ПЛАНАПОХРОМАТИЧЕСКИЙ ВЫСОКОАПЕРТУРНЫЙ МИКРООБЪЕКТИВ Российский патент 2013 года по МПК G02B21/02 G02B9/62 

Предлагаемое изобретение относится к области микроскопии и может быть использовано для визуального наблюдения и фотографирования малоконтрастных микроскопических структур, находящихся на пределе разрешающей способности световых микроскопов в естественном свете, в свете видимой люминесценции, в поляризованном свете методом светлого поля, темного поля, фазового контраста и др.

Известен планапохроматический объектив микроскопа [1], содержащий пять компонентов, первый из которых - отрицательный мениск, обращенный выпуклостью к изображению, второй - одиночная двояковыпуклая линза, третий - склеенный компонент, содержащий две положительные двояковыпуклые линзы, с размещенной между ними отрицательной двояковогнутой линзой, четвертый компонент - одиночная положительная двояковыпуклая линза и пятый компонент - двусклеенный мениск, обращенный выпуклостью к объекту.

Объектив имеет высокое качество изображения по всему линейному полю зрения (2y'=25 мм), но его выходная апертура недостаточно высока (0,0187).

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является планахроматический высокоапертурный микрообъектив [2], содержащий три компонента, первый из которых по ходу луча выполнен в виде фронтального мениска, обращенного вогнутостью к пространству объекта и двояковыпуклой положительной линзы, второй содержит двояковыпуклую положительную линзу и склеенную из двояковыпуклой и двояковогнутой линз, и третий компонент состоит из двух положительных двояковыпуклых линз.

Микрообъектив имеет довольно высокую входную апертуру (20×0,65), плановую коррекцию, но недостаточно исправленный хроматизм (объектив-ахромат).

Современные модели микроскопов требуют комплектации высокоапертурными планапохроматическими микрообъективами, которые имеют улучшенную коррекцию монохроматических и хроматических аберраций на оси и линейному полю зрения.

Основной задачей, на решение которой направлено предполагаемое изобретение, является улучшение моно и хроматических аберраций осевого и внеосевых пучков, а также увеличение входной апертуры.

Для решения поставленной задачи предложен планапохроматический высокоапертурный микрообъектив, который, как и прототип, содержит три компонента, первый из которых I с оптической силой φ_I выполнен в виде фронтального мениска, обращенного вогнутостью к пространству объекта, и двояковыпуклой положительной линзы, второй компонент II с оптической силой φ_II, состоящий из склеенной из положительной двояковыпуклой и двояковогнутой отрицательной линз, и третий компонент III с оптической силой φ_III, содержащий две линзы.

В отличие от прототипа во втором компоненте с оптической силой φ_II за склеенной линзой, состоящей из положительной двояковыпуклой и двояковогнутой отрицательной линз, помещены по ходу луча положительная двояковыпуклая линза с оптической силой φ_II5 и склеенная линза с оптической силой φ_II6,7, состоящая из отрицательного мениска, обращенного вогнутостью к пространству изображения, и положительной двояковыпуклой линзы, а линзы третьего компонента с оптической силой φ_III выполнены в виде мениска, обращенного вогнутостью к пространству объекта, склеенного из положительного и отрицательного менисков, обращенных вогнутостью к пространству объекта, при этом соотношение оптических сил линз φ_II5,6,7 и объектива в целом φ_об удовлетворяют следующим условиям:

$$\mathrm{0,3}\le \frac{{\varphi }_{II\mathrm{5,6,7}}}{{\varphi }_{об}}\le \mathrm{0,7}$$ , кроме того, положительная двояковыпуклая линза с оптической силой φ_II5 и положительная двояковыпуклая линза склеенной линзы второго компонента выполнены из материала с коэффициентом дисперсии, удовлетворяющим следующим условиям: 58<ν_d<95,2, а отрицательный мениск, обращенный вогнутостью к пространству изображения склеенной линзы второго компонента, выполнен из материала с коэффициентом дисперсии, удовлетворяющим условию: 57<ν_d<60.

Кроме того, фронтальный мениск первого компонента выполнен из материала с коэффициентом дисперсии 42<ν_d<48 и показателем преломления n_d≥1,8, оптические силы менисков третьего компонента φ_III8 и φ_III9 связаны следующим соотношением:

$$\mathrm{0,25}\le \left|\frac{{\varphi }_{III8}}{{\varphi }_{III9}}\right|\le \mathrm{0,75}$$ , где $${\varphi }_{III8}=\frac{1}{f_8^{\text{'}}}$$ ; $${\varphi }_{III9}=\frac{1}{f_9^{\text{'}}}$$ ; f' - фокусное расстояние.

Сущность предполагаемого изобретения заключается в том, что такое выполнение планапохроматического высокоапертурного микрообъектива позволило улучшить коррекцию моно и хроматических аберраций осевого и внеосевых пучков, за счет чего достигнута планапохроматическая коррекция. Кроме того, увеличена входная апертура.

Таким образом, достигнут технический результат, заключающийся в увеличении входной апертуры и достижения планапохроматической коррекции.

Предлагаемое изобретение иллюстрируется (фиг.1), на котором представлена оптическая схема планапохроматического высокоапертурного микрообъектива, а также приложением (фиг.2), в котором даны конструктивные параметры и графики частотно-контрастной характеристики.

Планапохроматический высокоапертурный микрообъектив содержит три компонента, первый из которых I с оптической силой φ_I выполнен в виде фронтального мениска 1, обращенного вогнутостью к пространству объекта, и двояковыпуклой положительной линзы 2, второй компонент II с оптической силой φ_II, состоит из склеенной из положительной двояковыпуклой линзы 3 и двояковогнутой отрицательной линзы 4, при этом за склеенной линзой по ходу луча помещены положительная двояковыпуклая линза 5 с оптической силой φ_II5 и склеенная линза с оптической силой φ_II6,7, состоящая из отрицательного мениска 6, обращенного вогнутостью к пространству изображения, и положительной двояковыпуклой линзы 7.

Линзы третьего компонента с оптической силой φ_III выполнены в виде мениска, обращенного вогнутостью к пространству объекта, склеенного из положительного 8 и отрицательного 9 менисков, обращенных вогнутостью к пространству объекта, при этом соотношение оптических сил линз φ_II5,6,7 и объектива, в целом, фоб удовлетворяют следующим условиям: $$\mathrm{0,3}\le \frac{{\varphi }_{II\mathrm{5,6,7}}}{{\varphi }_{об}}\le \mathrm{0,7}$$ .

Положительная двояковыпуклая линза 5 с оптической силой φ_II5 и положительная двояковыпуклая линза 7 склеенной линзы второго компонента выполнены из материала с коэффициентом дисперсии, удовлетворяющим следующим условиям: 58<ν_d<95,2, а отрицательный мениск 6, обращенный вогнутостью к пространству изображения склеенной линзы второго компонента выполнен из материала с коэффициентом дисперсии, удовлетворяющим условию: 57<ν_d<60.

Фронтальный мениск 1 первого компонента выполнен из материала с коэффициентом дисперсии 42<ν_d<48 и показателем преломления n_d≥1,8, оптические силы менисков третьего компонента φ_III8 и φ_III9 связаны следующим соотношением:

$$\mathrm{0,25}\le \left|\frac{{\varphi }_{III8}}{{\varphi }_{III9}}\right|\le \mathrm{0,75}$$ ,

где $${\varphi }_{III8}=\frac{1}{f_8^{\text{'}}}$$ ; $${\varphi }_{III9}=\frac{1}{f_9^{\text{'}}}$$ ; f' - фокусное расстояние.

Предлагаемый планапохроматический высокоапертурный микрообъектив работает следующим образом.

Микрообъектив работает с тубусной линзой с фокусом 160 мм.

Фронтальный мениск 1, обращенный вогнутостью к пространству объекта, совместно с двояковыпуклой линзой 2 строит увеличенное мнимое изображение объекта при умеренных значениях сферической аберрации, комы, астигматизма и кривизны и значительном хроматизме увеличения (ХРУ).

Второй компонент II проецирует изображение объекта с дополнительным увеличением в фокальную плоскость третьего компонента III, внося отрицательную сферическую аберрацию, положительную кому и астигматизм, частично компенсируя хроматизм положения и увеличения.

Компонент III проецирует изображение объекта в бесконечность, компенсируя остаточные сферическую аберрацию, хроматизм положения и увеличения, астигматизм и кривизну.

В соответствии с предложенным техническим решением в качестве конкретного примера выполнен расчет планапохроматического высокоапертурного микрообъектива с увеличением 20 крат, входной апертурой 0,7, линейным полем изображения 25 мм.

Объектив имеет высокое качество изображения по всему линейному полю зрения 2y'=25 мм.

Так, по всему линейному полю зрения объектива значение числа Штреля от 0,91 в центре до 0,51 на краю поля.

Столь большие значения обуславливают высокую концентрацию энергии в центре дифракционного пятна, а, следовательно, высокий контраст изображения по всему полю наблюдения.

Хроматическая разность увеличений в объективе ХРУ≤0,3%.

Результаты расчета приведены в приложении.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Российская Федерация, патент на изобретение №1658114, МПК: G02B 21/02, опубл. 23.06.1991 г.

2. Российская Федерация, патент на полезную модель №37239, МПК: G02B 21/02, опубл. 10.04.2004 г. - прототип.

Фокусное расстояние микрообъектива, 8.0 мм:

Увеличение, крат 20 Входная апертура 0.7 Линейное поле зрения, мм 25.0 Положение входного зрачка, мм Бесконечн. Диаметр изображения, мм: 25.0 Спектральный интервал, нм 0.43583-0.6438

Конструктивные параметры оптической системы Радиусы кривизны Расстояния по оси n_d Коэфф. Дисперсии V_d 0 0     0 0.17 1.5148 60.61 0 1.0144 1.0   -3.221 3.95 1.804 46.5 -5.495 0.18 1.0   83.56 4.7 1.6126 57.96 -7.727 0.12 1.0   27.54 5.65 1.43387 95.3 -6.252 1.5 1.6541 39.7 37.76 0.27 1.0   15.992 6 1.43387 95.3 -15.992 0.1 1.0   50.58 1.5 1.5400 59.6 12.417 6.5 1.43387 95.3 -16.943 7.9 1.0   -7.079 3 1.7552 27.5 -7.145 2.1 1.61265 57.96 -13.0620 120 1.0   Тубус. линза     -21.73 3 1.5689 55.87 -121.34 6.5 1.6990 30.2 -28.64 9.7 1.0   -671.4 3 1.7400 28.17 46.56 3.5 1.6200 36.3 30.55 8.7 1.6280 59.45 -79.07 10 1.   0 78.3 1.5164 64.2 0 12.8 1.0 - 0 105 1.5689 55.87 0 45.95     Пл-сть   изобр.

Изобретение может быть использовано для визуального наблюдения и фотографирования малоконтрастных микроскопических структур, находящихся на пределе разрешающей способности световых микроскопов. Микрообъектив содержит три компонента. Первый компонент I с оптической силой φ_I выполнен в виде фронтального мениска, обращенного вогнутостью к пространству объекта, и двояковыпуклой линзы. Второй компонент II с оптической силой φ_II состоит из склеенной из двояковыпуклой и двояковогнутой линз, двояковыпуклой линзы с оптической силой φ_II5 и склеенной линзы с оптической силой φ_II6,7, состоящей из отрицательного мениска, обращенного вогнутостью к пространству изображения, и двояковыпуклой линзы. Третий компонент III с оптической силой φ_III выполнен в виде мениска, обращенного вогнутостью к пространству объекта, склеенного из положительного и отрицательного менисков. Соотношение оптических сил линз φ_II5,6,7 и объектива в целом φ_об удовлетворяют условию: $$\mathrm{0,3}\le \frac{{\varphi }_{II\mathrm{5,6,7}}}{{\varphi }_{об}}\le \mathrm{0,7}$$ . Двояковыпуклая линза с оптической силой φ_II5 и двояковыпуклая линза склеенной линзы второго компонента выполнены из материала с коэффициентом дисперсии 58<ν_d<95,2. Отрицательный мениск склеенной линзы второго компонента выполнен из материала с коэффициентом дисперсии 57<ν_d<60. Технический результат - улучшение моно и хроматических аберраций осевого и внеосевых пучков и увеличение входной апертуры. 1 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 прилож.

1. Планапохроматический высокоапертурный микрообъектив, содержащий три компонента, первый из которых I с оптической силой φ_I выполнен в виде фронтального мениска, обращенного вогнутостью к пространству объекта, и двояковыпуклой положительной линзы, второй компонент II с оптической силой φ_II, состоящий из склеенной из положительной двояковыпуклой и двояковогнутой отрицательной линз, и третий компонент III с оптической силой φ_III, содержащий две линзы, отличающийся тем, что во втором компоненте за склеенной линзой, состоящей из положительной двояковыпуклой и двояковогнутой отрицательной линз, помещены по ходу луча положительная двояковыпуклая линза с оптической силой φ_II5 и склеенная линза с оптической силой φ_II6,7, состоящая из отрицательного мениска, обращенного вогнутостью к пространству изображения, и положительной двояковыпуклой линзы, а линзы третьего компонента выполнены в виде мениска, обращенного вогнутостью к пространству объекта, склеенного из положительного и отрицательного менисков, обращенных вогнутостью к пространству объекта, при этом соотношение оптических сил линз φ_II5,6,7 и объектива в целом φ_об удовлетворяют следующим условиям:
$$\mathrm{0,3}\le \frac{{\phi }_{II\mathrm{5,6,7}}}{{\phi }_{об}}\le \mathrm{0,7,}$$
кроме того, положительная двояковыпуклая линза с оптической силой φ_II5 и положительная двояковыпуклая линза склеенной линзы второго компонента выполнены из материала с коэффициентом дисперсии, удовлетворяющим следующим условиям: 58<ν_d<95,2, а отрицательный мениск, обращенный вогнутостью к пространству изображения склеенной линзы второго компонента, выполнен из материала с коэффициентом дисперсии, удовлетворяющим условию: 57<ν_d<60.

2. Планапохроматический высокоапертурный микрообъектив по п.1, отличающийся тем, что фронтальный мениск первого компонента выполнен из материала с коэффициентом дисперсии 42<ν_d<48 и показателем преломления n_d≥1,8, оптические силы менисков третьего компонента φ_III8 и φ_III9 связаны следующим соотношением:
$$\mathrm{0,25}\le \left|\frac{{\phi }_{III8}}{{\phi }_{III9}}\right|\le \mathrm{0,75,}$$
где $${\phi }_{III8}=\frac{1}{f_8^{\text{'}}};$$ $${\phi }_{III9}=\frac{1}{f_9^{\text{'}}},$$
f' - фокусное расстояние.