ПЛАНАПОХРОМАТИЧЕСКИЙ ВЫСОКОАПЕРТУРНЫЙ МИКРООБЪЕКТИВ СРЕДНЕГО УВЕЛИЧЕНИЯ С БОЛЬШИМ РАБОЧИМ РАССТОЯНИЕМ

Предлагаемая полезная модель относится к оптическому приборостроению, а именно к объективам микроскопов, и может быть использована для визуального наблюдения и фотографирования малоконтрастных микроскопических структур, находящихся на пределе разрешающей способности световых микроскопов, оснащенных всеми современными методами исследования в естественном свете, свете видимой люминесценции, в поляризованном свете, методом светлого поля, темного поля, фазового контраста и др.
Известен апохроматический объектив микроскопа [1], содержащий пять компонентов, первый из которых положительный мениск, обращенный вогнутостью к пространству объекта, второй - двусклеенная положительная линза, третий компонент - трехсклеенная положительная линза, четвертый содержит две склеенные положительные линзы и пятый - отрицательный мениск.
Объектив имеет апохроматическую коррекцию для точки на оси, высокую входную апертуру, но недостаточное поле изображения (20 мм), остаточные астигматизм и кривизну изображения, не позволяющие одновременно наблюдать все поле изображения, а также тубус 160 мм.
Наиболее близким техническим решением к заявляемой полезной модели является высокоапертурный планапохроматический микробъектив с большим рабочим расстоянием [2].
Микрообъектив содержит последовательно расположенные пять компонентов, первый из которых выполнен в виде положительного мениска, обращенного выпуклостью к пространству изображений, второй - положительный компонент выполнен склеенным из двояковыпуклой положительной линзы и отрицательного мениска, обращенного вогнутостью к пространству предметов, третий двусклеенный компонент выполнен из отрицательного мениска, обращенного вогнутостью к пространству изображений, и положительной двояковыпуклой линзы, четвертый компонент содержит положительную двояковыпуклую линзу и пятый компонент состоит из отрицательной двояковогнутой линзы и двух менисков, обращенных вогнутостью к пространству объекта
Высокоапертурный планапохроматический микробъектив имеет довольно высокую входную апертуру (10×0.38), но недостаточно высокую коррекцию точки на оси и по всему полю зрения.
Современные модели микроскопов, оснащенные всеми современными методами исследования, требуют комплектации высокоапертурными планапохроматическими микрообъективами, которые имеют не только улучшенную коррекцию монохроматических и хроматических аберраций на оси и по всему полю изображения, но, кроме того, необходимо, чтобы была возможность размещения в объективе ирисовой диафрагмы для увеличения глубины резкости, пластины, призмы и др. элементов, позволяющих работать по методу фазового контраста, дифференциального интерференционного контраста, модуляционного контраста Хоффмана.
Основной задачей, на решение которой направлена полезная модель, является достижение высокой входной числовой апертуры, улучшение моно и хроматических аберраций осевого и внеосевых пучков, повышение информативной емкости микрообъектива.
Поставленная задача решается с помощью предлагаемого планапохроматического высокоапертурного микрообъектива среднего увеличения, который, как и прототип, содержит последовательно расположенные пять компонентов, первый из которых выполнен в виде положительного мениска, обращенного вогнутостью к пространству объекта, второй положительный компонент, выполнен склеенным из двояковыпуклой линзы и отрицательного мениска, обращенного вогнутостью к пространству объекта, третий положительный компонент, выполнен склеенным из отрицательного мениска, обращенного вогнутостью к пространству изображения, и двояковыпуклой положительной линзы, четвертый компонент и пятый компонент, включающий отрицательную линзу и два мениска, обращенных вогнутостью к пространству объекта.
I-IV
об.,
e
e
В отличие от прототипа первый компонент дополнен отрицательным мениском и выполнен склеенным из двух менисков, обращенных вогнутостью к пространству объекта, четвертый компонент выполнен в виде одиночного отрицательного мениска, обращенного выпуклостью к пространству объекта, а в пятом компоненте отрицательная линза выполнена склеенной из двух отрицательных менисков, обращенных вогнутостью к пространству объекта, причем между четвертым и пятым компонентами в воздушном промежутке в задней фокальной плоскости первого, второго, третьего и четвертого компонентов установлена плоскопараллельная пластина для нанесения фазовых колец или пластина для модуляционного контраста Хоффмана, при этом выполняется условие f'≤0.57f' кроме того показатели преломления обоих менисков первого компонента, мениска четвертого компонента, обоих менисков отрицательной склеенной линзы пятого компонента и последнего мениска пятого компонента имеют значения 1.72≤n≤1.83, а их коэффициенты дисперсии имеют значения 25.0≤ν≤55.0, где
I-IV
где f' - общее фокусное расстояние первого, второго, третьего и четвертого компонентов,
об.
f' - фокусное расстояние всего микоробъектива,
e
n - показатель преломления стекла,
e
ν - коэффициент дисперсии стекла.
Кроме того, в воздушном промежутке в задней фокальной плоскости первого, второго, третьего и четвертого компонентов установлена ирисовая апертурная диафрагма для изменения глубины резкости.
Сущность предлагаемой полезной модели заключается в том, что такое исполнение высокоапертурного микрообъектива, а именно: выполнение первого компонента склеенным из двух менисков, обращенных вогнутостью к пространству объекта, четвертого в виде одиночного отрицательного мениска, обращенного выпуклостью к пространству объекта, а в пятом компоненте выполнение отрицательной линзы склеенной из двух отрицательных менисков, обращенных вогнутостью к пространству объекта, а так же приведенный выше выбор коэффициентов дисперсии и соотношения фокусных расстояний всего микрообъектива и первого, второго, третьего и четвертого компонентов, позволило сохранить не только высокую апертуру, но и улучшить коррекцию моно и хроматических аберраций осевого и внеосевых пучков и значительно увеличить расстояние между четвертым и пятым компонентами, за счет чего достигнута планапохроматическая коррекция микрообъектива, сохранен большим рабочий передний отрезок, что обеспечивает возможность работы с кюветами, манипуляторами, а увеличенное расстояние между четвертым и пятым компонентами дает возможность работы с реальными механическими ирисовыми диафрагмами (для изменения глубины резкости), фазовыми пластинами и др.
На основании изложенного можно сделать вывод, что новая совокупность существенных признаков заявляемой полезной модели позволила получить технический результат, заключающийся в том, что большое свободное рабочее расстояние, высокая апертура, достигнутая планапохроматическая коррекция по всему полю (25 мм при работе с тубусной линзой с f'=200 мм), благодаря которой одновременно осуществляется наблюдение всего поля зрения без перестройки, что особенно важно при работе с матрицами типа CMOS, кроме того наличие большого воздушного промежутка увеличивает информационную емкость микрообъектива, позволяя использовать реальные ирисовые диафрагмы (для изменения глубины резкости), пластины для работы по методу фазового контраста, дифференциального интерференционного контраста, модуляционного контраста Хоффмана и др.
Предлагаемый планапохроматический высокоапертурный микрообъектив с большим рабочим расстоянием поясняется чертежом, на котором на фиг. 1 представлена его оптическая схема, а также Приложением, в котором даны конструктивные параметры отдельно микрообъектива и частотно-контрастная характеристика микрообъектива совместно с тубусной линзой с фокусным расстоянием f'=200 мм в плоскости изображения микроскопа.
Заявляемый планапохроматический высокоапертурный микрообъектив среднего увеличения с большим рабочим расстоянием содержит пять последовательно расположенных компонентов I, II, III, IY и Y.
Первый компонент I выполнен в виде положительного 1 и отрицательного 2 менисков, обращенных вогнутостью к пространству объекта, второй положительный компонент II выполнен склеенным из двояковыпуклой линзы 3 и отрицательного мениска 4, обращенного вогнутостью к пространству объекта, третий положительный компонент III, выполнен склеенным из отрицательного мениска 5, обращенного вогнутостью к пространству изображения, и двояковыпуклой положительной линзы 6, четвертый компонент IY выполнен в виде одиночного отрицательного мениска 7, обращенного выпуклостью к пространству объекта, а пятый компонент Y, включает отрицательную линзу, выполненную склеенной из двух отрицательных менисков 8 и 9, обращенных вогнутостью к пространству объекта, и два мениска 10 и 11, обращенных вогнутостью к пространству объекта.
I-IV
об
Между четвертым IY и пятым Y компонентами в воздушном промежутке в задней фокальной плоскости первого I, второго II, третьего III и четвертого IY компонентов установлена плоскопараллельная пластина 12 для нанесения фазовых колец или пластина 12 для модуляционного контраста Хоффмана, при этом выполняется условие f'≤0.57f'.
e
e
Показатели преломления обоих менисков 1 и 2 первого компонента I, мениска 7 четвертого компонента IY, обоих менисков 8 и 9 отрицательной линзы пятого компонента Y и последнего мениска 11 пятого компонента имеют значения 1.72≤n≤1.83, а их коэффициенты дисперсии имеют значения 25.0≤ν≤55.0,
I-IV
где f' - общее фокусное расстояние первого I, второго II, третьего III и четвертого IY компонентов,
об.
f' - фокусное расстояние всего микоробъектива,
e
n - показатель преломления стекла,
e
ν - коэффициент дисперсии стекла.
Кроме того, в воздушном промежутке в задней фокальной плоскости первого I, второго II, третьего III и четвертого IY компонентов установлена ирисовая апертурная диафрагма для изменения глубины резкости (на чертеже не показана).
Предлагаемый объектив работает следующим образом.
Объектив работает с тубусной линзой f'=200 мм.
Лучи от объекта наблюдения, расположенного в передней фокальной плоскости микрообъектива, проходят через фронтальный склеенный мениск I и 2, обращенный вогнутостью к пространству предметов, который вместе со вторым компонентом II, склеенным из положительной двояковыпуклой линзы 3 и отрицательного мениска 4, образуют увеличенное мнимое изображение, внося отрицательные сферическую аберрацию, кому, положительный астигматизм и кривизну поля, далее компонент III, склеенный из отрицательного мениска 5, обращенного вогнутостью к пространству изображений, и двояковыпуклой положительной линзы 6, образует действительное изображение объекта, внося отрицательные сферическую аберрацию и хроматизм увеличения, переисправляя кому, астигматизм и кривизну.
Компонент четыре IV - одиночный отрицательный мениск 7, обращенный вогнутостью к пространству изображений, переносит изображение объекта в переднюю фокальную плоскость пятого компонента V, внося положительную дисторсию и отрицательный хроматизм увеличении, далее пятый компонент V, состоящий из склеенных двух отрицательных менисков 8 и 9, обращенных вогнутостью к пространству объекта, и двух одиночных положительных менисков 10 и 11, переносит изображение объекта в бесконечность, компенсируя остаточные сферическую аберрацию осевого и внеосевых пучков, кому, хроматизм положения и увеличения, астигматизм и кривизну изображения, тем самым достигается планапохроматическая коррекция всего микро объектива в целом.
x
По предложении 1 схеме реализован микрообъектив с увеличением 10, числовой апертурой 0.38, линейным полем 2у=2.5 мм и рабочим расстоянием 4.44 мм.
В таблице 1 представлено число Штреля, характеризующее качество изображения объектива для приведенных относительных значений величин изображения.
Таблица 1
Отн. значение величины изображения
Число Штреля
1
0.69
0.866
0.81
0.707
0.88
0.5
0.91
0
0.93
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. SU, авторское свидетельство №1580309, МПК: G02B 21/02, 1990 г.
2. RU, патент на полезную модель №120243, МПК: G02B 21/02, 2012 г. - прототип.