Brevet FR2252587A1 — publié le 19750620

l'invention'conceriïe un objectif de microscope, du type à sec, clest-à-dire dans lequel l'objet est séparé de l'objectif par une lame d'air. L'objectif selon l'invention est destiné à un microscope doté d'une lentille de reprise pour former une image dans le plan focal de l'oculaire. L'objectif selon l'invention s'applique à un microscope d'examen par transparence, ou à un microscope métallographique. Dans un microscope la limite de résolution varie selon 1/n sin u, n étant l'indice de réfraction du milieu séparant l'objet de l'objectif ( l'air dans le cas d'un objectif à sec, n étant alors sensiblement égal à 1), u étant la demi-ouverture angulaire de l'objectif vu de l'objet. les objectifs de microscope sont caractérisés par un nombre appelé ouverture numérique qui est égal à n si n u, plus particulièrement à sin u pour un objectif à "sec".Les aberrations, c1 est à dire les défauts altérant la qualité des images formées, augmentent si l'on veut accrottre l'ou- verture numérique pour augmenter le pouvoir de résolution0 Un objectif de microscope présentant une grande ouverture numérique doit être corrigé pour diverses aberrations0' Un objectif de microscope doit ainsi entre corrigé en ce qui concerne l'aberration chromatique0 On sait que l'indice de réfraction des matières réfringentes usuelles constituant les lentilles de l'objectif varie avec la longueur d'onde.Si le point objet est une source de lumière blanche (superposition d'une infinité de radiatiom monochromatiques) l'objectif donne une infinité d'images monochromatiques réparties le long de l'ases On sait qu1un système convergent simple et un système divergent donne des répartitions inverses des images monochromatique80 On peut arriver à corriger les aberrations chromatiques par un choix convenable des verres des lentilles. Un verre d'optique est caractérisé par le paramètre = nd - 1 appelé pouvoir dispersif ou nombre d'Abbe, nF et nC corres- nF-nC pontant aux indices de réfraction mesurés pour les raies C et F (rouge et bleue) @@ l'hydrogène, ni correspondant à l'indice mesuré pour la raie/de l'hélium dont la longueur d'onde est intermé- diaire entre celle des raies O et F. l'indice moyen nd caractérise lui aussi le verre. On définit encore la dispersion partielle Une lentille convergente est caractérisée par une certaine distance entre les images obtenues pour les raies C et P. De même une lentille divergente est caractérise par une certaine distance entre les images obtenues pour les mimes raies C et F. Lorsqu'on corrige le chromatisme on fait coïncider les images correspondantes aux raies C et F en associant une lentille divergente et une lentille convergente dont les verres sont convenablement choisis. Lorsque la correction est réalisée, les ttages obtenues pour les raies C et F étant sensiblement superposées, les images obtenues pour les autres radiations ( raie d par exemple) restent séparées des images précédentes. On dit qu'il y a du chromatisme secondaire. Un objectif corrigé pour le chromatisme secondaire est dit apochromatique. Pour réduire le chromatisme secon daire d'un doublet formé d'une lentille convergente collée à une lentille divergerte, il faut que les dispersions partielles des verres soient sensiblement égales. Un objectif de microscope doit également entre corrigé au point de vue courbure de champ. On dit qu'un système optique présente l'aberration de courbure de champ lorsque le point objet décrivant un plan perpendiculaire à l'axe, le lieu de l'image décrit une surface de révolution qui s'écarte du plan de l'image idéale, La courbure de champ d'un ensemble de lentilles est mesurée par la somme de @@zval qui, dans le cas de lentilles minces est égale à la somme des quantités i calculées pour les différentes lentilles de l'ensemble F representant la distance focale, n l'indice de réfraction du verre.On comprend que plus les indices sont élevés, plus la somme de Petzval tend vers zéro et plus la courbure de champ est faible et inversement. Par ailleurs une lentille de puissance négative ( lentille divergente)a une somme de Petzval négative qui diminue la valeur totale de la somme de Petzval. Un objectif de microscope doit encore être corrigé au point de vue aberration de sphéricité. Cette aberration purement géométrique qui se produit en lumière monochromatique, consiste dans le fait que les rayons marginaux sont plus déviés par un sye- tème simple convergent que les rayons centraux, un système divergent donnant une aberration de sens contraire. Un objectif de microscope doit être plus généralement corrigé au point de vue stigmatisme, condition réalisée lorsque tout rayon issu d'un point objet passe par le point image. On a déjà réalisé des objectifs de microscope apochrons- tiques, c'est-à-dire présentant un chromatisme secondaire réduit. Je resultat a été obtenu dans la plupart des cas avec l'emploi de cristaux de fluorine, peu dispersifs, pour construire certains éléments de l'objectif0 Ce type d'objectif a toutefois l'inconvénient d'être relativement onéreux On connatt par ailleurs des objectifs de microscope corrigés au point de vue courbure de champ. Un objectif de ce genre est décrit dans le brevet français 1.310.259. La présente invention a pour but de fournir un objectif de microscope dont les distances focales varient entre 2,5 et 8 mm. Il a une grande ouverture numérique de l'ordre de 0,75. L'objectif est doté d'un champ plan, la somme de Petzval étant faible par rapport à celle d'un objectif de distance focale équivalente. L'objectif présente un chromatisme secondaire réduit et il est parfaitement corrigé au point de vue aberration sphériques com@, astigmatisme. Le tirage de l'objectif, est-à-dire la distance entre l'objet et le :premier élérnentde l'objectif à la nise au point, est in ortant.L'apochromatique de l'objectif, de puissance focasans utilisation de cristaux de fluorine Con@@@@@gent à l'invention, l'objectif, de puisance focale f, comporte - une lentille de puissance positive* située à l'extrémite avant dudit objectif, à proximité de l'objet, ayant une forie de ménisque dont la face concave est dirigée vers l'objet, - une lentille de puissance négative, située à l'extrémité arrière de l'objectif, dont la surface convexe est dirigée vers l'objet, - trois doublets intermédiaires de puissances positives, forés chacun d'une lentille convergente collée à une lentille diver gente, et il est essentiellement caractérisé par le fait que , - la lentille ménisque située à l'avant a une distance focale comprise entre f et 2f, - la lentille à puissance négative est un doublet formé d'une lentille convergente collée à une lentille divergente dont les indices sont très voisins et dont les dispersions partielles sont très éloignées, la distance focale dudit doublet étant comprise entre - 20f et - 10f, - le premier doublet, situé à proximité de lalentille à puissance négative, est formé de verres d'indices @@@@ différents, à une distance focale comprise entre 12i et 20f, est situé à une dis- tance comprise entre 1,5f et 2,5f de la dite lentille à puissance négative, - le second doublet situé immédiatement en avant du premier dou blet est formé de verres d'indices très différents, at les dispersions partielles sont presque identiques, a une distance focale comprise entre 5f et Sf, est situé à une distance com prise entre O et 0,2 f du premier doublet, - le troisième doublet situé entre le deuxième doublet et la lentille ménisque située à 11 extrémité avant, est formé de verres d'indices élevés, a une distance focale comprise entre 3f et 5f et est situé à une distance comprise entre O et 0,2f du deuxième doublet et à une distance comprise entre O et 0,2 f de la dite lentille ménieque. L'invention va maintenant être décrite avec plus de dé tails par des modes de réalisation qui se réfèrent au dessin annexé. La figure 1 représente un objectif de microscope à sec selon l'invention. Les figures 2,3,4 représentent des courbes qualifiant les aberrations géométriques et chromatiques dlun objectif selon l'in Invention. L'objectif représenté sur la figure1comporte dans le sens objet-infini cinq éléments optiques référencés 1, 2, 32 4, 5. L'élément optique 1 situé à l'extrémité avant de l'objec- tif, à proximité de l'objet a une puissance positive, la distance focale étant comprise entre f et 2f. La lentille 1 a une puissance plus élevée que les autres éléments, comme cela est classique. Ce ménisque est doté d'une face concave de rayon r11 dirigée vers l'objet. Cette particularité est favorable à la correction de lsaber- ration sphérique. L'indice et la dispersion du verre qui constitue la lentille 1 sont choisis pour introduire un minimum de courbure de champ et faciliter la correction du chromatisme secondaire. L'élément 5 situé à l'extrémité arrière de l'objectif est un doublet de puissance négative formé d'une lentille divergente 52 et d'une lentille convergente 51 dont les indices de réfraction sont très voisins mais dont les dispersions partielles sont très éloignées. La distance focale de cet élément est comprise entre - 20f et -10f. L'élément intermédiaire e situé à proximité de l'élément 4 est un doublet de puissance positive formé d'une lentille diver gente 42 collée à une lentille convergente 41. La lentille convergente 41 est située du coté de l'objet* la lentille divergente 42 est dirigée vers l'élément 5. La distance focale est comprise entre 12f et 20fo L'intervalle d45 entre l'élément 4 et l'élément 5 est limité par la relation : 1,5f L d45 L 2,5f. les indices des verres de-la lentille divergente 42 et de la lentille convergente 41 sont très différents, ce qui est favorable à la correction des aberrations sphériques.Le second élément intermédiaire 3 situé immédiatement en avant d'élément intermédiaire4 est un doublet de puissance positive formé d'une lentille convergente 32 et d'une lentille divergente 31 collées ensemble. Les indices des verres constituant les deux lentilles sont très différents0 les dispersions partielles des verres sont presque identiques, ce qui donne un doublet à chromatisme secondaire réduit (images pour les raies, d, F presque confondues). La distance focale de cet élément 3 est comprise entre 5f et 8f e L'intervalle d34 entre l'élé- ment 3 et l'élément 4 est limitée par la relation O L d34 L 0,2 f. Dans cet élément, au contraire de l'élément 4, la lentille convergente 32 est située vers l'élément arrière 5, tandis que la lentille convergente 31 est située du ctté de l'objet. Le troisième élément intermédiaire 2 situé à proximité de la lentille ménisque 12 est un doublet de puissance positive formé d'une lentille convergente 22 et d'une lentille divergente 21. Les indices de ces lentilles sont supérieurs à 1,7, ce qui permet d'obtenir une bonne correction de la courbure de champ. La distance focale de ce doublet est comprise entre 3f et Sf. L'intervalle d23 entre l'élément 2 et l'élément 3 est limité par la relation O L d23 L 0,2 f. La distance d 12 entre la lentille ménisque 1 et l'élément 2 est limitée par la relation O L d12 L 0,2f. À titre d'exemple, le tableau I suivant donne les caractéristiques d'un objectif selon l'invention doté d'un grossissement de 40 fois d'une ouverture sin u = 0,75 et de distance focale 5 mm. Le tableau donne pour chaque lentille de ltobjectif:les rayons de courbures, l'épaisseur, l'indice de réfraction moyen, le pouvoir de dispersion 9 ; la dispersion partielle 9 p, et d0 nne par ailleurs les intervalles ou séparations d'air entre les éléments. La correction de cet objectif est effectuée pour une lame couvre-objet 6 dont les caractéristiques sont donnes' dans le tableau.La convention optique utilisée est que toutes les surfaces concaves faisant face à la lumière incidente ont des rayons négatifs et que toutes les surfaces convexes faisant face à la lumière incidente ont des rayons positifs0 Les figures 2,3 et 4 sont des courbes qualifiant les aberrations géométriques et chromatiques de l'objectif précédent. Sur le graphique de la figure 2, l'ordonnée h représente la hauteur par rapport à l'axe optique d'un rayon incident parallèle à l'axe optique, le champ étant donc nul et l'objet situé à l'infini. Le graphique donne simultanément les courbes I, Il, III correspondant à des rayons des radiations F ( 0,4861 d ( 0,5876 ) et C (0,6563 ). Les points d, F,C, sur l'abscisse repèrent les positions des images monochromatiques pour les radiations d,F,C sur l'axe optique ( chtomatisme axial).On peut déterminer en prenant comme origine le point d ou F ou C, la distance entre le point de focalisation d'un rayon de la radiation correspondante à la hauteur h et le point de focalisation dtun rayon du domaine palatial de la même radiation, la dite distance représentant ce que l'on appelle l'aberration sphérique. La figure 3 donne pour la raie d, en fonction de l'angle de champ e en degrès, les distances en microns entre le plan focal et la focale tangentielle t, et la focale sagittale s . La séparation des courbes s et t illustre le phénomène d'astigmatisme. Les courbes s et t qui s'écartent du plan focal illustrent par ailleurs le phénomène de courbure de champ. La figure 4 a définit en abscisse, la hauteur h d'un faisceau incident de lumière monochromatique ( raie d) sur le premier dioptre, mesurée par rapport au rayon moyen, pour un demichamp de 3 12'. X 'ordonnée définit d'une part la diffusion méridienne ( courbe I ) c'est-à-dire la trace suivant le plan méridien, du faisceau émergent sur le plan focal, mesurée par rapport à la trace du rayon moyen, d'autre part la diffusion extraméridienne courbe IIs c'est-à-dire la trace du faisceau suivant le plan extraméridien. La figure 4 b donne en I la courbe de diffusion méridienne et en II la courbe de diffusion extraméridienne pour un demi-champ de 20. TABLEAU I Epaisseur de Indice de Pouvoir de Dispersion Elément ou Intervalle Lentille Rayons de courbure lentille ou réfraction dispersion partielle intervalle p Lame 6 r 61 = 00 r 62 = 00 e6 = 0,17 1,5265 Intervalle d61 d61 = 0,70 Elément 1 r 11 = + 3,18 r 12 = + 2,611 e1 = 3 1,58894 60,6 0,3002 Intervalle d12 d12 = 0,6 Elément 2 21 r 21 = + 200,2 e21 = 2 1,8051 25,5 0,288 22 r 23 = - 82,28 e22 = 4 1,73335 51,4 0,300 r 22 = + 12,57 Intervalle d23 d23 = 0,2 Elément 3 31 r 31 = - 247,5 e31 = 2 1,69650 36,4 0,2970 32 r 33 = - 10,66 e32 = 6,2 1,48043 81,0 0,3018 r 32 = + 10,75 Intervalle d34 d34 = 0,2 Elément 4 r 41 = - 42,52 41 r 43 = + 13,98 e41 = 3 1,48043 81,0 0,3018 42 r 42 = + 38,54 e42 = 1 1,7408 28,1 0,289 Intervalle 45 d45 = 9,8 Elément 5 51 r 51 = - 11,86 e51 = 2 1,58406 37,0 0,2928 52 r 53 = - 25 e52 = 1 1,58784 68,2 0,3081 r 52 = - 8,41 Le tableau II ci-dessous donne les caractéristiques d'un objectif de microscope selon l'invention doté d'une focale de 3,125 mm et d'une ouverture numériaue de 0,8 doté d'un grossissement de 69 fois. TABLEAU II Elément ou Lentille Rayons de courbure Epaisseur de Indice de Pouvoir de Dispersion Intervalle lentille ou réfraction dispersion partielle intervalle p Lame 6 r61 = 00 e6 = 0,17 1,526 r62 = 00 Intervalle d61 d61 = 0,3 Elément 1 r11 = 2,453 r12 = 1,946 e1 = 1,9 1,58894 60,6 0,3002 Intervalle d12 d12 = 0,38 Elément 2 r21 = + 698,9 21 r23 = - 50,93 e51 = 1,3 1,8051 25,5 0,288 22 r22 = + 7,815 e22 = 2,55 1,73350 51,4 0,300 Intervalle d23 d23 = 0,13 Elément 3 31 r31 = - 114,7 e31 = 0,3 1,69650 36,4 0,2970 32 r33 = - 7,442 e32 = 3,95 1,48043 81,43 0,3018 r32 = + 7,517 Intervalle d34 d34 = 0,13 Elément 4 r41 = - 21,618 41 r43 = + 8,019 e41 = 1,9 1,48043 81,43 0,3081 42 r42 = + 23,792 e42 = 0,65 1,74080 28,09 0,289 Intervalle d45 d45 = 6,22 Elément 5 51 r51 = - 9,587 e51 = 1,3 1,58406 37,04 0,2928 52 r53 = - 150 e52 = 0,65 1,58784 68,25 0,3081 r52 = - 5,564 e52 = 0,65 1,58784 68,25 0,3081 Il est bien entendu ale l'on peut sans sortir du cadre de l'invention imaginer des variantes et perfectionnements de détails, de même qu'envisager l'emploi de moyens équivalents. REVENDICATIONS 1 - Objectif de microscope de distance focale f comportant s - une lentille de puissance positive située à l'extrémité avant du dit objectif, à proximité de l'objet, ayant une forme de ménisque dont la face concave est dirigée vers l'objet, - une lentille de puissance négative, située à l'extrémité arrière de l'objectif, dont la surface convexe est dirigée vers l'objet, - trois doublets intermédiaires de puissances positives, formés chacun d'une lentille convergente collée à une lentille divergez te, caractérisé par le fait que t - la lentille ménisque située à l'avant a: une distance focale com prise entre f et 2f, - la lentille à puissance négative est un doublet formé d'une len tille convergente collée à une lentille divergente dont les indices sont très voisins et dont les dispersions partielles sont très éloignées, lastance focale dudit doublet étant com prise entre - 20f et - 10f, - le premier doublet, situé à proximité de la lentille à puissance négative, est formé de verres dtindices trèsdifférents, aune distance focale comprise entre 12f et 20f, est situé à une dis tance comprise entre 1,5f et 2,5f de la dite lentille à puissance négative, - le second doublet situé immédiatement en avant du premier doublet est formé de verres d'indices trés différents dont les disper sions partielles sont presque identiques,a une distance focale comprise entre 5f et 8f, est situé à une distance comprise entre O et 0,2f du premier doublet, - le troisième doublet, situé entre le deuxième doublet et la lentille ménisque située à l'extrémité avant, est formé de verres d'indices élevés, a une distance focale comprise entre 3f et Sf et est situé à une distance comprise entre 0 et 0,2f du deuxième doublet et à une distance comprise entre 0 et 0,2f de la dite lentille ménisque. 20- Objectif de microscope selon la revendication 1 caractérisé par le fait que dans le premier doublet la lentille convergente est située vers ltobjet par rapport à- la lentille divergente et que dans le second doublet la lentille divergente est située vers l'objet par rapport à la lentille convergente