ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА МИКРОСКОПА Российский патент 2001 года по МПК G02B21/00 G02B15/00 

Изобретение относится к оптической микроскопии. Более конкретной областью его применения являются оптические линзовые микроскопы, предназначенные для использования в биотехнологии и микроэлектронике.

Важнейшей характеристикой потребительских свойств таких микроскопов является соотношение его рабочего расстояния и увеличения. Поскольку эти два параметра находятся в обратно пропорциональной зависимости, весьма актуальной является задача увеличения рабочего расстояния микроскопа при одновременном увеличении его кратности (или хотя бы сохранении последнего параметра без изменения).

Известным техническим приемом создания оптических линзовых микроскопов с большим рабочим расстоянием является использование в их составе специальных объективов, имеющих большие рабочие расстояния. Такие объективы отличаются от обычных микрообъективов средних и больших увеличений наличием дополнительно вводимых оптических элементов, зачастую изготавливаемых из специальных сортов оптических материалов [1,2,3]. Это значительно увеличивает сложность объективов и их стоимость и, следовательно, стоимость всей оптической системы микроскопа. Вместе с тем достигаемые таким усложнением значения рабочего расстояния весьма незначительны - для лучших современных объективов с большими рабочими расстояниями эти значения составляют от 0,2 мм при увеличении 130^* до 12,5 мм при увеличении 20^* [1].

Известным средством обеспечения вариабельности кратности увеличения микроскопа является использование в составе оптической системы микроскопа так называемой панкратической системы, расположенной между объективом и окуляром [4]. Такая панкратическая система обычно содержит несколько оптических компонентов, которые выполняются взаимно подвижными и перемещение которых вдоль оси оптической системы микроскопа позволяет плавно изменять увеличение микроскопа.

Как видно из описания приведенных выше известных аналогов заявляемого изобретения, они не решают задачи улучшения важнейшего потребительского свойства микроскопа - одновременного увеличения его рабочего расстояния и кратности.

Поскольку по своему составу в наибольшей степени близки к заявляемому изобретению микроскопы, имеющие в своем составе панкратики, один из них [4] принят в качестве прототипа.

Оптическая система - прототип содержит микрообъектив, тубусную линзу и окуляр. Тубусная линза выполнена в виде симметричной панкратической системы, состоящей из трех оптических компонентов, причем средний компонент неподвижен, а оба крайних перемещаются вместе вдоль оси, будучи жестко связаны друг с другом. Средний и крайние компоненты имеют различные знаки оптической силы, так что при симметричном смещении крайних компонентов относительно среднего компонента общее линейное увеличение всей тубусной линзы равно 1. Смещение этих компонентов в ту или другую сторону относительно их симметричного среднего расположения обеспечивает плавную регулировку увеличения микроскопа.

Недостатком известной оптической системы микроскопа является то, что она не обеспечивает возможности одновременного увеличения кратности микроскопа и его рабочего расстояния.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является обеспечение возможности увеличения совокупной характеристики микроскопа "рабочее расстояние - увеличение" .

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что в известной оптической системе микроскопа, содержащей объектив, тубусную линзу и окуляр, тубусная линза выполнена обладающей отрицательной оптической силой и установлена так, что ее передняя фокальная плоскость смещена от задней фокальной плоскости объектива в сторону окуляра микроскопа, а ее главная плоскость смещена от плоскости формируемого объективом изображения в сторону пространства предметов.

Благодаря такому выполнению оптической системы микроскопа ход лучей в промежутке между главными плоскостями объектива и окуляра изменяется таким образом, что для сохранения изображения объекта в прежней плоскости окуляра сам объект должен быть смещен на некоторое расстояние в сторону от объектива. Тем самым обеспечивается увеличение рабочего расстояния микроскопа. Одновременно достигается увеличение кратности микроскопа.

В частном случае реализации заявляемого изобретения отрицательная тубусная линза установлена с возможностью ее осевого перемещения. Благодаря этому обеспечивается возможность регулировки соотношения между изменениями рабочего расстояния микроскопа и его увеличением.

Сущность заявляемого изобретения поясняется чертежами, на которых изображены:
фиг. 1 - заявляемая оптическая система микроскопа;
фиг. 2 - ход лучей в оптической системе без тубусной линзы и с отрицательной тубусной линзой;
фиг. 3 - ход лучей в заявляемой оптической системе при размещении отрицательной тубусной линзы со смещением ее передней фокальной плоскости относительно задней фокальной плоскости объектива микроскопа в сторону пространства предметов;
фиг. 4 - ход лучей в заявляемой оптической системе при размещении отрицательной тубусной линзы со смещением ее главной плоскости относительно плоскости формируемого объективом изображения в сторону окуляра микроскопа;
фиг. 5 - график изменения рабочего расстояния микроскопа в зависимости от места установки отрицательной тубусной линзы для двух значений увеличения объектива микроскопа;
фиг. 6 - график изменения кратности увеличения микроскопа в зависимости от места установки отрицательной тубусной линзы для двух значений увеличения объектива микроскопа;
Заявляемая оптическая система микроскопа (фиг. 1 - 4) содержит объектив 1, отрицательную тубусную линзу 2 и окуляр 3. Также на указанных фиг. 1 - 4 показан наблюдаемый объект 4.

Для пояснения эффекта увеличения рабочего расстояния микроскопа, обусловленного размещением в его тубусе линзы с отрицательной оптической силой, сравним ход лучей в оптической системе микроскопа без тубусной линзы (фиг. 2 - тонкие линии) с ходом лучей в заявляемой оптической системе с отрицательной тубусной линзой (фиг. 2 - линии двойной толщины).

Пусть наблюдаемый объект 4 с концевыми точками O и A находится на расстоянии S от главной плоскости объектива 1 микроскопа. Для построения изображения объекта 4 в отсутствии тубусной линзы 2 проведем лучи из точки A, один из которых - AB направим параллельно оптической оси системы, а другой - AC - через передний фокус объектива F_об.

После объектива 1 луч AB пройдет через задний фокус F_об объектива 1 в направлении BD, а луч AC - параллельно оптической оси системы в направлении CE. Точка пересечения лучей BD и CE (точка A¹) дает положение промежуточного увеличенного изображения O¹A¹ объекта 4, которое находится вблизи фокальной плоскости окуляра 3.

После пересечения главной плоскости окуляра 3 лучи CE и BD пойдут в направлениях EK и DL соответственно, причем луч CE, параллельный оптической оси системы, пройдет через задний фокус F_ок окуляра 3. Воображаемое пересечение лучей EK и DL в точке A¹¹ дает положение мнимого увеличенного изображения О¹A¹¹ объекта 4, которое и наблюдается глазом.

Пусть теперь в составе оптической системы микроскопа имеется тубусная линза 2, установленная на некотором расстоянии d от главной плоскости объектива 1 так, что ее передняя фокальная плоскость (F_л) смещена от задней фокальной плоскости (F_об) объектива 1 в сторону окуляра 3, а ее главная плоскость смещена от плоскости формируемого объективом 1 изображения объекта 4 в сторону пространства предметов.

Для того, чтобы условия наблюдения объекта 4 через окуляр 3 не изменились, необходимо сохранение на оптической оси системы местоположения его промежуточного увеличенного изображения O¹A¹, формируемого объективом 1. Чтобы определить условия выполнения этого требования, рассмотрим дополнительный вспомогательный луч ОМ, исходящий из лежащей на оптической оси системы точки О объекта 4.

Ранее, до установки отрицательной тубусной линзы 2, точка О проецировалась в точку O¹, в том числе и по лучам ОМ и MO¹, т.к. точки О и O¹являются оптически сопряженными. После установки линзы 2 и без изменения условий наблюдения объекта 4 точка О будет проецироваться правее точки O¹ (на фиг. 2 эта проекция точки О не показана). Чтобы возвратить ее проекцию в точку O¹ необходимо так изменить условия наблюдения объекта 4, чтобы преломляющий эффект линзы 2 был компенсирован изменением угла падения на линзу 2 луча MO¹, т.е. чтобы точка О проецировалась в точку O¹ по лучам ММ¹ и М¹O¹. Легко видеть, что это могло бы быть сделано, если бы до установки линзы 2 точка О проецировалась бы в точку O⁰. Т.е. необходимо, чтобы проекция точки О была смещена влево по оптической оси системы. Поскольку по законам геометрической оптики смещение проекции объекта и смещение самого объекта всегда однонаправлены, для обеспечения компенсации преломляющего действия линзы 2 объект 4 должен быть также смещен влево - в показанное на фиг. 2 положение O₁A₁. Т.е. должно быть увеличено расстояние между объектом 4 и главной плоскостью объектива 2 - объект 4 из положения OA должен быть смещен в положение O₁A₁. А такое смещение эквивалентно увеличению рабочего расстояния микроскопа. Тем самым, включением в состав оптической системы микроскопа отрицательной тубусной линзы решается техническая задача настоящего изобретения - достигается увеличение рабочего расстояния микроскопа.

Для построения изображения объекта 4, находящегося теперь в положении O₁A₁, как и в первом случае проведем лучи из точки A₁, один из которых - A₁B направим параллельно оптической оси системы, а другой - A₁N -через передний фокус F_об объектива 1.

После объектива 1 луч A₁B пройдет через задний фокус объектива 1 в направлении BP, а луч A₁N - параллельно оптической оси системы в направлении NR. После преломления отрицательной линзой 2 эти лучи пойдут в направлениях PS и RT соответственно и за счет преломления в окуляре 3 дадут наблюдаемое изображение объекта О¹¹¹A¹¹¹ Легко видеть, что это изображение будет увеличенным по сравнению с наблюдавшимся изображением О¹¹A¹¹ в оптической системе без отрицательной тубусной линзы. Таким образом, включение в состав оптической системы микроскопа отрицательной линзы обеспечивает не только увеличение рабочего расстояния, но и увеличение кратности микроскопа.

В обоснование устанавливаемых настоящим изобретением условий размещения тубусной линзы рассмотрим два конкретных примера их нарушения.

Рассмотрим (фиг. 3) сначала ход лучей в оптической системе микроскопа при такой установке тубусной линзы 2, когда ее передний фокус F_л оказывается смещенным от заднего фокуса F_об объектива 1 в предметную сторону, т.е. при нарушении первого из двух указанных условий ее установки. Здесь, как и на фиг. 2, ход лучей в присутствии отрицательной тубусной линзы 2 показан линиями двойной толщины. При этом для упрощения построения картины хода лучей задний фокус F_об объектива 1 показан совмещенным с задним фокусом F_л отрицательной линзы 2.

Для построения изображения объекта 4, находящегося в положении OA, проведем лучи из точки A, один из которых - AB направим параллельно оптической оси системы, а другой - AC - через оптический центр объектива 1.

После преломления в объективе 1 луч AB пойдет по направлению BP, ориентированному на его задний фокус. Встретив на своем пути линзу 2 и преломившись в ней, этот луч пойдет далее в направлении PS параллельно оптической оси системы, поскольку, как упоминалось выше, задний фокус линзы 2 совмещен с задним фокусом объектива 1 и, следовательно, луч BP направлен в ее задний фокус.

Луч AC, проходящий через оптический центр объектива 1, достигает линзы 2, не меняя своего направления. Далее, после преломления линзой 2, он распространяется в направлении RT, лежащем под острым углом к оптической оси системы. В результате, лучи PS и RT не могут пересечься в пространстве между главными плоскостями линзы 2 и окуляра 3 и, следовательно, промежуточного изображения объекта 4 вблизи фокальной плоскости окуляра 3 не возникает. Это приводит к тому, что видимое глазом действительное изображение O¹A¹ объекта 4 возникает только позади главной плоскости окуляра 3 в плоскости пересечения лучей TK и SL. Как можно видеть из показанной на фиг. 3 картины хода лучей, это изображение будет уменьшенным, т.е. при невыполнении указанного выше условия взаимного расположения фокальных плоскостей отрицательной тубусной линзы 2 и объектива 1 включение такой линзы в состав оптической системы микроскопа не только не приводит к увеличению рабочего расстояния микроскопа, но и полностью нарушает его работу.

Рассмотрим теперь ход лучей в оптической системе микроскопа при такой установке тубусной линзы 2, когда плоскость формируемого объективом 1 в отсутствие линзы 2 изображения объекта смещена в сторону пространства предметов от главной плоскости линзы 2 в месте ее установки, т.е. в случае нарушения второго условия ее установки. Такой случай показан на фиг. 4.

Для построения изображения объекта 4, находящегося в положении OA, проведем лучи из точки A, один из которых - AB направим параллельно оптической оси системы, а другой - AC - через оптический центр объектива 1.

После преломления в объективе 1 луч AB пойдет через его задний фокус F_об по направлению BP а луч AC - по направлению CR. Лучи BP и CR пересекаются в точке A, где создается промежуточное изображение объекта О¹A¹. Далее, встретив на своем пути линзу 2 и преломившись в ней, эти лучи пойдут в направлениях PS и RT соответственно. Углы преломления этих лучей в линзе 2 таковы, что лучи RT и PS в пространстве между главными плоскостями линзы 2 и окуляра 3 не пересекаются. Это приводит к тому, что не возникает и видимого глазом изображения объекта 4. Т.е. при невыполнении второго из указанных условий взаимного расположения главной плоскости линзы 2 и плоскости формируемого объективом 4 изображения объекта 1 включение отрицательной линзы в состав оптической системы микроскопа не только не приводит к увеличению рабочего расстояния микроскопа, но, как и при невыполнении первого условия, нарушает его работу.

Таким образом, решение технической задачи настоящего изобретения может быть обеспечено только в определенном диапазоне мест установки отрицательной тубусной линзы 2. При этом, как это видно из рассмотренных выше вариантов, выбор конкретного места установки линзы 2 будет зависеть от значений параметров элементов оптической системы микроскопа: от значений фокусного расстояния объектива 1, фокусного расстояния отрицательной линзы 2, длины тубуса микроскопа и его диаметра. При соблюдении указанных выше двух условий размещения линзы место ее конкретной установки может быть определено с использованием известных методов расчета оптических систем микроскопов.

Конструктивно отрицательная линза может быть установлена с возможностью ее осевого перемещения. Тем самым достигается возможность коррекции неточностей в первоначальном выборе места установки тубусной линзы, а также возможность регулировки как степени увеличения рабочего расстояния микроскопа, так и выбора необходимого соотношения между увеличением рабочего расстояния и кратностью увеличения всей оптической системы микроскопа.

Для проверки работоспособности заявляемого изобретения была проведена экспериментальная оценка рабочего расстояния микроскопа при введении в состав его оптической системы отрицательной тубусной линзы и влияния места ее установки на величину рабочего расстояния и кратность увеличения микроскопа. В экспериментах использовался стандартный микроскоп типа УН (паспорт Ю-41.36.562- 02) производства ЛОМО выпуска 1992 г. , сменные объективы с кратностью увеличения 3,7^* и 20^*, а также отрицательная тубусная линза с фокусным расстоянием 20 мм. Методика эксперимента заключалась в установке отрицательной тубусной линзы в пяти различных фиксированных сечениях тубуса микроскопа (1) - (5), выбранных с равным шагом, начиная от объектива, и измерении при каждой установке линзы рабочего расстояния (S) и увеличения микроскопа (Г).

Исходные значения контролируемых параметров микроскопа до включения в состав его оптической системы отрицательной тубусной линзы составляли:
для микроскопа с объективом кратности 3,7^*:
- рабочее расстояние - 28 мм;
- увеличение - 23;
для микроскопа с объективом кратности 20^*:
- рабочее расстояние - 1,8 мм:
- увеличение - 94.

Полученные результаты измерений приведены в таблице.

Для наглядности данные эксперимента показаны также на графиках фиг. 5 - 8. По координатным осям этих графиков соответственно отложены условные положения отрицательной линзы в тубусе микроскопа по номерам ее позиций (начиная от положения, ближайшего к объективу) и значения рабочего расстояния в миллиметрах (фиг. 5,6) или кратности увеличения микроскопа (фиг. 7,8). Как показывают графики на фиг. 5 и 6, установка отрицательной тубусной линзы в положении максимально возможного приближения ее к объективу позволяет значительно увеличить рабочее расстояние микроскопа, доведя его до значений 73 мм (против исходных 28 мм) и 2,9 мм (против исходных 1,8 мм) соответственно. При этом экспериментально обнаружено, что при использовании объектива с увеличением 3,7^* (см. фиг. 5) возможность достижения максимального эффекта увеличения рабочего расстояния ограничивается возможностью приближения места установки тубусной линзы к объективу: уже при размещении линзы в положении (1) наблюдается нарушение работоспособности микроскопа. Это обстоятельство свидетельствует о правильности указанных выше ограничительных пределов в выборе мест установки отрицательной линзы: объектив с меньшим увеличением имеет большее фокусное расстояние и, следовательно, создает более ограниченный диапазон допустимых перемещений между его фокальной плоскостью и фокальной плоскостью тубусной линзы.

Графики на фиг. 7 и 8 показывают, что при установке отрицательной тубусной линзы одновременно с увеличением рабочего расстояния микроскопа значительно увеличивается и кратность увеличения микроскопа. При этом степень увеличения кратности также зависит от выбора места установки линзы в тубусе микроскопа.

Поскольку, как это видно из таблицы и графиков на фиг. 5 - 8, степень увеличения рабочего расстояния и степень увеличения кратности увеличения микроскопа находятся в обратной зависимости от места установки отрицательной тубусной линзы, то выбором этого места может быть обеспечена регулировка соотношения "рабочее расстояние - увеличение". Это обстоятельство является дополнительным преимуществом заявляемого изобретения.

Источники информации
1. Папаян Г. В. и др. Новые объективы с большими рабочими расстояниями для микроскопов.// Оптический журнал. - 1995. - N 7.- С. 61-65.

2. Фролов Д. Н. и др. Планахроматический объектив с большим рабочим расстоянием для инвертированного микроскопа.// Оптический журнал. - 1994. - N10. - С.76-78.

3. Патент РФ N 2104575, кл. 6 G 02 В 21/02.

4. Панов В. А., Андреев Л.Н. Оптика микроскопов. - Л.: Машиностроение, 1976, - С.311-312 (прототип).

Изобретение относится к оптическим линзовым микроскопам. Оптическая система микроскопа содержит объектив, окуляр и тубусную линзу, причем тубусная линза выполнена отрицательной и установлена так, что ее передняя фокальная плоскость смещена от задней фокальной плоскости объектива в сторону окуляра микроскопа, а ее главная плоскость смещена от плоскости формируемого объективом изображения в предметную сторону. Линза может быть установлена с возможностью осевого перемещения. Технический результат - обеспечение возможности увеличения совокупной характеристики микроскопа "рабочее расстояние - увеличение". 1 з.п.ф-лы, 1 табл., 8 ил.

1. Оптическая система микроскопа, содержащая объектив, окуляр и тубусную линзу, отличающаяся тем, что тубусная линза выполнена отрицательной и установлена так, что ее передняя фокальная плоскость смещена от задней фокальной плоскости объектива в сторону окуляра микроскопа, а ее главная плоскость смещена от плоскости формируемого объективом изображения в предметную сторону. 2. Система по п.1, отличающаяся тем, что тубусная линза установлена с возможностью осевого перемещения.