ПЛАНАПОХРОМАТИЧЕСКИЙ ВЫСОКОАПЕРТУРНЫЙ МИКРООБЪЕКТИВ
PLAN-APOCHROMATIC HIGH-APERTURE MICROLENS

Предлагаемое изобретение относится к области микроскопии и может быть использовано для визуального наблюдения и фотографирования малоконтрастных микроскопических структур, находящихся на пределе разрешающей способности световых микроскопов в естественном свете, в свете видимой люминесценции, в поляризованном свете методом светлого поля, темного поля, фазового контраста и др.
Известен планапохроматический объектив микроскопа [1], содержащий пять компонентов, первый из которых - отрицательный мениск, обращенный выпуклостью 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 - двусклеенный мениск, обращенный выпуклостью к объекту.
Объектив имеет высокое качество изображения по всему линейному полю зрения (2y'=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 фронтального мениска, обращенного вогнутостью к пространству объекта и двояковыпуклой положительной линзы, второй содержит двояковыпуклую положительную линзу и склеенную из двояковыпуклой и двояковогнутой линз, и третий компонент состоит из двух положительных двояковыпуклых линз.
Микрообъектив имеет довольно высокую входную апертуру (20×0,65), плановую коррекцию, но недостаточно исправленный хроматизм (объектив-ахромат).
Современные модели микроскопов требуют комплектации высокоапертурными планапохроматическими микрообъективами, которые имеют улучшенную коррекцию монохроматических и хроматических аберраций на оси и линейному полю зрения.
Основной задачей, на решение которой направлено предполагаемое изобретение, является улучшение моно и хроматических аберраций осевого и внеосевых пучков, а также увеличение входной апертуры.
I
II
III
Для решения поставленной задачи предложен планапохроматический высокоапертурный микрообъектив, который, как и прототип, содержит три компонента, первый из которых I с оптической силой φ выполнен в виде фронтального мениска, обращенного вогнутостью к пространству объекта, и двояковыпуклой положительной линзы, второй компонент II с оптической силой φ, состоящий из склеенной из положительной двояковыпуклой и двояковогнутой отрицательной линз, и третий компонент III с оптической силой φ, содержащий две линзы.
II
II5
II6,7
III
II5,6,7
об
В отличие от прототипа во втором компоненте с оптической силой φ за склеенной линзой, состоящей из положительной двояковыпуклой и двояковогнутой отрицательной линз, помещены по ходу луча положительная двояковыпуклая линза с оптической силой φ и склеенная линза с оптической силой φ, состоящая из отрицательного мениска, обращенного вогнутостью к пространству изображения, и положительной двояковыпуклой линзы, а линзы третьего компонента с оптической силой φ выполнены в виде мениска, обращенного вогнутостью к пространству объекта, склеенного из положительного и отрицательного менисков, обращенных вогнутостью к пространству объекта, при этом соотношение оптических сил линз φ и объектива в целом φ удовлетворяют следующим условиям:
<mrow><mn>0,3</mn><mo>≤</mo><mfrac><mrow><msub><mi>ϕ</mi><mrow><mi>I</mi><mi>I</mi><mn>5,6,7</mn></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>ϕ</mi><mrow><mi>о</mi><mi>б</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>≤</mo><mn>0,7</mn></mrow>
II5
d
d
, кроме того, положительная двояковыпуклая линза с оптической силой φ и положительная двояковыпуклая линза склеенной линзы второго компонента выполнены из материала с коэффициентом дисперсии, удовлетворяющим следующим условиям: 58<ν<95,2, а отрицательный мениск, обращенный вогнутостью к пространству изображения склеенной линзы второго компонента, выполнен из материала с коэффициентом дисперсии, удовлетворяющим условию: 57<ν<60.
d
d
III8
III9
Кроме того, фронтальный мениск первого компонента выполнен из материала с коэффициентом дисперсии 42<ν<48 и показателем преломления n≥1,8, оптические силы менисков третьего компонента φ и φ связаны следующим соотношением:
<mrow><mn>0,25</mn><mo>≤</mo><mrow><mo>|</mo><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>ϕ</mi><mrow><mi>I</mi><mi>I</mi><mi>I</mi><mn>8</mn></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>ϕ</mi><mrow><mi>I</mi><mi>I</mi><mi>I</mi><mn>9</mn></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>|</mo></mrow><mo>≤</mo><mn>0,75</mn></mrow>
<mrow><msub><mi>ϕ</mi><mrow><mi>I</mi><mi>I</mi><mi>I</mi><mn>8</mn></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><msubsup><mi>f</mi><mn>8</mn><mo>'</mo></msubsup></mrow></mfrac></mrow>
<mrow><msub><mi>ϕ</mi><mrow><mi>I</mi><mi>I</mi><mi>I</mi><mn>9</mn></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><msubsup><mi>f</mi><mn>9</mn><mo>'</mo></msubsup></mrow></mfrac></mrow>
, где
;
; f' - фокусное расстояние.
Сущность предполагаемого 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 входная апертура.
Таким образом, достигнут технический результат, заключающийся в увеличении входной апертуры и достижения планапохроматической коррекции.
Предлагаемое изобретение иллюстрируется (фиг.1), на котором представлена оптическая схема планапохроматического высокоапертурного микрообъектива, а также приложением (фиг.2), в котором даны конструктивные параметры и графики частотно-контрастной характеристики.
I
II
II5
II6,7
Планапохроматический высокоапертурный микрообъектив содержит три компонента, первый из которых I с оптической силой φ выполнен в виде фронтального мениска 1, обращенного вогнутостью к пространству объекта, и двояковыпуклой положительной линзы 2, второй компонент II с оптической силой φ, состоит из склеенной из положительной двояковыпуклой линзы 3 и двояковогнутой отрицательной линзы 4, при этом за склеенной линзой по ходу луча помещены положительная двояковыпуклая линза 5 с оптической силой φ и склеенная линза с оптической силой φ, состоящая из отрицательного мениска 6, обращенного вогнутостью к пространству изображения, и положительной двояковыпуклой линзы 7.
III
II5,6,7
<mrow><mn>0,3</mn><mo>≤</mo><mfrac><mrow><msub><mi>ϕ</mi><mrow><mi>I</mi><mi>I</mi><mn>5,6,7</mn></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>ϕ</mi><mrow><mi>о</mi><mi>б</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>≤</mo><mn>0,7</mn></mrow>
Линзы третьего компонента с оптической силой φ выполнены в виде мениска, обращенного вогнутостью к пространству объекта, склеенного из положительного 8 и отрицательного 9 менисков, обращенных вогнутостью к пространству объекта, при этом соотношение оптических сил линз φ и объектива, в целом, фоб удовлетворяют следующим условиям:
.
II5
d
d
Положительная двояковыпуклая линза 5 с оптической силой φ и положительная двояковыпуклая линза 7 склеенной линзы второго компонента выполнены из материала с коэффициентом дисперсии, удовлетворяющим следующим условиям: 58<ν<95,2, а отрицательный мениск 6, обращенный вогнутостью к пространству изображения склеенной линзы второго компонента выполнен из материала с коэффициентом дисперсии, удовлетворяющим условию: 57<ν<60.
d
d
III8
III9
Фронтальный мениск 1 первого компонента выполнен из материала с коэффициентом дисперсии 42<ν<48 и показателем преломления n≥1,8, оптические силы менисков третьего компонента φ и φ связаны следующим соотношением:
<mrow><mn>0,25</mn><mo>≤</mo><mrow><mo>|</mo><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>ϕ</mi><mrow><mi>I</mi><mi>I</mi><mi>I</mi><mn>8</mn></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>ϕ</mi><mrow><mi>I</mi><mi>I</mi><mi>I</mi><mn>9</mn></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>|</mo></mrow><mo>≤</mo><mn>0,75</mn></mrow>
,
<mrow><msub><mi>ϕ</mi><mrow><mi>I</mi><mi>I</mi><mi>I</mi><mn>8</mn></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><msubsup><mi>f</mi><mn>8</mn><mo>'</mo></msubsup></mrow></mfrac></mrow>
<mrow><msub><mi>ϕ</mi><mrow><mi>I</mi><mi>I</mi><mi>I</mi><mn>9</mn></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><msubsup><mi>f</mi><mn>9</mn><mo>'</mo></msubsup></mrow></mfrac></mrow>
где
;
; f' - фокусное расстояние.
Предлагаемый планапохроматический высокоапертурный микрообъектив работает следующим образом.
Микрообъектив работает с тубусной линзой с фокусом 160 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.
В соответствии с предложенным техническим решением в качестве конкретного примера выполнен расчет планапохроматического высокоапертурного микрообъектива с увеличением 20 крат, входной апертурой 0,7, линейным полем изображения 25 мм.
Объектив имеет высокое качество изображения по всему линейному полю зрения 2y'=25 мм.
Так, по всему линейному полю зрения объектива значение числа Штреля от 0,91 в центре до 0,51 на краю поля.
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≤0,3%.
Результаты расчета приведены в приложении.
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.
Фокусное расстояние микрообъектива, 8.0 мм:
Увеличение, крат
20
Входная апертура
0.7
Линейное поле зрения, мм
25.0
Положение входного зрачка, мм
Бесконечн.
Диаметр изображения, мм:
25.0
Спектральный интервал, нм
0.43583-0.6438
Конструктивные параметры оптической системы
Радиусы кривизны
Расстояния по оси
n<sub>d</sub>
Коэфф. Дисперсии V<sub>d</sub>
0
0
0
0.17
1.5148
60.61
0
1.0144
1.0
-3.221
3.95
1.804
46.5
-5.495
0.18
1.0
83.56
4.7
1.6126
57.96
-7.727
0.12
1.0
27.54
5.65
1.43387
95.3
-6.252
1.5
1.6541
39.7
37.76
0.27
1.0
15.992
6
1.43387
95.3
-15.992
0.1
1.0
50.58
1.5
1.5400
59.6
12.417
6.5
1.43387
95.3
-16.943
7.9
1.0
-7.079
3
1.7552
27.5
-7.145
2.1
1.61265
57.96
-13.0620
120
1.0
Тубус.
линза
-21.73
3
1.5689
55.87
-121.34
6.5
1.6990
30.2
-28.64
9.7
1.0
-671.4
3
1.7400
28.17
46.56
3.5
1.6200
36.3
30.55
8.7
1.6280
59.45
-79.07
10
1.
0
78.3
1.5164
64.2
0
12.8
1.0
-
0
105
1.5689
55.87
0
45.95
Пл-сть
изобр.