ВЫСОКОАПЕРТУРНЫЙ ПЛАНАПОХРОМАТИЧЕСКИЙ МИКРООБЪЕКТИВ Российский патент 1998 года по МПК G02B21/02 

Изобретение относится к микроскопии, к планапохроматическим объективам микроскопа и может быть использовано для комплектации лабораторных и исследовательских моделей биологических, поляризационных, люминесцентных и других микроскопов.

Планапохроматические объективы предназначены для визуального исследования, и с помощью регистрирующих устройств возможно исследование малоконтрастных структур.

Особое место занимают высокоапертурные планапохроматические микрообъективы (приведенная к воздуху числовая апертура которых достигает значений 0,85-0,95) из-за сложности исправления монохроматических и сферохроматических аберраций. Конструкция таких объективов чрезвычайно сложна, допуски на изготовление деталей критичны. Поэтому очень много зависит от оптимальности построения оптической схемы, рационального распределения между компонентами габаритной и аберрационной нагрузки.

Микрообъективы с ахроматическим и планахроматичекским типом коррекции уже разработаны на АООТ "ЛОМО" и освоены в производстве. В настоящее время есть необходимость разработки высокоапертурных планапохроматических микрообъективов для решения предельных задач.

Известны серийно выпускаемые на АООТ "ЛОМО" объективы планапохроматы [1] .

Однако они обладают существенными недостатками - остаточная хроматическая разность (ХРУ) составляет 2%, что не соответствует современным международным стандартам. Кроме того, они имеют большую остаточную кривизну изображения. Известны также объективы планахроматы с уменьшенным вторичным спектром [2]. Однако они имеют те же недостатки. Большая по значению остаточная ХРУ не позволяет избежать окрашенности в промежуточном изображении на микроскопе, недостаточное исправление кривизны вызывает необходимость перефокусировки микроскопа при наблюдении объекта от центра к краю, а также непригодность для микрофотографии.

Известны микрообъективы с улучшенными характеристиками по полю [3] и [4] . Однако и в них полевые аберрации, (кривизна и астигматизм) остаются значительными, а остаточная ХРУ колеблется от 1% до 1,5%.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является объектив фирмы LEICA [5], который и выбран в качестве прототипа. Этот объектив содержит последовательно расположенные вдоль оптической оси положительный мениск, обращенный вогнутостью к плоскости объекта, второй положительный компонент, третий компонент, выполненный в виде трехсклеенной линзы, состоящей из двух отрицательных линз, между которыми заключена положительная линза, четвертый положительный компонент и пятый компонент, представляющий собой двусклеенный мениск, обращенный вогнутостью к пространству изображений.

Объектив обладает недостаточной коррекцией монохроматических аберраций внеосевых пучков ( = 3,6 мм, = 1,4 мм) и полевых хроматических аберраций (хроматическая разность увеличений составляет около 1%).

В промежуточном изображении объектива имеется окрашенность. Кроме того, в данном объективе конструктивно не обеспечено достижение значений входных апертур более чем 0,55-0,60. Все перечисленные недостатки не позволяют отнести его к категории высокоапертурных планапохроматических объективов.

Вместе с тем современные модели микроскопов требуют комплектации высокоапертурными планапохроматическими микрообъективами, которые имеют улучшенную коррекцию полевых монохроматических и хроматических аберраций.

Цель изобретения - улучшение коррекции полевых монохроматических и хроматических аберраций за счет их одновременного комплексного исправления.

Для достижения цели предложен высокоапетурный планапохроматический микрообъектив, который, как и прототип, содержит пять компонентов, последовательно расположенных вдоль оптической оси, первый из которых представляет собой положительный мениск, обращенный вогнутостью к плоскости объекта, второй - положительный, третий - трехсклеенный, состоящий из двух отрицательных линз с заключенной между ними положительной, четвертый - положительный, а пятый выполнен в виде двусклеенного отрицательного мениска, обращенного вогнутостью к пространству изображений.

В отличие от прототипа второй положительный компонент выполнен двусклеенным из отрицательной и положительной линз, а четвертый положительный компонент выполнен двусклеенным из положительной и отрицательной линз.

Сущность изобретения заключается в том, что выполнение второго положительного компонента двусклеенным из отрицательной и положительной линз позволяет добиться полного исправления хроматических аберраций за счет введения склеенной линзы, т.к. склеенный компонент обладает дополнительным коррекционным параметром по сравнению с одиночным. Выполнение четвертого компонента двусклеенным из положительной и отрицательной линз позволяет сбалансировать сферохроматическую аберрацию, возникающую на втором компоненте. Кроме того, сохраняются аберрационные свойства остальных компонентов, используемых в предлагаемом микрообъективе, так, использование трехсклеенного компонента позволяет исправить в объективе вторичный спектр, а использование менисков в качестве первого и последнего компонентов - исправить кривизну, астигматизм и другие аберрации внеосевых пучков.

Таким образом, использование в совокупности всех указанных признаков позволяет достичь значительного технического результата, заключающегося в возможности одновременного, комплексного исправления в объективе монохроматических и хроматических аберраций. При этом данное исправление достигнуто при достижении высоких входных апертур (0,85-0,95, приведенных к воздуху). Подобного технического результате не достигнуто в известных технических решениях.

На чертеже представлена схема микрообъектива, а в конце описания -приложение, в котором даны аберрационные выпуски примера конкретного исполнения предлагаемого микрообъектива.

Предлагаемый микрообъектив содержит пять компонентов: первый компонент 1 представляет собой положительный мениск, обращенный вогнутостью к плоскости объекта, второй положительный компонент 2 выполнен двусклеенным из отрицательной и положительной линз, третий компонент 3 - трехсклеенный, состоящий из двух отрицательных линз с заключенной между ними положительной, четвертый положительный компонент 4 выполнен склеенным из положительной и отрицательной линз, последний пятый компонент 5 выполнен в виде двусклеенного отрицательного мениска, обращенного вогнутостью к пространству изображений.

Предлагаемый микрообъектив работает следующим образом.

Компоненты 1 и 2 строят увеличенное мнимое изображение объекта с уменьшенными значениями аберраций осевой точки предмета при отрицательных значениях меридиональной и сагиттальной кривизны. Компонент 3 работает как оборачивающий изображение, обладающий значительными компенсационными значениями аберраций вторичного спектра, компонент 4 компенсирует сферохроматизм и строит действительное изображение предмета в фокальной плоскости компонента 5.

При этом вносится отрицательная сферическая и хроматические аберрации положения и увеличения. Затем изображение "перехватывается" компонентом 5, строящим изображение в бесконечности, компенсируя монохроматические и хроматические аберрации предыдущих компонентов. Рассчитанный планапохроматический объектив работает совместно с дополнительной тубусной линзой с F=160 мм.

Благодаря использованию предлагаемого технического решения авторами был рассчитан микрообъектив с линейным увеличением 63 карата, апертурой 0,90, имеющий планапохроматическую коррекцию по всему полю зрения.

В объективе, рассчитанном с применением предлагаемого решения, достигнуто высокое качество изображения по полю (число Штреля составляет 0,8). Одновременно с этим достигнуто полное исправление хроматической разности увеличений (ХРУ=0%).

В результате реализации предложенного технического решения информационная емкость по сравнению с аналогами может быть увеличена в 1,7-1,9 раз. Следовательно, эффективность и производительность работы на микроскопе может быть резко повышена. Кроме того, в предлагаемом объективе положение действительного выходного зрачка относительно опорной плоскости объектива унифицировано с объективами другой аберрационной коррекции. Это дает возможность использовать данный микрообъектив для специальных методов исследования.

Оптическая конструкция предлагаемого объектива универсальна, она разработана на основе широко применяемых оптических материалов, которые могут быть пронормированы по высшим категориям двулучепреломления, что обеспечивает выпуск объектива в поляризованном варианте исполнения. Объектив стандартизирован по высоте, а применение длины тубуса ∞ позволяет использовать его в револьверном устройстве совместно с объективами, имеющими другой тип коррекции. Для пояснения дается приложение.

Источники информации:
1. Панов В. А. , Андреев Л.Н. Оптика микроскопа. - Л.: Машиностроение, 1976, с. 33.

2. Иванова Т. А. , В.К. Кирилловский. Проектирование и контроль оптики микроскопов. Л.: Машиностроение, Ленинградское отделение, 1984, с. 52.

3. Патент Великобритании N 1283718, кл. G 02 B 21/02.

4. Патент США N 3525562, кл. G 02 B 21/02.

5. Патент ФРГ N 3812745, кл. G 02 B 21/02, 1987 (прототип).

Использование: для комплектации лабораторных и исследовательских моделей биологических, поляризационных, люминесцентных и других микроскопов. Сущность: высокоапертурный планапохроматический микрообъектив содержит пять компонентов, последовательно распложенных вдоль оптической оси, первый из которых представляет собой положительный мениск, обращенный вогнутостью к плоскости объектива, второй положительный компонент выполнен двусклеенным из отрицательной и положительной линз, третий компонент склеен из двух отрицательных линз с заключенной между ними положительной, четвертый положительный компонент выполнен двусклеенным из положительной и отрицательной линз, а пятый компонент выполнен в виде двусклеенного отрицательного мениска, обращенного вогнутостью к пространству изображений. 1 ил.

Высокоапертурный планапохроматический микрообъектив, содержащий пять компонентов, последовательно расположенных вдоль оптической оси, первый из которых представляет собой положительный мениск, обращенный вогнутостью к плоскости объекта, второй положительный, третий трехсклеенный, состоящий из двух отрицательных линз с заключенной между ними положительной, четвертый - положительный мениск, пятый двусклеенный отрицательный мениск, обращенный вогнутостью к пространству изображений, отличающийся тем, что второй положительный компонент выполнен двусклеенным из отрицательной и положительной линз, а четвертый положительный компонент выполнен двусклеенным из положительной и отрицательной линз.