Конденсатор (оптика)

Конденсатор (справа) и соответствующая ему диафрагма (слева)

Конденсор , — это оптическая линза которая преобразует расходящийся луч света от точечного источника света в параллельный или сходящийся луч для освещения отображаемого объекта.

Конденсаторы являются неотъемлемой частью любого устройства обработки изображений, такого как микроскопы , увеличители , слайд-проекторы и телескопы. Эта концепция применима ко всем видам излучения, претерпевающим оптическое преобразование, например к электронам в электронной микроскопии , нейтронному излучению и оптике синхротронного излучения.

Конденсатор микроскопа

Конденсор между столиком и зеркалом старинного микроскопа.

Конденсаторы расположены над источником света и под образцом в прямом микроскопе, а также над столиком и под источником света в инвертированном микроскопе . Они собирают свет от источника света микроскопа и концентрируют его в световой конус, освещающий образец. Апертуру и угол светового конуса необходимо регулировать (по размеру диафрагмы) для каждого объектива с различной числовой апертурой.

с регулируемой апертурой Конденсоры обычно состоят из диафрагмы и одной или нескольких линз. Свет от источника освещения микроскопа проходит через диафрагму и фокусируется линзой(ами) на образец. После прохождения образца свет расходится в перевернутый конус и заполняет переднюю линзу объектива.

Световая микроскопия с конденсором и без него. При малом увеличении использование конденсора может ограничить поле зрения, и в таких случаях его предпочтительно не использовать. При большом увеличении конденсор делает границы менее выраженными и в таких случаях обычно предпочтительнее.
Примером ситуации, когда микроскопия без конденсора предпочтительнее при большом увеличении, является оценка кристаллов ( на фото болезнь отложения кристаллов дигидрата пирофосфата кальция ).

Типы

Существует три основных типа конденсора микроскопа:

Хроматический конденсатор, такой как Abbe, в котором не делается никаких попыток исправить сферическую или хроматическую аберрацию . Он содержит две линзы, которые создают изображение источника света, окруженного по краям синим и красным цветом.
В апланатическом конденсаторе исправлена сферическая аберрация.
Составной ахроматический конденсор корректирует как сферические, так и хроматические аберрации.

конденсатор Аббе

Конденсатор Аббе назван в честь своего изобретателя Эрнста Аббе , который разработал его в 1870 году. Конденсатор Аббе, первоначально разработанный для компании Zeiss, устанавливается под предметным столиком микроскопа. Конденсор концентрирует и контролирует свет, проходящий через образец до попадания в объектив. Он имеет два элемента управления: один перемещает конденсор Аббе ближе к сцене или дальше от нее, а другой — ирисовую диафрагму , которая регулирует диаметр луча света. С помощью элементов управления можно оптимизировать яркость, равномерность освещения и контрастность. Конденсоры Аббе трудно использовать для увеличения более 400 раз, поскольку апланатический конус соответствует только числовой апертуре (NA) 0,6.

Этот конденсор состоит из двух линз: плоско-выпуклой линзы размером несколько больше полусферы и большой двояковыпуклой линзы, служащей первой собирающей линзой. Фокус первой линзы традиционно находится на расстоянии около 2 мм от плоской грани, совпадающей с плоскостью образца. Для совмещения оптической оси конденсора с оптической осью микроскопа можно использовать колпачок с точечным отверстием. Конденсор Аббе по-прежнему является основой большинства современных конструкций конденсаторных световых микроскопов, хотя его оптические характеристики неудовлетворительны. ^[1]^[2]^[3]

Апланатические и ахроматические конденсаторы

Апланатический аберрацию конденсор корректирует сферическую аберрацию на пути концентрированного света, а ахроматический составной конденсор корректирует как сферическую, так и хроматическую .

Специализированные конденсаторы

Установки темного поля и фазового контраста основаны на Аббе, апланатическом или ахроматическом конденсаторе, но к пути света добавляют диафрагму темного поля или фазовые кольца различного размера. Эти дополнительные элементы размещаются различными способами. В большинстве современных микроскопов (около 1990-х годов) такие элементы размещены в ползунах, которые вставляются в прорезь между осветителем и конденсорной линзой. Многие старые микроскопы содержат эти элементы в конденсоре турельного типа. Эти элементы размещаются в турели под линзой конденсора и поворачиваются на место.

Специализированные конденсаторы также используются в составе систем дифференциального интерференционного контраста и модуляционного контраста Хоффмана , целью которых является улучшение контрастности и видимости прозрачных образцов.

В эпифлуоресцентной микроскопии объектив флуоресцентным действует не только как увеличитель света, излучаемого объектом , но и как конденсор падающего света .

Конденсор Арлоу-Аббе представляет собой модифицированный конденсатор Аббе, в котором ирисовая диафрагма, держатель фильтра, лампа и оптика лампы заменены небольшим цифровым дисплеем OLED или LCD. Блок индикации позволяет использовать цифрово-синтезированные фильтры для темнопольного, Рейнберговского, косого и динамического (постоянно меняющегося) освещения под непосредственным управлением компьютера. Устройство было впервые описано доктором Джимом Арлоу в журнале Microbe Hunter, выпуск 48.

Конденсаторы и числовая апертура

Как и объективы, конденсоры различаются по своей числовой апертуре (NA). Именно числовая апертура определяет оптическое разрешение в сочетании с числовой апертурой объектива. Различные конденсоры различаются по максимальной и минимальной числовой апертуре, а числовая апертура одного конденсора варьируется в зависимости от настройки диаметра апертуры конденсора . Чтобы реализовать максимальную числовую апертуру (и, следовательно, разрешение) объектива, числовая апертура конденсора должна быть согласована с числовой апертурой используемого объектива. Метод, наиболее часто используемый в микроскопии для оптимизации пути света между конденсором (и другими компонентами освещения микроскопа) и объективом, известен как освещение Келера .

Максимальная апертура ограничена показателем преломления среды между линзой и образцом. Как и объективы, конденсорная линза с максимальной числовой апертурой более 0,95 предназначена для использования в условиях масляной иммерсии (или, реже, в воде ), со слоем иммерсионного масла, контактирующим как с предметным стеклом, так и с покровное стекло и линза конденсора. Масляный иммерсионный конденсатор обычно может иметь NA до 1,25. Без этого масляного слоя не только не будет реализована максимальная числовая апертура, но и конденсор не сможет точно сфокусировать свет на объекте. Конденсоры с числовой апертурой 0,95 или менее предназначены для использования без масла или другой жидкости на верхней линзе и называются сухими конденсорами. Двойные сухие/иммерсионные конденсаторы по сути представляют собой масляные иммерсионные конденсаторы, которые, тем не менее, могут фокусировать свет с той же степенью точности даже без масла между верхней линзой и слайдом.

История

Первые простые конденсаторы появились в преахроматических микроскопах в 17 веке. Роберт Гук использовал комбинацию шара, наполненного соленой водой, и плоско-выпуклой линзы и в « Микрографии » показывает, что понимает причины ее эффективности. Создатели 18 века, такие как Бенджамин Мартин, Адамс и Джонс, понимали преимущество сжатия площади источника света до площади объекта на сцене. Это была простая плоско-выпуклая или двояковыпуклая линза, а иногда и комбинация линз. С разработкой современного ахроматического объектива в 1829 году Джозефом Джексоном Листером потребность в более совершенных конденсаторах становилась все более очевидной. К 1837 году использование ахроматического конденсатора было введено во Франции Феликсом Дюжарденом и Шевалье. Английские производители рано подхватили это усовершенствование из-за одержимости разрешением тестовых объектов, таких как диатомовые водоросли и Ноберта решетки . К концу 1840-х годов такие английские производители, как Росс, Пауэлл и Смит; все могут поставить конденсаторы с высокой коррекцией на их лучших стендах, с правильной центровкой и фокусировкой. Ошибочно утверждается, что эти разработки носили чисто эмпирический характер — никто не сможет спроектировать хороший ахроматический сферически-корректированный конденсатор, опираясь только на эмпирику. ^{[ нужна ссылка ]}На континенте, в Германии, исправленный конденсор не считался ни полезным, ни необходимым, главным образом из-за непонимания основных оптических принципов. Таким образом, ведущая немецкая компания Carl Zeiss в Йене в конце 1870-х годов не предлагала ничего, кроме очень плохого хроматического конденсатора. Французские производители, такие как Nachet, представили на своих стендах отличные ахроматические конденсаторы. Когда ведущий немецкий бактериолог Роберт Кох пожаловался Эрнсту Аббе , что он был вынужден купить ахроматический конденсор Зайберта для своего цейсовского микроскопа, чтобы сделать удовлетворительные фотографии бактерий, Аббе в 1878 году создал очень хорошую ахроматическую конструкцию.

Ссылки

^ Королевское микроскопическое общество, «Журнал Королевского микроскопического общества», Уильямс и Норгейт, Лондон (1882), стр.411-2.
^ Шамо, Э.М., «Элементарная химическая микроскопия», John Wiley and Sons, Лондон (1916), стр.36.
^ «Эволюция микроскопа». Брэдбери. С, Пергамон Пресс, (1967)

Библиография

Общий

«Конденсатор Аббе» , Словарь фотоники (сокращенное онлайн-издание), Питтсфилд, Массачусетс: Laurin Publishing, 2006.
«Абба Эрнст» , Британская энциклопедия .
«Словарь терминов, связанных с микроскопом» , Microbus (веб-сайт), 2003.
«Анатомия микроскопа: конденсатор поддиапазона» , Мортимер Абрамовиц и Майкл В. Дэвидсон, Ресурсный центр микроскопии Olympus , 2006 г.

Внешние ссылки

«Анатомия микроскопа: конденсатор подстола» Мортимера Абрамовица и Майкла В. Дэвидсона, «Молекулярные выражения ». (Немного отличается от версии, найденной на сайте Olympus.)
«Конденсатор» Пола Джеймса, Micscape Magazine (интернет-издание), февраль 2002 г.

[1] Королевское микроскопическое общество, «Журнал Королевского микроскопического общества», Уильямс и Норгейт, Лондон (1882), стр.411-2.

[2] Шамо, Э.М., «Элементарная химическая микроскопия», John Wiley and Sons, Лондон (1916), стр.36.

[3] «Эволюция микроскопа». Брэдбери. С, Пергамон Пресс, (1967)

[1]

[2]

[3]