Введение
Объектив или зеркало в оптических приборах
В оптической инженерии объектив — это оптический элемент, который собирает свет от наблюдаемого объекта и фокусирует световые лучи от него для создания реального изображения объекта. Объективы могут представлять собой одну линзу или зеркало, либо комбинацию нескольких оптических элементов. Они используются в микроскопах, биноклях, телескопах, камерах, проекторах для слайдов, CD-плеерах и многих других оптических приборах. Объективы также называют объективными линзами или объективами.
Цели микроскопа
Объективная линза микроскопа расположена в нижней части, рядом с образцом. В простейшем случае это сильно увеличивающее стекло с очень малой глубиной резкости. Она подносится очень близко к исследуемому образцу, чтобы свет, исходящий от образца, фокусировался внутри тубуса микроскопа. Сама объективная линза обычно представляет собой цилиндр, содержащий одну или несколько линз, как правило, стеклянных; её функция – собирать свет от образца.
Увеличение
Одним из важнейших свойств объективов микроскопа является их увеличение. Увеличение обычно находится в диапазоне от 4× до 100×. Оно комбинируется с увеличением окуляра для определения общего увеличения микроскопа; объектив 4× в сочетании с окуляром 10× создает изображение, которое в 40 раз больше реального размера объекта. Типичный микроскоп оснащен тремя или четырьмя объективными линзами с разными увеличениями, закрепленными в вращающейся круглой "револьверной головке" для выбора необходимой линзы. Для удобства использования эти линзы часто маркируются цветом. Объектив с наименьшим увеличением называется сканирующим объективом и обычно имеет увеличение 4×. Следующий объектив называется малым объективом и обычно имеет увеличение 10×. Объектив с наибольшим увеличением из этой серии называется большим объективом и обычно имеет увеличение 40–100×.
Числовая диафрагма
Числовая апертура объективов микроскопа обычно находится в диапазоне от 0,10 до 1,25, что соответствует приблизительным фокусным расстояниям от 40 мм до 2 мм соответственно.
Длина механической трубки
Исторически микроскопы почти всегда проектировались с конечной длиной механической трубки, то есть расстоянием, которое свет проходит в микроскопе от объектива до окуляра. Стандарт Королевского микроскопического общества составляет 160 миллиметров, в то время как Leitz часто использовал 170 миллиметров. Также довольно распространены объективы с длиной трубки 180 миллиметров. Использование объектива и микроскопа, разработанных для разных длин трубок, приведет к сферической аберрации. Вместо конечной длины трубки современные микроскопы часто проектируются с коррекцией на бесконечность – методом в микроскопии, при котором свет, выходящий из объектива, фокусируется в бесконечности. Это обозначается на объективе символом бесконечности (∞).
Толщина покрытия
Особенно в биологических приложениях образцы обычно наблюдаются под стеклянным покровным стеклом, что вносит искажения в изображение. Объективы, разработанные для использования с такими покровными стеклами, корректируют эти искажения и, как правило, имеют толщину покровного стекла, для работы с которым они предназначены, указанную на корпусе объектива (обычно 0,17 мм). В отличие от них, так называемые "металлургические" объективы предназначены для отраженного света и не используют покровные стекла. Различие между объективами, предназначенными для использования с покровным стеклом или без него, существенно для объективов с высокой числовой апертурой (высоким увеличением), но незначительно для объективов с малым увеличением.
Конструкция объектива
Основные стеклянные линзы обычно вызывают значительную и недопустимую хроматическую аберрацию. Поэтому большинство объективов имеют некоторую коррекцию, позволяющую сфокусировать различные цвета в одной точке. Самая простая коррекция – ахроматическая линза, использующая комбинацию кронового и флинтового стекла для фокусировки двух цветов. Ахроматические объективы являются типичной стандартной конструкцией. Помимо оксидных стекол, фторидные линзы часто применяются в специализированных областях. Эти фторидные или полуапохроматические объективы лучше справляются с цветопередачей, чем ахроматические. Для дальнейшего снижения аберраций используются более сложные конструкции, такие как апохроматические и суперапохроматические объективы. Все эти типы объективов демонстрируют некоторую сферическую аберрацию. В то время как центр изображения находится в фокусе, края будут слегка размытыми. Если эта аберрация исправлена, объектив называется "плановым" и обеспечивает плоское изображение по всему полю зрения.
Рабочее расстояние
Рабочее расстояние (иногда обозначаемое как WD) — это расстояние между образцом и объективом. С увеличением увеличения рабочее расстояние обычно уменьшается. Когда требуется больше пространства, можно использовать специальные объективы с большим рабочим расстоянием.
Погружные линзы
Некоторые микроскопы используют объективы с масляным или водным погружением, которые могут иметь увеличение более 100 и числовую апертуру более 1. Эти объективы специально разработаны для работы с иммерсионным маслом или водой, показатель преломления которых соответствует показателю преломления среды, и которые должны заполнять пространство между передней линзой и объектом. Эти объективы обеспечивают более высокое разрешение при большом увеличении. При использовании масляного погружения можно достичь числовой апертуры до 1,6.
Монтажные нити
Традиционная винтовая резьба, используемая для крепления объектива к микроскопу, была стандартизирована Королевским микроскопическим обществом в 1858 году. Она основывалась на британском стандарте Уитворта, с диаметром 0,8 дюйма и 36 витков на дюйм. Эта "резьба RMS" или "резьба Общества" до сих пор широко используется. В качестве альтернативы некоторые производители объективов используют конструкции, основанные на метрической винтовой резьбе ISO, такие как M26 × 0,75 и M25 × 0,75.
Фотография и визуализация
Объективы камер (обычно именуемые "фотографическими объективами" вместо просто "объективов") должны охватывать большую фокальную плоскость, поэтому состоят из нескольких оптических элементов для коррекции оптических аберраций. Проекторы изображений (например, видео-, кино- и слайд-проекторы) используют объективы, которые выполняют функцию, обратную камере, с линзами, предназначенными для охвата большой плоскости изображения и проецирования его на расстояние на другую поверхность.
Телескопы
В телескопе объектив — это линза в передней части рефрактора (например, бинокля или телескопического прицела) или главное зеркало, формирующее изображение в рефлекторе или катадиоптрическом телескопе. Светособирающая способность и угловое разрешение телескопа напрямую зависят от диаметра (или "апертуры") его объектива – линзы или зеркала. Чем больше диаметр объектива, тем ярче будут казаться объекты и тем больше деталей можно будет различить.