Объективы обычно делятся по классам. Класс объектива позволяет пользователям узнать, как в нем корректируются аберрации изображения. Существует два типа коррекции аберраций, которые определяются классом объектива: кривизна поля и хроматическая аберрация.
Кривизна поля (или кривизна Петцваля) описывает случай, когда плоскость фокуса объектива представляет собой искривленную сферическую поверхность. Эта аберрация затрудняет широкоугольную визуализацию или лазерное сканирование, так как углы изображения выпадают из фокуса при фокусировке по центру. Если класс объектива начинается с «План», значит, что он исправлен, чтобы иметь плоскую плоскость фокуса.
Изображения также могут иметь хроматические аберрации, когда цвета, исходящие из одной точки, не фокусируются в одной точке. Чтобы найти баланс между характеристиками объектива и сложностью его конструкции, некоторые объективы корректируются с учетом этих аберраций на конечном числе целевых длин волн.
В таблице ниже показаны пять классов объективов. Только три общих класса объективов определены в соответствии со стандартом Международной организации по стандартизации ISO 19012-2: Микроскопы. Обозначение объективов микроскопов. Хроматическая коррекция. Из-за необходимости повышения производительности Thorlabs добавили два дополнительных класса, которые не определены в классах ISO.
Коррекция хроматических аберраций в соответствии со стандартом ISO 19012-2:
|
Тип объектива |
Общие сокращения |
Допуски осевого смещения фокусаа |
|
Ахромат |
ACH, ACHRO, ACHROMAT |
|δC' - δF'| ≤ 2 x δob |
|
Полуапохромат (или флюорит) |
SEMIAPO, FL, FLU |
|δC' - δF'| ≤ 2 x δob
|
|
Апохромат |
APO |
|δC' - δF'| ≤ 2 x δob
|
|
Супер апохромат |
SAPO |
См. примечание (б) |
|
Улучшенный апохромат для видимого диапазона |
VIS+ |
См. примечания (б) и (в) |
а. Измеряется как разница фокусного расстояния (δ) между двумя из следующих длин волн: 479.99 нм (линия F'), 546.07 нм (линия e) и 643.85 нм (линия C') по сравнению с теоретическим фокусным расстоянием – длина δоб. δob = (n·λe)/(2·NA2), где n – показатель преломления среды в пространстве предмета, NA – числовая апертура объектива, λe – 479.99 нм (линия e).
б. В настоящее время не определено в ISO 19012-2: Микроскопы. Обозначение объективов микроскопа. Хроматическая коррекция.
в. Юэцянь Чжан и Герберт Гросс, «Систематический дизайн объективов микроскопа. Часть I: Обзор и анализ системы», Опт. Техн., Том. 2019. Т. 8, № 5. С. 313–347. doi: 10.1515/aot-2019-0002.
Части объектива микроскопа
Посадочная резьба
Резьба позволяет установить объектив на револьверную головку. Объективы могут иметь несколько различных шагов резьбы. Thorlabs предлагает широкий выбор резьбовых адаптеров для микроскопов, упрощающих установку объективов в различных системах.
Плечо
Плечо расположено у основания резьбы объектива и отмечает начало открытого корпуса объектива, когда он полностью ввинчен в револьвер или другое крепление объектива.
Коррекционное кольцо и покровное стекло
Покровное стекло представляет собой небольшой тонкий лист стекла, который можно поместить на влажный образец, чтобы создать плоскую поверхность.
Наиболее распространенное стандартное покровное стекло № 1.5 имеет толщину 0.17 мм. Из-за различий в производственном процессе фактическая толщина может отличаться. Коррекционное кольцо, присутствующее на некоторых объективах, используется для компенсации покровных стекол разной толщины путем регулировки относительного положения внутренних оптических элементов. Важно обратить внимание, что многие объективы не имеют коррекции на покровное стекло, и в этом случае объективы не имеют коррекционного кольца. Например, объектив может быть разработан для использования только с покровным стеклом #1.5. Это кольцо также может располагаться в нижней части объектива, а не в верхней.
Cферическая аберрация при использовании покровного стекла
На приведенном выше графике показана величина сферической аберрации в зависимости от толщины покровного стекла, используемого для света с длиной волны 632.8 нм. Для типичной толщины покровного стекла 0.17 мм сферическая аберрация, вызванная покровным стеклом, не превышает дифракционной аберрации для объективов с числовой апертурой до 0.40.
Область маркировки
Область маркировки объектива обычно приходится на середину корпуса. Приведенная здесь область соответствует стандарту ISO 8578: Микроскопы. Маркировка объективов и окуляров, но не все производители строго придерживаются этого стандарта. Как правило, можно ожидать найти следующую информацию в этой области:
- Производитель;
- Коррекция аберрации (класс объектива);
- Увеличение;
- Числовая апертура (NA);
- Заднее фокусное расстояние (коррекция на бесконечность);
- Подходящая толщина покровного стекла;
- Рабочее расстояние.
Кроме того, область маркировки объектива может включать указанный диапазон длин волн объектива, специальные функции или свойства конструкции и многое другое. Точное расположение и размер каждого из этих элементов может варьироваться.
Идентификатор увеличения
Для облегчения быстрой идентификации почти все объективы микроскопа имеют цветное кольцо, опоясывающее корпус.
Цвета колец идентификатора увеличения в соответствии с ISO 8578:
|
Цвет кольца |
Увеличение |
Цвет кольца |
Увеличение |
|
Черный |
1X или 1.25X |
Светло-зеленый |
16X или 20X |
|
Серый |
1.6X или 2X |
Темно-зеленый |
25X или 32X |
|
Коричневый |
2.5X или 3.2X |
Светло-синий |
40X или 50X |
|
Красный |
4X или 5X |
Темно-синий |
63X или 80X |
|
Оранжевый |
6.3X или 8X |
Белый |
100X, 125X или 160X |
|
Желый |
10X или 12.5X |
Идентификатор иммерсии
Если объектив используется для погружения в воду или масло, второе цветное кольцо может быть размещено под идентификатором увеличения.
Объективы можно разделить по тому, через какую среду они ведут съемку образца. Сухие объективы используются в воздухе; тогда как погружные и иммерсионные объективы предназначены для работы с жидкостью между фронтальной линзой объектива и образцом.
Виды объективов миркоскопа
Cухие (воздух)
Сухие объективы имеют воздушный промежуток между объективом и образцом.
Погружные
Погружные объективы предназначены для коррекции аберраций, вызванных погружением образца в иммерсионную жидкость. Фронтальная линза объектива либо отчасти, либо полностью погружена в жидкость.
Иммерсионные
Иммерсионные объективы аналогичны погружным, однако в этом случае образец находится под покровным стеклом. Затем на верхнюю часть покровного стекла наносят каплю жидкости, и фронтальная линза объектива приводится в контакт с жидкостью. Часто иммерсионные объективы снабжены корректирующим кольцом для регулировки покровных стекол разной толщины. Иммерсионные жидкости включают в себя воду, масло (например, MOIL-30) и глицерин.
Использование иммерсионной жидкости с высоким показателем преломления позволяет объективам достигать числовой апертуры более 1.0. Однако, если иммерсионный объектив используется без жидкости, качество изображения будет очень низким.
Цвета колец идентификатора иммерсии в соответствии с ISO 8578:
|
Цвет кольца |
Иммерсионная среда |
|
Нет |
Сухая (воздух) |
|
Черный |
Масло |
|
Белый |
Вода |
|
Оранжевый |
Глицерин |
|
Красный |
Другое |
Регулировка ирисовой диафрагмы
Объективы со встроенной ирисовой диафрагмой идеально подходят для микроскопии в темном поле. Ирисовая диафрагма предназначена для частичного перекрытия пучка во время микроскопии в темном поле, чтобы сохранить темноту фона. Это абсолютно необходимо для масляных иммерсионных объективов с высокой числовой апертурой (выше NA = 1.2) при использовании масляно-иммерсионного конденсора темного поля. Для обычных наблюдений в светлом поле ирисовая диафрагма должна быть полностью открыта.
Стопор
Объективы с очень маленькими рабочими расстояниями могут иметь втягивающий стопор, встроенный в наконечник. Это подпружиненная секция, которая сжимается, чтобы погасить силу удара в случае непреднамеренного столкновения с образцом.
Парфокальное расстояние
Это длина от плеча до верхней части образца (в случае объективов, предназначенных для использования без покровного стекла) или верхней части покровного стекла. При работе с несколькими объективами в головке полезно, чтобы все парфокальные расстояния были одинаковыми, поэтому при переключении между объективами потребуется небольшая перефокусировка. Thorlabs предлагает удлинители парфокального расстояния.
Рабочее расстояние
Рабочее расстояние, часто обозначаемое аббревиатурой WD, представляет собой расстояние между передним элементом объектива и верхней частью образца (в случае объективов, предназначенных для использования без покровного стекла) или верхней частью покровного стекла. Спецификация толщины покровного стекла, выгравированная на объективе, указывает, следует ли использовать покровное стекло.
Терминология:
| Термин | Определение |
|
Заднее фокусное расстояние и коррекция на бесконечность |
Заднее фокусное расстояние определяет положение плоскости промежуточного изображения. Большинство современных объективов будут иметь эту плоскость на бесконечности, известную как коррекция на бесконечность, и будут обозначать это символом бесконечности (∞). Объективы с коррекцией на бесконечность предназначены для использования с тубусной линзой между объективом и окуляром. Наряду с повышением совместимости между системами микроскопов наличие скорректированного на бесконечность пространства между объективом и тубусной линзой позволяет размещать дополнительные модули (такие как светоделители, фильтры или удлинители парфокального расстояния) на пути пучка. Старые объективы и некоторые специальные объективы могли быть разработаны с конечным задним фокусным расстоянием. Изначально объективы с конечным задним фокусным расстоянием предназначались для непосредственного взаимодействия с окуляром объектива. |
|
Входное отверстие |
Это измерение соответствует соответствующему диаметру пучка, который следует использовать для правильной работы объектива. Входное отверстие = 2 × Числовая апертура × Эффективное фокусное расстояние |
|
Поле зрения и угловое поле |
Значение поля зрения соответствует диаметру угловое поля в пространстве предметов (в миллиметрах), умноженному на увеличение объектива. Поле зрения = Диаметр углового поля × Увеличение |
|
Увеличение |
Увеличение (M) объектива равно фокусному расстоянию тубусной линзы (L), деленному на эффективное фокусное расстояние объектива (F). Эффективное фокусное расстояние иногда обозначается аббревиатурой EFL: М = L / EFL. Общее увеличение системы равно увеличению объектива, умноженному на увеличение окуляра или тубуса камеры. Указанное увеличение на корпусе объектива микроскопа является точным, если объектив используется с совместимым фокусным расстоянием тубусной линзы. Объекты будут иметь цветное кольцо вокруг корпуса, обозначающее их увеличение. Это довольно стабильно у разных производителей. |
|
Числовая апертура (NA) |
Числовая апертура, мера угла приема объектива, является безразмерной величиной. Обычно выражается как: NA = ni × sinθa, где θa – максимальный ½ угол приема объектива, а ni – показатель преломления иммерсионной среды. Эта среда обычно представляет собой воздух, но также может быть водой, маслом или другими веществами. |
|
Рабочее расстояние |
Рабочее расстояние, часто обозначаемое аббревиатурой WD, представляет собой расстояние между передним элементом объектива и верхней частью образца (в случае объективов, предназначенных для использования без покровного стекла) или верхней частью покровного стекла, в зависимости от конструкции объектива. Спецификация толщины покровного стекла, выгравированная на объективе, указывает, следует ли использовать покровное стекло. |
