Kondensatory podstopowe

Kondensator podstopowy zbiera światło ze źródła światła mikroskopu i koncentruje je w stożek światła, który oświetla preparat z jednolitą intensywnością na całym polu widzenia. Bardzo ważne jest, aby stożek świetlny kondensora był właściwie wyregulowany, aby zoptymalizować intensywność i kąt padania światła na przednią soczewkę obiektywu. Przy każdej zmianie obiektywu należy przeprowadzić odpowiednią regulację kondensora podstopniowego, aby zapewnić właściwy stożek świetlny dla apertury numerycznej nowego obiektywu.

Prosty dwusoczewkowy kondensor Abbego jest zilustrowany na rysunku 1. Na tym rysunku światło ze źródła oświetlenia mikroskopu przechodzi przez diafragmę apertury kondensora, znajdującą się u podstawy kondensora, i jest skupiane przez wewnętrzne elementy obiektywu, które następnie rzucają światło przez próbkę w równoległych wiązkach z każdego azymutu. Wielkość i apertura numeryczna stożka świetlnego określana jest poprzez regulację diafragmy aperturowej. Po przejściu przez próbkę (na szkiełku mikroskopowym), światło rozchodzi się w odwrócony stożek o odpowiednim kącie, aby wypełnić przednią soczewkę obiektywu.

Regulacja apertury i prawidłowe ogniskowanie kondensora mają krytyczne znaczenie w wykorzystaniu pełnego potencjału obiektywu. W szczególności, odpowiednie użycie diafragmy przysłony o regulowanej aperturze (wbudowanej w kondensor lub tuż pod nim) jest najważniejsze dla zapewnienia prawidłowego oświetlenia, kontrastu i głębi ostrości. Otwarcie i zamknięcie przysłony steruje kątem padania promieni oświetlających (a więc i przysłoną), które przechodzą przez kondensor, przez preparat, a następnie do obiektywu. W interaktywnym samouczku Java, który opisuje aperturę numeryczną kondensora, można dowiedzieć się, jak zmiana apertury kondensora wpływa na stożek świetlny. Wysokość kondensora jest kontrolowana przez zębatkowy system przekładni, który umożliwia regulację ostrości kondensora w celu właściwego oświetlenia próbki. Prawidłowe ustawienie kondensora w stosunku do stożka oświetlenia i ostrości jest krytyczne dla mikroskopii ilościowej i optymalnej fotomikrografii.

Należy zwrócić uwagę na to, aby apertura kondensora była otwarta w prawidłowej pozycji w stosunku do apertury numerycznej obiektywu. Gdy diafragma apertury kondensora jest otwarta zbyt szeroko, światło rozproszone generowane przez załamanie ukośnych promieni świetlnych od próbki może powodować odblaski i obniżać ogólny kontrast. Z drugiej strony, gdy apertura jest zbyt mała, stożek świetlny jest niewystarczający do zapewnienia odpowiedniej rozdzielczości, a obraz jest zniekształcony z powodu załamania i dyfrakcji od preparatu. Zjawiska te można poznać dzięki naszemu interaktywnemu samouczkowi Java, który demonstruje wpływ położenia apertury kondensora na oświetlenie próbki.

Kondensory są podzielone na klasyfikacje przeznaczenia (np.: jasne pole, ciemne pole, kontrast fazowy, itp.), a także według stopnia korekcji optycznej. Istnieją cztery zasadnicze typy kondensorów w odniesieniu do korekcji aberracji optycznych, jak podano w tabeli 1.

Najprostszym i najmniej skorygowanym (również najtańszym) kondensorem jest kondensor Abbego, który może mieć aperturę numeryczną do 1.4 w modelach wysokiej klasy z trzema lub więcej wewnętrznymi elementami obiektywu. Chociaż kondensor Abbego jest w stanie przepuszczać jasne światło, nie jest on skorygowany ani pod względem chromatycznych, ani sferycznych aberracji optycznych. Typowy kondensor Abbego jest przedstawiony na rysunku 2. W swojej najprostszej formie kondensor Abbego posiada dwa elementy optyczne, które wytwarzają obraz oświetlonej diafragmy polowej, który nie jest ostry i jest otoczony niebieskim i czerwonym kolorem na krawędziach.

W wyniku braku korekcji optycznej, kondensor Abbego nadaje się głównie do rutynowych obserwacji z celami o skromnej aperturze numerycznej i powiększeniu. Podstawowe zalety kondensora Abbego to szeroki stożek oświetlenia, który kondensor jest w stanie wytworzyć, jak również jego zdolność do pracy z obiektywami o dużej odległości roboczej. Większość mikroskopów jest dostarczana przez producenta z domyślnym kondensorem Abbego i takie kondensory są prawdziwymi wołami roboczymi do rutynowych zastosowań laboratoryjnych.

Następny poziom korekcji kondensora jest podzielony na kondensory aplanatyczne i achromatyczne, które są korygowane wyłącznie pod kątem aberracji optycznych sferycznych (aplanatycznych) lub chromatycznych (achromatycznych). Typowe przykłady takich kondensatorów przedstawiono na rysunkach 3 (achromatyczny) i 4 (aplanatyczny). Kondensatory achromatyczne zawierają zwykle trzy do czterech elementów obiektywu i są skorygowane w dwóch długościach fal (czerwonej i niebieskiej) pod względem aberracji chromatycznej.

Kondensator achromatyczny przedstawiony na rysunku 3 zawiera cztery elementy obiektywu i ma aperturę numeryczną 0,95, najwyższą możliwą do uzyskania bez konieczności stosowania oleju immersyjnego. Ten kondensor jest przydatny zarówno do rutynowych, jak i krytycznych analiz laboratoryjnych z „suchymi” obiektywami, a także do czarno-białej lub kolorowej fotomikrografii.

Krytycznym czynnikiem przy wyborze kondensorów podrzędnych jest apertura numeryczna, która będzie konieczna do zapewnienia stożka oświetlenia odpowiedniego dla celów. Apertura numeryczna kondensora powinna być równa lub nieco mniejsza niż apertura numeryczna najwyższego obiektywu. Dlatego, jeśli obiektyw o największym powiększeniu jest obiektywem olejowym z aperturą numeryczną 1,40, to kondensor podstopowy powinien mieć również równoważną aperturę numeryczną, aby utrzymać najwyższą rozdzielczość systemu. W tym przypadku, aby osiągnąć zamierzoną aperturę numeryczną (1,40) i rozdzielczość, należy zastosować olejek immersyjny pomiędzy górną soczewką kondensora a spodnią stroną szkiełka mikroskopowego. Brak zastosowania olejku ograniczy najwyższą aperturę numeryczną systemu do 1.0, najwyższą możliwą do uzyskania przy zastosowaniu powietrza jako medium obrazowania.

Kondensory aplanatyczne są dobrze skorygowane pod względem aberracji sferycznej (zielone długości fal), ale nie pod względem aberracji chromatycznej. Typowy kondensor aplanatyczny o aperturze numerycznej 1,40 jest przedstawiony na rysunku 4. Kondensator ten posiada pięć elementów obiektywu i jest w stanie skupiać światło w jednej płaszczyźnie. Kondensory aplanatyczne są w stanie wytwarzać doskonałe czarno-białe fotomikrografy, gdy są używane z zielonym światłem generowanym przez źródło laserowe lub przy użyciu filtra interferencyjnego z oświetleniem wolframowo-halogenowym.

Najwyższy poziom korekcji aberracji optycznej jest zawarty w kondensorze aplanatyczno-achromatycznym. Kondensor ten jest dobrze skorygowany zarówno dla aberracji chromatycznej jak i sferycznej i jest kondensorem z wyboru do stosowania w krytycznej kolorowej fotomikrografii przy świetle białym. Typowy kondensor aplanatyczno-achromatyczny jest przedstawiony na rysunku 5 (apertura numeryczna = 1,35). Kondensor ten posiada osiem wewnętrznych elementów soczewkowych połączonych w dwa dublety i cztery pojedyncze soczewki.

Grawerunki znajdujące się na obudowie kondensora zawierają jego typ (achromatyczny, aplanatyczny, itp.), aperturę numeryczną i stopniowaną skalę, która wskazuje przybliżoną regulację (wielkość) przysłony. Jak już wspomnieliśmy, kondensory o aperturze numerycznej powyżej 0,95 działają najlepiej, gdy na ich górną soczewkę naniesiona jest kropla oleju stykająca się ze spodnią powierzchnią preparatu. Dzięki temu skośne promienie świetlne wychodzące z kondensora nie są odbijane od spodu szkiełka, lecz kierowane na próbkę. W praktyce może to stać się uciążliwe i nie jest powszechnie wykonywane w rutynowej mikroskopii, ale jest niezbędne podczas pracy w wysokich rozdzielczościach i do dokładnej fotomikrografii przy użyciu obiektywów o dużej mocy (i aperturze numerycznej).

Innym ważnym czynnikiem jest grubość szkiełka mikroskopowego, która jest tak samo istotna dla kondensora jak grubość szkiełka nakrywkowego dla obiektywu. Większość producentów komercyjnych oferuje szkiełka o grubości od 0,95 do 1,20 mm, przy czym najczęstsze są bardzo zbliżone do 1,0 mm. Szkiełko mikroskopowe o grubości 1,20 mm jest zbyt grube, aby używać go z większością kondensorów o wysokiej aperturze numerycznej, które mają bardzo małą odległość roboczą. O ile nie ma to większego znaczenia przy rutynowej obserwacji preparatów, to w przypadku precyzyjnej fotomikrografii wyniki mogą być katastrofalne. Zalecamy wybieranie szkiełek mikroskopowych o grubości 1,0 ± 0,05 mm i dokładne czyszczenie ich przed użyciem.

Gdy obiektyw jest zmieniany, na przykład z 10X na 20X, diafragma apertury kondensora musi być również dostosowana, aby zapewnić nowy stożek świetlny, który pasuje do apertury numerycznej nowego obiektywu. Dokonuje się tego obracając pokrętło na kondensorach przedstawionych na Rysunkach 2-6. Na tym pokrętle znajduje się mała żółta strzałka lub znak indeksu, który wskazuje względną wielkość apertury w porównaniu z liniową gradacją na obudowie kondensora. Wielu producentów synchronizuje tę gradację, aby odpowiadała przybliżonej aperturze numerycznej kondensora. Na przykład, jeśli mikroskopista wybrał obiektyw 10X o aperturze numerycznej 0,25, to strzałka będzie umieszczona obok wartości 0,18-0,20 (około 80 procent apertury numerycznej obiektywu) na gradacji zapisanej na obudowie kondensora.

Często nie jest praktyczne używanie jednego kondensora z całym zakresem obiektywów (od 2X do 100X) ze względu na szeroki zakres stożków świetlnych, które muszą być produkowane, aby dopasować apertury numeryczne obiektywów. W przypadku obiektywów o małej mocy w zakresie od 2X do 5X stożek świetlny będzie miał średnicę od 6 do 10 mm, podczas gdy w przypadku obiektywów o dużej mocy (od 60X do 100X) potrzebny jest silnie zogniskowany stożek świetlny o średnicy tylko około 0,2-0,4 mm. Przy stałej ogniskowej trudno jest uzyskać tak szeroki zakres stożków oświetlenia za pomocą jednego kondensora.

W praktyce problem ten można rozwiązać na kilka sposobów. W przypadku obiektywów o małej mocy (poniżej 10x) może być konieczne odkręcenie górnej soczewki kondensora w celu wypełnienia pola widzenia światłem. Niektóre kondensory są produkowane z górną soczewką typu flip-top, aby łatwiej to osiągnąć, jak pokazano na Rysunku 6. Wielu producentów produkuje obecnie kondensory, które całkowicie się odwracają, gdy używane są z obiektywami o niskiej mocy. Inni producenci mogą wbudować w tor świetlny pomocnicze soczewki korekcyjne zapewniające prawidłowe oświetlenie przy użyciu obiektywów mniejszych niż 10x. Gdy kondensor jest używany bez górnej soczewki, diafragma przysłony jest szeroko otwarta, a diafragma polowa, teraz widoczna z tyłu obiektywu, służy tak, jakby była diafragmą przysłony. Kondensory Flip-top są produkowane w różnych konfiguracjach z aperturami numerycznymi od 0,65 do 1,35. Te kondensory, które mają aperturę numeryczną 0,95 lub mniejszą są przeznaczone do użytku z obiektywami „suchymi”. Jednak kondensory typu flip-top, które mają aperturę numeryczną większą niż 0,95, są przeznaczone do użytku z obiektywami z imersją olejową i muszą mieć kroplę oleju umieszczoną między dnem szkiełka mikroskopowego a górną soczewką kondensora podczas badania krytycznych próbek.

Oprócz powszechnie stosowanych kondensorów do jasnego pola omówionych powyżej, istnieje szeroka gama wyspecjalizowanych modeli dostosowanych do wielu różnych zastosowań. W tabeli 2 wymieniono kilka różnych konfiguracji kondensorów i przewidzianych do nich zastosowań.

Z danych zawartych w Tabeli 2 wynika, że kondensory podst. mają dużą zamienność wśród różnych zastosowań. Na przykład, uniwersalny kondensor achromatowy/aplanatowy DIC jest przydatny w jasnym polu, ciemnym polu i kontraście fazowym, oprócz podstawowego zastosowania DIC. Inne kondensory mają podobną wymienność. Różnymi aspektami poszczególnych technik wymagających zmodyfikowanych kondensorów zajmiemy się w dziale Specjalistyczne Techniki Mikroskopowe. Zachęcamy do odwiedzenia tej interesującej części naszej Witryny w celu uzyskania bardziej szczegółowych informacji na temat kondensorów podstopniowych.