Podstupňové kondenzátory

Podstupňový kondenzátor shromažďuje světlo ze zdroje světla mikroskopu a soustřeďuje je do světelného kužele, který osvětluje vzorek s rovnoměrnou intenzitou v celém zorném poli. Je velmi důležité, aby byl světelný kužel kondenzátoru správně nastaven pro optimalizaci intenzity a úhlu světla vstupujícího do přední čočky objektivu. Při každé výměně objektivu je třeba provést odpovídající seřízení podstupňového kondenzátoru, aby byl zajištěn správný světelný kužel pro numerickou aperturu nového objektivu.

Jednoduchý Abbeho kondenzor se dvěma čočkami je znázorněn na obrázku 1. Na tomto obrázku prochází světlo ze zdroje osvětlení mikroskopu přes clonu kondenzoru, která je umístěna v základně kondenzoru, a je soustředěno vnitřními čočkami, které pak promítají světlo přes vzorek v paralelních svazcích z každého azimutu. Velikost a numerická apertura světelného kužele se určuje nastavením aperturní clony. Po průchodu vzorkem (na sklíčku mikroskopu) se světlo rozbíhá do obráceného kužele se správným úhlem, aby vyplnilo přední čočku objektivu.

Nastavení clony a správné zaostření kondenzoru mají zásadní význam pro plné využití potenciálu objektivu. Konkrétně je pro zajištění správného osvětlení, kontrastu a hloubky ostrosti nejdůležitější vhodné použití clony s nastavitelnou clonou (zabudované v kondenzoru nebo těsně pod ním). Otevíráním a zavíráním této clony se řídí úhel osvětlovacích paprsků (a tím i clona), které procházejí kondenzorem, vzorkem a poté do objektivu. Návštěvníci mohou prozkoumat, jak změna clony kondenzoru ovlivňuje osvětlovací kužel v našem interaktivním výukovém programu v jazyce Java, který zkoumá numerickou clonu kondenzoru. Výška kondenzoru je řízena ozubeným převodem, který umožňuje nastavit ohnisko kondenzoru pro správné osvětlení vzorku. Správné umístění kondenzátoru vzhledem k osvětlovacímu kuželu a zaostření je rozhodující pro kvantitativní mikroskopii a optimální fotomikrografii.

Je třeba dbát na to, aby byla clona kondenzátoru otevřena do správné polohy vzhledem k numerické apertuře objektivu. Je-li clona kondenzoru otevřena příliš široce, může rozptýlené světlo vznikající lomem šikmých světelných paprsků od vzorku způsobit oslnění a snížit celkový kontrast. Na druhou stranu, když je clona příliš malá, osvětlovací kužel nestačí k zajištění odpovídajícího rozlišení a obraz je zkreslený v důsledku refrakce a difrakce od vzorku. Návštěvníci mohou tyto jevy prozkoumat pomocí našeho interaktivního Java tutoriálu o aperturách kondenzátoru, který demonstruje vliv polohy apertury kondenzátoru na osvětlení vzorku.

Kondenzátory se dělí podle účelu (např.: brightfield, darkfield, phase contrast atd.) a také podle stupně optické korekce. Existují čtyři základní typy kondenzorů s ohledem na korekci optických aberací, jak je uvedeno v tabulce 1.

Nejjednodušším a nejméně korigovaným (také nejlevnějším) kondenzorem je Abbeho kondenzor, který může mít numerickou aperturu až do hodnoty 1.4 u špičkových modelů se třemi nebo více vnitřními čočkami. Abbeho kondenzor je sice schopen propouštět jasné světlo, ale není korigován na chromatickou ani sférickou optickou aberaci. Typický Abbeho kondenzor je znázorněn na obrázku 2. Ve své nejjednodušší podobě má Abbeův kondenzor dva optické členy, které vytvářejí obraz osvětlené polní clony, který není ostrý a na okrajích je obklopen modrou a červenou barvou.

V důsledku absence optické korekce je Abbeův kondenzor vhodný především pro rutinní pozorování s objektivy se skromnou numerickou aperturou a zvětšením. Hlavní výhodou Abbeho kondenzoru je široký osvětlovací kužel, který je kondenzor schopen vytvořit, a také jeho schopnost pracovat s objektivy s velkou pracovní vzdáleností. Většinu mikroskopů dodává výrobce standardně s Abbeho kondenzátorem a tyto kondenzátory jsou skutečnými pracovními koňmi pro rutinní laboratorní použití.

Další úroveň korekce kondenzátoru je rozdělena mezi aplanatické a achromatické kondenzátory, které jsou korigovány výhradně pro sférické (aplanatické) nebo chromatické (achromatické) optické aberace. Typické příklady těchto kondenzorů jsou znázorněny na obrázcích 3 (achromatický) a 4 (aplanatický). Achromatické kondenzátory obvykle obsahují tři až čtyři čočky a jsou korigovány na chromatickou aberaci ve dvou vlnových délkách (červené a modré).

Achromatický kondenzor znázorněný na obrázku 3 obsahuje čtyři čočky a má numerickou aperturu 0,95, což je nejvyšší dosažitelná hodnota bez nutnosti použití imerzního oleje. Tento kondenzor je užitečný jak pro rutinní, tak pro kritické laboratorní analýzy se „suchými“ objektivy a také pro černobílou nebo barevnou fotomikrografii.

Kritickým faktorem při výběru náhradních kondenzorů je výkon numerické apertury, který bude nutný k zajištění osvětlovacího kužele odpovídajícího objektivům. Numerická apertura kondenzátoru by měla být stejná nebo o něco menší než numerická apertura nejvyššího objektivu. Pokud je tedy objektivem s největším zvětšením olejový imerzní objektiv s numerickou aperturou 1,40, pak by měl mít náhradní kondenzor rovněž ekvivalentní numerickou aperturu, aby bylo zachováno nejvyšší rozlišení systému. V tomto případě by musel být mezi horní čočku kondenzoru a spodní stranu mikroskopového preparátu nanesen imerzní olej, aby bylo dosaženo zamýšlené numerické apertury (1,40) a rozlišení. Nepoužití oleje omezí nejvyšší numerickou aperturu systému na 1,0, což je nejvyšší hodnota dosažitelná při použití vzduchu jako zobrazovacího média.

Aplanatické kondenzátory jsou dobře korigovány pro sférickou aberaci (zelené vlnové délky), ale ne pro chromatickou aberaci. Typický aplanatický kondenzor s numerickou aperturou 1,40 je znázorněn na obrázku 4. Tento kondenzor má pět čoček a je schopen zaostřit světlo v jedné rovině. Aplanatické kondenzátory jsou schopny vytvářet vynikající černobílé mikrofotografie při použití zeleného světla generovaného buď laserovým zdrojem, nebo při použití interferenčního filtru s wolfram-halogenovým osvětlením.

Nejvyšší úroveň korekce optické aberace je obsažena v aplanaticko-achromatickém kondenzoru. Tento kondenzor je dobře korigován pro chromatickou i sférickou aberaci a je kondenzorem volby pro použití v kritické barevné mikrofotografii s bílým světlem. Typický aplanaticko-achromatický kondenzor je znázorněn na obrázku 5 (numerická apertura = 1,35). Tento kondenzor má osm vnitřních čoček stmelených do dvou dublet a čtyř jednoduchých čoček.

Rytiny, které se nacházejí na pouzdru kondenzoru, zahrnují jeho typ (achromatický, aplanatický atd.), numerickou aperturu a stupnici, která udává přibližné nastavení (velikost) clony. Jak jsme uvedli výše, kondenzátory s numerickou aperturou nad 0,95 fungují nejlépe, když se na jejich horní čočku v kontaktu se spodním povrchem preparátu nanese kapka oleje. Tím je zajištěno, že se šikmé světelné paprsky vycházející z kondenzoru neodrážejí zespodu sklíčka, ale směřují do vzorku. V praxi to může být zdlouhavé a v běžné mikroskopii se to běžně neprovádí, ale je to nezbytné při práci s vysokým rozlišením a pro přesnou fotomikrografii s použitím vysoce výkonných objektivů (a numerické apertury).

Dalším důležitým aspektem je tloušťka mikroskopického sklíčka, která je pro kondenzor stejně důležitá jako tloušťka krycího sklíčka pro objektiv. Většina komerčních výrobců nabízí sklíčka o tloušťce od 0,95 do 1,20 mm, přičemž nejčastěji se tloušťka velmi blíží 1,0 mm. Mikroskopické sklíčko o tloušťce 1,20 mm je příliš tlusté pro použití s většinou kondenzorů s vysokou numerickou aperturou, které mají obvykle velmi krátkou pracovní vzdálenost. Zatímco pro běžné pozorování vzorků to nemá velký význam, při přesné fotomikrografii mohou být výsledky zničující. Doporučujeme volit mikroskopická sklíčka o tloušťce 1,0 ± 0,05 mm a před použitím je důkladně vyčistit.

Při změně objektivu, například z 10X na 20X, je třeba upravit i clonu kondenzoru, aby poskytovala nový světelný kužel odpovídající numerické apertuře nového objektivu. To se provádí otáčením vroubkovaného knoflíku na kondenzátorech znázorněných na obrázcích 2-6. Na tomto knoflíku je umístěna malá žlutá šipka nebo indexová značka, která udává relativní velikost apertury v porovnání s lineárním odstupňováním na tělese kondenzátoru. Mnoho výrobců synchronizuje tuto gradaci tak, aby odpovídala přibližné numerické apertuře kondenzátoru. Například pokud mikroskopista zvolil 10x objektiv s numerickou aperturou 0,25, pak bude šipka umístěna vedle hodnoty 0,18-0,20 (přibližně 80 % numerické apertury objektivu) na gradaci vepsané na pouzdře kondenzátoru.

Často není praktické použít jediný kondenzor s celou řadou objektivů (2X až 100X) kvůli širokému rozsahu světelných kuželů, které musí být vyrobeny, aby odpovídaly numerickým aperturám objektivů. U nízkovýkonných objektivů v rozsahu 2X až 5X bude mít světelný kužel průměr 6-10 mm, zatímco u vysokovýkonných objektivů (60X až 100X) je třeba vysoce zaostřený světelný kužel o průměru jen asi 0,2-0,4 mm. Při pevné ohniskové vzdálenosti je obtížné dosáhnout tak širokého rozsahu osvětlovacích kuželů jediným kondenzorem.

V praxi lze tento problém řešit několika způsoby. U objektivů s nízkým výkonem (pod 10x) může být nutné odšroubovat horní čočku kondenzoru, aby se zorné pole zaplnilo světlem. Některé kondenzátory se vyrábějí s odklápěcí horní čočkou, aby se toho snadněji dosáhlo, jak je znázorněno na obrázku 6. Mnoho výrobců nyní vyrábí kondenzor, který se při použití s nízkovýkonnými objektivy zcela překlopí. Jiné firmy mohou do světelné cesty zabudovat pomocné korekční čočky pro zajištění správného osvětlení s objektivy menšími než 10x. Při použití kondenzoru bez horní čočky je clona clony otevřena dokořán a polní clona, která je nyní viditelná na zadní straně objektivu, slouží jako clona clonová. Výklopné kondenzátory se vyrábějí v různých konfiguracích s numerickou aperturou od 0,65 do 1,35. Kondenzátory s numerickou aperturou 0,95 nebo menší jsou určeny pro použití se „suchými“ objektivy. Výklopné kondenzátory, které mají numerickou aperturu větší než 0,95, jsou však určeny pro použití s objektivy s olejovou imerzí a při zkoumání kritických vzorků musí být mezi spodní část preparátu mikroskopu a horní čočku kondenzátoru umístěna kapka oleje.

Kromě běžných kondenzátorů pro světlé pole, o nichž byla řeč výše, existuje celá řada specializovaných modelů vhodných pro mnoho různých aplikací. Tabulka 2 uvádí řadu různých konfigurací kondenzátorů a zamýšlené aplikace.

Z údajů v tabulce 2 je zřejmé, že náhradní kondenzátory mají velkou zaměnitelnost mezi různými aplikacemi. Například univerzální achromatický/aplanatický kondenzor DIC je kromě primárního použití DIC užitečný i pro světlé pole, temné pole a fázový kontrast. Podobnou zaměnitelnost mají i další kondenzátory. Různými aspekty jednotlivých technik, které vyžadují modifikované kondenzátory, se budeme zabývat v části věnované specializovaným mikroskopickým technikám. Neváhejte a navštivte tuto zajímavou část našich webových stránek, kde naleznete další konkrétní informace o náhradních kondenzátorech.