Understegskondensatorer

Understegskondensatorn samlar in ljuset från mikroskopets ljuskälla och koncentrerar det till en ljuskägla som belyser provet med jämn intensitet över hela synfältet. Det är viktigt att kondensorns ljuskägla är korrekt justerad för att optimera intensiteten och vinkeln på ljuset som kommer in i objektivets främre lins. Varje gång ett objektiv byts ut måste en motsvarande justering utföras på substage-kondensorn för att ge rätt ljuskägla för det nya objektivets numeriska öppning.

En enkel Abbe-kondensor med två linser illustreras i figur 1. I denna figur passerar ljuset från mikroskopets belysningskälla genom kondensorns öppningsmembran, som är placerad vid kondensorns bas, och koncentreras av interna linselement, som sedan projicerar ljuset genom provet i parallella buntar från varje azimut. Ljuskonens storlek och numeriska öppning bestäms genom justering av bländarmembranet. Efter att ha passerat genom provet (på objektglaset) divergerar ljuset till en omvänd kon med rätt vinkel för att fylla objektivets främre lins.

Aperturjustering och korrekt fokusering av kondensorn är av kritisk betydelse för att förverkliga objektivets fulla potential. Särskilt lämplig användning av det justerbara bländarmembranet (inbyggt i kondensorn eller strax under den) är viktigast för att säkerställa korrekt belysning, kontrast och skärpedjup. Öppning och stängning av denna irisbländare styr vinkeln på de belysningsstrålar (och därmed öppningen) som passerar genom kondensorn, genom provet och sedan in i objektivet. Besökare uppmanas att utforska hur en ändring av kondensorns öppning påverkar belysningskonen i vår interaktiva Java-handledning som utforskar kondensorns numeriska öppning. Kondensorns höjd styrs av ett kugghjulssystem som gör det möjligt att justera kondensorns fokus för korrekt belysning av provet. Korrekt positionering av kondensorn i förhållande till belysningskon och fokus är avgörande för kvantitativ mikroskopi och optimal fotomikrografi.

Vård måste vidtas för att garantera att kondensorns öppning öppnas i rätt läge i förhållande till objektivets numeriska öppning. När kondensoröppningsbländaren öppnas för brett kan ströljus som genereras av brytning av sneda ljusstrålar från provet orsaka bländning och sänka den totala kontrasten. Å andra sidan, när bländaröppningen är för liten är belysningskonen otillräcklig för att ge tillräcklig upplösning och bilden förvrängs på grund av refraktion och diffraktion från provet. Besökare kan utforska dessa fenomen med vår interaktiva Java-handledning om kondensatoröppning som visar effekten av kondensatoröppningens position på belysningen av provet.

Kondensorer delas in i klassificeringar efter ändamål (t.ex. ljusfält, mörkfält, faskontrast etc.) och även efter graden av optisk korrigering. Det finns fyra huvudtyper av kondensatorer med avseende på korrigering av optiska aberrationer, enligt tabell 1.

Den enklaste och minst korrigerade (även den billigaste) kondensorn är Abbe-kondensorn som kan ha en numerisk öppning på upp till 1.4 i avancerade modeller med tre eller fler interna linselement. Även om Abbe-kondensorn kan släppa igenom starkt ljus är den inte korrigerad för vare sig kromatiska eller sfäriska optiska aberrationer. En typisk Abbe-kondensor illustreras i figur 2. I sin enklaste form har Abbe-kondensorn två optiska linselement som ger en bild av det belysta fältmembranet som inte är skarp och som är omgiven av blå och röd färg i kanterna.

Som ett resultat av att det inte finns någon optisk korrigering lämpar sig Abbe-kondensorn främst för rutinobservation med objektiv med blygsam numerisk apertur och förstoring. De främsta fördelarna med Abbe-kondensorn är den breda belysningskon som kondensorn kan producera samt dess förmåga att arbeta med objektiv med långt arbetsavstånd. De flesta mikroskop levereras av tillverkaren med en Abbe-kondensor som standard och dessa kondensorer är riktiga arbetshästar för rutinmässig laboratorieanvändning.

Nästa nivå av kondensorkorrigering är uppdelad mellan aplanatiska och akromatiska kondensorer som korrigeras uteslutande för antingen sfäriska (aplanatiska) eller kromatiska (akromatiska) optiska aberrationer. Typiska exempel på dessa kondensatorer illustreras i figur 3 (akromatisk) och figur 4 (aplanatisk). Achromatiska kondensatorer innehåller vanligtvis tre till fyra linselement och är korrigerade i två våglängder (röd och blå) för kromatisk aberration.

Den achromatiska kondensatorn som illustreras i figur 3 innehåller fyra linselement och har en numerisk öppning på 0,95, vilket är den högsta öppning som kan uppnås utan att kräva immersionsolja. Denna kondensor är användbar för både rutinmässiga och kritiska laboratorieanalyser med ”torra” objektiv och även för svartvitt eller färgfotomikrografi.

En kritisk faktor vid val av substagekondensor är den numeriska bländarprestanda som kommer att krävas för att ge en belysningskon som är lämplig för objektiven. Kondensorns numeriska öppning bör vara lika med eller något mindre än den högsta numeriska öppningen för objektivet. Om det högsta förstoringsobjektivet är ett oljedimringsobjektiv med en numerisk öppning på 1,40, bör underkondensorn också ha en motsvarande numerisk öppning för att bibehålla den högsta systemupplösningen. I det här fallet måste immersionsolja appliceras mellan kondensorns övre lins och undersidan av mikroskopglaset för att uppnå den avsedda numeriska aperturen (1,40) och upplösningen. Om olja inte används kommer systemets högsta numeriska apertur att begränsas till 1,0, den högsta som kan uppnås med luft som avbildningsmedium.

Aplanatiska kondensorer är väl korrigerade för sfärisk aberration (gröna våglängder) men inte för kromatisk aberration. En typisk aplanatisk kondensor med en numerisk öppning på 1,40 illustreras i figur 4. Denna kondensor har fem linselement och kan fokusera ljuset i ett enda plan. Aplanatiska kondensatorer kan producera utmärkta svartvita fotomikrografer när de används med grönt ljus som genereras antingen av en laserkälla eller genom användning av ett interferensfilter med volfram-halogenbelysning.

Den högsta nivån av korrigering för optisk aberration är inbyggd i den aplanatiskt-akromatiska kondensorn. Denna kondensor är väl korrigerad för både kromatiska och sfäriska aberrationer och är den bästa kondensorn för användning vid kritisk färgfotomikrografi med vitt ljus. En typisk aplanatisk-akromatisk kondensor illustreras i figur 5 (numerisk öppning = 1,35). Denna kondensor har åtta interna linselement som är cementerade i två dubbletter och fyra enkellinser.

Graveringar som återfinns på kondensorhuset omfattar dess typ (akromatisk, aplanatisk etc.), den numeriska bländaren och en graderad skala som anger den ungefärliga inställningen (storleken) av bländarmembranen. Som vi nämnde ovan fungerar kondensatorer med numerisk bländare över 0,95 bäst när en droppe olja appliceras på deras övre lins i kontakt med undersidan av objektglaset. Detta säkerställer att sneda ljusstrålar som utgår från kondensorn inte reflekteras från undersidan av objektglaset utan riktas in i provet. I praktiken kan detta bli omständligt och görs inte ofta vid rutinmikroskopi, men det är viktigt när man arbetar med höga upplösningar och för noggrann fotomikrografi med hjälp av objektiv med hög effekt (och numerisk öppning).

Ett annat viktigt övervägande är mikroskopglasets tjocklek, som är lika avgörande för kondensorn som täckglasets tjocklek är för objektivet. De flesta kommersiella tillverkare erbjuder objektglas med en tjocklek på mellan 0,95 och 1,20 mm, varav de vanligaste ligger mycket nära 1,0 mm. Ett mikroskopglas med en tjocklek på 1,20 mm är för tjockt för att användas med de flesta kondensatorer med hög numerisk apertur som tenderar att ha ett mycket kort arbetsavstånd. Även om detta inte spelar någon större roll för rutinmässig observation av prover, kan resultaten vara förödande vid precisionsfotomikrografi. Vi rekommenderar att man väljer mikroskopglas med en tjocklek på 1,0 ± 0,05 mm och att de rengörs noggrant före användning.

När objektivet byts ut, till exempel från 10X till 20X, måste även kondensorns öppningsmembran justeras för att ge en ny ljuskägla som matchar den numeriska öppningen på det nya objektivet. Detta görs genom att vrida på den rattformade ratten på de kondensatorer som visas i figurerna 2-6. Det finns en liten gul pil eller ett indexmärke på ratten som anger bländarens relativa storlek jämfört med den linjära graderingen på kondensorhuset. Många tillverkare synkroniserar denna gradering så att den motsvarar kondensorns ungefärliga numeriska öppning. Om mikroskopisten till exempel har valt ett 10X-objektiv med en numerisk öppning på 0,25, placeras pilen bredvid värdet 0,18-0,20 (cirka 80 procent av objektivets numeriska öppning) på den gradering som finns inskriven på kondensorhuset.

Ofta är det inte praktiskt möjligt att använda en enda kondensor med ett helt intervall av objektiv (2X till 100X) på grund av det breda utbudet av ljuskoner som måste tillverkas för att matcha objektivens numeriska aperturer. Med lågeffektiva objektiv i intervallet 2X till 5X kommer belysningskonen att ha en diameter på mellan 6-10 mm, medan de högeffektiva objektiven (60X till 100X) behöver en starkt fokuserad ljuskona med en diameter på endast cirka 0,2-0,4 mm. Med en fast brännvidd är det svårt att uppnå detta breda spektrum av belysningskoner med en enda kondensor.

I praktiken kan detta problem lösas på flera sätt. För objektiv med låg effekt (under 10x) kan det vara nödvändigt att skruva av kondensorns övre lins för att fylla synfältet med ljus. Vissa kondensatorer tillverkas med en övre lins som kan fällas upp för att underlätta detta, vilket illustreras i figur 6. Många tillverkare tillverkar nu en kondensor som kan vändas om helt och hållet när den används med objektiv med låg effekt. Andra företag kan ha extra korrigeringslinser i ljusvägen för att säkerställa korrekt belysning med objektiv som är mindre än 10x. När kondensorn används utan sin övre lins är öppningsbländaren vidöppen och fältbländaren, som nu är synlig på objektivets baksida, fungerar som om den vore öppningsbländaren. Flip-top-kondensorer tillverkas i en mängd olika konfigurationer med numeriska bländare från 0,65 till 1,35. De kondensatorer som har ett numeriskt öppningsvärde på 0,95 eller mindre är avsedda att användas med ”torra” objektiv. De flip-top-kondensatorer som har en numerisk öppning större än 0,95 är dock avsedda att användas med oljedimringsobjektiv och de måste ha en droppe olja placerad mellan botten av mikroskopglaset och kondensorns övre lins när man undersöker kritiska prover.

Förutom de vanliga ljusfältskondensatorerna som diskuteras ovan finns det ett stort antal specialmodeller som lämpar sig för många olika användningsområden. I tabell 2 listas ett antal olika kondensatorkonfigurationer och de avsedda tillämpningarna.

Utifrån uppgifterna i tabell 2 är det uppenbart att substratkondensatorer har stor utbytbarhet mellan olika tillämpningar. Till exempel är DIC:s universella achromat/aplanatkondensor användbar för ljusfält, mörkfält och faskontrast, utöver den primära DIC-tillämpningen. Andra kondensatorer har liknande utbytbarhet. Vi kommer att behandla olika aspekter av enskilda tekniker som kräver modifierade kondensatorer i vårt avsnitt om specialiserade mikroskopitekniker. Besök gärna denna intressanta del av vår webbplats för mer specifik information om substage-kondensatorer.