Обзор, анализ и тест объектива микроскопа LOMO TQA-2.5-1 Plan Achro 2.5 0.08 160/0-2.5

Материал специально для Радоживы подготовил Родион Эшмаков.

 

LOMO TQA-2.5-1 Plan Achro 2.5 0.08 160/0-2.5 (далее – ЛОМО 2.5/0.08) – довольно редкий обзорный объектив, рассчитанный в 1980-х и производившийся в СССР и РФ в ~1990-е годы небольшой серией. Объектив известен своим оптическим качеством и высоко ценится среди любителей микрофотографии – во многом из-за отсутствия альтернатив, способных работать в прямом фокусе без специальных окуляров и других специфических оптических приспособлений. Впрочем, ныне существует очень доступный китайский объектив 2/0.05 160/- с неплохим качеством, который также вполне годится для фотосъемки.

Странное название с непонятными латинскими буквами ЛОМО 2.5/0.08 имел в экспортном исполнении, в то время как существуют версии с кириллической маркировкой, причем вместо «План Ахро» объектив называется «План Апо». Такая путаница, вероятно, связана с несколько различающимися критериями степени коррекции вторичного спектра в СССР и на Западе. ЛОМО 2.5/0.08 предназначен для использования с микроскопами с конечным тубусным расстоянием и имеет стандартный габарит 45 мм (стандарт DIN). Важно также не путать ЛОМО 2.5/0.08 с другим похожим по параметрам объективом – ЛОМО План 2.5/0.05 – телецентриком для поляризационных микроскопов, рассчитанным на применение с компенсационными окулярами.

В этой статье выполнен анализ оптической конструкции ЛОМО 2.5/0.08 и проведено тестирование в сравнении с другими современными объективами малой кратности – китайскими 2/0.05 160/- и Plan 2.5/0.08 160/0.

Технические характеристики

Оптическая схема – 4 линзы в 2 группах, типа «Таир», 1 элемент из флюорита, 1 элемент из флинта с аномальной дисперсией;

Тип коррекции – планапохромат;
Тубусное расстояние – 160 мм;
Парфокальное расстояние – 45 мм;
Кратность увеличения – 2.5×;
Числовая апертура – 0.08;
Рабочее расстояние – ~16 мм;
Толщина покровного стекла – 0-2.5 мм;
Тип крепления – стандарт RMS (резьба 4/5” x 1/36”);
Особенности – микроскопный объектив, не имеет ирисовой диафрагмы и фокусировочного механизма.

Конструкция и исполнение

ЛОМО 2.5/0.08 имеет простую конструкцию без претензии на какой-то особый дизайн или «премиальное» исполнение. Корпус объектива сделан из латуни. Маркировка выполнена методом гравировки по металлу. Линзы объектива завальцованы в латунных оправах и дополнительно не центрируются вручную – объектив можно без проблем разбирать для самостоятельного обслуживания точно так же, как какой-нибудь ЛОМО 8/0.2.

Торцы линз ЛОМО 2.5/0.08 не имеют чернения, хотя большой межлинзовый промежуток не просто зачернен, но еще и имеет оребрение, как в объективе ЛОМО Эпи 9/0.2 (ОЭ-9). Качество черного покрытия, конечно, не самое лучшее. Линзы ЛОМО 2.5/0.08 имеют однослойное просветление типа фторида магния, напыленного в вакууме. Такое покрытие является довольно неустойчивым к механическим повреждениям и очень чувствительно к действию водных сред, особенно кислых растворов – следует быть очень аккуратным при чистке этого объектива.

Объектив характеризуется высоким светопропусканием в области от 500 до 1100 нм. В коротковолновой области можно наблюдать некоторое снижение пропускания, что связано как с характеристиками применяемого покрытия, так и с коэффициентом поглощения оптических материалов. Край поглощения находится при ~320 нм.

Важной особенностью объектива ЛОМО 2.5/0.08 является применение флюорита в оптической схеме. Хотя в источнике [Т.А. Иванова, В.К. Кирилловский, «Проектирование и контроль оптики микроскопов», Л.: Машиностроение, 1984 г., с. 57-58] указано, что планапохроматический объектив 2.5/0.08 рассчитан с применением стекла ФФС-2, а не флюорита, в серию ЛОМО 2.5/0.08 пошел именно с флюоритом. Связано это с тем, что стекло ФФС-2, имевшее параметры, близкие к флюориту, производилось на заводе в г. Таллин (Эстония), который полностью прекратил поставки в РФ после распада СССР, а впоследствии и вовсе остановил производство, как и многие другие технологически развитые предприятия стран Балтии. Применение именно флюорита в объективе ЛОМО 2.5/0.08 доказано при помощи двух методов анализа – рентгенофлуоресцентной спектроскопии и спектроскопии комбинационного рассеяния.

Так, в спектре рентгеновской флуоресценции задней линзы объектива детектируются большие количества кальция с примесью стронция и рубидия.

В рамановском спектрометре задняя линза объектива формирует мощный сигнал с одним единственным пиком при 320 см^-1, что соответствует описанному в литературе спектру флюорита.

Оригинальный расчет объектива был сделан с применением именно стекла, а не флюорита с целью уменьшения напряжений в склейке при сочетании монокристалла со стеклом. В серийном объективе с флюоритовой линзой в скрещенных поляризаторах отчетливо можно заметить выраженные напряжения в задней склейке, которые проявляются как отсутствие погасания. Такая особенность делает объектив малопригодным для наблюдений в поляризованном свете, особенно когда они осуществляются с целью проведения каких-либо измерений. Идеально темного фона в поляризации с таким объективом добиться нельзя. Достоверно известно, что это не особенность конкретного экземпляра, а постоянная проблема данных объективов.

Передняя линза ЛОМО 2.5/0.08 выполнена из стекла тяжелого лантанового крона СТК19 744.503, имеющего очень характерную сигнатуру в спектре рентгеновской флуоресценции с линиями редких металлов – тантала, иттрия, циркония, лантана.

Таким образом, объектив ЛОМО 2.5/0.08 выполнен с применением продвинутых оптических материалов, которые вполне могут обеспечить высокий уровень коррекции оптических искажений, в особенности хроматических. Однако объектив использует устаревшее просветляющее покрытие, не имеет качественной светозащиты и характеризуется высоким уровнем напряжений линз, что может даже приводить к спонтанным расклейкам, приводящим объектив в негодность.

Анализ и реверс-инжиниринг оптической конструкции объектива ЛОМО 2.5/0.08

Как было ранее отмечено, ЛОМО 2.5/0.08 использует оптическую схему «Таир», то есть представляет собой двухкомпонентный объектив, состоящий из положительного ахроматизированного элемента и менискового корректора. В классическом варианте объектив имеет трехлинзовую конструкцию – как ЛОМО ОМ-3 План 3.5/0.1 или длиннофокусный фотообъектив Таир-3 300/4.5 – и его мениск обладает околонулевой оптической силой. В случае ЛОМО 2.5/0.08 мениск выполнен в виде двухлинзовой склейки и обладает большой отрицательной силой, что необходимо для обеспечения большого поля предмета и малого увеличения.

Исходя из представленного в литературе рисунка оптической схемы объектива и приведенных выше анализов материалов крайних линз ЛОМО 2.5/0.08 можно сделать вывод, что вторая линза в мениске должна быть выполнена из стекла с существенно более низким показателем преломления, чем СТК19 744.503. Более того, с учетом ранее выполненного исследования, можно заключить, что материал этой линзы должен иметь более высокую дисперсию, чем СТК19 744.503, то есть относиться к группе легких флинтов ЛФ (1.44<n<1.59, 40<v<48) или флинтов Ф (1.59<n<1.64, 33<v<40). С учетом апохроматической коррекции объектива ЛОМО 2.5/0.08 также необходимо, чтобы в оптической конструкции использовались особые флинты. Вероятнее всего, флюорит 434.952 склеен со стеклом типа ОФ-4 651.435, что также соответствует логике построения объективов «Таир». На основании имеющихся данных был выполнен расчет оптической системы объектива с параметрами 2.5/0.08 160/0.17 (поле 30 мм), который привел к конструкции, похожей на опубликованную в литературном источнике и обладающей планапохроматической коррекцией. Ниже приведены рисунок оптической схемы с указанием марок стекол, диаграмма аберрационных пятен, графики аберраций и MTF рассчитанного объектива.

Объектив, как можно заметить, обладает близким к дифракционному качеством изображения в центральной области. Вторичная кома полностью нивелируется введением 30% виньетирования. Качество изображения по полю заметно снижено из-за остаточных аберраций высших порядков. Очевидным недостатком, который является принципиально неустранимым в данной оптической схеме, является сравнительно высокий уровень дисторсии (-4.5%) и выраженная нетелецентричность. Качество изображения в остальном соответствует неплохому фотообъективу. Скорее всего, серийный ЛОМО 2.5/0.08 сильно уступает по качеству изображения рассчитанному объективу, поскольку толщины линз ЛОМО значительно меньше – оптимизация с такими параметрами приводит к резкому увеличению сферохроматической аберрации и искажений высших порядков, что ограничивает рабочее поле объектива.

Применение в линзовых склейках флюорита, как ранее было сказано, является проблемой: разные температурные коэффициенты расширения стекла и монокристалла делают склейку неустойчивой к тепловым деформациям и разрыву. Стекла, эквивалентные флюориту по параметрам, обычно имеют меньшую величину температурного коэффициента расширения (TCE). Так, если для CaF2 434.952 TCE равен 18.41 10^-6×K^-1, то для стекол ЛЗОС ОК4 447.920 – 14.7, CDGM H-FK95N 438.945 – 14.4. Парные им особые флинты CDGM H-TF5 и ЛЗОС ОФ4 имеют TCE 6.5 и 4.7, соответственно. Таким образом, использование стекол вместо монокристалла CaF2 является предпочтительным из-за меньшей разницы TCE между склеиваемыми материалами. Объектив с параметрами 2.5/0.08 может быть пересчитан на материалы из каталога ЛЗОС без ухудшения оптических свойств. Для этого CaF2 был заменен на стекло ОК4. Оптические свойства остались практически без изменений.

Также хорошие результаты достигаются при использовании современных материалов каталога CDGM, где доступно значительно большее количество низкодисперсных кронов и высокопреломляющих стекол с разными параметрами, что позволяет использовать комбинацию особый флинт + бессвинцовый (титановый/ниобиевый) флинт или лантановый флинт + бессвинцовый (титановый/ниобиевый) флинт для дополнительной коррекции хроматизма. В рассчитанном с применением китайских стекол CDGM объективе мениск выполнен из сверхтяжелого лантанового флинта H-ZLAF68N 883.392 и тяжелого бариевого флинта H-ZBAF4 664.355, задний дублет – из особого флинта H-TF5 и низкодисперсного крона H-FK61B 497.816, который является аналогом по характеристикам фториду бария.

Несмотря на то, что этот вариант несколько уступает предыдущим двум по коррекции вторичного спектра, за счет повышения показателя преломления материалов значительно улучшена коррекция аберраций высших порядков по полю. Кроме того, объектив имеет более технологичную конструкцию, а разница в величине TCE пары H-FK61B – H-TF5 значительно меньше, чем у пары ОК4 – ОФ4.

Таким образом, оптическая схема «Таир» позволяет разрабатывать хорошо исправленные объективы малых увеличений (<3.5×), когда не стоит задача по обеспечению телецентричности в пространстве предметов и ортоскопичности изображения. Ключевую роль в данном случае играет выбор комбинации материалов для составного мениска объектива, который должен представлять собой склейку сильноотрицательной линзы из стекла с высоким показателем преломления и средней дисперсией (тяжелый лантановый флинт) с более слабой положительной линзой из стекла с малым или умеренным показателем преломления с умеренно высокой дисперсией (легкий флинт, бариевый флинт). Обеспечение коррекции сферохроматизма достигается за счет склеенного дублета из низкодисперсного крона и особого флинта. Иначе говоря, без применения особых стекол расчёт подобных простых объективов с вменяемым качеством изображения практически невозможен.

Оптическое качество. Сравнительный тест

Тестирование объектива ЛОМО 2.5/0.08 выполнено путем съемки фотографий объект-микрометров отраженного (боковое освещение) и проходящего (осветитель Ulanzi L2 и конденсор-синглет с NA=0.3) света на камеру Sony NEX-6 (APS-C, 30 мм). Испытуемые объективы:

1. Plan 2.5/0.08 160/- – китайский планахромат. Отличительная особенность – телецентричность. Может быть приобретен здесь. В тесте обозначен как «PRC Plan 2.5/0.08 160/-».
2. ЛОМО 2.5/0.08 – представленнный в обзоре объектив. Обозначен как «LOMO Plan Achro 2.5/0.08 160/0-2.5».
3. 2/0.05 160/- – доступный китайский объектив, близкий по коррекции к планахроматам. Обозначен как «PRC 2/0.05 160/-».

Результаты тестирования по объект-микрометру проходящего света представлены ниже.

Далее – снимки в отраженном свете.

Хорошо видно, что китайский телецентрик Plan 2.5/0.08 просто-напросто не покрывает поле 30 мм: размер его передней линзы равен примерно 10 мм, потому он физически не может покрывать поле более 25 мм. Качество формируемого этим объективом изображения в целом низкое: уровень сферохроматизма очень высок, есть заметный латеральный хроматизм и очень сильный астигматизм. Основное преимущество объектива – отсутствующая дисторсия и телецентричность. Эти качества делают объектив пригодным для работы с измерительными приборами, но для фотосъемки он крайне плох.

Китайский 2/0.05 160/- объектив обладает неплохой коррекцией сферохроматизма и имеет почти плоское поле, но его качество по полю сильно снижено из-за астигматизма. Тем не менее, даже при меньшей апертуре и кратности этот объектив по передаче деталей предмета не особо уступает телецентричному Plan 2.5/0.08. Этот простенький объектив определенно можно рекомендовать для фотосъемки, хотя его нетелецентричность и заметная дисторсия делают его неподходящим для измерений.

Наконец, ЛОМО 2.5/0.08 является наилучшим среди испытуемых по качества изображения. В центре кадра можно наблюдать остаточные сферические аберрации при минимуме хроматизма – хотя качество едва ли дифракционное, так что неудивительно, что в экспортной модификации объектив не стали называть планапохроматом. По полю резкость снижена из-за остаточных кривизны, астигматизма и латерального хроматизма, но все же находится на достойном уровне. Объектив имеет заметную дисторсию и нетелецентричен, потому не подходит для многих технических задач, зато хорошо подходит для фотосъемки.

Далее приведены примеры фото, выполненные на ЛОМО 2.5/0.08 и Sony NEX-6 (APS-C, 30 мм) с применением стекинга. На фото: 1) Кристалл фосфида галлия, 2) Иглы пентаоксида ванадия на подложке газового сенсора, 3) Молибдоманганат(IV) аммония, 4-5) Трисоаксалатованадат(III) калия (светлое поле и поляризация).

Затем – снимки без применения стекинга. На фото: 1) Иглы пентаоксида ванадия на подложке газового сенсора, 2) Молибдоманганат(IV) аммония, 3-4) Трисоаксалатованадат(III) калия (светлое поле и поляризация), 5) Окрашенный срез стебля растения; 6) Окрашенный препарат спинного мозга; 7-8) Шлифы горных пород в поляризации.

Выводы

ЛОМО 2.5/0.08 – хороший, но редкий объектив, пригодный для микрофотографии. Достигаемое увеличение 2.5× не является чем-то уникальным – в мире фототехники существует множество продвинутых высококачественных современных решений типа TTArtisan 100/2.8 Macro Tilt-Shift или Laowa 24mm T8 2X Macro Pro2be, но конкретно микрообъективов с увеличением менее 3×, совместимых со стандартом DIN для микроскопов с конечным тубусным расстоянием, доступно очень мало. Хотя у китайцев есть неплохой дешевый 2/0.05 объектив, его уровень качества все же ниже, чем у ЛОМО 2.5/0.08. Пожалуй, этот объектив нуждается в реинкарнации с применением современных материалов и покрытий: как было показано в этой статье, простая оптическая схема типа «Таир» очень хорошо показывает себя с новыми стеклами CDGM.

Еще обзоры микрообъективов здесь.