Revisão da lente de baixa ampliação 2/0.05 160/- (sem nome, China). Problemas de construção de lentes de baixa ampliação para microscópios

Material na lente especialmente para Radozhiva preparado Rodion Eshmakov.

Lentes para microscópios com ampliações inferiores a 4x são raras. Via de regra, essas ópticas não estão incluídas no pacote padrão de microscópios e podem ser adquiridas separadamente. Ao mesmo tempo, existem muitas lentes macro e acessórios de câmara que permitem atingir a mesma escala de imagem, o que suscita uma série de questões: qual a diferença entre uma lente fotográfica 2x e uma lente de microscópio 2x, como e quais lentes fotográficas não especializadas podem ser usadas para obter uma escala de imagem 2:1 e também por que é tão difícil fazer lentes 2x de alta qualidade para um microscópio.

Este artigo apresenta um preço ultra-acessível (US$ 10-US$ 15) Lente 2x para microscópios do padrão RMS com comprimento de tubo de 160 mm, o desenho óptico das microlentes foi analisado e a qualidade da imagem foi comparada com a óptica fotográfica convencional. Algumas informações básicas sobre o uso de óptica microscópica em câmeras são fornecidas aqui.

características técnicas

Design óptico – 4 lentes em 3 grupos, teleobjetiva Berthele;

Tipo de correção – acromática;
Distância do tubo – 160 mm;
Fator de ampliação – 2x;
Abertura numérica – 0.05;
Distância focal – ~40 mm;
Abertura relativa – ~F/8;
Distância de trabalho – 35 mm;
A espessura da tampa de vidro é de 0 mm, o uso de vidro é opcional;
É necessária imersão - não;
Tipo de montagem – padrão RMS (rosca 4/5” x 1/36”);
Características - lente microscópica, não possui diafragma de íris e mecanismo de foco.

projeto

O corpo da lente 2/0.05 é feito inteiramente de alumínio. A lente não possui partes externas removíveis - o design é monolítico. A lente tem um design volumoso sem o uso de um conjunto de autocolimação - as lentes são colocadas no corpo sem colocação prévia em armações especiais. A desmontagem é feita desaparafusando o anel estriado traseiro. A lente frontal fica profundamente recuada no corpo, o que cria uma espécie de para-sol, mas esse recesso não apresenta escurecimento. O escurecimento também está presente nas extremidades das lentes; não há fosco nos anéis interlentes. Para que a lente forme uma imagem contrastante, essas deficiências devem ser eliminadas ao desmontar a lente.

Importante: A lente intermediária da lente tem um formato biconvexo e ambas as superfícies são extremamente semelhantes entre si e, portanto, a lente pode facilmente ser montada incorretamente. Tão fácil que pode vir da loja novo, mas já montado incorretamente: guie-se pelos exemplos de fotografias aqui - a imagem focada deve estar sem efeito suave pronunciado (“brilho” dos contornos), bem como pelo aparecimento de pontos de desfocagem da lente - os pontos pré-focais e pós-focais devem ter aparência semelhante , sem bordas pronunciadas.

A óptica da lente 2/0.05 é revestida com tons roxos, provavelmente de camada única. O limite de comprimento de onda curto da transmissão de luz é de ~365 nm. O revestimento não introduz distorção de cor perceptível a olho nu.

O design óptico da lente é semelhante ao da teleobjetiva Ludwig Berthele (patente dos EUA 2762262 1954). De acordo com a análise XRF (Bruker M1 Mistral), os elementos da lente frontal e traseira são feitos de vidro de coroa pesado. A lente negativa na colagem é uma pederneira de nióbio (sem chumbo). A escolha destes tipos de materiais ópticos é geralmente consistente com o design óptico mostrado na patente de Bertele. Não se pode dizer que este cálculo óptico tenha avançado em direção a marcas de vidros mais modernas e interessantes em termos de parâmetros.

 

A lente tem dimensões muito pequenas e uma longa distância de trabalho de 35 mm. É importante que seja totalmente compatível com microscópios convencionais com distância parfocal de óptica de 45 mm, uma vez que a lente Bertele original não se enquadra de forma alguma nesta limitação.

A seguir estão fotografias da aparência da lente 2/0.05.

Como você pode ver, a lente em si é muito pequena, parece simples e econômica.

Qualidade de imagem

A imagem formada pela lente na área central do quadro é bastante nítida, mas ainda existem aberrações esferocromáticas muito perceptíveis. O campo da lente é quase plano, mas o nível de astigmatismo é alto, razão pela qual, mesmo durante a refocagem, não é possível obter a nitidez ideal na borda do campo. Comparado com a lente Plano 4×0.1 a imagem com 2x0.05 parece mais suave.

A lente permite tirar fotografias de objetos bastante grandes para os padrões de microscopia. Alguns objetos cabem bem em todo o seu campo - um mecanismo de relógio, por exemplo, ou pequenas joias. A desvantagem é que a maioria dos condensadores de luz transmitida dos microscópios tem um campo muito menor, de modo que a lente é conveniente para uso apenas na luz refletida. Em comparação com as lentes de visão geral 4x0.1, esta também possui uma profundidade de campo visivelmente maior, permitindo fotografar mesmo sem empilhamento. Ao usar adaptadores como M42-RMS A lente pode ser montada em uma câmera sem microscópio para macrofotografia normal. Devido à sua distância de trabalho bastante grande e às pequenas dimensões, esta lente simples e barata pode ser adequada para equipar microscópios para a realização de trabalhos delicados (importante: microscópios instrumentais “reais” são estereoscópicos, com uma distância de trabalho ainda maior >80 mm) ou para visualização equipamento de inspeção.

A seguir estão exemplos de fotografias tiradas com uma lente 2×0.05 e uma câmera full frame sem espelho Sony A7, instalado em um microscópio NPZ M10 modificado a uma distância do tubo de ~160-190 mm.

Lista de objetos na foto: 1 – cristais de enxofre elementar, 2 – mecanismo de relógio de quartzo, 3-5 – monocristais sintéticos facetados de carboneto de silício, 6 – cristal YAG:Nd:Ce facetado em dois YAG:Nd, YAG:Nd: Ce varetas de granada; Cristal YAG:Nd:Ce 7-8 facetado em iluminação normal e UV; 9-10 – esmeraldas hidrotermais facetadas, 11 – opala facetada, objeto de 12 micrômetros LOMO OMO-U4.2.

As fotos a seguir foram tiradas usando empilhamento.

Lista de objetos na foto: 1 – cristais de enxofre elementar, 2-4 – monocristais sintéticos facetados de carboneto de silício, 5-7 – esmeraldas hidrotérmicas facetadas, 8 – cristal facetado YAG:Nd:Ce em duas hastes de YAG:Nd , Granadas YAG:Nd: Ce, 9 – opala facetada, 10 – cristais de hidrato de trisoxalatoferrato de potássio.

Macro 2:1 – microscópio versus fotoótica. Por que é tão difícil fazer uma boa lente de microscópio 2x?

Conforme observado anteriormente, a ampliação 2:1 é uma ampliação de trabalho típica para lentes macro especializadas. Muitas vezes você pode encontrar exemplos decentes de fotografias nesta escala, tiradas com lentes comuns com anéis macro ou lentes de fixação. Para entender por que é necessário desenvolver lentes especiais para macrofotografia e microlentes, vejamos como uma lente fotográfica normal se comporta ao fotografar em uma escala 2:1. Para fazer isso, simularemos o design óptico de uma lente simples e compreensível como Zenitar 50/2, cujo diagrama está publicado na patente RU2290675C1 datada de 2005.

A escala de imagem necessária é alcançada a uma distância de 230 mm (do objeto à matriz). Vamos definir a abertura numérica para 0.05 (~F/8) e considerar os gráficos de aberração longitudinal, curvatura de campo, características de contraste de frequência e o diagrama de pontos de aberração.

Já no diagrama de pontos você pode ver a rapidez com que a qualidade óptica da lente diminui com a distância do eixo óptico devido à influência da curvatura do campo e do astigmatismo. Nesse aspecto, ele acaba não sendo melhor a lente dupla mais simples. No centro, é alcançada uma resolução de 50 linhas/mm.

Em F/8, esta lente não tem problemas com a qualidade da imagem ao focar no infinito. A deterioração observada se deve ao fato de que, em essência, a lente não funciona corretamente: ela é projetada de forma que a imagem formada fique próxima da lente traseira e o objeto fique o mais longe possível da lente frontal. Nesse caso, ocorre o contrário: o objeto está mais próximo da lente frontal do que a imagem que está sendo formada está da lente traseira. Portanto, para mudar um pouco a situação para melhor, a lente precisa ser virada para trás. Para isso existem especiais adaptadores reversíveis, e agora você pode ver claramente por que eles devem ser usados.

Abaixo estão os resultados da simulação para a mesma lente nas mesmas condições, mas de cabeça para baixo.

É fácil perceber que a curvatura do campo e o astigmatismo neste caso são muito menores, devido ao que a qualidade da imagem em todo o campo aumentou muito, embora ainda esteja longe do ideal: a lente também não foi projetada para fotografar a 1 :2 escala.

Para resolver esse problema, basta escolher uma lente de reprodução como invertida - por exemplo, Vegu-11U. Esta lente oferece a melhor qualidade de imagem em uma escala de ~1:4-1:2, invertida, portanto 2:1-4:1.

Na verdade: o Vega-11U é capaz de fornecer boa qualidade tanto na área central da imagem quanto na borda do campo com uma abertura invertida de ~F/8. Acontece que tal lente não é de todo adequada para uso em um microscópio devido à não conformidade das distâncias parfocal e do tubo com os padrões. A distância parfocal de tal lente é duas vezes maior que a necessária (padrão 45 mm) e a distância do tubo é 20% menor que a necessária (a lente precisará ser “embutida” profundamente no microscópio). Para aumentar a distância do tubo e reduzir a distância parfocal, é necessário o uso de um design de lente telefoto invertida - um design óptico retrofocal.

Você pode experimentar a lente telefoto Bertele invertida (patente dos EUA 2762262 1954) como tal. É claro que não foi projetado para uso em tal escala, mas a simulação nos permitirá ver como ele atende aos requisitos da óptica microscópica.

Com distância do tubo de 160 mm, esta lente tem distância parfocal de 61 mm, que já é muito melhor que 90 e adequada para alguns sistemas microscópicos (Nikon, por exemplo). Mas a lente ainda não é adequada para a maioria dos microscópios convencionais. Além disso, você pode perceber o quão pior é a qualidade dessa teleobjetiva em comparação com a Vega, que é de complexidade semelhante: teleencurtar o sistema é sempre um compromisso na qualidade da imagem.

Fiquei me perguntando o quão difícil seria projetar uma objetiva de microscópio 2x com uma distância parfocal de 45 mm que pudesse fornecer boa qualidade em uma moldura de 36x24 mm e uma resolução de ~50 l/mm. O design da teleobjetiva Berthele foi tomado como base nos cálculos;

O resultado do cálculo foi um plano apocromático de seis lentes (400-700 nm), que atende plenamente aos requisitos do padrão RMS com distância parfocal de 45 mm e distância do tubo de 160 mm. A lente possui uma longa distância de trabalho e um design óptico compacto.

Acontece que quando essa lente é focada no infinito, a distância de trabalho é 220% da distância focal - aproximadamente a mesma proporção é alcançada em lentes grande angulares complexas, como 20/3.5 para câmeras SLR. Calcular lentes microscópicas de baixa ampliação é uma tarefa de complexidade comparável. Por isso, para melhorar a qualidade das lentes Bertele e ao mesmo tempo reduzir as dimensões, foi necessário aumentar o número de lentes e utilizar os mais modernos materiais ópticos, principalmente pederneiras superpesadas com índice de refração de até 1.95.

A lente chinesa 2×0.05 discutida neste artigo não usa um design óptico complexo e/ou materiais avançados e, portanto, tem uma resolução no eixo muito moderada e baixa qualidade de imagem em um campo que é aproximadamente metade de uma lente 36×24. quadro.

 

Todas as análises de lentes de microscópio padrão RMS com distância de tubo de 160 mm:

Óptica moderna de fabricantes chineses:

• Revisão da lente de baixa ampliação 2/0.05 160/- (sem nome, China). Problemas de construção de lentes de baixa ampliação para microscópios
• 4x0.1 160/0.17 acromático (China, sem nome)
• Óptica microscópica em uma câmera. Revisão da lente do microscópio Plan 4x0.1 160/0.17 (China, sem nome)
• 10x0.25 160/0.17 acromático (China, sem nome) - modificação e teste
• Revisão e teste comparativo de acromático microscópico 20/0.40 160/0.17 (China, sem nome)
• Revisão da lente do microscópio Planachromat Plan 20x0.4 160/0.17 (sem nome, China)

Avaliações de lentes soviéticas para microscópios:

• LOMO Epi 9x0.2 (adaptado)
• LOMO 10x0.4 L (OM-33L) - modificação e teste
• Revisão da lente de microscópio acromática LOMO 21×0.4 190-P (OM-8P)

Descobertas

Lente de microscópio simples 2/0.05 160/- é uma solução funcional e praticamente a única disponível para aqueles que desejam obter um grande campo de trabalho em um microscópio biológico convencional. A lente também é adequada para macrofotografia, mas se não for necessária compatibilidade com um microscópio, é melhor comprar adaptador reversível com conjunto anéis macro ou lente macro especializada.