Alavälikondensaattorit

Alavälikondensaattori kerää mikroskoopin valonlähteestä tulevan valon ja keskittää sen valokartioksi, joka valaisee näytteen tasaisella intensiteetillä koko näkökentässä. On ratkaisevan tärkeää, että lauhduttimen valokartio on säädetty oikein objektiivin etulinssiin tulevan valon voimakkuuden ja kulman optimoimiseksi. Joka kerta, kun objektiivi vaihdetaan, on subage-kondensaattorille tehtävä vastaava säätö, jotta uuden objektiivin numeeriseen aukkoon sopiva valokartio saadaan aikaan.

Yksinkertainen kaksilinssinen Abbe-kondensaattori on esitetty kuvassa 1. Tässä kuvassa mikroskoopin valaistuslähteestä tuleva valo kulkee kondensaattorin apertuurikalvon läpi, joka sijaitsee kondensaattorin pohjassa, ja se keskitetään sisäisillä linssielementeillä, jotka sitten heijastavat valoa näytteen läpi yhdensuuntaisina nipuina jokaisesta atsimuutista. Valokartion koko ja numeerinen apertuuri määritetään säätämällä apertuurikalvoa. Kun valo on kulkenut näytteen läpi (mikroskoopin objektilasilla), se hajoaa käänteiseksi kartioksi, jonka kulma on oikea objektiivin etulinssin täyttämiseksi.

Kondensaattorin apertuurin säätömahdollisuus ja asianmukainen fokusointi ovat ratkaisevassa asemassa, kun halutaan hyödyntää objektiivin täysi potentiaali. Erityisesti säädettävän aukon iiris-diafragman (joka on integroitu kondensaattoriin tai sen alapuolelle) asianmukainen käyttö on tärkeintä oikean valaistuksen, kontrastin ja syväterävyyden varmistamisessa. Tämän iirisdiafragman avaaminen ja sulkeminen säätelee valaisevien säteiden kulmaa (ja siten aukkoa), jotka kulkevat kondensaattorin läpi, näytteen läpi ja sitten objektiiviin. Vierailijoita pyydetään tutkimaan, miten kondensaattorin aukon muuttaminen vaikuttaa valaistuskartioon interaktiivisessa Java-opetusohjelmassamme, jossa tutkitaan kondensaattorin numeerista aukkoa. Kondensaattorin korkeutta ohjataan hammastankojärjestelmällä, jonka avulla kondensaattorin tarkennusta voidaan säätää näytteen oikean valaistuksen varmistamiseksi. Kondensaattorin oikea sijainti suhteessa valaistuskartioon ja tarkennukseen on kriittinen kvantitatiivisen mikroskopian ja optimaalisen mikrovalokuvauksen kannalta.

On huolehdittava siitä, että kondensaattorin aukko on avattu oikeaan asentoon objektiivin numeeriseen aukkoon nähden. Kun kondensaattorin aukon kalvo on avattu liian laajalle, näytteestä tulevien vinojen valonsäteiden taittumisesta syntyvä hajavalo voi aiheuttaa häikäisyä ja heikentää kokonaiskontrastia. Toisaalta, kun aukko on tehty liian pieneksi, valaistuskartio ei riitä riittävään erottelukykyyn ja kuva vääristyy näytteestä tapahtuvan taittumisen ja diffraktion vuoksi. Vierailijat voivat tutkia näitä ilmiöitä interaktiivisella kondensaattorin aukon Java-opetusohjelmallamme, joka havainnollistaa kondensaattorin aukon asennon vaikutusta näytteen valaistukseen.

Kondensaattorit jaetaan käyttötarkoituksen (esim. kirkkaakenttä, pimeäkenttä, faasikontrasti jne.) ja myös optisen korjausasteen mukaan. Kondensaattoreita on optisten aberraatioiden korjauksen suhteen neljää eri periaatetyyppiä, jotka on lueteltu taulukossa 1.

Yksinkertaisin ja vähiten korjattu (myös edullisin) kondensaattori on Abbe-kondensaattori, jonka numeerinen aukko voi olla jopa 1.4 huippumalleissa, joissa on kolme tai useampia sisäisiä linssielementtejä. Vaikka Abbe-kondensaattori pystyy läpäisemään kirkasta valoa, sitä ei ole korjattu kromaattisen tai sfäärisen optisen aberraation suhteen. Tyypillinen Abbe-kondensaattori on esitetty kuvassa 2. Yksinkertaisimmillaan Abbe-kondensaattorissa on kaksi optista linssielementtiä, jotka tuottavat valaistun kentän kalvosta kuvan, joka ei ole terävä ja jota reunoilla ympäröi sininen ja punainen väri.

Koska Abbe-kondensaattorissa ei ole optista korjausta, se soveltuu lähinnä rutiinihavainnointiin, jossa käytetään objektiiveja, joiden numeerinen aukko ja suurennus ovat vaatimattomia. Abbe-kondensaattorin tärkeimpiä etuja ovat laaja valaistuskartio, jonka kondensaattori pystyy tuottamaan, sekä sen kyky työskennellä pitkän työskentelyetäisyyden objektiivien kanssa. Valmistaja toimittaa useimmat mikroskoopit oletusarvoisesti Abbe-kondensaattorilla varustettuna, ja nämä kondensaattorit ovat todellisia työkoneita rutiininomaisessa laboratoriokäytössä.

Kondensaattorin korjauksen seuraava taso jakautuu aplanaattisiin ja akromaattisiin kondensaattoreihin, jotka korjataan yksinomaan joko sfääristen (aplanaattisten) tai kromaattisten (akromaattisten) optisten aberraatioiden osalta. Tyypillisiä esimerkkejä näistä kondensaattoreista esitetään kuvissa 3 (akromaattinen) ja 4 (aplanaattinen). Akromaattisissa kondensaattoreissa on yleensä kolme tai neljä linssielementtiä, ja ne on korjattu kahdella aallonpituudella (punainen ja sininen) kromaattisen aberraation osalta.

Kuvassa 3 esitetyssä akromaattisessa kondensaattorissa on neljä linssielementtiä, ja sen numeerinen aukko on 0,95, joka on korkein saavutettavissa oleva arvo ilman, että tarvitaan immersioöljyä. Tämä kondensaattori on käyttökelpoinen sekä rutiini- että kriittisiin laboratorioanalyyseihin ”kuivilla” objektiiveilla ja myös mustavalko- tai värivalokuviin.

Kriittinen tekijä valittaessa subage-kondensaattoreita on numeerisen apertuurin suorituskyky, joka tarvitaan, jotta saadaan aikaan objektiiveille riittävä valaistuskartio. Kondensaattorin numeerisen apertuurin tulisi olla yhtä suuri tai hieman pienempi kuin suurimman objektiivin numeerinen apertuuri. Jos siis suurimmalla suurennoksella varustettu objektiivi on öljyimmersio-objektiivi, jonka numeerinen aukko on 1,40, myös alifaasikondensaattorilla on oltava vastaava numeerinen aukko, jotta järjestelmän resoluutio säilyy mahdollisimman suurena. Tässä tapauksessa kondensaattorin ylälinssin ja mikroskooppilevyn alapuolen väliin on lisättävä upotusöljyä, jotta saavutetaan haluttu numeerinen aukko (1,40) ja resoluutio. Öljyn käyttämättä jättäminen rajoittaa järjestelmän suurimman numeerisen apertuurin arvoon 1,0, joka on suurin saavutettavissa, kun kuvantamisvälineenä on ilma.

Aplanaattiset kondensorit korjataan hyvin sfääriseen aberraatioon (vihreitä aallonpituuksia varten), mutta ne eivät myöskään korjaa kromaattista aberraatiota. Tyypillinen aplanaattinen kondensaattori, jonka numeerinen aukko on 1,40, on esitetty kuvassa 4. Tässä kondensaattorissa on viisi linssielementtiä, ja se pystyy keskittämään valon yhteen tasoon. Aplanaattisilla kondensaattoreilla voidaan tuottaa erinomaisia mustavalkoisia mikrokuvauksia, kun niitä käytetään vihreällä valolla, joka tuotetaan joko laserlähteellä tai käyttämällä interferenssisuodatinta volframi-halogeenivalaistuksen kanssa.

Aplanaattis-akromaattiseen kondensaattoriin on sisällytetty optisen aberraation korkein korjausaste. Tämä kondensori on hyvin korjattu sekä kromaattisen että sfäärisen aberraation osalta, ja se on ensisijainen kondensori käytettäväksi kriittisessä värivalokuvauksessa valkoisella valolla. Tyypillinen aplanaattis-akromaattinen kondensaattori on esitetty kuvassa 5 (numeerinen aukko = 1,35). Tässä kondensaattorissa on kahdeksan sisäistä linssielementtiä, jotka on sementoitu kahdeksi kaksoislinssiksi ja neljäksi yksinkertaiseksi linssiksi.

Kondensaattorin kotelossa olevat kaiverrukset sisältävät sen tyypin (akromaattinen, aplanaattinen jne.), numeerisen apertuurin ja asteittaisen asteikon, joka ilmaisee apertuuriaukon likimääräisen säädön (koon). Kuten edellä mainittiin, kondensaattorit, joiden numeerinen aukko on yli 0,95, toimivat parhaiten, kun niiden ylempään linssiin levitetään pisara öljyä, joka on kosketuksissa näytelasin alapinnan kanssa. Näin varmistetaan, että kondensaattorista lähtevät vinot valonsäteet eivät heijastu objektilasin alapuolelta vaan suuntautuvat näytteeseen. Käytännössä tämä voi olla työlästä, eikä sitä yleensä tehdä rutiinimikroskopiassa, mutta se on olennaista, kun työskennellään suurilla resoluutioilla ja tarkassa fotomikrografiassa, jossa käytetään suuritehoisia (ja numeerisen apertuurin omaavia) objektiiveja.

Toinen tärkeä näkökohta on mikroskoopin objektilasin paksuus, joka on yhtä ratkaisevan tärkeä kondensaattorille kuin peitinliuskan paksuus objektiiville. Useimmat kaupalliset valmistajat tarjoavat objektiolevyjä, joiden paksuus vaihtelee 0,95 mm:n ja 1,20 mm:n välillä, ja yleisimmät ovat hyvin lähellä 1,0 mm:n paksuutta. Mikroskooppilevy, jonka paksuus on 1,20 mm, on liian paksu käytettäväksi useimpien suuren numeerisen apertuurin kondensaattoreiden kanssa, joiden työskentelyetäisyys on yleensä hyvin lyhyt. Vaikka tällä ei ole suurta merkitystä näytteiden rutiinihavainnoinnissa, tulokset voivat olla tuhoisia tarkkuusmikrokuvauksessa. Suosittelemme, että valitaan mikroskooppilevyt, joiden paksuus on 1,0 ± 0,05 mm, ja että ne puhdistetaan perusteellisesti ennen käyttöä.

Kun objektiivi vaihdetaan, esimerkiksi 10X:stä 20X:ään, myös kondensaattorin apertuurikalvo on säädettävä, jotta saadaan aikaan uusi valokartio, joka vastaa uuden objektiivin numeerista aukkoa. Tämä tehdään kääntämällä kuvissa 2-6 esitetyissä kondensaattoreissa olevaa nuppisäädintä. Tässä nupissa on pieni keltainen nuoli tai indeksimerkki, joka osoittaa aukon suhteellisen koon verrattuna kondensaattorin kotelossa olevaan lineaariseen porrastukseen. Monet valmistajat synkronoivat tämän porrastuksen vastaamaan lauhduttimen likimääräistä numeerista aukkoa. Jos esimerkiksi mikroskooppi on valinnut 10X-objektiivin, jonka numeerinen aukko on 0,25, nuoli sijoitetaan arvojen 0,18-0,20 (noin 80 prosenttia objektiivin numeerisesta aukosta) viereen kondensaattorin koteloon kaiverrettuun asteikkoon.

Usein ei ole käytännöllistä käyttää yhtä ainoaa kondenssoria koko objektiivivalikoiman (2X-100X) kanssa, koska objektiivin numeerisia aukkoja varten on valmistettava monenlaisia valokartioita. Pienitehoisilla objektiiveilla, jotka ovat välillä 2X-5X, valaisukartio on halkaisijaltaan 6-10 mm, kun taas suuritehoisissa objektiiveissa (60X-100X) tarvitaan erittäin tarkennettu valokartio, jonka halkaisija on vain noin 0,2-0,4 mm. Kun polttoväli on kiinteä, on vaikea saavuttaa näin laaja valikoima valaistuskartioita yhdellä kondensaattorilla.

Käytännössä tämä ongelma voidaan ratkaista monella tavalla. Pienitehoisissa objektiiveissa (alle 10x) voi olla tarpeen ruuvata kondensaattorin ylälinssi irti, jotta näkökenttä voidaan täyttää valolla. Joissakin kondensaattoreissa on käännettävä ylempi linssi, jotta tämä onnistuu helpommin, kuten kuvassa 6 on esitetty. Monet valmistajat valmistavat nykyään kondensaattoria, joka kääntyy kokonaan, kun sitä käytetään pienitehoisten objektiivien kanssa. Toiset valmistajat saattavat sisällyttää valopolkuun lisäkorjauslinssejä, joilla varmistetaan asianmukainen valaistus alle 10-kertaisilla objektiiveilla. Kun kondensaattoria käytetään ilman ylälinssiä, aukon iiriskalvo avataan laajalle ja objektiivin takana näkyvä kenttäkalvo toimii ikään kuin se olisi aukkokalvo. Flip-top-kondensaattoreita valmistetaan useissa eri kokoonpanoissa, joiden numeeriset aukot vaihtelevat 0,65:stä 1,35:een. Ne kondensaattorit, joiden numeerinen aukkoarvo on 0,95 tai vähemmän, on tarkoitettu käytettäväksi ”kuivien” objektiivien kanssa. Flip-top-kondensaattorit, joiden numeerinen apertuuri on suurempi kuin 0,95, on kuitenkin tarkoitettu käytettäväksi öljyimmersio-objektiivien kanssa, ja niissä on oltava öljypisara mikroskoopin objektilasin pohjan ja kondensaattorin ylälinssin välissä, kun tutkitaan kriittisiä näytteitä.

Edellä käsiteltyjen yleisten kirkkaankenttäkondensaattoreiden lisäksi on olemassa laaja valikoima erikoistuneita malleja, jotka soveltuvat moniin erilaisiin sovelluksiin. Taulukossa 2 luetellaan joukko erilaisia kondensaattorikokoonpanoja ja niiden käyttötarkoitukset.

Taulukon 2 tiedoista on ilmeistä, että substage-kondensaattoreiden vaihdettavuus eri käyttökohteiden välillä on suuri. Esimerkiksi DIC-yleisakromaatti/aplanaattikondensaattori on hyödyllinen kirkkauskentässä, pimeäkentässä ja faasikontrastissa ensisijaisen DIC-sovelluksen lisäksi. Muilla kondensaattoreilla on samanlainen vaihdettavuus. Käsittelemme muunneltuja kondensaattoreita vaativien yksittäisten tekniikoiden eri näkökohtia kohdassa Erikoismikroskopiatekniikat. Käykää rohkeasti tutustumassa tähän mielenkiintoiseen osaan verkkosivuillamme saadaksenne tarkempia tietoja alifaasikondensaattoreista.