Простые советы по улучшению свойств отсчетных микроскопов типа «Мир» и аналогов

Материал специально для Радоживы подготовил Родион Эшмаков.

Отсчетные микроскопы типа «Мир» являются простейшими портативными оптическими приборами, предназначенными для «полевого» применения в условиях цеха и в лабораториях для осуществления технического контроля и для выполнения других нишевых задач, где может возникнуть потребность в получении увеличенного изображения. Как оказалось, самым «народным» применением этого микроскопа стал контроль режущей кромки при заточке инструментов. Модификация микроскопов Мир для улучшения эргономики и оптического качества, создание их аналогов из доступных частей микроскопов является также распространенным явлением. В этой заметке приведены некоторые общие рекомендации, которые позволят улучшить качества микроскопа типа «Мир» в контексте работы с непрозрачными объектами при малых и средних увеличениях.

Технические характеристики (для Мир-2)

Объектив микроскопа (заводская комплектация) – ОМ-12 3.7×/0.11;
Окуляр микроскопа (заводская комплектация) – 7× системы Гюйгенса, со шкалой;
Пределы изменения тубусного расстояния микроскопа – 130-190 мм;
Диапазон визуального увеличения (за счет варьирования тубусного расстояния) – 19× – 33×;
Масса – ~300 г;
Особенности – для фокусировки используется либо отдельный универсальный штатив, либо изменение тубусного расстояния. Своего штатива не имеет.

Конструкция микроскопа

Микроскопы типа «Мир» являются простейшими микроскопами с конечным тубусным расстоянием и состоят из небольшого числа конструктивных элементов (см. рисунок ниже):

1. Окуляр с посадкой 23 мм и выносом изображения минус 10 мм (стандарт RMS/DIN);
2. Окулярный узел с гладкой посадкой;
3. Выдвижной тубус с линейкой тубусного расстояния микроскопа;
4. Кольцевая пружина, удерживающая выдвижной тубус в заданном положении;
5. Корпус микроскопа – неподвижный внешний тубус;
6. Объектив с посадкой стандарта RMS (резьба 4/5” x 1/36”, ~20.3 мм);
7. Кронштейн для крепления к универсальному штативу.

Как можно заметить, ничего сложного в конструкции нет, микроскоп очень легко разбирается для обслуживания и модификации.
В качестве штативов для микроскопа можно найти разные варианты решений – как стационарные, так и портативные. Распространено использование 3D печати, например – раз, два.

В стационарном исполнении микроскоп можно применять совместно с этим очень удобным двухточечным осветителем «гусиная шея». Портативные модели штативов часто содержат кронштейны и гнезда для крепления LED-фонариков.

Модификация микроскопов типа «Мир»

Простой и разумный подход к модификации микроскопа «Мир» не предполагает изготовления никаких новых деталей и может быть рекомендован каждому владельцу устройства.

Этап 1 – чернение

Сначала следует разобрать микроскоп и выполнить чернение внутренних поверхностей выдвижного тубуса (3), неподвижного тубуса (5). Для выполнения операции рекомендую использовать черную матовую краску, самым лучшим вариантом из доступных является краска Musou Black, пригодная для нанесения и кисточкой, и аэрографом. Качественное чернение тубусов – залог обеспечения хорошего контраста изображения.

Этап 2 – выбор объективов

Далее следует озаботиться выбором оптики для микроскопа. Штатный объектив ОМ-12 3.7×0.11 сам по себе является очень хорошим. Есть смысл его заменять только в том случае, если объектив не имеет просветляющего покрытия. В качестве объективов малой кратности для комплектования микроскопа следует рассмотреть следующие:

• ОМ-12 3.7×0.11 / 4.7×0.11 с просветлением линз – оптически очень хорош, но имеет нестандартное парфокальное расстояние 50 мм, что может быть проблемой для портативных вариантов микроскопа;
• LM Plan 5/0.15 160/0 WD18 – оптически также очень хороший для визуальных наблюдений объектив со стандартным парфокальным расстоянием 45 мм. По соотношению увеличение-апертура является аналогом ОМ-12. Эта линейка объективов, вероятно, самая лучшая из доступных для конечного тубуса. Можно приобрести новым здесь.
• Plan 4/0.10 160/- – очень недорогой объектив со сбалансированными качествами. Стандарт 45 мм. Можно приобрести новым здесь.
• 4/0.1 160/0.17 ахромат – имеет смысл только при острой потребности в получении максимального рабочего расстояния: без декоративных элементов и бленды оно составляет более 30 мм. Качество изображения компромиссное. Стандарт 45 мм. Можно приобрести новым здесь.
• 2/0.05 160/- – редкий пример объектива столь малой кратности. Парфокальное расстояние около 45 мм. Качество изображения удовлетворительное. Из недостатков – может прийти с неправильной сборкой, шанс 50:50 (не шутка). Приобрести можно новым здесь.

Существуют также редкие и дорогостоящие объективы типа ЛОМО 6.3×0.2, ЛОМО 2.5×0.08, которые часто советуют – но нет никакого смысла искать конкретно их, поскольку их расчет также имеет компромиссы с качеством изображения и «серебряной пулей» они не являются. Также я не советую при ситуации выбора приобретать старые объективы, даже неплохие – по типу CZJ Semiplan 6.3/0.16: в большинстве своем они не имеют просветления линз, могут иметь проблемы с оптикой, а их стоимость на вторичным рынке может быть выше, чем цена новых объективов сравнимого или даже лучшего качества.

Дополнительным объективом для микроскопа может стать объектив с увеличением 10×. Микроскоп Мир может попасть в руки с уже установленным на него объективом типа М-42 8×/0.2 или ОМ-2 9×/0.2 План. Оба для визуальных наблюдений являются несамыми плохими вариантами, но сегодня существуют значительно более интересные решения.

• LM Plan 10/0.25 160/0 WD9.2 – объектив из той же линейки, что и LM Plan 5/0.15. Фактически хуже следующих двух по списку. Приобрести можно здесь.
• LM Plan 10/0.25 160/0 WD8.7. Более доступный вариант. Фактически это копия следующего по списку объектива, но с другим внешним оформлением и в полтора раза большей ценой.
• Plan 10/0.25 160/0.17 WD~9 мм. Объектив для биологических микроскопов. Качество изображения на уровне ЛОМО План 10/0.22 Л,  CZJ 10/0.25 160/-A, но выше качество по полю. Приобрести можно здесь.
• 10/0.25 160/0.17 ахромат. Объектив для биологическим микроскопов, WD 7 мм. Простой, недорогой, сбалансированные качества. Может быть легко доработан для увеличения контраста. Приобрести можно здесь или здесь.

Известен также объектив ЛОМО План 10×0.22 ОПХ-10Л, который обладает интересными качествами, но редко встречается и, как правило, имеет высокую стоимость, не вполне отражающую его свойства. Кроме того, могут попадаться старые «апохроматы» типа 10×0.3 – про них следует помнить, что они редко бывают живыми (в массе – расклейки в линзах, использовать такой объектив нельзя) и требуют применения специальных компенсационных окуляров, обладающих сомнительными параметрами и качеством, иначе изображение будет выглядеть плохо. Да и по нынешним меркам их оптическое качество не впечатляет.

Вероятно, предельными по увеличению для микроскопа типа «Мир» объективом будут объективы 20× – в силу сценариев использования и возможностей по освещению предмета. Основное требование в данном случае – большое рабочее расстояние (WD, working distance) – не совместимо с получением высококачественного изображения, особенно в контексте сферохроматических аберраций.

• LM Plan 20/0.45 160/0 WD4 – объектив из той же линейки, что и LM Plan 5/0.15. Можно купить новым здесь.
• LM Plan 20/0.40 160/0 WD8.8 – более простой вариант, рабочее расстояние большое, но и сферохроматизм высокий.
• Plan 20/0.40 160/0.17 WD~9 мм – объектив для биологических микроскопов. Скорее всего, полный аналог LM Plan 20/0.40 160/0 WD8.8, хотя маркировка указывает на коррекцию под покровное стекло 0.17 мм. Фактически при его использовании разницы почти нет – с покровным или без. Можно купить новым здесь или здесь.

Доступных старых объективов с похожими качествами просто нет.

Этап 3 – выбор окуляра

Следующая важная часть – это замена окуляра. Окуляр определяет удобство наблюдения. Основные параметры окуляра – фокусное расстояние F, линейное поле 2Y’, размер зрачка D, вынос зрачка H, вынос изображения L. Производные величины – визуальное увеличение окуляра M (M = 250 ÷ F), кажущийся угол поля зрения окуляра 2W (2W = 2Y’/F × 57.3°).

Фокусное расстояние окуляра задает масштаб изображения, то есть увеличение. Для микроскопов наиболее распространенными являются окуляры с фокусным расстоянием 25 мм, т.е. кратностью 10×. Чем больше увеличение окуляра, тем выше требования к качеству объектива и яркости источника света он предъявляет. Кроме того, для обеспечения удобных выноса зрачка и изображения короткофокусный окуляр приходится делать более сложным по конструкции, иначе его качество изображения снижается. С приведенными выше объективами нет существенного смысла использовать окуляры с фокусным расстоянием короче 10-15 мм (кратность 25× – 17×), поскольку это не позволит увидеть новые детали. Короткофокусный окуляр может быть особенно полезен пользователям со сниженной остротой зрения. В целом же при недостатке увеличения лучше всего менять не окуляр, а объектив.

При фиксированном увеличении окуляра большее линейное поле дает большой угол поля зрения, что дает «эффект погружения» и позволяет банально увидеть больше пространства предмета – удобно для навигации по нему, для поиска и т.д. Чем больше поле изображения – тем лучше. Увеличение поля требует усложнения конструкции, иначе – компромисс с качеством изображения (сферическая аберрация, полевые аберрации) и прочими параметрами.

Размер зрачка определяет не только предельное разрешение системы, но и удобство использования окуляра. Так, микроскоп обычно используется при ярком освещении предмета, то есть при дневном зрачке глаза ~3 мм. Хорошо, когда фактический зрачок окуляра больше – в таком случае есть больше свободы для расположения глаза относительно окуляра, проще «найти» в нем изображение. Чем больше размер зрачка – тем сложнее конструкция окуляра, иначе – компромисс с качеством (сферическая аберрация, кома и трефойл) и прочими параметрами. Микроскопные окуляры обычно рассчитаны для использования с дневным зрачком, а окуляры телескопов – с ночным широким зрачком. По этой причине окуляры телескопов имеют часто сложные конструкции и в целом лучшее качество.

Вынос зрачка влияет на удобство использования окуляра. Малый вынос зрачка – постоянное загрязнение передней линзы контактом с ресницами, необходимость вдавливания глаза в наглазник. Большой вынос зрачка требует правильного подбора наглазника, иначе – неудобство центрирования глаза, отсутствие опоры. Чем больше вынос, тем сложнее конструкция окуляра, иначе – компромисс с качеством изображения и прочими параметрами (поле зрения).

Вынос изображения – определяет не только то, насколько грязь на линзах будет заметна при наблюдении, но и указывает на возможность установки сетки или шкалы. При малом выносе изображения (около 1-2 мм) пыль на полевой линзе находится слишком близко к фокальной плоскости, что делает ее очень заметной. Малый вынос не позволяет удобным образом размещать окулярную сетку. Некоторые окуляры имеют отрицательный вынос изображения – то есть фокальная плоскость находится прямо внутри окуляра. Это окуляры Гюйгенса, некоторые окуляры Кельнера, а также большинство широкоугольных окуляров телескопов. В таком случае установка окулярной сетки невозможна, она может быть только предусмотрена и установлена изначально производителем.

Штатные окуляры для советских микроскопов с посадкой 23 мм, в частности 7×/18 окуляр Гюйгенса от микроскопа “Мир” – это очень печальное явление. Иначе как “замочная скважина” его не назвать. Качество изображения у советских в целом также низкое. Потому окуляр менять определенно стоит. Основная проблема выбора нового окуляра для микроскопов типа «Мир» – банальное отсутствие качественных окуляров с посадочным диаметром 23 мм.

Так, лучшим решением является окуляр с параметрами 10×/22, выполненный по схеме из патента US5815317, 1997 г. Этот окуляр на самом деле имеет увеличение меньше заявленного (около 9×). Поле большего размера, чем 22 мм, реализовать невозможно при диаметре посадки 23 мм. Приобрести этот окуляр можно здесь. Окуляр при возможности следует разобрать и зачернить торцы линз маркером, а межлинзовые детали и оптический тракт – матовой краской Musou Black.

Я не могу порекомендовать никаких другие окуляры либо по причине низкого технологического уровня изготовления, либо по причине худших параметров, либо по причине несовместимости.

При желании и наличии возможности деталь окулярного узла (2) можно заменить на деталь с посадкой 30 мм (стандарт окуляров микроскопов) или 31.75 мм (1.25”, стандарт окуляров телескопов). В таком случае предельный размер линейного поля может достигать 28 мм.

Для посадки 30 мм существует ряд решений более с более интересными параметрами:

• 10×/25 окуляр Бертеле. Окуляр имеет впечатляющее по размеру поле, комфортный вынос зрачка и удовлетворительное качество изображения.
• 12.5×/20 окуляр;
• 20×/12 окуляр.

Последний уже выполнен на манер астроокуляров и, судя по всему, имеет отрицательный вынос изображения. Некоторые из этих окуляров доступны и в варианте с окулярной сеткой, многие имеют собственную диоптрийную подстройку, поскольку изначально предназначены для использования в бинокулярах.

Огромные возможности дает замена окулярного узла на крепление стандарта 1.25”, ведь астрономы очень трепетно относятся к выбору окуляров и для них сделали очень много наивкуснейших по параметрам образцов. Основной недостаток астроокуляров – отсутствие стандартизации местоположения изображения относительно опорной плоскости окуляра. Так, у микроскопов фокальная плоскость изображения находится в 10 мм от опорной плоскости окуляра (ближе к объективу). У окуляров телескопов этот выбор определяет производитель, единого стандарта нет. Отметим следующие окуляры:

• SVBony 68° UW 20 мм (встречаются также под другими названиями – Celestron 66° Ultra Wide, Angeleyes 68° Ultra Wide) – простой и недорогой окуляр типа 12.5×23, удобный в обращении, с хорошей светозащитой. Качество изображения удовлетворительное.
• Kson Ortho II 24 mm 45° – классический окуляр Аббе. Такие окуляры имеют всего 2 группы линз и отличаются высоким контрастом изображения, сниженным уровнем дисторсии при отличном качестве в центральной области поля. Параметры соответствуют окуляру 10×/19, вынос зрачка 20 мм. Вероятно, по качеству изображения лучше, чем SVBony 20 mm 68°, но ценой меньшего размера поля и меньшего увеличения.
• Maxvision 82° 14 mm – китайский клон известного Explore Scientific 14 mm/82°. Очень интересный окуляр типа 18×/19. Линейное поле достаточно эффективно использует возможности объективов, а угол может очень впечатлить, особенно после старых Гюйгенсов, ведь 82° – это практически всё доступное для одного глаза поле зрения! Из недостатков – окуляр довольно тяжелый и требует фиксации в микроскопе прижимным винтом.
• SkyRover 110° 13 mm – китайский вариант на тему знаменитых TeleVue Ethos. Окуляр типа 19×/23. Вариант, на самом деле, экстремальный во всех смыслах и всерьез я его не могу советовать для использования в микроскопах типа «Мир» из-за совершенно неприличных габаритов и массы. Однако он только своим фактом существования достоин внимания, ведь это в принципе лучшее, что сейчас существует, и оно доступно (уже) за вменяемые деньги.

Есть множество других достойных астроокуляров самых разных оптических схем, брендов и параметров. Есть даже зум-окуляры, которые позволяют плавно менять увеличение системы (пример), но они, как правило, обладают очень компромиссными параметрами и качеством изображения. Тем не менее, некоторым они нравятся, определенный «вау-эффект» от них есть.

Итоги

Развитие химической технологии, производства оптических материалов, совершенствование методов расчёта и проектирования оптики, а также растущие потребительские ожидания привели к появлению множества доступных высококачественных решений среди объективов для микроскопов и окуляров. Уходят в прошлое низкокачественные изделия, завлекающие лишь кричащей надписью на корпусе, а в массах видим что? – качественные просветляющие покрытия, высокопреломляющие стекла, сложные оптические схемы, продвинутые технологии сборки. О многих этих вещах даже 10-15 лет назад можно было только мечтать: те же окуляры с угловым полем более 80° ранее были очень дороги и доступных решений просто не существовало. «Старое ЛОМО» постепенно уходит в прошлое вместе с теми, кто его почитает по инерции. А благодаря достижениям китайского производства каждый может оснастить микроскоп или другой оптический прибор качественной оптикой – главное уметь ее выбирать.

Еще обзоры принадлежностей для микроскопов здесь.