Микроскопы Labor-Microscopes
Разработка и производство микроскопов
онлайн заказ   подобрать микроскоп
 (812) 933-25-78
labomed@list.ru
Немного о нас

История развития объективов для микроскопов

Оптические конструкции объективов для микроскопов

Объектив является основным элементом в оптической системе микроскопа. Разработка первых ахроматических объективов для микроскопов связывается с именем русского ученого Эйлера, описавшего созданные им системы в научных трудах 1750-1770 гг. Ахроматы Эйлера не были изготовлены. Практическая реализация первого ахроматического микроскопа, разработанного учеником Эйлера, Ф.Т. Эпинусом (1784 г.), была осуществлена в России лишь в 1805-1808 гг. Однако, приоритет создания первого микроскопа - ахромата (1807-1813гг.) западноевропейскими историками признается за голландским оптиком ван Дейлем. Объективы ван Дейля были весьма несовершенными, числовая апертура не превышала в них 0.13, разрешающая способность составляла лишь 200 лин/мм.

Большой вклад в развитие микроскопии внес выдающийся итальянский ученый Амичи (1786-186З гг.), создавший объектив - ахромат высокого качества с числовой апертурой 0.60. Им же была предложена конструкция фронтального элемента иммерсионного объектива в виде плосковыпуклой линзы, первая - плоская поверхность которой соприкасается с иммерсией. Показатель преломления иммерсии равен показателю преломления материала линзы, вследствие чего луч проходит эти две среды без преломления. Силовым элементом линзы является ее вторая - сферическая поверхность, построенная по принципу апланатизма.

Однако создание ахроматических объективов масляной иммерсии высокого класса стало возможным лишь после выдающихся работ Эрнста Аббе (1840-1905 гг.), сформулировавшего закон синусов и показавшего его роль в исправлении аберраций широких наклонных пучков. Под руководством Э. Аббе фирмой К. Цейсс в 1872-1879 гг. был разработан и изготовлен первый завершенный комплект ахроматических объективов, включающий иммерсионный объектив с числовой апертурой А=1.25. Разрешающая способность ахроматов соответствовала теоретическим соотношениям, развитым Аббе на основе теории дифракции.

До Аббе мастерские Цейсса выпускали шесть объективов, обозначенных буквами от "А" до "Р" и отличающихся в этом порядке убывающими фокусными расстояниями. Причем "конструирование микроскопов и их усовершенствование было почти исключительно делом опыта, искусных и терпеливых проб со стороны опытных практиков".

Аббе сохранил неизменным основной тип этих объективов, но дополнил комплект тремя более слабыми объективами (обозначенными "а") и объективами, которые при тех же фокусных расстояниях, что и у объективов группы "А" - "Д" имели большие апертуры (так называемый двойной ряд "АА" - "ДД"). Далее были разработаны три объектива водной иммерсии, и весь комплект был завершен созданием в 1879 г. Объектива - ахромата с числовой апертурой А=1.25 масляной иммерсии.

Аббе так оценивал результаты своей работы: «В этих конструкциях на основе точного исследования применяемых материалов и путем расчетов заданы все элементы: каждый радиус кривизны, каждая толщина, отверстие каждой линзы, так что всякая подгонка исключается. На контрольной призме с помощью спектрометра заранее измеряются оптические постоянные, каждой обрабатываемой стеклянной заготовки, чтобы путем соответствующего изменения схемы конструкции компенсировать отклонения материала. «Отдельные компоненты изготавливаются и собираются с максимально возможной точностью по заданным размерам, и только у более сильных объективов до последнего момента остается регулируемым один из конструктивных элементов (одно расстояние между линзами), чтобы с его помощью можно было компенсировать неизбежные малые технологические отклонения. При этом оказывается, что достаточно хорошо обоснованная теория в сочетании с рациональной техникой, использующей все средства, предоставляемые практической оптике со стороны физики, может с успехом заменить эмпирическую технологию и при конструировании микроскопов».

Конструкции ахроматов, созданные Аббе, являются классическими, более чем за сто лет своего существования они практически не претерпели изменений, несмотря на появление новых сортов стекол и развитие электронно-вычислительной техники. Модификации этих объективов (см. таблицу 1) выпускаются промышленностью до настоящего времени.

Шифр, характеристики объектива Оптическая схема объектива Описание оптической конструкции объектива
М-42 (8x0.20) Оптическая схема объектива М-42 (8x0.20) Двухкомпонентная система объектива. Оба компонента представляют собой склейки из отрицательных и положительных линз
ОМ-2 (20x0.40), МЩ (40x0.65) Оптическая схема объективов ОМ-2 (20x0.40), МЩ (40x0.65) Трёхкомпонентная система объектива. Первый компонент – одиночная положительная линза. Второй и третий компоненты представляют собой склейки из отрицательных и положительных линз
ОМ-41 (90x1.25ми) Оптическая схема объектива ОМ-41 (90x1.25ми) Четырёхкомпонентная система объектива. Первый и второй компоненты – одиночные положительные линзы. Третий и четвёртый компоненты представляют собой склейки из отрицательных и положительных линз

Теоретические работы Аббе были направлены на повышение разрешающей способности объективов за счет увеличения числовых апертур и улучшения коррекции хроматических аберраций. Им была установлена возможность исправления вторичного спектра с помощью оптических материалов с особым ходом дисперсии и введен в практику исследований на микроскопе тип объективов, названных апохроматами.

Применяя в качестве материала положительных линз флюорит, а в качестве элементов конструкций - трехлинзовые склеенные компоненты вместо двухлинзовых, Аббе удалось уменьшить значения высших порядков сферической аберрации и сферохроматизм. Это обусловило возможность повышения числовых апертур в объективах.

По проведённым исследованиям в области расчёта оказалось, что сочетание в трёхсклеенном компоненте линз существенно влияет на его коррекционные возможности. Традиционное расположение линз было следующее: двояковогнутая отрицательная линза, выполненная из тяжёлого флинта, заключена между двумя положительными линзами, выполненными из лёгкого крона, либо флюорита.

Другое расположение линз, а именно, положительная линза, выполненная из лёгкого крона либо флюорита, заключенная между двумя отрицательными линзами. Модификации апохроматических объективов (см. таблицу 2) выпускаются промышленностью до настоящего времени.

Шифр, характеристики объектива Оптическая схема объектива Описание оптической конструкции объектива
ОМ-33(10x0.40) Оптическая схема объектива ОМ-33(10x0.40) Четырёхкомпонентная система объектива. Первый компонент – одиночная положительная линза. Второй и третий компоненты представляют собой склейки из отрицательной и положительной линз. Последний - склеенный из положительной и отрицательной линз
ОМ-21 (20x0.65),ОМ-16 (40х0.95), ОМ-23 (70х1.23 ви) Оптическая схема объективов ОМ-21 (20x0.65),ОМ-16 (40х0.95), ОМ-23 (70х1.23 ви) Четырёхкомпонентная система объектива. Первый компонент – одиночный положительный мениск, обращенный вогнутостью к пространству предметов. Второй - склейка из отрицательной и положительной линз. Второй- одиночная положительная линза. Последний представляет собой тройную склейку из положительной линзы, заключённой между двумя отрицательными
06-АМ-60 (60x1.00 ми), 02-АМ-90 (90x1.30 ми) Оптическая схема объективов ОМ-21 06-АМ-60 (60x1.00 ми), 02-АМ-90 (90x1.30 ми) Пятикомпонентная система объектива. Первый и второй компоненты – одиночные положительные линзыа. Третий – склейка из отрицательной и положительной линз. Четвёртый и пятый компоненты представляют собой тройные склейки из двух положительных и отрицательной линз

Берек предложил рассматривать объективы малых увеличений и числовых апертур выполненными по схеме известного портретного объектива Пецваля, исторически первого фотографического светосильного объектива, созданного в 1840 г., и не утратившего своего значения до наших дней. "Для удовлетворения требования большей светосилы нужно, - по мнению Берека, - сделать частичные коэффициенты весьма малыми уже на отдельных поверхностях", а отсюда следует, что фронтальные элементы объективов - ахроматов больших увеличений должны содержать поверхности, близкие к апланатическим.

Выдающихся достижений в совершенствовании оптики микроскопов добился в конце 30-х годов прошлого столетия Богехольд, разработавший первые объективы с исправленной кривизной изображения. В дальнейшем этот тип коррекции в сочетании с теоретическими положениями по исправлению вторичного спектра определил появление планапохроматов - объективов, обладающих наиболее совершенным качеством изображения. Если фотографические объективы развивались по типу симметричных конструкций, в планахроматах Богехольда, как и в их последующих модификациях, в качестве коррекционного элемента для исправления кривизны изображения при малых увеличениях был использован последний элемент - мениск значительной толщины. В объективах с увеличениями больше 20х роль коррекционного элемента также выполнял мениск.

Конструкции объективов ахроматов и объективов апохроматов не претерпели существенных изменений в течение более ста лет своего существования. Но и работы по созданию объективов с плоским полем изображения не привели пока к созданию устойчивых конструкций. В практике отечественного и зарубежного оптического приборостроения сложилось два направления работ по оптимизации схемных решений объективов с плоским полем изображения: развитие конструкций, в основу которых положена система симметричного типа "планар", и развитие несимметричных конструкций, начало которым было положено Богехольдом.

Первые завершённые комплекты отечественных план объективов (см. таблицу 3) на основе теоретических исследований были разработаны профессором Л.Н. Андреевым.

Шифр, характеристики объектива Оптическая схема объектива Описание оптической конструкции объектива
ОПА-1 (10x0.30) Оптическая схема объектива ОПА-1 (10x0.30) Четырёхкомпонентная система объектива. Первый и второй компоненты – одиночные положительные линзы. Третий компонент представляет собой склейку из положительной и отрицательной линз. Четвёртый - склейка из отрицательной и положительной линз
ОПА-2 (16x0.40) Оптическая схема объектива ОПА-2 (16x0.40) Четырёхкомпонентная система объектива. Первый компонент – одиночная положительная линза. Второй и третий компоненты представляют собой склейки из положительной и отрицательной линз. Четвёртый - отрицательный одиночный мениск, обращённый вогнутостью к пространству изображений
ОПА-3 (40x0.65) Оптическая схема объектива ОПА-3 (40x0.65) Пятикомпонентная система объектива. Первый и второй компоненты – одиночные положительные линзы. Третий компонент представляет собой склейку из двух положительных и отрицательной линз. Четвёртый – склейка из положительной и отрицательной линз. Пятый - отрицательный одиночный мениск, обращённый вогнутостью к пространству изображений
ОПА-4 (60x0.85) Оптическая схема объектива ОПА-4 (60x0.85) Пятикомпонентная система объектива. Первый и второй компоненты – одиночные положительные линзы. Третий и четвёртый компоненты представляют собой склейки из двух положительных и отрицательной линз. Пятый - склеенный из положительной и отрицательной линз мениск, обращённый вогнутостью к пространству изображений
ОПА-5 (100x1.25ми) Оптическая схема объектива ОПА-5 (100x1.25ми) Восьмикомпонентная система объектива. Первый компонент выполнен в виде склейки. Второй и третий компоненты представляют собой склейки из отрицательной и положительной линз. Четвёртый - одиночная положительная линза. Пятый и шестой - склеенные из положительной и отрицательной линз. Седьмой - одиночная положительная линза. Восьмой - склеенный из положительной и отрицательной линз мениск, обращённый вогнутостью к пространству изображений

Особенностями этих объективов являются стандартизованные увеличения и высота h=45 мм, а также постоянная для всего комплекта хроматическая разность увеличений ХРУ=2%. Для компенсации этой аберрации в плоскости промежуточной плоскости микроскопа разработаны специальные компенсационные окуляры.

Однако отечественные план объективы не получили широкого распространения в серийных микроскопах по следующим причинам:

  1. Отсутствие лангкронов с большим значением коэффициента дисперсии v=80÷90 не позволило разработать достаточно простые и технологичные для серийного выпуска оптические конструкции объективов планахроматов. Объективы больших увеличений 40x0.65 и 60x0.85 содержат по два трехсклеенных компонента
  2. Комплект объективов планапохроматов, разработанный на основе лангкрона- флюорита и курцфлинта ОФ4, имеет уменьшенные числовые апертуры и пониженный контраст изображения
  3. В этих комплектах объективов не предусмотрена возможность реализации фазового контраста - широко распространенного метода исследования биологических объектов, который в настоящее время осуществляется путём нанесения фазовых колец на поверхности детали, сопряженной с плоскостью выходного зрачка объектива и выполненной из стекла группы ТФ, имеющего низкую скорость травления
  4. Большой остаточный хроматизм увеличения в объективах привел к необходимости усложнения не только окуляров и дополнительных проекционных систем микроскопа
  5. Большой остаточный хроматизм увеличения в объективах не позволил разработать широкоугольные окуляры, например, окуляр с увеличением Г=10Х и линейным полем 2y=25мм

Комплектом план объективов, в котором большая часть этих недостатков была преодолена, стал комплект объективов планахроматов с уменьшенным вторичным спектром, разработанный в 1978-79 гг. на основе фторфосфатного стекла ФФС2 (аналог флюорита) для биологических, люминесцентных и поляризационных микроскопов.

Объективы рассчитаны при толщине покровного стёкла 0.17 мм на конечную длину тубуса 160 мм, имеют стандартизованный ряд увеличений и высоту h=45 мм. Значение хроматической разности увеличения снижено и составляет (1+0.5)%.

Примечание: Приведённый материал носит информационный характер. По сегодняшнему состоянию дел многие из перечисленных трудностей преодолены, произведены расчёты, проектирование, изготовление нескольких комплектов современных отечественных объективов, не уступающих лучшим зарубежным аналогам.