Brevet FR2288324A1 — publié le 19760514

La présente invention concerne un objectif parafocal à faible grandissement pour microscope. Be souhait récent de pouvoir observer des objets dans un champs élargi a donné naissance à une demande d'objectifs de microscope de faiblegrandissement. Toutefois, les microscopes existants ont été étudiés pour être utilisés avec des objectifs de grandissement 10 ou plus et,par conséquent,la hauteur de la partie rétrécie du tube contenant l'objectif, ou rétrécissement, et la longueur de ce tube sont fixes, la hauteur du rétrécissement étant en général comprise entre le quart et le cinquième de la longueur du tube. Pour les objectifs de faible grandissement, par exemple de 1 ou 2, il est très difficile de maintenir les mêmes hauteurs de rétrécissement et longueurs de tube que pour les objectifs à fort grandissement.En considérant l'objectif comme une lentille mince, la valeur obtenue en divisant la distance de cet objectif à l'image formée par la distance de llob- jet à cet objectif est le grandissement de ce dernier et,par conséquent, pour obtenir un grandissement de 2, la distance de l'objet à l'objectif doit être la moitié de la distance de 11 objectif à l'image formée. De même, lorsque le grandissement désiré est de 1, objectif doit être placé exactement à midistance entre l'objet et le point image, la distance admissible pour un composant faisant partie de l'objectif pour conserver une distance déterminée de l'objet afin de maintenir le caractère parafocal du système optique étant limitée par la hauteur du rétrécissement. Ce problème de distance peut être résolu en plaçant une lentille divergente en un point rapproché de l'objet pour augmenter la distance de l'axe optique aux rayons lumineux partant du point objet sur l'axe optique et traversant ensuite cette lentille. Une lentille-convergente est placée en un endroit aussi éloigné que possible de l'objet, compte tenu de la limitation de la hauteur du rétrécissement, pour permettre ainsi la formation d'une image avec un grandissement convenable. Cependant, la puissance négative de la lentille divergente est très grande par rapport à la puissance de ltensemble du système et cela conduit à de fortes aberrations qui sont gênantes. Par ailleurs, l'objectif du microscope doit être réalisé en fonction du système d'éclairage de l'instrument. La plupart des systèmes d'éclairage existants snnt du type dit télécentrique, qui exige que la pupille d'entrée de l'objectif soit à l'infini. Ce problème peut être résolu en intercalant une lentille convergente entre la lentille divergente et l'objet et en diaphragmant les faiseaux lumineux provenant d'un point objet situé hors de l'ase. Cependant, cela oblige à réaliser cette lentille convergente avec une forme telle que l'aberration sphérique soit bien corrigée par rapport aux rayons principaux qui proviennent d'un point objet situé hors de l'axe et qui sont parallèles à l'axe optique. Par ailleurs, dans un tel agencement, dans lequel deux premiers éléments concave et convexe et un second élément convexe sont disposés successivement dans l'ordre indiqué à partir de l'espace objet, la somme de Petzval pour ces éléments est rendue généralement négative par la lentille divergente.Pour y remédier, il est souhaitable de réduire autant que possible la puissance de la lentille divergente et on sait que cela peut être obtenu en plaçant cette lentille divergente au milieu de l'intervalle compris entre lalse- conde lentille convergente et l'objet (intervalle à peu près égal à la hauteur du rétrécissement). L'invention a donc essentiellement pour objet un système optique parafocal à faible grandissement pour microscope, dans lequel une répartition des puissances déjà connue dans son principe est choisie pour les lentilles, et dans lequel diverses aberrations sont bien corrigées. Selon l'invention, un objectif parafocal à faible grandissement pour microscope comporte un premier élément positif situé à l'emplacement le plus proche de l'objet et dont la surface convexe est tournée vers l'objet, un second élément négatif placé plus loin de l'objet que le premier élément et comportant moins une lentille ménisque divergente, ainsi qu'un troisième élément convergent placé à l'endroit le plus éloigné de l'objet, cet élément comportant une lentille positive dont la surface. de plus fort rayon de courbure est face au plan image.Ce système optique satisfait aux conditions ci-après dA dA |dB| > |fB| - (4); relations dans lesquelles fA est la longueur focale du premier élément, fB la focale du second élément, dA la distance du plan principal arrière du premier élément au plan principal frontal du second élément et dB est la distance du plan pricipal arrière du second élément au plan principal frontal du troisième élément. L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemples nullement limitatifs et sur lesquels la figure 1 est une coupe de l'objectif selon une première forme de réalisation de l'invention les figures SA, 2B, 2C et 2D sont des courbes respectivement du coma, de l'aberration sphérique, de l'astigmatisme et de la distorsion de l'objectif de la figure 1 la figure 3 est une coupe d'un objectif selon une seconde forme de réalisation de l'invention ;; les figures 4A, 4B, 4C et 4D sont des courbes respectivement du coma, de l'aberration sphérique, de l'astigmatisme et de la distorsion de l'objectif de la figure 3, la figure 5 est une coupe d'un objectif selon une troisième forme de réalisation de l'invention les figures 6A, 6B, 6C et 6D sont des courbes respectivement du coma, de l'aberration sphérique, de l'astigmatisme et de la distorsion de l'objectif de la figure 5 la figure 7 est une coupe d'un objectif selon une quatrième forme de réalisation de l'invention ; et les figures SA, 8B, 8C et 8D sont des courbes respec tivement du coma, de l'aberration sphérique, de l'astigmatisme et de la distorsion de l'objectif de la figure 7. L'objectif de la figure 1 comprend, dans l'ordre à partir del'espace objet, un premier élément A convergent dont la surface convexe est face à l'objet, un second élément divergent B comportant au moins une lentille ménisque divergente et dont la surface convexe est face à l'objet et un troisième élément C convergent comprenant une lentille convergente. Dans ce système optique, soient fA et f les focales respectivement du premier et du second élément, dA la distance du plan principal arrière du premier élément au plan principal frontal du second élément et dB la distance du plan principal arrière du second élément au plan principal frontal du troisième élément. En ce qui concerne les limites de fA, le diaphragme iris d'un système optique est en général tel que, le pas de vis de fixation de l'ensemble de l'objectif au revolver porte-objectif du microscope étant placé à proximité du troisième élément, le système optique le plus lumineux peut être réalisé sans vignette, mais avec la limitation mécanique que la hauteur du rétrécissement doit avoir une valeur prédéterminée. Par ailleurs, d'après la condition suivant laquelle le second élément doit être placé à peu près à mi-distance entre l'emplacement de l'image virtuelle de l'objet formée par le premier élément et le troisième élément, le foyer du premier élément doit être placé plus près de l'objet que celui du second élément et plus près de l'espace image que le point principal du second élément. Par conséquent, la condition ci-après doit être satisfaite dA Par ailleurs, l'objet est agrandi par le premier élément et d'après la condition qui en découle que le second élément doit être placé à mi-distance entre l'objet et le troisième élément, la condition ci-après doit être satisfaite dA Si ces conditions ne sont pas satisfaites, il est évidemment impossible, du fait de la limitation concernant la distance, de rendre les rayons lumineux obliques parallèles aux rayons lumineux principaux et il en résulte un fort vignettage dans le plan-image. Par ailleurs, pour surmonter la limitation concernant la distance et due à la hauteur du rétrécissement et à la longueur du tube, la puissance (réfringente) négative du second élément est choisie supérieure à celle du premier élément et une restriction est imposée à l'intervalle d'air qui suit immédiatement le second élément de manière à permettre de fixer un grand intervalle entre la dernière surface de cet élément et le plan image. C'est ainsi que les deux conditions ci-après doivent être satisfaites If31 |dB| > |fB|.................... (4) En sortant de ces limites, la limitation concernant la distance ne peut etre surmontée et le système optique ne peut être utilisé comme objectif parafocal identique à d'autres objectifs à grandissement élevé. Par ailleurs, le second élément, qui est placé en un emplacement situé à peu près à mi-hauteur dn rétrécissement, doit avoir une grande puissance dans un objectif à faible grandissement, mais, étant donnés les actions et grandissements différents du premier élément, le grandissement de l'objectif et la puissance du second élément ne sont pas toujours en raison inverse l'un de 1' autre. Conformément à l'invention, l'inclinaison des rayons lumineux partant du point de l'objet sur l'axe, quand ces rayons traversent le second élément, est environ 4,5 à 6 fois celle dans l'espace image. Plus précisément,quand le grandissement de ltob- jectif est 2, cette inclinaison est environ 4,5 fois plus grande et quand le grandissement de cet objectif est 1, cette inclinaison est environ 6 fois plus grande Par conséquent, la focale du second élément doit être voisine du 1/5 de la longueur totale du système optique quand le grandissement de l'objectif est 2 et voisine du 1/4 de cette longueur quand le grandissement de l'ob- jectif est 1. Le troisième élément est choisi de façon que sa puissance convienne pour réaliser un grandissement prédéterminé. Les difficultés concernant le parallélisme des rayons principaux et 12 limitation sus-mentionnéesont surmontées comme indiqué ci-dessus alors que par ailleurs les aberrations laissent subsister d'autres difficultés dues à l'asymétrie du système optique lui-m8me et à la grande puissance négative du second groupe de lentilles ; l'aberration sphérique est accrue dans le sens positif et une forte aberration transversale des rayons obliques associés aux rayons principaux apparatt dans le sens négatif. Cette aberration transversale est particulièrement marquée. En conformité avec l'invention, l'élément du second groupe comporte une lentille-ménisque dont la face convexe est tournée vers l'objet, de manière à réduire l'aberration transversale négative apparaissant dans le second groupe, et le troisième groupe comporte deux lentilles positives, dont celle qui est la plus proche de l'objet est disposée de façon que sa surface ayant la plus forte courbure soit face au plan image, afin de réaliser une correction de l'aberration transversale en dehors de l'axe et de l'aberration sphérique. Cependant, en sortant des limites indiquées ci-dessus, le coma des rayons lumineux associés aux rayons principaux est très prononcé dans le sens négatif et il ne peut être corrigé par une autre lentille.Par ailleurs, lorsque la surface du troisième élément qui a la plus forte courbure n'est pas face au plan image, l'aberration sphérique augmente et une bonne correction symétrique de l'aberration transversale hors de l'axe ne peut être réalisées Be système de l'exemple 1 est réalisé conformément à-l'invention, il s'agit d'un objectif de microscope à faible grandissement sans courbure de champ dans le plan image, qui atteint l'objet sus-mentionné de la présente invention et dans lequel les diverses aberrations ont été bien corrigées. Plusieurs exemples de réalisation de l'invention sont donnés ci-après, l'exemple 1 étant baisé sur la représentation de la figure 1 et les courbes associées des figures 2A à 2D. Exemple 1 Distance WD = 5,5 1er R1 = 14,8 élément # d1 = 2,2 n1 = 1,58913 # d1 = 61,2 (A) R2 = -600,0 (dA) d2 = 13,1 R3 = 45,0 2ème d3 = 3,0 n2 = 1,74077 # d2 = 27,7 élément # R4 = -16,0 (B) d4 = 0,5 n3 = 1,713 # d3 = 53,9 R5 = 5,487 (dB) d5 = 16,7 R6 = -54,8 d6 = 2,8 n4 = 1,51823 # d4 = 59,0 3ème R7 = -12,7 élément | d7 = 0,1 (C) R8 = 360,0 d8 = 1,0 n5 = 1,7495 #d5 = 35,0 R9 = 18,85 dg = 3,1 n6 = 1,50032 # d6 = 81,9 R10 = -20,38 P = -2,0 grandissement NA = 0,08 ouverture numérique BD = 146,373 distancé de la face arrière de la lentille au plan image LD = 48,0 distance de la surface de l'objet à la face arrière de la lentille TL = 194,373 Distance de la surface de l'objet au plan image f = 67,985 focale résultante de l'ensemble du système fA = 24,6 focale résultante du premier élément Â B = -9,3 focale résultante du deuxième élément B Somme de Petzval L'exemple 2 est un système optique réalisé à partir de celui de l'exemple 1. De cette manière, la correction des diverses aberrations ainsi que l'objet sus-mentionné de l'invention peuvent aussi être atteints en remplaçant le second élément constitué par une seule lentille divergente par deux lentilles divergentes comme l'indique la figure 3 et les courbes associées des figures 4A à 4D. Il est manifeste que cet exemple satisfait aussi aux conditions indiquées pour l'exemple 1. Exemple 2 Nota : une lentille divergente est ajoutée au second élément B de la première forme de réalisation. distance WD = 4,0 1er R1 = 17,0 élément # d1 = 2,5 = 1,65128 #d1 = 38,3 (A) R2 = -95,5 d2 = 10,0 R3 = 18,1 d3 = 2,5 n2 = 1,76182 Jd2 = 26,5 2ème R4 =-21,2 élément# d4 = 0,8 n3 = 1,51823 #d3 = 59,0 (B) R5 = 4,62 = 4,0 R6 = -7,956 d6 = 2 2,0 n4 = 1,7495 #d4 = 35,0 R7 = -20,8 d7 = 14,5 R8 = -53,1 d8 = 3,5 n5 = 1,58894 4 dg = 61,04 3ème |R9 = -16,559 élément d9 = 0S3 (C) # R10 = 70,1 d10 = 1,4 n6 = 1,71736 #d6 = 29,5 R11 = 21,0 d11 = 3,3 R7 = 1,50032 #d7 = 81,9 R12 =-26,584 p = -2,0 grandissement NA = 0,08 ouverture numérique BD = 145,706 distance de la surface arrière de l'objectif au plan image LD = 48,8 distance de la surface de l'objet à la surface arrière de l'objectif TL = 194,506 distance de la surface de l'objet au plan image f = 74,718 focale résultante de l'ensemble du système optique fA = 22,354 focale résultante du premier élément A f3 = -9,286 focale résultante du second élément B = = = -0,0217 somme de Petzval L'exemple 3 concerne la réalisation d'un objectif de grandissement inférieur à celui de l'exemple 2, à savoir un objectif de grandissement 1 mais, dans le but d'augmenter le champ utile dans le plan objet, on utilise dans le présent exemple deux lentilles convergentes au lieu d'une seule dans le premier élément.Ceci sert à réduire au minimum l'importance de l'aberration sphérique dans le premier groupe, et bien que le champ utile dans le plan objet soit accru de cette manière, tous les rayons principaux deviennent parallèles. Il est à nouveau évident que la réalisation de cet exemple satisfait à toutes les conditions indiquées pour l'exemple 1. La figure 5 représente cette forme de réalisation et les courbes associées sont représentées sur les figures 6A à 61). Exemple 3 Nota : une lentille convergente est ajoutée au premier élément A de l'exemple 2, et le troisième élément C comprend une lentille additionnelle collée. Distance WD = 2,0 R1 = 16,3 1er # d1 = 2,9 n1 = 1,713 #d1 = 53,9 élément R2 = 74,0 (Á) # d2 = 0,2 R3 = 17,0 # d3 = 1,7 n2 =1,62004 #d2 = 36,3 R4 = 24,0 (dA) d4 = 8,8 R5 = 27,0 2ème d5 = 2,4 n3 = 1,76182 Sa = 26,5 3 élément R6 =8,0 (B) # d6 = 0,8 n4 = 1,74443 #d4 = 49,4 R7 = 5,72 d7 = 7,8 R8 = -5,03 d8 = 1,0 n5 = 1,74443 #d5 = 49,4 R9 = -27,0 (dB) d9 = 15,2 R10=-110,0 d10=0,8 n6=1,7495 #d6=35,0 R11 = 27,84 d11 = 2,1 n7 = 1,58894 #d7 = 61,04 3ème # R12 = -17,335 élément d12 = 0,2 (C) R13 = 51,0 d13=0,8 n8 = 1,67163 #d8 = 38,8 R14 = 25,3 d14=2,2 n9 = 1,50032 #d9 = 81,9 R15 = -24,419 P = -1,O NA = 0,03 BD = 145,67 LD = 48,9 TL = 194,57 f = 108,677 fA = 21,529 fB = -3,458 -0,066 L'exemple 4 correspond au même but que l'exemple 3 et satisfait aux conditions indiquées dans l'exemple 1. La figure 7 représente cette forme de réalisation et les courbes associées sont représentées sur les figures SA à 8D. Exemple 4 Nota : une lentille convergente est ajoutée au premier élément A de l'exemple 2. Distance WD = 2,1 R1 = 26,3 1er # d1 = 3,2 n1 = 1,6228 #d1 = 56,9 élément R2 = -320,0 (A) ( d2 = 0,1 R3 = 14,2 d3 = 2,2 n2 = 1,62041 ) #d2 = 60,3 R4 = 21,0 d4 =15,0 R5 = 21,0 d5 = 1,5 n3 = 1,7552 #d3 = 27,5 2ème R6 = -9,0 élément d6 = 0,7 n4 = 1,713 #d4 = 53,9 (B) # R7 = 9,0 d7 = 0,5 R8 = -9,0 d8 = 0,8 n5 = 1,713 #d5 = 53,9 R9 = 4,6 dg = 16,5 R10 = - 51,0 d10 = 2,0 n6 = 1,62374 #d6 = 47,0 R11 = -13,32 3ème d11 = 0,1 élément R12 = 105,0 (C) | d12 = 0,6 n7 = 1,74 #d7 = 28,2 R13 = 17,0 d13 = 3,2 n8 = 1,50032 #d8 = 81,9 R14= -20,28 P = -1,O NA = 0,03 BD = 145,755 LD = 48,5 TL = 194,255 f = 137,401 fA = 24,0 fB = -3,70 P = -0,1 Dans les quatre exemples précédents, R désigne le rayon de courbure, d désigne l'épaisseur de la lentille et de l'intervalle d'air, ) désigne l'indice de Abbé du-verre utilisé, chaque indice indiquant l'ordre à partir du côté objet. La distance WD indique la distance de travail. Il va de soi que la présente invention n'a été décrite qu'à titre indicatif, mais nullement limitatif,et qu'elle est susceptible de diverses variantes sans sortir de son cadre. REVENDICATIONS 1. Objectif parafocal à faible grandissement pour microscope, caractérisé en ce qu'il comprend un premier élément convergent placé le plus près de l'objet et dont la face convexe est tournée vers lui, un second élément divergent placé plus loin dudit objet que ledit premier élément et comprenant au moins une lentille ménisque divergente et un troisième élément convergent placé le plus loin dudit objet et comprenant une lentille convergente dont la surface de plus forte courbure est tournée vers le plan image, ledit objectif satisfaisant aux quatre conditions ci-après dA |fB| |dB| > |fB| ...............(4), relations dans lesquelles f A est la longueur focale résultante du premier élément, f B la focale résultante du second élément, dA la distance entre le plan principal arrière du premier élément et le plan principal frontal du second élément et dB est la distance entre le plan principal arrière du second élément et le plan principal frontal du troisième élément. 2. Objectif selon la revendication 1 et tel que spécifié dans l'exemple 1. 3. Objectif selon la revendication 1 et tel que spécifié dans l'exemple 2. 4. Objectif selon la revendication 1 et tel que spécifié dans l'exemple 3. 5. Objectif selon la revendication 1 et tel que spécifié dans l'exemple 4.