ПЛАНАПОХРОМАТИЧЕСКИЙ ВЫСОКОАПЕРТУРНЫЙ МИКРООБЪЕКТИВ
PLAN-APOCHROMATIC HIGH-APERTURE MICROLENS

Предлагаемое изобретение относится к оптическому приборостроению для визуального и фотографического наблюдения и исследования малоконтрастных микроскопических структур, находящихся на пределе разрешающей способности световых микроскопов, оснащенных всеми современными методами исследования объектов в естественном свете, в поляризованном свете, в свете видимой люминесценции, методами светлого поля, темного поля, фазового контраста и др.
Известен планапохроматический объектив микроскопа [1], содержащий пять компонентов, первый из которых отрицательный мениск, обращенный выпуклой поверхностью 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 - двухсклееный мениск, обращенный выпуклой поверхностью к объекту.
Объектив имеет высокое качество по всему линейному полю зрения (2у'=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 мениска, обращенного вогнутостью к пространству объекта, и двояковыпуклой положительной линзы, второй содержит двояковыпуклую положительную и склеенную из двояковыпуклой и двояковогнутой линз и третий компонент состоит из двух положительных двояковыпуклых линз.
х
Объектив имеет довольно большую входную апертуру (20×0,65), плановую коррекцию, но недостаточно исправленный хроматизм положения (объектив - ахромат) и хроматизм увеличения (ХРУ=0.8%).
Современные модели микроскопов комплектуются не только более высокоапертурными планапохроматическими микрообъективами, имеющими улучшенную коррекцию монохроматических и хроматических аберраций по всему линейному полю зрения, но и обладают реальной плоскостью апертурной диафрагмы, позволяющей размещать элементы для фазового контраста, модуляционного контраста Хоффмана и ирисовые диафрагмы для изменения глубины резкости.
Основной задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение информационной емкости изображения в результате исправления кривизны изображения и хроматической разности увеличений при увеличении числовой апертуры и линейного поля зрения.
I
II
III
Для решения поставленной задачи предлагается планапохроматический высокоапертурный микрообъектив, который, как и прототип, содержит три компонента, первый из которых I с оптической силой Ф выполнен в виде фронтального мениска, обращенного вогнутостью к пространству объекта, и двояковыпуклой положительной линзы, второй компонент II с оптической силой Ф, состоит из склеенной положительной и двояковогнутой отрицательной линз, и третий компонент III выполнен с оптической силой Ф.
II5
II6,7
II5,6,7
об
В отличие от прототипа во втором компоненте II за склеенной линзой, состоящей из положительной двояковыпуклой и двояковогнутой отрицательной линз, размещены по ходу луча положительная двояковыпуклая линза с оптической силой Ф и склеенная линза с оптической силой Ф, состоящая из отрицательного мениска, обращенного вогнутостью к пространству изображения и положительной двояковыпуклой линзы, а третий компонент III выполнен в виде плосковыпуклой положительной линзы и склеенного мениска, обращенного вогнутостью к пространству объекта и состоящего из положительного и отрицательного менисков, при этом соотношение оптических сил линз Ф к оптической силе объектива в целом Ф удовлетворяет условию:
<mrow><mn>0</mn><mo>,</mo><mn>2</mn><mn>5</mn><mo>≤</mo><mrow><mo>|</mo><mrow><msub><mi>Ф</mi><mrow><mi>I</mi><mi>I</mi><mn>5</mn><mo>,</mo><mn>6</mn><mo>,</mo><mn>7</mn></mrow></msub><mo>/</mo><msub><mi>Ф</mi><mrow><mi>о</mi><mi>б</mi></mrow></msub></mrow><mo>|</mo></mrow><mo>≤</mo><mn>0</mn><mo>,</mo><mn>6</mn><mn>5</mn></mrow>
II5,6,7
5,6,7
об
об
, где Ф=1/f'; Ф=1/f';
II5
II7
где f' - фокусное расстояние, кроме того, положительная двояковыпуклая линза с оптической силой Ф и положительная двояковыпуклая линза склеенной линзы второго компонента II с оптической силой Ф выполнены из материала с коэффициентом дисперсии, удовлетворяющим условию:
d
II6
d
64<ν<95,2, а отрицательный мениск с оптической силой Ф, обращенный вогнутостью к пространству изображения склеенной линзы второго компонента II, выполнен из материала с коэффициентом дисперсии, удовлетворяющим условию: 45<ν<60.
d
d
об
I,II
об
III8
III9,10
Кроме того фронтальный мениск первого компонента I выполнен из материала с коэффициентом дисперсии 42<ν<48 и показателем преломления n≥1,8, при этом соотношение оптических сил компонентов I и II и объектива в целом Ф удовлетворяет условию: 0,9≤Ф/Ф≤1,5, а оптические силы положительной плосковыпуклой линзы Ф и склеенного мениска третьего компонента Ф связаны следующим соотношением:
III8
III9,10
III8
8
III9,10
9,10
0,45≤Ф/Ф≤0,65, где Ф=1/f'; Ф=1/f';
где f' - фокусное расстояние.
Сущность предлагаемого 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 апертура и введена реальная плоскость апертурной диафрагмы.
Таким образом достигнут технический результат, заключающийся в увеличении входной апертуры и достижения планапохроматической коррекции и наличия реальной плоскости апертурной диафрагмы, необходимой для исследований по методу фазового контраста, модуляционого контраста по методу Хоффмана и др.
Предлагаемый планапохроматический высокоапертурный микрообъектив поясняется фиг.1, на которой представлена его оптическая схема, а также Приложением, в котором даны конструктивные параметры оптической системы.
I
Планапохроматический высокоапертурный микрообъектив содержит три компонента, первый из которых I с оптической силой Ф выполнен в виде фронтального мениска 1, обращенного вогнутостью к пространству объекта, и двояковыпуклой положительной линзы.
II
II5
II6,7
Второй компонент II с оптической силой Ф, состоит из склеенной положительной 3 и двояковогнутой отрицательной 4 линз, за склеенной линзой 3, 4 помещены по ходу луча положительная двояковыпуклая линза 5 с оптической силой Ф и склеенная линза 6 и 7 с оптической силой Ф, состоящая из отрицательного мениска 6, обращенного вогнутостью к пространству изображения и положительной двояковыпуклой линзы 7.
III
II5,6,7
об
Третий компонент III с оптической силой Ф выполнен в виде плосковыпуклой положительной линзы 8 и склеенного мениска, обращенного вогнутостью к пространству объекта и состоящего из положительного 9 и отрицательного 10 менисков, при этом соотношение оптических сил линз Ф к оптической силе объектива в целом Ф удовлетворяет условию:
<mrow><mn>0,25</mn><mo>≤</mo><mrow><mo>|</mo><mrow><msub><mi>Ф</mi><mrow><mi>I</mi><mi>I</mi><mn>5,6,7</mn></mrow></msub><mo>/</mo><msub><mi>Ф</mi><mrow><mi>о</mi><mi>б</mi></mrow></msub></mrow><mo>|</mo></mrow><mo>≤</mo><mn>0,65</mn></mrow>
II5,6,7
5,6,7
об
об
, где Ф=1/f'; Ф=1/f';
II5
II7
d
II6
f' - фокусное расстояние, кроме того, положительная двояковыпуклая линза с оптической силой Ф и положительная двояковыпуклая линза склеенной линзы второго компонента с оптической силой Ф выполнены из материала с коэффициентом дисперсии, удовлетворяющим условию: 64<ν<95,2, а отрицательный мениск с оптической силой Ф, обращенный вогнутостью к пространству изображения склеенной линзы второго компонента, выполнен из материала с коэффициентом дисперсии, удовлетворяющим условию:
d
45<ν<60.
d
d
об
I,II
об
III8
III9,10
Фронтальный мениск 1 первого компонента выполнен из материала с коэффициентом дисперсии 42<ν<48 и показателем преломления n≥1,8, при этом соотношение оптических сил компонентов I и II и объектива в целом Ф удовлетворяет условию: 0,9≤Ф/Ф≤1,5, а оптические силы положительной плосковыпуклой линзы Ф и склеенного мениска третьего компонента Ф связаны следующим соотношением:
III8
III9,10
III8
8
III9,10
9,10
0,45≤Ф/Ф≤0,65, где Ф=1/f'; Ф=1/f'; где f' - фокусное расстояние.
Предлагаемый планапохроматический высокоапертурный микрообъектив работает с тубусной линзой (f'=160 мм) следующим образом.
Фронтальный мениск 1, обращенный вогнутой поверхностью к пространству объекта, совместно с двояковыпуклой линзой 2 строит увеличенное мнимое изображение при умеренных значениях сферической аберрации, комы, астигматизма, кривизны изображения и значительном хроматизме увеличения (ХРУ).
Второй компонент II проецирует изображение объекта после первого компонента I с дополнительным увеличением в переднюю фокальную плоскость третьего компонента III, внося отрицательную сферическую аберрацию, положительную кому и астигматизм, частично компенсируя хроматизм положения и увеличения, и создает изображение входного зрачка, т.е. реальное положение апертурной диафрагмы, в задней фокальной плоскости системы, состоящей из первого компонента I и второго компонента II.
Третий компонент III проецирует изображение объекта после компонентов I и II в бесконечность, компенсируя остаточные сферическую аберрацию, хроматизм положения и увеличения, астигматизм и кривизну изображения.
В соответствии с предложенным техническим решением выполнен расчет планапохроматического высокоапертурного микрообъектива с реальной плоскостью апертурной диафрагмы увеличением 20 крат, входной апертурой 0,7, линейным полем зрения 25 мм.
Объектив имеет высокое качество изображения по всему линейному полю зрения 2у'=25 мм, так значение числа Штреля от 0,83 в центре до О, 22 на краю поля зрения.
Такие значения числа Штреля обуславливают высокую концентрацию энергии в центре дифракционного пятна рассеяния, и, следовательно, высокий контраст изображения по всему полю визуального наблюдения.
Хроматическая разность увеличения в объективе ХРУ≤0,3%.
Результаты расчета приведены в приложении.
Фокусное расстояние объектива, мм
8.0
Входная апертура
0.7
Линейное поле зрения, мм
25.0
Положение входного зрачка, мм
Бесконечн.
Диаметр изображения, мм
25.0
Таким образом, в предлагаемом планапохроматическом высокоапертурном микрообъективе достигнуто повышение информационной емкости изображения в результате исправления кривизны изображения и хроматической разности увеличений при увеличении числовой апертуры и линейного поля зрения и создана реальная плоскость апертурной диафрагмы, необходимая для размещения элементов для фазового контраста, модуляционного контраста Хоффмана и ирисовых диафрагм для увеличения глубины резкости.
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.