Типи оптичних систем стереомікроскопів - Cхема Грену та схема зі спільним головним об'ективом

Стереоскопічні мікроскопи або стереомікроскопи становлять собою досить широкий клас оптичних приладів, головним чином призначених для роботи у світлі, що відбивається, характеризуються малою потужністю (у порівнянні з біологічними або металографічними моделями) і застосовуються для дослідження відносно великих, об'ємних зразків цілком. Принцип роботи стереомікроскопа полягає у поєднанні в собі двох мікроскопів, що мають різні оптичні шляхи, що фокусуються на одній і тій же точці, але трохи під різними кутами, точно так само, як працюють Ваші очі, що, власне, і дозволяє побудувати об'ємне, тривимірне зображення для вивчення деталей структури поверхні об'єкта, деталей його рельєфу (тріщин, поглиблень і тд.).

Стереомікроскопи відрізняються дуже хорошою глибиною різкості, тобто вони будують природне зображення з відмінним сприйняттям глибини, завдяки чому вони відмінно підходять для виконання таких прикладних задач, де вимагається особлива координація "рука-очі". Крім того, ще однією важливою особливістю приладів цього класу є велика робоча відстань, що дозволяє проводити різні маніпуляції із зразком, наприклад, дисекційні, паяльні або реставраційні роботи з використанням спеціальних інструментів.

Збільшення таких мікроскопів найчастіше варіюється в діапазоні від 20х до 80х, але в деяких моделях може зустрічатися збільшення від 2-3х до 200-300х. При цьому, важливо звернути увагу і на те, що прилади цього класу можуть бути побудовані за двома оптичним схемами:

• Оптична схема Грену.
• Оптична схема зі спільним головним об'єктивом (CMO - Common Main Objective) з системою зміни масштабу. Дана конструкція носить назву телескопічної, Аббе або Галілея.

Власне, у цій статті нам хотілося б більш детально обговорити відмінності між даними оптичними конструкціями. Обидві системи мають як певні переваги, так і недоліки. Тим не менше, вибір, який купити мікроскоп, як правило, ґрунтується на особливостях застосування приладу, виходячи з поставлених перед ним завдань, його ціни, при цьому особливість будови системи враховується набагато рідше. Та й відразу варто згадати, що мікроскопи, побудовані за схемою Грену, істотно дешевше своїх братів зі спільним головним об'єктивом.

Мозок і очі людини функціонують разом, забезпечуючи просторовий зір, так щоб ми бачили тривимірне зображення оточуючих нас об'єктів. В середньому у людей міжзінична відстань становить 64-65мм, при цьому кожне око будує зображення, що трохи відрізняється одне від одного, через те, що вони знаходяться на деякій відстані один від одного, а значить, на один і той же об'єкт "дивляться" під різними кутами. Завдяки цьому передане в мозок зображення зливається в єдину картинку з великим ступенем сприйняття глибини, тобто будується об'ємна картинка. Для отримання істинно стереоскопічного ефекту, збереження віртуальної об'ємності досліджуваного об'єкта стереомікроскопи використовують здатність сприйняття глибини передаючи 2 зображення, нахилених по відношенню один до одного приблизно на 10-12 градусів.

Відразу ж обмовимося, що в обох оптичних системах можлива реалізація як одного або декількох фіксованих збільшень, так і плавної безступінчатої зміни кратності в заданому діапазоні, тобто зума.

В мікроскопах, побудованих за схемою Грену, зображення формується двома ідентичними (симетричними) оптичними шляхами, що розходяться на кут стереоскопічності. Обидві оптичні системи містять окремий окуляр і об'єктив, точно відцентровані (від'юстовані) і встановлені в загальний корпус. Головною перевагою такої конструкції є досить висока числова апертура, чого вдається досягти завдяки схожості конструкції об'єктивів схеми Грену з об'єктивами класичних біологічних мікроскопів.

В оптичному блоці приладів встановлена пара призм або дзеркал для корекції орієнтації збільшеного зображення так, що оператор бачить правильно-орієнтовану картинку, таку ж, як він бачив би без мікроскопа. Крім того, в багатьох моделях встановлені додаткові призми для зламу оптичної осі під 30 або 45 градусів для більш комфортних умов спостереження.

Оскільки промені, які беруть участь у формуванні зображення, проходять через складну лінзову систему в центрі, якість картинки симетрична щодо центру, як в біологічних мікроскопах. Виправити оптичні аберації в стереомікроскопах за Грену набагато простіше, ніж в мікроскопах зі спільним головним об'єктивом, оскільки лінзи менші, аксіально-симетричні, і мало залежать від променів світла, що проходять через периферію об'єктива. Зображення характеризується високою глибиною різкості, відмінною стереоскопічністю (об'ємністю). Крім того, стереомікроскопи за Грену мають більш компактну конструкцію.

Спотворення в схемі Грену з'являється з причини нахилу оптичних осей об'єктивів щодо загальної осі. Даний недолік носить назву трапецеїдального спотворення. Так при спостереженні область з лівої сторони правого ока буде здаватися трохи меншою, ніж у правій частині того ж зображення, аналогічно для зображення лівого ока. Цей ефект виникає внаслідок того, що проміжні зображення, що формуються кожною трубкою, розташовані під кутом відносно площини зразка і нахилені відносно один одного, так що тільки ділянки в центрі поля зору одночасно фокусуються за однакових збільшень. Так, якщо Ви закриєте одне око і знову подивитесь в мікроскоп, то зможете побачити, що лише в центрі картинка оптимально сфокусована, лівіше або правіше від центру зображення вже злегка розфокусоване. Тобто ділянки на периферії поля зору сфокусовані або трохи вище або нижче фактичної площини зразка, і мають незначні відмінності у збільшенні. Цей недолік особливо помітний під час роботи з тонкими гістологічними зразками, геологічними шліфами або плоскими електронними компонентами, крім того спотворення посилюється зі зростанням збільшення приладу. Природно, очі здатні легко компенсувати подібний ефект, тому часто залишаються непомітними для мікроскопіста. Тим не менш, у випадку тривалої роботи з мікроскопом може виникати відчуття втоми і дискомфорту через напруження очей.

До речі цей недолік під час мікрофотографування плоских об'єктів можна спробувати виправити нескладним трюком: кутове зміщення може бути скориговане, якщо нахилити площину зразка на половину кута стереоскопічності. Таким чином зразок буде перебувати під прямим кутом до оптичного шляху.

Переваги оптичної схеми Грену:

• Компактна конструкція
• Доступна ціна
• Гарна глибина різкості
• Легко виправляються оптичні аберації

Недоліки оптичної схеми Грену:

• Трапецієподібне спотворення зображення

У стереомікроскопах зі спільним головним об'єктивом зображення формується за рахунок загальної об'єктивної лінзи великого діаметру і двох незалежних паралельних оптичних каналів, що знаходяться перпендикулярно до площини зразка дослідження. Конструкція побудована таким чином, що зображення проектується на нескінченність. Таким чином, досягається сходження лівої і правої оптичних осей в фокальній точці в площині зразка. Головною перевагою оптичних інструментів з загальним головним об'єктивом є те, що оптична вісь об'єктива перпендикулярна до площини зразка, і, відповідно, нахил зображення у фокальній площині окуляра відсутній. Яскравими прикладами інструментів цього класу є мікроскопи Delta Optical серії IPOS і мікроскопи Optika серії SZP. Однак даний клас приладів не забезпечує реального тривимірного зображення під час візуального спостереження, як схема Грену.

*Історична довідка. Перший стереомікроскоп зі спільним головним об'єктивом був винайдений в 1957р. у США Американською оптичної компанією (American Optical Company) і носив назву Циклоптик (Cycloptic). У даній моделі була реалізована можливість ступінчастої зміни збільшення об'єктива приладу від 0.7 х до 2.5 х (5 позицій). Але вже через 2 роки в 1959р. Bausch & Lomb представили свою розробку - StereoZoom - перший мікроскоп без призм, що обертають зображення, і з можливістю плавної безступінчатої зміни збільшення (zoom).

Унікальна аномалія стереомікроскопів з загальним головним об'єктивом полягає в тому, що при вивченні зразків через цей тип оптичного приладу центральні частини зразка здаються злегка піднятими, через що плоский зразок набуває опуклу форму. Наприклад, монета буде виглядати більш потовщеною в центрі. Цей артефакт називається викривленням перспективи (сфера, куполоутворення, ефект глобуса або глобулярний ефект), правда, не варто турбуватися про нього, якщо мікроскоп не використовується для оцінки площинності (вимірювання кривизни поверхні) або висоти. Зразки зі складними або закругленими формами хоча і можуть певною мірою проявляти спотворення перспективи часто не виглядають спотвореними при перегляді через стереомікроскоп. Дане спотворення виникає в результаті поєднання трапецеїдального спотворення і подушкоподібної дисторсії.

Ще один артефакт, часто зустрічається в стереомікроскопах зі спільним головним об'єктивом, проявляється в тому, що в центрі сформованого зображення спостерігаються невеликі позаосьові аберації, такі як астигматизм, кома і поперечна хроматична аберація (хроматизм збільшення). Це обґрунтовується тим, що кожний оптичний канал збирає світлові промені з країв великого спільного об'єктива (області зміщеної від центру) в той час, коли його центр, де аберації (особливо позаосьові) зведені до мінімуму або зовсім практично відсутні в лінзах з найкращою оптичною компенсацією, залишається не задіяним. Даний ефект малопомітний під час візуального спостереження обома очима в окуляр мікроскопа, але під час мікрофотографування або виведення зображення на екран ПК за допомогою цифрової камери картинка може мати асиметричну геометрію по полю зору.

В цілому хроматичну аберацію для великого об'єктива виправити досить важко і витратно. Для вирішення цієї проблеми деякі виробники зміщують великий центральний об'єктив, розташовуючи його на осі лівого або правого оптичного каналу. Іншим сучасним вирішенням даної проблеми стало застосування об'єктивів, скоригованих на нескінченність (Infinity Optical System). Оптична система IOS дозволяє без проблем вводити такі додаткові елементи, як світоподілювачі, коаксіальні епіскопічні освітлювачі, проміжні тубуси для фото і відеонасадок та ін. Для поліпшення глибини різкості, щоб у фокусі виявилося більше площин, прилади оснащуються ірисовою діафрагмою з важелем для її відкриття/закриття. Візуалізаційні насадки можуть бути виконані з регульованим кутом нахилу тубусів, що дозволяє оператору максимально комфортно підлаштувати мікроскоп для проведення досліджень.

Стереомікроскопи зі спільни головним об'єктивом забезпечують велике поле зору і не страждають від геометричних спотворень. В мікроскопах преміум класу таких відомих брендів як Zeiss, Olympus, Leica застосовуються планапохроматичні (Plan-APO) об'єктиви, в яких хроматична аберація і кривизна поля зведені до мінімуму. Таким чином, бездоганна картинка спостерігається і в окуляр мікроскопа, і на екрані ПК при виведенні зображення за допомогою цифрової камери, для чого багато моделей спеціально оснащені тринокулярними насадками. Прилади, побудовані за даною схемою, мають більш складну оптичну конструкцію і вимагають високої корекції аберацій об'єктива, що, природно, позначається на їх ціні. Як правило, мікроскопи зі спільним головним об'єктивом мають більш високу світлосилу в порівнянні зі стереомікроскопом за Грену, краще виправлені щодо різних оптичних аберацій, а, крім того, краще підходять для проведення мікрометричних вимірів.

Переваги оптичної схеми зі спільним головним об'єктивом:

• Велика світлосила
• Широкий вибір додаткових аксесуарів (набір для флуоресценції, набір для поляризації, столики з підігрівом і тд.)
• Краще виправлені оптичні аберації
• Більш досконала оптика з кращою роздільною здатністю і точним відтворенням кольору
• Надають точні результати вимірювань

Недоліки оптичної схеми зі спільним головним об'єктивом:

• Істотно більш висока вартість
• Більш громіздкі габарити
• Немає відчуття тривимірного зображення, аналогічного схемі Грену

Стереомікроскопи за Грену служать надійними "робочими конячками" для виконання таких завдань, як візуальна оцінка дефектів, контроль друкованих плат, дисекції (розсічення) біологічних зразків, реставраційних робіт, паяння та інших рутинних робіт. Прилади цього класу порівняно невеликих габаритів, недорогі, міцні, прості в експлуатації і не вимогливі в обслуговуванні. А ось для заняття мікрофотографією дана оптична схема не рекомендується, оскільки особливість їх конструкції призведе до появи геометричних похибок на знімках через нахил об'єктивів відносно зразка дослідження.

Стереомікроскопи зі спільним головним об'єктивом найчастіше використовуються для вирішення більш складних завдань, що вимагають високої роздільної здатності з удосконаленими оптичними параметрами і додатковими освітлювальними аксесуарами, у дослідницькій та експериментальній діяльності. Рекомендуються для заняття мікрофотографуванням для отримання якісних фотознімків з високою роздільною здатністю, виведення зображення на екран ПК або проектор для демонстрації на максимальному збільшенні (понад 100х).

Автор статті: Галина Цехмістро