Окуляры современных микроскопов.

Далеко не все в курсе, что такое окуляр. Несколько десятков лет назад обычные любители астрономических исследований даже не задумывались о том, какой вариант увеличения изображения выбрать, они мечтали о любом телескопе. Подлинным шиком в то время было достать фабричный объектив и окуляр.

В наши дни произошли кардинальные изменения в сложившейся ситуации, и теперь любители астрономии обращают внимание не только на телескоп, но и на оптику, установленную в нем.

Посадочный диаметр

Необходимо рассмотреть основные характеристики приборов, используемых для астрономических исследований.

Для того чтобы понять, что такое окуляр, выделить потребуется такой параметр, как посадочный диаметр. Он имеет стандартные показатели, соответствующие внутреннему диаметру фокусера телескопа. Эта характеристика указывается в дюймах. В настоящее время трубка с окулярами в два дюйма дает несущественное увеличение, но отличается неплохим полем зрения, что можно считать его основным преимуществом. Изготовление таких окуляров - дорогое удовольствие, поэтому позволить себе приобретение такой оптики могут только обеспеченные люди.

Особенности подбора

В зависимости от внутреннего диаметра фокусера, по-разному используется увеличивающий окуляр. Например, при внутреннем диаметре 1,25 дюйма его можно использовать с окулярами 1,25". При диаметре фокумера в два дюйма он подходит для применения в качестве двухдюймовых окуляров. Двухдюймовое устройство фокусировки в телескопе дает его владельцу свободу в подборе окуляров.

Достаточно редким явлением считается использование любителями астрономии окуляров, имеющих посадочный диаметр 0.965". Этот стандарт был востребован в середине двадцатого века, а вот в изготовлении современных телескопов не применяется. Рассуждая над тем, что такое окуляр, необходимо отметить, что у прибора с таким посадочным диаметром минимальное поле зрения, поэтому в наше время он не применяется даже любителями.

Увеличение прибора

Фокусное расстояние окуляра является одним из его важнейших параметров. Указывают эту величину в миллиметрах. С ее помощью можно определять увеличение окуляра микроскопа. Например, если фокусное расстояние составляет у телескопа 1200 мм, а размер окуляра - 10 мм. Для определения увеличения 1200 мм делят на 10 мм, получают 120. В настоящее время покупателям предлагаются телескопы, в которых увеличение окуляра - внушительная величина, а фокусное расстояние находится в диапазоне от 56 мм до 2,5 мм.

Поле зрения

Выяснив, что такое окуляр, можно продолжить анализ основных характеристик. Поле зрения - это угловое расстояние между видимыми параметрами. В зависимости от схемы оптики, у окуляров существенно отличается поле зрения.

В настоящее время производители предлагают объектив и окуляр, имеющий поле зрения в диапазоне 35°-100°.

Современные тенденции

В последнее десятилетие поклонники астрономии используют окуляры, имеющие большое поле рения (от 68°).

Учитывая, что основное назначение окуляра - наблюдение звездных полей, туманностей, скоплений звезд, при большом размере поля зрения у наблюдателя появляется эффект личного присутствия. Астроном убежден в том, что, протянув руку, он сможет поместить на своей ладони всю Вселенную.

Кроме того, среди преимуществ окуляров с широким углом обзора профессионалы отмечают комфортность проведения наблюдений. Такие телескопы не оснащаются дополнительным часовым приводом и монтировкой. Наблюдаемый объект будет находиться дальше в поле зрения окуляра, поэтому отпадет необходимость постоянного перемещения трубки в поле зрения оптического прибора.

То, во сколько раз увеличивает окуляр, напрямую определяет возможности астрономических вычислений.

Выделяют реальное (истинное) поле зрения, которое подразумевает обзор всей системы телескопа, в том числе и окуляра.

Особенности выходного зрачка

Под ним подразумевают расстояние от внешней линзы окуляра (глазной) до точки, расположенной на главной оптической оси. В нее располагается глаз, чтобы можно было видеть все поле зрения. Именно от выноса зрачка напрямую будет зависеть удобство наблюдения. Например, в случае применения окуляра на очень маленьком расстоянии от линзы, появляются неприятные ощущения. Наблюдения в зимнее время года могут привести к существенным повреждениям глазной роговицы, и даже к ее обморожению. Если в линзу окуляра будут упираться ресницы, на просветляющем покрытии могут оставаться следы.

Существует прямая связь между выносом зрачка и величиной фокусного расстояния. Учитывая, что существует подобная проблема, инженеры создают такие схемы, в которых выходной зрачок располагается на вполне комфортном расстоянии.

Подобные модели обладают фиксированным выносом зрачка, который не зависит от параметров фокусного расстояния.

Чрезмерный вынос также характеризуется определенными недостатками. Величина его у длинногофокусного окуляра составляет 30-40 мм, поэтому наблюдатель должен будет «ловить» глазком изображение. В настоящее время самыми удобными в использовании названы телескопы, в которых величина верхнего предела выноса выходного зрачка составляет 25 мм.

Для астрономов-любителей, имеющих дефекты зрения, разработчики такой техники рекомендуют выбирать телескопы с окулярами, в которых вынос зрачка имеет 20 мм.

Характеристики окуляра

Проанализируйте основные количественные (присоединительные) характеристики окуляра:

фокусное расстояние;
вынос выходного зрачка;
размер посадки.

Например, для определения фокусного расстояния используется математическая формула:

Г = f"об/f"ок,

здесь f"об является фокусным расстоянием взятого объектива.

Единицей измерения выноса выходного зрачка является мм. Размер посадки определяется в 1.25" либо 2".

Качественные характеристики

Среди важных факторов, которые влияют на качество получаемого изображения, нужно отметить:

Уровень светорассеивания. При его высоком показателе появляются широкие ореолы вокруг рассматриваемых звезд, повышается яркость фона, снижается контрастность изображения. От механических деталей и качества полировки покрытия напрямую зависит степень просветления покрытия.
Блокирование возникает при неверных расчетах, при использовании некачественных просветляющих покрытий. Концентрированные блики и потоки света располагаются вокруг ярких объектов, которые не попадают в поле наблюдения.
Конструкция наглазника должна в полной мере отсекать постороннюю подсветку, фиксировать положение глаза в определенном положении относительно глазной линзы окуляра.
Надежную механику, включая плавное переключение зумирующего кольца, установку предохраняющей выточки для закрепления окуляра в фокусере.
Вес и габариты.

Остаточные аберрации современного окуляра

От качества аберрационной коррекции зависит четкость изображения, возможность наблюдения мелких деталей на звездном небе. Причинами понижения качества картинки профессионалы считают кривизну поля зрения, хроматизм, а также астигматизм.

Для всех окуляров характерен полевой астигматизм, поэтому к краю поля наблюдения звезды становятся черточками либо крестиками.

При вытягивании изображений звезд в линию, которая направлена от центра наблюдений, существует меридиональный астигматизм. При перпендикулярном расположении - сагиттальный вариант.

Для окуляров также характерна полевая аберрация, которая приводит к фокусировке объекта в центре поля рассмотрения, а по краям оно выглядит расфокусированным. Попытка изменить фокус мгновенно приводит к изменению фокусировки центра поля зрения.

Она незначительно растет к краю картинки, а в сочетании с астигматизмом приводит к появлению овальных аберрационных пятен. Результатом хроматизма увеличения является вытягивание звезды по мере ухода от центра поля зрения в хроматический спектр, центр которого имеет синюю окраску.

Дисторсия в некоторой степени вызывает искажение вида объекта, не внося изменений в контрасте и детализации картинки. Например, диск планеты ближе к краям зрения сжимается либо вытягивается. Пожалуй, подобный вид можно считать одной из самых безобидных аберраций окуляров. Но при проведении математических вычислений реального и теоретического поля углового зрения будут появляться существенные отличия.

Исправные в отношении дисторсии окуляры именуют ортоскопическими. Сферическая аберрация вызывает появление симметричных радиально ореолов вокруг одной звезды. Во многих современных телескопах сочетается астигматизма и кома по полю зрения. Между центром и краем существует зависимость знака и величины комы от длины волны. Самым неприятным является то, что две аберрации могут функционировать одновременно, причем совместно с дефектами объектива.

Заключение

В настоящее время возрастает интерес у любителей атрономических наблюдений к телескопам. Если в двадцатом веке основной задачей поклонников звездного неба было приобретение телескопа любого размера и вида, то в двадцать первом ситуация изменилась коренным образом. Теперь любители астрономии могут выбирать оптику высочайшего качества, что является гарантией качественных исследований.

Изучение клеток микроорганизмов, невидимых невооруженным глазом, возможно только при помощи микроскопов. Эти приборы позволяют получать изображение исследуемых объектов, увеличенное в сотни раз (световые микроскопы), в десятки и сотни тысяч раз (электронные микроскопы).

Биологический микроскоп называется световым, так как он обеспечивает возможность изучать объект в проходящем свете в светлом и темном поле зрения.

Основными элементами современных световых микроскопов являются механическая и оптическая части (рис. 1).

К механической части относятся штатив, тубус, револьверная насадка, коробка микромеханизма, предметный столик, макрометрический и микрометрический винты.

Штатив состоит из двух частей: основания и тубусодержателя (колонки). Основание микроскопа прямоугольной формы имеет снизу четыре опорные площадки, что обеспечивает устойчивое положение микроскопа на поверхности рабочего стола. Тубусодержатель соединяется с основанием и может перемещаться в вертикальной плоскости при помощи макро- и микрометрического винтов. При вращении винтов по часовой стрелке тубусодержатель опускается, при вращении против часовой стрелки – поднимается от препарата. В верхней части тубусодержателя укреплена головка с гнездом для монокулярной (или бинокулярной) насадки и направляющей для револьверной насадки. Головка крепится винтом .

Тубус – это труба микроскопа, позволяющая поддерживать определенное расстояние между основными оптическими деталями – окуляром и объективом. Вверху в тубус вставляется окуляр. Современные модели микроскопов имеют наклонный тубус.

Револьверная насадка представляет собой вогнутый диск с несколькими гнездами, в которые ввинчиваются 3– 4 объектива. Вращая револьверную насадку, можно быстро установить любой объектив в рабочее положение под отверстие тубуса.

Рис. 1. Устройство микроскопа:

1 – основание; 2 – тубусодержатель; 3 – тубус; 4 – окуляр; 5 – револьверная насадка; 6 – объектив; 7 – предметный столик; 8 – клеммы, прижимающие препарат; 9 – конденсор; 10 – кронштейн конденсора; 11 – рукоятка перемещения конденсора; 12 – откидная линза; 13 – зеркало; 14 – макровинт; 15 – микровинт; 16 – коробка с механизмом микрометрической фокусировки; 17 – головка для крепления тубуса и револьверной насадки; 18 – винт для крепления головки

Коробка микромеханизма несет с одной стороны направляющую для кронштейна конденсора, а с другой – направляющую для тубусодержателя. Внутри коробки находится механизм фокусировки микроскопа, представляющий собой систему зубчатых колес.

Предметный столик служит для размещения на нем препарата или другого объекта исследования. Столик может быть квадратным или круглым, подвижным или неподвижным. Подвижный столик перемещается в горизонтальной плоскости при помощи двух боковых винтов, что позволяет рассматривать препарат в разных полях зрения. На неподвижном столике для обследования объекта в разных полях зрения препарат перемещают рукой. В центре предметного столика имеется отверстие для освещения снизу лучами света, направляемыми от осветителя. На столике имеются две пружинные клеммы , предназначенные для закрепления препарата.

Некоторые системы микроскопов снабжены препаратоводителем, необходимым при исследовании поверхности препарата или при подсчете клеток. Препаратоводитель позволяет производить передвижение препарата в двух взаимно-перпендикулярных направлениях. На препаратоводителе имеется система линеек – нониусов, с помощью которых можно присвоить координаты любой точке исследуемого объекта.

Макрометрический винт (макровинт) служит для предварительной ориентировочной установки изображения рассматриваемого объекта. При вращении макровинта по часовой стрелке тубус микроскопа опускается, при вращении против часовой стрелки – поднимается.

Микрометрический винт (микровинт) используют для точной установки изображения объекта. Микрометрический винт является одной из наиболее легко повреждаемых частей микроскопа, поэтому с ним надо обращаться осторожно – не вращать с целью грубой установки изображения во избежание самопроизвольного опускания тубуса. При полном повороте микровинта тубус передвигается на 0,1 мм.

Оптическая часть микроскопа состоит из основных оптических деталей (объектив и окуляр) и вспомогательной осветительной системы (зеркало и конденсор).

Объективы (от лат. objektum – предмет) – наиболее важная, ценная и хрупкая часть микроскопа. Они представляют собой систему линз, заключенных в металлическую оправу, на которой указаны степень увеличения и числовая апертура. Наружная линза, обращенная плоской стороной к препарату, называется фронтальной. Именно она обеспечивает увеличение. Остальные линзы называются коррекционными и служат для устранения недостатков оптического изображения, возникающих при рассмотрении исследуемого объекта.

Объективы бывают сухие и иммерсионные, или погружные. Сухим называется объектив, у которого между фронтальной линзой и рассматриваемым объектом находится воздух. Сухие объективы обычно имеют большое фокусное расстояние и увеличение 8х или 40х. Иммерсионным (погружным) называют объектив, у которого между фронтальной линзой и препаратом находится специальная жидкая среда. Вследствие разницы между показателями преломления стекла (1,52) и воздуха (1,0) часть световых лучей преломляется и не попадает в глаз наблюдателя. В результате этого изображение получается нечетким, более мелкие структуры остаются невидимыми. Избежать рассеивания светового потока можно путем заполнения пространства между препаратом и фронтальной линзой объектива веществом, показатель преломления которого близок к коэффициенту преломления стекла. К таким веществам относятся глицерин (1,47), кедровое (1,51), касторовое (1,49), льняное (1,49), гвоздичное (1,53), анисовое масло (1,55) и другие вещества. Иммерсионные объективы имеют на оправе обозначения: I (immersion ) – иммерсия, Н I (homogen immersion ) – однородная иммерсия, OI (oil immersion ) или МИ – масляная иммерсия. В настоящее время в качестве иммерсионной жидкости чаще используют синтетические продукты, соответствующие по оптическим свойствам кедровому маслу.

Объективы различают по их увеличению. Величина увеличения объективов обозначена на их оправе (8х, 40х, 60х, 90х). Кроме того, каждый объектив характеризуется определенной величиной рабочего расстояния. Для иммерсионного объектива это расстояние составляет 0,12 мм, для сухих объективов с увеличением 8х и 40х – 13,8 и 0,6 мм соответственно.

Окуляр (от лат. okularis – глазной) состоит из двух линз – глазной (верхней) и полевой (нижней), заключенных в металлическую оправу. Окуляр служит для увеличения изображения, которое дает объектив. Увеличение окуляра обозначено на его оправе. Существуют окуляры с рабочим увеличением от 4х до 15х.

При длительной работе с микроскопом следует пользоваться бинокулярной насадкой. Корпуса насадки могут раздвигаться в пределах 55–75 мм в зависимости от расстояния между глазами наблюдателя. Бинокулярные насадки часто имеют собственное увеличение (около 1,5х) и коррекционные линзы.

Конденсор (от лат. condenso – уплотняю, сгущаю) состоит из двух-трех короткофокусных линз. Он собирает лучи, идущие от зеркала, и направляет их на объект. При помощи рукоятки, расположенной под предметным столиком, конденсор может перемещаться в вертикальной плоскости, что приводит к увеличению освещенности поля зрения при поднятом конденсоре и уменьшению его при опущенном конденсоре. Для регулировки интенсивности освещения в конденсоре имеется ирисовая (лепестковая) диафрагма, состоящая из стальных серповидных пластинок. При полностью открытой диафрагме рекомендуется рассматривать окрашенные препараты, при уменьшенном отверстии диафрагмы – неокрашенные. Под конденсором расположена откидная линза в оправе, используемая при работе с объективами малого увеличения, например, 8х или 9х.

Зеркало имеет две отражающие поверхности – плоскую и вогнутую. Оно закреплено на шарнирах в основании штатива и его можно легко поворачивать. При искусственном освещении рекомендуется пользоваться вогнутой стороной зеркала, при естественном – плоской.

Осветитель выполняет функциюискусственногоисточника света. Он состоит из низковольтной лампы накаливания, закрепляющейся на штативе, и понижающего трансформатора. На корпусе трансформатора имеется рукоятка реостата, регулирующего накал лампы и тумблер для включения осветителя.

Во многих современных микроскопах осветитель вмонтирован в основание.

Развитие современных технологий делает уже практически бытовой реальностью те устройства и механизмы, которые еще 20-30 лет назад применялись исключительно для профессионально-научных нужд и не рассматривались в качестве общедоступных. Яркий пример ‒ телескоп, который до сих пор ассоциируется у многих с огромными комплексами астрономических лабораторий. Между тем, домашние телескопы ‒ популярный вид техники, у которой много поклонников. Прогресс позволяет каждому человеку не только рассматривать далекие миры, не прибегая к помощи специалистов, но и по-настоящему вовлечься в процесс: например, выбрать к телескопу окуляр, подходящий для конкретного владельца.

Астрономы-любители прошлых лет использовали для увеличения в буквальном смысле все, что было можно: если не получалось достать фабричные телескопные окуляры, в ход шли теодолитовые или микроскопные, фотообъективы (например, «Смена»). Сейчас покупателей подстерегает совершенно другая проблема ‒ богатство выбора и разнообразие характеристик, в которых непосвященному любителю будет сложно разобраться без подготовки.

Телескоп, даже небольшой, ‒ не самая дешевая вещь, также, как и съемные окуляры, которые могут быть сопоставимы с ним по стоимости. Чтобы не потратить деньги зря и наслаждаться звездным небом «во всех подробностях», стоит ориентироваться в некоторых критериях.

Что представляет собой окуляр телескопа

Не стоит путать понятие окуляр с объективами телескопов: в отличие от формирующих картинку объективов окуляр увеличивает изображение, чтобы его было четко видно. В принципе, многие телескопы не предполагают наличия окуляра, используя вместо него ПЗС-матрицы. Для любительской техники наличие ПЗС-матрицы также возможно, но обойдется существенно дороже. Также можно поставить на телескоп фотографическую технику, к сожалению такой «гибрид» не сможет конкурировать с профильными устройствами.

Окуляр ‒ это системная или конструктивная часть прибора, которая обращена непосредственно к глазу и нужна, чтобы изображения, сформированные объективом, можно было рассмотреть в подробностях. Он может поставляться в штатном комплекте вместе с телескопом, или для улучшения видимости купить окуляр можно отдельно.

От выбора окуляра зависят разные параметры:

как будет увеличено изображение и насколько качественным оно окажется;
насколько комфортной будет работа (зависит от расстояния «глаз-окуляр» в момент, когда изображение оказывается в фокусе);
какими будут видимое и реальное телескопные поля зрения и др.

Наиболее старые окуляры, изобретенные в середине XVII века, собирались из двух линз: первая ‒ коллектив, или линза поля, а вторая ‒ глазная. Они и сейчас производятся для комплектации демократичных телескопов начального уровня: окуляры Гюйгенса маркируют буквой Н, а Рамсдена, появившиеся в конце XVIII века, ‒ R (Ramsden).

Все эти окуляры имеют заметный недостаток - хроматическую аберрацию (цветная кайма вокруг изображения или его размытость). Эту проблему можно решить, установив в окуляр несколько линз (четыре-пять), собирающих свет в разных волновых длинах в один фокус.

Среди многообразия типов окуляров ‒ для дальнозоркости/близорукости, фотографирования, с наглазниками и т.п. К основным отличиям следует относить оптические схемы.

Кроме двухлинзовых окуляров производители выпускают:

ортоскопические (маркировка О) ‒ четырехэлементные, зрительное поле ‒ 45 градусов, дают четкое изображение, но из-за некоторой узости поля рекомендуются лишь для созерцания планет;
окуляр Кельнера (RKE или K) ‒ трехэлементная конструкция с удобным выносом зрачка, 40-градусным полем, которые подходят к длиннофокусным агрегатам;

окуляры Эрфле (Е) и их современные широкоугольные разновидности ‒ пятиэлементные, 60-градусные, но для наблюдения за планетами они не подходят из-за побочного блуждающего бликования и астигматизма;

симметричные окуляры Плессла (Р) - из 4 элементов, поле зрения ‒ 50 градусов, наиболее распространенный тип;

окуляр Наглера (N) ‒ дорогие, современные и впечатляющие модели с 82-градусным полем зрения, 7 конструктивными линзовыми элементами и диаметром посадки в два дюйма, позволяют ощутить себя почти что в космосе.

Основные характеристики, которые нужно учесть при покупке окуляра

Выбор окуляра ‒ процесс, требующий четкого представления о том, что это такое, и какие конструктивные параметры нужны для выполнения поставленных перед ним задач. Основные из них:

Посадочный диаметр, или диаметр юбки (барреля) на окуляре, по стандарту равен диаметру телескопного фокусера. Его маркируют в дюймах: наиболее распространенные ‒ 1,25", а также двухдюймовые, с широким полем зрения (довольно дорогие, т.к. их сложно изготовить, не очень сильно увеличивают) и диаметром 0,965. Они были популярны в XX веке, но сейчас не используются из-за маленьких зрительных полей. На двухдюймовый фокусер с помощью специального переходника можно поставить окуляр, разнящийся по диаметру, что существенно расширяет его возможности.
Фокусное расстояние (и смежный с ним параметр увеличения) ‒ ключевая особенность, расстояние от главной плоскости до точки, в которой перекрещиваются лучи. Считается в мм и определяет, насколько окуляр будет приближать объекты.

Увеличение, которое дает телескоп, определяется так: его фокусное расстояние нужно разделить на фокусное расстояние окуляра. Таким образом, если знать, какое увеличение требуется, легко определить соответствующий окулярный параметр расстояния. Приборы по этой характеристике подразделяются на коротко-, средне- и длиннофокусные. Сейчас выпускают также зум-окуляры с переменными параметрами. С ними можно наблюдать и космические дали, и ближние объекты.

Поле зрения ‒ углы-расстояния между границами видимого глазом поля. Измеряется в градусах ‒ современные производители выпускают приборы от 35 до 100°. Характеристика показывает, насколько большой и широкоформатной будет картинка в телескопе. Широкоугольные разновидности позволяют охватить глазом звездное небо во всем его великолепии: туманности, скопления, поля звезд будут практически перед глазами. Еще одно их преимущество ‒ на телескопах без часово-приводной монтировки не придется постоянно следить трубой за перемещающимися объектами. Небольшое поле подходит для изучения планет. Стоит учитывать при выборе т.н. истинное поле, т.е. общее поле телескопной конструкции.
Вынос выходного зрачка ‒ величина расстояний от глазной линзы до места на оптических осях, из которого глаз сможет видеть поле целиком. Может варьироваться в пределах 2-5‒40 мм. От него зависит, насколько удобно будет работать с телескопом: маленький вынос заставляет прижимать глаз к линзе и может причинить неудобства (зимой возникает риск обморозить роговицу), а слишком большой ‒ затрудняет поиск четкого изображения. Специалисты считают, что наиболее комфортное значение ‒ до 25 мм. Выбор этого параметра зависит также и от того, носит ли наблюдатель очки: с ними вынос должен быть немного больше (от 20 мм).

Окуляры. Окуляр в световом микроскопе увеличивает первичное (промежуточное) изображение, сформированное объективом. Окуляр может также рассматриваться как элемент внешней стороны макро (оборачивающей) системы линз, создаваемой окуляром плюс преломляющие элементы глаза наблюдателя, видео- или фотографической камеры.

Промежуточная плоскость изображения (которая лежит между линзами в окулярах многих типов или предшествует линзовым элементам в окулярах типа Рамсдена), или его сопряженная плоскость используется для размещения полевых ограничителей, ирисовых диафрагм, сеток, микрометрических шкал, компаратора светоделителя и т.п., которые нужны для появления этих элементов в той же фокальной плоскости, что и препарат.

Диск Рамсдена, выходной зрачок объектива, изображаемый окуляром, обычно располагается на коротком расстоянии над окуляром. Так как диск Рамсдена должен лежать в плоскости зрачка наблюдателя, предусматриваются специальные окуляры с большим выносом зрачка для удобства наблюдателя, носящего очки (особенно при астигматизме). Окуляры с большим выносом зрачка также используются для включения устройств для отклонения луча (такие как сканирующие зеркала в лазерных сканирующих конфокальных микроскопах) или устройств с преобразованием апертуры (например, апертура окклюдеров для стерео наблюдений через один объектив бинокулярного микроскопа).

Увеличение окуляров определяется как 25 см, деленное на фокусное расстояние окуляра. На окуляре указываются увеличение и размер поля (например, 1 Ох/20, означает 10 -увеличение или 25 см - фокусное расстояние с полем зрения 20 мм), вместе с именем изготовителя и специальными атрибутами, как например, без хроматической аберрации (СР), широкое поле (\У, \УР, Е\УР), план (Р, РЬ), компенсационный (СОМР, С, К), с большим выносом зрачка (Н, изображены очки), с перекрестием и заглушкой ориентации для кристаллографии (pol), проекция (pro), фотографирование (photo), видео (TV) и т.п. Также, специальные окуляры обеспечивают большую плоскость поля зрения (обозначены как "широкопольный", "экстра широкопольный", "план", "периплан", "гиперплан" и т.п., некоторые с размерами поля, колеблющимися до 28 мм).

По аналогии с объективами микроскопа, некоторые конструкции приняты стандартными и некоторые стандартные обозначения используются для указания исполнения или функции окуляров. Два физических параметра окуляров, тем не менее, стали более или менее стандартизованными. Внешний диаметр окуляра стал равен или 23.2мм или 30.0 мм, и справочное расстояние, или высота окуляра (то есть, расположение промежуточной плоскости изображения от опорной плоскости окуляра) сейчас в основном это расстояние 10 мм.

В прошлом, окуляры с широкими диапазонами возрастающего увеличения были предназначены регулировать общее увеличение изображения микроскопа, но эта практика теперь заменена использованием нескольких, более откорректированных окуляров в соединении с устройством, изменяющим увеличение в тубусе корпуса микроскопа, или окуляром плавного изменения увеличения проекции масштаба.

Факторы, влияющие на выбор фокусного расстояния окуляра и его увеличения, включающие оптимизацию общего увеличения микроскопа и способности разрешения изображения, подбирают характеристиками МПФ (модуляционной передаточной функции) детектора и регулировкой доступного охвата поля. В флуоресцентной микроскопии по видео, Б1С (дифференциально-интерференционный контраст), поляризации, темному полю и т.п., общее увеличение часто должно расти за предельным классическим "пустым увеличением", чтобы наблюдать моментальные объекты, диаметры которых расположены ниже предела разрешающей способности микроскопа. Тем не менее, в зависимости от характеристик МПФ, чувствительности и всех доступных пикселей в датчике, могут возникнуть конфликты между потребностью в большом увеличении, яркости изображения, и охвате поля. Чтобы оптимизировать общее увеличение изображения, может быть нужно убрать подгонку увеличения окуляра, и дополнительно выбрать объектив с соответствующим увеличением и соотношением числовой апертуры к увеличению. Окуляры изменения масштаба изображения особенно пригодны для тонкой регулировки увеличения, чтобы оптимизировать отношение сигнал/шум и время интеграции изображения в видео микроскопии. Для изображений с очень низким уровнем света, например, в фотонном изображении, увеличение окуляра менее, чем 1, возможно нужно для того, чтобы достаточно высоко поднять коэффициент сигнал/шум, при этом пожертвовав пространственным разрешением.

Дополнительно к урегулированию увеличения изображения и размещению выходного зрачка микроскопа в удобной позиции, окуляр компенсирует аберрации, которые не скорректированы должным образом в объективе и тубусной линзе. Окуляры Гюйгенса в комбинации с маломощными ахроматическими объективами и компенсационные окуляры в сочетании с высокоапертурными ахроматическими и апохроматическими объективами, корректируют поперечную хроматическую аберрацию. Некоторые высокоапертурные ахроматические объективы умышленно проектируются так, чтобы обеспечить остаточные аберрации (включая кривизну поля), которые подобны тем аберрациям в апохроматам, потому что некоторые компенсационные окуляры применяются, чтобы компенсировать аберрации в объективах обоих типов.

Определенные классы современных объективов достаточно хорошо корректируются, чтобы требовать минимальной компенсационной коррекции окуляров. Например, объективы Nikon CF и современные объективы Zeiss Jena разработаны таким образом, чтобы обеспечивать соответствующее хорошо корригированное промежуточное изображение, потому что окуляры сами по себе также свободны от поперечного и продольного хроматизма и некоторых сферических аберраций. Пренебрегая степенью коррекции в окулярах, современные микроскопы обеспечивают изображение с цветовой коррекцией, полем зрения и плоскостностью поля значительно лучше более ранних моделей.

Следует признать, что описание современных принципов построения микроскопов является Ноу-хау и не является предметом широкого обсуждения. Только специалисты могут судить о тех или иных конструктивных особенностях микроскопов конкурирующих между собой фирм-производителей данного виде техники. Основная задача инженеров при поиске новых подходов в реализации основного концептуального принципа- это прогнозируемость результата и удобство прибора при использовании его потребителем.

В этой связи необходимо отметить наличие в данной статье устаревших технических данных по микроскопам различных фирм, а также очевидную неконкретность в описании некоторых конструктивных решений. Авторы статьи пошли по пути простого описания схемных решений современных микроскопов различных производителей, без попытки анализа и комментариев их оптимальности.

Поверхностный подход к изложению материала, связанного с теоретическими и практическими изысканиями в построении схемных решений, например, микрообъективов, обусловливает наличие неправильного трактования и просто ошибок.

Некоторые материалы иллюстрируют подход 10 летней давности.

Вместе с тем, нами не обнаружено других источников, где в популярной и доступной форме изложено главное: как строится оптическая система современного микроскопа широкого назначения

Оптика микроскопа (оптическая часть)

Оптические узлы и принадлежности обеспечивают основную функцию микроскопа -- создание увеличенного изображения объекта с достаточной степенью достоверности по форме, соотношению размеров составляющих элементов и цвету. Кроме этого, оптика должна обеспечивать такое качество изображения, которое отвечает целям исследования и требованиям методик проводимого анализа.

Основными оптическими элементами микроскопа являются оптические элементы, образующие осветительную (в том числе, конденсор), наблюдательную (окуляры ) и воспроизводящую (в том числе объективы) системы микроскопа.

Объективы микроскопа

Представляют собой оптические системы, предназначенные для построения микроскопического изображения в плоскости изображения с соответствующим увеличением, разрешением элементов, точностью воспроизведения по форме и цвету объекта исследования. Они имеют сложную оптико-механическую конструкцию, которая включает несколько одиночных линз и компонентов, склеенных из 2-х или 3-х линз. Количество линз обусловлено кругом решаемых объективом задач. Чем выше качество изображения, даваемое объективом, тем сложнее его оптическая схема. Общее число линз в сложном объективе может доходить до 14 (например, это может относиться к планапохроматическому объективу с увеличением 100х и числовой апертурой 1,40).

Объектив состоит из фронтальной и последующей частей. Фронтальная линза (или система линз) обращена к препарату и является основной при построении изображения соответствующего качества, определяет рабочее расстояние и числовую апертуру объектива. Последующая часть в сочетании с фронтальной обеспечивает требуемое увеличение, фокусное расстояние и качество изображения, а также определяет высоту объектива и длину тубуса микроскопа.

Классификация объективов

Классификация объективов значительно сложнее классификации микроскопов. Объективы разделяются по принципу расчетного качества изображения, параметрическим и конструктивно-технологическим признакам, а также по методам исследования и контрастирования.

По принципу расчетного качества изображения объективы могут быть:

ахроматическими;

апохроматическими;

объективами плоского поля (план).

Ахроматические объективы .

Ахроматические объективы рассчитаны для применения в спектральном диапазоне 486--656 нм. Исправление любой аберрации (ахроматизация) выполнено для двух длин волн. В этих объективах устранены сферическая аберрация, хроматическая аберрация положения, кома, астигматизм и частично -- сферохроматическая аберрация. Изображение объекта имеет несколько синевато-красноватый оттенок.

Апохроматические объективы .

Апохроматические объективы имеют расширенную спектральную область, и ахроматизация выполняется для трех длин волн. При этом, кроме хроматизма положения, сферической аберрации, комы и астигматизма, достаточно хорошо исправляются также вторичный спектр и сферохроматическая аберрация, благодаря введению в схему линз из кристаллов и специальных стекол. По сравнению с ахроматами, эти объективы обычно имеют повышенные числовые апертуры, дают четкое изображение и точно передают цвет объекта.

Полуапохроматы или микрофлюары .

Современные объективы, обладающие промежуточным качеством изображения.

Планобъективы . В планобъективах исправлена кривизна изображения по полю, что обеспечивает резкое изображение объекта по всему полю наблюдения. Планобъективы обычно применяются при фотографировании, причем наиболее эффективно применение планапохроматов.

Потребность в подобного типа объективах возрастает, однако они достаточно дороги из-за оптической схемы, реализующей плоское поле изображения, и применяемых оптических сред. Поэтому рутинные и рабочие микроскопы комплектуются так называемыми экономичными объективами. К ним относятся объективы с улучшенным качеством изображения по полю: ахростигматы (фирма LEICA), СР-ахроматы и ахропланы (фирма CARL ZEISS), стигмахроматы (фирма ЛОМО).

По параметрическим признакам объективы делятся следующим образом:

объективы с конечной длиной тубуса (например, 160 мм) и объективы, скорректированные на длину тубуса «бесконечность» (например, с дополнительной тубусной системой, имеющей фокусное расстояние 160 мм);

объективы малых (до 10х); средних (до 50х) и больших (более 50х) увеличений, а также объективы со сверхбольшим увеличением (свыше 100 х);

объективы малых (до 0,25), средних (до 0,65) и больших (более 0,65) числовых апертур, а также объективы с увеличенными (по сравнению с обычными) числовыми апертурами (например, объективы апохроматической коррекции, а также специальные объективы для люминесцентных микроскопов);

объективы с увеличенными (по сравнению с обычными) рабочими расстояниями, а также с большими и сверхбольшими рабочими расстояниями (объективы для работы в инвертированных микроскопах). Рабочее расстояние -- это свободное расстояние между объектом (плоскостью покровного стекла) и нижним краем оправы (линзы, если она выступает) фронтального компонента объектива;

объективы, обеспечивающие наблюдение в пределах нормального линейного поля (до 18 мм); широкопольные объективы (до 22,5 мм); сверхширокопольные объективы (более 22,5 мм);

объективы стандартные (45 мм, 33 мм) и нестандартные по высоте. Высота -- расстояние от опорной плоскости объектива (плоскости соприкосновения ввинченного объектива с револьверным устройством) до плоскости предмета при сфокусированном микроскопе, является постоянной величиной и обеспечивает парфокальность комплекта аналогичных по высоте объективов разного увеличения, установленных в револьверном устройстве. Иными словами, если с помощью объектива одного увеличения получить резкое изображение объекта, то при переходе к последующим увеличениям изображение объекта остается резким в пределах глубины резкости объектива.

По конструктивно-технологическим признакам существует следующее разделение:

объективы, имеющие пружинящую оправу (начиная с числовой апертуры 0,50), и без нее;

объективы, имеющие ирисовую диафрагму внутри для изменения числовой апертуры (например, в объективах с увеличенной числовой апертурой, в объективах проходящего света для реализации метода темного поля, в поляризационных объективах отраженного света);

объективы с корректирующей (управляющей) оправой, которая обеспечивает движение оптических элементов внутри объектива (например, для корректировки качества изображения объектива при работе с различной толщиной покровного стекла или с различными иммерсионными жидкостями; а также для изменения увеличения при плавной -- панкратической -- смене увеличения) и без нее.

По обеспечению методов исследования и контрастирования объективы можно разделить следующим образом:

объективы, работающие с покровным и без покровного стекла;

объективы проходящего и отраженного света (безрефлексные); люминесцентные объективы (с минимумом собственной люминесценции); поляризационные объективы (без натяжения стекла в оптических элементах, т. е. не вносящие собственную деполяризацию); фазовые объективы (имеющие фазовый элемент -- полупрозрачное кольцо внутри объектива); объективы ДИК (DIC), работающие по методу дифференциально-интерференционного контраста (поляризационные с призменным элементом); эпиобъективы (объективы отраженного света, предназначенные для обеспечения методов светлого и темного поля, имеют в конструкции специально рассчитанные осветительные эпи-зеркала);

иммерсионные и безыммерсионные объективы.

Иммерсия (от лат. immersio -- погружение) -- жидкость, заполняющая пространство между объектом наблюдения и специальным иммерсионным объективом (конденсором и предметным стеклом). В основном применяются три типа иммерсионных жидкостей: масляная иммерсия (МИ/Oil), водная иммерсия (ВИ/W) и глицериновая иммерсия (ГИ/Glyc), причем последняя в основном применяется в ультрафиолетовой микроскопии. Иммерсия применяется в тех случаях, когда требуется повысить разрешающую способность микроскопа или ее применения требует технологический процесс микроскопирования. При этом происходит: 1. повышение видимости за счет увеличения разности показателя преломления среды и объекта;

2. увеличение глубины просматриваемого слоя, который зависит от показателя преломления среды.

Кроме того, иммерсионная жидкость может уменьшать количество рассеянного света за счет исчезновения бликов от объекта. При этом устраняются неизбежные потери света при его попадании в объектив.

Иммерсионные объективы. Качество изображения, параметры и оптическая конструкция иммерсионных объективов рассчитываются и выбираются с учетом толщины слоя иммерсии, которая рассматривается как дополнительная линза с соответствующим показателем преломления. Иммерсионная жидкость, расположенная между объектом и фронтальным компонентом объектива, увеличивает угол, под которым рассматривается объект (апертурный угол). Числовая апертура безыммерсионного (сухого) объектива не превышает 1,0 (разрешающая способность порядка 0,3 мкм для основной длины волны); иммерсионного -- доходит до 1,40 в зависимости от показателя преломления иммерсии и технологических возможностей изготовления фронтальной линзы (разрешающая способность такого объектива порядка 0,12 мкм).

Иммерсионные объективы больших увеличений имеют короткое фокусное расстояние -- 1,5--2,5 мм при свободном рабочем расстоянии 0,1--0,3 мм (расстояние от плоскости препарата до оправы фронтальной линзы объектива).

Окуляры

Оптические системы, предназначенные для 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, в которой объектив строит изображение рассматриваемого объекта.

Окуляры классифицируются по тем же группам признаков, что и объективы: 1. окуляры компенсационного (К -- компенсируют хроматическую разность увеличения объективов свыше 0,8%) и безкомпенсационного действия; 2. окуляры обычные и плоского поля; 3. окуляры широкоугольные (с окулярным числом -- произведение увеличения окуляра на его линейное поле -- более 180); сверхширокоугольные (с окулярным числом более 225); 4. окуляры с вынесенным зрачком для работы в очках и без; 5. окуляры для наблюдения, проекционные, фотоокуляры, гамалы; 6. окуляры с внутренней наводкой (с помощью подвижного элемента внутри окуляра происходит настройка на резкое изображение сетки или плоскость изображения микроскопа; а также плавное, панкратическое изменение увеличения окуляра) и без нее.