Обзор микроскопного объектива-планахромата L Plan 20x0.40 ∞/0 F=200 WD=12

Материал по объективу специально для Радоживы подготовил Родион Эшмаков.

Объективы с кратностью увеличения 20x, как правило, не входят в штатный комплект оптики современных микроскопов, где отдают предпочтение набору 4-10-40-100x. Объективы 20x, занимающие пограничное положение между оптикой средних и больших увеличений, приобретаются отдельно. Тем не менее, представленный в обзоре объектив L Plan 20/0.40 с увеличенным рабочим расстоянием («металлографический») является штатным для портативного рамановского микроскопа B&W Tek i-Raman Plus BAC151C, построенного по схеме с «бесконечным» тубусом.

Технические характеристики

Оптическая схема – ретрофокусная, неизвестна;
Тип коррекции – планахромат;
Тубусное расстояние – бесконечность, рассчитан для тубусной линзы F=200 мм;
Кратность увеличения – 20x;
Числовая апертура – 0.4;
Фокусное расстояние – 10 мм;
Рабочее расстояние – 12 мм;
Толщина покровного стекла – 0 мм;
Компенсационный объектив – нет;
Требуется иммерсия – нет;
Тип крепления – стандарт RMS (резьба 4/5” x 1/36”);
Особенности – микроскопный объектив, не имеет ирисовой диафрагмы и фокусировочного механизма.

Об устройстве микроскопа с «бесконечным» тубусом

Микроскопы с так называемым «бесконечным» тубусом пришли на смену старым классическим системам тогда, когда появилась необходимость создания модульных систем, вносящих новые оптические элементы (фильтры, призмы, светоделители) в пространство между объективом и окуляром микроскопа. Как известно, в сходящемся световом пучке введение плоскопараллельной пластины приводит к падению качества изображения, в то время как в параллельном – не влияет на аберрации системы. Потому подавляющее большинство современных многофункциональных микроскопов построены по этой схеме.

Объективы для систем с «бесконечным» тубусом не могут быть использованы сами по себе без дополнительных приспособлений для получения микрофотографий без потери качества. По сути, они являются перевёрнутыми и уменьшенными копиями обычных фотообъективов, рассчитанных для работы на бесконечность: то, есть то, что у фотообъектива было изображением, у микрообъектива является предметом. Для того, чтобы рассчитанный на бесконечность микрообъектив строил изображение наилучшего качества и в правильном масштабе, его нужно сочетать с еще одним объективом, который обычно называют тубусной линзой.

«Тубусная линза» – это (вероятно) жаргонное название объектива, который фокусирует выходящий из микрообъектива параллельный пучок света на матрицу камеры или в окуляр. В самых простых системах, рассчитанных для поля не более 22 мм, тубусная линза выполнена как ахроматический дублет с фокусным расстоянием 180-200 мм и относительным отверстием ~1:8-1:10. В таком случае при использовании обычных объективов с ахроматической коррекцией без варьирования расстояния между объективом и тубусной линзой обеспечивается уровень качества изображения, лимитированный качеством микрообъектива. Если же, напротив, микрообъектив имеет очень высокое оптическое качество, большие апертуру и поле, а также если требуется увеличение расстояния между тубусной линзой и объективом (например, для установки дополнительных модулей), то и тубусная линза должна иметь более сложную конструкцию. Так, например, некоторые системы Nikon, по всей видимости, используют маленькие объективы-анастигматы типа «Таир» 200/8 (WO2023120104A1) для лучшей коррекции сферохроматизма и астигматизма в области 430-650 нм, но и этого недостаточно для работы в типичном для фотокамер диапазоне 400-700 нм с размером матрицы 36×24 мм.

Схема микроскопа с бесконечным тубусом может быть составлена и из обычных фотообъективов. Для этого необходимо выбрать длиннофокусный объектив с хорошо исправленным хроматизмом в качестве тубусной линзы и короткофокусный объектив с очень хорошим исправлением сферохроматизма в качестве микрообъектива. Длиннофокусный объектив устанавливается в прямом положении на камеру и фокусируется на бесконечность, а короткофокусный должен быть установлен в реверсном положении перед длиннофокусным. В таком случае увеличение будет определяться как F(длиннофокусного объектива) ÷ F(короткофокусного объектива).
Ниже показан пример такой системы с увеличением 2x и числовой апертурой 0.1 (вдвое больше, чем для простых 2x объективов), составленной из двух посчитанных мною объективов-планапохроматов для стереомикроскопа – одного 90 мм f/4.5 и другого 180/4.5.

Важно отметить, что существуют компенсационные системы с бесконечным тубусным расстоянием, где исправление аберраций объектива (главным образом – латеральных хроматических аберраций) может достигаться либо в окуляре, либо в тубусной линзе. Иными словами, проблема выбора объективов для фотосъемки по-прежнему есть: не все объективы под микроскопы с бесконечным тубусом способны формировать качественное изображение без специально разработанных для них окуляра или тубусной линзы.

Конструкция объектива

Объектив L Plan 20×0.4 выполнен в корпусе из никелированной латуни. Масса объектива довольно велика по сравнению с простейшими 10×0.25 ахроматами. Декоративная часть корпуса объектива, как обычно, не фиксируется и может быть случайно скручена вместо самого объектива при попытке снять его с микроскопа.

Главная особенность и основное преимущество объектива – большое рабочее расстояние 12 мм, позволяющее удобным образом работать с толстыми непрозрачными образцами произвольной формы, как требуется, например, в рамановской спектроскопии. В силу большого рабочего расстояния объектив выполнен без использования подпружиненной посадки линзоблока.

Объектив, по-видимому, имеет достаточно сложную ретрофокусную оптическую схему с применением современных высокопреломляющих материалов – в противном случае достичь приемлемого уровня качества изображения при столь большом рабочем расстоянии было бы невозможно. По данным рентгенофлуоресцентного анализа (Bruker M1 Mistral), передняя линза объектива выполнена из тяжелого лантанового флинта с показателем преломления ~1.75-1.8 и числом Аббе ~49-40.

Стекло объектива при использовании его в рамановском микроскопе (откуда он и был взят) нередко само по себе формирует фоновый сигнал при записи спектров, что следует учитывать при работе с малоотражающими образцами.

Линзы объектива имеют многослойное просветляющее покрытие с зеленым цветом блика. Это просветление обеспечивает значительно более ровный спектр пропускания, чем используемое в дешевых биологических объективах. Коротковолновая граница пропускания у этого объектива ~370 нм, что говорит о влиянии примененных в объективе материалов линз (тяжелые лантановые и титан-ниобиевые флинты) на поглощение в синей области спектра.

Фотографии внешнего вида объектива L Plan 20×0.4, в том числе и в сравнении с биологическим простейшим 20×0.4 160/0.17 объективом, приведены ниже.

Качество изображения

Для проведения тестов и получения фотографий объектив использовался с новым микроскопом Magus Bio 250TL с тринокулярной насадкой. Размер формируемого этой системой изображения ограничен 22 мм, потому для съемки применялась камера Sony NEX-3N с матрицей формата APS-C, а не полнокадровая Sony A7s. Микроскоп Magus Bio 250TL выполнен по компенсационной схеме, в которой аберрации комплектных объективов исправляются окуляром, то есть тубусная линза (ахроматический дублет) в тринокулярной насадке микроскопа в компенсации аберраций не участвует.

Объектив L Plan 20×0.4 имеет полностью исправленные латеральные хроматические аберрации сам по себе, а потому формирует правильное изображении при использовании с выбранным для тестирования микроскопом. Как и положено планахромату, объектив имеет плоское поле с низким уровнем астигматизма и комы в пределах круга 22 мм.

Основной недостаток этого объектива – высочайший уровень сферохроматических аберраций. Хотя сферическая аберрация для зеленой области в этом объективе исправлена очень неплохо, коротковолновая часть рабочего диапазона фотокамеры 400-470 нм в этом объективе исправлена крайне неудовлетворительно, из-за чего изображение изобилует фиолетовой бахромой. По итогу оказывается, что в центральной области изображения простейший биологический ахромат 20×0.4, стоящий в ~5-10 раз меньше, строит более резкое и контрастное изображение, чем L Plan 20×0.4, хотя по полю из-за неисправленного латерального хроматизма биологический объектив намного хуже.

Снимки объект-микрометров отраженного и проходящего света (цена деления 0.01 мм) на L Plan 20×0.4 приведены ниже.

Далее – фото на биологический 20×0.4 160/0.17 объектив, без применения покровного стекла.

По моим наблюдениям, объектив показывает себя хорошо в тех случаях, когда роль синих лучей в формировании изображения минимальна: желтые кристаллы получаются на фото через этот объектив лучше, чем синие, например – из-за различной степени исправления сферической аберрации для разных длин волн.

Стоит отметить, что объектив имеет малую глубину резкости, потому при съемке очень желательно использовать стекинг.

Далее приведены примеры фотографий, сделанные на Sony NEX-3N через тринокуляр Magus Bio 250TL с использованием стекинга.
Список объектов: 1 – сульфид-дисульфид циркония, 2 – оксалатокупрат калия, 3-4 – хлорид хлоропентаамминкобальта(III), 5-6 – пентафторопероксотитанат аммония, 7-8 – хлорид гексаамминникеля, 9 – тригидрат тетрароданокобальтата калия, 10 – мандибулы пчелы (готовый микропрепарат).

Затем – примеры фотографий, сделанные на Sony NEX-3N через тринокуляр Magus Bio 250TL без стекинга.
Список объектов: 1 – сульфид-дисульфид циркония, 2 – оксалатокупрат калия, 3-4 – хлорид хлоропентаамминкобальта(III), 5-7 – пентафторопероксотитанат аммония, 8-10 – хлорид гексаамминникеля, 11 – тригидрат тетрароданокобальтата калия, 12 – перо птицы (готовый микропрепарат), 13 – лапка комара (готовый микропрепарат), 14-15 – мандибулы пчелы (готовый микропрепарат).

Все обзоры объективов микроскопов стандарта RMS с тубусным расстоянием 160 мм:

Современная оптика китайских производителей:

• Обзор объектива малого увеличения 2/0.05 160/- (no-name, Китай). Проблематика построения объективов малого увеличения для микроскопов
• 4x0.1 160/0.17 ахромат (Китай, no-name)
• Микроскопная оптика на фотокамере. Обзор микроскопного объектива Plan 4x0.1 160/0.17 (Китай, no-name)
• 10x0.25 160/0.17 ахромат (Китай, no-name) - модификация и тест
• Обзор микроскопного объектива-планахромата Plan 20x0.4 160/0.17 (no-name, Китай)

Обзоры советских объективов для микроскопов:

• ЛОМО Эпи 9x0.2 (адаптированный)
• ЛОМО 10x0.4 Л (ОМ-33Л) - модификация и тест
• Обзор микроскопного объектива-ахромата ЛОМО 21×0.4 190-П (ОМ-8П)

Все обзоры объективов микроскопов под бесконечный тубус:

• Обзор микроскопного объектива-планахромата L Plan 20x0.40 ∞/0 F=200 WD=12

Выводы

Объектив L Plan 20×0.4 отличается удобным рабочим расстоянием и хорошо исправленным полем, но из-за крайне плохой коррекции сферохроматических аберраций его затруднительно использовать для получения фотоснимков в обычном спектральном диапазоне. Объектив хорошо подойдет для визуальных приборов и для фотосъемки в ограниченном 470-650 нм спектре.