ПЛАНАПОХРОМАТИЧЕСКИЙ МИКРООБЪЕКТИВ

Предполагаемая полезная модель относится к области микроскопии и может быть использована для визуального наблюдения и фотографирования малоконтрастных микроскопических структур, находящихся на пределе разрешающей способности световых микроскопов в естественном свете.
Современные модели микроскопов требуют комплектации планапохроматическими микрообъективами с возможностью наблюдения за культивируемыми клетками при использования посуды для помещения исследуемых объектов с большими перепадами толщин (в дальнейшем - покровным стеклом), которые вызывают значительное изменение аберраций, а также большое рабочее расстояние, позволяющее осуществлять манипуляции с исследуемым объектом. Такой микрообъектив должен иметь возможность корректировки возникающих аберраций.
Известен планапохроматический объектив микроскопа [1], содержащий четыре компонента, первый из которых имеет положительную силу, и содержит три мениска, обращенные выпуклостью к изображению, второй - имеет положительную силу, содержащий склеенную линзу из отрицательной и положительной линз и одиночную двояковыпуклую линзу, третий - склеенный компонент, содержит положительную двояковыпуклую и отрицательную двояковогнутую линзы, четвертый компонент - склеенная линза, состоящая из отрицательного и положительного менисков, обращенных выпуклостью к изображению.
Второй компонент имеет возможность перемещения вдоль оптической оси между первым и третьим компонентами для компенсации аберраций, возникающих при изменении толщины покровного стекла.
Объектив имеет большую апертуру (0.7), возможность работы с переменной толщиной покровного стекла, высокое качество изображения по всему линейному полю зрения (2у'=22 мм), но его рабочее расстояние (~1.7 мм) не позволяет осуществлять манипуляции с исследуемым объектом.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению, является планахроматический высокоапертурный микрообъектив [2], содержащий три компонента, первый из которых по ходу луча выполнен в виде фронтального мениска, обращенного вогнутостью к пространству объекта и двояковыпуклой положительной линзы, второй содержит склеенную линзу из двояковыпуклой положительной и двояковогнутой отрицательной линз, двояковыпуклую положительную линзу и склеенную линзу из отрицательного мениска и двояковыпуклой линз, и третий компонент выполнен склеенным из положительного и отрицательного менисков, обращенных вогнутостью в пространство объекта.
Микрообъектив имеет высокую входную апертуру (20×0,7), планапохроматическую коррекцию, но рабочее расстояние у него невелико (не более 1 мм) и он работает с постоянной толщиной покровного стекла.
Основной задачей, на решение которой направлена предполагаемая полезная модель, является увеличение рабочего расстояния для использования переменной толщины покровного стекла при помещении исследуемых объектов и достижения планапохроматической коррекции для обеспечения высокого разрешения при наблюдении объектов.
I
II
III
Для решения поставленной задачи предложен планапохроматический микрообъектив, который, как и прототип, содержит три компонента, первый из которых I с оптической силой ϕ выполнен в виде мениска, обращенного вогнутостью в пространство объекта, и положительной линзы, второй компонент II с оптической силой ϕ, состоящий из склеенной из положительной двояковыпуклой и отрицательной линз и положительной двояковыпуклой линзы, и третий компонент III с оптической силой ϕ, содержащий склеенный мениск.
об
I
об
II
об
III
В отличие от прототипа в первом компоненте положительная линза выполнена в виде мениска, обращенного вогнутостью в пространство объекта, во втором компоненте отрицательная линза в склеенной линзе выполнена в виде мениска, обращенного вогнутостью в пространство объекта, а в третьем компоненте перед склеенным мениском по ходу луча помещена склеенная линза, состоящая из отрицательной и положительной двояковыпуклой линз, и положительный мениск, обращенный вогнутостью в пространство изображения, а склеенный мениск содержит отрицательный и положительный мениски, обращенные вогнутостью в пространство объекта, при этом соотношение оптических сил компонентов и объектива в целом ϕ удовлетворяют следующим условиям: 0.25≤ϕ/ϕ≤1.2, 0.15≤ϕ/ϕ≤0.9, -0.95≤ϕ≤-0.12.
Кроме того, третий компонент выполнен с возможностью перемещения вдоль оптической оси на величину от 0.1f' до 0.4f' для компенсации аберраций, возникающих при изменении толщины покровного стекла, где f' - фокусное расстояние микрообъектива.
Сущность предлагаемой полезной модели заключается в том, что, такое выполнение микрообъектива позволило получить большое рабочее расстояние (0.65-0.8)f' при переменной толщине покровного стекла, при этом достигнута планапохроматическая коррекция.
Таким образом, достигнут технический результат, заключающийся в увеличении рабочего расстояния, достижения планапохроматической коррекции при переменной толщине покровного стекла.
Предлагаемая полезная модель иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 - представлена оптическая схема планапохроматического микрообъектива; на фиг. 2 - Частотно-Контрастная Характеристика при толщине покровного стекла 1 мм; Фиг. 3 - Частотно-Контрастная Характеристика при толщине покровного стекла 0.001 мм; Фиг. 4 - Частотно-Контрастная Характеристика при толщине покровного стекла 2 мм.
I
I
об
I
об
II
II
об
Планапохроматический микрообъектив содержит три компонента, первый из которых I с оптической силой ϕ выполнен в виде отрицательного мениска 1 и положительного мениска 2, обращенных вогнутостью в пространство объекта, при этом соотношение оптических сил компонента I ϕ и всего объектива ϕ 0.25≤ϕ/ϕ≤1.2, второй компонент II с оптической силой ϕ, состоит из склеенной положительной двояковыпуклой линзы 3 и отрицательного мениска 4, обращенного вогнутостью в пространство объекта, и одиночной положительной двояковыпуклой линзы 5, при этом соотношение оптических сил 0.15≤ϕ/ϕ≤0.9.
III
III
Третий компонент с оптической силой ϕ содержит отрицательную склеенную линзу из двояковогнутой отрицательной 6 и двояковыпуклой положительной 7 линз, положительного мениска 8, обращенного вогнутостью к пространству изображения, и положительного 9 и отрицательного 10 менисков, обращенных вогнутостью к пространству объекта, при этом соотношение оптических сил -0.95≤ϕ≤-0.12.
Кроме того, третий компонент выполнен с возможностью перемещения вдоль оптической оси на величину от 0.1f' до 0.4f' для компенсации аберраций, возникающих при изменении толщины покровного стекла, где f' - фокусное расстояние микрообъектива.
Предлагаемый планапохроматический микрообъектив работает следующим образом.
Микрообъектив работает с тубусной линзой с фокусом 200 мм.
Фронтальный мениск 1, обращенный вогнутостью к пространству объекта, совместно с двояковыпуклой линзой 2 строит увеличенное мнимое изображение объекта при умеренных значениях сферической аберрации, комы, астигматизма и кривизны и значительном хроматизме увеличения (ХРУ).
Второй компонент II проецирует изображение объекта с дополнительным увеличением в фокальную плоскость третьего компонента III, внося отрицательную сферическую аберрацию, положительную кому и астигматизм, частично компенсируя хроматизм положения и увеличения.
Компонент III проецирует изображение объекта в бесконечность, компенсируя остаточные сферическую аберрацию, хроматизм положения и увеличения, астигматизм и кривизну.
об
об
об
В соответствии с предложенным техническим решением в качестве конкретного примера выполнен расчет планапохроматического микрообъектива с увеличением 20 крат, входной апертурой 0,45, линейным полем изображения 22 мм, при этом толщина покровного стекла изменяется в пределах от 0 до 0.2f', а рабочее расстояние от покровного стекла до поверхности первой линзы - от 0.65f' до 0.8f'.
Объектив имеет высокое качество изображения по всему линейному полю зрения 2у'=22 мм.
Так, по всему линейному полю зрения объектива значение числа Штреля от 0,98 в центре до 0,8 на краю поля при толщине покровного стекла 1 мм, 0.95 в центре до 0,52 на краю поля при толщине покровного стекла 0.001 мм и 0.9 в центре до 0,66 на краю поля при толщине покровного стекла 2 мм.
Столь большие значения обуславливают высокую концентрацию энергии в центре дифракционного пятна, а, следовательно, высокий контраст изображения по всему полю наблюдения.
Хроматическая разность увеличений в объективе ХРУ≤0,4%.
Результаты расчета приведены в приложении.
Приложение
Фокусное расстояние, мм: 10.085
Числовая апертура в пространстве предметов NA: 0.45
Размер предмета 2Y, мм: 1.100
Расстояние от первой поверхности до пл. изобр., мм: 59.94
Таким образом, достигнуто увеличение рабочего расстояния для использования переменной толщины покровного стекла при помещении исследуемых объектов и достигнута планапохроматическая коррекция для обеспечения высокого разрешения при наблюдении объектов.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. США, патент на изобретение №2013222920, МПК G02В 21/02, 2013 г.
2. Российская Федерация, патент на полезную модель №116250, МПК: G02В 21/02, 2012 г. - прототип.