Объективы ЛОМО 40×/0.65 МШ и 40×/0.65 ОХ-1: сравнение, моделирование и тест

Материал по объективу специально для Радоживы подготовил Родион Эшмаков.

Объективы с кратностью 40× в комплектации биологических микроскопов можно считать по праву самыми важными: они все еще обычно не требуют использования иммерсии, а их числовая апертура уже достаточно велика для наблюдения единичных клеток. Такие объективы находят повсеместное применение в медико-биологической лабораторной практике. В СССР для массовых учебных и рабочих биологических микроскопов производили всего два не требующих иммерсии объектива с увеличением 40×: это старый объектив МШ и более новый ОХ-1.

Объектив МШ производили еще на заводе «Прогресс», позже вошедшем в состав ЛОМО, а также на НПЗ в Новосибирске. Его расчет, по-видимому, основан на крайне похожем довоенном объективе Carl Zeiss Jena 40×/0.65. По-видимому, этот очень старый объектив в производстве пробыл приблизительно до 1970-х годов в своем стандартном исполнении, а фазовоконтрастный объектив ФМШ для конденсоров КФ-1 и КФ-4 – и того дольше. Комплектовались объективом МШ такие микроскопы, как М-9, М-10, МБИ-1, МБИ-3 и МБР-1.

ЛОМО ОХ-1 пришел на смену объективу МШ вместе с новыми микроскопами Биолам, сменившими микроскопы МБИ и МБР. Визуально главным отличием от предшественника стало наличие пружины, снижавшей риск раздавить препарат. Однако была переработана и оптическая схема объектива.

Это статья посвящена исследованию и сравнению объективов МШ и ОХ-1 как методом прямого тестирования качества изображения, так и при помощи моделирования оптических схем. Кроме того, выполнено сравнение с более сложными и современными объективами Carl Zeiss Jena 40/0.65 160/0.17 (DIN) и китайским объективом Plan 40/0.65 160/0.17 из этого комплекта оптики.

Содержание

• Технические характеристики
• Механическая конструкция
• Анализ оптической конструкции
• Пример расчёта качественного 40x объектива
• Сравнительный тест и примеры фотографий
• Выводы

Технические характеристики

Источник – справочник «Вычислительная оптика» под ред. М.М. Русинова, Л., 1984 г., с. 336.
Оптическая схема – 5 линз в 3 группах (МШ), 6 линз в 3 группах (ОХ-1);

Тип коррекции – ахроматы;
Тубусное расстояние – 160 мм;
Парфокальное расстояние – 33 мм (стандарт RMS);
Кратность увеличения – 40×;
Числовая апертура – 0.65;
Толщина покровного стекла – 0.17 мм (без стекла качество изображения снижается);
Рабочее расстояние – 0.55 мм (МШ), 0.70 мм (ОХ-1);
Хроматическая разность увеличения – не исправлена (для работы требуются компенсационные окуляры К);
Требуется иммерсия – нет;
Тип крепления – стандарт RMS (резьба 4/5” × 1/36”);
Особенности – микроскопные объективы, не имеют ирисовой диафрагмы и фокусировочного механизма.

Механическая конструкция объективов

Объективы МШ и ОХ-1 изготовлены в корпусах из хромированной латуни. ЛОМО ОХ-1 отличается наличием пружины, которая позволяет при столкновении с предметом при неосторожной фокусировке минимизировать повреждения как самого предмета, так и фронтальной линзы объектива. Более старый МШ пружины не имеет, что часто становится уже достаточно веской причиной от него отказаться.

Линзоблоки объективов собраны с применением центрировки среднего компонента через отверстия в корпусе – это означает, что если даже просто было ослаблено стопорное кольцо, фиксирующее линзы в объективе, то придется выполнить центрировку второго компонента вручную.

Первый и последний компоненты обоих объективов установлены в латунных оправах под автоколлимационную сборку. Между первой линзой и средним компонентом в объективе ОХ-1 есть тонкие кольца-прокладки для точной установки межлинзового расстояния. Ниже приведены фотографии неисправного объектива МШ в разборе с рубашками от объектива производства НПЗ и фазового объектива Прогресс.

Далее – фотографии разобранного неисправного объектива ЛОМО ОХ-1.

Как можно заметить, линзы объектива ОХ-1 имеют просветляющее покрытие с фиолетовым цветом блика (однослойное просветление, напыленный в вакууме фторид магния), а оптика МШ просветления не имеет. Вообще, это большая редкость, чтобы массовый советский объектив для микроскопов вдруг имел оптику с антибликовым покрытием: такого не удостоился ни один другой из штатных ахроматов/планахроматов для микроскопа «Биолам» – План 3.5×/0.1 ОМ-3, План 9×/0.2 ОМ-2, 20×/0.4 ОМ-27, 90×/1.25 МИ ОМ-41. Другое дело, что качество чернения залинзового пространства что у МШ, что у ОХ-1 откровенно плохое – покрытия совсем нельзя назвать матовыми.

ЛОМО ОХ-1 выполнен в целом на стандартном для недорогих объективов-ахроматов уровне, не хуже аналогичных по классу дешевых китайских объективов. А вот МШ конструктивно очень отстает: 40× объектив с коротким рабочим расстоянием и без пружины – это печально. Даже самые новые его фазовые варианты тоже были без пружины. К слову, ОХ-1 в фазовоконтрастном исполнении в серии не существовало.

Анализ оптической конструкции объективов

Оптический расчёт объектива МШ 40×0.65 приведен в книге «Микроскопы» (Г.Е. Скворцов, В.А. Панов, Н.И. Поляков, Л.А. Федин; Л.: «Машиностроение», 1969 г., с. 182).

Объектив имеет очень простую оптическую схему, которую обычно использовали в объективах меньшей кратности – 20×/0.4 и 10×/0.3. В объективе не используются никакие специальные оптические материалы – кристаллы или стекла с аномальной дисперсией. Интересно, что стекла К3 и Ф2, судя по всему, являются полными аналогами по характеристикам очень старых стекол Шотт. В актуальный каталог материалов ЛЗОС они не входят.

При помощи моделирования оптической схемы объектива в Zemax 13 были рассчитаны графики аберраций объектива, диаграммы пятен и частотно-контрастная характеристика для спектрального диапазона 400-700 нм. Объектив имеет выраженную кривизну поля изображения, потому расчёт произведен для поля диаметром 20 мм и радиусом кривизны 10 мм.

Как можно заметить, столь простой оптический дизайн объектива вообще не способствует достижению сколь угодно хорошей коррекции аберраций. Так, сферические аберрации и сферохроматизм в МШ исправлены ну очень плохо. Насколько? А вот настолько: между пучками зеленого света для срединной зоны зрачка и краевой разность позиций фокуса составляет аж 10 мм! Более того, для краевой зоны объектива разность положения фокуса для зеленого и синего составляет же 50 мм! Это же сущий кошмар, иначе и сказать нечего.

Отдельно стоит сказать и про коррекцию поля: с ней все настолько плохо, что даже сфера с радиусом 10 мм (максимальная кривизна для поля диаметром 20 мм) не подходит под кривое поле объектива. Очень плохо исправлен и астигматизм, есть значительная остаточная кома. Естественно, нет исправления латерального хроматизма – объектив требуется использовать с компенсационными окулярами, про съемку в прямом фокусе можно забыть.

Отвратительную коррекцию объектива отражают и кривые частотно-контрастной характеристики. Так, в идеале объектив мог бы иметь коэффициент передачи контурного контраста (10 лин/мм) 0.77, детализации (30 лин/мм) – 0.35. Фактически имеем 0.5 и 0.18, соответственно. Если сравнивать с фотооптикой, то это качество на уровне двухлинзового перископа «Главучтехпром». То есть качества нет!

С объективом ОХ-1 40×/0.65 история оказалась сложнее. Так, его расчёт не приведен в источниках. Есть только параметры двух его склеенных компонентов, приведенные в книге “Проектирование и контроль оптики микроскопов” (Т.А. Иванова, В.К. Кирилловский, Л.: Машиностроение, 1984, с. 16). Не хватает, соответственно, параметров передней линзы и марки примененного в ней оптического стекла.

Сначала я посчитал, что в объективе сюрпризов можно не ждать, и что передняя линза наверняка будет сделана из чего-то по типу банального стекла К8, по аналогии с МШ. Я попробовал восстановить расчет, выполнив оптимизацию в Zemax с заданными ограничениями, связанными с известными параметрами схемы объектива, но результат мало был похож на действительность. Затем мною в Сети было обнаружено изображение сводки об объективе ОХ-1, составленной, по-видимому, в старой программе OSLO для расчёта оптических систем, и опубликованной одним из бывших инженеров ЛОМО Дмитрием Фроловым.

По картинке можно было предположить, что в объективе передняя линза отличается по типу материала от остальных положительных. Кроме того, некоторые выводы можно было сделать и о ее толщине и кривизне. Рентгенофлуоресцентный анализ фронтальной линзы объектива ОХ-1 показал, что она выполнена из стекла ТК16 с показателем преломления 1.61, что на 0.1 выше, чем у типичного стекла типа К – это очень существенная разница.

Таким образом, была восстановлена принципиальная оптическая схема объектива. Путем оптимизации схемы в Zemax с фиксацией заведомо известных параметров был получен расчёт, который отражает характеристики реального объектива, хотя, конечно же, не в полной мере точно.

Этот объектив принципиально отличается от МШ наличием тройной склейки с поверхностью Мерте между линзами из стекол БФ12 и Ф1. Эти материалы несильно различаются по показателю преломления и дисперсии, но имеют схожие значения относительной частной дисперсии для синей области спектра. Это позволяет лучшим образом исправить сферохроматические аберрации объектива. Далее, в этой же склейке вместо стекла типа К3 применен легкий крон ЛК6, который отличается низкой дисперсией с небольшим аномальным отклонением по типу ланг-крона, что также хорошо для исправления хроматизма. Наконец, очень благоприятным для исправления сферической аберрации является применение стекла с более высоким по сравнению с К3 показателем преломления в первой линзе объектива.

Результаты моделирования в Zemax объектива типа ОХ-1 приведены ниже.

Первое, что хочется отметить – в объективе типа ОХ-1 действительно намного лучше контролируется сферическая аберрация по сравнению с МШ: в целом разница зональной сферической аберрации составляет около 5 мм, что вдвое меньше, чем для МШ. Для красной и зеленой области спектра коррекция весьма неплоха. Примерно в два раза по сравнению с МШ снижен и сферохроматизм объектива.

С кривизной поля изображения все по-прежнему плохо, но коррекция астигматизма и комы чуть-чуть улучшилась. Латеральный хроматизм находится на том же уровне, что и у МШ.

Кривые ЧКХ свидетельствуют также об улучшении качества изображения, но в целом оно все еще очень низкое по меркам фотографических объективов даже на оси: уровень исправления сферохроматизма в этом объективе все еще является недостаточным, а про полевые аберрации и говорить нечего. Тем не менее, по сравнению с МШ прирост качества весьма ощутим. Особенно если учесть, что это было достигнуто без применения экзотических материалов и существенного изменения-усложнения схемы.

Расчет качественного 40× объектива без иммерсии

Экзотические материалы объективу ОХ-1 очень бы помогли, ведь в нем уже достигнута хотя бы хорошая коррекция сферической аберрации для зелено-красной области спектра. Так, если просто заменить материалы линз в ОХ-1 на некоторые модельные стекла с аномальными отклонениями дисперсии, подобными реальным стеклам с похожими параметрами, то качество изображения становится уже гораздо близким к дифракционному в центре поля. При этом объектив по полю, естественно, лучше не становится.

Единственный вариант переломить ситуацию в корне – это изменить компоновку объектива. Так, для исправления полевых аберраций объектив 40× должен содержать менисковые корректоры – как минимум один в качестве фронтального элемента и еще один в качестве заднего компонента. Именно таким образом устроен, например, Carl Zeiss Jena Planachromat 16/0.32. Важно, что передняя линза объектива должна иметь как можно больший показатель преломления и как можно меньшую дисперсию – это, вообще говоря, противоречащие друг другу требования.

Более того, если требуется высококачественное исправление кривизны и астигматизма для больших полей, то задний элемент преобразуется обычно в подобие объектива типа двойного Гаусса – в два обращенных вогнутыми поверхностями друг к другу составных мениска (патент US7907348B2, 2011).
Коррекция сферохроматических аберраций требует использования материалов с аномальной дисперсией – стекол типа флюорита, особых флинтов. Очень удобным (для расчета, но не для сборки) является применение тройных склеек.

Для исправления латерального хроматизма в составном заднем компоненте объектива следует использовать обратную комбинацию крона и флинта, а в передней линзе применять стекло с как можно меньшей дисперсией.

С учетом приведенных замечаний мною был рассчитан объектив-планапохромат с параметрами 40×/0.75 для поля размером до 30 мм (кадр APS-C), не требующий применения компенсационных окуляров. Его принципиальная схема и графики, иллюстрирующие оптические свойства, приведены далее.

Этот объектив по уровню качества уже можно сравнивать с привычной фотооптикой. В центральной области поля в большей степени разрешение лимитирует дифракция, нежели аберрации объектива.

Большие сложности при расчете таких объективов связаны с тем, что в обратном ходе лучей они, по сути, являются суперсветосильными телевиками с дифракционным качеством изображения. Так, этот объектив в обратном ходе лучей имеет относительное отверстие F/0.7. Контроль одних только сферических аберраций в таком случае представляет совсем нетривиальную задачу. Знаете ли вы хоть один фотообъектив с F/0.7 и дифракционным качеством?

Сравнительное тестирование объективов МШ и ОХ-1

Тестирование объективов проводили путем фотосъемки объект-микрометра проходящего света с покровным стеклом на камеру Sony NEX-6, установленную на микроскоп М-10. Для освещения использовали конденсор ОИ-10 и источник Ulanzi L2. На первом этапе провели сравнение объективов МШ и ОХ-1 с Carl Zeiss Jena 40/0.65 160/0.17 и китайским Plan 40/0.65 160/0.17 из этой линейки в прямом фокусе. Объективы Zeiss и китайский планахромат, по-видимому, выполнены по одной принципиальной оптической схеме.

Фотографии на испытуемые объективы и кропы снимков представлены далее.

Наилучшее качество изображения имеет современный китайский объектив-планахромат – что в центре поля, что по краю. Этот объектив обладает наилучшим образом исправленной сферической аберрацией, наименьшей кривизной поля, наименьшим уровнем латерального хроматизма, наилучшим общим контрастом изображения, но также обладает заметным виньетированием.

Объектив Carl Zeiss Jena 40/0.65 160/0.17 (DIN) по свойствам похож на китайский объектив и даже несколько лучше него по коррекции продольного хроматизма, не имеет виньетирования, но уступает по степени исправления сферической аберрации, кривизны поля и латерального хроматизма. А еще он заметно желтит.

ЛОМО ОХ-1, внезапно, оказался лучшим объективов по коррекции сферохроматических аберраций в центре поля: на кропе центральной вообще не видать сильных фиолетовых ореолов. Но кривизна поля и латеральный хроматизм у него очень сильные.

Объектив МШ имеет изображение очень низкого качества даже в центре поля, совсем неконтрастное из-за сильных сферических аберраций и банального отсутствия просветления линз. Качество по полю также очень плохое.

Разумеется, такой тест не дает хорошего представления о качестве объективов МШ и ОХ-1 в реальных условиях применения – с компенсационными окулярами. Через самодельную «релейную систему» (немного подробнее о ней – здесь) из компенсационного окуляра МЛ-2 5× и объектива WitrueHD 75/2.8 был проведен тест системы с компенсацией латерального хроматизма.

В этой ситуации объектив ОХ-1 по-прежнему остается значительно лучшим по сравнению с МШ, в том числе и по качеству изображения по полю. Объектив МШ обладает слишком сильными комой и астигматизмом. Снижение качества изображения ОХ-1 на краю поля может быть связано с влиянием астигматизма окуляра, который сам по себе далек от совершенства.

Наконец, при помощи той же «релейной системы» на камеру Sony NEX-6 были получены фотографии реальных объектов. Все снимки были сделаны с покровными препаратами. Фото без применения стекинга.

На фото: 1) Окрашенный препарат спинного мозга, 2) Шлиф осадочной породы, 3-4) Кристаллы серы, 5-7) Кристаллы серы при освещении по методу темного поля (конденсор ОИ-10).

Примеры на объектив ЛОМО МШ 40×/0.65:

Далее фотографии на объектив ЛОМО ОХ-1:

Нетрудно заметить, что объектив ОХ-1 и на реальных предметах демонстрирует значительно лучшее качество изображения.

Следующие снимки сделаны в тех же условиях, но с использованием стекинга.

На фото: 1) Окрашенный препарат спинного мозга, 2) Шлиф осадочной породы, 3-4) Кристаллы серы.

Примеры на объектив ЛОМО МШ 40×/0.65:

Далее фотографии на объектив ЛОМО ОХ-1:

Со стекингом, когда устранены проблемы с глубиной резкости, преимущество ОХ-1 над МШ становится еще более очевидным.

Выводы

Объектив ЛОМО ОХ-1 40×/0.65 по сравнению даже с более сложными, дорогостоящими и современными решениями оказывается более чем адекватным по качеству изображения в центральной области изображения в пределах поля ~20 мм. Проблемой объектива является необходимость его использования в паре с компенсационными окулярами типа советских К7× или К15×, которые имеют сами по себе весьма скромные параметры и посредственное качество, а также недоступны для приобретения новыми. ЛОМО ОХ-1 имеет удобную механическую конструкцию, выполнен на сравнимом с самой бюджетной китайской оптикой технологическом уровне. Притом объектив является очень распространенным и доступным на вторичном рынке, а потому может быть хорошим бюджетным вариантом прежде всего для визуальных наблюдений.

Объектив МШ, напротив, является объективом, который плох во всех отношениях. Оптическая схема более чем столетней давности без какой-либо работы над материалами явно не обеспечивает хоть сколько-то приличного уровня коррекции искажений. Механическая конструкция без пружины неудобна. Просветления оптики нет. Объектив подойдет для интерьера, в коллекцию (наверное, интересно собирать все выпущенные подверсии объектива МШ – их очень много разных), но только не нужно в него смотреть и, тем более, фотографировать.

Тестирование также наглядно показало, что массовая оптика ЛОМО уже потеряла всякий смысл из-за наличия у китайских производителей недорогих объективов с уровнем качества выше, чем у старого массового Восточного Цейсса. Эти китайские объективы отличаются исправленным латеральным хроматизмом и не требуют использования компенсационных окуляров, благодаря чему подойдут для микрофотографии в прямом фокусе, а также для визуальных наблюдений с качественными, комфортными современными окулярами.

Еще обзоры микрооптики здесь.