المكثف (البصريات)

المكثف هو عدسة بصرية تقوم بتحويل شعاع الضوء المتباعد من مصدر ضوء نقطي إلى شعاع موازٍ أو متقارب لإضاءة الجسم المراد تصويره.

المكثفات هي جزء أساسي من أي جهاز تصوير، مثل المجاهر ، والمكبرات ، وأجهزة عرض الشرائح، والتلسكوبات. ينطبق المفهوم على جميع أنواع الإشعاع الخاضع للتحول البصري، مثل الإلكترونات في المجهر الإلكتروني ، وإشعاع النيوترون، وإشعاع السنكروترون في البصريات.

توجد المكثفات أعلى مصدر الضوء وتحت العينة في المجهر المستقيم، وفوق المنصة وتحت مصدر الضوء في المجهر المقلوب . تعمل على جمع الضوء من مصدر ضوء المجهر وتركيزه في مخروط من الضوء ينير العينة. يجب تعديل فتحة وزاوية مخروط الضوء (عبر حجم الحجاب الحاجز) لكل عدسة موضوعية مختلفة ذات فتحات رقمية مختلفة.

تتكون المكثفات عادة من غشاء ذي فتحة متغيرة وعدسة واحدة أو أكثر. يمر الضوء من مصدر الإضاءة في المجهر عبر الغشاء ويتم تركيزه بواسطة العدسات على العينة. بعد المرور عبر العينة، يتباعد الضوء إلى مخروط مقلوب لملء العدسة الأمامية للعدسة الموضوعية.

• 
  المجهر الضوئي مع أو بدون مكثف. عند التكبير المنخفض، قد يؤدي استخدام المكثف إلى تقييد مجال الرؤية، وفي مثل هذه الحالات يكون من الأفضل عدم استخدامه. عند التكبير العالي، يجعل المكثف الحدود أقل وضوحًا، وهو أمر مفضل بشكل عام في مثل هذه الحالات.
• 
  من الأمثلة على الحالات التي يكون فيها استخدام المجهر بدون مكثف مفضلًا عند التكبير العالي هو تقييم البلورات ( مرض ترسب بلورات ثنائي هيدرات بيروفوسفات الكالسيوم الموضح في الصورة).

هناك ثلاثة أنواع رئيسية من مكثف المجهر:

1. المكثف اللوني، مثل جهاز آبي حيث لا يتم إجراء أي محاولة لتصحيح الانحراف الكروي أو اللوني . ويحتوي على عدستين تنتجان صورة لمصدر الضوء محاطة بلون أزرق وأحمر عند حوافها.
2. يتم تصحيح المكثف غير المستوي للانحراف الكروي.
3. يتم تصحيح المكثف اللوني المركب لكل من الانحرافات الكروية واللوني.

تم تسمية مكثف آبي على اسم مخترعه إرنست آبي ، الذي طوره في عام 1870. تم تصميم مكثف آبي في الأصل لشركة زايس، وهو مثبت أسفل منصة المجهر. يركز المكثف ويتحكم في الضوء الذي يمر عبر العينة قبل دخول العدسة الموضوعية. يحتوي على عنصري تحكم، أحدهما يحرك مكثف آبي أقرب إلى المنصة أو أبعد عنها، والآخر، الحجاب الحاجز القزحي ، الذي يتحكم في قطر شعاع الضوء. يمكن استخدام عناصر التحكم لتحسين السطوع وتساوي الإضاءة والتباين. يصعب استخدام مكثفات آبي للتكبير فوق 400X، حيث أن المخروط غير المستوي يمثل فقط فتحة عددية (NA) تبلغ 0.6.

يتكون هذا المكثف من عدستين، عدسة محدبة مستوية أكبر قليلاً من نصف الكرة وعدسة محدبة ثنائية كبيرة تعمل كعدسة تجميع للعدسة الأولى. تقليديًا، يكون تركيز العدسة الأولى على بعد حوالي 2 مم من سطح المستوى المتزامن مع مستوى العينة. يمكن استخدام غطاء ثقب الإبرة لمحاذاة المحور البصري للمكثف مع محور المجهر. لا يزال مكثف آبي هو الأساس لمعظم تصميمات مكثف المجهر الضوئي الحديثة، على الرغم من ضعف أدائه البصري. ^{[1] [2] [3]}

يقوم المكثف اللا مستوي بتصحيح الانحراف الكروي في مسار الضوء المركز، بينما يقوم المكثف المركب اللا لوني بتصحيح الانحراف الكروي واللوني .

تعتمد إعدادات الحقل المظلم وتباين الطور على مكثف آبي أو غير مستوي أو لوني، ولكن إلى مسار الضوء أضف حاجز حقل مظلم أو حلقات طورية بأحجام مختلفة. يتم وضع هذه العناصر الإضافية بطرق مختلفة. في معظم المجاهر الحديثة (حوالي تسعينيات القرن العشرين -)، يتم وضع هذه العناصر في منزلقات تناسب فتحة بين المصباح وعدسة المكثف. تحتوي العديد من المجاهر القديمة على هذه العناصر في مكثف على شكل برج، يتم وضع هذه العناصر في برج أسفل عدسة المكثف وتدويرها في مكانها.

تُستخدم المكثفات المتخصصة أيضًا كجزء من أنظمة التباين التداخلي التفاضلي وتباين التعديل هوفمان ، والتي تهدف إلى تحسين التباين ورؤية العينات الشفافة.

في المجهر الفلوري ، لا تعمل العدسة الموضوعية كمكبر للضوء المنبعث من الجسم الفلوري فحسب ، بل تعمل أيضًا كمكثف للضوء الساقط .

مكثف آرلو-آبي هو مكثف آرلو-آبي معدّل يحل محل غشاء القزحية وحامل الفلتر والمصباح وبصريات المصباح بوحدة عرض رقمية صغيرة OLED أو LCD. تسمح وحدة العرض بمرشحات مركبة رقميًا للإضاءة في المجال المظلم وRheinberg والمائلة والديناميكية (المتغيرة باستمرار) تحت التحكم المباشر بالكمبيوتر. تم وصف الجهاز لأول مرة بواسطة الدكتور جيم آرلو في مجلة Microbe Hunter، العدد 48.

مثل العدسات الموضوعية، تختلف المكثفات في فتحتها الرقمية (NA). إن NA هي التي تحدد الدقة البصرية ، بالاشتراك مع NA للعدسة الموضوعية. تختلف المكثفات المختلفة في فتحتها الرقمية القصوى والدنيا، وتختلف الفتحة الرقمية لمكثف واحد اعتمادًا على إعداد قطر فتحة المكثف . من أجل تحقيق الفتحة الرقمية القصوى (وبالتالي الدقة) للعدسة الموضوعية، يجب أن تتطابق الفتحة الرقمية للمكثف مع الفتحة الرقمية للعدسة الموضوعية المستخدمة. تُعرف التقنية الأكثر استخدامًا في المجهر لتحسين مسار الضوء بين المكثف (ومكونات الإضاءة الأخرى للمجهر) والعدسة الموضوعية باسم إضاءة كولر .

إن الحد الأقصى لـ NA محدود بمعامل الانكسار للوسط بين العدسة والعينة. وكما هو الحال مع العدسات الموضوعية، فإن عدسة المكثف ذات الفتحة العددية القصوى التي تزيد عن 0.95 مصممة للاستخدام تحت الغمر بالزيت (أو في حالات نادرة تحت الغمر بالماء)، مع وضع طبقة من زيت الغمر على اتصال بكل من الشريحة/غطاء الزجاج وعدسة المكثف. قد يكون للمكثف المغمور بالزيت عادةً NA يصل إلى 1.25. بدون طبقة الزيت هذه، لا يتم تحقيق الفتحة العددية القصوى فحسب، بل قد لا يتمكن المكثف من تركيز الضوء بدقة على الجسم. المكثفات ذات الفتحة العددية التي تبلغ 0.95 أو أقل مصممة للاستخدام بدون زيت أو سائل آخر على العدسة العلوية وتسمى مكثفات جافة. المكثفات المزدوجة الجافة/الغاطسة هي في الأساس مكثفات غمر بالزيت ولكنها مع ذلك تستطيع تركيز الضوء بنفس الدرجة من الدقة حتى بدون وجود زيت بين العدسة العلوية والشريحة.

تم تقديم أول مكثفات بسيطة على المجاهر ما قبل اللونية في القرن السابع عشر. استخدم روبرت هوك مزيجًا من كرة مملوءة بالماء المالح وعدسة محدبة مستوية، ويُظهر في " الميكروجرافيا " أنه يفهم أسباب كفاءتها. أدرك صناع القرن الثامن عشر مثل بنيامين مارتن وآدامز وجونز ميزة تكثيف مساحة مصدر الضوء إلى مساحة الجسم على المسرح. كانت هذه عدسة بسيطة محدبة مستوية أو ثنائية المحدبة، أو في بعض الأحيان مزيجًا من العدسات. مع تطوير العدسة الموضوعية اللونية الحديثة في عام 1829، بواسطة جوزيف جاكسون ليستر ، أصبحت الحاجة إلى مكثفات أفضل واضحة بشكل متزايد. بحلول عام 1837، تم تقديم استخدام المكثف اللوني في فرنسا، بواسطة فيليكس دوجاردان وشيفالييه. تبنى الصناع الإنجليز هذا التحسين في وقت مبكر، بسبب الهوس بحل الأجسام الاختبارية مثل الدياتومات وشبكات نوبرت المحكومة. بحلول أواخر أربعينيات القرن التاسع عشر، كان بإمكان صناع الإنجليز مثل روس وباول وسميث توفير مكثفات عالية التصحيح على أفضل حواملهم، مع التركيز والتمركز المناسبين. يُقال خطأً أن هذه التطورات كانت تجريبية بحتة - لا يمكن لأحد تصميم مكثف كروي جيد مصحح لونيًا بالاعتماد فقط على التجارب. ^{[ بحاجة لمصدر ]} في القارة، في ألمانيا، لم يُعتبر المكثف المصحح مفيدًا أو ضروريًا، ويرجع ذلك أساسًا إلى سوء فهم المبادئ البصرية الأساسية المعنية. وبالتالي، لم تقدم الشركة الألمانية الرائدة، كارل زايس في يينا، أكثر من مكثف لوني رديء للغاية حتى أواخر سبعينيات القرن التاسع عشر. قدم صناع فرنسيون، مثل ناشيت، مكثفات كروية ممتازة على حواملهم. عندما اشتكى عالم البكتيريا الألماني الرائد روبرت كوخ إلى إرنست آبي من أنه مضطر لشراء مكثف لوني من إنتاج شركة سيبرت لمجهر زايس الخاص به من أجل التقاط صور مرضية للبكتيريا، أنتج آبي تصميمًا لونيًا جيدًا للغاية في عام 1878.

عام

• "مكثف آبي"، قاموس الفوتونيات (النسخة الإلكترونية المختصرة)، بيتسفيلد، ماساتشوستس: دار لورين للنشر، 2006.
• "الأب إرنست"، الموسوعة البريطانية .
• "معجم مصطلحات المجهر"، ميكروبس (موقع إلكتروني)، 2003.
• "تشريح المجهر: المكثف الفرعي" بقلم مورتمير أبراموفيتز ومايكل دبليو ديفيدسون، مركز أوليمبوس لموارد المجهر ، 2006.

• "تشريح المجهر: المكثف الفرعي" بقلم مورتيمر أبراموفيتز ومايكل دبليو ديفيدسون، التعبيرات الجزيئية . (مختلف قليلاً عن النسخة الموجودة في موقع أوليمبوس.)
• "المكثف" بقلم بول جيمس، مجلة ميكسكيب (إصدار إلكتروني)، فبراير 2002.