عدسی شیئی از مهمترین اجزای یک میکروسکوپ نوری است و نقش اصلی را در تشکیل تصویر و تعیین کیفیت تصاویر میکروسکوپی مانند بزرگنمایی و وضوح جزئیات برعهده دارد. شیئی پیچیده‌ترین بخش میکروسکوپ نوری از لحاظ طراحی سیستم جمع‌آوری نور و اولین مولفه اپتیکی است که نور هنگام انتقال از نمونه به صفحه تصویر، با آن روبرو می‌شود. عدسی شیئی نام خود را از این واقعیت گرفته است که همواره در نزدیکی شی (نمونه) قرار می‌گیرد. امروزه شیئی‌هایی با بزرگنمایی های مختلف به صورت تجاری در دسترس هستند که به دو دسته اصلی طبقه‌بندی می‌شوند: نوع انکساری و نوع بازتابی. شیئی‌های سنتی و مرسوم در طراحی عبوری یا انکساری کار می‌کنند و از تعدادی لنزهای اپتیکی تشکیل شده‌اند. با این حال، نیاز به شیئی‌هایی با بزرگنمایی زیاد که از ماورابنفش تا فروسرخ بدون ابیراهی کروماتیک عمل کنند، صنعت را وادار کرده است تا شیئی‌هایی اقتصادی براساس طراحی بازتابی یا مبتنی بر آینه را هدف قرار دهد.
شیئی انکساری (Refractive Objectives)
در یک طراحی عبوری، نور ورودی به شیئی توسط عناصر اپتیکی داخل آن، شکسته یا منکسر می‌شود. هر عنصر (انواع عدسی‌ها) به طور معمول با پوشش ضدبازتاب پوشانده شده است تا بازتاب را کاهش داده و باعث عبور کامل نور شود. شیئی عبوری غالباً در کاربردهایی مورد استفاده قرار می‌گیرد که به تفکیک جزئیات بسیار ظریف نیاز دارند. چندین طراحی برای شیئی‌های عبوری وجود دارد که در هر کدام از آنها از تعداد عدسی و چیدمان نوری مختلفی استفاده می‌شود. این طرح‌ها می توانند متشکل از حداقل دو عنصر (در شیئی آکرومات) تا پانزده عنصر (در شیئی پلن-آپوکرومات) باشند.
شیئی بازتابی (Reflective Objectives)
شیئی بازتابی از یک طراحی بازتابنده یا آینه‌محور استفاده می‌کند. در یک طراحی بازتابنده از دو یا چند آینه برای متمرکز کردن نور و تشکیل تصویر استفاده می‌شود. از آنجا که در این طراحی، نور توسط سطوح بازتابنده منعکس می‌شود (به جای اینکه توسط سطوح شفاف منکسر شود)، شیئی بازتابی دچار ابیراهی‌هایی که برای شیئی‌های انکساری معمول است، نمی‌شود؛ بنابراین برای جبران ابیراهی‌ها نیازی به طرح‌های اضافه نیست. یکی دیگر از مزایای شیئی بازتابی امکان استفاده در ناحیه طیفی فرابنفش (UV) یا فروسرخ (IR) به دلیل استفاده از آینه است. در مجموع استفاده از شیئی بازتابی می‌تواند بازدهی نوری بالاتری در سیستم تصویرنگاری ایجاد کند.
در ادامه این مقاله مشخصات فنی شیئی‌های انکساری، که مرسوم و پرکاربردتر هستند، در دو بخش مورد بحث قرار می‌گیرند.
مشخصات فنی بر روی بدنه شیئی
دریک عدسی شیئی، عناصر داخلی با دقت و محکم در یک محفظه برنجی لوله‌ای چیده شده و توسط یک محفظه خارجی دربرگرفته شده است. تعدادی از مشخصات شیئی مانند روزنه عددی (Numerical aperture)، بزرگنمایی (Magnification)، استاندارد شیئی (طول لوله نوری Optical tube length)، ضخامت لامل (Cover glass thickness)، نوع تصحیح ابیراهی (Aberration correction)، محیط غوطه‌وری و سایر پارامترهای مهم بر روی محفظه خارجی شیئی (به صورت کدرنگی یا عددی) حک شده است که در ادامه به بررسی آنها می‌پردازیم. در شکل زیر نمونه‌ای از یک شیئی با مشخصات حک شده بر روی بدنه آن، نمایش داده شده است.
بزرگنمایی
می‌دانیم که بزرگنمایی یک میکروسکوپ نوری با حاصل ضرب بزرگنمایی عدسی شیئی در بزرگنمایی عدسی چشمی تعیین می‌شود. عاملی که قدرت بزرگنمایی عدسی شیئی را تعیین می کند، میزان بزرگنمایی اجزای نوری ست که در ساخت شیئی استفاده می‌شود. معمولاً قدرت بزرگنمایی شیئی‌ها از 1:1 (1x) تا 100:1 (100x) متغیر است، و متداولترین آنها 100x, 60x, 40x, 20x, 10x است که این نماد، به عنوان مشخصه اصلی شیئی، بر روی بدنه آن درج شده است. ویژگی مهم شیئی‌ها، فاصله کانونی بسیار کوتاه آنهاست؛ که در مقایسه با لنز دستی معمولی، در یک فاصله معین، می‌تواند بزرگنمایی را به مقدار خیلی زیاد افزایش دهد. در واقع دلیل اصلی کارآیی میکروسکوپ‌ها در بزرگنمایی اجسام کوچک، ایجاد یک بزرگنمایی دو مرحله‌ای در مسیر نوری کوتاهی است که به دلیل فاصله کانونی کوتاه شیئی‌ها حاصل می‌شود. برای کار با شیئی‌ها در سیستم تصویرنگاری، بزرگنمایی را باید با دقت انتخاب کرد. در بهترین شرایط، جزئیات نمونه باید به اندازه کافی بزرگ شوند تا به راحتی در تصویر مشاهده شوند، اما نه به حدی که بزرگنمایی مشاهده جزئیات ریز نمونه را با مشکل روبرو کند!
روزنه‌عددی
درحالت کلی، روزنه عددی مهمترین معیار طراحی شیئی است که (علاوه بر تصحیحات ابیراهی) باید هنگام انتخاب شیئی میکروسکوپ در نظر گرفته شود. این کمیت با نماد NA بر روی بدنه شیئی مشخص شده است و طبق رابطه زیر به n ضریب شکست محیط و θ نیم زاویه دیافراگم زاویه‌ای (Angular aperture) شیئی مرتبط است.
روزنه عددی به طور مستقیم به ضریب شکست محیط تصویربرداری بستگی دارد. شیئی‌ها برای تصویرسازی، در دو حالت طراحی شده‌اند؛ یا در محیط هوا (خشک) کار می‌کنند و یا در تماس با ماده‌ای با ضریب شکستی نزدیک به نمونه، قرار می‌گیرند. این نوع شیئی‌ها دارای نوعی لنز جلویی هستند که به آنها اجازه می‌دهد در آب، گلیسیرین یا نوعی روغن ویژه، غوطه‌ور شوند. هنگامی که ماده‌غوطه‌وری به عنوان محیط تصویربرداری جایگزین هوا شود، افزایش روزنه عددیNA اتفاق می‌افتد. بزرگنمایی و نوع محیط غوطه‌وری به ترتیب با حلقه‌های رنگی عریض و باریک بر روی بدنه مشخص می‌شوند که در تصویر بالا نیز قابل مشاهده ست.
کمیت مهم دیگر در تعیین روزنه عددی، دیافراگم زاویه‌ای شیئی است. طبق تعریف، دیافراگم زاویه‌ای را می‌توان برای یک عدسی با رابطه θ= 2 tan-1 (D/2f) تعریف کرد که f طول کانونی و D قطر لنز است. برای یک شیئی میکروسکوپ که شامل مجموعه‌ای از عدسی‌های مختلف است، تعیین این کمیت به محاسبات پیچیده‌تری نیاز دارد؛ اما حد بالای عملیاتی برای دیافراگم زاویه‌ای یک شیئی حدودا 72 درجه است (با مقدار سینوسی 0.95). همانطور که پیشتر در مقاله بررسی معیارهای عملکرد میکروسکوپ نوری ذکر شد، حد نهایی رزولوشن اپتیکی سیستم میکروسکوپی توسط طول موج پرتو نور و روزنه عددی شیئی مورد استفاده در میکروسکوپ تعیین می‌شود. همچنانکه مقادیر روزنه عددی افزایش می‌یابد، توانایی جمع‌آوری نور توسط شیئی نیز افزایش یافته و نهایتا رزولوشن میکروسکوپی افزایش می‌یابد.
تصحیح ابیراهی
تولیدکنندگان تجهیزات میکروسکوپی نوری، شیئی‌هایی با درجات مختلفی از تصحیح ابیراهی نوری که دارای طیف گسترده‌ای از کاربردهای میکروسکوپی هستند، ارائه می‌دهند. تعیین سودمندی (کیفیت و عملکرد) و هزینه یک شیئی، به میزان خیلی زیادی به درجات تصحیح ابیراهی وابسته است. در طول 100 سال گذشته، تکنیک‌های ساخت و تهیه موادی که برای ساخت شیئی به کار رفته، بسیار پیشرفت کرده‌است. امروزه با کمک سیستم‌های کامپیوتری (CAD) و با استفاده از فرمولاسیون پیشرفته‌ی ماده، شیئی‌هایی با ترکیب عناصر نادر و کیفیت یکنواخت و با داشتن ضریب شکست بسیار خاص، برای کاربردهای ویژه طراحی می‌شوند. عملکردی که با استفاده از این تکنیک‌های پیشرفته بدست آمده، شیئی‌هایی را در اختیار کابران قرار می‌دهد که پراکندگی بسیار کمی دارند و برای ابیراهی‌های متداول (aberrations) مانند کما (Coma)، آستیگماتیسم (Astigmatism)، کروی (Spherical)، رنگی (Chromatic)، اعوجاج هندسی (Geometrical distortion) و انحنای میدان (Field curvature) تصحیح شده‌اند. با استفاده از این شیئی‌ها، کیفیت انتقال نور و شفافیت تصویر به طرز چشمگیری افزایش یافته و تصاویری کاملاً واضح و شفاف بدست می‌آید.
سه نوع ابیراهی به طور ویژه با درجات مختلف در شیئی ها تصحیح می‌شوند و عبارتند از: ابیراهی رنگی، کروی و انحنای میدان. ابیراهی رنگی پدیده‌ای است که سبب می‌شود طول‌موج‌های مختلفی که به یک نقطه از عدسی می‌رسند، در فواصل مختلفی روی محور عدسی کانونی شوند. ابیراهی رنگی به طور ویژه در محل لبه‌هایی با کنتراست بالا در تصاویر مشهودتر است، مانند لبه‌ای بین سیاه و سفید. در ابیراهی کروی، پرتوهای نوری که به لبه عدسی برخورد می‌کنند شکست بیشتری را نسبت به پرتوهای نوری که نزدیکتر به مرکز قرار دارند، تجربه می‌کنند. در نتیجه پرتوها در نقاط مختلفی روی محور عدسی، کانونی می‌شوند. در ابیراهی انحنای میدان، نقاط تصویر از یک جسم مسطح گسترده، مانند نمونه روی لام میکروسکوپ، بر روی یک سطح کروی شبیه کاسه‌ای منحنی، تصویر می‌شود. انحراف ناشی از انحنای میدان در تصاویر مشاهده شده در میکروسکوپ، کیفیت تصویر را کاهش می‌دهد. همه انواع عدسی‌ها از انحنای میدان و تصاویری که به جای صاف بودن منحنی هستند، رنج می‌برند. اثری که با افزایش بزرگنمایی سیستم، بر شدت آن افزوده می‌شود.
-
آکرومات (Achromatic)
در شیئی‌های آکرومات ابیراهی کروی برای یک طول موج، رنگ سبز (546 نانومتر)، و ابیراهی رنگی برای دو طول موج قرمز (590 نانومتر) و آبی (495 نانومتر) تا حد قابل‌قبولی تصحیح شده است. برای تصحیح این ابیراهی‌ها تعدادی عدسی از جنس کراون در کنار تعداد دیگری عدسی از جنس فلینت قرار می‌گیرند. این نوع شیئی‌ها از ارزانترین و معمول‌ترین عدسی‌های بازار هستند و برای مطالعات معمولی و به ویژه برای مواقعی که هدف از میکروسکوپی مشاهده تصویر بوسیله چشم می‌باشد، مناسب هستند. زیرا حساسیت چشم در مقابل این عیوب کم است و به عبارتی مکانیزم فیزیولوژی چشم موجب رفع محدود این ابیراهی‌ها می‌شود. اما استفاده از آنها در تصویرنگاری می‌تواند موجب ظهور تصاویری با کیفیت نامناسب شود.
-
فلوئوریت (Fluorite)
شیئی‌های فلوئوریت از فرمولاسیون پیشرفته‌ای که حاوی موادی مانند فلوئوریت یا جایگزین‌های مصنوعی جدیدتر است، تولید می‌شوند. این فرمولاسیون جدید امکان تصحیح قابل توجهی برای ابیراهی نوری را فراهم می‌کند. مشابه آکرومات، شیئی‌های فلوئوریت نیز برای طول موج قرمز و آبی دارای تصحیح ابیراهی رنگی می‌باشند. علاوه بر این، برخلاف آکرومات‌ها به جای یک رنگ واحد، برای دو یا سه رنگ تصحیح ابیراهی کروی می‌شوند. تصحیحات بیشتر شیئی فلوئوریت در مقایسه با آکرومات، این امکان را فراهم می‌سازد تا با مقدار روزنه‌عددی (NA) بالاتر، تصاویری با وضوح و روشنی بهتری ایجاد کنند. این شیئی‌ها همچنین قدرت تفکیک بهتری نسبت به آکرومات‌ها دارند و درجه بالاتری از کانتراست را ایجاد می‌کنند و برای انجام میکروسکوپی با نور سفید بهتر از آکرومات‌ها عمل می‌کنند.
-
نیمه آپوکرومات (Semi-Apochromatic)
در بسیاری از کاربردها، تصحیح ابیراهی انجام شده در شیئی‌های آکرومات برای دو رنگ، کافی نمی‌باشد. در این حالت بایستی از عدسی‌های نیمه آپوکرومات استفاده نمود که تصحیح رنگی به مقدار بیشتری انجام می‌پذیرد. از آنجا که این تصحیح اضافه با استفاده از عدسی‌های معمولی امکان‌پذیر نیست، برای این منظور مواد دیگری به عدسی اضافه می‌شود. این مواد معمولا از جنس فلوئوریت هستند. عدسی‌های ساخته شده به این طریق ابیراهی رنگی را بادرجات بیشتری تصحیح می‌نمایند. اینگونه عدسی‌ها هم از لحاظ اقتصادی و هم از نظر کیفیت مناسب می‌باشند.
-
آپوکرومات (Apochromatic)
بالاترین سطح تصحیح ابیراهی در شیئی‌های آپوکرومات انجام می‌شود. آپوکرومات‌ها با کیفیت‌ترین شیئی‌های میکروسکوپ موجود در حال حاضر هستند و قیمت بالای آنها نشان دهنده طراحی پیچیده و مونتاژ دقیق آنها است. در شیئی‌های آپکرومات، علاوه بر تصحیح‌های شیئی‌های آکرومات، تصحیح ابیراهی رنگی برای سه طول‌موج مختلف (و یا بیشتر) و با کیفیت بهتری انجام گرفته است. عدسی‌های آپوکرومات به گونه‌ای طراحی شده‌اند که کانون سه رنگ را در صفحه تصویر و در یک نقطه متمرکز می‌کنند؛ به طور معمول رنگ قرمز (620 نانومتر) ، سبز (530 نانومتر) و آبی (465 نانومتر). موادی که در ساخت این عدسی‌ها بکار می‌روند علاوه بر تصحیح بیشتر ابیراهی رنگی، ابیراهی کروی را نیز برای دو طول‌موج به نحو بیشتر و مؤثرتری تصحیح می‌نمایند. این عدسی‌ها دارای روزنه عددی و قدرت تفکیک بسیار بالائی بخصوص در مرکز میدان می‌باشند. ساخت این عدسی‌ها گران قیمت و پرهزینه است ولی تصویر حاصله بوسیله آنها دارای کیفیت بسیار خوبی می‌باشد. شیئی‌های آپوکرومات از آنجا که می‌توانند ابیراهی عرضی را نیز تصحیح نمایند (مانند کما و آستیگماتیسم)، بایستی همواره همراه با عدسی چشمی مناسب با آنها، در سیستم میکروسکوپی استفاده شوند.
-
پلن (Plan or Plano)
همه انواع عدسی‌ها از انحنای میدان و تصاویری که به جای صاف بودن منحنی هستند، رنج می‌برند. برای غلبه بر این ابیراهی ذاتی ناشی از سطح خمیده لنز، طراحان، شیئی‌های تصحیح شده با میدان تخت (flat-field) را تولید کرده‌اند که تصاویری با کانون مشترک در سراسر میدان‌دید ارائه می‌دهند. چنین تصحیح جبهه‌موجی اگرچه گران است اما در تصویربرداری دیجیتال و میکروسکوپی معمولی بسیار ارزشمند است. شیئی‌هایی که دارای اصلاح میدان تخت و اعوجاج کم هستند، بسته به میزان ابیراهی‌های باقیمانده، پلنوکرومات، پلن فلوئوریت یا پلن‌آپوکرومات نامیده می‌شوند. همواره نوع تصحیح ابیراهی‌ها همراه با نماد مرتبط (در مواردی به صورت ترکیبی) بر روی بدنه شیئی مشخص شده است.
در تصویر مقابل، اجزای داخلی تعدادی از شیئی‌های آپوکرومات، از بزرگنمایی 10x تا 100x نشان داده شده است. شیئی‌های آپوکرومات بهترین انتخاب برای انجام میکروسکوپی رنگی در نور سفید است. به دلیل سطح بالای تصحیح ابیراهی، آپوکرومات‌ها برای یک بزرگنمایی مشخص، روزنه‌عددی بالاتری نسبت به آکرومات‌ها یا فلوئوریت‌ها دارند. در بسیاری از شیئی‌های جدیدتر فلوئوریت و آپوکرومات، برای چهار رنگ (آبی تیره، آبی، سبز و قرمز) و یا بیشتر اصلاح ابیراهی رنگی و کروی انجام شده است. شیئی‌های آپوکرومات از آنجا که می‌توانند ابیراهی عرضی را نیز تصحیح نمایند (مانند کما و آستیگماتیسم)، بایستی همواره همراه با عدسی چشمی مناسب با آنها، در سیستم میکروسکوپی استفاده شوند.
