Конденсоры и их типы

Конденсор является одним из основных элементов, обеспечивающих работу микроскопа по различным методам освещения и контрастирования:

• светлопольная микроскопия;   
• косое освещение (диафрагмирование от края к центру и смещение осветительной апертурной диафрагмы относительно оптической оси микроскопа, oblique illumination);
•  темнопольная микроскопия (максимальное диафрагмирование от центра к краю осветительной апертуры), darkfield microscopy;
•  фазовый контраст (кольцевое освещение объекта, при этом изображение светового кольца вписывается в фазовое кольцо объектива), phase contrast microscopy. Применяется для нативного препарата.
• поляризационная микроскопия polarizing microscopy . В конденсор встраивается поляризатор для изучения анизотропных структур препарата.
• дифференциально-интерференционный контраст (ДИК Номарского, Nomarski DIC).

Классификация конденсоров близка по группам признаков к объективам:

    Конденсоры по качеству изображения и типу оптической коррекции делятся на неахроматические, ахроматические, апланатические и ахроматические-апланатические;
    По апертуре конденсоры делятся на конденсоры малой числовой апертуры (до 0,30), средней числовой апертуры (до 0,75), большой числовой апертуры (свыше 0,75);
    конденсоры с обычным, большим и сверхбольшим рабочим расстоянием;
    обычные и специальные конденсоры для различных методов исследования и контрастирования;
    конструкция конденсора — единая, с откидным элементом (фронтальным компонентом или линзой большого поля), со свинчивающимся фронтальным элементом.
 

Аббе конденсор

 

Конденсор Аббе — не исправленный по качеству изображения конденсор, состоящий из 2-х неахроматических линз: одной — двояковыпуклой, другой — плосковыпуклой, обращенной к объекту наблюдения (плоская сторона этой линзы направлена вверх). Апертура конденсора, А= 1,20. Имеет ирисовую диафрагму.

В лабораторной серии микроскопов Olympus он называется CH3-CD, в клинической серии BX3 - U-AC , U- SC3

 

Схема Аббе-конденсора

 

 

Ахроматический конденсор

Следующий уровень коррекции конденсоров разделяется на апланатические  и ахроматические конденсоры, которые исправляют исключительно сферическую (апланатный) или хроматическую (ахроматический) оптические аберрации. Типичные примеры этих конденсоров показаны на рисунках  ниже  (ахроматические, Achromatic) и рис 4 (апланатические, Achromatic). Ахроматические конденсоры обычно содержат от трех до четырех оптических элементов (линз) и корректируются в двух длинах волн (красная и синяя) для хроматических аберраций.

 

 

Схема апланатического конденсора

 

Апланатический конденсор

Апланатический конденсор — конденсор, состоящий из трех линз, расположенных следующим образом: верхняя линза — плосковыпуклая (плоская сторона направлена к объективу), далее следуют вогнуто-выпуклая и двояковыпуклая линзы. Исправлен в отношении сферической аберрации и комы. Апертура конденсора, А = 1.40. Имеет ирисовую диафрагму.

 

 

 

Схема апланатического конденсора

 

 

Апланат-ахроматический конденсор

Апланат-ахроматический конденсор — конденсор, полностью исправленный в отношении хроматической и сферической аберрации.

Самый высокий уровень коррекции для оптической аберрации применен в апланат-ахроматических конденсорах. Эти конденсоры  имеют коррекцию обеих (хроматической и сферической) аберраций и конденсатор являются наилучшим выбором для   микрофотографий с естественной цветопередачей. Типичный апланатический-ахроматический конденсор на рисунке ниже (числовая апертура = 1,35). Этот конденсор имеет восемь внутренних линз в составе двух дублетов и четырех отдельных линз.

 

 

Olympus выпускает конденсоры с апланатической и ахроматической коррекцией (конденсор апланат-ахромат) U-AAC.

 

Схема апланат-ахроматического конденсора

 

Переходя на объектив с большим увеличением, например, от 10x до 20x, апертурная диафрагма конденсра также должна быть отрегулирована, чтобы обеспечить новый световой конус, который соответствует с числовой апертуре используемого объектива. Это делается путем поворота рифленой  на шкале апертур конденсора. Для простоты работы на конденсоре есть небольшая  стрелка или индексная метка, которая указывает  размер апертуры по сравнению с линейной градацией на корпусе конденсатора. В моторизованных микроскопах, например, BX63 есть синхронизация, автоматически выставляющая апертуру конденсора апертуре используемого объектива. Например, если микроскопист выбрал объектив 10X из числовой апертурой 0,25, то апертура конденсора будет изменена на 0.18-0.20 (около 80 процентов от объективной числовой апертуры) для обеспечения наилучшего качества получаемого изображения.

Зачастую непрактично использовать один конденор с целым диапазоном увеличений (от 2X до 100х) из-за широкого спектра световых конусов, которые должны быть сформированы, чтобы соответствовать  числовым апертурам каждого объектива. Для объектива с низким увеличением (от 2X до 5X),  конус освещения будет иметь диаметр от 6-10 мм, в то время как объектива с увеличением  от 60X до 100X необходим   высоко сфокусированный световой конус  около 0,2-0,4 мм в диаметре. С фиксированным фокусным расстоянием конденсора, весьма трудно достичь этого широкого спектра конусов освещения  с одним конденсором.

 

Конденсор с откидной верхней линзой.

 

На практике эта проблема может быть решена несколькими способами. Для малых увеличений (ниже 10х), можно отвинтить верхнюю линзу конденсатора для заполнения поля зрения, однако есть и более совершенные решения.

 Olympus производит конденсоры  с откидной верхней линзой, что позволяет работать и на малых увеличениях и на больших, где требуется иммерсия.
Если конденсор используется с откинутой линзой, апертурная ирисовая диафрагма открыта полностью, а полевая диафрагма видна на задней фокальной плоскости объектива, служит как апертурная диафрагма,регулируя контрастность. Конденсоры  с откидной линзой изготовлены в различных конфигурациях с числовыми апертурами в пределах от 0,65 до 1,35. Эти конденсоры, которые имеют числовое значение диафрагмы 0,95 или менее предназначены для использования с "сухими" объективами.
 Конденсоры, которые имеют числовую апертуру более 0,95 предназначены для использования с целями масла погружения, и они должны иметь капли масла, помещенный между нижней части предметного стекла микроскопа и конденсатора верхней линзы при рассмотрении сложных образцов.

 

Поворотно-откидной конденсор

Olympus для микроскопов BX43, BX53, BX63 выпускает конденсоры с откидной верхней линзой (поворотно-откидной конденсор) U-SC3.

Белая контрастная крышка необходима для более удобной установки образца для дальнейшего его изучения.

 

 

В дополнение к светлопольным конденсорам, которые используются для  работы в светлом поле, для методов контрастирования разработаны специализированные модели конденсоров, показанные в таблице ниже:

 

 

Применение конденсоров для различных методов наблюдения

Тип Конденсора	Светлое поле	Тёмное поле	Фазовый Контраст	ДИК/DIC	Поляризация
Ахромат-апланат N.A. 1.3	⋅ [10x~100x]
Ахромат с откидной верхней линзой N.A. 0.90	⋅ [4x~100x]
Конденсор для малых увеличений N.A. 0.20	⋅ [1x~10x]
Фазово-контрастный конденсор Аббе N.A. 1.25	⋅	[с апертурой до  N.A. 0.65]	[10x~100x]
Фазово-контрастный конденсор Ахромат N.A. 0.85	⋅	⋅ [с апертурой до  N.A. 0.70]	⋅ [4x~100x]
Универсальный ахромат-апланат конденсор DIC (ручной или моторизованный)	⋅	⋅ [с апертурой до  N.A. 0.70]	⋅ [10x, 100x]	⋅ [20x, 40x, 100x]
Тёмное поле, Сухой N.A. 0.80~0.95		⋅ [4x~40x]
Тёмное поле, Иммерсионный N.A. 1.20~1.43		⋅ [4x~100x]
Поляризационный конденсор без внутренних натяжений оптики N.A. 0.90	⋅				⋅ [4x~100x]

Из таблицы выше очевидно, что для методов контрастирования необходимы специальные конденсоры. О них мы расскажем далее.

 

 

Конденсор тёмного поля

Темнопольный конденсор — конденсор, предназначенный для получения эффекта тёмного поля. Может быть специальным (сухим или иммерсионным) или переделан из обычного светлопольного конденсора (в Olympus CX41 естьэта возможность) путем установки в плоскости ирисовой диафрагмы конденсора темнопольной вставки.

На иллюстрации изображён темнопольный конденсор CX-DCD, используемый в микроскопе Olympus CX41 для работы в тёмном поле для исследования на лептоспироз.

 

При работе по методу темного поля, препарат освещается полым световым конусом, апертура которого больше, чем апертура объектива, таким образом, входной зрачок микрообъектива оказывается в области геометрической тени и прошедший без преломления свет не попадает в объектив. В оптической микроскопии тёмного поля неоднородности образца рассеивают свет, и этот рассеянный свет формирует изображение исследуемого образца.

 

Одним из вариантов исполнения темнопольного конденсора является модификация конденсора Аббе темнопольной вставкой. Она блокирует прямой свет, пропуская лишь боковое освещение. При этом работать в тёмном поле можно с объективами, имеющими апертуру не более 0.65 а также объективам со встроенной ирисовой диафрагмой, которая изменяет его апертуру.

 

Конденсоры CX-DCD и Аббе со вставкой, в отличие от советских предшественников, не требуют иммерсии, что повышает надежность и удобство в эксплуатации.

 

 

Конденсор Аббе с темнопольной вставкой, используемый в Olympus CX41

 

 

 

Водноиммерсионный темнопольный конденсор

Не всегда "сухого" конденсора достаточно для работы, потому в исследовательских микроскопах, например Olympus BX43 применяются специализированные водно-  и масляноиммерсионные. Водноиммерсионные конденсоры применяются, например, в электрофизиологии.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Фазово-контрастные вставки для Аббе-конденсора

Комплект PH1 (PH2, PH3) состоит из фазовой вставки в светлопольный конденсор Аббе CX-PH1 и фазовоконтрастного объектива Plan Achromat C 10x (или другого, соответствующего вставке).

Комплект может использоваться в микроскопах Olympus CX41 и Olympus CX31 (с заменой конденсора).

Согласно требованиям ВОЗ для анализа спермы, обязательно проводится анализ подвижности сперматозоидов. Нативный препарат изучается в камере Маклера в фазовом контрасте при увеличении 10х или 20х. Именно эта реализация используется в системе для анализа спермы (спермоанализатор) на базе Olympus CX41.

Так как работа со вставками для конденсора менее удобна, были разработаны специальные конденсоры со встроенными вставками. Например, конденсор Зернике.

 

 

 

Конденсор Зернике

Конденсор Zernike комбинирует в себе работу в светлом поле, тёмном поле а также фазовом контрасте. Удобный револьвер позволяет выбрать необходимую вставку для реализации нужного метода микроскопии.

Конденсор легкий в эксплуатации, так как все настройки делаются при его первоначальном монтаже сервис-инженером.

Конденсор широко применяется в медицине и научных исследованиях. Одно из применений- спермоанализ.

 

 

 

 

 

 

Маркировка конденсоров

Маркировка на корпусе конденсора включает его тип (ахроматический, апланатический и т.д.), числовую апертуру,  градуированную шкалу апертур, которая показывает приблизительную корректировку (размер) апертурной диафрагмы. Конденсоры с числовыми апертурами выше 0,95 работают наилучшим образом с каплей масла, которая наносится на их верхнюю линзу и контактирует с нижней поверхностью препарата. Это гарантирует, что косые лучи света, выходящие из конденсора, не отражаются от препарата, а направлены на него. На практике это бывает утомительным и обычно не делается в обычной (рутинной) микроскопии, но очень важно при работе на высоких разрешениях и для точной микрофотографии с использованием объективов высокого разрешения (и числовой апертуры).

Еще одним важным фактором является толщина предметного стекла препарата, которая имеет решающее значение для корректной работы конденсора (сравнимое с толщиной  покровного стекла для объектива). Большинство производителей предлагают стёкла с толщинами  от 0,95 до 1,20 мм с наиболее распространенные из которых являются очень близки к 1,0 мм. Предметное стекло толщиной от 1,20 мм является слишком толстым для использования с конденсорами высокихя апертур, которые, как правило, имеют очень короткое рабочее расстояние. Хотя это и не очень важно для рутинного исследования препаратов, микрофотографии с толстых стёкол получаются нечеткие и точности измерений у них не будет. Школа микроскопии рекомендует использовать предметные стекла для  микроскопии с  толщиной 1,0 ± 0,05 мм. Желательно,чтобы стёкла были также  очищены перед использованием для устранения артефактов изображений.