Review van de lens met lage vergroting 2/0.05 160/- (geen naam, China). Problemen bij het construeren van lenzen met een lage vergroting voor microscopen

Materiaal op de lens speciaal voor Radozhiva bereid Rodion Eshmakov.

Lenzen voor microscopen met een vergroting van minder dan 4x zijn zeldzaam. Dergelijke optiek is in de regel niet inbegrepen in het standaardmicroscooppakket en kan afzonderlijk worden aangeschaft. Tegelijkertijd zijn er veel macrolenzen en camera-accessoires waarmee je dezelfde beeldschaal kunt bereiken, wat aanleiding geeft tot een aantal vragen: wat is het verschil tussen een 2x fotografische lens en een 2x microscooplens, hoe en welke niet-gespecialiseerde fotografische lenzen kunnen worden gebruikt om een ​​beeldschaal van 2:1 te verkrijgen, en ook waarom het zo moeilijk is om een ​​hoogwaardige 2x-lens voor een microscoop te maken.

Dit artikel presenteert een uiterst betaalbare ($10-$15) 2x lens voor microscopen van de RMS-standaard met een buislengte van 160 mm werd het optische ontwerp van de microlens geanalyseerd en de beeldkwaliteit vergeleken met conventionele foto-optica. Er wordt enige basisinformatie gegeven over het gebruik van microscopische optica op camera's hier.

Технические характеристики

Optisch ontwerp – 4 lenzen in 3 groepen, Berthele-telelens;

Type correctie – achromat;
Buisafstand – 160 mm;
Vergrotingsfactor – 2x;
Numeriek diafragma – 0.05;
Brandpuntsafstand – ~40 mm;
Relatief diafragma – ~F/8;
Werkafstand – 35 mm;
De dikte van het dekglas is 0 mm, het gebruik van glas is optioneel;
Onderdompeling vereist - nee;
Montagetype – RMS-standaard (4/5” x 1/36” draad);
Kenmerken - microscopische lens, heeft geen irisdiafragma en een focusmechanisme.

ontwerp

Het 2/0.05 lenslichaam is volledig gemaakt van aluminium. De lens heeft geen externe verwijderbare onderdelen - het ontwerp is monolithisch. De lens heeft een bulkontwerp zonder gebruik van een autocollimatie-samenstel - de lenzen worden in de body geplaatst zonder voorafgaande plaatsing in speciale frames. Demontage wordt uitgevoerd door de achterste spiering los te draaien. De frontlens ligt diep verzonken in de body waardoor er een soort kap ontstaat, maar deze uitsparing vertoont geen enkele zwarting. Er is ook zwarting aanwezig op de uiteinden van de lenzen; er is geen mattering op de interlensringen. Om ervoor te zorgen dat de lens een contrastbeeld vormt, moeten deze tekortkomingen worden geëlimineerd bij het demonteren van de lens.

De optiek van de 2/0.05 lens is bedekt met paarse tinten, hoogstwaarschijnlijk enkellaags. De kortegolflengtelimiet voor lichttransmissie ligt bij ~365 nm. De coating veroorzaakt geen kleurvervorming die merkbaar is voor het oog.

Het optische ontwerp van de lens is vergelijkbaar met de Ludwig Berthele-telelens (Amerikaans patent 2762262 1954). Volgens XRF-analyse (Bruker M1 Mistral) zijn zowel de voorste als achterste lenselementen gemaakt van zwaar kroonglas. De negatieve lens in de verlijming is niobium (loodvrij) vuursteen. De keuze voor dit soort optische materialen komt over het algemeen overeen met het optische ontwerp dat in het patent van Bertele wordt gepresenteerd. Er kan niet worden gezegd dat deze optische berekening zich qua parameters verder heeft ontwikkeld in de richting van modernere en interessantere glasmerken.

 

De lens heeft zeer kleine afmetingen en een lange werkafstand van 35 mm. Het is belangrijk dat het volledig compatibel is met conventionele microscopen met een parfocale afstand van 45 mm, aangezien de originele Bertele-lens helemaal niet in deze beperking past.

Hieronder volgen foto's van het uiterlijk van de 2/0.05-lens.

Zoals je kunt zien is de lens zelf erg klein van formaat, ziet er eenvoudig en budgetvriendelijk uit.

Beeldkwaliteit

Het beeld gevormd door de lens in het centrale deel van het frame is behoorlijk scherp, maar er zijn nog steeds zeer merkbare sferochromatische aberraties. Het lensveld is vrijwel vlak, maar het niveau van astigmatisme is hoog. Daarom kan zelfs bij herfocussering geen ideale scherpte aan de rand van het veld worden verkregen. Vergeleken met lens Plan 4×0.1 de afbeelding met 2x0.05 lijkt zachter.

Met de lens kunt u foto's maken van objecten die volgens microscopienormen vrij groot zijn. Sommige objecten passen goed in het hele veld, bijvoorbeeld een horlogemechanisme of kleine sieraden. Het nadeel is dat de meeste doorvallende lichtcondensors van microscopen een veel kleiner veld hebben, waardoor de lens alleen handig is om te gebruiken bij gereflecteerd licht. Vergeleken met 4x0.1 overzichtslenzen heeft deze bovendien een merkbaar grotere scherptediepte, waardoor je ook zonder stapelen kunt fotograferen. Bij gebruik van adapters zoals M42-RMS Voor reguliere macrofotografie kan de lens zonder microscoop op een camera worden gemonteerd. Door zijn vrij grote werkafstand en kleine afmetingen kan deze eenvoudige en goedkope lens geschikt zijn om microscopen uit te rusten voor het uitvoeren van delicaat werk (belangrijk: “echte” instrumentmicroscopen zijn stereoscopisch, met een nog grotere werkafstand >80 mm) of voor visuele Inspectieapparatuur.

Hieronder volgen voorbeelden van foto's gemaakt met een lens van 2 x 0.05 en een full-frame spiegelloze camera Sony A7's, geïnstalleerd op een gemodificeerde NPZ M10-microscoop op een buisafstand van ~160-190 mm.

Lijst met objecten op de foto: 1 – elementaire zwavelkristallen, 2 – kwartshorlogemechanisme, 3-5 – gefacetteerde synthetische enkele kristallen van siliciumcarbide, 6 – gefacetteerde YAG:Nd:Ce-kristallen op twee YAG:Nd, YAG:Nd: Ce-granaatstaven; 7-8 gefacetteerde YAG:Nd:Ce-kristallen bij normale en UV-verlichting; 9-10 – gefacetteerde hydrothermische smaragden, 11 – gefacetteerde opaal, 12 – micrometerobject LOMO OMO-U4.2.

De volgende foto's zijn gemaakt met behulp van stapelen.

Lijst met objecten op de foto: 1 – kristallen van elementaire zwavel, 2-4 – gefacetteerde synthetische enkele kristallen van siliciumcarbide, 5-7 – gefacetteerde hydrothermische smaragden, 8 – gefacetteerd YAG:Nd:Ce-kristal op twee staven van YAG:Nd , YAG:Nd granaten: Ce, 9 – gefacetteerde opaal, 10 – kristallen van kaliumtrisoxalatoferraathydraat.

Macro 2:1 – microscoop versus foto-optica. Waarom is het zo moeilijk om een ​​goede 2x microscooplens te maken?

Zoals eerder opgemerkt is een vergroting van 2:1 een typische werkvergroting voor gespecialiseerde macrolenzen. Heel vaak kun je fatsoenlijke voorbeelden vinden van foto's op deze schaal, gemaakt met gewone lenzen macroringen of bevestigingslenzen. Om te begrijpen waarom er behoefte is aan het ontwikkelen van speciale lenzen voor macrofotografie en microlenzen, gaan we eens kijken hoe een gewone fotografische lens zich gedraagt ​​bij het fotograferen op een schaal van 2:1. Om dit te doen, zullen we het optische ontwerp van een eenvoudige en begrijpelijke lens simuleren Zenitar 50/2, waarvan het diagram is gepubliceerd in patent RU2290675C1 uit 2005.

De vereiste beeldschaal wordt bereikt op een afstand van 230 mm (van het object tot de matrix). Laten we de numerieke apertuur instellen op 0.05 (~F/8) en de grafieken van longitudinale aberratie, veldkromming, frequentiecontrastkarakteristieken en het diagram van aberratievlekken bekijken.

Al uit het spotdiagram kun je zien hoe snel de optische kwaliteit van de lens afneemt met de afstand tot de optische as als gevolg van de invloed van veldkromming en astigmatisme. In dit opzicht blijkt hij geen haar beter te zijn de eenvoudigste doubletlens. In het centrum wordt een resolutie van 50 lijnen/mm bereikt.

Bij F/8 heeft dit objectief geen problemen met de beeldkwaliteit bij het scherpstellen op oneindig. De waargenomen verslechtering is te wijten aan het feit dat de lens in wezen niet correct werkt: hij is zo ontworpen dat het beeld dat wordt gevormd zich dicht bij de achterste lens bevindt en het object zo ver mogelijk verwijderd is van de voorste lens. In dit geval is het tegenovergestelde waar: het object bevindt zich dichter bij de voorste lens dan het beeld dat wordt gevormd zich bij de achterste lens bevindt. Om de situatie enigszins ten goede te veranderen, moet de lens daarom naar achteren worden gedraaid. Hiervoor zijn er speciale omkeerbare adapters, en nu kun je duidelijk zien waarom ze moeten worden gebruikt.

Hieronder staan ​​de simulatieresultaten voor dezelfde lens onder dezelfde omstandigheden, maar ondersteboven.

Het is gemakkelijk te zien dat de veldkromming en het astigmatisme in dit geval veel lager zijn, waardoor de beeldkwaliteit over het hele veld sterk is toegenomen, al is deze nog steeds verre van ideaal: de lens is ook niet ontworpen om op 1 te schieten. :2 schaal.

Om dit probleem op te lossen, volstaat het om een ​​reproductielens als omkering te kiezen, bijvoorbeeld Vegu-11U. Deze lens biedt de beste beeldkwaliteit op een schaal van ~1:4-1:2, omgekeerd, dus 2:1-4:1.

Sterker nog: de Vega-11U is in staat een goede kwaliteit te leveren, zowel in het centrale beeldgebied als aan de rand van het beeldveld, met een omgekeerd diafragma van ~F/8. Het blijkt alleen dat een dergelijke lens helemaal niet geschikt is voor gebruik in een microscoop vanwege het niet voldoen aan de normen van de parfocale en buisafstanden. De parfocale afstand van zo'n lens is twee keer zo groot als vereist (standaard 45 mm), en de buisafstand is 20% minder dan vereist (de lens zal diep in de microscoop moeten worden "verzonken"). Om de buisafstand te vergroten en de parfocale afstand te verkleinen, is het gebruik van een omgekeerd telelensontwerp vereist: een retrofocaal optisch ontwerp.

U kunt de omgekeerde Bertele-telelens (Amerikaans patent 2762262 1954) als zo'n lens proberen. Het is uiteraard niet ontworpen voor gebruik op een dergelijke schaal, maar door simulatie kunnen we zien hoe het voldoet aan de eisen voor microscopische optica.

Met een buisafstand van 160 mm heeft deze lens een parfocale afstand van 61 mm, wat al veel beter is dan 90 en geschikt voor sommige microscopische systemen (bijvoorbeeld Nikon). Maar de lens is nog steeds niet geschikt voor de meeste conventionele microscopen. Bovendien zie je hoeveel slechter de kwaliteit van deze telelens is in vergelijking met de Vega, die een vergelijkbare complexiteit heeft: het televerkorten van het systeem is altijd een compromis in de beeldkwaliteit.

Ik vroeg me af hoe moeilijk het zou zijn om een ​​2x microscoopobjectief te ontwerpen met een parfocale afstand van 45 mm dat goede kwaliteit zou kunnen bieden over een frame van 36x24 mm en een resolutie van ~50 l/mm. Bij de berekeningen werd het ontwerp van de Bertele-telelens als basis genomen; moderne optische materialen uit de CDGM-catalogus werden gebruikt.

Het resultaat van de berekening was een apochromatplan met zes lenzen (400-700 nm), dat met een parfocale afstand van 45 mm en een buisafstand van 160 mm volledig voldoet aan de eisen van de RMS-standaard. De lens heeft een lange werkafstand en een compact optisch ontwerp.

Het bleek dat wanneer een dergelijke lens op oneindig is scherpgesteld, de werkafstand 220% van de brandpuntsafstand bedraagt ​​- ongeveer dezelfde verhouding wordt bereikt bij complexe groothoeklenzen zoals 20/3.5 voor spiegelreflexcamera's. Het berekenen van microscopische lenzen met een lage vergroting is een taak van vergelijkbare complexiteit. Daarom was het, om de kwaliteit van de Bertele-lens te verbeteren en tegelijkertijd de afmetingen te verkleinen, noodzakelijk om het aantal lenzen te vergroten en de modernste optische materialen te gebruiken, voornamelijk superzware vuurstenen met een brekingsindex tot 1.95.

De Chinese 2×0.05-lens die in dit artikel wordt besproken, maakt geen gebruik van een complex optisch ontwerp en/of geavanceerde materialen en heeft daarom een ​​zeer gematigde resolutie op de as en een lage beeldkwaliteit over een veld dat ongeveer de helft is van die van een 36×24-lens. kader.

 

Alle reviews van RMS standaard microscooplenzen met een buisafstand van 160 mm:

Moderne optica van Chinese fabrikanten:

• Review van de lens met lage vergroting 2/0.05 160/- (geen naam, China). Problemen bij het construeren van lenzen met een lage vergroting voor microscopen
• 4x0.1 160/0.17 achromat (China, geen naam)
• Microscopische optica op een camera. Review van microscooplens Plan 4x0.1 160/0.17 (China, geen naam)
• 10x0.25 160/0.17 achromat (China, geen naam) - modificatie en test
• Review van de Planachromat-microscooplens Plan 20x0.4 160/0.17 (geen naam, China)

Recensies van Sovjet-lenzen voor microscopen:

• LOMO Epi 9x0.2 (aangepast)
• LOMO 10x0.4 L (OM-33L) - modificatie en test
• Herziening van achromatische microscooplens LOMO 21×0.4 190-P (OM-8P)

Bevindingen

Eenvoudige microscooplens 2/0.05 160/- is een werkende en vrijwel de enige beschikbare oplossing voor degenen die een groot werkveld willen krijgen op een conventionele biologische microscoop. De lens is ook geschikt voor macrofotografie, maar als compatibiliteit met een microscoop niet vereist is, kun je hem beter aanschaffen omkeerbare adapter met set macroringen of gespecialiseerde macrolens.