Объектив микроскопа Plan 100/1.25 oil 160/0.17. Мысли о 100× объективах

Материал специально для Радоживы подготовил Родион Эшмаков.

Объектив Plan 100/1.25 oil 160/0.17 предназначен для биологических микроскопов с конечным тубусным расстоянием. Это «старший» объектив в линейке недорогих (~40-50$) китайских планахроматов с исправленным латеральным хроматизмом (хроматическая разность увеличений, ХРУ): Plan 4/0.1, Plan 10/0.25, Plan 20/0.4 и Plan 40/0.65.

Plan 100/1.25 – иммерсионный объектив, то есть для его применения на образец помещается капля специального иммерсионного масла (не подсолнечного и не моторного) с определенным показателем преломления (nD=1.515) и прямо в нее погружается передняя линза объектива. Это необходимо для обеспечения высокой числовой апертуры NA=1.25: в воздушной среде из-за явления полного отражения числовая апертура не может превышать 0.95. Многие не любят использовать иммерсионные объективы из-за нежелания пачкать препарат, объектив, микроскоп, руки, стол, пол (в зависимости от кривизны рук) маслом. К тому же, для реализации апертуры 1.25 иммерсия нужна еще и для конденсора. На самом же деле масляная иммерсия решает множество других проблем, связанных с использованием высокоапертурной оптики, в ряде ситуаций такие объективы могут на самом деле быть полезны.

А нужен ли вообще 100× объектив?

Как правило, 100× объектив является самым высокоапертурным в комплекте и предназначен для наблюдений с наибольшей детализацией предмета. Однако возможность различать новые подробности объекта не означает высокую резкость видимого изображения. Абстрагируясь от вопроса аберраций объектива и качества освещения, можно легко показать, что резкость изображения определяется соотношением числовой апертуры и увеличения. Так, если небезосновательно считать объектив типа 10×/0.25 достаточным для более-менее (!) комфортной работы с APS-C матрицами камер, то отношение увеличения и NA должно быть равно 40:1. Следовательно, объектив с увеличением 100× должен обладать числовой апертурой 2.5, что совершенно невозможно реализовать: на практике NA всегда меньше показателя преломления иммерсионной среды (для масляной иммерсии NA ограничена 1.5). Таким образом, объектив с параметрами 100×/1.25 имеет даже в идеальном случае вдвое меньшее качество изображения, чем того реально требует система, а это означает, что совершенно любой 100× объектив микроскопа не будет давать резкого изображения, подобного обычной фотооптике.

Спрашивается, а зачем тогда вообще делают 100× объективы, если они все буквально мыльные? Причин несколько. Расчёт высокоапертурных объективов ужасно сложен, ведь по своей конструкции они напоминают экстремально светосильные (~F/0.3 в обратном ходе лучей) экстремально ретрофокусные (как будто Laowa 9/5.6 для отрезка Pentacon Six сделать нужно) фотообъективы. Исправление полевых аберраций, особенно чудовищно сложных искажений высших порядков, зависящих от развиваемого углового поля, становится кошмаром и попросту невозможно при простой технологичной оптической конструкции. Объектив типа 50×/1.25 был бы кратно сложнее и дороже в производстве, чем 100×/1.25, что сделало бы их просто недоступными в отраслях (медицинская диагностика, сфера образования), где существует высокая потребность в такого рода оптике чтобы просто хоть как-то, неважно уже с каким качеством, но разглядеть требуемые детали в предмете. С другой стороны, есть примеры, когда за счет применения современных технологий, новых оптических стекол оказывается возможным создание относительно простых и доступных объективов с близким к приемлемому соотношению увеличение:апертура. Из советско-российских разработок можно отметить ЛОМО МИ 50/1.0 160/0.

На мой взгляд, в настоящее время главными причинами распространенности и популярности именно 100× объективов являются инерция мышления и маркетинг. Ведь если бюрократ (или далекий от оптики папаша) закупает в какую-то организацию (или сыночке-корзиночке) микроскоп, то, конечно, на бумаге «диапазон увеличений 40-1000×» звучит круче, чем «40-500×», а то, что количество увиденных подробностей не от этого зависит – говорить не обязательно. Особенно наглые и альтернативно одаренные продавцы еще и окуляр короткофокусный поставят, чтобы увеличение было уже 3000× – что, в общем-то, уже диапазон для сканирующего электронного микроскопа. Инерция мышления же заключается в том, что в течение почти ста лет объективы типа 90×/1.25, рассчитанные еще в XIX веке Эрнстом Аббе, были единственной опцией с такой апертурой в подавляющем большинстве микроскопов. А сегодня это выглядит так: немцы делали, они знали зачем, мы тоже будем делать! Именно потому в этом обзоре представлен недорогой планахромат 100/1.25, а не 50/1.25.

Технические характеристики

Оптическая схема – не предоставлена производителем, вероятно – классический вариант планахромата Богехольда с менисковым корректором;
Тип коррекции – планахромат;
Тубусное расстояние – 160 мм;
Парфокальное расстояние – 45 мм;
Кратность увеличения – 100×;
Числовая апертура – 1.25;
Рабочее расстояние – ~0.3 мм (до покровного стекла);
Толщина покровного стекла – 0.17 мм (иммерсия позволяет использовать объектив и без стекла, и с более толстыми стеклами – в пределах рабочего расстояния);
Пружина линзоблока – есть;
Тип крепления – стандарт RMS (резьба 4/5” × 1/36”);
Особенности – микроскопный объектив, не имеет ирисовой диафрагмы и фокусировочного механизма.
Стоимость – ~40-50$ (можно приобрести новым здесь).

Конструкция и исполнение

Дизайн и внешняя отделка объектива достойны похвал: корпус полностью сделан из латуни, качество обработки деталей очень хорошее. Линзоблок объектива подпружинен, что для иммерсионных объективов – вопрос выживания: в силу экстремально короткого рабочего расстояния при фокусировке очень легко столкнуться с препаратом и повредить переднюю линзу и/или сам препарат. Пружина защищает от мгновенного наступления последствий – с ней испортить объектив дано только исключительно настойчивым.

Хотя торцы линз зачернены явно не все, в целом уровень светозащиты хороший: внутри явным образом ничего не блестит. Объектив собирается с «ручной» центрировкой линз, потому без острой нужды лезть в него не нужно – есть риск потом не собрать. Оптика имеет просветление с бликами зеленого и розового цветов, как на качественных современных фотообъективах. К сожалению, спектр светопропускания объектива записать при помощи имеющегося оборудования не удалось.

Интересно, что этот недорогой объектив словно битком набит линзами, что косвенно указывает на неплохую коррекцию – с пустым корпусом ни плоского поля, ни коррекции латерального хроматизма при таких параметрах добиться принципиально невозможно. Первая линза имеет плоскую поверхность, что для объективов масляной иммерсии типично: предпочтительная для качества изображения вогнутая поверхность была бы проблемой из-за образования пузырей воздуха в полости при погружении объектива в среду. Необходимость выполнения линзы плоской автоматически заставляет использовать в качестве ее материала стекло с преломлением, равным преломлению иммерсионной среды. Преломлению масла соответствуют обычные силикатные и боросиликатные кроны типа CDGM H-K7, H-K9L. Спектр рентгеновской флуоресценции передней линзы объектива в сборе, однако, не выглядит как спектр крона – но это только по причине малой толщины первой линзы объектива. Сквозь нее буквально просвечивают следующие – уже выполненные из более высокопреломляющих материалов. Именно потому в спектре присутствуют пики, соответствующие лантану.

Спектр задней линзы соответствует тяжелому бессвинцовому (ниобий-титановому) флинту – типичный выбор для подобных объективов, имеющих развитую заднюю группу линз, обеспечивающую исправление кривизны поля и латерального хроматизма.

Маловероятно, что объектив использует какие-либо особые стекла типа низкодисперсных кронов или особых флинтов – китайцы бы в таком случае непременно написали что-то в духе «Semi-APO» / «S-APO» / «Fluor». Так что в целом объектив Plan 100/1.25 исполнен качественно, но без особых изысков в плане оптической конструкции.

Оптическое качество. Сравнительный тест

Для сравнения были получены фотографии объект-микрометра проходящего света в прямом фокусе на камеру Sony NEX-6 с использованием для освещения конденсора ЛОМО ОИ-14 с масляной иммерсией (числовая апертура 1.4). Для тестирования выбраны следующие объективы масляной иммерсии:

1) Китайский ахромат 100/1.25 OIL 160/0.17 стандарта DIN, вариант с серебристым корпусом – обычный дешевый объектив, которым комплектуются микроскопы начального уровня. Представители той же линейки оптики: ахроматы 4/0.1, 10/0.25, 20/0.4.

2) Китайский планахромат Plan 100/1.25 OIL 160/0.17 «короткий дизайн») – формально объектив того же класса, что и представленный в обзоре. На деле отличается от него более короткой оптической схемой – почти половина пространства линзоблока не содержит линз. Отстутствие прямо у резьбы крепления характерной менисковой линзы – отличительная черта для опознания объектива. Этот мениск есть, но запрятан в глубине корпуса. Другие объективы линейки: Plan 4/0.1, Plan 20/0.4.

3) Старый ахромат ОМ-41 ЛОМО МИ 100/1.25 (он же 90/1.25) стандарта RMS. Штатный объектив микроскопов МБИ, МБР, Биолам.

4) Китайский планахромат Plan 100/1.25 oil 160/0.17 (представлен в этой статье). «Длинная» оптическая схема с характерным мениском у опорной плоскости – отличительная черта.

5) Ахромат Carl Zeiss Jena HI 100/1.25 160/0.17-A – довольно редкий объектив, оснащенный ирисовой диафрагмой для работы с конденсорами темного поля. Отличительные особенности – буква А в названии (есть визуально такой же без нее – оптически совсем другой), ирисовая диафрагма, характерный мениск рядом с опорной плоскостью объектива.

6) Ахромат ЛОМО МИ 50/1.0 160/0 – поздний ЛОМО (комплект Бимам/Микмед-2), нечастый объектив, оснащенный ирисовой диафрагмой для работы с конденсорами темного поля. Спутать с чем-либо нереально.

Тестируемые объективы изображены на фото ниже.

Далее приведены фото на Plan 100/1.25 oil 160/0.17, а также кропы снимков в сравнении с другими испытуемыми.

Как можно заметить, представленный в обзоре объектив существенно уступает по оптическому качеству в центральной области CZJ HI 100/1.25 160/0.17-A из-за высокого уровня хроматических аберраций. Даже древний ЛОМО ОМ-41 в центре не то чтобы выглядит сильно хуже. Но самое смешное, что ЛОМО 50/1.0 МИ при 200% кропе в центральной области обеспечивает такой же уровень качества, что как раз и подтверждает лишний раз бесполезность увеличения 100×.

По полю в прямом фокусе из всех представленных объективов приемлемо работают только Цейсс и представленный в обзоре Plan 100/1.25 – только они обладают исправленным в достаточной мере латеральным хроматизмом. При этом объектив Zeiss обладает выраженной кривизной поля и существенным уровнем астигматизма по сравнению с китайским планахроматом. Остальные протестированные объективы требуют использования компенсационных окуляров для наблюдения.

Таким образом, Plan 100/1.25 oil 160/0.17 – это очень компромиссное решение. Объектив уже работает нормально с обычными окулярами, в том числе – широкопольными (~вплоть до 30 мм), но коррекция сферохроматизма даже хуже, чем у старых дешевых ахроматов. В целом, это ожидаемо, поскольку специальных материалов в объективе нет – в таком случае за коррекцию латерального хроматизма приходится платить раздутым хроматизмом продольным.

Далее приведены примеры кадров на Plan 100/1.25 и Sony NEX-6, сделанные в прямом фокусе. На фото: 1-5) Микрокристаллический образец пигмента пирофосфата аммония-марганца, 6-11) Неправильные кристаллы алюмокобальтовой шпинели, полученной по методу Печини; 12-18) Кристаллы молибденовой сини (в скрещенных поляризаторах); 19-20) Окрашенный мазок крови человека; 21-22) Окрашенный препарат мышечной ткани сердца; 23-25) Панцири диатомовых водорослей.

Выводы

Мало того, что получить резкие кадры с объективов типа 100×/1.25 – задача практически невыполнимая в силу реальных физических ограничений, так еще и сам по себе объектив Plan 100/1.25 не отличается высоким оптическим качеством. Так что для фотосъемки с эстетическими целями он подходит не очень. Другое дело, что в отличие от доступных аналогов этот недорогой объектив хотя бы имеет большое неплохо исправленное плоское поле без латерального хроматизма и более-менее исправленные сферические аберрации, что делает его хорошим вариантом для визуальным наблюдений, для комплектования рабочих и учебных микроскопов.