АХРОМАТИЧЕСКИЙ МИКРООБЪЕКТИВ Российский патент 2000 года по МПК G02B21/02 

Предлагаемое изобретение относится к микроскопии, точнее к ахроматическим объектам, и может быть использовано для комплектации крупносерийных биологических, поляризационных, люминесцентных и других микроскопов.

Известен ахроматический объектив для микроскопа [1], содержащий два компонента, разделенных воздушным промежутком, первый из которых выполнен в виде одиночной положительной линзы, а второй компонент склеен из отрицательной и положительной линз.

Недостатком такого объектива является невозможность реализации в данной конструкции числовой апертуры (A) более 0,40 при оптимальном исправлении аберрации осевых и внеосевых пучков.

Известен объектив микроскопа [2], содержащий три компонента, первые два компонента представляют собой одиночные положительные линзы, а третий компонент склеен из положительной и отрицательной линз.

В этом объективе затруднительно рассчитать объективы с числовой апертурой менее 0,4 при оптимальном исправлении аберраций внеосевых пучков.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению является объектив микроскопа [3], который состоит из последовательно расположенных по ходу луча двух положительных компонентов, первый из которых - одиночная плоско-выпуклая линза, обращенная плоскостью к пространству предметов, а второй - одиночная линза и двухсклеенная линза, состоящая из отрицательного мениска и двояковыпуклой линзы.

Такой объектив позволяет произвести расчет объективов с числовой апертурой до 0,65 при достижении оптимальной коррекции аберраций осевых и внеосевых пучков. Однако данная конструкция не позволяет реализовать апертуру, превращающую это значение.

Известные отечественные аналоги не соответствуют современным требованиям по достижению входных числовых апертур, что обуславливает неэффективность их использования в современных моделях микроскопов.

Вместе с тем в указанных микроскопах требуется использование ахроматических микрообъективов с числовыми апертурами, соответствующими современным требованиям; причем уровень аберрационной коррекции должен быть одинаково высок для всех апертур.

Задачей предлагаемого изобретения является обеспечение в рамках единой конструкции возможности получения значений числовых апертур в пространстве предметов: A = 0,1; A = 0,25; A = 0,40; A = 0,65; A = 1,25 мм при достижении оптимальной коррекции аберраций осевых и внеосевых пучков.

Решению этой задачи соответствует предложенный ахроматический микрообъектив, содержащий также два компонента, первый из которых представляет собой сочетание n положительных одиночных линз, а второй - ахроматическая линза с одной поверхностью склейки, однако в отличие от прототипа количество n линз первого компонента выбирается из соотношения n = 2,5 A_об с округлением до целого числа, где A_об - числовая апертура микрообъектива в пространстве предметов, а на варьируемом расстоянии (VAR) от второго компонента расположена материальная диафрагма с диаметром раскрытия, равным 2,5 A_обf'_об, где f'_об - заднее фокусное расстояние микрообъектива. Кроме того, поверхность склейки второго компонента может быть обращена вогнутостью как к пространству предметов, так и к пространству изображений.

Совокупность перечисленных признаков позволяет решить комплексную задачу - обеспечение в рамках единой конструкции возможности получения значений числовых апертур в пространстве предметов: A = 0,1; A = 0,25; A = 0,40; A = 0,65; A = 1,25 мм при достижении оптимальной коррекции аберраций осевых и внеосевых пучков.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что такая конструкция микрообъектива позволяет обеспечить в рамках единой оптической схемы все возможные значения входных числовых апертур. При этом аберрационная коррекция микрообъективов соответствует современным требованиям по характеру исправления аберраций осевого и внеосевых пучков.

Существующая зависимость количества n одиночных положительных линз от входной числовой апертуры n = 2,5 A_об с округлением до целого числа позволяет провести расчет ахроматических микрообъективов с различными числовыми апертурами в пространстве предметов. Так, для обеспечения входных апертур A≤0,1 выбирается n = 0, т.е. достаточно иметь коррекционные параметры только склеенного компонента объектива. Для обеспечения входных апертур 0,25≤A≤0,40 выбираем n = 1. Для обеспечения входных апертур A ≃ 0,60 - 0,65 выбирается n = 2. Для обеспечения входных апертур A≥1,25 выбирается n = 3. Выбор количества линз первого компонента n = 4 возможен, однако не имеет практического смысла, так как становится затруднительным расчет объектива с числовой апертурой, превышающей 1,6.

Выполнение первого компонента в виде положительных линз позволяет оптимальным образом исправить аберрации внеосевых пучков. Выбор числа n позволяет проводить коррекцию в объективах с различными входными числовыми апертурами, причем уровень аберрационной коррекции одинаково высок для всех апертур.

Наличие материальной диафрагмы, расположенной за вторым компонентом, на варьируемом расстоянии позволяет оптимально корригировать астигматизм в объективе, а размер диафрагмы, равный диаметру зрачка, позволяет пропустить полную апертуру осевых и внеосевых пучков. В предельных случаях такой диафрагмой может служить механический торец микрообъектива для присоединения его к микроскопу.

Сущность предлагаемого ахроматического микрообъектива поясняется чертежом, на котором представлена оптическая схема микрообъектива.

Заявляемый микрообъектив содержит два компонента, расположенных вдоль оптической оси. Первый компонент 1 представляет собой сочетание n положительных одиночных линз, а второй компонент 2 - ахроматическая линза с одной поверхностью склейки, причем поверхность склейки второго компонента 2 может быть обращена вогнутостью как к пространству предметов, так и к пространству изображений. Кроме того, на варьируемом расстоянии от второго компонента расположена материальная диафрагма 3.

Предложенный объектив работает следующим образом. Первый компонент 1 строит увеличенное мнимое изображение предмета с уменьшенными значениями аберраций осевой точки и отрицательным значением меридиональной и сагиттальной кривизны. Компонент 2 строит в бесконечности изображение объекта. Оно фокусируется тубусной линзой. На варьируемом расстоянии от второго компонента 2 расположена материальная диафрагма 3 с диаметром раскрытия, равным 2,5 A_обf'_об, что позволяет проводить оптимальным образом коррекцию астигматизма и кривизны (их перебалансировку), отклоняя ход главного луча в объективе. При этом варьируемое расстояние позволяет осуществлять оптимальную перебалансировку астигматизма и добиться наиболее резкого изображения на микроскопе при наблюдении конкретным наблюдателем.

В случае, когда требуется получение упрощенных конструкций, роль диафрагмы может осуществлять механическая оправа выходного торца микрообъектива. Одновременное исправление хроматических и монохроматических аберраций позволяет повысить информационную емкость объектива пропорционально увеличению резко наблюдаемого без перефокусировки поля зрения и пропорционально увеличению разрешающей способности.

Благодаря использованию данного решения в рамках единой конструкции были получены варианты ахроматических объективов микроскопа с различными апертурами и линейными увеличениями.

В качестве примеров конкретного исполнения рассчитаны объективы: 5х0,1; 10х0,25; 20х0,4; 40х0,65; 100х1,25 мм, во всех вариантах наличие отличительных признаков, указанных в "формуле изобретения".

Все объективы рассчитаны на оптическую длину тубуса "бесконечность", унифицированы для работы совместно с объективами, имеющими другой тип оптической коррекции, например, анахроматами и планопохроматами. Оптические материалы соответствуют требованиям серийного производства и реализации специализированных методик исследования.

Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР N 279099, М. кл. G 02 B 21/02, 1970 г.

2. Патент США N 3982821, М. кл. G 02 B 21/02, 1976 г.

3. Авторское свидетельство СССР N 1224772, М. кл. G 02 B 21/02, 1986 г.

Ахроматический микрообъектив содержит два компонента, первый из которых представляет собой сочетание n положительных одиночных линз, а второй - ахроматическая линза с одной поверхностью склейки. Количество n линз первого компонента выбирается из соотношения n=2,5 А_об c округлением до целого числа, где А_об - числовая апертура микрообъектива в пространстве предметов. На варьируемом расстоянии от второго компонента расположена материальная диафрагма с диаметром раскрытия, равным 2,5 А_обf'_об где f'_об - заднее фокусное расстояние микрообъектива. Поверхность склейки второго компонента может быть обращена вогнутостью как к пространству предметов, так и к пространству изображений. Обеспечивается возможность получения в рамках единой конструкции значений числовых апертур в пространстве предметов: А=0,1, А=0,25, А= 0,40, А= 0,65, А= 1,25 мм при достижении оптимальной коррекции аберраций осевых и внеосевых пучков. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Ахроматический микрообъектив, содержащий два компонента, первый из которых представляет собой сочетание n положительных одиночных линз, а второй - ахроматическая линза с одной поверхностью склейки, отличающийся тем, что количество n линз первого компонента выбирается из соотношения n = 2,5 A_об с округлением до целого числа, а на варьируемом расстоянии от второго компонента расположена материальная диафрагма с диаметром раскрытия, равным 2,5 A_обf'_об, где A_об - числовая апертура микрообъектива в пространстве предметов, а f'_об - заднее фокусное расстояние микрообъектива. 2. Ахроматический микрообъектив по п.1, отличающийся тем, что поверхность склейки второго компонента обращена вогнутостью к пространству предметов. 3. Ахроматический микрообъектив по п.1, отличающийся тем, что поверхность склейки второго компонента обращена вогнутостью к пространству изображений.