ПЛАНАПОХРОМАТИЧЕСКИЙ ВЫСОКОАПЕРТУРНЫЙ МИКРООБЪЕКТИВ Российский патент 2013 года по МПК G02B21/02 G02B9/64 G02B11/34 

Предлагаемое изобретение относится к оптическому приборостроению для визуального и фотографического наблюдения и исследования малоконтрастных микроскопических структур, находящихся на пределе разрешающей способности световых микроскопов, оснащенных всеми современными методами исследования объектов в естественном свете, в поляризованном свете, в свете видимой люминесценции, методами светлого поля, темного поля, фазового контраста и др.

Известен планапохроматический объектив микроскопа [1], содержащий пять компонентов, первый из которых отрицательный мениск, обращенный выпуклой поверхностью 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 - двухсклееный мениск, обращенный выпуклой поверхностью к объекту.

Объектив имеет высокое качество по всему линейному полю зрения (2у'=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 мениска, обращенного вогнутостью к пространству объекта, и двояковыпуклой положительной линзы, второй содержит двояковыпуклую положительную и склеенную из двояковыпуклой и двояковогнутой линз и третий компонент состоит из двух положительных двояковыпуклых линз.

Объектив имеет довольно большую входную апертуру (20^х×0,65), плановую коррекцию, но недостаточно исправленный хроматизм положения (объектив - ахромат) и хроматизм увеличения (ХРУ=0.8%).

Современные модели микроскопов комплектуются не только более высокоапертурными планапохроматическими микрообъективами, имеющими улучшенную коррекцию монохроматических и хроматических аберраций по всему линейному полю зрения, но и обладают реальной плоскостью апертурной диафрагмы, позволяющей размещать элементы для фазового контраста, модуляционного контраста Хоффмана и ирисовые диафрагмы для изменения глубины резкости.

Основной задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение информационной емкости изображения в результате исправления кривизны изображения и хроматической разности увеличений при увеличении числовой апертуры и линейного поля зрения.

Для решения поставленной задачи предлагается планапохроматический высокоапертурный микрообъектив, который, как и прототип, содержит три компонента, первый из которых I с оптической силой Ф_I выполнен в виде фронтального мениска, обращенного вогнутостью к пространству объекта, и двояковыпуклой положительной линзы, второй компонент II с оптической силой Ф_II, состоит из склеенной положительной и двояковогнутой отрицательной линз, и третий компонент III выполнен с оптической силой Ф_III.

В отличие от прототипа во втором компоненте II за склеенной линзой, состоящей из положительной двояковыпуклой и двояковогнутой отрицательной линз, размещены по ходу луча положительная двояковыпуклая линза с оптической силой Ф_II5 и склеенная линза с оптической силой Ф_II6,7, состоящая из отрицательного мениска, обращенного вогнутостью к пространству изображения и положительной двояковыпуклой линзы, а третий компонент III выполнен в виде плосковыпуклой положительной линзы и склеенного мениска, обращенного вогнутостью к пространству объекта и состоящего из положительного и отрицательного менисков, при этом соотношение оптических сил линз Ф_II5,6,7 к оптической силе объектива в целом Ф_об удовлетворяет условию:

$$0,25\le \left|{Ф}_{II5,6,7}/{Ф}_{об}\right|\le 0,65$$ , где Ф_II5,6,7=1/f'_5,6,7; Ф_об=1/f'_об;

где f' - фокусное расстояние, кроме того, положительная двояковыпуклая линза с оптической силой Ф_II5 и положительная двояковыпуклая линза склеенной линзы второго компонента II с оптической силой Ф_II7 выполнены из материала с коэффициентом дисперсии, удовлетворяющим условию:

64<ν_d<95,2, а отрицательный мениск с оптической силой Ф_II6, обращенный вогнутостью к пространству изображения склеенной линзы второго компонента II, выполнен из материала с коэффициентом дисперсии, удовлетворяющим условию: 45<ν_d<60.

Кроме того фронтальный мениск первого компонента I выполнен из материала с коэффициентом дисперсии 42<ν_d<48 и показателем преломления n_d≥1,8, при этом соотношение оптических сил компонентов I и II и объектива в целом Ф_об удовлетворяет условию: 0,9≤Ф_I,II/Ф_об≤1,5, а оптические силы положительной плосковыпуклой линзы Ф_III8 и склеенного мениска третьего компонента Ф_III9,10 связаны следующим соотношением:

0,45≤Ф_III8/Ф_III9,10≤0,65, где Ф_III8=1/f'₈; Ф_III9,10=1/f'_9,10;

где f' - фокусное расстояние.

Сущность предлагаемого 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 апертура и введена реальная плоскость апертурной диафрагмы.

Таким образом достигнут технический результат, заключающийся в увеличении входной апертуры и достижения планапохроматической коррекции и наличия реальной плоскости апертурной диафрагмы, необходимой для исследований по методу фазового контраста, модуляционого контраста по методу Хоффмана и др.

Предлагаемый планапохроматический высокоапертурный микрообъектив поясняется фиг.1, на которой представлена его оптическая схема, а также Приложением, в котором даны конструктивные параметры оптической системы.

Планапохроматический высокоапертурный микрообъектив содержит три компонента, первый из которых I с оптической силой Ф_I выполнен в виде фронтального мениска 1, обращенного вогнутостью к пространству объекта, и двояковыпуклой положительной линзы.

Второй компонент II с оптической силой Ф_II, состоит из склеенной положительной 3 и двояковогнутой отрицательной 4 линз, за склеенной линзой 3, 4 помещены по ходу луча положительная двояковыпуклая линза 5 с оптической силой Ф_II5 и склеенная линза 6 и 7 с оптической силой Ф_II6,7, состоящая из отрицательного мениска 6, обращенного вогнутостью к пространству изображения и положительной двояковыпуклой линзы 7.

Третий компонент III с оптической силой Ф_III выполнен в виде плосковыпуклой положительной линзы 8 и склеенного мениска, обращенного вогнутостью к пространству объекта и состоящего из положительного 9 и отрицательного 10 менисков, при этом соотношение оптических сил линз Ф_II5,6,7 к оптической силе объектива в целом Ф_об удовлетворяет условию:

$$\mathrm{0,25}\le \left|{Ф}_{II\mathrm{5,6,7}}/{Ф}_{об}\right|\le \mathrm{0,65}$$ , где Ф_II5,6,7=1/f'_5,6,7; Ф_об=1/f'_об;

f' - фокусное расстояние, кроме того, положительная двояковыпуклая линза с оптической силой Ф_II5 и положительная двояковыпуклая линза склеенной линзы второго компонента с оптической силой Ф_II7 выполнены из материала с коэффициентом дисперсии, удовлетворяющим условию: 64<ν_d<95,2, а отрицательный мениск с оптической силой Ф_II6, обращенный вогнутостью к пространству изображения склеенной линзы второго компонента, выполнен из материала с коэффициентом дисперсии, удовлетворяющим условию:

45<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, при этом соотношение оптических сил компонентов I и II и объектива в целом Ф_об удовлетворяет условию: 0,9≤Ф_I,II/Ф_об≤1,5, а оптические силы положительной плосковыпуклой линзы Ф_III8 и склеенного мениска третьего компонента Ф_III9,10 связаны следующим соотношением:

0,45≤Ф_III8/Ф_III9,10≤0,65, где Ф_III8=1/f'₈; Ф_III9,10=1/f'_9,10; где f' - фокусное расстояние.

Предлагаемый планапохроматический высокоапертурный микрообъектив работает с тубусной линзой (f'=160 мм) следующим образом.

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

Второй компонент II проецирует изображение объекта после первого компонента I с дополнительным увеличением в переднюю фокальную плоскость третьего компонента III, внося отрицательную сферическую аберрацию, положительную кому и астигматизм, частично компенсируя хроматизм положения и увеличения, и создает изображение входного зрачка, т.е. реальное положение апертурной диафрагмы, в задней фокальной плоскости системы, состоящей из первого компонента I и второго компонента II.

Третий компонент III проецирует изображение объекта после компонентов I и II в бесконечность, компенсируя остаточные сферическую аберрацию, хроматизм положения и увеличения, астигматизм и кривизну изображения.

В соответствии с предложенным техническим решением выполнен расчет планапохроматического высокоапертурного микрообъектива с реальной плоскостью апертурной диафрагмы увеличением 20 крат, входной апертурой 0,7, линейным полем зрения 25 мм.

Объектив имеет высокое качество изображения по всему линейному полю зрения 2у'=25 мм, так значение числа Штреля от 0,83 в центре до О, 22 на краю поля зрения.

Такие значения числа Штреля обуславливают высокую концентрацию энергии в центре дифракционного пятна рассеяния, и, следовательно, высокий контраст изображения по всему полю визуального наблюдения.

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

Результаты расчета приведены в приложении.

Фокусное расстояние объектива, мм 8.0 Входная апертура 0.7 Линейное поле зрения, мм 25.0 Положение входного зрачка, мм Бесконечн. Диаметр изображения, мм 25.0

Таким образом, в предлагаемом планапохроматическом высокоапертурном микрообъективе достигнуто повышение информационной емкости изображения в результате исправления кривизны изображения и хроматической разности увеличений при увеличении числовой апертуры и линейного поля зрения и создана реальная плоскость апертурной диафрагмы, необходимая для размещения элементов для фазового контраста, модуляционного контраста Хоффмана и ирисовых диафрагм для увеличения глубины резкости.

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.

Микрообъектив может быть использован для исследования малоконтрастных микроскопических структур, находящихся на пределе разрешающей способности световых микроскопов. Микрообъектив содержит первый компонент I с оптической силой Ф_I в виде фронтального мениска, обращенного вогнутостью к пространству объекта, и двояковыпуклой положительной линзы, второй компонент II с оптической силой Ф_II, состоящий из положительной линзы, склеенной из отрицательного мениска, обращенного вогнутостью к пространству изображения, и двояковыпуклой линзы, двояковыпуклой линзы с оптической силой Ф_II5, склеенной линзы с оптической силой Ф_II6,7, состоящей из отрицательного мениска, обращенного вогнутостью к пространству изображения, и двояковыпуклой линзы, и двояковогнутой линзы. Третий компонент III с оптической силой Ф_III содержит плосковыпуклую линзу и мениск, обращенный вогнутостью к пространству объекта и склеенный из положительного и отрицательного менисков. Соотношение оптических сил линз и объектива в целом и коэффициенты дисперсии материалов линз удовлетворяют условиям, указанным в формуле изобретения. Технический результат - повышение качества изображения в результате исправления кривизны изображения и хроматической разности увеличений при увеличении числовой апертуры и линейного поля зрения. 1 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 прилож.

1. Планапохроматический высокоапертурный микрообъектив, содержащий три компонента, первый из которых I с оптической силой Ф_I выполнен в виде фронтального мениска, обращенного вогнутостью к пространству объекта, и двояковыпуклой положительной линзы, второй компонент II с оптической силой Ф_II состоящий из склеенной положительной и двояковогнутой отрицательной линз, и третий компонент III с оптической силой Ф_III, отличающийся тем, что во втором компоненте II за склеенной линзой, состоящей из положительной двояковыпуклой и двояковогнутой отрицательной линз, размещены по ходу луча положительная двояковыпуклая линза с оптической силой Ф_II5 и склеенная линза с оптической силой Ф_II6,7, состоящая из отрицательного мениска, обращенного вогнутостью к пространству изображения, и положительной двояковыпуклой линзы, а третий компонент III выполнен в виде плосковыпуклой положительной линзы и склеенного мениска, обращенного вогнутостью к пространству объекта и состоящего из положительного и отрицательного менисков, при этом соотношение оптических сил линз Ф_II5,6,7 к оптической силе объектива в целом Ф_об удовлетворяет условию:
$$\mathrm{0,25}\le \left|{Ф}_{II\mathrm{5,6,7}}/{Ф}_{об}\right|\le \mathrm{0,65}$$ ,
где Ф_II5,6,7=1/f'_5,6,7; Ф_об=1/f'_об;
где f' - фокусное расстояние,
кроме того, положительная двояковыпуклая линза с оптической силой Ф_II5 и положительная двояковыпуклая линза склеенной линзы второго компонента II с оптической силой Ф_II7 выполнены из материала с коэффициентом дисперсии, удовлетворяющим условию: 64<ν_d<95,2, а отрицательный мениск с оптической силой Ф_II6, обращенный вогнутостью к пространству изображения склеенной линзы второго компонента II, выполнен из материала с коэффициентом дисперсии, удовлетворяющим условию: 45<ν_d<60.

2. Планапохроматический высокоапертурный микрообъектив по п.1, отличающийся тем, что фронтальный мениск первого компонента I выполнен из материала с коэффициентом дисперсии 42<ν_d<48 и показателем преломления n_d≥1,8, при этом соотношение оптических сил компонентов I и II и объектива в целом Ф_об удовлетворяет условию:
0,9≤Ф_I,II/Ф_об≤1,5,
а оптические силы положительной плосковыпуклой линзы Ф_III8 и склеенного мениска третьего компонента Ф_III9,10 связаны следующим соотношением:
0,45≤Ф_III8/Ф_III9,10≤0,65,
где Ф_III8=1/f'₈; Ф_III9,10=1/f'_9,10;
где f' - фокусное расстояние.