Микроскопная оптика на фотокамере. Обзор микроскопного объектива Plan 4x0.1 160/0.17 (Китай, no-name)

Материал по объективу специально для Радоживы подготовил Родион Эшмаков.

Объектив Plan 4×0.1 160/0.17 – современный ультрабюджетный (~10$) объектив малого увеличения (обзорный) для простейших биологических микроскопов стандарта RMS (Royal Microscopical Society), выполненных по классической схеме начала XX века (с «конечным» тубусом 160 мм). Объективы такого типа можно использовать в качестве макрообъективов фиксированного масштаба с цифровыми камерами в тех случаях, когда обычные фотообъективы с дополнительными приспособлениями не обеспечивают требуемого качества изображения.

Технические характеристики:

Оптическая схема – не приведена производителем; вероятно, основана на «Триплете» Г. Тейлора;
Тип коррекции – план-ахромат;
Тубусное расстояние – 160 мм;
Кратность увеличения – 4x;
Числовая апертура (NA) – 0.1;
Фокусное расстояние (длина тубуса ÷ увеличение) – 40 мм;
Эффективное относительное отверстие (1 ÷ 2 NA) – f/5;
Парфокальное расстояние – 45 мм;
Рабочее расстояние – 29 мм;
Толщина покровного стекла – 0.17 мм;
Требуется иммерсия – нет;
Тип крепления – стандарт RMS (резьба 4/5” x 1/36”);
Особенности – микроскопный объектив, не имеет ирисовой диафрагмы и фокусировочного механизма.

Об устройстве классического микроскопа

С совершенствования микроскопных объективов, можно сказать, началась история современной оптики: работа Эрнста Аббе, одного из отцов-основателей оптики как науки, была нацелена первоначально именно на создание качественных микроскопов для компании Карла Цейсса, равно как и достижения химика-технолога Отто Шотта, давшего начало современному стекловарению и оптическому материаловедению.

Микроскопы с конечным тубусным расстоянием получили распространение с конца XIX столетия и были вытеснены системами с «бесконечным» тубусом во второй половине XX века лишь в тех областях, где требуется модульность оптической системы для использования с различными приставками: поляризационными, люминесцентными и прочими. Сегодня такие микроскопы, будучи очень простыми в изготовлении, применяются в основном как учебные или детские, хотя в середине XX века существовали и сложные исследовательские микроскопы, построенные по схеме с конечным тубусом. Объектив микроскопа такого типа формирует изображение объекта на конечной дистанции без помощи каких-либо дополнительных оптических элементов (тубусной линзы – в микроскопах с «бесконечным» тубусом). В плоскость изображения может быть помещена матрица фотокамеры (для съемки в прямом фокусе) или окуляр (для визуального наблюдения). Существуют приспособления и для фотографирования через окуляр, в чем есть определенный смысл в ряде случаев, однако в рамках этой статьи такой подход не рассматривается.

Расстояние от плоскости изображения до объектива определяет увеличение (чем больше расстояние – тем больше увеличение), но для достижения приемлемого уровня качества отклонение этого расстояния от расчетного не должно быть слишком большим (±1-2 см для объективов увеличения <10x). Почему так? Достаточно присмотреться к принципиальной схеме микроскопа. Нетрудно заметить определенное сходство между этой картинкой и, скажем, картинкой с каким-нибудь типичным длиннофокусным объективом, сфокусированным на конечную дистанцию – только вот объект и изображение уже поменяются местами.

Известный факт: обыкновенные фотообъективы корректируют при расчете таким образом, чтобы их качество было наилучшим при фокусировке на бесконечность. Без применения специальных конструкторских приемов качество изображения при фокусировке на малых дистанциях неизбежно падает, то есть на производительность обычного фотообъектива влияет то, при каком масштабе изображения его используют. Точно так же с микрооптикой: следует использовать её при том масштабе, для которого её рассчитывали, то есть при расчётном тубусном расстоянии – дистанции от плоскости изображения до резьбы крепления объектива к микроскопу. Подавляющее большинство объективов с конечным тубусом выполнены под расстояние 160 или 190 мм.

Парфокальное расстояние объектива микроскопа – это расстояние от крепления до объекта. Этот параметр не столько важен для пользователя, сколько для расчётчика: ведь именно парфокальное расстояние определяет, насколько длинной может быть оптическая схема объектива. Ограничения на допустимые габариты оптической схемы существенно влияют на качество изображения самых высокопроизводительных объективов с большим увеличением и большими числовыми апертурами (NA). У простейших микроскопов парфокальное расстояние объективов равно 45 мм, у более сложных систем исследовательского класса – 65 или даже 80 мм.

Значимым является рабочее расстояние объектива – то есть дистанция от передней части корпуса до объекта. Это определяет удобство использования объектива: если рабочее расстояние велико, то проще обеспечить подсветку объекта и меньше шанс испортить переднюю линзу объектива. Наибольшее рабочее расстояние имеют инструментальные, металлографические и некоторые другие специализированные объективы, в то время как биологические обычно, напротив, имеют короткие рабочие расстояния (при увеличении более 10x), поскольку с их помощью рассматривают лишь плоские объекты, причем, как правило, под покровным стеклом, толщина которого также закладывается в расчет объектива, так как покровное стекло влияет на исправление полевых аберраций. Впрочем, для объективов малого увеличения (до 10x) это обычно не так принципиально.

Величина формируемого изображения обычно ограничена диаметром окулярной посадки микроскопа. Для рассматриваемых систем с конечным тубусом это гладкая посадка 23.2 мм, потому при съемке в прямом фокусе через микроскоп может наблюдаться виньетирование даже с матрицами формата APS-C.
Микроскопная оптика классифицируется по типу коррекции хроматических аберраций и кривизны поля. Выделяют ахроматы, полуапохроматы (с применением флюоритоподобных материалов) и апохроматы (исправление хроматизма в широком диапазоне длин волн) – по типу коррекции хроматизма, которые могут быть, в свою очередь, с исправленной кривизной поля – то есть план-объективами.

Объективы для микроскопов вне зависимости от величины тубусного расстояния представляют собой одно-, двух- или трехкомпонентные системы. Первый компонент, который может отсутствовать у объективов малых увеличений, представляет собой мощную собирающую систему, обычно в форме полусферической линзы – одиночной или составной. Этот компонент ничем по смыслу не отличается от спид-бустера в фотообъективах. Второй компонент объектива обеспечивает исправление аберраций, в ряде случаев он является единственным. Очень часто этот компонент может быть выполнен как объектив Петцваля или Рихтера, но применяются также и схемы типа «двойного Гаусса» («Планар»). Третий компонент, обычно присутствующий в план-объективах средних и больших увеличений, является корректором кривизны поля и астигматизма, и его часто выполняют в форме мениска, подобно объективам Максутова или объективам Таир.

Оптические схемы объективов большого увеличения напоминают сверхсветосильные объективы типа Carl Zeiss R-Biotar, Astro Berlin Tachon и прочие – с невероятными значениями апертуры ~F/1.0 и коротким задним отрезком. Объективы малых и средних увеличений в большей степени похожи по схемам на обычную кинопроекционную оптику, например – объектив КО-90 90/1.9 (советские ЛОМО 8×0.2, 9×0.2). Объективы самых малых увеличений (до 4x) могут быть построены как типичные простые стандартные фотообъективы Триплет, Тессар и пр.

Ключевая проблема при поиске микроскопных объективов для съемки в прямом фокусе – принцип взаимной компенсации объектива и окуляра, широко использовавшийся в старых микроскопах с конечным тубусным расстоянием для упрощения конструкции и окуляров, и объективов, особенно большого увеличения. Существует очень небольшой перечень старых объективов, пригодных для использования с фотокамерой в прямом фокусе (то есть без компенсационных оптических систем, специальных окуляров), и, как правило – это объективы с увеличением до 10x. Среди них, например, объективы ЛОМО План 3.5×0.1, ахромат 3.7×0.11, ахромат 8×0.2 (самый распространенный из микроскопных объективов вообще), План 9×0.2. Подавляющее большинство объективов типа Апо, План-Апо, объективов 20x и более рассчитаны на использование с компенсационным окуляром и в прямом фокусе имеют очень высокий уровень сферохроматизма, полевых аберраций и латерального хроматизма. Отсутствие всякой систематизированной информации о конструкции и параметрах микроскопных объективов делает особенно актуальным поиск современных альтернатив старой оптике – ведь новые объективы уже не считают под старые компенсационные системы. Впрочем, не все так просто и с китайской оптикой: в одном корпусе и под одним названием могут быть совершенно разные по уровню качества объективы. Так или иначе, Plan 4×0.1 160/0.17 – это альтернатива старым советским ЛОМО 3.7×0.11 и План 3.5×0.1, которую можно приобрести совершенно новой, а не бывшей в употреблении, причем нередко дешевле.

Конструкция объектива Plan 4×0.1 и адаптация для фотокамер

Объектив выполнен в металлическом корпусе, состоящем из съемной алюминиевой рубашки, выполняющей функцию бленды и формирующей облик объектива, и, собственно, линзоблока из хромированной латуни. Минусом конструкции является то, что внешняя корпусная деталь не имеет никакого чернения, а, как известно, от блестящей бленды пользы мало. Благо, это легко исправить с помощью кисточки и черной краски. Другая проблема – отсутствие фиксации рубашки объектива на корпусе. При выкручивании объектива из микроскопа нередко выкручивается сначала рубашка, затем уже приходиться хватать сам объектив. Важно: объектив существует в двух вариантах внешнего исполнения: с рубашкой из анодированного алюминия (представлен в этой статье) и с рубашкой из хромированной латуни. Оптически это один и тот же объектив. Тоже важно: есть свидетельства о существовании схожих внешне, но отличающихся оптически (в худшую сторону) объективов Plan 4×0.1 160/0.17.

Каждая из оптических поверхностей объектива имеет просветляющее покрытие фиолетового цвета. Не все старые советские объективы имеют просветление, а если имеют – то крайне редко, чтобы и на первой линзе тоже. Чернение пространства внутри линзоблока между линзами довольно посредственное.

По данным рентгенофлуоресцентного анализа, передняя линза объектива выполнена из стекла типа лантановых флинтов (n ~ 1.75-1.8, v ~ 50-45): в спектре детектируются пики лантана, гадолиния, итррия, ниобия, цинка. Цирконий в спектрах – приборный артефакт.

Задняя линза объектива изготовлена из стекла из числа тяжелых кронов (n ~ 1.59-1.64, v ~ 61 – 57), о чем свидетельствуют пики бария, стронция и цинка.

Вероятно, если бы я разобрал объектив, то его средняя линза или группа линз содержала тяжелый флинт, поскольку в схеме должна оказаться хотя бы одна линза с высокой дисперсией.

Как можно заметить, дешевый объектив 4×0.1 сделан с применением довольно современных материалов, из которых, например, лантановые флинты не были доступны в СССР. Иными словами, этот объектив сделан на более высоком технологическом уровне, чем советские аналоги.

Внешний вид Plan 4×0.1 160/0.17 показан на фото ниже. Объектив по своим габаритам очень компактный, намного меньше любого фотографического.

Для использования объектива с современными камерами можно либо приобрести переходник типа RMS – M42 с набором макроколец для достижения нужной длины тубуса, либо, что удобнее, переделать какой-нибудь недорогой микроскоп под фотосъемку. Так, мне достался невостребованный в лаборатории микроскоп НПЗ М10 1940—1950-х годов выпуска, в котором штатная окулярная посадка с выдвижным тубусом была заменена мною на неподвижный узел, позволяющий использовать микроскоп как для визуальных наблюдений через широкопольные окуляры от стереомикроскопов МБС (посадка 32 мм) и телескопов (посадка 1.25”), так и для фотографирования в прямом фокусе. Таким же образом я переделывал и советский Биолам С11 для использования в учебном практикуме.

При использовании переделанного микроскопа удобным является наличие фокусировочного механизма, столика и осветителя проходящего света. К слову, свет для микрофотографии – чуть ли не самое главное. Я использовал мощный светодиодный двухточечный осветитель типа такого для обеспечения освещения в отраженном, проходящем или одновременно в отраженном и проходящем свете.

Оптические свойства

Объектив Plan 4×0.1 демонстрирует хорошее качество изображения: в центральной области неплохо исправлены сферические аберрации (правда, за счет взаимной компенсации) и разрешение ограничено разве что хроматизмом; по полю даже за пределами расчетного кривизна и астигматизм невелики, хорошо исправлены и латеральные хроматические аберрации. Очень трудно придраться к качеству объектива стоимостью 10$ в условиях, когда альтернативы даже не всегда лучшего качества стоят дороже.

Объектив неплохо себя показывает и при длине тубуса вплоть до 200 мм – при этом увеличение становится больше, равно как и покрываемый кадр.

Контраст формируемого изображения сильно зависит от качества чернения тубуса. Влияет, конечно же, и чернение бленды объектива. После требуемых доработок Plan 4×0.1 демонстрирует довольно хороший уровень контраста и практически не вуалирует в проходящем свете.

Светопропускание объектива также не вызывает вопросов: просветлящее покрытие (по-видимому, одно- или двухслойное) лишь немного отражает красный и фиолетовый регионы спектра, обеспечивая максимум пропускания в зеленой области. Коротковолновая граница пропускания объектива – 350 нм.

Далее приведены примеры фотографий, сделанных на Plan 4×0.1 160/0.17 с помощью микроскопа М10 и камеры Sony A7s при длине тубусу от 160 до 200 мм. Я использовал объектив для съемки кристаллов соединений, полученных в учебном практикуме студентами 1 курсе Химфака и не только. Для интересующихся – указание веществ: 1) молибдохромат(III) аммония, 2) пьезохромный молибдат кобальта(II), 3) люминесцентный кубановый комплекс Cu4I4(C5H5N)4, 4) сольват ацетилацетоната железа(III) с хлороформом в ампуле, 5) и 6) тригидрат трисоксалатохромата калия, 7) сросток кристаллов ацетилацетоната марганца(III), 8) и 9) ацеталацетонат ванадила, 10) сульфид-дисульфид циркония.

Конечно, глубина резкости даже с таким объективом довольно мала и стекинг в ряде случаев становится хорошим решением. Далее – примеры фото, выполненные с применением стекинга в Photoshop. Указание соединений: 1) молибдохромат(III) аммония, 2) ацетилацетонат хрома(III), 3) сульфат хрома(II)-гидразиния, 4) хлорид комплекса кобальта(II) с тиомочевиной, 5) тетрароданокобальтат калия, 6) и 7) дигидрат бисоксалатокупрата калия, 8) тригидрат трисоксалатоферрата(III) калия, 9) гидрат гексароданоникелата калия, 10) и 11) ацетилацетонат марганца(III), 12) соль Рейнеке, 13) сульфид-дисульфид циркония, 14) роданидное производное кластерного ацетата хрома(II) с тетраэтиламмонием, 15) гексароданохромат калия.

Выводы

Очень-очень дешевый китайский план-ахромат 4×0.1 160/0.17 оказался за свои деньги прекрасным решением для получения микрофотографий небольшого увеличения. Объектив гораздо лучше справляется с задачей, чем обычные фотообъективы с макрокольцами. Большим плюсом также является возможность приобретения этого объектива совершенно новым. Из минусов – существует информация о существовании некачественных «злых двойников» этого объектива, выполненных по другой схеме: важно ориентироваться по положению линз в корпусе ( по длине оптической схемы) при покупке.

Больше обзоров от читателей Радоживы найдете здесь и здесь.