Obiektyw mikroskopowy - najważniejszy element toru

W mikroskopie biologicznym to obiektyw tworzy podstawowy obraz.
 
To on w największym stopniu decyduje o:
 
• rozdzielczości,
• kontraście,
• korekcji aberracji,
• polu widzenia,
• working distance.
 
Okular lub kamera tylko powiększa albo rejestruje obraz, który obiektyw już utworzył.

Najważniejsze oznaczenia na obiektywie

Typowy napis może wyglądać np.:
 
Plan 40× / 0.65 ∞ / 0.17
 
albo:
 
Achromat 40× / 0.65 160 / 0.17.
 
Z tych oznaczeń odczytujemy:
 
• typ korekcji,
• powiększenie,
• aperturę numeryczną,
• standard optyczny,
• korekcję na szkiełko nakrywkowe.

Powiększenie obiektywu

Oznaczenie 40× oznacza powiększenie tworzone przez sam obiektyw w przewidzianym systemie optycznym.
 
Z okularem 10×:
 
40× × 10× = 400× całkowitego powiększenia.
 
Zobacz Powiększenie mikroskopu.

Apertura numeryczna - NA

NA jest ważniejsza dla rozdzielczości niż sama liczba 40×.
 
Dwa obiektywy:
 
• 40× / 0,40,
• 40× / 0,65
 
nie mają tego samego potencjału rozdzielczego.
 
Wyższa NA pozwala rozróżnić drobniejsze szczegóły.
 
Zobacz Apertura numeryczna.

Achromat

Achromat to klasyczny i bardzo dobry standard edukacyjny.
 
Koryguje podstawowe aberracje chromatyczne i sferyczne, ale nie musi dawać idealnie płaskiego pola do samej krawędzi.

Planachromat

Planachromat dodatkowo lepiej koryguje krzywiznę pola.
 
Dzięki temu centrum i brzegi pola mogą być jednocześnie znacznie lepiej ostre.
 
Jest szczególnie wartościowy przy fotografii, pomiarach i skanowaniu preparatów.

Plan fluor i plan apo

Plan fluor oferuje zwykle lepszą korekcję chromatyczną, wysoką NA i bardzo dobry kontrast.
 
Plan apo idzie jeszcze dalej pod względem korekcji barwnej i sferycznej.
 
To klasy obiektywów przeznaczone głównie do wymagającej fotografii, fluorescencji i zaawansowanej analizy.

Achromat vs plan vs fluor vs apo

Do szkoły dobry achromat jest zwykle wystarczający.
 
Do fotografii i laboratorium planachromat daje realną przewagę.
 
Fluor/APO mają sens wtedy, gdy rzeczywiście wykorzystamy ich wysoką korekcję i NA.

Finite 160 mm

W klasycznym systemie finite obiektyw jest zaprojektowany do określonej długości tubusa.
 
Najczęściej spotykamy oznaczenie 160 albo 160/0.17.

Infinity

W systemie infinity obiektyw tworzy za sobą wiązkę równoległą, a obraz pośredni tworzy dopiero tube lens.
 
Zalety:
 
• łatwiejsze dodawanie filtrów i modułów w przestrzeni infinity,
• wysoka modularność,
• standard wielu nowoczesnych mikroskopów laboratoryjnych.

Nie mieszaj finite z infinity

Obiektyw może fizycznie pasować gwintem, ale optycznie nie będzie pracował prawidłowo.
 
System obiektywu i mikroskopu musi być zgodny.

Tube lens w systemie infinity

Obiektyw infinity wymaga właściwej tube lens.
 
Jej ogniskowa jest częścią projektu całego systemu i wpływa na rzeczywiste powiększenie oraz korekcję.

0.17 - szkiełko nakrywkowe

Oznaczenie 0.17 oznacza, że obiektyw jest projektowany do pracy przez szkiełko nakrywkowe o grubości około 0,17 mm.
 
Przy wysokiej NA zbyt grube lub zbyt cienkie szkło może zwiększać aberrację sferyczną.

Correction collar

Niektóre obiektywy mają pierścień korekcyjny pozwalający dopasować układ do zmiennej grubości szkiełka, warstwy cieczy albo określonej geometrii preparatu.
 
To szczególnie ważne przy wysokiej NA.

Dry

Obiektyw suchy pracuje z powietrzem pomiędzy preparatem a soczewką frontową.
 
Typowe przykłady: 4×, 10×, 20× i 40×.

Oil immersion

Obiektyw olejowy wykorzystuje olejek immersyjny pomiędzy szkiełkiem a soczewką frontową.
 
Pozwala uzyskać NA większą niż możliwa przy powietrzu.

100× oil

To najczęściej spotykany obiektyw immersyjny w mikroskopii biologicznej.
 
Największa korzyść immersji to nie samo powiększenie, lecz większa NA i większa rozdzielczość.
 
Zobacz Mikroskop biologiczny.

Water i glycerol immersion

Obiektywy wodne i glicerolowe są projektowane do konkretnego medium.
 
Nie zastępujemy medium przypadkowo. Używamy dokładnie tego, do którego obiektyw został zaprojektowany.

Working distance - WD

WD to odległość od przedniej soczewki obiektywu do preparatu przy ustawionej ostrości.
 
Wraz ze wzrostem powiększenia i NA working distance zwykle maleje.

Long Working Distance - LWD

LWD i ELWD są przydatne przy grubych komorach, naczyniach hodowlanych i zastosowaniach przemysłowych.
 
Ceną bywa mniejsza NA przy tym samym powiększeniu.

Parfokalność

Dobrze dobrany zestaw obiektywów powinien być w dużej mierze parfokalny.
 
Po zmianie 10× → 40× wystarcza niewielka korekta fine focus.

Parcentryczność

Obiekt ustawiony w centrum pola powinien pozostać blisko centrum po zmianie obiektywu.
 
Na wynik wpływa jakość obiektywów, rewolweru i centrowanie systemu.

Długość parfokalna

Serie obiektywów są projektowane do określonej długości parfokalnej.
 
Mieszanie rodzin może powodować duże przesunięcia focusu i ryzyko uderzenia w preparat.

Gwint RMS

RMS to klasyczny standard gwintu obiektywów mikroskopowych, bardzo popularny w starszych systemach finite i mikroskopach edukacyjnych.

M25 i inne większe gwinty

Nowoczesne systemy infinity często korzystają z większych gwintów, np. M25.
 
Większy gwint może umożliwić większą aperturę mechaniczną i obsłużyć bardziej rozbudowane obiektywy.

Gwint nie gwarantuje zgodności

Nawet jeśli adapter pozwala zamontować obiektyw, muszą zgadzać się:
 
• finite/infinity,
• tube lens,
• długość parfokalna,
• korekcja optyczna.

Phase contrast

Obiektyw fazowy ma element optyczny współpracujący z właściwym pierścieniem w kondensorze.
 
Cały system musi być dopasowany.
 
Zobacz Techniki mikroskopowe.

Dark field

Przy wysokiej NA obiektywu trzeba dobrać odpowiedni kondensor dark field.
 
Nie każdy obiektyw i kondensor tworzą poprawny zestaw do ciemnego pola.

Polaryzacja

Obiektywy do zaawansowanej mikroskopii polaryzacyjnej są projektowane tak, aby minimalizować własną dwójłomność i artefakty polaryzacyjne.

Fluorescencja

W fluorescencji ważne są:
 
• wysoka NA,
• transmisja w odpowiednich pasmach,
• dobra korekcja barwna,
• niska autofluorescencja materiałów optycznych.

Obiektyw do kamery

Przy fotografii liczą się:
 
• płaskość pola,
• rozdzielczość,
• chromatyzm,
• mała dystorsja.
 
Dlatego planachromat jest często znacznie lepszym wyborem niż prosty achromat.
 
Zobacz Kamera do mikroskopu.

Sensor nie wyciągnie więcej niż obiektyw

Kamera 20 MP nie poprawi obrazu, jeśli obiektyw nie rozdziela drobnego detalu albo ma miękkie brzegi.
 
Sensor tylko dokładniej zarejestruje ograniczenia optyki.

Sampling

Zbyt duży piksel może niedostatecznie próbkować detal.
 
Zbyt mały piksel nie tworzy automatycznie nowej rozdzielczości i zwiększa wielkość plików.
 
Dobór kamery powinien uwzględniać powiększenie projekcyjne i NA.

Obiektyw 4×

Duże pole, duża głębia ostrości i duży WD.
 
Idealny do orientacji i dużych preparatów.

Obiektyw 10×

Najbardziej uniwersalny kompromis pola, detalu i głębi ostrości.

Obiektyw 20×

Często niedoceniany.
 
Daje bardzo użyteczny kompromis pomiędzy 10× i 40×.

Obiektyw 40× dry

Popularny do komórek, mikroorganizmów i drobnych struktur.
 
Wymaga dobrego fine focus i prawidłowo ustawionego kondensora.

Obiektyw 60× dry

Może dawać większą skalę bez immersji, ale zwykle ma bardzo mały working distance i małą głębię ostrości.

Obiektyw 100× oil

Standard do największej rozdzielczości w klasycznym mikroskopie edukacyjno-laboratoryjnym.
 
Wymaga poprawnej techniki immersyjnej i czyszczenia po pracy.

Spring-loaded objective

Wiele obiektywów 40× i 100× ma sprężynującą część frontową.
 
Pomaga ograniczyć ryzyko uszkodzenia przy przypadkowym kontakcie z preparatem, ale nie zastępuje ostrożnej pracy.

Kolorowe pierścienie

Wiele serii stosuje kolorowe oznaczenia do szybkiego rozpoznawania powiększeń, np. czerwony 4×, żółty 10×, zielony 20×, niebieski 40×, biały 100×.
 
Zawsze warto potwierdzić oznaczenia konkretnej serii.

Obiektywy korekcyjne a okulary kompensacyjne

W starszych systemach część korekcji chromatycznej mogła być realizowana wspólnie przez obiektyw i okular kompensacyjny.
 
Dlatego przypadkowe mieszanie starych elementów różnych producentów może pogorszyć obraz.

Czy warto wymieniać sam obiektyw?

Tak, jeśli mikroskop ma zgodny system, gwint, długość parfokalną i właściwą tube lens / finite geometry.
 
Najbezpieczniej modernizować cały zestaw jedną zgodną rodziną.

Wymiana achromatu na planachromat

Może dać bardzo widoczny efekt fotograficzny:
 
• ostrzejsze brzegi,
• bardziej równomierne pole.
 
Nie naprawi jednak złego kondensora, słabego oświetlenia ani nieprawidłowego preparatu.

Tabela: jak czytać oznaczenie

Tabela: klasy obiektywów

Tabela: typowe obiektywy

Tabela: objaw i możliwa przyczyna

Jak dobrać obiektyw - procedura

1. Sprawdź finite 160 czy infinity.
2. Sprawdź gwint.
3. Sprawdź długość parfokalną.
4. Wybierz potrzebne powiększenie.
5. Porównaj NA.
6. Do fotografii preferuj PLAN.
7. Sprawdź wymagane cover glass.
8. Przy immersji używaj właściwego medium.
9. Do phase contrast dobierz zgodny kondensor.
10. Najlepiej trzymaj się jednej zgodnej serii obiektywów.

Najczęstsze błędy

• kupowanie po samym powiększeniu,
• ignorowanie NA,
• mieszanie finite i infinity,
• zakładanie, że zgodny gwint oznacza zgodność optyczną,
• ignorowanie 0,17 mm przy wysokiej NA,
• używanie niewłaściwego medium immersyjnego,
• mieszanie obiektywów o różnych długościach parfokalnych,
• oczekiwanie płaskiego pola od prostego achromatu,
• zakup kamery 20 MP do słabego obiektywu,
• używanie 100× oil bez prawidłowego kondensora.

Najważniejszy wniosek

Dobór obiektywu mikroskopowego zaczynamy nie od liczby ×, ale od całego systemu.
 
Najważniejsze są:
 
1. finite czy infinity,
2. apertura numeryczna,
3. korekcja pola i chromatyzmu,
4. working distance,
5. cover glass,
6. zgodność mechaniczna i parfokalna.
 
Do edukacji dobry achromat jest bardzo rozsądny. Do fotografii planachromat daje wyraźną przewagę. Do najbardziej wymagających zastosowań laboratoryjnych wchodzą plan fluor i plan apo.
 
Wysokie powiększenie bez odpowiedniej NA nie daje wysokiej rozdzielczości.
 
Dalsze artykuły: Jaki mikroskop wybrać?, Mikroskop biologiczny, Powiększenie mikroskopu, Apertura numeryczna, Techniki mikroskopowe oraz Kamera do mikroskopu.