Микрообъектив — Введение

Объектив микроскопа, так же называемый микрообъективом, – наиболее важный компонент оптической системы любого микроскопа. Его стоимость может достигать 50% стоимости всего микроскопа, в случае специфических узкопрофильных или универсальных микрообъективов с широким набором функций и опций, его стоимость может даже превышать стоимость всего микроскопа. Вот почему расчет оптической схемы микрообъектива – задача, требующая всесторонней оценки и комплексного подхода не только со стороны инженеров, но и со стороны заказчика. С этого поста нам хотелось бы начать небольшую серию статей посвященных расчету микрообъектива и особенностям его производства.

Функции, которые выполняет микрообъектив в микроскопе

Качество

Прежде всего, любой объектив любой оптической системы отвечает за первичное формирование изображения. Исходя из этого, можно сделать справедливый вывод, что искажения, вносимые несовершенным объективом, существенно снижают качество передачи информации (изображения). Таким образом, выходит, что микрообъектив определяет максимально достижимое качество изображения объекта, исследуемого с помощью микроскопа.

Разрешение или разрешающая способность

Разрешающая способность в оптике — способность оптической системы различать мелкие детали в изображении объекта. Чем выше разрешающая способность оптической системы, тем более мелкие детали можно рассмотреть на изображении. В микроскопах ключевую роль в определении максимальной разрешающей способности играет микрообъектив.  Именно его оптические характеристики служат переменными при расчете максимально достижимого разрешения. Более подробно этот вопрос можно рассмотреть в другой статье.

Увеличение

Отношение размера изображения к размеру изображаемого объекта называют увеличением. В оптической системе микроскопа увеличение определяется фокусами отдельных участвующих в построении изображения оптических узлов. И первым из этих узлов является микрообъектив. Поэтому мы можем приписать ему еще одну функцию — определение увеличения. Причем, для смены увеличения микроскопа меняют не что иное, как микрообъектив, т.е. и в этом случае он играет ключевую роль.

Как вы заметили, микрообъектив наиболее «ответственная» деталь микроскопа. Требования, предъявляемые к его расчету и изготовлению, очень высоки. Именно поэтому этот сравнительно небольшой оптический узел является наиболее сложным для проектирования и сборки. Это первый компонент, с которым взаимодействует свет при распространении от исследуемого под микроскопом образца к плоскости изображений.

Микрообъектив – Современные материалы и технологии

Современные микрообъективы, состоят из набора стеклянных линзовых элементов и обладают высоким качеством исполнения. В большинстве случаев, степень коррекции оптических искажений (аберраций) определяет его пригодность для определенных задач, а так же стоимость. Технологический уровень конструирования, а так же качество и спектр, используемых при производстве микрообъективов материалов значительно улучшились за последние сто лет. Это позволяет приблизить качество изготовленных микрообъективов к расчетному, а так же снизить общую стоимость производства.

В наше время для расчета и проектирования оптических систем используются различные компьютерные системы автоматизированного проектирования, что позволяет существенно сократить сроки проведения работы и повысить точность конечного результата. Возможности компьютерного моделирования позволяют оценить влияние допусков на работу оптической системы и минимизировать их влияние.

Спектр современных оптических материалов используемых в оптическом приборостроении растет. Оптические стекла, применяемые при изготовлении микрообъективов, производятся с добавлением редкоземельных элементов и обладают высокой степенью однородности и оптического качества.

Передовые технологии позволяют изготовителям создавать микроообъективы с мизерным отклонением от заданных характеристик. Современные объективы микроскопа исправлены относительно большинства оптических искажений, таких как кома, астигматизм, геометрическая дисторсия, кривизна поля, сферическая и хроматическая аберрации. Существенное повышение коэффициента пропускания отдельных линз, а соответственно и самого микрообъектива, позволило практически избавиться от фоновой засветки ухудшающей качество изображения. Ее отсутствие привело к увеличению относительной освещенности (контраста) и резкости изображения.

Об исправлении искажений оптической системы с несовершенным объективом

Вообще говоря, многие оптические искажения (аберрации), вносимые в систему несовершенным объективом, могут быть скорректированы путем перерасчета  оптической системы, расположенной за ним. Но в результате мы получим два нежелательных, эффекта:

1. Сложность оптической системы может существенно возрасти, что скажется на времени проектирования оптической системы и цене изготовления;
2. Полученная оптическая система потеряет свою универсальность и будет полноценно работать только с объективом, изъяны которого она устраняет.

Иногда случается, что такой шаг необходим и вполне обоснован как с финансовой точки зрения, так и с точки зрения функциональности оптической системы. Хотя, при работе с микрообъективами такое случается крайне редко.