Объектив спектрометра с вынесенным зрачком Российский патент 2025 года по МПК G02B13/14 

Изобретение относится к оптическому приборостроению и может быть использовано в окулярах телескопических систем и микроскопов, а также для построения изображений оптического спектра в спектрометрах ближнего инфракрасного диапазона.

Для целей диагностики ряда заболеваний, в том числе онкологических, используется метод оптической когерентной томографии, предполагающий сканирование поверхности исследуемого органа либо ткани зондирующим лучом ближнего инфракрасного диапазона и регистрацию рассеянного в обратном направлении излучения посредством спектрометра.

Используемые в оптической когерентной томографии для регистрации излучения спектрометры имеют специальную конфигурацию, позволяющую осуществлять эквидистантную по оптической частоте регистрацию спектральных компонент за счет использования дополнительных корректирующих элементов. Для такого спектрометра становится принципиальным использование в регистрирующем узле объектива, дисторсия которого не превышает значения 1/N, где N - число разрешаемых спектрометром спектральных компонент. Характерное для спектрометров, используемых в оптической когерентной томографии, значение N составляет 500-1000 при угле дисперсии излучения 10 градусов. Таким образом, максимальное значение дисторсии объектива спектрометра для оптической когерентной томографии не должно превышать величину 0,1%-0,2% при угле зрения 10 градусов.

Известен телецентрический окуляр с удаленным выходным зрачком (RU 2498364 «Окуляр с удаленным зрачком», МПК G02B 25/00, опубл. 10.11.2013 г.), содержащий расположенные по ходу лучей отрицательный дублет, положительный мениск, обращенный вогнутой поверхностью к предметной плоскости, положительный дублет, ориентированный своей отрицательной линзой в сторону предметной плоскости, положительную линзу в виде мениска, обращенного вогнутой поверхностью к выходному зрачку. Устройство обеспечивает ход главных лучей в пространстве предметов близкий к телецентрическому. Недостатком известного окуляра является большое число оптических элементов, формирующих изображение.

Известно устройство для осуществления оптического сканирования (US 9442272 «F-theta objective», МПК G02B 13/00, G02B 13/14, G02B 13/22, G02B 9/60, опубл. 13.09.2016 г.) с телецентрическим ходом лучей. Объектив имеет в своем составе пять отдельных линз, при этом первая линза является двояковогнутой линзой, вторая и третья линзы являются менисками, четвертая линза является двояковыпуклой линзой и пятая линза является плосковыпуклой линзой. Недостатком такого окуляра является большое число элементов, формирующих изображение, а также большое значение дисторсии - до 0,5% при угле зрения 10 градусов.

Известен трехэлементный двухлинзовый окуляр (RU 2631535 «Окуляр», МПК G02B 25/00, опубл. 25.09.2017 г.), который содержит два компонента, первый из которых по ходу лучей - двухлинзовый, склеенный из двояковогнутой и первой двояковыпуклой линз, второй компонент - одиночная вторая двояковыпуклая линза. В окуляре выполняются следующие соотношения: |R4|<|R5|, |R2|=|R3|=|R4|, |R1|=|R5|, где R1, R2, R3, R4, R5 - радиусы первой, второй, третьей, четвертой и пятой оптических поверхностей. Показатель преломления первой двояковыпуклой линзы первого компонента больше показателя преломления одиночной второй двояковыпуклой линзы второго компонента. Недостатком известного окуляра является высокое значение дисторсии до - 6% при угле зрения 10 градусов.

Из публикации US 6388817 («F-theta lens», МПК G02B 13/00, G02B 9/12, G02B 3/00, G02B 9/14, опубл. 14.05.2002 г.) известен окуляр с телецентрическим ходом лучей, состоящий из трех элементов. Устройство состоит из плоско-вогнутой линзы, фокусное расстояние f1 которой удовлетворяет условию -2,2<f1/fc<-l,7, где fc - фокусное расстояние системы в целом, и сложной составной линзы, фокусное расстояние f2 которой удовлетворяет условию 0,35<f2/fc. При этом показатель преломления n3 отрицательного мениска, входящего в состав сложной линзы, удовлетворяет условию 2,21<n3+0,0176v3<2,27, где v3 - индекс Аббе для материала третьей линзы для спектральной линии d (0,5875618 мкм). Устройство характеризуется удовлетворительной удаленностью входного зрачка от первой поверхности, однако имеет неудовлетворительное разрешение при использовании в ближнем инфракрасном диапазоне и высокое значение дисторсии - выше 1,0% при угле зрения 10 градусов.

Наиболее близким к предлагаемому устройству по совокупности существенных признаков и достигаемому техническому результату является известное устройство «Телецентрический сканирующий объектив» (RU 2675488, МПК G02B 13/22, G02B 9/04, опубл. 19.12.2018 г.). Устройство состоит из четырех последовательно расположенных элементов, из которых первый элемент - одиночная плосковыпуклая линза, фокусное расстояние f1 которой удовлетворяет условию l,7<f1/fc<2,2, где fc - фокусное расстояние системы в целом. Второй и третий элементы склеены между собой и образуют сложную составную линзу, фокусное расстояние f2 которой удовлетворяет условию 0,35<f2/fc, показатель преломления n3 отрицательного мениска, входящего в состав сложной линзы, удовлетворяет условию 2,21<n3+0,0176v3<2,27, где v3 - индекс Аббе для материала третьей линзы для спектральной линии d (0,5875618 мкм). Четвертый элемент - прозрачный оптический элемент, не обладающий оптической силой. Устройство характеризуется наименьшей среди выше описанных аналогов величиной дисторсии (0,6% при угле зрения 10 градусов), однако недостаточной для использования в составе линеаризованных по оптической частоте спектрометров, требующих коррекции дисторсии до уровня не выше 0,1%.

Задачей предлагаемого изобретения является создание объектива спектрометра с вынесенным зрачком, обладающего величиной дисторсии, не превышающей 0,1% при угле зрения 10 градусов при высоком качестве изображения (разрешении не хуже 20 пар линий на мм) в ближнем инфракрасном диапазоне.

Технический результат достигается благодаря тому, что разработанный объектив спектрометра с вынесенным зрачком так же, как объектив - прототип, состоит из набора последовательно расположенных элементов, первый из которых - плосковыпуклая линза, второй и третий элементы склеены между собой и образуют сложную составную линзу, при этом фокусное расстояние f1 плосковыпуклой линзы удовлетворяет условию 1,7<f1/f13<2,2, где f13 - фокусное расстояние группы, состоящей из первых трех элементов, фокусное расстояние f23 сложной составной линзы удовлетворяет условию 0,35<f23/f13, а показатель преломления n3 материала отрицательного мениска, входящего в состав сложной линзы, удовлетворяет условию 2,21<n3+0,0176v3<2,27, где v3 - индекс Аббе для материала отрицательного мениска для спектральной линии d (0,5875618 мкм). Новым является то, что между сложной составной линзой и плоскостью изображений расположена имеющая ненулевую оптическую силу плоско-вогнутая линза, фокусное расстояние f4 которой удовлетворяет условию 0,85<|f4/f13|<1,15.

Изобретение поясняется следующими фигурами.

На фиг. 1 представлена оптическая схема разработанного объектива с вынесенным зрачком.

На фиг. 2 показано: а) дисторсия объектива - прототипа, б) дисторсия разработанного устройства.

На фиг. 3 показаны характеристики разрешения разработанного устройства.

На фиг. 4 показан спектр излучения широкополосного источника, прошедшего через интерферометр Майкельсона с фиксированной разностью длин плеч 1,2 мм.

На фиг. 5 представлено изображение тестового объекта (прозрачной пластинки, ориентированной под углом к оптической оси объектива зонда).

На фиг. 6 представлено изображение биологической ткани - роговицы глаза человека в области лимба.

Разработанный объектив спектрометра с вынесенным зрачком содержит четыре элемента: одиночную плосковыпуклую линзу 1; сложную составную линзу, склеенную из двояковыпуклой линзы 2 и отрицательного мениска 3; плоско-вогнутую линзу 4.

Фокусное расстояние f1 плосковыпуклой линзы 1 удовлетворяет условию 1,7<f1/f13<2,2, где f13 - фокусное расстояние группы, состоящей из первых трех элементов 1, 2, 3.

Фокусное расстояние f23 сложной составной линзы удовлетворяет условиям 0,35<f23/f13 и 2,21<n3+0,0176v3<2,27, где v3 - индекс Аббе для материала отрицательного мениска 3 для спектральной линии d (0,5875618 мкм), а n3 - показатель преломления материала отрицательного мениска 3.

Фокусное расстояние f4 плоско-вогнутой линзы 4 удовлетворяет условию 0,85<|f4/f13|<1,15.

Объектив спектрометра с вынесенным зрачком работает следующим образом.

Излучение (фиг. 1), сформированное в плоский пучок, проходит через плоскость зрачка А, преломляется поверхностями линз (плосковыпуклой линзы 1 и составной линзы, склеенной из двояковыпуклой линзы 2 и отрицательного мениска 3), формируя сходящийся пучок с телецентрическим ходом главного луча с фокальной плоскостью S. Затем преломляется поверхностями плоско-вогнутой линзы 4, отклоняющей главные лучи от направления оптической оси, причем отклонение нелинейным образом зависит от расстояния от главного луча до оптической оси. Расстояние x(θ) от главного луча, в плоскости А имеющего наклон θ к оптической оси, до оптической оси совпадает с положением фокального пятна в плоскости S и определяется фокусным расстоянием f13 комбинированного элемента, состоящего из элементов 1, 2, 3. S’ - плоскость построения изображения объективом с вынесенным зрачком.

Отклонение от модельного распределения, задаваемого выражением

где θ - угол между главным лучом в плоскости А и оптической осью объектива, определяет дисторсию объектива.

Отклонение δ главного луча вогнутой поверхностью линзы 4 определяется углом ϕ наклона нормали к вогнутой поверхности линзы 4 к оптической оси объектива в точке выхода главного луча

где n - показатель преломления материала, из которого изготовлена линза 4.

Угол ϕ наклона нормали к вогнутой поверхности линзы 4 к оптической оси объектива, в свою очередь, определяется выражением

где f4 - фокусное расстояние плоско-вогнутой линзы 4, определяемое показателем преломления материала линзы и радиусом кривизны выходной поверхности.

Это позволяет в явном виде сформулировать зависимость отклонения δ главного луча вогнутой поверхностью линзы от угла, составляемого этим лучом с оптической осью объектива в плоскости зрачка А:

Положение фокального пятна в фокальной плоскости объектива S’ определится, в свою очередь, соотношением

При этом нелинейная компонента зависимости х(θ) компенсируется нелинейной компонентой зависимости tg(δ(θ)) путем подбора фокусного расстояния f4 линзы 4, снижая тем самым дисторсию объектива, состоящего из элементов 1, 2, 3, 4, которая определяется разностью найденного положения фокального пятна и модельного распределения, определяемого фокусным расстоянием объектива f14:

В качестве конкретного примера реализации изобретения рассчитан объектив спектрометра с вынесенным зрачком со следующими конструктивными параметрами, приведенными к фокусному расстоянию 100 мм.

Фокусное расстояние f14 = 100 мм

Фокусное расстояние f1 = 107 мм

Фокусное расстояние f23 = 78.41 мм

Фокусное расстояние f13 = 48.9 мм

Фокусное расстояние f4 = -51,9 мм

Угловое поле зрения в пространстве зрачка 10 градусов

Удаление зрачка 52 мм

Задний фокальный отрезок 32,7 мм

Диаметр входного зрачка 9 мм

Дисторсия по полю зрения не превышает 0,01%

Для конкретной реализации изобретения изготовлен объектива спектрометра с вынесенным зрачком со следующими конструктивными параметрами, приведенными к фокусному расстоянию 82 мм.

Фокусное расстояние f14 = 82 мм

Фокусное расстояние f1 = 100 мм

Фокусное расстояние f23 = 75 мм

Фокусное расстояние f13 = 47,7 мм

Фокусное расстояние f4 = -50 мм

Угловое поле зрения в пространстве зрачка 10 градусов

Удаление зрачка 35 мм

Задний фокальный отрезок 36,6 мм

Диаметр входного зрачка 8 мм

Дисторсия по полю зрения не превышает 0,01%

Аберрационные кривые для изготовленного объектива спектрометра с вынесенным зрачком представлены на фиг. 2, где фиг. 2 а - дисторсионная зависимость для оптической системы из первого, второго и третьего элементов, фиг. 2 б - дисторсионная зависимость для изготовленного объектива спектрометра с вынесенным зрачком. На фиг. 3 представлена разрешающая способность для изготовленного объектива спектрометра с вынесенным зрачком.

По фиг. 2 видно, что в конкретной реализации изобретения с конструктивными параметрами, соответствующими коммерчески доступным элементам, и реализованным фокусным расстоянием 82 мм, величина дисторсии по полю зрения изменяется в пределах (-2,1÷-3,3)⋅10^-3%, обусловливая общий размах дисторсии в 5,5⋅10^-3%, что значительно меньше, чем в прототипе (0,6%) и удовлетворяет требованию для максимального размаха дисторсии в 0,1%. По фиг. 3 видно, что для конкретной реализации достигнуто близкое к дифракционно-ограниченному разрешение - 23 пары линий на мм.

Изготовленный в конкретной реализации объектив спектрометра с вынесенным зрачком был использован для регистрации модельного спектрального распределения и получения изображений методом оптической когерентной томографии при длине волны зондирующего излучения в ближнем инфракрасном оптическом диапазоне 1,3 мкм.

Запись спектра излучения широкополосного источника, прошедшего через интерферометр Майкельсона с фиксированной разностью длин плеч 1,2 мм представлена на фиг. 4. На фиг. 4 видна обусловленная разностью хода в интерферометре модуляция спектра широкополосного излучения с центральной длиной волны 1,3 мкм и шириной полосы излучения 100 нм. Огибающая модуляции имеет гармоническую форму.

Полученные изображения тестового объекта и биологической ткани представлены на фиг. 5 и фиг. 6. На фиг. 5 представлено изображение стеклянной пластинки, установленной под углом к оси зондирования, что обеспечивает возможность наблюдения аппаратной функции устройства на всем доступном диапазоне визуализации. Отсутствие уширения линий с увеличением глубины построения изображения свидетельствует о том, что дисторсия используемого объектива не превышает значения 0,1%.

Предлагаемое изобретение позволило получить следующий технический эффект - создать объектив спектрометра с вынесенным зрачком с улучшенными эксплуатационными характеристиками (дисторсия которого не превышает уровня 0,1% при угле зрения 10 градусов) при высоком качестве изображения (разрешение не хуже 20 пар линий на мм) ближнем инфракрасном диапазоне.

Таким образом, создан объектив спектрометра с вынесенным зрачком с возможностью использования в составе устройств оптической когерентной томографии, позволяющий реализовать в ближнем инфракрасном диапазоне достаточные уровень дисторсии и спектральное разрешение для целей диагностики ряда заболеваний, в том числе онкологических.

Изобретение относится к оптическому приборостроению и может быть использовано в спектрометрах. Объектив спектрометра с вынесенным зрачком состоит из четырех элементов. Первый элемент - одиночная плосковыпуклая линза, фокусное расстояние f1 которой удовлетворяет условию 1,7<f1/f13<2,2, где f13 – фокусное расстояние группы, состоящей из первых трех элементов. Второй и третий элементы склеены между собой и образуют сложную составную линзу, фокусное расстояние f23 которой удовлетворяет условиям: 0,35<f23/f13 и 2,21<n3+0,0176V3<2,27, где n3 - показатель преломления материала третьего элемента, v3 - индекс Аббе для материала третьего элемента для спектральной линии d (0,5875618 мкм). Четвертый элемент имеет ненулевую оптическую силу и представляет собой плоско-вогнутую линзу, фокусное расстояние f4 которой удовлетворяет условию 0,85<|f4/f13|<1,15. Объектив спектрометра с вынесенным зрачком обладает улучшенными эксплуатационными характеристиками при высоком качестве изображения в ближнем инфракрасном диапазоне. 6 ил., 2 табл.

Объектив спектрометра с вынесенным зрачком, состоящий из набора последовательно расположенных элементов, первый из которых - плосковыпуклая линза, второй и третий элементы склеены между собой и образуют сложную составную линзу, при этом фокусное расстояние f1 плосковыпуклой линзы удовлетворяет условию 1,7<f1/f13<2,2, где f13 - фокусное расстояние группы, состоящей из первых трёх элементов, фокусное расстояние f23 сложной составной линзы удовлетворяет условию 0,35<f23/f13, а показатель преломления n3 материала отрицательного мениска, входящего в состав сложной линзы, удовлетворяет условию 2,21<n3+0,0176v3<2,27, где v3 - индекс Аббе для материала отрицательного мениска для спектральной линии d (0,5875618 мкм), отличающийся тем, что между сложной составной линзой и плоскостью изображений расположена имеющая ненулевую оптическую силу плоско-вогнутая линза, фокусное расстояние f4 которой удовлетворяет условию 0,85<|f4/f13|<1,15.