Материал по объективу специально для Радоживы подготовил Родион Эшмаков.
ОИ-10 – конденсор с интересной функциональностью, часть осветительной системы микроскопа.
В световых микроскопах крайне важную роль играют осветительные приспособления: только правильно настроенное освещение позволяет реализовать максимум возможностей объективов (NA>0.3-0.4) и получить качественное изображение. Существует множество разных методов для работы с прозрачными и непрозрачными объектами, известны довольно любопытные и нетривиальные способы формирования изображения, где конечный результат в большей степени определяет именно система освещения, а не объектив.
Главный оптический компонент системы освещения микроскопа – это конденсор, отображающий осветитель или его апертурную диафрагму в плоскость наблюдаемого предмета. Большинство микроскопов оснащены конденсором проходящего света, который реализует освещение по методу светлого поля, когда пучок света проходит из конденсора через предмет в объектив микроскопа. Видимость предмета (уровень общего контраста изображения) при этом зависит от плотности окраски предмета (коэффициент экстинкции) и разницы между показателем преломления предмета и среды, в которой он находится.
В случае, когда объект окрашен слабо и плохо преломляет лучи, наблюдение в светлом поле приносит посредственный результат: предмет может быть малоотличим от яркого фона. Одним из способов создания контраста в таком случае является метод темного поля, который заключается освещении образца таким образом, что проходящие через него пучки света не попадают в объектив, а наблюдатель фиксирует диффузно-рассеянное предметом (но не пустыми полями!) излучение, в результате чего изображение предмета оказывается ярким на темном фоне.
Освещение по методу темного поля реализуемо как в проходящем, так и в отраженном свете. В первом случае для создания темнопольного контраста могут применяться как кольцевые вставки-диафрагмы в обычный конденсор светлого поля, так и специализированные конденсоры самых разных конфигураций. В данном обзоре представлен конденсор ОИ-10 завода «Прогресс» 1950-х годов выпуска, позволяющий работать и в темном, и в светлом поле.
Технические характеристики
Оптическая схема – 1 линза (светлое поле), 2 отражающих поверхности по типу зеркала Манжена (темное поле);
Рисунок оптической схемы конденсора из инструкции.
Числовая апертура – 0.6 (светлое поле), 0.7 (темное поле);
Размер освещаемого предмета – не менее 10 мм (светлое поле), не более 5 мм (темное поле);
Рабочее расстояние – ~10 мм;
Апертурная диафрагма – есть;
Оправа для установки светофильтров – отсутствует;
Требуется иммерсия – нет;
Посадочный диаметр – 37 мм.
Конструкция конденсора
Старый конденсор сделан целиком из металла и стекла. В отличие от обычных конденсоров Аббе проходящего света ОИ-10 имеет двухкомпонентную конструкцию: «голова» конденсора с линзой светлого поля и зеркальными поверхностями вставляется по гладкой посадке в цилиндрической корпус с диафрагмой и перемещаемой рамкой с кольцевой диафрагмой.
Сделан ОИ-10 из двух частей по простой причине: его «голова» по диаметру намного больше стандартного крепления конденсора диаметром 37 мм, а потому при установке ОИ-10 на микроскопы типа МБИ-1 или М10 сначала необходимо снять предметный столик, затем удалить штатный конденсор, установить и зафиксировать на его месте нижнюю часть ОИ-10 с диафрагмой, а затем уже вставить в корпус ОИ-10 его оптическую часть с линзой и отражающими поверхностями, после чего столик можно вернуть на место.
Для наблюдений в светлом поле в конденсоре встроена короткофокусная одиночная линза, завальцованная в оправу. К сожалению, просто так ее заменить нельзя, хотя было бы заманчиво вместо нее установить короткофокусный ахромат или даже недорогую современную асферическую линзу, коих много продают китайцы. Линза ОИ-10 выполнена из свинцового флинта (вероятно, Ф2 или ТФ1), о чем свидетельствуют результаты спектроскопии рентгеновской флуоресценции (Bruker M1 Mistral). По-видимому, стекло этого типа применяли в конденсорах из-за его относительно высокого показателя преломления при низкой стоимости.
Спектр XRF линзы конденсора ОИ-10.
Для наблюдений в светлом поле конденсор имеет ирисовую диафрагму, ограничив которую можно уменьшить число «лишних» лучей света при работе с малоапертурными объективами или же так можно, по сути, задиафрагмировать объективы с большими апертурами.
Переключение между режимами светлого и темного поля осуществляется путем внесения или удаления кольцевой диафрагмы в оправе, смонтированной снизу от апертурной диафрагмы конденсора. А вот оправы для светофильтров ОИ-10 не имеет.
Вообще, ОИ-10 – довольно интересное устройство, обеспечивающее, в отличие от большинства специализированных конденсоров темного поля, и возможность наблюдения в светлом поле с быстрым переключением режимов. Явным недостатком конструкции является неудобство установки конденсора, во время которой нужно снимать столик микроскопа.
Оптические свойства
Числовая апертура линзы светлого поля составляет всего 0.6, что сильно ограничивает выбор объективов, которые можно использовать с ОИ-10. Так, большинство объективов кратностью 40 имеют апертуру не менее 0.65, а оптика с большими увеличениями обладает еще более высокой апертурой. Впрочем, редко дешевые объективы используют при полном относительном отверстии. В целом, ОИ-10 в светлом поле пригоден для работы с объективами от 3 до 40 крат со стандартными апертурами (до NA=0.65).
Зеркальная система ОИ-10 обеспечивает числовую апертуру 0.7. Это означает, что при попытке применения ОИ-10 с объективами с NA>0.7 темное поле реализовано быть не может – пучок света от конденсора будет попадать прямиком в объектив. Следовательно, ОИ-10 в темном поле также пригоден для работы с объективами до 40 крат со стандартной апертурой (до NA=0.65).
Принцип работы конденсора ОИ-10 в режиме освещения по методу темного поля.
Выбор объективов для работы с ОИ-10 в режиме темного поля ограничен не только сверху по диапазоне апертур-увеличений, но и снизу: так, конденсор не обеспечивает освещение по методу темного поля с обзорными объективами малой кратности (2-4x) при размере поля изображения 30 мм. С объективом 6x достигается покрытие предмета, но однородность освещенности оставляет желать лучшего. Таким образом, размер освещаемого по методу темного поля предмета составляет не более 5 мм.
Чтобы наглядно продемонстрировать работу конденсора с разными объективами в разных режимах были сделаны по 3 фотографии (светлое поле, темное поле и отраженный свет при боковом освещении – для сравнения с темным полем) объективами Carl Zeiss Jena Semiplan 3.2/0.10 160/-, Lambda 10×0.25 160/- (Чехия), Carl Zeiss Jena 40/0.65 160/0.17 (DIN). Тестовый объект – образец нанокристаллического пористого диоксида олова. Фотографии сделаны на Sony NEX-6 в прямом фокусе.
Фото с объективом Semiplan 3.2x приведены ниже.
Как можно заметить, ОИ-10 в темном поле не обеспечивает освещенность предмета полностью.
Далее – фото с 10×0.25 объективом.
В этом случае особенно хорошо заметна разница между темным полем и отраженным светом. Наблюдаемый образец обладает опалесценцией, из-за чего в отраженном свете его окраска – голубоватая. Напросвет же, в светлом поле, образец имеет коричневую окраску. При освещении же по методу темного поля в формировании изображения участвуют как прошедшие через образец лучи, так и рассеянные образцом в более близких пропорциях, потому предмет выглядит оранжево-голубым, наподобие опала.
При работе с 40×0.65 объективом становится очевидно, что боковое освещение для него совершенно не годится – изображение получается очень посредственного качества. Результат с ОИ-10 в темнопольном режиме значительно лучше. Удовлетворительно он работает с данным объективом и в светлом поле.
Объективы с большими апертурами можно использовать с ОИ-10 только в том случае, если у них есть собственная ирисовая диафрагма для ограничения апертуры до ~0.65. Однако уже для идеального 40x объектива апертура 0.65 по сути является недостаточной для получения технически качественных фотографий на камеры типа той же Sony NEX-6 с 16 Мп APS-C матрицей, потому нет никакого смысла в применении ОИ-10 с оптикой большей кратности.
Далее приведены примеры фотографий, выполненных с помощью ОИ-10 в режиме светлого поля с объективом Carl Zeiss Jena Semiplan 6.3/0.16 160/- и камерой Sony NEX-6.
Предметы на фото: 1) гидрат сульфат кобальта(II) с примесью основного сульфата; 2) гидрат тетратиоцианатокобальтата калия; 3) готовый окрашенный препарат спинного мозга; 4) персульфат аммония; 5) элементарная сера.
Затем – фото в аналогичных условиях с объективом Carl Zeiss Jena 40/0.65 160/0.17.
Предметы на фото: 1) гидрат тетратиоцианатокобальтата калия; 2-4) готовый окрашенный препарат спинного мозга; 5-6) плесень, отличившаяся устойчивостью к ароматическим соединениям.
Далее – примеры с использованием ОИ-10 в качестве темнопольного конденсорас объективом Semiplan 6.3/0.16 160/-.
Предметы на фото: 1) гидрат оксалатокупрата калия; 2) гидрат сульфат кобальта(II) с примесью основного сульфата; 3) персульфат аммония; 4-5) элементарная сера.
Ниже примеры с ОИ-10 в режиме темного поля и объективом Carl Zeiss Jena 10/0.30 160/-.
Предметы на фото: 1) пентафторопероксотитанат аммония; 2) гидрат оксалатокупрата калия; 3) хлорид гексаамминникеля; 4) силикагель для хроматографии; 5) кристаллическая пленка серы; 6) гидрофосфат аммония.
Еще примеры фото с китайским объективом Plan 20/0.4 160/0.17 в режиме темного поля.
Предметы на фото: 1) хлорид гексаамминникеля; 2-5) кристаллы MOF с бензолтетракарбоновой кислотой и катионами РЗЭ; 6-7) нанокристаллические образцы полупроводниковых материалов в системе оксид кобальта – оксид галлия.
И фотографии с ОИ-10 в режиме темного поля и объективом Carl Zeiss Jena 40/0.65 160/0.17.
Предметы на фото: 1-2) плесень, отличившаяся устойчивостью к ароматическим соединениям; 3-5) пентафторопероксотитанат аммония.
Выводы
Конденсор ОИ-10 представляет собой весьма полезное приспособление для старых световых микроскопов, поскольку позволяет наблюдать объекты как в светлом, так и в темном поле. Главный недостаток конденсора связан с невозможностью использования освещения по методу темного поля с оптикой малой кратности, а также невысокая апертура, не позволяющая использовать объективы по типу 60×0.85 или 100×1.25. Тем не менее, для микроскопов, не требующих оптики большой кратности (условный «химический» микроскоп), ОИ-10 – крайне интересное решение.
