Объектив является самым важным элементом оптической системы микроскопа. С помощью объектива строится микроскопическое изображение с помощью входящих в конструкцию нескольких линз. Количество линз будет зависеть от задач, решаемых объективом, и может доходить до 14 штук (для получения наивысшего качества изображения).
В объективе выделяется фронтальная система линз, которая определяет рабочее расстояние и числовую апертуру, и последующие линзы, которые уже отвечают за увеличение и фокусное расстояние.
Существует несколько классификаций объективов на основе различных параметров. Ниже представлены наиболее распространенные наименования.
Классификация объективов по степени исправления искажений :
- Ахроматические объективы - устраняют хроматические аберрации благодаря наличию в конструкции объектива стеклянных элементов с разной дисперсией (в результате чего крайние лучи видимого спектра сходятся в одном фокусе).
- Флюоритовые объективы - устраняют окрашенность изображения с помощью цветокорректирующих добавок
- Апохроматические объективы - устраняет как хроматические, так и сферические аберрации.
- Полуапохроматические объективы - по конструкции те же апохроматы, однако более дешевый их вариант со средним качеством изображения.
- Планарные объективы - устраняют кривизну изображения по всему полю наблюдения.
Классификация объективов по увеличению :
- Объективы малых увеличений (до 10х).
- Объективы средних увеличений (до 50х).
- Объективы больших увеличений (50-100х)
- Объективы сверхбольших увеличений (более 100х).
Классификация объективов по числовой апертуре :
- Объективы малых числовых апертур (до 0,25).
- Объективы средних числовых апертур (до 0,65).
- Объективы больших числовых апертур (более 0,65).
В объективах с ирисовой диафрагмой есть возможность изменять числовую апертуру.
Классификация объективов по полю наблюдения :
- Объективы для наблюдения в пределах нормального поля (до 18 мм).
- Широкопольные объективы (до 22,5 мм).
- Сверхширокопольные объективы (более 22,5).
Теперь давайте разберемся в маркировке объектива для микроскопа. На объективе обязательно указывается увеличение, числовая апертура, а также может быть указана дополнительно буквенная маркировка. Например, что означает маркировка 40х/0,65 Ф? Первое числовое значение указывает на увеличение в 40х, второе на значение числовой апертуры - 0,65. Буквенная маркировка указывает на метод исследования объектива - Ф или Ph (фазовый, то есть с фазовым элементом внутри, которое представляет собой полупрозрачное кольцо). Также в буквенной маркировке могут быть обнаружены следующие обозначения: П или Pol (поляризационный объектив), Л или L (люминесцентный объектив), ФЛ или PhL (фазово-люминесцентный объектив) и так далее.
Также в буквенной маркировке может указываться тип оптической коррекции: АПО или APO (апохроматический), ПЛАН или PL (планарный), ПЛАН-АПО (планапохромат), СФ или М-ФЛЮАР (полуапохромат). Также могут встречаться такие маркировки как S (фирма OptiTech, ахромат с пружинным механизмом), или SemiPlan или SP (объективы - что-то среднее межу ахроматами и планахроматами).
И напоследок, следует отметить, что объективы могут быть сухие (безыммерсионные), с водной иммерсией или масляной иммерсией. Иммерсионная жидкость - это жидкость, которая находится между покровным стеклом и объективом и благодаря которой повышается разрешение объектива (используются в объективах с большими увеличениями). На иммерсию также указывает маркировка объектива: МИ или Oil (масляная иммерсия), ВИ или W (водная иммерсия).
Ахроматическая линза
Ахромати́ческая ли́нза (ахрома́т) - сложная линза , состоящая из рассеивающей и собирающей линз, чаще всего склеенных между собой оптическим клеем (например канадский бальзам , бальзамин и прочие). Склеивание никак не влияет на ахроматические свойства, однако позволяет уменьшить переотражения от поверхностей линз , снизить требования к точности изготовления склеиваемых поверхностей и облегчить последующий монтаж. Линзы больших диаметров, как правило, не склеивают.
Особенности конструкции
При этом нет принципиальной разницы, в каком порядке будут стоять линзы - возможны комбинации, когда рассеивающая (флинтовая) стоит "впереди" собирающей (кроновой). Такой вариант был предложен Томасом Груббом (Thomas Grubb) в 1857 г. Возможны и трёхлинзовые комбинации. Например, ахромат Питера Доллонда (Peter Dollond), где отрицательная флинтовая линза заключена между двумя положительными кроновыми .
В общем случае линзы подбираются так, что для каких-либо двух длин волн света полностью, а для остальных значительно устранён хроматизм положения .
Для общего случая, условием ахроматизации двухлинзового объектива (или компонента) будет равенство отношений оптических сил и коэффициентов дисперсии отдельных линз:
Выбор длин волн, подлежащих ахроматизации, определяется назначением объектива. Так, для систем визуального наблюдения „соединяют“ красный C (λ=656,3nm) и голубой F (λ=486.1nm) лучи. Это так называемая „визуальная“ коррекция.
„Фотовизуальную“ же коррекцию применяют в объективах для фотографирования с визуальной фокусировкой („старые“ фото- и некоторые астрономические объективы), „соединяя“ жёлтый D (λ= 589,3nm) и синий G" (λ=434,1nm) лучи.
Современные фотообъективы, как правило, ахроматизируют от синей (G") до красной (C) области спектра .
"Новые" ("аномальные") ахроматы
Примерно к 70-м годам XIX в., благодаря работам Эрнста Аббе (Ernst Abbe) и Отто Шотта (Otto Schott), появились оптические стёкла кронового типа с высоким показателем преломления.
Это привело к созданию так называемых „новых“ (или „аномальных“) ахроматов. В таком „новом“ („аномальном“) ахромате показатель преломления кронового стекла выше, чем флинтового . В то время, как у „старого“ (или „нормального“) - наоборот, выше показатель преломления флинта, чем крона. Это позволило уменьшить крутизну радиусов поверхностей „новых“ ахроматов по сравнению со „старыми“ (при одинаковой оптической силе), что, в свою очередь, значительно облегчило коррекцию сферической аберрации .
К тому же у аномальных ахроматов ме́ньшие значения имеет сумма Пецваля, характеризующая кривизну поля изображения . А это немаловажно для оптических систем широких полей зрения (например, фотообъективов).
"Ландшафтная (пейзажная) линза"
Схема „ландшафтного“ объектива Шевалье.
В 1839 г. ахроматический мениск был предложен французским оптиком Шарлем Шевалье (Charles Chevalier) в качестве фотографического объектива.
Имея такую же компоновку, как и монокль Уолластона , этот объектив обладал достаточно исправленным астигматизмом и сравнительно плоским полем изображения. Однако, невысокая светосила (F: 15), учитывая низкую светочувствительность фотоматериалов того времени, ограничивала область применения такого объектива исключительно пейзажными съёмками. Этим и обусловлено такое его название, как „ландша́фтная ли́нза“ („Lentille à paysage“).
См. также
Литература
- Волосов Д.С. Фотографическая оптика. М., «Искусство», 1971.
- Слюсарёв Г.Г. Расчёт оптических систем. Л., «Машиностроение», 1975.
- R. Kingslake. A History of Photographic Lens, Academy Press, 1989
- Яштолд-Говорко В. А. Фотосъёмка и обработка. Съёмка, формулы, термины, рецепты. Изд. 4-е, сокр. М., «Искусство», 1977.
Ссылки
- // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона : В 86 томах (82 т. и 4 доп.). - СПб. , 1890-1907.
Wikimedia Foundation . 2010 .
Смотреть что такое "Ахроматическая линза" в других словарях:
АХРОМАТИЧЕСКАЯ ЛИНЗА, линза, предназначенная для сокращения или устранения хроматической АБЕРРАЦИИ. Хроматическая аберрация происходит в простой линзе оттого, что компоненты белого цвета, имеющие различную длину волны (цвета) не попадают в один и … Научно-технический энциклопедический словарь
ахроматическая линза - achromatinis lęšis statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Lęšių sistema, kurios dviejų bangų ilgių, t. y. raudonos ir mėlynos spalvos, vaizdai yra tame pačiame optinės ašies taške. Sistemą sudaro iš skirtingo stiklo padaryti… … Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas
ахроматическая линза - achromatinis lęšis statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. achromatic lens vok. achromatische Linse, f rus. ахроматическая линза, f pranc. lentille achromatique, f … Fizikos terminų žodynas
35mm / DOF (Depth of field) адаптер используется для достижения малой глубины резкости при съемке на видеокамеры, возможности которых не позволяют достичь этого из за размера матрицы видеокамеры. DOF адаптер также позволяет устанавливать на… … Википедия
- (от греч. achromatos бесцветный), ахроматическая линза, ландшафтная линза, линзовая оптич. система с исправленной хроматнч, аберрацией (см. Аберрации оптических систем) для двух цветов (см. рис.). Ахромат. Тонкими линиями показан ход лучей: 1 в… … Большой энциклопедический политехнический словарь
- Для термина «Аберрация» см. другие значения. Аберрация оптической системы ошибка или погрешность изображения в оптической системе, вызываемая отклонением луча от того направления, по которому он должен был бы идти в идеальной оптической… … ВикипедияДжон Доллонд (1706 1761) английский оптик. Дол … Википедия
Покупая оптические приборы в магазине – телескопы, микроскопы, бинокли, фотоаппараты, а то и оптические прицелы, мало кто задумывается об устройстве самой главной части – оптики. Ведь любое из этих устройств имеет линзы, которые на вид – самые обычные «стекляшки». Но это совсем не так, они имеют довольно сложное устройство, благодаря чему мы имеем возможность получать прекрасное изображение. Итак, как же устроен объектив – линзовая, преломляющая свет, часть любого фотоаппарата или другого серьезного оптического прибора?
На заре использования оптики, а это примерно начало 17-го века, когда широко распространились телескопы и подзорные трубы, а также появились более-менее работоспособные микроскопы и лупы, применялись обычные двояковыпуклые линзы из стекла, имеющие форму чечевицы, если смотреть сбоку. Они, конечно, выполняли свою функцию и в сочетании с такой же линзой меньшего размера – окуляром, давали увеличенное или уменьшенное изображение объектов. Но…
Как известно, свет – это не просто белое сияние, а смесь различных цветов, или, по – научному, некоторый диапазон электромагнитных волн. Именно поэтому мы можем видеть различные цвета – от фиолетового до красного. При прохождении этой «смеси» через стеклянную линзу лучи разного цвета преломляются немного по-разному. Это очень портит картинку, окрашивая края объектов в красный и синий цвета. Понятно, что получается очень некачественное изображение. Вот такое цветное окрашивание называется «хроматической аберрацией». Для повышения качества картинки с этой бедой оптических устройств и началась война.
Когда Фраунгофер стал работать в крупной оптической мастерской Утцшнейдера, а это было в 1806 году, он приложил много сил к созданию так называемого ахроматического объектива, лишенного хроматической аберрации. Он же разработал технологию получения качественных сортов стекла – флинтгласа и кронгласа, которые еще называют просто флинтом и кроном. Они имеют несколько разные преломляющие свойства и это стало большим подспорьем в создании ахроматической оптики.
Устройство ахроматического объектива просто, как и все гениальное –просто вместо одной линзы в нем используют две склеенных, сделанных из разного стекла – флинта и крона. Этот вариант был предложен Томасом Груббом в 1857 году. При этом двояковыпуклая, собирающая линза делается из крона, а рассеивающая вогнутая линза – из флинта. Они склеиваются вместе с помощью специального оптического клея – канадского бальзама и подобных ему. Это позволяет избавиться от лишних потерь и искажений света, когда они отражаются от поверхности линзы, ведь теперь их четыре, а не две. Склеенная линза представляет собой одно целое, но ее слои - из разного стекла. Что это дает?
Так как разное стекло преломляет свет по разному, то удается получить схождение лучей разного цвета в одной точке, или очень близко к ней, по крайней мере. Это позволяет избавиться от хроматической аберрации – окрашивания каемок объектов в радужные цвета, или сделать так, что это окрашивание неразличимо для глаза.
Существуют и более сложные, трехлинзовые системы, так называемые ахроматы Питера Доллонда. В них вогнутая линза находится в середине, а на обе ее поверхности наклеены выпуклые, сделанные из крона.
Конечно, даже с помощью таких ухищрений совсем избавиться от хроматической аберрации невозможно, но можно значительно ее уменьшить, а для определенного цвета и совсем убрать. Современные качественные ахроматические объективы для профессионального применения, конечно, имеют еще более сложное устройство. В них используется не одна линза, пусть даже и «склеенная» ахроматическая. Обычно используются дополнительные линзы, компенсирующие остаточную хроматическую аберрацию. Это могут быть как простые, однослойные линзы, так и ахроматические, специально рассчитанные для конкретной системы.
Так что современный объектив, как видим – это вовсе не набор стекол, а очень сложная оптическая система, каждая линза которого рассчитана и выполнена с высочайшей точностью. Только так возможно получить качественное изображение, не окрашенное цветной «аурой».
Перейдем к рассмотрению объективов, содержащих несколько линз. Все рассуждения будут относиться к параксиальной области и к объективу, содержащему бесконечно тонкие соприкасающиеся линзы. Оптическая сила такого объектива есть сумма оптических сил отдельных линз, входящих в него,
В частности, для двухлинзового объектива
Здесь и далее величины, отмеченные одним штрихом, относятся к первой линзе объектива, а двумя - ко второй. В двухлинзовом объективе можно исправить хроматизм параксиальных лучей двух заданных длин волн или лучей, проходящих через некоторую за данную зону
объектива. Для совмещения положения фокусов лучей двух длин волн надо выполнять условие или
Такой объектив называется ахроматическим. Ахроматизировать объектив можно для лучей лежащих приблизительно по краям доступного глазу спектрального интервала или для лучей лежащих по краям области чувствительности несенсибилизированной фотопластинки. Первый случай соответствует визуальной ахроматизации, второй - фотографической. Из (5.2) следует, что в ахроматическом объективе кривизны обеих линз должны удовлетворять условию
Если положить и подставить сюда из (4.66) значения то учтя (4.80), получим
где есть оптические силы положительной и отрицательной линз для средней длины волны, например для луча числа Аббе каждой из линз. Последнее уравнение можно записать в виде
Можно показать, что вообще условие ахроматичности системы, содержащей к компонент, есть к
Решая (5.1) и (5.4) относительно получим
где оптическая сила объектива. Выражения (5.5) называются условием ахроматичности. Важно, что они определяют только силу каждой из линз, но не их форму. Из условия ахроматичности следует, что оптические силы каждой из линз обратно пропорциональны разности дисперсии стекол. Чтобы не были чрезмерными, следует выбирать стекла с сильно различающимися значениями дисперсий Положительная линза
обязательно должна быть изготовлена из стекла с большим значением дисперсии, чем отрицательная линза, т.е. положительная линза должна быть из стекла типа крон, а отрицательная из стекла типа флинт. Подставляя полученные значения в (4.66), получим
Отсюда следует, что для получения ахроматического объектива заданной оптической силы разность кривизн каждой из линз однозначно определяется выбранными сортами стекол. Индексами 1 и 2 мы будем обозначать первую и вторую поверхности каждой из линз; при этом сами кривизны каждой поверхности каждой из линз могут быть любыми; их величины будут влиять лишь на монохроматические аберрации. Надлежащей кривизной линз можно исправить сферическую аберрацию и кому (см. § 5.9 и 5.10). Для исправления сферической аберрации третьего порядка воспользуемся тем обстоятельством, что при выполнении условия ахроматизации (5.5) кривизны каждой из поверхностей линз, а значит, и продольная аберрация каждой из линз, произвольны. В § 4.8 мы показали, что положительная линза обладает всегда отрицательной сферической аберрацией, а отрицательная линза наоборот - всегда положительной аберрацией (исключения представляют мениски). Это позволяет дать такие формы каждой из линз, чтобы их аберрации были равны по абсолютной величине, но имели противоположные знаки. Для определенности предположим, что положительная линза предшествует (считая по ходу лучей) отрицательной. Тогда для положительной линзы ее сферическая аберрация выразится формулой (4.67), которую мы перепишем здесь в виде
Штрихи означают здесь первую (в данном случае положительную) линзу. Аберрацию отрицательной линзы определим в обратном ходе лучей, что будем обозначать стрелкой - над соответствующими величинами. Для этого предположим, что светящаяся точка расположена в главном фокусе объектива (рис. 5.1), повернутого на при этом перед надо поменять знаки на обратные. Так как обе линзы приняты бесконечно тонкими и соприкасающимися, то зоны у у них будут одни и те же. Продольная сферическая аберрация
Рис. 5.1. К определению сферической аберрации отрицательной флинтовой линзы. Объектив рассматривается условно повернутым на 180°, т.е. в обратном ходе лучей
отрицательной линзы для зоны у определится при этом из (4.63), которую мы запишем в виде, аналогичном формулам (4.64) и (5.7):
Здесь два штриха обозначают вторую (в данном случае отрицательную) линзу. Компенсация аберраций наступит при выполнении условия
В соответствии с (4.64) коэффициенты зависят только от показателей преломления выбранных сортов стекол и разностей кривизн положительной и отрицательной линз, определенных условием ахроматизации. Так как пучок света для второй линзы рассматривается идущим с конечного расстояния (из фокуса F объектива), то коэффициенты и зависят кроме того и от оптической силы всего объектива:
Если мы задали фокусное расстояние объектива обратную ему величину - оптическую силу разность кривизн положительной линзы и выбрали сорта стекол, т.е. определили показатели преломления обеих линз, то из (5.1) находим разность кривизн а значит, и оптическую силу отрицательной линзы. Подставляя значения (5.5) и (5.6) в (5.10), получим численные знвчения величин Если мы, кроме того, задались величиной , то из (5.7) находим При этом флинтовая линза рассматривается повернутой на поэтому при определении истинного значения аберрации вносимой ею в сходящийся к фокусу пучок лучей, следует заменить величину величиной Условие (5.9) будет выполнено лишь при вполне определенном значении которое получается в результате решения квадратного уравнения
Воспользуемся рисунком 4.21, чтобы показать это более наглядно. Для этого перенесем с него на рис. 5.2 абсолютные величины аберраций положительной и отрицательной линз. По оси абсцисс будем откладывать кривизну первой поверхности первой (кроновой) линзы. Кроме того на отдельных шкалах нанесем соответствующие значения остальных кривизн При этом шкалы совместим. По оси ординат будем откладывать абсолютные значения
Рис. 5.2. Форма линз в тонких двухлинзовых объективах разных типов
величин аберраций каждой из линз. Если квадратное уравнение (5.11) не имеет действительных корней, то следует выбрать другую пару марок стекол. Возможность произвольного выбора значений и равных им значений позволяет осуществить множество типов ахроматических объективов с исправленной сферической аберрацией третьего порядка. Задание продольной сферической аберрации каждой из линз определяет на рис. 5.2 некоторый вполне определенный уровень - например, прямую Ей соответствуют четыре возможные комбинации форм линз ахроматического объектива: или т.е. каждой форме одной линзы отвечают вообще две возможные формы другой линзы. Указанные комбинации схематически изображены на рис. 5.3.
Рис. 5.3. Четыре варианта ахроматических объективов с кроновой линзой впереди
Уровню соответствуют только две возможные комбинации: или Из четырех типов объективов наиболее выгодная схема так как в ней кривизны линз меньше, чем в любой другой комбинации. С ростом же кривизны линз возрастают сферохроматическая аберрация и аберрации высших порядков. Кроме того, предъявляются более жесткие требования к центрировке линз.
Кривизна первой поверхности может быть выбрана любой, лишь бы соблюдались условия ахроматизации (5.5) и компенсации сферической аберрации (5.9). Эта свобода может быть использована для удовлетворения других требований, например конструктивных или, чаще, оптических.
Условия (5.7) и (5.8) выражают аберрации кроновой и флинтовой линзы через радиусы кривизн наружных поверхностей объектива Можно задаться условием, чтобы вторая поверхность кроновой линзы имела кривизну, равную кривизне поверхности флинтовой линзы, т.е. чтобы было удовлетворено условие равенства кривизн внутренних поверхностей объектива:
Выполнение этого требования позволяет склеить обе линзы в один блок. Для удовлетворения условий (5.12) удобно выразить кроновой линзы и флинтовой линзы соответственно черезр и Для такого перехода воспользуемся формулой (4.61), из которой следует,
что После несложных преобразований получим
Черточки над коэффициентами обозначают, что эти величины относятся к склеенному объективу. Условие (5.12) при исправлении сферической аберрации эквивалентно выполнению равенства
которое может быть справедливым лищь если дикриминант этого квадратного уравнения неотрицателен.
При имеются два решения квадратного уравнения (5.14), которые соответствуют склеенным объективам, называемым объективами Клеро типов
Широкое распространение получили объективы А. Кларка. В них кроновая и флинтовая линзы разделены значительным воздушным промежутком, составляющим, как, правило около Промежуток введен исключительно только для удобства чистки внутренних поверхностей линз. Наличие такого воздушного промежутка неизбежно приводит к появлению хроматизма увеличения (см. рис. 2.12) и дисторсии. Тем не менее все крупнейшие рефракторы мира снабжены объективами Кларка. Рис. 2.12 делает ясным тот механизм, который приводит к хроматизму увеличения. По выходе из кроновой линзы синий луч отклоняется значительно сильне, чем красный луч С. В результате лучи встречают флинтовую линзу ближе к оптической оси, чем красные лучи С. Так как поперечная сферическая аберрация пропорциональна кубу зоны у, то переисправление сферической аберрации для фиолетовых лучей несколько уменьшилось. Поэтому объективы Кларка дают несколько менее заметный фиолетовый ореол вокруг звезд.
Коэффициент отражения при нормальном или близком к нормальному падению лучей на непросветленную поверхность, разделяющую среды с показателями преломления составляет
В несклеенном объективе любого типа третья поверхность его отражает около 1/18 падающей энергии, давая пучку дополнительную сходимость, равную единицах оптической силы всего объектива). Вторая поверхность объектива отразит 1/23 долю этого пучка в направлении к фокусу телескопа и уменьшит сходимость пучка на Так как расстояние между линзами ничтожно, то дважды отраженный пучок образует свой фокус на расстоянии от главного фокуса. Если разность кривизн мала, как это обычно бывает в объективах, близких к типу Клеро, то каждая яркая звезда даст на фотопластинке заметный весьма вредный блик. В результате изображение каждой яркой звезды сопровождается слабым спутником, который будет слабее самой звезды на 6,6 звездной величины. Взаимное склеивание линз в объективе уменьшает потери света на отражениях от их поверхностей. Принимая показатели преломления крона 1,52, флинта 1,62, а воздуха 1,0, находим, что в несклеенном объективе, в котором линзы разделены даже тонким воздушным промежутком, суммарные потери на отражение составляют Склеивание линз снижает их до 9,7 %. Кроме того, уменьшаются вредные блики и слабый рассеянный фон неба по полю. Склейка фактически исключает влияние погрешностей формы склеиваемой поверхности кроновой линзы и на 1/7 уменьшает влияние таковых на склеиваемой поверхности флинтовой линзы, а также влияние царапин на них и обеспечивает неизменность центрировки линз. Склеенные объективы используются только в небольших рефракторах и астрометрических интрументах, в которых недопустимо смещение линз.
