Устройство для получения микроскопического изображения удаленных объектов на основе системы оптического переноса

Полезная модель относится к оптическим устройствам для регистрации изображения микроскопических объектов и может быть использована для получения микроскопического изображения удаленного объекта.
При исследованиях физических процессов, протекающих в микроскопических масштабах, в ряде случаев нет возможности расположить вблизи исследуемого объекта полноценный микроскоп. Это может быть связано как с экстремальными условиями проведения эксперимента (например, изучение процессов горения и взрыва), так и с ограниченными габаритами экспериментальных установок. В подобных случаях оптическую систему приходится располагать на значительном удалении от исследуемого образца. Это обстоятельство накладывает существенные ограничения на возможности микроскопического наблюдения, ограничивая разрешающую способность. Разрешение оптической системы обратно пропорционально расстоянию до объекта и прямо пропорционально диаметру входной апертуры. Соответственно, увеличение расстояния до исследуемого образца компенсируется при существенном увеличении габаритов оптической системы за счет увеличения входной апертуры. Поэтому при необходимости дистанционного микроскопического наблюдения применяются различные способы оптического переноса удаленного изображения.
Известен способ получения микроскопического изображения удаленного, либо труднодоступного объекта с помощью оптической системы эндоскопа, описанной в патенте РФ №2047882, МПК G03B 23/00, 10.11.1995, и включающей в себя входной объектив, N оборачивающих линзовых систем, осуществляющих перенос изображения, и выходного окуляра. Данная система позволяет получить увеличенное изображение труднодоступного удаленного объекта следующим образом: объектив формирует первоначальное увеличенное изображение, которое затем переносится N раз с помощью оборачивающих систем, и на выходе из оптического тракта дополнительно увеличивается окуляром.
Недостатком данной системы является ее низкая разрешающая способность - 14,75 пар линий на миллиметр, связанная в значительной степени с малыми размерами апертур оптических элементов системы. Другой недостаток данной системы - необходимость использования значительного количества оптических элементов для переноса изображения, следствием чего является ухудшение качества изображения и потери света в оптическом тракте.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому (прототип), является устройство для скоростной регистрации изображений, описанное в патенте RU 63153 U1, МПК H04N 5/235, 11.01.2007, содержащее входной объектив, коллимирующий объектив, разделительную призму, два поворотных зеркала, два объектива, два электронно-оптических преобразователя и две регистрирующих камеры. Оптический вход входного объектива связан с изображением регистрируемого объекта, а выход - со входом коллимирующего объектива. Выход коллимирующего объектива через призму и зеркала оптически связан с объективами, формирующими изображение на входах двух электронно-оптических преобразователей (ЭОП). Выходы электронно-оптических преобразователей оптически связаны с регистрирующими камерами.
Недостатком данного устройства является малая разрешающая способность прибора. Она составляет 30 пар линий на миллиметр, что не позволяет дистанционно регистрировать динамику микроскопических объектов.
Техническим результатом, обеспечиваемым заявляемой полезной моделью, является увеличение разрешающей способности прибора. Разрешающая способность увеличивается приблизительно в 10 раз.
1
1
Технический результат достигается тем, что устройство для получения микроскопического изображения удаленных объектов на основе системы оптического переноса, содержащее телеобъектив, коллимирующий объектив и регистрирующее устройство, содержащее ЭОП, содержит расположенный между телеобъективом и исследуемым объектом входной объектив с фокусным расстоянием ƒ, лежащим в интервале от 1 до 5 см, на расстоянии не менее чем 0,9ƒ от входного объектива располагается исследуемый объект, при этом исследуемый объект, входной объектив, телеобъектив, коллимирующий объектив и регистрирующее устройство, содержащее ЭОП, последовательно расположены на одной оптической оси, при этом входной объектив, телеобъектив, коллимирующий объектив и регистрирующее устройство, содержащее ЭОП, закреплены на оптическом рельсе, расположенном параллельно оптической оси, а расстояние  между входным объективом и телеобъективом, расстояние d между коллимирующим объективом и плоскостью считывания регистрирующего устройства, содержащего ЭОП, расстояние х между телеобъективом и коллимирующим объективом определяется соотношением:
,
2
3
где ƒ - фокусное расстояние телеобъектива, ƒ - фокусное расстояние коллимирующего объектива.
На чертеже приведена принципиальная схема устройства для получения микроскопического изображения удаленных объектов на основе системы оптического переноса (изображен вид сверху), где:
1 - исследуемый объект, 2 - увеличенное изображение, 3 - входной объектив, 4 - оптическая ось, 5 - телеобъектив, 6 - промежуточное изображение, 7 - коллимирующий объектив, 8 - изображение в плоскости считывания регистрирующего устройства, содержащего ЭОП, 9 регистрирующее устройство, содержащее ЭОП, 10 - оптический рельс, ƒ1 - фокусное расстояние входного объектива, ƒ2 - фокусное расстояние телеобъектива, ƒ3 - фокусное расстояние коллимирующего объектива.
1
2
3
1
Устройство содержит входной объектив 3 с фокусным расстоянием ƒформирующий увеличенное изображение 2 объекта 1, расположенный между телеобъективом 5 и исследуемым объектом 1, телеобъектив 5 с фокусным расстоянием ƒ,формирующий промежуточное изображение 6, коллимирующий объектив 7 с фокусным расстоянием ƒ, формирующий изображение 8 в плоскости считывания регистрирующего устройства 9, содержащего ЭОП, и регистрирующее устройство 9, содержащее ЭОП. На расстоянии не менее чем 0,9ƒ от входного объектива 3 располагается исследуемый объект 1, при этом входной объектив 3, телеобъектив 5, коллимирующий объектив 7 и регистрирующее устройство 9, содержащее ЭОП, последовательно расположены на одной оптической оси 4, оптический рельс 10, предназначенный для размещения всех элементов устройства расположен параллельно оптической оси 4, расстояние  между входным объективом 3 и телеобъективом 5 лежит в интервале 150-500 см, расстояние d между коллимирующим объективом 7 и плоскостью считывания регистрирующего устройства 9, содержащего ЭОП, лежит в интервале 30-80 см, расстояние х между телеобъективом 5 и коллимирующим объективом 7 определяется соотношением (1).
Устройство работает следующим образом:
1
Входной объектив 3 формирует мнимое увеличенное изображение 2 исследуемого объекта 1. Экспериментально установлено, что оптимальны для использования объективы с фокусным расстоянием ƒ, лежащим в интервале от 1 до 5 см. При расстоянии меньшем 1 см падает глубина резкости, а при большем расстоянии обеспечивается недостаточное оптическое увеличение. Линейное увеличение N определяется известной формулой:
,
1
1
где ƒ - фокусное расстояние, d - расстояние до объекта. Согласно формуле (2) входной объектив 3 с фокусным расстоянием ƒ=5 см, на расстоянии 0,9ƒ которого установлен исследуемый объект 1, формирует в предметной плоскости увеличенное в 10 раз мнимое неперевернутое увеличенное изображение 2 исследуемого объекта 1. Оптический рельс 10, предназначенный для размещения всех элементов устройства расположен параллельно оптической оси 4. Входной объектив 3, телеобъектив 5, коллимирующий объектив 7 и регистрирующее устройство 9, содержащее ЭОП закреплены на оптическом рельсе 10.
Телеобъектив 5 осуществляет перенос увеличенного изображения 2 объекта 1 вдоль оптической оси 4, формируя на выходе действительное уменьшенное перевернутое промежуточное изображение 6. Действительное уменьшенное изображение проецируется коллимирующим объективом 7 в плоскость считывания регистрирующего устройства 9, содержащего ЭОП, как действительное увеличенное перевернутое изображение 8. Поскольку переворот изображения осуществлялся дважды, изображение в плоскости считывания регистрирующего устройства 9, содержащего ЭОП, является неперевернутым по отношению к исходному объекту. Расстояние между телеобъективом 5 и коллимирующим объективом 7 определяется условиями передачи увеличенного изображения 2 в плоскость промежуточного изображения 6, и передачи промежуточного изображения 6 в плоскость считывания регистрирующего устройства 9, содержащего ЭОП. Оба этих условия могут быть оценены из формулы тонкой линзы, их суммированием получаем соотношение (1).
0
0
0
0
Разрешение Т оптической системы при отсутствии входного объектива 3 позволяет зарегистрировать минимально различимый элемент исследуемого объекта 1 равный 1/Т мм. При установке в оптическую систему входного объектива 3 увеличенное изображение 2 исследуемого объекта 1 увеличивается в N раз. Если разрешающая способность входного объектива 3 много больше разрешающей способности оптической системы, то влиянием его разрешающей способности на систему можно пренебречь. Минимально разрешимый элемент увеличенного изображения 2 становится равен 1/Т. Ему соответствует в N раз меньший элемент исследуемого объекта 1, равный 1/NT мм. Таким образом, минимальная оценка разрешения Т оптической системы при использовании входного объектива 3 будет приближенно определяться формулой:
.
0
Согласно формуле (3) при обеспечении входным объективом 3 линейного увеличения N=10, происходит увеличение разрешающей способности в 10 раз. При начальном разрешении Т=20 пар лин./мм, разрешение при установке в оптическую систему входного объектива 3 составит 200 пар линий на миллиметр.
Для оптимизации расстояний между компонентами и корректного выбора характеристик используемых компонентов, были проведены экспериментальные исследования разрешающей способности с помощью набора мир по методике, изложенной в ГОСТ15114-78С. Последовательно проверялось влияние расстояния между компонентами и фокусного расстояния каждого из оптических компонентов, на разрешающую способность всей системы.
2
В качестве входного объектива 3 были исследованы линза с фокусным расстоянием 8 см, микрообъектив ЛОМО с фокусным расстоянием 1 см, объектив Юпитер-3, с фокусом 5 см, объектив Юпитер-37 с фокусным расстоянием 13,5 см Разрешающая способность проверялась с помощью миры ГОИ №1. При использовании линзы зарегистрирована 10 позиция миры, соответствующая 85 парам линий на мм. При использовании микрообъектива ЛОМО и объектива Юпитер-3 регистрировалась 25 позиция миры, соответствующая 200 пар линий на мм. Однако использование микрообъектива приводило к существенному уменьшению поля зрения и светосилы. Объектив Юпитер-37 не обеспечивал необходимого оптического увеличения. Таким образом, объективы с фокусным расстоянием менее 1 см обеспечивают слишком малое поле зрения в рамках данной схемы. Объективы с фокусным расстоянием более 5 см обеспечивают слишком малое оптическое увеличение. Таким образом, наиболее подходящим является объектив с фокусным расстоянием в интервале от 1 до 5 см, например, объектив «Юпитер-3». Экспериментально установлено, что оптимальное расстояние  между входным объективом 3 и телеобъективом 5 лежит в интервале от 150 до 500 см. На расстояниях  между входным объективом 3 и телеобъективом 5, меньших 150 см, телеобъектив 5 не обеспечивает построения изображения надлежащего качества, что приводит к резкому падению разрешения - регистрируются позиции миры ГОИ №1 вплоть до 5, что соответствует разрешению 63 пары линий на миллиметр. При расстояниях  между входным объективом 3 и телеобъективом 5 более 500 см происходит падение разрешающий способности до 85 пар линий на миллиметр. При этом, в экспериментах наилучшие результаты по разрешению показывают длиннофокусные телеобъективы с переменным фокусным расстоянием ƒ в интервале от 50 до 300 мм.
3
С помощью объектива MDL-0550D с переменным фокусным расстоянием, было исследовано оптимальное фокусное расстояние для коллимирующего объектива 7. При росте фокусного расстояния наблюдается резкое падение разрешения. Экспериментально установлено, что оптимальное фокусное расстояние ƒ лежит в интервале от 1 до 15 мм.
Эксперименты также показали, что регистрация 23-25 позиции миры №1 достигается, если между телеобъективом 5, и коллимирующим объективом 7 расстояние х лежит в интервале от 5 до 8 см. В этом интервале разрешающая способность не испытывает заметных изменений. При расстоянии менее 5 см разрешающая способность падает настолько, что резкое изображение миры не формируется. При расстоянии более 8 см разрешение также ухудшается, при этом различимы позиции не далее 10-11.
Расстояние d между коллимирующим объективом 7 и плоскостью считывания регистрирующего устройства 9, содержащего ЭОП определяется условиями обеспечения максимальной резкости и оптимальных размеров изображения в плоскости считывания регистрирующего устройства 9, содержащего ЭОП. Для максимального использования разрешения ЭОП, необходимо формировать изображение на всю ширину фотокатода регистрирующего устройства. Поскольку типовой размер фотокатода ЭОП лежит в интервале 18-25 мм, оптимум расстояния d между коллимирующим объективом и фотокатодом, установленный экспериментально, лежит в интервале от 30 до 80 см.
2
3
В качестве входного объектива 3 может быть использован любой объектив с малым фокусным расстоянием, например объектив Юпитер 3. В качестве телеобъектива 5 может быть использован телеобъектив EF 70-200mm CANON, либо иной телеобъектив с фокусным расстоянием f, лежащим в интервале от 50 до 300 мм, оптимальным в рамках данной установки. В качестве оптического рельса 10 может быть использован оптический рельс RAOB20-1 производства фирмы Zolix. В качестве коллимирующего объектива 7 можно использовать микрообъектив Olympus MPlan 10х с фокусным расстоянием ƒ, равным 10,6 мм. Регистрирующее устройство 9, содержащее ЭОП, может состоять из ЭОПа производства ОАО «Катод» и регистрирующей камеры SDU-R205 производства ООО «Спецтелетехника». Для системы, собранной из данных компонентов проведена проверка разрешающей способности. При отсутствии входного объектива 3 регистрируется 20 позиция миры ГОИ №4 (разрешающая способность 20 пар линий на миллиметр). После установки входного объектива 3 зарегистрирована 25 позиция миры ГОИ №1 (разрешающая способность 200 пар линий на миллиметр).
Таким образом, достигается технический результат - увеличение разрешающей способности прибора.