ТЕЛЕЦЕНТРИЧЕСКИЙ СКАНИРУЮЩИЙ ОБЪЕКТИВ
TELECENTRIC SCANNING LENS

Предлагаемое изобретение относится к оптическому приборостроению и может быть использовано в окулярах телескопических систем и микроскопов, для рассматривания изображений различных микромониторов, например, телевизионных или тепловизионных оптических систем, а также в составе устройств оптической когерентной томографии, в том числе для целей диагностики ряда заболеваний.
Известен телецентрический окуляр с удаленным выходным зрачком, 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 (1). В числе достоинств разработки указывается обеспечение хода главных лучей в пространстве предметов, близкого к телецентрическому. Однако недостатком известного окуляра является большое число элементов, формирующих изображение.
Известно устройство для осуществления оптического сканирования с телецентрическим ходом лучей, состоящее из шести элементов (2). Однако недостатком указанного устройства является большое число элементов, формирующих изображение и недостаточно большой вынос входного зрачка (1/3 фокусного расстояния).
Известен трехэлементный двухлинзовый окуляр (3). Окуляр 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. Однако недостатком известного окуляра является использование двояковыпуклой линзы со стороны зрачка, что нежелательно при использовании в составе устройств оптической когерентной томографии.
Наиболее близким к предлагаемому устройству по совокупности существенных признаков и достигаемому техническому результату является известное устройство для осуществления оптического сканирования с телецентрическим ходом лучей, содержащее три элемента, из которых первый элемент - одиночная линза, второй и третий элементы склеены между собой и образуют сложную составную линзу, фокусное расстояние f2 которой удовлетворяет условию 0,35<f2/fc, где fc - фокусное расстояние системы в целом, 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), а в качестве первого элемента использована плоско-вогнутая линза, фокусное расстояние f1 которой удовлетворяет условию -2,2<f1/fc<-1,7, которое выбрано в качестве прототипа (4).
Устройство характеризуется удовлетворительной удаленностью входного зрачка от первой поверхности первого элемента.
Однако недостатком известного устройства является недостаточное разрешение при использовании в ближнем инфракрасном диапазоне. В частности, в приведении к фокусному расстоянию 32 мм устройство позволяет получить разрешение в плоскости сканирования не выше 10 пар линий на мм при длине волны зондирующего излучения 1,3 мкм.
Задачей предлагаемого изобретения является создание телецентрического сканирующего объектива с возможностью использования в составе устройств оптической когерентной томографии, позволяющего реализовать достаточное разрешение для целей диагностики ряда заболеваний, в том числе онкологических.
Технический результат - создание телецентрического сканирующего объектива с улучшенными эксплуатационными характеристиками при высоком качестве изображения в ближнем инфра-красном диапазоне обеспечивающего оптическое разрешение, близкое к дифракционному.
Технический результат достигается за счет того, что в устройстве с телецентрическим ходом лучей содержащем три элемента, из которых первый элемент - одиночная линза, второй и третий элементы склеены между собой и образуют сложную составную линзу, фокусное расстояние f2 которой удовлетворяет условию 0,35<f2/fc, где fc - фокусное расстояние системы в целом, 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), согласно изобретения, в качестве первого элемента использована плосковыпуклая линза, фокусное расстояние f1 которой удовлетворяет условию 1,7<f1/fc<2,2.
Телецентрический сканирующий объектив работает следующим образом:
Излучение, сформированное в плоский пучок, проходит через плоскость зрачка А, преломляется поверхностями линз 1, 2 и 3 и фокусируется в плоскости изображений А' (фиг. 1), где 1 - плосковыпуклая линза, 2, 3 - составная линза, склеенная из двояковыпуклой линзы и отрицательного мениска.
Возможны следующие частные случаи:
В первом частном случае по фиг. 2 с целью защиты задней поверхности сложной линзы телецентрический сканирующий объектив может быть дополнен прозрачным оптическим элементом W, не обладающим оптической силой.
Во втором частном случае по фиг. 3 прозрачный оптический элемент W1, не обладающий оптической силой, может быть выполнен в виде плоскопараллельной пластинки, что позволяет защитить поверхность сложной линзы от контакта с агрессивными средами в процессе исследования или стерилизации при отсутствии вносимых оптических искажений.
В третьем частном случае по фиг. 4 прозрачный оптический элемент W2, не обладающий оптической силой, может быть выполнен в виде усеченной призмы, что кроме защиты поверхности сложной линзы от контакта с агрессивными средами в процессе исследования или стерилизации позволяет исключить возникновение блика при контакте с поверхностью исследуемого органа либо ткани.
В качестве конкретного примера реализации изобретения рассчитан телецентрический сканирующий объектив со следующими конструктивными параметрами, приведенный к фокусному расстоянию 100 мм:
Фокусное расстояние fc=100 мм
Фокусное расстояние f1=230 мм
Фокусное расстояние f2=156 мм
Угловое поле зрения в пространстве изображений 15 градусов
Удаление зрачка 78 мм
Задний фокальный отрезок 79 мм
Для конкретной реализации изобретения изготовлен телецентрический сканирующий объектив со следующими конструктивными параметрами с фокусным расстоянием 32 мм.
Фокусное расстояние fc=32 мм
Фокусное расстояние f1=77 мм
Фокусное расстояние f2=49 мм
Угловое поле зрения в пространстве изображений 15 градусов
Удаление зрачка 25 мм
Задний фокальный отрезок 25 мм
Диаметр входного зрачка 3 мм
Аберрационные кривые для изготовленного телецентрического сканирующего объектива представлены на фиг. 5, где фиг. 5а - разрешающая способность, фиг. 5б - продольное смещение фокуса в зависимости от угла сканирования зондирующего луча, фиг. 5в - поперечное смещение фокуса (дисторсия) в зависимости от угла сканирования зондирующего луча, S - сагиттальная плоскость, Т - тангенциальная плоскость.
По фиг. 5 видно, что в конкретной реализации изобретения достигнуто близкое к дифракционно-ограниченному разрешение 24 пары линий на мм, что соответствует ширине перетяжки пучка в плоскости фокусировки менее 21 мкм.
Изготовленный в конкретной реализации телецентрический сканирующий объектив был использован в составе устройства оптической когерентной томографии при длине волны зондирующего излучения в ближнем инфра-красном оптическом диапазоне 1,3 мкм. Полученные изображения тестовых объектов и биологической ткани представлены на фиг. 6. На фиг. 6а - для тестовой модели, расположенной под углом к оптической оси системы, частота штрихов 100 пар линий на дюйм (4 линии на мм); на фиг. 6б - для шкалы линейки с ценой деления 1 мм; на фиг. 6в - для толстой кожи пальца человека.
Предлагаемое изобретение позволило при использовании получить следующий технический эффект - достичь в ближнем инфра-красном оптическом диапазоне близкой к дифракционно-обусловленной разрешающей способности.
Таким образом, создан телецентрический сканирующий объектив с возможностью использования в составе устройств оптической когерентной томографии, позволяющий реализовать в ближнем инфра-красном диапазоне достаточное разрешение для целей диагностики ряда заболеваний, в том числе онкологических.
Источники информации
1. 2498364 RU, ОКУЛЯР С УДАЛЕННЫМ ЗРАЧКОМ / Хацевич Т.Н., Дружкин Е.В.; (заявка №2012114587/28, 12.04.2012).
2. US 9442272 B2, F-THETA OBJECTIVE, 13.09.2016 (заявка №14/332971, 16.07.2014).
3. 2631535 RU, ОКУЛЯР / Щеглов С.И. (заявка №2016126085, 30.06.2016).
4. US 6388817 B2, F-THETA LENS 14.05.2002 (заявка №09/805209, 14.03.2001).