Разновидности объективов
Сухие и иммерсионные (погружные) объективы
Иммерсионные объективы получили свое название из-за среды, в которую погружают прибор. Иммерсионная среда располагается между передней частью объектива и покровным стеклом микроскопа. «Сухими» объективы стали называть из-за наличия воздушного зазора между объективом и образцом.
В опытах масляно - иммерсионной микроскопии в качестве среды используется погружное масло (например, MOIL-30). Это масло необходимо для достижения числовой апертурой значений, превышающих 1,0. Опыты, где в качестве иммерсионной среды выступает вода, лучше подходят для прямого взаимодействия с образцом. Обратите внимание: если иммерсионный объектив или объектив погружения используется без соответствующей среды, качество изображения будет очень низким.
Планахроматические и апохроматические объективы
«Плоскими» объективы стали из-за плоского изображения, создаваемого в поле зрения объектива. Характеристика «ахроматические» появилась вследствие коррекции хроматической аберрации в конструкции объектива. Такие объективы исправляют хроматические аберрации для пары длин волн и сферическую аберрацию для одной длины волны. При работе с этими объективами лучше всего использовать зеленый свет.
Апохроматические объективы корректируют хроматические аберрации на трех-пяти длинах волн, а также сферические аберрации на двух и более длинах волн. С помощью апохроматов получают хорошие изображения в цветной микрофотографии, однако еще более качественные результаты демонстрируют планапохроматические или планфлуоритовые объективы, о которых будет сказано далее.
Планфлуоритовые объективы
Плоские флюоритовые объективы, известные так же как плоские полуахроматы, - это планфлуоресцентные объективы (флуоры), строящие плоское изображение в поле зрения. Плоские флуоритовые объективы исправляют хроматические аберрации на двух-четырех длинах волн, а также сферические аберрации на трех-пяти длинах. Помимо корректировки аберраций для большего количества длин волн, объективы этого вида уменьшают аберрации между расчетными длинами волн, чего нельзя наблюдать при использовании планахроматов. Эти объективы также подходят для цветной микрофотографии.
Суперапохроматические объективы
Суперапохроматические объективы создают осевую коррекцию цвета во всем видимом диапазоне. Они предназначены для обеспечения осевой цветопередачи с ограничением пятна дифракции в широком поле зрения без виньетирования по всему полю. Высокий показатель числовой апертуры и конструкция апохроматического объектива делает его идеально подходящим для получения широкоугольных изображений в освещенной среде.
Основные конструкционные особенности
Рисунок 1. Примечание: даны общие схемы масляно-иммерсионного объектива (слева) и «сухого» объектива (справа). Объективы различных производителей и предназначений могут отличаться и по форм-фактору, и по внутреннему устройству. Mounting Thread – крепежная резьба. Magnification/Numerical Aperture/Immersion. Medium – Увеличение/ Числовая апертура/ Иммерсионная среда. Infinity Correction/Cover Glass Thickness/Field number – Коррекция на бесконечности / Толщина покровного стекла / Номер поля. Color Code – цветовой код. Immersion Objective Identifier – сведения о погружном объективе. Flat Field/Aberration Correction – Плоское поле / Коррекция аберраций. Coverslip Correction/Working distance – Коррекция аберраций от покровного стекла / рабочее расстояние. Correction Ring – корректирующее кольцо
Основные термины
Увеличение
Увеличение объектива определяется отношением фокусного расстояния линзы объектива к фокусному расстоянию линзы окуляра:
M = L / F .
Полное увеличение системы - увеличение объектива, умноженное на увеличение окуляра или камеры. Увеличение объектива микроскопа будет точным при правильном подборе фокусного расстояния линзы объектива.
Числовая апертура (NA)
Числовая апертура – безразмерная величина, рассчитывается из приемного угла объектива, общая формула выглядит так:
NA = ni × sinθa
где θa - максимальный приемный полуугол объектива, а ni - показатель преломления погружной среды. Обычно это воздух, также может быть вода, масло, и др.
Парфокальная длина
Эта характеристика известна как парфокальное расстояние, представляет собой расстояние от посадочной части объектива до нижней части покровного стекла (или до препарата, если микроскоп предназначен для использования без покровного стекла). Парфокальное расстояние объективов от разных производителей отличается, более того, оно может отличаться у продукции одного и того же производителя. Например, Thorlabs изготавливает объективы с парфокальными расстояниями 60 мм и 95 мм, объективы Olympus и Zeiss имеют парфокальную длину 45 мм, а объективы Nikon и Leica - 60 мм. Некоторые производители также предлагают большие объективы с парфокальным расстоянием 75 мм. Для случаев, когда необходимо совмещать объективы с разными парфокальными длинами, доступны удлинители парфокальной длины.
Рабочее расстояние
Рабочее расстояние – это расстояние между передним элементом объектива и ближайшей поверхностью покровного стекла (образца), в зависимости от конструкции объектива. Сведения о толщине покровного стекла выгравированы на объективе.
Рисунок 2. Влияние толщины покровного стекла (мм) на качество изображения при излучении 632,8 нм
Номер поля
Номер поля соответствует размеру поля зрения (в миллиметрах), умноженному на увеличение объектива.
FN = Field of View Diameter × Magnification
Коррекция аберраций покровного стекла и корректирующая муфта (Кольцо)
Обычно покровное стекло имеет толщину 0,17 мм, но из-за различия в производственном процессе фактическая толщина может варьироваться. Корректирующее кольцо, присутствующее на некоторых объективах, используются для компенсации аберраций на покровных стеклах различной толщины путем регулирования относительного положения внутренних оптических элементов. Обратите внимание, что объектив может быть разработан для эксплуатации только со стандартным покровным стеклом толщиной 0,17 мм, в этом случае объективы не имеют коррекционного кольца.
На диаграмме показана зависимость сферической аберрации от толщины используемого покровного стекла для излучения 632,8 нм. Для покровного стекла толщиной 0,17 мм сферическая аберрация покровного стекла не превышает дифракционно-ограниченную аберрацию для объективов с числовой апертурой до 0,40.
Расчет увеличения и площади предметной области
Увеличение
Увеличение системы складывается из увеличительной способности каждого оптического элемента – объектива, камеры, окуляров. Подсчет общего увеличения, сделанный с опорой на указанные на приборах значения, оказывается точным только в том случае, если оптические элементы изготовлены одним и тем же производителем. В ином случае увеличение системы тоже можно вычислить, но перед этим необходимо вычислить эффективное увеличение объектива так, как описано ниже.
Чтобы лучше понять приведенные ниже примеры и общие принципы расчета (которые в дальнейшем вы можете применить к собственному микроскопу), воспользуйтесь калькулятором увеличения и расчета поля зрения.
Калькулятор представляет собой электронную таблицу Excel с макросами. Чтобы воспользоваться калькулятором, макросы должны быть включены. Чтобы включить макросы, нажмите кнопку «Включить содержимое» на желтой панели сообщений при открытии файла.
Пример 1: Увеличение камеры
При визуализации образца конечное изображение увеличивается из-за совместного использования объектива и камеры. Например, объектив 20X Nikon и камера Nikon 0,75X увеличит изображение на камере в 15 раз:
20X × 0,75X =15Х.
Пример 2: Тринокулярное увеличение
При визуализации образца через тринокуляры изображение увеличивается объективом и окулярами в тринокулярах. При использовании объектива 20X Nikon и тринокуляров Nikon с окулярами 10X, изображение на окулярах имеет 200-кратное увеличение: 20X × 10X = 200X. Обратите внимание, что изображение на окулярах не проходит через тубус камеры.
Совместное использование приборов от разных производителей
Как было сказано ранее, увеличение не является фундаментальным значением: это производное значение, рассчитанное с учетом конкретного фокусного расстояния объектива. Каждый производитель микроскопа применяет собственное фокусное расстояние для собственного оборудования. Следовательно, при объединении оптических элементов от разных производителей необходимо вычислить эффективное увеличение для объектива, а затем использовать это значение для расчета общего увеличения системы.
Эффективное увеличение объекта задается уравнением 1:
Здесь Конструкционное увеличение – значение, написанное на объективе, fTube Lens in Microscope - фокусное расстояние тубуса объектива вашего микроскопа, а fDesign Tube Lens of Objective - фокусное расстояние тубуса объектива, который производитель использовал для тестирования конструкционного увеличения.
Обратите внимание, что производители Leica, Mitutoyo, Nikon и Thorlabs используют одинаковое фокусное расстояние тубуса объектива; если сочетать оборудование от этих производителей, конверсия не требуется. После того, как эффективное увеличение объектива вычислено, увеличение системы можно рассчитать традиционным способом, описанным выше.
Пример 3: Тринокулярное увеличение (Разные производители)
При визуализации через тринокуляры изображение увеличивается при прохождении сквозь объектив и окуляры. В этом примере взят 20-кратный объектив Olympus и тринокуляры с 10-кратными окулярами от Nikon.
Используя уравнение 1 и табличные значения, найдем эффективное увеличение системы из объектива Olympus и микроскопа Nikon:
Эффективное увеличение объектива Olympus составляет 22,2X, тринокуляр имеет окуляры с увеличением 10X, поэтому изображение на окулярах будет иметь 22,2X × 10X = 222X, 222-кратное увеличение.
Рисунок 3. Площадь предметной плоскости при различном увеличении камеры
Площадь образца при визуализации через камеру
При визуализации поверхности через камеру, размеры площади образца определяются размерами сенсора камеры и увеличением системы:
В отличие от увеличения системы (пример 1), размеры сенсора в большинстве случаев известны и указаны производителем. Если есть необходимость, увеличение объектива можно рассчитать по формуле из примера 3.
При возрастании увеличения растет и разрешение, однако уменьшается поле зрения. Зависимость поля зрения от увеличения проиллюстрирована на приведенной схеме.
Пример 4: Площадь предметной области
В качестве примера взят сенсор научной камеры Thorlabs 1501М-USB 8.98 мм × 6.71 мм. Если совместить эту камеру с объективом Nikon и тринокулярами (пример 1), размеры конечного изображения составят (мкм х мкм):
Примеры сканируемых поверхностей
Приведенные ниже изображения мышиной почки получены с помощью одного и того же объектива, изображения сняты с одной и той же камеры. Различия изображений появились из-за подключения разных тубусов камеры (с разной увеличительной способностью). По ходу уменьшения увеличительной способности камеры прослеживается увеличение поля зрения, что приводит к менее детальной визуализации поверхности образца.
Рисунок 4. Тубус 1Х
Рисунок 5. Тубус 0,75Х
Рисунок 6. Тубус 0,5Х
Сканирующие объективы широко используются в лазерных системах визуализации – в конфокальной лазерной микроскопии, оптической когерентной томографии и в многофотонных системах обработки изображений. В этих приложениях лазерный луч, падающий на заднюю апертуру (входной зрачок) объектива, сканируется через диапазон углов. Это переводит положение пятна, образованного в плоскости изображения, через поле зрения объектива. В случае нетелецентрических линз такой подход к сканированию фокального пятна через плоскость изображения приведет к сильным аберрациям, которые значительно ухудшают качество полученного изображения. Телецентрические сканирующие линзы предназначены для создания пятна постоянного размера в плоскости изображения в каждом положении сканирования, что позволяет сформировать высококачественное изображение образца.
Итак, системы лазерной сканирующей микроскопии объединяют сканирующую линзу с объективом для создания оптической системы с коррекцией по бесконечности. Тем не менее, большинство систем оптической когерентной томографии предназначены для включения сканирующей линзы без объектива. Линзы CLS-SL, SL50-CLS2, SL50-2P2 и SL50-3P были оптимизированы для использования в системах конфокального лазерного сканирования и многофотонной микроскопии, а семейство LSM отлично подходит для использования в системах обработки изображений ОКТ. Ниже представлен краткий обзор сканирующих систем без объектива и с его наличием.
Рисунок 7. Схема положения телецентрического объектива (фокусное расстояние 200 мм) и сканирующей линзы SL50-2P2. Диаметр входного зрачка в плоскости сканирования не превышает 4 мм. Scan Plane – плоскость сканирования. Scan Lens – сканирующий объектив. Intermediate Plane – промежуточная плоскость. Tube Lens - объектив. Objective Plane – предметная плоскость
Сканирующие объективы в приложениях лазерной сканирующей микроскопии
На схеме показано предпочтительное расстояние между сканирующим объективом и тубусом в приложениях лазерной сканирующей микроскопии. Сканирующее зеркало, расположенное на схеме левее плоскости сканирования, направляет лазерный луч через сканирующую линзу. Угол, при котором лазерный луч падает на сканирующую линзу, определяет положение фокального пятна в промежуточной плоскости изображения, которая расположена между сканирующей линзой и трубчатой линзой ITL200. Тубус объектива расположен таким образом, чтобы свет собирался и коллимировался (фокус находится на бесконечности). Коллимированный свет фокусируется в плоскости образца. Рассеянное излучение, поступающее от образца, собирается объективом и попадает на детектор.
Рисунок 8. Совместное использование CLS-SL и ITL200 и применение объектива в ЛСМ. Scan Plane – плоскость сканирования. Principal Planes of Scan Lens – общее положение сканирующих линз. Intermediate Image Plane – промежуточная область визуализации. Objective Pupil Plane – плоскость входного зрачка. Scan Distance – расстояние сканирования. Objective Distance – фокусное расстояние объектива
Отличительной и довольно важной особенностью этой оптической системы является коллимированный свет, который создается в результате совмещения сканирующей линзы с объективом. Положение объектива по отношению к плоскости образца можно менять без влияния на качество визуализации, благодаря чему конструкция становится более гибкой.
Если не использовать объектив, сканирующая линза должна будет выполнять обе функции, и тогда промежуточная плоскость изображения стала бы плоскостью образца в том числе, из-за чего исчезла бы возможность свободно перемещать плоскость образца.
Приведенное изображение показывает связь между расстоянием сканирования и фокусным расстоянием объектива. В идеальной 4f-системе минимальное расстояние сканирования d1 = 52 мм, а d2 = f2. Конечно, на практике обязательно присутствуют отклонения от этих значений. Например, во многих микроскопах расстояние d2 не совпадает с фокусным расстоянием f2, поэтому может потребоваться регулировка расстояний. На рисунке ниже показано расстояние сканирования при перемещении объектива на небольшое расстояние δ1 и δ2 соответственно. Соотношение между этими значениями составляет δd1 = -δd2*(f1/f2)2.
Рисунок 9. Перемещение плоскости образца в лазерных сканирующих микроскопах
Сканирующие объективы в ОКТ
Объективы лазерной сканирующей микроскопии нашли широкое применение в оптической когерентной томографии (ОКТ). Чтобы получать качественные картины, в ОКТ важно сохранять согласование между длиной волны, парфокальным расстоянием, сканирующим расстоянием, входным зрачком и сканирующим углом. Вообще, чем больше диаметр входного пучка, тем меньше размер сфокусированного пятна. Однако, несмотря на виньетирование и/или увеличение аберраций, диапазон углов сканирования уменьшается с увеличением диаметра луча. Лучи, диаметр которых меньше диаметра входного зрачка, создают большие пятна фокусировки; а пятна от луча большего диаметра как бы урезаются.
Для систем обработки изображений с одним гальваническим зеркалом в центре входного зрачка сканирующей линзы совпадает с точкой поворота зеркала. Когда используется одно зеркало, расстояние сканирования измеряется от монтажной поверхности объектива до точки поворота зеркала. Это показано на иллюстрации ниже.
В системах обработки изображений с двумя зеркалами (одно для сканирования в направлении X и одно для сканирования в направлении Y), входной зрачок расположен между двумя зеркалами, как показано на схеме. Расстояние сканирования - это расстояние от поверхности объектива до точки поворота зеркала, ближайшего к объективу (d1), плюс расстояние от точки поворота этого зеркала до входного зрачка (d2). Важно минимизировать расстояние между двумя зеркалами, так как когда входной зрачок и точка поворота не совпадают, качество изображения ухудшается. Это главным образом связано с изменением длины оптического пути, когда луч сканируется по образцу. Ниже приведены схемы систем обработки изображений, содержащих одно и два гальванических зеркала.
Рисунок 10. Система обработки изображений с одним гальваническим зеркалом. 2D Galvo Mirror – гальваническое зеркало. Entrance Pupil – входной зрачок. Scanning Distance – расстояние сканирования. Parfocal Distance – парфокальное расстояние
Рисунок 11. Система обработки изображений с двумя гальваническими зеркалами
© Thorlabs Inc.
Компания INSCIENCE помогает своим заказчикам решать любые вопросы и потребности по продукции Thorlabs на территории РФ
В обзоре сравниваются наиболее востребованные модели наносекундных лазеров производства Litron Lasers и СОЛАР ЛС, в том числе лазеры с модуляцией добротности с высокой и сверхвысокой энергией импульса, высокой частотой повторения импульсов, компактные лазеры и лазеры с диодной накачкой.
г. Санкт-Петербург, улица Савушкина 83, корп. 3
