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) |  |
Двухкомпонентная система объектива. Оба компонента представляют собой склейки из отрицательных и положительных линз |
| 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) |  |
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) |  |
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) |  |
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) |  |
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) |  |
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) |  |
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) |  |
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) |  |
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) |  |
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:
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.
2005 - 2023. Все права защищены. При копировании материалов активная ссылка на сайт обязательна!
