Изобретение относится к оптическому приборостроению и может быть использовано в области микрооптики при создании новых типов (модификаций) биологических микроскопов: рабочих, студенческих и дорожных типа Биолам, Люмам и др; предназначенных для наблюдения особо тонких микроскопических структур.
Среди ахроматических микрообъективов особое место занимают иммерсионные объективы с входной апертурой большей 1,0. При этом в качестве иммерсионной жидкости может применяться масло, глицерин, вода и др. Наибольшее распространение получили микрообъективы большого увеличения масляной имеерсии; так отечественной промышленностью серийно выпускаются объективы ОП-41; ОХ-32, ОХ-100 и др. [1] .
Однако применение в качестве иммерсионной жидкости масла не всегда удовлетворяет требованиям, методикам исследований. Так, эффективность применения масла снижена в люминесцентных исследованиях (так как оно обладает собственной люминесценцией), его смачивающие свойства обуславливают появление бликов (из-за вкрапления пузырьков воздуха), кроме того, иммерсионное масло является химически активным, что приводит к быстрому разрушению фронтальной линзы объектива. В этих случаях целесообразно применять микрообъективы с использованием других иммерсий например водной. При этом фронтальная линза специально рассчитанного объектива контактирует с каплей воды, показатель преломления которой равен ne ≈ 1,33. Особенностью таких объективов является сложность их аберрационной коррекции, в частности исправление хроматических аберраций (вследствие специфических дисперсионных свойств раствора) и исправление аберраций внеосевых пучков (из-за близости показателей преломления фронтальной линзы и воды [2] . Отечественной промышленностью выпускаются серийно микрообъективы ОАВ-60 (60х1,0 физ. раствор), ОМ-25 (70х1,23 водн. иммерсия), ОМ-43 (85х1,1 водн. иммерсия, 05В-30Л (30х0,9 водн, иммерсия) и др. [1] .
Всех их отмечает недостаточная коррекция хроматических аберраций и аберраций внеосевых пучков. Так, хроматическая разность увеличений в них достигает 1,5-2,0% , значительна кома (коэффициент неизопланатизма на краю поля зрения достигает 2-3% ), астигматизм составляет 2-3 λ, не исправлен хроматизм положения, величина которого для точки на оси достигает 2-3 λ.
Известен микрообъектив водной иммерсии с улучшенной коррекцией хроматической аберрации положения, а также аберрацией внеосевых пучков по а. с. N 1.444690, однако его конструкция непригодна к серийному производству, так как содержит трудновыполнимый фронтальный элемент и сложную конструкцию последующих элементов схемы.
При этом ни в одном из перечисленных объективов не удалось достигнуть увеличение 100х, что не позволяет реализовать работу на микроскопе в соответствии с условиями полезного увеличения [2] и снижает его потребительские свойства.
Наиболее близким к предлагаемому по функциональным признакам является объектив [1, с. 48] 70х1,23 водной иммерсии. Он содержит последовательно расположенные фронтальный компонент, представляющий собой одиночную менискообразную линзу, обращенную выпуклостью к изображению, два положительных компонента - двусклеенную линзу и одиночную и трехсклеенный компонент, состоящий из положительной линзы, заключенной между двумя отрицательными.
Данный объектив выбран в качестве прототипа и имеет следующие недостатки:
значительные хроматические аберрации изображения осевой точки предмета, достигающие 6-ти длин волн, что не соответствует общепринятым критериям качества для ахроматов [2] ;
увеличенные остаточные хроматические аберрации изображения внеосевых точек предмета, в частности остаточная ХРУ оставляет ≈2% , что не соответствует современной тенденции снижения данных аберраций;
недостаточное исправление аберраций внеосевых пучков (так, например, на краю поля зрения расчетная кома имеет недопустимые значения из-за непрохождения лучей), что не позволяет наблюдать большое поле объекта без перефокусировки.
Все перечисленные недостатки обуславливают низкую эффективность применения данного объектива в исследованиях, вместе с этим потребность в подобном (с большим увеличением и апертурой больше 1,0) объективе высока.
Целью изобретения является повышение качества изображения за счет уменьшения хроматических аберраций и аберраций внеосевых пучков.
Достигается это тем, что в ахроматический иммерсионный микрообъектив большого увеличения, содержащий последовательно расположенные фронтальный компонент, выполненный в виде одиночной плосковыпуклой или менискообразной линзы, обращенной выпуклостью к пространству изображений, два положительных компонента и трехсклеенный компонент, состоящий из положительной линзы, заключенной между двумя отрицательными, введен отрицательный мениск, обращенный вогнутостью к пространству изображений и размещенный на расстоянии 4,5-9,5 фокусного расстояния объектива от трехсклеенного компонента, коэффициент дисперсии материала которого не превышает 30-35, а также первый из двух положительных компонентов выполнен в виде одиночного мениска, обращенного вогнутостью к пространству предметов, из материала с коэффициентом дисперсии, превышающим 50, второй - в виде склейки из отрицательной и положительной линз, причем показатели преломления n41, n43 и коэффициенты дисперсии ν41, ν43, материалов отрицательных линз трехсклеенного компонента удовлетворяют условиям: n41 ≈ n43, ν43 ≈ 1,5 ν41.
Введение в оптическую схему дополнительного компонента позволяет облегчить решение комплексной задачи улучшения коррекции монохроматических и хроматических аберраций осевого пучка, а также внеосевых пучков. Это объясняется тем, что данный компонент является отрицательным по отношению к предшествующим, его монохроматические и хроматические аберрации противоположны по знаку подобным аберрациям предшествующей системы, выбор оптического материала с указанным коэффициентом дисперсии (т. е. применение стекла типа "тяжелый флинт"), позволяет максимально усилить эти "отрицательные" свойства, а расположение мениска на указанном расстоянии - оптимально сбалансировать аберрации в объекте в целом (невыполнение соотношений не позволяет исправить, например ХРУ). Кроме введения в оптическую схему (по сравнению с прототипом) дополнительного компонента, существенную для коррекции монохроматических и хроматических аберраций, роль играет форма и порядок расположения в схеме положительных компонентов, а также выбор применяемых оптических материалов. Так, применение в качестве первого положительного компонента мениска с указанными свойствами позволяет снизить апертуру после фронтального компонента, исправить астигматизм в объективе и снизить другие аберрации внеосевых пучков. При этом собственные его аберрации минимальны, так как он не склеен (он, например, не вносит сферохроматизм, трудно исправляемый во фронтальной части). Выполнение второго положительного компонента в виде склейки из отрицательной и положительной линз способствует исправлению в объективе хроматических аберраций (например, ХРУ) и не оказывает заметного влияния на сферохроматизм (т. к. располагается в части, где апертура уже снижена). Выбор оптических материалов трехсклеенного компонента в соответствии с указанными рекомендациями позволяет оптимальным образом исправить в объективе сферохроматические и другие хроматические аберрации, в частности вторичный спектр.
Применение всех перечисленных признаков в рамках одной оптической схемы позволяет при незначительном ее усложнении достигнуть качественно нового, по сравнению с прототипом, уровня аберрационной коррекции ахроматического микрообъектива большого увеличения.
Так, в качестве примера конкретного исполнения впервые в отечественной практике получен ахроматической микрообъектив с увеличением 100х и апертурой 1,2 водной иммерсии. Его аберрационная коррекция отвечает современной категории качества изображения. Так, наряду с исправлением монохроматических и хроматических абеppаций для осевой точки предмета устранена хроматическая разность увеличения, а остаточные аберрации внеосевых пучков снижены в сравнении с известными аналогами. В совокупности использования всех перечисленных преимуществ получена принципиальная возможность расчета ахроматического микрообъектива большого увеличения водной иммерсии с максимальным увеличением.
В заявляемом решении совокупность указанных в формуле отличий позволяет одновременно комплексно исправить хроматические аберрации и аберрации внеосевых пучков, что в свою очередь позволяет достигнуть цели изобретения - улучшения качества изображения ахроматического микрообъектива большого увеличения водной иммерсии.
На чертеже представлена принципиальная схема объектива.
Он содержит пять компонентов. Фронтальный компонент 1 и положительный мениск 2 служат для уменьшения входной апертуры и строят увеличенное мнимое изображение предмета с уменьшенными аберрациями осевой точки, недоисправленными значениями меридиональной и сагиттальной кривизны, астигматизмом. Положительный компонент 3, представляющий собой склейку из отрицательной и положительной линз а также трехсклеенный компонент 4, состоящий из положительной линзы, заключенной между двумя отрицательными, строит действительное увеличенное изображение в передней фокальной плоскости мениска 5, компенсируя отрицательную сферическую аберрацию, хроматизм положения и астигматизм, сферохроматизм и др. вносимые фронтальными элементами 1 и 2. Отрицательный мениск 5 строит изображение в "бесконечности", компенсируя остаточные монохроматические и хроматические аберрации других компонентов.
В качестве примера конкретного исполнения представлен объектив с увеличениями 100х и апертурой в пространстве предметов 1,2 водной иммерсии. В нем значительно улучшена (в сравнении с прототипом) аберрационная коррекция, так хроматическая разность положения для осевой точки предмета не превышает 0,25 λ, вторичный спектр - 2 λ, что соответствует общепринятым критериям. Хроматическая разность увеличения в нем исправлена и близка к нулю (в соответствии с современной тенденцией). Улучшенное исправление аберраций внеосевых пучков позволяет наблюдать резко без перефокусировки поле в 2,5 раза больше, чем у прототипа.
Все перечисленные преимущества в совокупности обуславливают высокую эффективность применения данного объектива, его информационная емкость увеличена в 3-4 раза по сравнению с аналогами.
Конструкция предлагаемого микрообъектива проста и технологична. Она содержит лишь на одну линзу больше, однако сохранено высокое светопропускание.
Предлагаемое устройство позволяет реализовать в микрообъективах следующие дополнительные особенности: положение изображения выходного зрачка унифицировано относительно опорной плоскости, оно расположено между четвертым и пятым компонентом, что дает возможность использования объективов для специальных методов исследования (фазовый контраст, ДИК и др. ).
Объектив стандартизован по высоте, а применение тубуса "бесконечность" позволяет использовать его в одном револьвере, совместно с объективами, имеющими иной тип оптической коррекции.
Использование: в оптическом приборостроении для создания биологических микроскопов, предназначенных для наблюдения особо тонких структур. Сущность изобретения заключается в том, что объектив содержит фронтальный компонент 1 в виде одиночной плосковыпуклой линзы или менискообразной линзы, обращенной выпуклостью к пространству изображений, положительный мениск 2, обращенный вогнутостью к пространству предметов, положительный двусклеенный компонент 3, содержащий отрицательную и положительную линзы, трехсклеенный компонент 4, состоящий из положительной линзы, установленной между двумя отрицательными линзами, и отрицательный мениск 5, обращенный вогнутостью к пространству изображений. Увеличение объектива - 100× , фокусное расстояние - 1,604 мм, линейное поле зрения в пространстве - 2y′=20,0мм . 1ил.
АХРОМАТИЧЕСКИЙ ИММЕРСИОННЫЙ МИКРООБЪЕКТИВ БОЛЬШОГО УВЕЛИЧЕНИЯ, содержащий последовательно расположенные фронтальный компонент, выполненный в виде одиночной плосковыпуклой или менискообразной линзы, обращенной выпуклостью к пространству изображений, два положительных компонента и трехсклеенный компонент, состоящий из положительной линзы, заключенной между двумя отрицательными, отличающийся тем, что, с целью повышения качества изображения за счет уменьшения хроматических аберраций и аберраций внеосевых пучков, в объектив введен отрицательный мениск, обращенный вогнутостью к пространству изображений и размещенный на расстоянии 4,5 - 9,5 фокусного расстояния объектива от трехсклеенного компонента, коэффициент дисперсии материала которого не превышает 30 - 35, а также первый из двух положительных компонентов выполнен в виде одиночного мениска, обращенного вогнутостью к пространству предметов, из материала с коэффициентом дисперсии, превышающим 50, второй - в виде склейки из отрицательной и положительной линз, причем показатели преломления n41, n43 и коэффициенты дисперсии ν41 , ν43 материалов отрицательных линз трехсклеенного компонента удовлетворяют условиям
n41≈n43, ν43≈1,5ν41.
