Планапохроматический высокоапертурный микрообъектив

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.

 

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	nd	Коэфф. Дисперсии Vd
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.

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.