Типы оптических систем стереомикроскопов. Схема Грену и схема с общим главным объективом

Стереоскопические микроскопы или стереомикроскопы представляют собой довольно широкий класс оптических приборов, главным образом предназначенных для работы в отраженном свете, характеризующихся малой мощностью (в сравнении с биологическими или металлографическими моделями) и применяющихся для исследования относительно крупных, объемных образцов целиком. Принцип работы стереомикроскопа заключается в объединении в себе двух микроскопов, имеющих различные оптические пути, фокусирующиеся на одной и той же точке, но немного под разными углами, точно так же, как работают Ваши глаза, что, собственно, и позволяет построить объемное, трехмерное изображение для изучения деталей структуры поверхности объекта, детали его рельефа (трещины, углубления и тд.).

Стереомикроскопы отличаются очень хорошей глубиной резкости, то есть они строят естественное изображение с отличным восприятием глубины, благодаря чему они отлично подходят для выполнения таких прикладных задач, где требуется особая координация «рука-глаз». Кроме того, еще одной важной особенностью приборов этого класса является большое рабочее расстояние, что позволяет проводить различные манипуляции с образцом, например, диссекционные, паяльные или реставрационные работы с использованием специальных инструментов.

Увеличение таких микроскопов чаще всего варьируется в диапазоне от 20х до 80х, но в некоторых моделях может встречаться увеличение от 2-3х до 200-300х. При этом, важно обратить внимание и на то, что приборы этого класса могут быть построены по двум оптическим схемам:

• Оптическая схема Грену.
• Оптическая схема c общим главным объективом (CMO – Common Main Objective) с системой изменения масштаба. Данная конструкция также носит название телескопический, Аббе или Галилея.

Собственно, в этой статье нам и хотелось бы более подробно обсудить отличия между данными оптическими конструкциями. Обе системы имеют как определенные преимущества, так и недостатки. Тем не менее, выбор, какой купить микроскоп, как правило, основывается на особенностях применения прибора, исходя из поставленных перед ним задач, его цены, при этом особенность системы строения учитывается гораздо реже. Да и сразу стоит упомянуть, что микроскопы, построенные по схеме Грену, существенно дешевле своих братьев с общим главным объективом.

Мозг и глаза человека функционируют вместе, обеспечивая пространственное зрение, так чтобы мы видели трехмерное изображение окружающих нас объектов. В среднем у людей межзрачковое расстояние составляет 64-65мм, при этом каждый глаз строит несколько отличающееся друг от друга изображение из-за того, что они находятся на некотором удалении друг от друга, а значит, на один и тот же объект «смотрят» под разными углами. Благодаря этому переданное в мозг изображение сливается в единую картинку с большой степенью восприятия глубины, т.е. строится объемная картинка. Для получения истинно стереоскопического эффекта, сохранения виртуальной объемности исследуемого объекта стереомикроскопы используют способность восприятия глубины передавая 2 изображения, наклоненных по отношению друг к другу приблизительно на 10-12 градусов.

Сразу же оговоримся, что в обеих оптических системах возможна реализация как одного или нескольких фиксированных увеличений, так и плавного бесступенчатого изменения кратности в заданном диапазоне, т.е. зума.

В микроскопах, построенных по схеме Грену, изображение формируется двумя идентичными (симметричными) оптическими путями, расходящимися на угол стереоскопичности. Обе оптические системы содержат отдельный окуляр и объектив, точно отцентрированы (отъюстированы) и заключены в общий корпус. Главным достоинством такой конструкции является довольно высокая числовая апертура, чего удается достичь благодаря схожести конструкции объективов схемы Грену с объективами классических биологических микроскопов.

В оптическом блоке приборов установлена пара оборачивающих призм или зеркал для коррекции ориентации увеличенного изображения так, что оператор видит правильно-ориентированную картинку, такую же, как он видел бы без микроскопа. Кроме того, во многих моделях установлены дополнительные призмы для излома оптической оси под 30 или 45 градусов для более комфортных условий наблюдения.

Так как лучи, участвующие в формировании изображения, проходят через сложную линзовую систему в центре, качество картинки симметрично относительно центра, как в биологических микроскопах. Исправить оптические аберрации в стереомикроскопах по Грену гораздо проще, чем в микроскопах с общим главным объективом, так как линзы меньше, аксиально-симметричны, и мало зависят от лучей света, проходящих через периферию объектива. Изображение характеризуется высокой глубиной резкости, отличной стереоскопичностью (объемностью). Кроме того, стереомикроскопы по Грену имеют более компактную конструкцию.

Искажение в схеме Грену появляется из-за наклона оптических осей объективов относительно общей оси. Данный недостаток носит название трапецеидального искажения.  Так при наблюдении область с левой стороны правого глаза будет казаться немного меньшей, чем в правой части того же изображения, аналогично для изображения левого глаза. Данный эффект возникает по причине того, что промежуточные изображения, формируемые каждой трубкой, расположены под углом относительно плоскости образца и наклонены относительно друг друга, так что только участки в центре поля зрения одновременно фокусируются при одинаковых увеличениях. Так, если Вы закроете один глаз и снова посмотрите в микроскоп, то сможете увидеть, что лишь в центре картинка оптимально сфокусирована, левее или правее от центра изображение уже слегка в расфокусе. То есть участки на периферии поля зрения сфокусированы либо немного выше, либо ниже фактической плоскости образца, и имеют незначительные различия в увеличении. Данный недостаток особенно заметен при работе с тонкими гистологическими образцами, геологическими шлифами или плоскими электронными компонентами, кроме того искажение усиливается с ростом увеличения прибора. Естественно, глаза способны легко компенсировать подобный эффект, так что зачастую остаются незаметны для микроскописта. Тем не менее, при длительной работе с микроскопом может возникать чувство усталости и дискомфорта из-за напряжения глаз.

Кстати данный недостаток при микрофотографировании плоских объектов можно попробовать исправить несложным трюком: угловое смещение может быть скорректировано, если наклонить плоскость образца на половину угла стереоскопичности. Таким образом образец будет находиться под прямым углом к оптическому пути.

Достоинства оптической схемы по Грену:

• Компактная конструкция
• Доступная цена
• Хорошая глубина резкости
• Легко исправляются оптические аберрации

Недостатки оптической схемы по Грену:

• Трапецеидальное искажение изображения

В стереомикроскопах с общим главным объективом изображение формируется за счет общей объективной линзы большого диаметра и двух независимых параллельных оптических каналов, находящихся строго перпендикулярно к плоскости исследуемого образца. Конструкция построена таким образом, что изображение проецируется на бесконечность. Таким образом, достигается схождение левой и правой оптических осей в фокальной точке в ​​плоскости образца. Главным преимуществом оптических инструментов с общим главным объективом является то, что оптическая ось объектива перпендикулярна к плоскости образца, и, соответственно, наклон изображения в фокальной плоскости окуляра отсутствует. Яркими примерами инструментов этого класса являются микроскопы Delta Optical серии IPOS и микроскопы Optika серии SZP. Однако данный класс приборов не обеспечивает реального трехмерного изображения при визуальном наблюдении, как схема Грену.

*Историческая справка. Первый стереомикроскоп с общим главным объективом был изобретен в 1957г. в США Американской оптической компанией (American Optical Company) и носил название Циклоптик (Cycloptic). В данной модели была реализована возможность ступенчатого изменения увеличения объектива прибора от 0.7х до 2.5х (в 5 позиций). Но уже спустя 2 года в 1959г. Bausch & Lomb представили свою разработку – StereoZoom – первый микроскоп без оборачивающих призм и с возможностью плавного бесступенчатого изменения увеличения (зума).

Уникальная аномалия стереомикроскопов с общим главным объективом заключается в том, что при изучении образцов через этот тип оптического прибора центральные части образца кажутся слегка приподнятыми, из-за чего плоский образец приобретает выпуклую форму. Например, монета будет выглядеть более утолщенной в центре. Этот артефакт называется искажением перспективы (сфера, куполообразование, эффект глобуса или глобулярный эффект), правда, не стоит беспокоиться о нем, если микроскоп не используется для оценки плоскостности (измерения кривизны поверхности) или высоты. Образцы со сложными или закругленными формами хотя и могут в определенной степени проявлять искажение перспективы часто не выглядят искаженными при просмотре через стереомикроскоп. Данное искажение получается в результате сочетания трапецеидального искажения и подушкообразной дисторсии.

Еще один артефакт, зачастую встречающийся в стереомикроскопах с общим главным объективом, проявляется в том, что в центре сформированного изображения наблюдаются небольшие внеосевые аберрации, такие как астигматизм, кома и поперечная хроматическая аберрация (хроматизм увеличения). Это обосновывается тем, что каждый оптический канал собирает световые лучи с краев большого общего объектива (области смещенной от центра) в то время, когда его центр, где аберрации (особенно внеосевые) сведены к минимуму или вовсе практически отсутствуют в линзах с наилучшей оптической компенсацией, остается не задействованным. Данный эффект малозаметен при визуальном наблюдении обоими глазами в окуляры микроскопа, но при микрофотографировании или выводе изображения на экран ПК с помощью цифровой камеры картинка может иметь асимметричную геометрию по полю зрения.

В целом хроматическую аберрацию для большого объектива исправить достаточно трудно и затратно. Для решения этой проблемы некоторые производители смещают большой центральный объектив, располагая его на оси левого или правого оптического канала. Другим современным решением данной проблемы стало применение объективов, скорректированных на бесконечность (Infinity Optical System). Оптическая система IOS позволяет без проблем вводить такие дополнительные элементы как светоделители, коаксиальные эпископические осветители, промежуточные тубусы для фото и видеонасадок и др. Для улучшения глубины резкости, чтобы в фокусе оказалось больше плоскостей, приборы оснащаются ирисовой диафрагмой с рычагом для ее открытия/закрытия. Визуализирующие насадки могут быть выполнены с регулируемым углом наклона тубусов, что позволяет оператору максимально комфортно подстроить микроскоп для проведения исследований.

Стереомикроскопы с общим главным объективом обеспечивают большое поле зрения и не страдают от геометрических искажений. В микроскопах премиум класса таких известных брендов как Zeiss, Olympus, Leica применяются планапохроматические (Plan-APO) объективы, в которых хроматическая аберрация и кривизна поля сведены к минимуму. Таким образом, безупречная картинка наблюдается и в окуляры микроскопа, и на экране ПК при выводе изображения с помощью цифровой камеры, для чего многие модели специально оснащены тринокулярными насадками. Приборы, построенные по данной схеме, имеют более сложную оптическую конструкцию и требуют высокой коррекции аберраций объектива, что, естественно, сказывается на их цене. Как правило, микроскопы с общим главным объективом обладают более высокой светосилой в сравнении со стереомикроскопами по Грену, лучше исправлены в отношении различных оптических аберраций, а, кроме того, лучше подходят для проведения микрометрических измерений.

Достоинства оптической схемы с общим главным объективом:

• Большая светосила
• Широкий выбор дополнительных аксессуаров (набор для флуоресценции, набор для поляризации, столики с подогревом и тд.)
• Лучше исправленные оптические аберрации
• Более совершенная оптика с лучшей разрешающей способностью и точной цветопередачей
• Предоставляют точные результаты различных измерений

Недостатки оптической схемы с общим главным объективом:

• Существенно более высокая стоимость
• Более громоздкие габариты
• Нет ощущения трехмерного изображения, аналогичного схеме Грену

Стереомикроскопы по Грену служат надежными «рабочими лошадками» для выполнения таких задач, как визуальная оценка дефектов, контроль печатных плат, диссекции (рассечения) биологических образцов, реставрационных работ, пайки и других рутинных работ. Приборы этого класса сравнительно небольших габаритов, недороги, прочны, просты в эксплуатации и не требовательны в обслуживании. А вот для занятия микрофотографией данная оптическая схема не рекомендуется, так как особенность их конструкции приведет к появлению геометрических погрешностей на снимках из-за наклона объективов относительно изучаемого образца.

Стереомикроскопы с общим главным объективом зачастую используются для решения более сложных задач, требующих высокого разрешения с усовершенствованными оптическими параметрами и дополнительными осветительными аксессуарами, в исследовательской и экспериментальной деятельности. Рекомендуются для занятия микрофотографией для получения качественных фотоснимков с высоким разрешением, вывода изображения на экран ПК или проектор для демонстрации на максимальном увеличении (более 100х).

Автор статьи: Галина Цехмистро