Site icon ZetSila

Окуляры (окулярные линзы) микроскопов и телескопов

Окуляры (окулярные линзы) микроскопов и телескопов

Окуляры (окулярные линзы) — детали микроскопа или телескопа, призванные увеличивать изображение, формируемое объективом, до размерности, комфортной под обозрение человеческим глазом. Разработаны и существуют различные типы таких систем, поэтому логичным видится рассмотреть конструкции, принцип работы, особенности использования, учитывая высокий уровень интереса людей к оптическим приборам.


Окулярные линзы + маркировка такого рода изделий

Достаточно широко распространены и применяются конструкции, маркируемые аббревиатурой «UW» и «H». Первой аббревиатурой обозначаются окулярные линзы, которыми обеспечивается сверхширокое поле обзора. Второй аббревиатурой обозначаются изделия под фокусное расстояние с высокой точкой обзора. Кроме того, применяются следующие обозначения окулярных линз:

Компенсационные окуляры, а также поддерживающие кратность увеличения, как правило, маркируются символами «K», «C», «COMP». Конструкции с объективами плоского поля могут иметь обозначение «PLAN-COMP».

BRESSER

Конструкция на окуляр с настройкой диоптрий в качестве примера: 1 – резиновый наглазник; 2 – строка технической характеристики; 3 – диоптрийная настройка; 4 – фланец крепления тубуса; 5 – вкладка локатора; 6 – глазная линза; 7 – дуплет; 8 – триплет; 9 – апертура; 10 – корпус вставки; 11 – дуплет полевой линзы

На картинке выше в строке характеристики, нанесённой на корпусе изделия, отмечено, что кратность увеличения составляет «10X». Ниже строки характеристики цифрами 2 и 4 указывается диаметр (в миллиметрах) неподвижной диафрагмы. Здесь регулировка фокуса достигается винтом с накатанной головкой, фиксирующим положение линз.

Современные производители выпускают системы, дополненные резиновыми наглазниками. Таковые служат как для позиционирования глаз на правильном расстоянии от передней линзы и предотвращения отражений света, создающих помехи для обзора.


Системы негативные позитивные модифицированные

Существует два основных типа окуляров, которые сгруппированы в соответствии с расположением линз и диафрагмы:

  1. Отрицательные окуляры (Гюйгенса) с диафрагмой внутри.
  2. Положительные окуляры (Рамсдена) с диафрагмой под линзами.

Конструкция отрицательного типа содержит две линзы – верхнюю и нижнюю. Верхнее стекло, ближайшее к глазу наблюдателя, именуется глазной линзой. Нижнее стекло (под диафрагмой) именуется полевой линзой.

Применительно к простейшей форме, глазная и полевая детали плосковыпуклые, выпуклыми сторонами обращены к образцу. Средняя область между линзами содержит  фиксированное круглое отверстие (диафрагму). Размер диафрагмы определяется круглым полем обзора.

Простейшая конструкция отрицательного окуляра Гюйгенса («Б») видится характерной для большинства моделей учебных и лабораторных микроскопов, оснащённых ахроматическими системами. Несмотря на то, что «гюйгенсовский глаз» и полевые линзы плохо корректируются, аберрации стёкол имеют тенденцию уравновешивать разнос.

EXPLORE

Конструкции простейших систем: А – окуляр Рамсдена; Б — окуляр Гюйгенса; 1, 4 – глазная линза; 2, 6 – полевая линза; 3, 5 — диафрагма

Для конструкций отрицательного типа с более высокой степенью коррекции, два-три элемента линзы склеены вместе, образуя глазную линзу. Если окуляр неизвестного производителя имеет только указанную на корпусе кратность увеличения, скорее всего, имеет место окуляр Гюйгенса, который лучше всего подходит для использования с ахроматическими системами, имеющими кратность увеличения 5-40.

Система положительного типа с диафрагмой под линзами — окуляр Рамсдена («А»), имеет плосковыпуклую глазную и полевую линзу. Однако здесь полевая линза установлена изогнутой поверхностью по направлению к глазной линзе.

Передняя фокальная плоскость находится чуть ниже полевой линзы, на уровне диафрагмы окуляра. Такое исполнение делает систему легко адаптируемой для установки измерительной сетки. Чтобы обеспечить лучшую коррекцию, две линзы окуляра Рамсдена допустимо склеить вместе.

Что касается модифицированной конструкции – обычно имеется в виду версия окуляра Рамсдена, получившая название окуляр Кельнера. Такая усовершенствованная система содержит дублет склеенных вместе элементов глазной линзы, обладает более высокой точкой, обеспечивает большее поле обзора.


Компенсационные и усовершенствованные окуляры

Простые системы, рассмотренные выше и ахроматические аналоги, не обеспечивают корректировку остаточной хроматической разницы увеличения в промежуточном изображении. Особенно заметно это в сочетании с ахроматическими объективами большого увеличения, флюоритовыми или апохроматическими.

Чтобы решить проблему, производители выпускают компенсирующие окуляры, которые вносят равную, но противоположную хроматическую разницу в элементах системы. Компенсирующие окуляры положительного или отрицательного типа должны использоваться при всех увеличениях с флюоритовыми, апохроматическими и всеми вариантами плановых объективов.

Объективы современных микроскопов имеют поправку на хроматическую разницу увеличения, встроенную либо непосредственно в конструкцию прибора, либо в конструкцию тубусной линзы.

Компенсирующие окуляры играют решающую роль в устранении остаточных хроматических аберраций, присущих системам с высокой степенью коррекции. В результате предпочтительно использовать именно компенсирующие окуляры, разработанные конкретным производителем.

Использование неправильной системы с апохроматическим объективом, предназначенным для использования с трубой конечной (160 или 170 мм) длины, приводит к резкому увеличению контраста с красными полосами на внешних диаметрах и синими полосами на внутренних диаметрах деталей образца.

CELESTRON

Система серии «Periplan» особенности построения конструкции: 1 – дуплет; 2 — диафрагма

Примером усовершенствованной конструкции считается продукт «Periplan», представленный на картинке выше. Здесь система содержит семь линз, склеенных в одно двойное, одно тройное и два отдельных стекла. Как результат:

  1. Улучшенная коррекция остаточных боковых хроматических аберраций.
  2. Повышение плоскостности поля обзора.
  3. Общее улучшение характеристик на объективах с кратным увеличением.

Современные системы микроскопов оснащены значительно улучшенными объективами с коррекцией плана, где кривизна поля основного изображения намного меньше, чем у старых приборов. Кроме того, большинство микроскопов современности имеют гораздо более широкие тубусы корпуса, что значительно увеличивает размер промежуточных изображений.


Как правильно выбрать окуляр под объектив?

Прежде всего, выбирают объектив, а затем уже приобретают окуляр, предназначенный для работы с выбранным объективом. По мере выбора относительно легко отличить простые окуляры от систем более высокой компенсации.

Простые окуляры (Рамсдена и Гюйгенса) имеют синее кольцо по краю диафрагмы, если смотреть в микроскоп или подносить к источнику света. Напротив, компенсирующие окуляры с более высокой коррекцией имеют желто-красно-оранжевое кольцо вокруг диафрагмы при тех же обстоятельствах.


Окуляры высокой точки обзора

Световые лучи, исходящие из окуляра, пересекаются в выходной точке обзора, именуемой диск Рамсдена. Именно сюда прикладывается зрачок глаза, чтобы обеспечить максимальное поле обзора. При увеличении кратности окуляр приближается к верхней поверхности хрусталика глаза, что затрудняет работу, особенно для людей, пользующихся очками.

Чтобы исключить такого рода проблему, разработаны окуляры с высокой точкой обзора, где расстояние выше на 20–25 мм поверхности линзы глаза. Здесь глазные линзы большего диаметра содержат больше оптических элементов и обеспечивают улучшенную плоскостность поля. Такие системы маркируются символом «H», нередко в сочетании с другими характеристиками.

Система окуляров с высокой точкой зрения особенно полезна для наблюдателей, которые носят очки, так как обеспечивает коррекцию близорукости или дальнозоркости. Однако на другие дефекты зрения, например, астигматизм, влияния не отмечается.

Современные системы с большим углом обзора, между тем, пользуются популярностью. Увеличенный зазор между глазами снижает утомляемость и делает просмотр изображений через микроскоп более удобным.


Диаметр поля обзора + диапазона полезного увеличения

Некогда использовались окуляры с широким спектром кратности увеличения (6,3-25) и даже выше для случаев специальных применений. Но применение объективов с большим увеличением рождает проблему «пустоты» при работе с окулярами очень большой кратности, чего следует избегать.

Сегодня большинство производителей ограничивают возможности кратности увеличения диапазоном 10X-20X. Диаметр поля обзора окуляра выражается числом поля зрения или числом поля обзора (FN — Field Number). Номер поля обзора окуляра даёт реальный диаметр поля обзора объекта через формулу:

VD = (FN) / (M(O) * M(T);

где FN — число поля обзора в миллиметрах, M(O) — увеличение объектива, M(T) — коэффициент увеличения тубусной линзы (если таковая присутствует).

Что касается диапазона полезного увеличения, здесь следует внимательно выбирать комбинации окуляр/объектив, чтобы обеспечить оптимальное увеличение деталей образца без добавления ненужных артефактов. Например, чтобы получить увеличение в 250 раз, придётся выбрать окуляр с увеличением 25 раз и объектив с увеличением 10.

Альтернативой выбора для того же увеличения будет окуляр кратностью 10X с объективом кратностью 25X. Поскольку объектив кратностью 25X имеет более высокую числовую апертуру (0,65), чем объектив кратностью 10X (0,25), а значения числовой апертуры определяют разрешение объектива, последний вариант является идеальным.

Если микрофотографии одного и того же поля обзора делаются с каждой комбинацией объектив/окуляр, описанной выше, становится очевидным, что дуэт окуляр 10X/объектив 25X даст микрофотографии превосходной детализации и чёткости образца по сравнению с другой комбинацией.

Диапазон полезного увеличения комбинации объектив/окуляр определяется числовой апертурой системы. Существует минимальное увеличение, необходимое для разрешения деталей, присутствующих на изображении. Это значение обычно произвольно устанавливается равным 500-кратной числовой апертуре (500*NA).

На другом конце спектра максимальное полезное увеличение изображения обычно устанавливается равным 1000-кратной числовой апертуре (1000*NA). Увеличение, превышающее это значение, не даст никакой дополнительной полезной информации или более точного разрешения деталей изображения. Как правило, такой подход приведёт к ухудшению качества изображения.

Превышение предела полезного увеличения приводит к явлению «пустого» увеличения изображения без соответствующего увеличения разрешения деталей.

Окулярная сетка (измерительная шкала) перекрестие

Окуляры допустимо адаптировать под цели проведения соответствующих измерений. Для этого добавляется небольшой дисковый инструмент (крест визирных нитей) в плоскости полевой диафрагмы. Крест визирных нитей обычно имеет градуировку измерительной линейки (сетки).

Поскольку измерительная сетка находится в той же плоскости, что и полевая диафрагма, этот инструмент отображается в резком фокусе, наложенном на изображение образца. Системы, дополненные крестом визирных линий, имеют механизм фокусировки (винт или ползунок). Картинка ниже показывает распространённые варианты сеток.

Измерительная сетка (1) выступает обычным элементом систем, предназначенных для кадрирования поля обзора при производстве микрофотографии. Небольшой прямоугольный элемент ограничивает область, которая захвачена плёнкой формата 35 мм.

MEADE UHD

Форма перекрестия окулярных визирных линий: 1 – для производства микрофотографий; 2 – линейная; 3 – перекрёстная; 4 — разделительная

Другие форматы плёнки (120 мм) очерчены наборами углов внутри большего прямоугольника 35 мм. В центре креста визирных линий находится ряд окружностей с четырьмя наборами параллельных линий, расположенных в виде символа X.

Эти линии используются для фокусировки окулярной измерительной сетки, а также изображения, чтобы получить эффект парфокальности с плоскостью плёнки в задней части камеры, прикреплённой к микроскопу.

На картинке выше представлен линейный микрометр (2), используемый для измерения расстояний до изображения. Перекрёстный микрометр (3), в свою очередь, применяется с поляризационными микроскопами для определения положения образцов относительно поляризатора и анализатора. Инструмент перекрестия (4) используется для разделения части поля обзора для подсчёта.


Подвижные указатели фото-окуляры проекционные объективы

Некоторые устройства имеют подвижный указатель, расположенный внутри, дающий силуэт в плоскости изображения. Этот указатель явно полезен для обозначения определённых особенностей образца, особенно в плане обучения конкретным особенностям. Большинство указателей поворачиваются на 360° вокруг образца, а более продвинутые версии дают перемещение в поле обзора.

Также производятся специализированные фото-окуляры, предназначение которых — микрофотография. Здесь конструкция обычно негативная (тип Гюйгенса), не допускающая применения визуально. По этой причине система получила название проекционной линзы.

 

Проекционные линзы требуют тщательной корректировки, чтобы получать изображения с плоским полем, что является обязательным для точной микрофотографии. Как правило, такого рода система также имеет цветовую коррекцию с целью обеспечения точности воспроизведения цвета на цветной микрофотографии.

Коэффициенты увеличения проекционных объективов под микрофотографию варьируются от значений 1X до значений 5X. Такого типа линзы допустимо менять местами для настройки размера конечного изображения на микрофотографии.


При помощи информации: OlympusLifeScience