ОПТИЧЕСКИЙ УЗЕЛ, ОПТИЧЕСКИЙ ИНСТРУМЕНТ И СПОСОБ Российский патент 2022 года по МПК G02B9/06 G02B21/36 G02B27/58 

Настоящее изобретение относится к оптическому узлу. Изобретение также относится к оптическому инструменту, содержащему оптический узел и к способу увеличения разрешения оптического инструмента.

Пассивные оптические инструменты расширяют возможности глаза, как с точки зрения его разрешающей способности, так и с точки зрения восприятия яркости. Различия в яркости, широко распределенные пространственные положения и различия в цвете объектов конденсируют в пакеты световой информации, которые при передаче с достаточной энергией на большие расстояния, могут быть получены телескопами и развернуты и представлены в виде двумерной информации в виде изображения. Яркость, пространственная и цветовая информация, сконденсированная в очень малый участок пространства, может быть доступна для дополнительного использования с помощью микроскопа.

Для разрешающей способности невооруженного глаза, расстояние в 25 см считают традиционным визуальным диапазоном или эталонным визуальным диапазоном. Здесь, глаз может достигать наилучшего пространственного разрешения в течение более длинных периодов времени. Если объект удерживают между 25 и 10 см близко к глазу, соответственно лучшее пространственное разрешение может быть достигнуто в течение коротких периодов времени. При расслабленных глазах и более длинных расстояниях от нескольких метров до бесконечности, типичное угловое разрешение человеческого глаза составляет 1 угловую минуту.

Пассивные оптические инструменты изготавливают для различных целей. Их эксплуатационные характеристики в основном оптимизируют для соответствующей области применения. Например, увеличение телескопа или микроскопа может быть полезно увеличено до тех пор, пока угловое разрешение оптического инструмента совпадает с таковым человеческого глаза. Его называют полезным увеличением. Чрезмерное увеличение, с другой стороны, когда визуальный контраст становится слишком низким, называют мертвым увеличением. Классические системы визуализации, такие как телескопы, фотокамеры и микроскопы, в основном имеют конструкцию специализированной линзы, специализированного окуляра и/или датчика изображения, где телефотолинзы или астролинзы конкретно приспосабливают для увеличения расстояния, а макролинзы, микролинзы и нанолинзы конкретно приспосабливают для увеличения сжатия оптической информации.

Между объективом и окуляром/носителем информации, в проекционном микроскопе может быть установлена оптика, увеличивающая фокусное расстояние (так называемые удлинители), оптика, передающая изображение (так называемая передающая оптика), и проекционная линза. Во всех этих случаях, качество, т.е. разрешение и контраст изображений, снижается. Хотя участок изображения может быть уменьшен таким образом, т.е. увеличен рассматриваемый объект, это происходит за счет резкости изображения и насыщенности деталей.

Задача настоящего изобретения заключалась в том, чтобы предложить альтернативное устройство, соответственно, альтернативный способ, с помощью которого оптическое разрешение может быть улучшено.

Эту задачу решают признаками, упомянутыми в п. 1 формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления изобретения указаны в зависимых пунктах формулы изобретения.

Настоящее изобретение относится к оптическому узлу, содержащему первый линзовый блок и второй линзовый блок. Плоскость промежуточного изображения ограничена между первым линзовым блоком и вторым линзовым блоком. Первый линзовый блок выполнен с возможностью визуализировать изображение с плоскости первого изображения в увеличенное реальное промежуточное изображение в плоскости промежуточного изображения. Набор возможных траекторий луча через первый линзовый блок ограничивает первую входную область в плоскости первого изображения и ограничивает первую выходную область в плоскости промежуточного изображения. Второй линзовый блок выполнен с возможностью визуализировать изображение с плоскости промежуточного изображения в увеличенное реальное изображение в плоскости второго изображения. Набор возможных траекторий луча через второй линзовый блок ограничивает вторую входную область в плоскости промежуточного изображения и ограничивает вторую выходную область в плоскости второго изображения. Вторая входная область включает в себя первый участок первой выходной области и исключает второй участок первой выходной области.

Плоскость первого изображения находится на входной стороне первого линзового блока, а плоскость второго изображения находится на выходной стороне второго линзового блока. Оптическая ось может продолжаться от входной стороны оптического узла через первый линзовый блок и второй линзовый блок до выходной стороны оптического узла. В этом случае, плоскость первого изображения, плоскость второго изображения и плоскость промежуточного изображения могут быть по существу перпендикулярны оптической оси. Изображение в плоскости первого изображения может быть образовано объектом, подлежащем визуализации, или оно может, в свою очередь, уже быть реальным промежуточным изображением, созданным оптической системой на входе оптического узла согласно изобретению. Увеличенное реальное изображение, образованное в плоскости второго изображения, имеет желаемое увеличенное разрешение. Это увеличенное реальное изображение, созданное в плоскости второго изображения, может быть далее увеличено дополнительными выходными оптическими элементами, наблюдаемыми через окуляр, или захвачено датчиком изображения.

Первый линзовый блок имеет первое входное отверстие и первый коэффициент увеличения, больше 1, оба из которых влияют на возможные траектории луча через первый линзовый блок. Аналогично, второй линзовый блок имеет вторую входную апертуру и второй коэффициент увеличения, больше 1, оба из которых влияют на возможные траектории луча через второй линзовый блок. Первая и вторая входные области, и первая и вторая выходные области, являются плоскими областями в пределах соответствующей плоскости, в которой они ограничены. Как первая выходная область, так и вторая входная область ограничены в плоскости промежуточного изображения. Свойством оптического узла согласно изобретению является то, что только часть первой выходной области перекрывается второй входной областью. В этой перекрывающейся области возможно увеличивать масштаб в деталях, так сказать. Через отверстие второго линзового блока входят только лучи, которые принадлежат участку промежуточного изображения. Т.е., в отличие от так называемой передающей оптики, все промежуточное изображение не включено в последующий второй линзовый блок, а увеличение происходит от обоих линзовых блоков.

В простейшем случае, линзовые блоки могут состоять из одной линзы. Линзовые блоки могут также включать в себя зеркала в качестве элементов. Как первый линзовый блок, так и второй линзовый блок может быть сконструирован в виде группы линз. Вторые линзовые блоки, и возможно другие оптические элементы, могут быть встроены в общую внешнюю трубку. Такая внешняя трубка может, например, быть рифленой или зачерненной внутри для снижения рассеянного света внутри оптического узла. В частности, могут быть установлены элементы, которые предотвращают вхождение лучей с непрямыми траекториями со второй части первой входной области во входное отверстие второго линзового блока.

Возможно расположение в виде каскада нескольких оптических узлов согласно изобретению, как будет дополнительно объяснено ниже также в связи с примерами варианта осуществления. Благодаря своим свойствам в качестве увеличительного линзового блока, первая входная область содержит первую часть первой плоскости изображения и исключает вторую часть первой плоскости изображения. При подходящем расположении дополнительного линзового блока перед первым линзовым блоком, выходная область дополнительного линзового блока может быть расположена по отношению к первой плоскости изображения таким образом, что дополнительный линзовый блок и первый линзовый блок образуют дополнительный оптический узел согласно изобретению, причем дополнительный линзовый блок играет роль первого линзового блока дополнительного оптического узла, и в котором первый линзовый блок первого упомянутого оптического узла играет роль второго линзового блока дополнительного оптического узла.

Оптический узел согласно изобретению может быть назван мультипроекционным модулем, поскольку он создает реальное промежуточное изображение - проекцию - по меньшей мере, дважды, а именно в плоскости промежуточного изображения и в плоскости второго изображения.

Как установил изобретатель, когда используют оптический узел согласно изобретению, недостатки известного уровня техники, упомянутые выше, такие как более низкое разрешение или уменьшение контраста в передающей оптике и/или удлинителях, не возникают при увеличении объекта; наоборот, качество изображения исходных линз значительно улучается.

В одном варианте осуществления оптического узла, первый линзовый блок имеет первое фокусное расстояние, а второй линзовый блок имеет второе фокусное расстояние. Расстояние от первого линзового блока до плоскости промежуточного изображения ограничивает ширину первого изображения, а расстояние от второго линзового блока до плоскости второго изображения ограничивает ширину второго изображения. Согласно варианту осуществления, отношение первого фокусного расстояния к ширине первого изображения находится в диапазоне от 1:10 до 1:1000. Альтернативно и в совокупности с упомянутым признаком, отношение второго фокусного расстояния к ширине второго изображения находится в диапазоне от 1:10 до 1:1000.

В отличие от передающей оптики, в которой отношение фокусного расстояния к ширине изображения находится в диапазоне от 1:1 до 1:2, согласно настоящему варианту осуществления изобретения, ширина изображения значительно больше фокусного расстояния соответствующего линзового блока. Ширину изображения необходимо понимать как расстояние от последней линзы линзового блока до созданного реального промежуточного изображения. Например, первый линзовый блок может иметь фокусное расстояние 11 миллиметров и быть рассчитан на ширину изображения 150 миллиметров, т.е. иметь отношение фокусного расстояния к ширине изображения приблизительно 1:13,6. В другом примере согласно варианту осуществления, первый линзовый блок может иметь очень короткое фокусное расстояние 0,2 миллиметра, и быть рассчитан на ширину изображения 150 миллиметров, таким образом, имея отношение фокусного расстояния к ширине изображения 1:750. Второй линзовый блок может иметь отношение фокусного расстояния к фокусному расстоянию согласно одному из примеров для первого линзового блока.

Изобретатель установил, что качество визуализации согласно этому варианту осуществления особенно высокое.

Согласно одному варианту осуществления, отношение первого фокусного расстояния к ширине первого изображения и/или отношение второго фокусного расстояния к ширине второго изображения больше или равно 1:40.

Изобретатель установил, что в этом варианте осуществления, коэффициенты увеличения всего узла, превышающие 1000 раз, могут быть достигнуты при поддержании очень высокого оптического качества.

Это особый случай, когда и отношение первого фокусного расстояния к ширине первого изображения, и отношение второго фокусного расстояния к ширине второго изображения больше или равно 1:40.

Согласно одному варианту осуществления, первый и/или второй линзовый блок имеет конструкцию линзы, корректированной на бесконечность.

В частности, первый и/или второй линзовый блок может иметь конструкцию линзы микроскопа, скорректированной на бесконечность.

Под линзой, корректированной на бесконечность, понимают линзу, которая корректирована на бесконечность в отношении, по меньшей мере, одной из следующих аберраций:

- хроматическая аберрация,

- сферическая аберрация,

- астигматизм,

- кома.

В частности, некоторые из упомянутых аберраций или все упомянутые аберрации могут быть существенно корректированы на бесконечность. Крректированный на бесконечность означает, что к каждой точке за линзой применяется корректировка.

Изобретатель установил, что этот вариант осуществления приводит к удивительно высокому качеству визуализации. Здесь, корректировка вышеупомянутых аберраций не только влияет на свойства, которые можно ожидать, например, на корректировку хроматической аберрации при уменьшении нежелательных цветных окантовок при переходе от светлого к темному, но, удивительно, разрешение, достигаемое оптическим узлом, также значительно улучшается.

Значительные улучшения достижимого разрешения достигают первым и/или вторым линзовым блоками, которые имеют как конструкцию, корректированную на бесконечность, так и отношение фокусного расстояния к расстоянию изображения также больше или равное 1:40.

Согласно одному варианту осуществления, площадь первой части первой выходной области составляет не более одной десятой площади первой выходной области.

Согласно этому варианту осуществления, исключенная вторая часть первой выходной области намного больше первой части первой выходной области, соответствующей второй входной области, которая дополнительно увеличена вторым линзовым блоком. Например, площадь первого участка первой выходной области может составлять одну двенадцатую площади первой выходной области или менее.

В одном варианте осуществления, по меньшей мере, один дополнительный линзовый блок расположен смежно со вторым линзовым блоком, и, по меньшей мере, один дополнительный линзовый блок расположен для визуализации изображения с плоскости промежуточного изображения в увеличенное реальное изображение в дополнительной плоскости изображения. Таким образом, совокупность возможных траекторий лучей через дополнительный блок объектива ограничивает дополнительную входную область в плоскости промежуточного изображения и ограничивает дополнительную выходную область в дополнительной плоскости изображения, причем дополнительная входная область отличается от первой входной области.

В этом варианте осуществления, дополнительный линзовый блок имеет ту же самую функцию, что и второй линзовый блок, за исключением того, что он направлен в другую входную область. Множество таких дополнительных линзовых блоков может быть расположено рядом друг с другом, например, в виде составного глаза насекомого. Каждый из дополнительных линзовых блоков может быть образован одной линзой, например. Дополнительные входные области могут быть расположены в шестиугольной конфигурации, например, при котором дополнительные входные области могут слегка перекрываться друг с другом или со второй входной областью на краю. Таким образом, части изображения с большой части первой выходной области или со всей первой выходной области могут быть записаны и дополнительно увеличены без зазоров с помощью множества дополнительных линзовых блоков, работающих параллельно. Этот вариант осуществления оптического узла может быть встроен, например, в оптический инструмент, в котором каждый дополнительный линзовый блок расположен перед отдельным датчиком изображения. Второй линзовый блок и каждый дополнительный линзовый блок могут быть образованы в виде сферической линзы или асферической линзы в группе микролинз, причем группа таких микролинз может содержать от 100 до 1000 отдельных микролинз, т.е. дополнительные линзовые блоки, расположенные параллельно.

В одном варианте осуществления оптического узла, первый линзовый блок выполнен с возможностью того, что фокальные точки, образованные различными радиальными областями первого линзового блока в области плоскости промежуточного изображения, находятся на расстоянии меньше 500 нанометров друг от друга в направлении оптической оси первого линзового блока, предпочтительно менее 50 нанометров друг от друга. Альтернативно или в совокупности с упомянутой конструкцией первого линзового блока, второй линзовый блок сконструирован таким образом, что фокальные точки, образованные различными радиальными областями второго линзового блока, находятся на расстоянии менее 500 нанометров друг от друга в области плоскости второго изображения в направлении оптической оси второго линзового блока, предпочтительно менее 50 нанометров друг от друга.

Протяженность в направлении оптической оси области, в которую попадают фокальные точки линзового блока, т.е. протяженность области, в которой лежит параксиальный фокус, фокус центральной зоны и фокус краевого луча, представляет собой меру сферической аберрации. В этом варианте осуществления, сферическую аберрацию первого линзового блока и/или второго линзового блока корректируют до высокой и очень высокой степени. Изобретатель установил, что качество изображения удивительно значительно улучшается низкой сферической аберрацией отдельных линзовых элементов в расположении в оптическом узле согласно изобретению.

Низкая сферическая аберрация может быть достигнута подходящей формой асферической линзы или группы линз с по меньшей мере одной асферической линзой подходящей формы, встроенной в линзовый блок. Другой путь корректировки сферической аберрации заключается во встраивании пластины для корректировки аберрации, ограниченной толщиной и показателем преломления, плоскими параллельными поверхностями в точке в линзовом блоке, где лучи сходятся или расходятся.

Изобретатель установил, что даже оптимизация линзовых блоков в отношении сферической аберрации до такой степени, когда фокальные точки находятся ближе друг к другу, чем 50 нанометров, т.е., ближе, чем одна десятая типичной наблюдаемой длины волны, удивительно все же приводит к дополнительному увеличению качества визуализации оптическим узлом изобретения.

Кроме того, в этом варианте осуществления, а также в других вариантах осуществления, хроматическая аберрация может быть корректирована. Эта корректировка может быть реализована в виде так называемой корректировки на бесконечность, т.е. таким образом, что корректировка применяется к каждой точке за линзой.

В одном варианте осуществления, оптический узел имеет общее крепление для первого линзового блока и для второго линзового блока.

В одном варианте осуществления оптического узла, первый линзовый блок и второй линзовый блок подвижны относительно друг друга параллельно общей оптической оси. В частности, первый линзовый блок и второй линзовый блок могут быть выполнены с возможностью смещаться друг относительно друга в пределах диапазона от 5 мм до 5 см.

В этом варианте осуществления, для различных расстояний объектов, взаимное положение двух линзовых блоков может быть настроено таким образом, чтобы общая плоскость промежуточного изображения лежала на подходящем расстоянии от двух линзовых блоков.

В одном варианте осуществления оптического узла, первый линзовый блок и второй линзовый блок имеют идентичные свойства. В этом варианте осуществления, например, два предварительно изготовленных линзовых блока идентичной конструкции могут быть расположены один за другим. Это позволяет особенно экономичное и простое изготовление оптического узла.

Один вариант осуществления оптического узла содержит три и более линзовых блока, расположенных последовательно, причем каждая пара смежных линзовых блоков образует оптический узел согласно изобретению, в частности, в котором, по меньшей мере, одна пара смежных линзовых блоков образует оптический узел согласно одному из упомянутых вариантов осуществления.

Базовый элемент оптического узла, содержащий два линзовых блока, может быть расширен в каскаде. На каждом этапе каскада, один линзовый блок увеличивает участок реального изображения, проецирует его на определенное расстояние, где следующий линзовый блок проецирует участок этого реального изображения снова на определенное расстояние, и это повторяется на каждом этапе каскадной системы. Реальное изображение последней проекционной линзы может, например, с помощью собирающей линзы и/или окуляра, формировать теперь сильно увеличенное и подробное изображение объекта, видимого при помощи носителя информации или глаза.

Этот вариант осуществления особенно подходит для общих увеличений в диапазоне от 1000 раз до 10000 раз.

Признаки вариантов осуществления оптического узла могут быть объединены, как описано, при условии, что они не противоречат друг другу.

Эту задачу дополнительно решают оптическим инструментом согласно пункту 12 формулы изобретения.

Оптический инструмент согласно изобретению содержит оптический узел согласно изобретению и дополнительно содержит датчик изображения или окуляр, причем датчик изображения или окуляр расположен на выходе второго линзового блока.

В случае, когда используют окуляр, полученное изображение высокого разрешения может наблюдаться непосредственно глазом. Датчик изображения может, например, иметь светочувствительные детекторные элементы, расположенные в матрице. Такие датчики изображения коммерчески доступны, например, в форме так называемых датчиков с приборами с зарядовой связью (CCD).

Один вариант осуществления оптического инструмента имеет точечную диафрагму, расположенную на входной стороне оптического узла.

В этом варианте осуществления, точечная диафрагма образует виртуальную линзу. Первая ступень оптического инструмента, таким образом, функционирует как камера с точечной диафрагмой (камера-обскура), в которой нет необходимости устанавливать расстояние конкретного объекта.

Один вариант осуществления оптического инструмента дополнительно содержит входную линзу, расположенную на входной стороне оптического узла.

Оптический инструмент согласно этому варианту осуществления можно называть мультископическим инструментом. При одинаковой базовой конструкцией входная линза-мультипроекционный модуль-окуляр или линза-мультипроекционный модуль-датчик изображения, может быть сконструирован универсальный пассивный оптический инструмент, который одинаково подходит для областей применения астро-, теле-, макро-, микро- и нано-фотографии. В этом контексте, мультипроекционный модуль означает оптический узел согласно изобретению.

В качестве технологической реализации этого варианта осуществления, могут рассматриваться расположение любой входной линзы, проекционной линзы, собирающей линзы и окуляра, с отдельными элементами, расположенными в вышеупомянутом порядке вдоль оптической оси.

В одном варианте осуществления оптического инструмента, входная линза сконструирована в виде телефотолинзы.

Этот вариант осуществления подходит для визуализации объектов на большем расстоянии. В этом варианте осуществления, элементы регулирования для фокусировки и для настройки увеличения масштаба могут быть встроены в телефотолинзу. Последующий оптический узел с первым и вторым линзовым элементами обеспечивает дополнительное увеличение разрешения.

В одном варианте осуществления оптического инструмента, входная линза имеет входную апертуру, больше или равную 90 миллиметров, и имеет фокусное расстояние, больше или равное 400 миллиметров.

Изобретение дополнительно относится к оптическому инструменту, в частности, микроскопу, который сконструирован в виде оптического инструмента согласно изобретению, и в котором входная линза сконструирована в виде линзы микроскопа.

Этот вариант осуществления особенно подходит для перемещения входной линзы очень близко к объекту, подлежащему визуализации.

В одном варианте осуществления оптического инструмента, в частности, микроскопа, входная линза имеет входную апертуру меньше или равную 6 миллиметров, и фокусное расстояние, меньше или равное 10 миллиметров.

В одном варианте осуществления, оптический инструмент, в частности микроскоп, дополнительно содержит держатель образца и осветительный блок, в котором, начиная с осветительного блока, световой луч осветительного блока освещает одну сторону держателя образца, затем проходит первый и второй линзовые блоки, и в конце падает на датчик изображения, причем первый линзовый блок и второй линзовый блок, которые установлены на фокусирующем блоке, выполнены с возможностью совместно смещаться главным образом с шагами не более 50 нанометров для фокусировки.

Признаки вариантов осуществления оптического инструмента, соответственно, микроскопа, являются произвольно объединяемыми, если не противоречивы.

Задачу дополнительно решают способом по пункту 20 формулы изобретения.

Способ согласно изобретению представляет собой способ оптической визуализации оптическим инструментом посредством первого линзового блока и второго линзового блока. Первый линзовый блок визуализирует первое изображение в увеличенное первое промежуточное реальное изображение. Дополнительно, второй линзовый блок визуализирует частичную область первого промежуточного реального изображения в увеличенное второе промежуточное реальное изображение.

Оптический узел и оптический инструмент или микроскоп согласно изобретению подходят для осуществления способа согласно изобретению.

Во всех вариантах осуществления, оптические свойства первого линзового блока и второго линзового блока могут соответствовать оптическим свойствам линзы микроскопа. В качестве примера, хорошо функционирующие совокупности первого и второго линзовых блоков приведены ниже, каждая из которых характеризуется фокусным расстоянием f и его входной апертурой D в миллиметрах:

Пример первый линзовый блок второй линзовый блок № 1 f = 3,1 мм, D = 11,5 мм f = 3,1 мм, D = 11,5 мм № 2 f = 3,1 мм, D = 11,5 мм f = 0,6 мм, D = 6,0 мм № 3 f = 0,6 мм, D = 6,0 мм f = 3,1 мм, D = 11,5 мм № 4 f = 3,1 мм, D = 11,5 мм f = 0,18 мм, D = 7,2 мм № 5 f = 3,1 мм, D = 11,5 мм f = 0,15 мм, D = 9,2 мм

Пример №1 представляет вариант осуществления, в котором первый и второй линзовые блоки имеют одинаковые свойства. Во всех пяти примерах, приведенных в таблице, входная апертура D линзовых блоков значительно больше, чем фокусное расстояние f. Частное D/f в приведенных примерах находится в диапазоне от около 3,7 (см. первый линзовый блок в примерах №№ 1, 2, 4 и 5) до около 61 (см. второй линзовый блок в примере 5).

Примеры вариантов осуществления настоящего изобретения объяснены дополнительно подробно ниже со ссылкой на фигуры.

Фиг. 1 представляет схематичный и упрощенный вид в перспективе оптического узла согласно изобретению.

Фиг. 2 представляет схематичный и упрощенный вид в сечении варианта осуществления оптического инструмента.

Фиг. 3 представляет схематичный и упрощенный вид в сечении варианта осуществления микроскопа.

Фиг. 4 представляет схематичный и упрощенный вариант осуществления с дополнительными линзовыми блоками, расположенными рядом со вторым линзовым блоком.

Фиг. 1 показывает оптический узел 100 согласно изобретению, содержащий первый линзовый блок 10 и второй линзовый блок 20. Начерчена оптическая ось 4, которая проходит через оба линзовых блока. Плоскость 1 первого изображения определена на входной стороне первого линзового блока, плоскость 2 промежуточного изображения определена между двумя линзовыми блоками, и плоскость 3 второго изображения определена на выходной стороне второго линзового блока. Упомянутые плоскости представляют собой воображаемые плоскости, положение которых определено оптическими свойствами визуализации и взаимным положением первого и второго линзовых блоков. Первый линзовый блок 10 расположен так, чтобы визуализировать изображение с плоскости 1 первого изображения в увеличенное реальное промежуточное изображение в плоскости 2 промежуточного изображения. Совокупность возможных траекторий луча через первый линзовый блок лежит в своеобразном входном конусе, который обозначен пунктирными линиями и который, пересекаясь с плоскостью первого изображения, ограничивает первую плоскую входную область 11. Аналогично, выходной конус с возможными траекториями луча в плоскости промежуточного изображения ограничивает первую плоскую выходную область 12.

Второй линзовый блок 20 расположен так, чтобы отображать изображение с плоскости 2 промежуточного изображения в увеличенное реальное изображение в плоскости 3 второго изображения. Таким образом, совокупность возможных траекторий луча через второй линзовый блок также ограничивает своеобразный входной конус, обозначенный пунктирными линиями, и определяет вторую плоскую входную область 21, пересекающуюся с плоскостью промежуточного изображения. Аналогично, вторая плоская выходная область 22 определена в плоскости второго изображения. Вторая входная область 21 включает в себя первый участок первой выходной области, заштрихованный наклонно от верхнего левого угла до нижнего правого угла на фигуре, и исключает второй участок первой выходной области. Вторая исключенная область заштрихована наклонно от нижнего левого угла до верхнего правого угла. Для пояснения этапов визуализации, первая входная область 11 и первая выходная область 12 заштрихованы таким же образом, и вторая входная область 21 и вторая выходная область 22 заштрихованы таким же образом. Эта штриховка не представляет никакого содержания изображения. Стрелки на оптической оси 4 указывают направление изображения.

Фиг. 2 показывает схематичное сечение варианта осуществления оптического инструмента. Оптический узел 100 расположен на участке, обозначенном фигурной скобкой. Каждые положения плоскости 1 первого изображения, плоскости 3 второго изображения и плоскости 2 промежуточного изображения, а также других плоскостей, указаны пунктирной линией. Каждые реальные изображения или промежуточные изображения, а также участки изображений и промежуточные изображения, указаны стрелками в соответствующей плоскости, причем направление стрелки указывает положение изображения. Наблюдаемый объект 60 в плоскости объекта визуализируют входной линзой 30 в плоскости 1 первого изображения. Участок 63 этого изображения 62 визуализируют в плоскость 2 промежуточного изображения первым линзовым блоком 10. Участок 65 изображения 64 в плоскости промежуточного изображения снова визуализируют вторым линзовым блоком 20 в плоскость 3 второго изображения. Образованное там изображение 66 визуализируют через собирающую линзу 40 в плоскость 51 датчика изображения, за которой расположен датчик 50 изображения, например CCD датчик.

Показанная фигура выполнена не в масштабе. В частности, протяженность оптических элементов 10, 20, 30, 40 в направлении оптической оси 4 может быть значительно больше.

Например, рассматриваемый объект 60 может быть на расстоянии от 0,5 метров до бесконечности. Входная линза 30 может иметь, например, входную апертуру 90 миллиметров или более. Например, входная линза 30 может иметь фокусное расстояние 400 миллиметров или более. И первый 10 и второй линзовые блоки 20 могут иметь, например, свойства линзы микроскопа. Например, первый 10 и второй линзовые блоки 20 могут быть такой же конструкции и иметь входную апертуру 6 миллиметров или меньше, и иметь фокусное расстояние 10 миллиметров или меньше.

Фиг. 3 показывает вариант осуществления микроскопа 300, аналогичный фиг. 2. Здесь входная линза 30 представляет собой линзу микроскопа. Соответственно, расстояние от объекта 60, подлежащего визуализации, до входной линзы, меньше по сравнению с диаметром входной линзы. Например, входная линза 30 может иметь входную апертуру 6 миллиметров или меньше, и может иметь фокусное расстояние 10 миллиметров или меньше. Оптический узел 100, собирающая линза 40 и датчик 50 изображения могут быть сконструированы таким же образом, как показано на фиг. 2.

Фиг. 4 показывает вариант осуществления, на котором, по меньшей мере, один дополнительный линзовый блок расположен рядом со вторым линзовым блоком. На этой фигуре, показаны два дополнительных линзовых блока 20' и 20''. Они имеют те же функции, что и второй линзовый блок 20, но каждый отображает различную дополнительную входную область 21', 21'' на дополнительную выходную область 22', 22'' в дополнительной плоскости изображения 3', 3''. В показанном случае входная область 21' пространственно отделена от входных областей 21 и 21''. Входные области 21 и 21'' частично перекрываются. Плоскости изображения 3, 3' и 3'' могут иметь различные положения и ориентации в пространстве, как показано на этой фигуре, но они могут также быть идентичными плоскостями.

Список ссылочных позиций

1 - плоскость первого изображения

2 - плоскость промежуточного изображения

3 - плоскость второго изображения

3', 3'' - дополнительные плоскости изображения

4 - оптическая ось

10 - первый линзовый блок

11 - первая входная область

12 - первая выходная область

20 - второй линзовый блок

20', 20'' - дополнительные линзовые блоки

21 - вторая входная область

21', 21'' - дополнительные входные области

22 - вторая выходная область

22', 22'' - дополнительные выходные области

30 - входная линза

40 - собирательная линза

50 - датчик изображения

51 - плоскость датчика изображения

60 - объект

61 - плоскость объекта

62 - реальное изображение в плоскости первого изображения

63 - часть реального изображения 62

64 - реальное промежуточное изображение в плоскости промежуточного изображения

65 - часть реального промежуточного изображения 64

66 - реальное изображение в плоскости второго изображения

67 - часть реального изображения 66

68 - реальное изображение в плоскости датчика изображения

100 - оптический узел

200 - оптический инструмент

300 - микроскоп.

Изобретение относится к области оптического приборостроения и касается оптического узла. Оптический узел содержит первый линзовый блок и второй линзовый блок. Первый линзовый блок расположен для визуализации изображения с плоскости первого изображения в увеличенное реальное промежуточное изображение в плоскости промежуточного изображения. Совокупность возможных траекторий луча через первый линзовый блок определяет первую входную область в плоскости первого изображения и определяет первую выходную область в плоскости промежуточного изображения. Второй линзовый блок расположен для визуализации изображения с плоскости промежуточного изображения в увеличенное реальное изображение в плоскости второго изображения. Совокупность возможных траекторий луча через второй линзовый блок определяет входную область в плоскости промежуточного изображения и определяет вторую выходную область в плоскости второго изображения. Вторая входная область содержит первую часть первой выходной области и исключает вторую часть первой выходной области. Технический результат заключается в повышении качества изображения. 3 н. и 17 з.п. ф-лы. 4 ил.

1. Оптический узел (100), содержащий первый линзовый блок (10) и второй линзовый блок (20), в котором

плоскость промежуточного изображения (2) определена между первым линзовым блоком и вторым линзовым блоком,

первый линзовый блок (10) расположен для визуализации изображения с плоскости (1) первого изображения в увеличенное реальное промежуточное изображение в плоскости (2) промежуточного изображения, и в котором совокупность возможных траекторий луча через первый линзовый блок определяет первую входную область (11) в плоскости первого изображения, и определяет первую выходную область (12) в плоскости промежуточного изображения,

причем второй линзовый блок (20) расположен для визуализации изображения с плоскости (2) промежуточного изображения в увеличенное реальное изображение в плоскости (3) второго изображения, и в котором совокупность возможных траекторий луча через второй линзовый блок определяет вторую входную область (21) в плоскости промежуточного изображения и определяет вторую выходную область (22) в плоскости второго изображения, и

в котором вторая входная область (21) содержит первую часть первой выходной области и исключает вторую часть первой выходной области.

2. Оптический узел по п. 1, в котором первый линзовый блок имеет первое фокусное расстояние, а второй линзовый блок имеет второе фокусное расстояние, причем расстояние от первого линзового блока до плоскости промежуточного изображения определяет ширину первого изображения, расстояние от второго линзового блока до плоскости второго изображения определяет ширину второго изображения, и отношение первого фокусного расстояния к ширине первого изображения и/или отношение второго фокусного расстояния к ширине второго изображения находится в диапазоне от 1:10 до 1:1000.

3. Оптический узел по п. 2, в котором отношение первого фокусного расстояния к ширине первого изображения и/или отношение второго фокусного расстояния к ширине второго изображения больше или равно 1:40.

4. Оптический узел по любому одному из пп. 1-3, в котором первый и/или второй линзовый блок имеет конструкцию линзы, корректированной на бесконечность.

5. Оптический узел по любому одному из пп. 1-4, в котором площадь первой части первой выходной области составляет не более одной десятой площади первой выходной области.

6. Оптический узел по любому одному из пп. 1-5, в котором по меньшей мере один дополнительный линзовый блок расположен смежно со вторым линзовым блоком, и по меньшей мере один дополнительный линзовый блок расположен для визуализации изображения от плоскости (2) промежуточного изображения в увеличенное реальное изображение в дополнительную плоскость (3', 3'') изображения, и причем совокупность возможных траекторий луча через дополнительный линзовый блок определяет дополнительную входную область (21', 21'') в плоскости промежуточного изображения, и определяет дополнительную выходную область (22', 22'') в дополнительной плоскости изображения, причем дополнительная входная область (21', 21'') отличается от первой входной области (21).

7. Оптический узел по любому одному из пп. 1-6, в котором первый линзовый блок (10) выполнен с возможностью, того, чтобы фокальные точки, образованные различными радиальными областями первого линзового блока, находились на расстоянии менее 500 нанометров друг от друга в области плоскости (2) промежуточного изображения в направлении оптической оси первого линзового блока, в частности, менее 50 нанометров друг от друга, и/или в котором второй линзовый блок (20) выполнен с возможностью того, чтобы фокальные точки, образованные различными радиальными областями второго линзового блока, находились на расстоянии менее 500 нанометров друг от друга в области плоскости (3) второго изображения в направлении оптической оси второго линзового блока, в частности менее 50 нанометров друг от друга.

8. Оптический узел по любому одному из пп. 1-7, в котором оптический узел содержит общее крепление для первого линзового блока (10) и второго линзового блока (20).

9. Оптический узел по любому одному из пп. 1-8, в котором первый линзовый блок (10) и второй линзовый блок (20) выполнены с возможностью смещаться относительно друг друга параллельно общей оптической оси (4), в частности, смещаться относительно друг друга в пределах диапазона от 5 мм до 5 см.

10. Оптический узел по любому одному из пп. 1-9, в котором первый линзовый блок (10) и второй линзовый блок (20) имеют идентичные свойства.

11. Оптический узел по любому одному из пп. 1-10, в котором оптический узел содержит три или более линзовых блока (10, 20), расположенных последовательно, и в котором каждая пара смежных линзовых блоков (10, 20) образует узел по любому одному из пп. 1-10.

12. Оптический инструмент (200, 300), содержащий оптический узел по любому одному из пп. 1-11, в котором оптический инструмент дополнительно содержит датчик (50) изображения или окуляр, причем датчик изображения или окуляр расположен дальше по ходу второго линзового блока.

13. Оптический инструмент по п. 12, в котором оптический инструмент дополнительно содержит точечную диафрагму, расположенную на входной стороне оптического узла.

14. Оптический инструмент (200, 300) по п. 12, в котором оптический инструмент дополнительно содержит входную линзу (30), расположенную на входной стороне оптического узла.

15. Оптический инструмент (200) по п. 14, в котором входная линза (30) сконструирована в виде телефотолинзы.

16. Оптический инструмент (200) по п. 14 или 15, в котором входная линза имеет входную апертуру, больше или равную 90 миллиметров, и имеет фокусное расстояние, больше или равное 400 миллиметров.

17. Оптический инструмент по п. 14, в котором входная линза сконструирована в виде линзы микроскопа.

18. Оптический инструмент по п. 14 или 17, в котором входная линза имеет входную апертуру, меньше или равную 6 миллиметров, и имеет фокусное расстояние, меньше или равное 10 миллиметров.

19. Оптический инструмент по любому одному из пп. 17 или 18, в котором оптический инструмент дополнительно содержит держатель образца и осветительный блок, причем, начиная с осветительного блока, световой луч осветительного блока освещает одну сторону держателя образца, затем проходит через первый и второй линзовые блоки, и в конце падает на датчик изображения, причем первый линзовый блок и второй линзовый блок, установленные на фокусирующем блоке, выполнены с возможностью смещаться вместе с шагами не более 50 нанометров для фокусировки.

20. Способ оптической визуализации оптическим инструментом, имеющим первый линзовый блок и второй линзовый блок, в котором первое изображение визуализируют в увеличенное первое промежуточное реальное изображение первым линзовым блоком, и в котором частичную площадь первого промежуточного реального изображения визуализируют в увеличенное второе промежуточное реальное изображение вторым линзовым блоком.