Объективы для микроскопа: виды, маркировка и характеристики

Объектив микроскопа — один из главных элементов оптической системы. Именно объектив формирует первичное увеличенное изображение объекта и в значительной степени определяет разрешение, контраст, резкость, глубину резкости и качество изображения по всему полю зрения.

Поэтому выбирать объектив только по надписи 4×, 10×, 40× или 100× неправильно. Для реального качества изображения не менее важны числовая апертура, класс коррекции аберраций, рабочее расстояние, оптическая система микроскопа, тип иммерсии и расчётная толщина покровного стекла.

В этой статье разберём, какие бывают объективы для микроскопов, что означает их маркировка и как подобрать объектив под лабораторную, исследовательскую или промышленную задачу.

Как работает объектив микроскопа

Современный микроскопический объектив — это не одна линза, а сложная оптическая система из нескольких линз и групп линз. Их задача — получить увеличенное изображение образца с минимальными оптическими искажениями.

При этом объектив определяет не только увеличение. Два объектива с одинаковой маркировкой 40× могут существенно отличаться по разрешению, рабочему расстоянию, равномерности резкости по полю и качеству цветопередачи.

Что означает маркировка на объективе микроскопа

На корпус объектива обычно наносят его основные параметры. Набор обозначений зависит от производителя и оптической системы, однако часто встречается маркировка приблизительно такого вида:

PLAN 40× / 0,65 ∞ / 0,17

Разберём её по частям:

• PLAN — объектив с коррекцией кривизны поля, рассчитанный на получение резкого изображения на значительной части поля зрения.
• 40× — собственное увеличение объектива.
• 0,65 — числовая апертура (NA).
• ∞ — объектив рассчитан на оптическую систему с коррекцией на бесконечность.
• 0,17 — расчётная толщина покровного стекла в миллиметрах.

Дополнительно могут встречаться обозначения Oil, Water, WI, LWD, ELWD, PH, POL, DIC, BF, DF и другие. Они могут указывать на тип иммерсии, увеличенное рабочее расстояние или возможность применения специальных методов наблюдения.

Увеличение объектива: 4×, 10×, 20×, 40×, 60×, 100×

Увеличение показывает, во сколько раз объектив увеличивает промежуточное изображение объекта. На биологических микроскопах наиболее распространены объективы:

• 4× — обзор препарата;
• 10× — поиск и общее наблюдение;
• 20× — промежуточное увеличение;
• 40× — детальное наблюдение;
• 60× — высокое увеличение;
• 100× — обычно иммерсионная микроскопия.

В классическом микроскопе общее визуальное увеличение приблизительно определяется произведением увеличения объектива и окуляра. Например:

40× × 10× = 400×.

Однако большое увеличение само по себе не означает более высокое разрешение. Если объектив не способен разрешить более мелкие детали, дополнительное увеличение лишь делает уже сформированное изображение крупнее.

Числовая апертура объектива

Числовая апертура (NA) — одна из важнейших характеристик объектива. Она связана со способностью оптической системы собирать свет от образца и различать расположенные близко друг к другу детали.

Числовая апертура определяется выражением:

NA = n × sin θ,

где n — показатель преломления среды между препаратом и передней линзой объектива, а θ — половина угловой апертуры объектива.

При одинаковом увеличении объектив с большей NA, как правило, способен дать более высокое разрешение, но часто имеет меньшую глубину резкости и предъявляет более высокие требования к освещению и настройке микроскопа.

Разрешающая способность объектива

Разрешение показывает, насколько мелкие детали можно различить раздельно. Оно зависит прежде всего от длины волны света и числовой апертуры.

Для оценки поперечного разрешения часто используют приближённое выражение:

d ≈ 0,61 × λ / NA,

где d — минимальное различимое расстояние, λ — длина волны света, а NA — числовая апертура.

Поэтому при выборе объектива для исследования мелких структур необходимо смотреть не только на увеличение, но и на его числовую апертуру.

Ахромат, планахромат, флюорит и апохромат: чем отличаются объективы

Один из основных способов классификации объективов — по степени коррекции оптических аберраций.

Ахроматические объективы

Ахромат — базовый класс микроскопических объективов. В них корректируются основные хроматические и сферические аберрации.

Ахроматические объективы подходят для учебных, рутинных лабораторных и многих производственных задач, когда максимально плоское поле изображения не является критичным.

Планахроматические объективы

Планахромат дополнительно корректирует кривизну поля изображения. Благодаря этому объект остаётся резким не только в центре, но и на значительно большей площади поля зрения.

Для микроскопии с цифровой камерой планахроматические объективы особенно полезны: камера одновременно регистрирует значительную площадь кадра, поэтому качество изображения по краям становится заметнее.

Флюоритовые и полуапохроматические объективы

Флюоритовые объективы занимают промежуточное положение между ахроматами и высококлассными апохроматами. Они могут обеспечивать повышенную числовую апертуру, улучшенную коррекцию хроматических аберраций и хорошую светопропускающую способность.

Такие объективы часто применяются в исследовательской и флуоресцентной микроскопии.

Апохроматические объективы

Апохроматы имеют более совершенную коррекцию хроматических и сферических аберраций и предназначены для задач, где требуется максимально качественное изображение.

Высококлассные планапохроматические объективы применяются в исследовательской микроскопии, флуоресценции, цифровой визуализации и количественном анализе изображений.

Ахромат или планахромат — что выбрать

Объективы на бесконечность и объективы 160 мм

В микроскопах используются разные принципы построения оптической системы.

На более старых и некоторых специализированных приборах встречаются объективы, рассчитанные на конечную механическую длину тубуса, например 160 мм.

Большинство современных лабораторных и исследовательских микроскопов используют оптику, скорректированную на бесконечность. На таких объективах обычно присутствует символ:

∞

После объектива формируется приблизительно параллельный пучок света, а окончательное изображение строится тубусной линзой микроскопа.

Это позволяет размещать в оптическом тракте дополнительные компоненты — анализаторы, фильтры, делители светового потока и другие модули.

Объективы для системы 160 мм и объективы для бесконечности нельзя считать взаимозаменяемыми только потому, что они физически вкручиваются в револьвер.

Что означает 0,17 на объективе

Маркировка 0,17 означает, что объектив рассчитан на работу через покровное стекло толщиной около 0,17 мм.

Это особенно важно для объективов с высокой числовой апертурой. Несоответствие толщины покровного стекла расчётному значению может приводить к ухудшению качества изображения.

Некоторые высокоапертурные объективы имеют коррекционное кольцо, позволяющее частично компенсировать различия в толщине покровного стекла или других элементов между объективом и образцом.

Сухие и иммерсионные объективы

По среде между фронтальной линзой и препаратом объективы подразделяют на сухие и иммерсионные.

Сухие объективы

Между объективом и препаратом находится воздух. Это наиболее распространённый вариант для малых и средних увеличений.

Масляная иммерсия

При масляной иммерсии между покровным стеклом и фронтальной линзой помещают специальное иммерсионное масло.

Это позволяет уменьшить преломление света на границе стекло–воздух и получить числовую апертуру выше, чем у обычных сухих объективов.

Классический пример — объектив 100× с масляной иммерсией, широко применяемый в биологической микроскопии.

Водная и другие виды иммерсии

В исследовательской микроскопии также используются водно-иммерсионные и другие специальные объективы. Конкретная иммерсионная среда всегда должна соответствовать маркировке и документации производителя.

Рабочее расстояние объектива

Рабочее расстояние (WD, Working Distance) — расстояние между передней линзой объектива и объектом или покровным стеклом в момент получения резкого изображения.

Как правило, при росте увеличения и числовой апертуры рабочее расстояние уменьшается, хотя специальные конструкции позволяют получать увеличенное рабочее расстояние.

Обозначения LWD и ELWD обычно относятся к объективам с увеличенным или особо увеличенным рабочим расстоянием.

Это особенно важно для инвертированной микроскопии, работы с культуральной посудой, промышленными образцами и задач, где между объективом и объектом должны размещаться дополнительные элементы.

Объективы для биологических микроскопов

В биологических микроскопах проходящего света обычно применяют объективы от 4× до 100×. Для лабораторных и исследовательских моделей особенно распространены планахроматические системы.

При выборе необходимо учитывать:

• систему коррекции на бесконечность или конечный тубус;
• увеличение;
• числовую апертуру;
• толщину покровного стекла;
• тип иммерсии;
• необходимость фазового контраста, DIC или флуоресценции.

Современные биологические микроскопы МИКРОАНАЛИЗ представлены в разделе биологических микроскопов МИКРОАНАЛИЗ .

Объективы для металлографических микроскопов

Металлографические микроскопы работают преимущественно с непрозрачными объектами в отражённом свете. Их объективы должны быть рассчитаны на соответствующую схему освещения.

Для исследования металлов, покрытий, полупроводников и других непрозрачных поверхностей часто применяют планахроматические объективы с различным рабочим расстоянием.

Для некоторых систем используются специальные объективы светлого и тёмного поля.

См. также металлографические микроскопы .

Объективы для флуоресцентной микроскопии

Во флуоресцентной микроскопии особенно важны высокая светосила, хорошая коррекция аберраций и свойства оптических материалов в используемом диапазоне длин волн.

Для исследовательских систем часто используются флюоритовые и апохроматические объективы с высокой числовой апертурой.

Перейти в раздел: флуоресцентные микроскопы .

Объективы для поляризационной микроскопии

Для поляризационных исследований применяются объективы, в которых минимизировано собственное напряжённое двулучепреломление оптических элементов.

Это важно при исследовании минералов, кристаллов, полимеров и других анизотропных материалов.

Подробнее: поляризационные микроскопы .

Резьба и механическая совместимость объективов

Даже если два объектива относятся к одному классу по увеличению, они не обязательно механически и оптически совместимы.

В микроскопии встречаются различные стандарты присоединительной резьбы. Один из традиционных вариантов — резьба RMS, но в современных системах также применяются другие размеры, например метрические резьбы.

Кроме резьбы необходимо учитывать парфокальную высоту — конструктивное расстояние, влияющее на положение объектива относительно препарата.

Поэтому подбирать объектив только по диаметру резьбы нельзя.

Какие объективы лучше для цифровой камеры

Цифровая камера предъявляет повышенные требования к качеству изображения по всему кадру. Дефекты, которые могут быть почти незаметны при визуальном наблюдении через окуляр, часто становятся очевидными на мониторе.

Поэтому для цифровой микроскопии обычно предпочтительны планахроматические или более совершенные объективы, особенно если выполняются:

• измерения;
• сшивка изображений;
• панорамирование;
• документирование;
• анализ изображений;
• сравнение объектов по всему кадру.

Для цифровой фиксации изображения также можно использовать камеры для микроскопов и программное обеспечение .

Как выбрать объектив для микроскопа

Перед покупкой или заменой объектива желательно проверить следующие параметры:

1. Оптическая система микроскопа. Конечный тубус или коррекция на бесконечность.
2. Присоединительная резьба. Объектив должен механически подходить к револьверу.
3. Парфокальная высота. Особенно важна при установке объективов разных серий в один револьвер.
4. Необходимое увеличение. Оно выбирается исходя из размера исследуемых деталей.
5. Числовая апертура. Определяет реальную возможность различать мелкие структуры.
6. Рабочее расстояние. Критично для толстых объектов, культуральной посуды и производственных деталей.
7. Покровное стекло. Для биологических объективов необходимо учитывать расчётную толщину.
8. Тип иммерсии. Воздух, масло, вода или другая среда.
9. Метод контраста. Светлое поле, фазовый контраст, поляризация, DIC, флуоресценция и другие методы.
10. Требования к цифровому изображению. Для камеры особенно важны плоскостность поля и качество коррекции аберраций.

Частые ошибки при выборе объектива

• Покупать объектив только по увеличению.
• Считать, что любой объектив 40× даст одинаковое изображение.
• Смешивать объективы для конечной длины тубуса и системы на бесконечность.
• Не учитывать толщину покровного стекла.
• Использовать иммерсионный объектив без предусмотренной производителем иммерсионной среды.
• Подбирать объектив только по резьбе, не проверяя остальные параметры.
• Считать большое увеличение эквивалентом высокого разрешения.

Частые вопросы об объективах микроскопа

Что означают цифры 40×/0,65 на объективе?

40× — увеличение объектива, а 0,65 — его числовая апертура. Второй параметр непосредственно связан с разрешающей способностью оптической системы.

Что лучше — ахромат или планахромат?

Для простого визуального наблюдения качественного ахромата часто достаточно. Если требуется равномерно резкое изображение по большей площади поля, цифровая камера или измерения, планахромат обычно предпочтительнее.

Что означает знак бесконечности на объективе?

Символ ∞ показывает, что объектив рассчитан на микроскопическую систему с коррекцией на бесконечность и должен работать совместно с соответствующей тубусной оптикой.

Что означает 0,17?

Это расчётная толщина покровного стекла в миллиметрах.

Можно ли поставить объектив другого производителя?

Иногда это возможно, но совпадения резьбы недостаточно. Необходимо проверить оптическую систему, парфокальную высоту, расчёт на покровное стекло, тубусную оптику и другие параметры совместимости.

Почему объектив 100× часто используют с маслом?

Иммерсионное масло позволяет повысить числовую апертуру системы и более эффективно использовать свет, необходимый для получения высокого разрешения.

Где подобрать объектив для микроскопа

При замене объектива желательно сообщить модель микроскопа, маркировку установленного объектива, необходимое увеличение и задачу исследования. Это позволяет проверить совместимость до установки оптики.

Перейти в каталог: объективы для микроскопов .

Если объектив подбирается одновременно с новым микроскопом, можно посмотреть микроскопы МИКРОАНАЛИЗ или направить задачу специалистам для подбора системы в комплексе.

См. также: типы световых микроскопов , цифровые камеры для микроскопов и программное обеспечение .