АХРОМАТИЧЕСКИЙ МИКРООБЪЕКТИВ СРЕДНЕГО УВЕЛИЧЕНИЯ Российский патент 2003 года по МПК G02B21/02 

Изобретение относится к области микроскопии, точнее к микрообъектам - системам с дифракционно ограниченным качеством изображения, служащим для исследования особо тонких микроскопических структур в естественном свете и свете люминесценции. Известен ахроматический микрообъектив с особо большой апертурой и светосилой при увеличении U=-20, А=0,77 [1]. Он содержит четыре компонента, последовательно расположенных вдоль оптической оси: первый компонент - двухлинзовый склеенный; второй и четвертый - трехлинзовый склеенный; третий компонент - одиночный мениск.

При достижении указанной апертуры конструкция данного микрообъектива представляется чрезвычайно сложной, а светопропускание низким. Он содержит десять линз, три из которых выполнены из материала с большой собственной люминесценцией. Эти недостатки отрицательно сказываются при его использовании в люминесцентном анализе.

Известен ахроматический микрообъектив среднего увеличения [2]. Он содержит последовательно расположенные вдоль оптической оси четыре компонента: первый и третий - двухлинзовый склеенный; второй - одиночная двояковыпуклая линза; четвертый - трехлинзовый склеенный. В этом микрообъективе основное внимание уделяется достижению наилучшего качества изображения по полю, что определяет коррекционные возможности конструкции. Вследствие этого в нем не достигнута максимально возможная апертура и конструкция для реализации методов люминесцентного анализа не является оптимальной.

К основным недостаткам микрообъектива относятся сложность конструкции, низкое светопропускание и недостаточно высокая разрешающая способность. Входная апертура данного микрообъектива - 0,65.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является ахроматический микрообъектив среднего увеличения [3], выпускаемый на ОАО "ЛОМО". Он состоит из трех компонентов, расположенных последовательно на оптической оси, первый компонент - плосковыпуклая линза; второй компонент - трехлинзовый склеенный; третий компонент - двухлинзовый склеенный.

Выбранный в качестве прототипа объектив обладает рядом недостатков, что не позволяет использовать его при специальных микроскопических исследованиях (например, в люминесцентном анализе).

1. Недостаточно высокая разрешающая способность, обусловленная пониженной апертурой в пространстве предметов /А=0,65/, что снижает потребительские свойства объектива.

2. Недостаточная светосила объектива, пропорциональная четвертой степени апертуры /А= 0,01625/, что не позволяет эффективно использовать его в люминесцентном анализе.

3. Увеличенное светорассеяние и собственная люминесценция оптических материалов.

Основной задачей, на решение которой направлено изобретение, является устранение указанных недостатков, т.е. создание такого ахроматического микрообъектива среднего увеличения, в котором были бы существенно повышены разрешающая способность и светосила. За счет этого были бы повышены его потребительские свойства. При этом конструкция рассматриваемого микрообъекта не должна быть усложнена в сравнении с прототипом, должны быть снижены его собственная люминесценция и светорассеяние, что также существенно влияет на качество изображения.

Поставленная задача достигается тем, что заявленный микрообъектив содержит последовательно расположенные вдоль оптической оси три компонента, первый из которых одиночная положительная линза, второй - трехсклеенный из двух двояковыпуклых и двояковогнутой линз, а третий компонент - двухлинзовый.

Ахроматический микрообъектив среднего увеличения отличается тем, что первый компонент выполнен в виде мениска, обращенного вогнутостью к предмету, а третий компонент выполнен в виде одиночного мениска, обращенного выпуклостью к предмету, и двояковыпуклой линзы. Кроме того, для получения абберационной коррекции в качестве материала одиночного мениска третьего компонента выбрано стекло с характеристиками: 1,65<n_е<1,95, 15<v_e<35, а соотношения радиусов кривизны r₁, r₂ и толщины d данного элемента удовлетворяют условиям: r₁/r₂=(1,2-1,5), r₁=(3,3-3,8)d, где n_е; v_e - показатель преломления и коэффициент дисперсии соответственно.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что выполнение третьего компонента в виде отрицательного мениска, обращенного выпуклостью к предмету, и двояковыпуклой линзы, позволяет в рамках предложенной конструкции одновременно повысить разрешающую способность объектива примерно в 1,1 раза (за счет увеличения входной апертуры) и более чем в 20 раз (пропорционально 4-й степени отношения входных апертур) увеличить светосилу.

Так, выполнение линз третьего компонента в виде одиночных отрицательного мениска и положительной линз, разделенных воздушным промежутком, величина которого выбирается из условий, описанных в формуле, дает возможность эффективно влиять на монохроматические аберрации осевого пучка, добиваться их минимизации, что косвенно обуславливает возможность увеличения апертуры как в пространстве предметов, так и в пространстве изображений, поскольку в предлагаемой конструкции появляется дополнительный элемент - "воздушная" линза.

Кроме того, выбор в качестве оптического материала стекла с указанными характеристиками и выполнение одиночного мениска третьего компонента указанных соотношений радиусов кривизны и толщины по оси позволяет оптимально использовать в объективе хроматические аберрации и монохроматические абберации внеосевых пучков.

Таким образом, использование всех указанных признаков позволило обеспечить возможность повышения в микрообъективе разрешающей способности при одновременном увеличении светосилы, что не достигнуто в известных объективах, и тем самым решить поставленную задачу.

При этом очень важно, что количество линз (по сравнению с прототипом) не увеличено, а в качестве оптических материалов могут быть выбраны нелюминесцирующие стекла. Все это обусловливает высокие потребительские свойства предлагаемого объектива.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежом, на котором представлена принципиальная схема микрообъектива, а также "ПРИЛОЖЕНИЕМ", в котором дан абберационный выпуск примера конкретного исполнения заявляемого объектива.

Объектив содержит последовательно расположенные вдоль оптической оси три компонента 1, 2, 3, первый из которых выполнен в виде одиночного мениска 1, обращенного вогнутостью к предмету, второй - трехсклеенный из двух двояковыпуклых линз 4, 5 и двояковогнутой линзы 6, третий компонент выполнен в виде сочетания мениска 7, обращенного выпуклостью к предмету, и двояковыпуклой линзы 8.

Работает объектив следующим образом.

Первый компонент 1 строит мнимое изображение объекта с примерно 2-кратным увеличением, при этом вносят отрицательные монохроматические абберации осевого пучка, частично исправляется астигматизм, далее трехсклеенный компонент компенсирует монохроматические аберрации и переисправляет их, внося положительную сферическую абберацию и кому, он строит мнимое увеличенное изображение объекта. Далее одиночный мениск 5 работает с некоторым увеличением и компенсационным действием на аберрации по отношению к предыдущим элементам, строя мнимое изображение на "бесконечность".

Рассмотренный объектив работает совместно с дополнительной тубусной линзой с f'т.л.=160 мм, что отвечает принятой в РФ современной концепции построения схемных решений микроскопов. Он имеет удовлетворительную абберационную коррекцию, что следует из ПРИЛОЖЕНИЯ, по всему расчетному полю зрения, по типу коррекции - ахромат.

При увеличении микрообъектива F_м=-20 достигнута входная числовая апертура А=0,7, выходная А'=0,035, что выше, чем у известных аналогов и прототипа. При этом разрешающая способность повышается в 1,1 раз, светосила - более чем в 20 раз. Расчетное светопропускание составляет примерно 95%.

Кроме указанных достоинств, предлагаемый объектив имеет следующие преимущества. Так, достигнуто снижение хроматической разности увеличений до значения ХРУ 1%, что позволяет разработать широкоугольный окуляр /F=10, 2У= 20 мм/, имеющий постоянный ХРУ по полю зрения. В заявленном объективе положение действительного выходного зрачка относительно опорной плоскости унифицировано со вновь рассчитываемыми объективами, а применение длины тубуса "бесконечность" позволяет использовать его в револьверном устройстве совместно с объективами, использующими другой тип коррекции.

Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР 1219944, МПК G 02 В 21/02, 1986 г.

2. Патент США 4280757, МПК G 02 В 21/02, 1981 г.

3. ТУЗ-3.870-83. Объективы для микроскопии, ЛОМО. - прототип.

Изобретение относится к области микроскопии, точнее к микрообъективам, служащим для исследования особо тонких микроскопических структур в естественном свете и свете люминесценции. Ахроматический микрообъектив содержит последовательно расположенные вдоль оптической оси три компонента, первый из которых представляет собой одиночную положительную линзу, выполненную в виде мениска, обращенного вогнутостью к предмету, второй выполнен трехсклеенным из двух двояковыпуклых и двояковогнутой линз, а третий двухлинзовый компонент выполнен в виде одиночного мениска, обращенного выпуклостью к предмету, и двояковыпуклой линзы. Технический результат - повышение разрешающей способности и светосилы, а также снижение собственной люминесценции и светорассеяния. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Ахроматический микрообъектив среднего увеличения, содержащий три компонента, первый из которых - одиночная положительная линза, второй - трехсклеенный из двух двояковыпуклых и расположенной между ними двояковогнутой линз, а третий компонент - двухлинзовый, отличающийся тем, что первый компонент выполнен в виде мениска, обращенного вогнутостью к предмету, а третий компонент выполнен в виде отрицательного мениска, обращенного выпуклостью к предмету, и двояковыпуклой линзы. 2. Ахроматический микрообъектив по п.1, отличающийся тем, что мениск третьего компонента выполнен из стекла, показатель преломления n_е и коэффициент дисперсии v_e которого удовлетворяют условию 1,65<n_е<1,95, 15<v_е<35, соотношение радиусов кривизны r₁/r₂=(1,2-1,5), r₁=(3,3-3,2)d, где d - толщина мениска третьего компонента, а расстояние между линзами третьего компонента составляет 0,3-0,5 фокусного расстояния объектива.