Обзор объектива малого увеличения 2/0.05 160/- (no-name, Китай). Проблематика построения объективов малого увеличения для микроскопов

Материал по объективу специально для Радоживы подготовил Родион Эшмаков.

Объективы для микроскопов с увеличением меньшим, чем 4x – редкость. Как правило, такая оптика не входит в штатную комплектацию микроскопов и может быть приобретена отдельно. Вместе с тем, существует масса макрообъективов и приспособлений для фотокамер, позволяющих достигать тот же масштаб изображения, что порождает ряд вопросов: в чем разница между 2x фотообъективом и 2x объективом микроскопа, как и какие неспециализированные фотообъективы можно использовать для получения масштаба изображения 2:1, а также – почему так сложно сделать качественный 2x объектив для микроскопа.

В этой статье представлен ультрадоступный (10-15$) 2x объектив для микроскопов стандарта RMS с длиной тубуса 160 мм, выполнен анализ оптической конструкции микрообъектива и проведено сравнение качества изображения с обычной фотооптикой. Некоторые базовые сведения, касающиеся применения микроскопной оптики на фотокамерах, приведены здесь.

Технические характеристики

Оптическая схема – 4 линзы в 3 группах, телеобъектив Бертеле;

Тип коррекции – ахромат;
Тубусное расстояние – 160 мм;
Кратность увеличения – 2x;
Числовая апертура – 0.05;
Фокусное расстояние – ~40 мм;
Относительное отверстие – ~F/8;
Рабочее расстояние – 35 мм;
Толщина покровного стекла – 0 мм, использование стекла опционально;
Требуется иммерсия – нет;
Тип крепления – стандарт RMS (резьба 4/5” x 1/36”);
Особенности – микроскопный объектив, не имеет ирисовой диафрагмы и фокусировочного механизма.

Конструкция

Корпус 2/0.05 объектива выполнен полностью из алюминия. У объектива нет никаких внешних съемных частей – конструкция монолитная. Объектив имеет насыпную конструкцию без использования автоколлимационной сборки – линзы посажены в корпус без предварительной посадки в специальные оправы. Разборка осуществляется путем выкручивания заднего кольца с шлицами. Фронтальная линза глубоко утоплена в корпусе, который создает некое подобие бленды, но чернения никакого у этого углубления нет. Чернение ответствует и на торцах линз, нет матирования на межлинзовых кольцах. Для того, чтобы объектив формировал контрастное изображение, указанные недостатки нужно устранить при разборке объектива.

Оптика 2/0.05 объектива имеет просветление фиолетовых оттенков, скорее всего однослойное. Коротковолновая граница светопропускания находится при ~365 нм. Покрытие не вносит заметного глазом цветового искажения.

Оптическая схема объектива аналогична телеобъективу Людвига Бертеле (патент US 2762262 1954 г.). По данным рентгенофлуоресцентного анализа (Bruker M1 Mistral) и передняя, и задняя линзы объектива изготовлены из стекла типа тяжелого крона. Отрицательная линза в склейке – ниобиевый (бессвинцовый) флинт. Выбор данных типов оптических материалов в целом согласуется с приведенной в патенте Бертеле оптической схемой. Нельзя сказать, что этот оптический расчёт ушел дальше в сторону более современных и интересных по параметрам марок стекол.

 

Объектив имеет очень небольшие габариты и большое рабочее расстояние 35 мм. Важно, что он полностью совместим с обычными микроскопами с парфокальным расстоянием оптики 45 мм, поскольку оригинальный объектив Бертеле в это ограничение совсем не вписывается.

Далее приведены фотографии внешнего вида объектива 2/0.05.

Как можно заметить, объектив сам по себе очень мал по размерам, выглядит просто и бюджетно.

Качество изображения

Картинка, формируемая объективом в центральной области кадра, скорее резкая, но все же есть очень заметные сферохроматические аберрации. Поле объектива близко к плоскому, но уровень астигматизма велик, из-за чего и при перефокусировке идеальную резкость на краю поля не получить. По сравнению с объективом Plan 4×0.1 картинка с 2×0.05 кажется более мягкой.

Объектив позволяет делать фотографии довольно крупных по меркам микроскопии предметов. Некоторые объекты хорошо вписываются в его поле целиком – механизм часов, например, или небольшие ювелирные изделия. Минусом является то, что большинство конденсоров проходящего света микроскопов имеют гораздо меньшее поле, потому объектив удобно применять лишь в отраженном свете. По сравнению с 4×0.1 обзорными объективами этот обладает и заметно большей глубиной резкости, позволяя снимать даже без применения стекинга. При использовании адаптеров типа M42-RMS объектив можно установить на фотокамеру и без микроскопа для обычной макросъемки. В силу довольно большого рабочего расстояния и малых габаритов этот простой и дешевый объектив может подойти для комплектования микроскопов для выполнения тонких работ (важно: «настоящие» инструментальные микроскопы – стереоскопические, с еще большим рабочим расстоянием >80 мм) или для аппаратуры визуального контроля.

Далее приведены примеры фотографий на объектив 2×0.05 и полнокадровую беззеркальную камеру Sony A7s, установленные на модифицированный микроскоп НПЗ М10 при тубусном расстоянии ~160-190 мм.

Список объектов на фото: 1 – кристаллы элементарной серы, 2 – механизм кварцевых часов, 3-5 – ограненные синтетические монокристаллы карбида кремния, 6 – ограненный кристалл YAG:Nd:Ce на двух стержнях гранатов YAG:Nd, YAG:Nd:Ce; 7-8 ограненный кристалл YAG:Nd:Ce в обычном и УФ освещении; 9-10 – ограненные гидротермальные изумруды, 11 – ограненный опал, 12 – объект-микрометр ЛОМО ОМО-У4.2.

Следующие снимки сделаны уже с применением стекинга.

Список объектов на фото: 1 – кристаллы элементарной серы, 2-4 – ограненные синтетические монокристаллы карбида кремния, 5-7 – ограненные гидротермальные изумруды, 8 – ограненный кристалл YAG:Nd:Ce на двух стержнях гранатов YAG:Nd, YAG:Nd:Ce, 9 – ограненный опал, 10 – кристаллы гидрата трисоксалатоферрата калия.

Макро 2:1 – микроскоп против фотооптики. Почему так сложно сделать хороший 2x микроскопный объектив?

Как уже ранее было замечено, масштаб 2:1 – типичное рабочее увеличение специализированных макрообъективов. Очень часто можно встретить приличные примеры фотографий при таком масштабе, снятые обычными объективами с макрокольцами или насадочными линзами. Чтобы понять, зачем вообще нужна разработка специальных объективов для макросъемки и микрообъективов, рассмотрим, как себя ведет обычный фотообъектив при съемке с масштабом 2:1. Для этого проведем моделирование оптической схемы простого и понятного объектива типа Зенитар 50/2, схема которого опубликована в патенте RU2290675C1 от 2005 г.

Требуемый масштаб изображения достигается при дистанции 230 мм (от объекта до матрицы). Выставим числовую апертуру 0.05 (~F/8) и рассмотрим графики продольной аберрации, кривизны поля, частотно-контрастной характеристики и диаграмму аберрационных пятен.

Уже по диаграмме пятен можно заметить, как быстро при удалении от оптической оси падает оптическое качество объектива из-за влияния кривизны поля и астигматизма. В этом отношении он оказывается ничем не лучше простейшего объектива-дублета. В центре притом достигается разрешение 50 лин/мм.

На F/8 этот объектив при фокусировке на бесконечность не имеет никаких проблем с качеством изображения. Наблюдаемые ухудшения связаны с тем, что, в сущности, объектив работает неправильно: он рассчитан так, чтобы формируемое изображение было близко к задней линзе, а объект – максимально удален от передней. В данном случае всё наоборот: объект к передней линзе ближе, чем формируемое изображение к задней. Следовательно, чтобы несколько поменять ситуацию к лучшему, объектив требуется развернуть задом наперед. Для этого существуют специальные реверсивные адаптеры, и сейчас можно будет наглядно увидеть, зачем их применять.

Ниже приведены результаты моделирования того же объектива при тех же условиях, но уже в перевернутом виде.

Нетрудно заметить, что кривизна поля и астигматизм в этом случае значительно ниже, за счет чего качество изображения по полю сильно выросло, хотя все еще далеко от идеала: объектив и на съемку в масштабе 1:2 тоже не рассчитан.

Чтобы решить и эту проблему, достаточно выбрать в качестве перевертыша репродукционный объектив – например, Вегу-11У. Этот объектив обеспечивает наилучшее качество изображения при масштабе ~1:4-1:2, в перевернутом виде, следовательно – 2:1-4:1.

Действительно: Вега-11У способна при диафрагме ~F/8 в перевернутом виде обеспечивать хорошее качество как в центральной области изображения, так и по краю поля. Вот только получается, что такой объектив совсем не подойдет для применения в микроскопе из-за несоответствия парфокального и тубусного расстояний стандартам. Парфокальное расстояние такого объектива вдвое больше, чем требуется (стандарт 45 мм), а тубусное притом на 20% меньше нужного (объектив потребуется «утопить» вглубь микроскопа). Чтобы увеличить тубусное расстояние и уменьшить парфокальное, требуется применение схемы перевернутого телеобъектива – ретрофокусной оптической схемы.

Можно попробовать в качестве такого объектива перевернутый телеобъектив Бертеле (патент US 2762262 1954 г.). Он, конечно, не рассчитан на использование в таком масштабе, но моделирование позволит увидеть его соответствие требованиям к микроскопной оптике.

При тубусном расстоянии 160 мм этот объектив имеет парфокальное расстояние 61 мм, что уже намного лучше, чем 90 и подходит для некоторых микроскопических систем (Nikon, например). Но объектив все еще не подходит для большинства обычных микроскопов. Кроме того, можно заметить, насколько хуже качество этого телеобъектива в сравнении с близкой по сложности схемы Вегой: телеукорочение системы всегда является компромиссом в качестве изображения.

Мне было интересно, насколько сложной является задача расчета 2x объектива микроскопа с парфокальным расстоянием 45 мм, который мог бы обеспечивать хорошее качество по полю кадра 36×24 мм и разрешение ~50 лин/мм. За основу была взята схема телеобъектива Бертеле, в расчете применены современные оптические материалы каталога CDGM.

Итогом расчёта стал шестилинзовый план-апохромат (400-700 нм), полностью отвечающий требованиям стандарта RMS с парфокальным расстоянием 45 мм и тубусным 160 мм. Объектив имеет большое рабочее расстояние и компактную оптическую схему.

Как оказалось, при фокусировке такого объектива на бесконечность рабочий отрезок составляет 220% от фокусного расстояния – примерно такое же соотношение достигается в сложных широкоугольных объективах типа 20/3.5 для зеркальных камер. Расчет микроскопных объективов малого увеличения – сравнимая по сложности задача. Именно потому для улучшения качества объектива Бертеле при уменьшении габаритов потребовалось увеличение числа линз и применение самых современных оптических материалов, прежде всего – сверхтяжелых флинтов с показателем преломления вплоть до 1.95.

Рассмотренный в данной статье китайский 2×0.05 объектив не использует сложную оптическую схему и/или передовые материалы, а потому имеет очень умеренную разрешающую способность на оси и низкое качество изображения по полю –примерно вдвое меньшему, чем кадр 36×24.

 

Все обзоры объективов микроскопов стандарта RMS с тубусным расстоянием 160 мм:

Современная оптика китайских производителей:

• Обзор объектива малого увеличения 2/0.05 160/- (no-name, Китай). Проблематика построения объективов малого увеличения для микроскопов
• 4x0.1 160/0.17 ахромат (Китай, no-name)
• Микроскопная оптика на фотокамере. Обзор микроскопного объектива Plan 4x0.1 160/0.17 (Китай, no-name)
• 10x0.25 160/0.17 ахромат (Китай, no-name) - модификация и тест
• Обзор микроскопного объектива-планахромата Plan 20x0.4 160/0.17 (no-name, Китай)

Обзоры советских объективов для микроскопов:

• ЛОМО Эпи 9x0.2 (адаптированный)
• ЛОМО 10x0.4 Л (ОМ-33Л) - модификация и тест
• Обзор микроскопного объектива-ахромата ЛОМО 21×0.4 190-П (ОМ-8П)

Выводы

Простой микроскопный объектив 2/0.05 160/- является рабочим и практически единственно доступным решением для тех, кто хотел бы получить большое рабочее поле на обычном биологическом микроскопе. Объектив также пригоден для макросъемки, но если совместимость с микроскопом не требуется, то лучше приобрести реверсивный адаптер с набором макроколец или специализированный макрообъектив.