличения, международным стандартом ISO рекомендовано применение пружинящей оправы, начиная с числовой апертуры объектива 0,50.

Применение ирисовых диафрагмв объективах связано с использованием их по методу темного поля или в поляризационной микроскопии в связи с применением их для коноскопических методов исследования и при работе с иммерсионными жидкостями. Ирисовые диафрагмы позволяют уменьшать выходную числовую апертуру объектива и обычно расположены в плоскости выходного зрачка объектива. Это позволяет повысить контраст изображения без участия конденсора (апертуры осветительного пучка), т.е. убрать ненужную засветку, которая может возникнуть из-за применения иммерсионной жидкости.

При том разнообразии объективов, которое мы только что рассмотрели, чрезвычайно важной становится их маркировка.

Все основные сведения об объективе можно найти на его корпусе (рис. 39). Как правило, выгравированы следующие характеристики:

1. увеличение (4, 10, 40, 100, и др.),

2. числовая апертура (0,12; 0,30; 0,65; 1,25),

3. дополнительная буквенная маркировка метода исследования: Ф – фазовый контраст, П – поляризованный свет, Л – люминесцентный , ФЛ – фазово-люминесцентный, ЭПИ – эпиобъективы для работы в отраженном свете по методу темного поля, ДИК – дифференциально-интерференционный контраст

4. маркировка оптической коррекции: АПО (APO) – апохромат, ПЛАН (PLAN) – планахромат, ПЛАНАПО (PLANAPO) – планапохромат, СХ - стигмахромат (улучшенный ахромат, полуплан), М-ФЛЮАР – (микрофлюар, полуплан-полуапохромат)

5. тип иммерсии: МИ (Oil) - масляная иммерсия - черный ободок, ВИ (W) - водная иммерсия - белый ободок, ГИ (Glis) – глицериновая иммерсия – желтый (оранжевый) ободок

6. длина тубуса (160 и др.),

7. толщина покровного стекла (через косую черту): 0,17 – стандартная толщина, 0 (–) – без покровного стекла

Рис. 39. Маркировка объективов ЛОМО

Окуляры микроскопа

Окуляр[okularis - глазной] обращенная к глазу часть оптического прибора, предназначен для дополнительного увеличения изображения, созданного объективом, и построения микроскопического изображения на сетчатке глаза наблюдателя.

В общем виде окуляры состоят из двух групп линз: глазной, ближайшей к глазу наблюдателя, и полевой, ближайшей к плоскости изображения, в которой объектив строит изображение рассматриваемого объекта.

Окуляры обычно доисправляют изображение, созданное объективом.

Окуляр Гюйгенса простейший окуляр, состоящий, как минимум, из двух линз.

Термин, применявшийся первоначально для окуляра, состоящего из двух плосковыпуклых линз (коллективной линзы и глазной линзы с диафрагмой в промежутке), установленных так, что их выпуклые поверхности обращены к объективу. Оптическая схема окуляра рассчитывается таким образом, что в них практически отсутствует хроматическая разность увеличения (ХРУ). Такие окуляры применяются с объективами, в которых также отсутствует ХРУ.

В настоящее время термин применяется к любому окуляру с диафрагмой внутри.

Компенсационный окуляр -окуляр, который совместно с объективом исправляет хроматическую разность увеличения (ХРУ). Величина ХРУ в компенсационных окулярах колеблется, так же как и у объективов, от 0,5% до 2%, но противоположенного знака. Применяется совместно с ахроматическими и планапохроматическими объективами.

Окуляр Кельнерасостоит из простой линзы и склеенной из двух линз глазной. Угловое поле увеличено до 50°.

Симметричный окулярсостоит из двух одинаковых компонентов, расположенных симметрично друг относительно друга. Окуляр имеет большой вынос зрачка, что позволяет на его основе получать окуляры для работы с очками. Угловое поле окуляров не превышает 40° — 42°.

Ортоскопический окуляр —состоит из плосковыпуклой глазной линзы и трехсклеенного компонента. Угловое поле до 40°.

Окуляр Эрфлесостоит из трех компонентов. Обеспечивает большой вынос зрачка. Имеет большое расстояние до сетки, и данная схема обычно используется, когда требуется перемещение окуляра. Угловое поле увеличено до 60°.

Широкоугольный окуляр это высококачественный окуляр сложной оптической конструкции. Нередко в них применяются линзы с асферическими поверхностями. Угловое поле может быть 80°—100°.

Новые современные окуляры являются широкоугольными с линейным полем 18- 20 мм и сверхширокоугольными с полем 25-30 мм.

При работе с планобъективами используются план-окуляры, в которых исправлены кривизна поверхности изображения, астигматизм и кома, что обеспечивает резкое изображение по всему полю наблюдения.

Для проецирования изображения применяются фотоокуляры и гомали (отрицательные системы, исправляющие некоторые оптические дефекты полученного объективом изображения). Гомали не пригодны для визуального наблюдения.

Видно, что классификация окуляров не столь разнообразна как у объективов и больше касается качественных сторон. На окуляре (рис. 40) указывается тип окуляра и кратность увеличения (например, окуляр Гюйгенса – «7х», компенсационный окуляр – «К7х» или «комп7х»).

В последних моделях зарубежных микроскопов диоптрийная наводкана плоскость изображения с целью коррекции недостатков зрения производится не на окулярной трубке бинокуляра, а с помощью самого окуляра.

Если технология работы на микроскопе требует проводить точные измерения, окуляры подобных микроскопов конструктивно выполняются таким образом, что внутри их размещаются окулярные сетки. Эти оптические детали устанавливаются в плоскость полевой диафрагмы. Сетка может быть выполнена в виде шкалы окулярного микрометра, сетки с различными размерами квадратов, кругов правильной формы или логарифмической сетки, на стекло могут быть нанесены фигуры стандартной формы (для сравнения). Сетка предназначена для измерения линейных размеров, вычисления площади объекта, для количественного подсчета и т.д.

Осветительная система– это система линз, диафрагм и зеркал (при необходимости), обеспечивающая равномерное освещение объекта и полное заполнение апертуры объектива. В состав осветительной системы как правило входят: источник света(естественный или искусственный); коллектор - оптическая система, которая проецирует нить лампы в плоскость апертурной диафрагмы конденсора; конденсор - оптическая система, которая проецирует полевую диафрагму коллектора в плоскость предмета, обеспечивая требуемую числовую апертуру осветительного пучка.

Существуют различные способы освещения препарата при микроскопии. Классический способ освещения препарата в микроскопе был предложен Келером в 1893г. и используется до настоящего времени, как основной прием для получения качественного изображения

Источник света, будь то солнце, лампа накаливания, галогенная лампа или ртутная и ксеноновая лампы, выполняет основную функцию: освещение объекта микроскопического исследования таким образом, чтобы точность его воспроизведения оптическими элементами микроскопа в изображении по форме, разрешению и цвету была максимальной. Равномерность освещенности и яркость в поле зрения микроскопа (в плоскости изображения) определяется равномерностью освещения объекта в плоскости предмета и равномерностью и полнотой заполнения плоскости выходного зрачка микрообъектива изображением нити лампы.

В качестве источника света в современных осветителях микроскоповобычно используют низковольтные лампы накаливания с толстой нитью. Широкое применение получили лампы накаливания с иодным циклом (кварцево-галогенные лампы). Сила света источника должна быть велика, а площадь, занимаемая нитью накала, - мала, чтобы источник света по типу приближался к точечному. Помимо лампы, в конструкцию осветителя входит коллекторная линза, позволяющая получить при соответствующей фокусировке параллельный пучок лучей, а также ирисовая полевая диафрагма, от раскрытия которой зависит освещенное поле на препарате.

Для выравнивания света обычно применяются светофильтры. Светофильтры, используемые в световой микроскопии биологических объектов, условно можно разделить на две группы: ослабляющие световой поток без изменения спектрального состава света (нейтральные светофильтры, матовое стекло, скрещенные поляризационные фильтры) и светофильтры, выделяющие определенную область спектра. Нейтральные светофильтры и матовые стекла используются после настройки света по Келеру, если яркость источника света слишком велика. Светофильтры, выделяющие определенную область спектра, могут быть использованы для усиления или ослабления контраста некоторых деталей в окрашенных препаратах. Для увеличения контраста необходимо использовать светофильтры дополнительные по цвету к цвету окраски. Для ослабления контраста - светофильтры аналогичные цвету окраски

Конденсор[condensare – сгущать] - оптическая система, предназначенная для концентрации светового потока, сформированного в коллекторе осветителя, и равномерного освещения объекта (рис. 41, 42). В микроскопах проходящего света конденсор расположен между объектом (предметным столиком) и источником света (коллектор, зеркало). В микроскопах отраженного света роль конденсора выполняет объектив.

Конденсоры различаются по типу оптической коррекции, числовой апертуре, рабочему расстоянию и назначению (для реализации различных методов контрастирования).

Конденсор Аббе -осветительная система линз, разработанная Аббе. Не исправленный по качеству изображения конденсор состоит из двух неахроматических линз: одной, двояковыпуклой, другой плосковыпуклой, обращенной к объекту наблюдения (плоская сторона этой линзы направлена вверх). Апертура конденсора А=1,20. Имеет ирисовую (регулируемую) диафрагму.

Апланатическийконденсор состоит из трех линз, расположенных следующим образом: верхняя линза плосковыпуклая (плоская сторона направлена к объективу), далее следует вогнуто-выпуклая и двояковыпуклая линзы. Исправлен в отношении сферической аберрации и комы. Апертура конденсора А = 1,40. Имеет ирисовую диафрагму.

Ахроматическийконденсор полностью исправлен в отношении хроматической и сферической аберраций.

Ахроматический-аплапатическийконденсор исправлен как в отношении хроматической аберрации, так и в отношении сферической аберрации и комы.

Существует разница между конденсорами прямых и инвертированных микроскопов проходящего света. Связано это, естественно, со спецификой работы с микроскопом. Для прямых микроскопов функция конденсора сводится к освещению объекта, расположенного на предметном стекле определенной толщины (1,1 мм) в соответствии с принятыми принципами освещения. Объект является только предметом освещения и наблюдения. Расстояние от фронтальной линзы конденсора до предметного стекла может составлять от 0,5 до 1,2мм с накинутой фронтальной линзой. При откинутой фронтальной линзе это расстояние может увеличиться на порядок. Числовая апертура конденсора находится в пределах от 0,3 (без фронтальной части) до 1,4 при работе с иммерсией

В инвертированном микроскопе конденсор должен выполнять более широкую функцию: обеспечивать освещение объекта в соответствии с принятыми принципами освещения и работу пользователя с объектом в пространстве между фронтальной частью конденсора и предметным стеклом. Это возможно при сверхбольшом рабочем расстоянии конденсора. Расстояние от предмета до фронтального компонента может находиться в пределах от 50 мм до 200 мм при числовой апертуре от 0,3 до 0,55 (максимально возможная апертура при расстоянии около 5 мм — 0,70).

Конденсор косого освещенияпредназначен для получения эффекта косого освещения. Имеет апертурную ирисовую диафрагму, которая может фиксированно смещаться в горизонтальной плоскости.

Фазово-контрастныйконденсор – для получения эффекта фазового контраста. Имеет в плоскости апертурной диафрагмы световое кольцо, которое при проекции соответствует по размеру фазовому кольцу, расположенному в выходном зрачке объектива.

Конструктивно конденсор может быть выполнен: с откидной или со свинчиваемой фронтальной линзой (для увеличения числовой апертуры) или откидной линзой большого поля.

Одним из важнейших факторов, определяющих качество изображения в микроскопе, является правильная настройка освещения. Существуют различные способы освещения препарата при микроскопии. Классический способ освещения препарата в микроскопе был предложен Келером в 1893г. (рис. 43) и используется до настоящего времени, как основной прием для получения качественного изображения

Рис. 43. Принцип освещения по Келеру(пояснения в тексте)

Принцип освещения заключается в том, что изображение нити лампы осветителя проецируется на апертурную диафрагму конденсора, а полевая диафрагма осветителя проецируется в плоскость препарата.

Практически настройку освещения по Келеру осуществляют следующим образом:

1) устанавливают осветитель против зеркала микроскопа;

2) включают лампу осветителя и направляют свет на плоское (!) зеркало микроскопа;

3) помещают препарат на предметный столик микроскопа;

4) закрывают зеркало микроскопа листком белой бумаги и фокусируют на нем изображение нити лампы, передвигая патрон лампы в осветителе;

5) убирают лист бумаги с зеркала;

6) закрывают апертурную диафрагму конденсора;

7) перемещая зеркало и слегка передвигая патрон лампы, фокусируют изображение нити на апертурной диафрагме. Расстояние осветителя от микроскопа должно быть таким, чтобы изображение нити лампы было равно диаметру апертурной диафрагмы конденсора (наблюдать апертурную диафрагму можно с помощью плоского зеркала, помещенного с правой стороны основания микроскопа).

8) открывают апертурную диафрагму конденсора, уменьшают отверстие полевой диафрагмы осветителя и значительно уменьшают накал лампы;

9) при малом увеличении (10х), глядя в окуляр, получают резкое изображение препарата;

10) опуская и поднимая конденсор, добиваются получения резкого изображения краев полевой диафрагмы в плоскости препарата (вокруг них может быть видна цветная каемка)

11) слегка поворачивая зеркало, переводят изображение полевой диафрагмы, которое имеет вид светлого пятна, в центр поля зрения.

12) раскрывают полевую диафрагму осветителя до краев поля зрения, увеличивают накал нити лампы;

13) уменьшают раскрытие апертурной диафрагмы конденсора, чтобы она закрывала поле зрения на 1/3 при наблюдении через тубус с удаленным окуляром;

14) при смене объектива необходимо проверить настройку света.

После окончания настройки света по Келеру ни в коем случае нельзя изменять положение конденсора, раскрытие полевой и апертурной диафрагмы. Освещенность препарата можно регулировать только нейтральными светофильтрами или изменением накала лампы с помощью реостата. Для равномерного освещения всего поля зрения при работе с объективами малого увеличения (до 10х) необходимо снять верхнюю линзу конденсора.