Обзор и тест объектива микроскопа Plan 4/0.10 160/0.17 типа «Таир» (вогнутая передняя линза)

Материал специально для Радоживы подготовил Родион Эшмаков.

Объектив Plan 4/0.10 160/0.17 (далее – Plan 4/0.1) – недорогой (~15$) китайский обзорный планахромат для биологических микроскопов с конечным тубусным расстоянием. Этот объектив можно встретить в самых разных вариантах внешнего оформления и даже с различными типами просветляющего покрытия, о чем можно будет прочитать далее. Отличительная черта объектива, представленного в обзоре – вогнутая передняя линза – как у советского объектива ЛОМО План 3.5/0.10. Это замечание существенно, поскольку есть такой же по параметрам объектив, который имеет другую оптическую схему и существенно отличается по степени исправления аберраций.

Технические характеристики

Оптическая схема – не опубликована производителем. Вероятнее всего – 3 линзы в 2 группах, типа «Таир».

Тип коррекции – планахромат;
Тубусное расстояние – 160 мм;
Парфокальное расстояние – 45 мм;
Рабочее расстояние – ~15 мм;
Кратность увеличения – 4×;
Числовая апертура – 0.1;
Толщина покровного стекла – 0.17 мм (можно использовать без него);
Особенности – микроскопный объектив, не имеет ирисовой диафрагмы и фокусировочного механизма.
Стоимость – ~15$ (можно приобрести новым здесь или здесь).

Конструкция и исполнение объектива

Объектив имеет приятный по дизайну корпус из хромированной латуни с качественной отделкой. Plan 4/0.1 в отличие от других объективов в этой линейке оптики не имеет съемной декоративной рубашки – корпус изготовлен из одного куска металла. Если выкрутить пластиковое колечко залинзовой диафрагмы объектива, то можно получить доступ к стопорному кольцу, удерживающему линзы объектива. Этот объектив использует простую насыпную сборку с применением автоколлимации, потому после разборки юстировка вручную не потребуется.

Качество чернения внутренних поверхностей посредственное, но и явных грехов в виде нечерненых блестящих деталей нет. Оптика этого объектива имеет простое просветляющее покрытие с фиолетовым цветом блика – вероятно, одно- или двухслойное, подобное другой недорогой микрооптике из Китая.

Интересно, что этот объектив Plan 4/0.1, по-видимому, производится в Китае на нескольких предприятиях, из-за чего объектив может иметь и другие варианты конструкции, внешнего оформления, качества светозащиты и тип просветления. Так, например, вместе с этим объективом, который я приобрел на Aliexpress, у меня на руках оказались еще два объектива, отправленные из Китая как демо-образцы.

Эти объективы отличаются главным образом наличием съемной декоративной рубашки корпуса и типом просветляющего покрытия – на задней линзе оно имеет зеленый цвет блика и визуально похоже на просветление более дорогих микрообъективов.

Нетрудно заметить, что покрытие с зеленым цветом блика обеспечивает лучший спектр светопропускания по сравнению с покрытием с фиолетовым цветом блика.

Оптическая конструкция объектива Plan 4/0.1 весьма простая и соответствует классическому дизайну типа «Таир», который также применялся в советском объективе ЛОМО План 3.5/0.1 (ОМ-3). Данная оптическая схема при своей чудесной простоте способна обеспечивать хорошее исправление полевых аберраций (кроме комы и дисторсии), но качество изображения в целом сильно зависит от степени исправления сферохроматических аберраций, для чего требуется применение особых стекол – тяжелых фосфатных кронов, что было продемонстрировано в моей публикации.

По данным рентгенофлуоресцентного анализа в объективе Plan 4/0.1 применены обычные стекла – тяжелые кроны и ниобиевый бессвинцовый флинт.
В спектре передней линзы детектируются барий, цинк и небольшие количества циркония, что характерно для новых тяжелых кронов типа CDGM H-ZK.

Спектр задней линзы выглядит очень похоже, причем можно заметить небольшие пики ниобия, присутствие которых связано с «просвечиванием» сквозь заднюю линзу сигнала от предпоследней линзы – бессвинцового титан-ниобиевого флинта типа CDGM H-ZF.

Такой выбор материалов оставляет невозможным качественное исправление сферохроматических аберраций объектива, потому от него в принципе можно не ожидать чудес. Для меня остается абсолютно не понятным, почему в Китае инженеры банально пожалели для этого объектива какой-нибудь не запредельно дорогой особый крон типа CDGM H-ZPK5 или H-ZPK1A – с учетом размера линз объектива стоимость стекла вообще не влияет на цену изделия (уверен, что металлический корпус здесь стоит дороже линз), а качество изображения можно было кардинально повысить. Получается, что китайцы тратят ресурсы на выпуск заведомо устаревшего объектива, притом не то чтобы самого дешевого – я не вижу в этом никакого смысла.

Микрообъективы типа «Таир»: реальный пример и перспективы развития оптической схемы

Как ранее было обозначено, объектив Plan 4/0.1, представленный в этом обзоре, имеет оптическую конструкцию, аналогичную очень старому советскому объективу ОМ-3 План 3.5/0.1. Советский объектив был рассчитан, по-видимому, в 1940-е годы, то есть тогда же, когда и «большие» объективы «Таир» Д.С. Волосова. Даже выбор материалов в ОМ-3 и Таир-3 очень похож: в обоих объективах ахроматический дублет с воздушным промежутком изготовлен из пары стекол ТК16 613.584 и ТФ3 717.295, хотя стекло менискового корректора уже различается – Ф1 613.370 в случае Таир-3 и К8 516.641 у ОМ-3.

Расчётные оптические характеристики объектива ОМ-3 План 3.5/0.1 приведены на диаграммах ниже.

Как можно заметить, при своей максимально примитивной конструкции объектив имеет очень хорошее исправление кривизны поля и астигматизма для поля ~18 мм и удовлетворительное для APS-C (30 мм). Далее проявляется сильный астигматизм. Недостатком объектива является существенный уровень бочкообразной дисторсии (~2% для кадра 36×24 мм).

По диаграммам пятен можно установить, что для объектива проблемной является исправление комы: за пределами поля 18 мм ее влияние становится уже весьма существенным. Впрочем, введение виньетирования за счет диафрагмы перед вогнутой поверхностью мениска позволяет снизить негативное влияние комы в объективах с такой конструкцией.

Сферохроматические аберрации объектива исправлены так же, как в советском телевике Таир-3 – вторичный спектр довольно велик, синяя область спектра исправлена очень посредственно, что также заметно по диаграмме пятен как фиолетово-синие ореолы.

Диаграммы MTF подтверждают наблюдения: объектив обеспечивает приемлемый уровень качества в пределах поля 18 мм, причем контраст для низких и средних частот снижен из-за влияния сферохроматизма. В пространстве изображения объектив разрешает 45 линий/мм при уровне контраста 0.3, что заметно ниже дифракционного ограничения ~53 линий/мм.

Таким образом, основной проблемой объектива является недостаточный уровень коррекции сферохроматический аберраций. Кроме того, существует потребность в увеличении размера исправленного поля до ~30 мм. Для достижения хорошей коррекции сферохроматизма в объективах типа «Таир» крайне продуктивным является замена менисковой линзы на склеенный мениск с «аномальной» комбинацией стекол, где положительная линзы – это флинт с высокой дисперсией и положительным отклонением PgF (титановый или ниобий-титановый флинт), а отрицательная линза – флинт с меньшей дисперсией и отрицательным отклонением PgF (свинцовый или особый флинт). В ахроматическом дублете при этом необходимо применить классическую комбинацию – особый крон (тяжелый фосфатный крон типа CDGM H-ZPK) и свинцовый тяжелый флинт (CDGM ZF) или особый флинт (CDGM H-TF). Исправление полевых аберраций при этом достигается, в частности, за счет повышения показателя преломления линз мениска. Результат оптимизации схемы объектива ОМ-3 План 3.5/0.1 представлен ниже.

Применение новых оптических материалов позволило сократить более чем вдвое вторичный спектр объектива, добиться исправления кривизны поля и астигматизма в пределах поля изображения 43 мм (кадр 36×24 мм). Это позволило достичь практически равного дифракционному уровня качества изображения для всего расчетного поля. В пространстве изображения объектив разрешает 50 линий/мм при уровне контраста 0.3, что уже очень близко к дифракционному ограничению ~53 линий/мм. Таким образом, рассчитанный объектив по степени коррекции аберраций можно отнести к планапохроматам.

Оптическое качество. Сравнительный тест

Тестирование объектива проводилось в 3 этапа: по объект-микрометрам в отраженном и проходящем свете, по препарату диатомовых водорослей в проходящем свете. В тестировании принимали участие:

1. Китайский планахромат Plan 4/0.10 160/0.17 типа «Таир» с вогнутой первой линзой, просветление с фиолетовым бликом (представлен в данном обзоре);
2. Китайский планахромат Plan 4/0.10 160/0.17 типа «Таир» с вогнутой первой линзой, просветление с зеленым бликом;
3. Простейший китайский ахромат-дублет 4/0.10 160/0.17, аналог этого объектива;
4. ЛОМО 3.7/0.11 ОМ-12 с просветленной оптикой;
5. Китайский планахромат LM Plan 5/0.15 160/-;
6. Советский апохромат Прогресс 6/0.15 (ОС-6).

Используемая камера – Sony NEX-6 (APS-C) в прямом фокусе. Освещение в отраженном свете – двухточечное боковое, в проходящем – осветитель Ulanzi L2 и конденсор ЛОМО КФ-4М (без верхней линзы).

Тестовые фото в отраженном свете для представленного в обзоре Plan 4/0.1 и кропы снимков в сравнении с остальными объективами приведены ниже.

Нетрудно убедиться в том, что объективы ЛОМО 3.7/0.11 ОМ-12 и Прогресс Апохромат 6/0.15 ОС-6 обладают наилучшим исправлением сферохроматических аберраций, причем апохромат имеет, по-видимому, меньший вторичный спектр и лучшее исправление сферических аберраций в целом. Латеральный хроматизм у апохромата, как это обычно и бывает у апохроматов Аббе, не исправлен, потому качество изображения по полю отсутствует – объектив требует применения компенсационной оптики. ЛОМО 3.7/0.11 имеет небольшие остаточные кривизну поля и астигматизм, а также заметную кому, что ухудшает его качество по полю.

Объектив LM Plan 5/0.15 имеет более высокий уровень хроматизма по сравнению с апохроматом ОС-6, но в целом исправлен очень хорошо: обладает практически плоским полем 30 мм без латеральной хроматики, астигматизма и комы.

Китайские ахромат-дублет и рассматриваемый в обзоре планахромат оба характеризуются выраженными хроматическими аберрациями, причем сферические аберрации у объектива-планахромата даже выше. По полю планахромат ведет себя примерно на уровне ЛОМО 3.7/0.11, а ахромат не обеспечивает вменяемого качества изображения из-за сильнейшего астигматизма.

Далее представлены результаты тестирования в проходящем свете по микрометру, дающие в целом аналогичные выводы.

Затем – тестовые фото препарата диатомей. Этот тест позволяет сравнить разрешающую способность объективов, поскольку панцири диатомовых водорослей имеют довольно тонкую микроструктуру.

В этом сравнении объективы Plan 4/0.1 показывают себя далеко не лучшим образом, уступая даже ахромату-дублету 4/0.1, не говоря уже про LM Plan 5/0.15 или ЛОМО 3.7/0.11.

Итак, объектив Plan 4/0.1 имеет слишком высокий уровень хроматических и сферических аберраций, чтобы быть реально хорошим решением. Уровень хроматизма у этого объектива даже выше, чем у дешевого Plan 4/0.1 160/- с другой, «короткой» оптической схемой, отличительной особенностью которого является утопленная вглубь корпуса передняя линза. Единственное достоинство объектива Plan 4/0.1, представленного в этом обзоре – относительно неплохо исправленное поле – практически плоское и с малым уровнем астигматизма. Это делает объектив неплохим вариантом для визуальных наблюдений.

Лидерами же в этом сравнении являются объективы ЛОМО 3.7/0.11 и LM Plan 5/0.15. Чуть хуже, чем ЛОМО 3.7/0.11, был бы альтернативный китайский Plan 4/0.1.

Далее приведены примеры фотографий, сделанные на Plan 4/0.10 160/0.17 (с вогнутой первой линзой) на Sony NEX-6, с постобработкой в ACR.

На фото: 1) Поверхность кремниевого чипа; 2) Полимолибдат-132 аммония; 3-5) 9-Молибдоманганат аммония; 6) Периодатокупрат(III) натрия; 7-8) Ацетилацетонат кобальта(III); 9-10) Готовые окрашенные препараты стеблей растений (подсолнух и тыква).

Затем – снимки на то же оборудование с применением стекинга.

На фото: 1) SMD-компонент; 2) Полимолибдат-132 аммония; 3-5) 9-Молибдоманганат аммония; 6) Периодатокупрат(III) натрия; 7-8) Ацетилацетонат кобальта(III).

Выводы

Этот объектив Plan 4/0.10 160/0.17 нельзя назвать удачным решением для микрофотографии. Объектив рассчитан сугубо для визуальных наблюдений, когда уровень коррекции в синей области не столь важен – и он хорошо себя покажет как недорогой обзорный объектив с большим плоским полем. Для фотографии лучше выбрать либо другой очень доступный китайский Plan 4/0.1 с «короткой» оптической схемой (его тоже можно найти в разных вариантах внешнего оформления), либо еще более качественные ЛОМО 3.7/0.11 и LM Plan 5/0.15.

Еще обзоры по теме микроскопии – здесь.