Современные микроскопы - статья

Данный реферат написан по статье "Microscopes", The McGraw-Hill Companies, Inc., Handbook of Optics, Second edition, USA, 1996, pp. 17.12-17.22.

Указанная статья выбрана для реферата как наиболее полно (из известных источников) и в доступной форме иллюстрирующая современные подходы в проектировании оптики для микроскопов. Принципиальная схема построения микроскопа как прибора, предназначенного для исследования объектов с дифракционно-ограниченными размерами, не претерпела каких-либо качественных изменений. Усилия разработчиков данного вида техники за последнее десятилетие были направлены на решение задач оптимизации и рациональности построения микроскопа. Основной идеей этого процесса стал принцип агрегатно-модульного построения прибора, когда микроскоп складывается как из кубиков, из компонентов с заранее известными потребительскими свойствами. В первую очередь, такой подход касается оптико-механических деталей и узлов, комплектующих прибор с заданными техническими характеристиками. В результате решения задач оптимизации и унификации появился новый тип микроскопов, основными характеристиками которых стало использование единой унифицированной длины тубуса "бесконечность", достижение независимой аберрационной коррекции отдельных оптических компонентов, рациональность в подходах при выборе схемных решений микрообъективов, окуляров и других оптических компонентов. Данная статья в краткой форме содержит основные сведения о принципах модернизации и унификации современных микроскопов, даёт информацию о принятых обозначениях и подходах, связанных с нововведениями, отражает некоторые принципы габаритного и аберрационного расчёта оптических систем микроскопов.

Следует отметить, что основные принципы построения оптических систем современных микроскопов были сформулированы специалистами из народного предприятия Карл Цейс в Йене примерно в 1980 году. Инженеры этой фирмы первыми построили микроскоп, явившийся прототипом современного микроскопа. Однако, как это часто бывает, они не достигли оптимума в частных решениях, и поэтому их идеи восторжествовали лишь 20 лет спустя, в значительно модернизированном виде. Вторым в реализации этого проекта (который долгое время оставался "на бумаге") стало Ленинградское предприятие ЛОМО, инженеры которого лишь через 15 лет смогли организовать серийное производство таких микроскопов. На сегодняшний день все основные мировые производители микроскопов (Zeiss, Olympus, Nicon, Leica, Lomo и др.) используют эти признанные технические решения, однако, эффективность такого использования разная, вследствие того же отсутствия оптимума в частных решениях.

За некоторым исключением, линзы объектива микроскопа разрабатываются, так чтобы сформировать дифракционно-ограниченное изображение в специфической плоскости изображения, которая располагается на фиксированном расстоянии от объектива (или тубусной линзы в случае системы фокусировки на бесконечность). Поле зрения часто достаточно ограничено, и фронтальный элемент объектива расположен близко к образцу, с которым он должен находиться в оптическом контакте через среду с определенным показателем преломления, для стандартного расстояния обычно используемого для объектива микроскопа.

В зависимости от степени коррекции, объективы обычно классифицируются на ахроматы, флюориты и апохроматы с план обозначением, добавленным к линзам с низкой кривизной поля и дисторсией. Некоторые из этих характеристик наносятся гравировкой на корпус объектива, как например, "планахромат 60/1.40 масло 160/0.17", означает 60 крат увеличения/1.40 числовая апертура, планапохроматический объектив разработан для использования с масляной иммерсией между фронтальным элементом объектива и препаратом, покрытого покровным стеклом толщиной 0.17 мм, и использует механический тубус длиной 160 мм. Другим примером мог быть «эпиплан - неофлюар» 50х/0.85 °°/0, который расшифровывается как "план флюорит" объектив, разработанный для epi-освещения (то есть освещение поверхности образца через объектив, а не через отдельный конденсор) с увеличением 50х и 0.85 числовой апертурой, который должен использоваться в воздухе (то есть без дополнительной иммерсионной среды между фронтальным элементом объектива и покровным стеклом или препаратом), без покровного стекла, и (оптической) длиной тубуса на бесконечность. Объективы серии "коррекция на бесконечность" требует использования специальной тубусной линзы, которая устраняет остаточную латеральную аберрацию и приводит лучи в фокус в плоскость изображения. Ахроматы обычно не определены как таковые, и для описания используют различные другие коды или цветовые коды в объективах микроскопа.

Большинство объективов разрабатываются, чтобы использоваться с определенной группой окуляров или тубусных линз, которые устанавливаются на определенных расстояниях для устранения остаточных ошибок. Например, компенсация окуляров используется при работе с апохроматами и другими высокоапертурными объективами, чтобы устранить боковую хроматическую аберрацию и улучшить плоскостность поля. Тем не менее, некоторые оптические системы, как например, Nikon CF (без хроматизма) и современные 2е188 объективы полностью скорректированы таким образом, что не требуют дополнительную хроматическую коррекцию тубусной линзой или окуляром.

Для линз объективов с высокими числовыми апертурами оптические свойства и толщина среды, лежащей между фронтальным элементом и препаратом, критически влияют на вычисления, необходимые для удовлетворения апланатизму и условию синусов, в противном случае, их следует корректировать по аберрациям изображения. Для иммерсионных гомогенных объективов (которые разработаны для использования с коэффициентами преломления и дисперсией масляной иммерсии, покровным стеклом и средой поглощения препарата, все сопоставляются во фронтальной линзе объектива), вычисление простое, поскольку вся среда может рассматриваться как расширение фронтальной линзы.

Тем не менее, с неиммерсионными объективами покровное стекло может стать источником хроматической аберрации, которая ухудшается, чем больше дисперсия и больше толщина покровного стекла. Сферическая аберрация также пропорциональна толщине покровного стекла. В проектировании объективов, не используемых с гомогенной иммерсией, следует принимать во внимание наличие стандартного покровного стекла и другой специфической оптической среды между фронтальным элементом объектива и препаратом. По мере того, как он выходит из этих определенных условий, сферическая аберрация (и также кома) увеличивается вместе с числовой апертурой объектива, так как различие между тангенсом и синусом угла падения ответственно за отклонение от необходимого условия синуса.