Безымерсионный ахроматический микрообъектив

 

Безымерсионный ахроматический микрообъектив содержит четыре компонента, первый из которых выполнен в виде положительной менискообразной или плосковыпуклой линзы, обращенной выпуклостью к изображению, второй - двухсклеенный компонент, образованный отрицательной и положительной линзами, третий - положительный трехсклеенный и образованный положительной линзой, заключенной между двумя отрицательными, и четвертый - отрицательный мениск, обращенный вогнутостью к изображению. Положительные линзы объектива выполнены из материала с коэффициентом дисперсии больше 49, а расстояние между третьим и четвертым компонентами составляет (4,7-9,2) фокусного расстояния объектива. Обеспечивается повышение апертуры и разрешающей способности объектива, а также улучшение качества изображения. 1 ил.

Изобретение относится к оптике и может быть использовано при конструировании микрообъективов - ахроматов большого увеличения с предельными значениями числовых апертур без применения иммерсионных жидкостей для комплектации специализированных микроскопов типа "Биолам", "Бимам", "Люмам".

Известно, что в микроскопии с понятием числовой апертуры связано значение синуса угла падающих лучей с оптической осью [1], его значение в безымерсионных системах теоретически не может превышать единицы, а практически составляет 0,95-0,97. Создание микрообъективов с подобной апертурой является чрезвычайно актуальной задачей, т.к. их отличают трудности аберрационной коррекции при проектировании. Так из отечественных безымерсионных высокоапертурных микрообъективов большого увеличения ни один не обладает аберрационной коррекцией, отвечающей современным требованиям к качеству изображения.

Объективы ОС-4, ОМ-16 [1], выпускаемые на ОАО "ЛОМО", не отвечают даже общепринятому критерию РЕЛЕЯ, их волновые аберрации для осевых точек предмета превышают 10-15 λ для апертуры 0,9-0,95. Кроме того, в них значительна хроматическая разность увеличения. Несколько лучшее исправление монохроматических аберраций осевой точки имеет объектив [2], имеющий увеличение 60 и апертуру 0,9. В нем недостаточно хорошо исправлены хроматические аберрации осевого и внеосевых пучков. Все эти недостатки существенно снижают информационную емкость, а также производительность работ на микроскопе.

Известны также микрообъективы [3] и [4], имеющие высокий уровень аберрационной коррекции, однако их отличает чрезвычайная сложность конструкции, что обуславливает низкою технологичность при изготовлении и также низкое светопропускание. Кроме того, такие объективы не отвечают современным требованиям по унификации габаритных и аберрационных характеристик.

Наиболее близким к предлагаемому решению по числу общих существенных признаков является объектив микроскопа [5], который содержит четыре компонента, первый из которых выполнен в виде одиночного мениска, обращенного выпуклостью к пространству изображений, второй и третий - двусклеенные из отрицательных и положительных линз и четвертый - в виде одиночного мениска, обращенного вогнутостью к изображению.

Он имеет достаточно высокий вровень аберрационной коррекции аберраций в изображении осевых точек предмета, его конструкция проста и технологична. В нем, однако, невозможно достижение апертуры, близкой к предельной. Кроме того, его отличает недостаточный уровень коррекции монохроматических аберраций внеосевых пучков, наличие значительной хроматической разности увеличений (ХРУ), что обусловливает пониженную информационную емкость и не позволяет рекомендовать его для использования при комплектации специализированных микроскопов типа "Люмам".

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение апертуры и разрешающей способности микрообъектива, а также улучшение качества изображения.

Для решения поставленной задачи предложен безымерсионный ахроматический микрообъектив, который, как и прототип, содержит четыре компонента, первый из которых представляет собой одиночную положительную менискообразную либо плосковыпуклую линзу, обращенную выпуклостью к изображению, второй - склейку из отрицательной и положительной линз, третий положительный склеенный компонент и четвертый, выполненный в виде одиночного мениска, обращенного вогнутостью к изображению.

Однако, в отличие от прототипа, третий положительный компонент представляет собой склейку из положительной линзы, заключенной между двумя отрицательными, причем коэффициенты дисперсии оптических материалов положительных линз объектива больше 49, а расстояние между третьим и четвертым компонентами составляет (4,7 - 9,2) фокусного расстояния объектива.

Сущность заявляемого изобретения заключается в том, что использование в качестве первого компонента одиночной положительной менискообразной либо плосковыпуклой линзы, обращенной выпуклостью к изображению, выполненного из оптического материала с коэффициентом дисперсии больше 49, позволяет снизить апертуру без внесения значительных монохроматических и хроматических аберраций. Выполнение второго компонента в виде склейки из отрицательной и положительной линз способствует исправлению в объективе хроматических аберраций (например, ХРУ), выполнение третьего компонента указанным образом позволяет оптимально исправить монохроматические аберрации высших порядков, а также сферохроматизм, нелинейно возрастающие при увеличении апертуры. Выполнение положительных линз из оптического материала с коэффициентом дисперсии более 49 позволяет оптимально корригировать в объективе хроматические аберрации, в частности вторичный спектр. Выполнение четвертого компонента в виде одиночного мениска, обращенного вогнутостью к изображению, и расположение его на указанном расстоянии от третьего позволяет облегчить задачу аберрационной коррекции при увеличенной апертуре, т.к. он является отрицательным по отношению к предшествующим и вносит аберрации, противоположные по знаку.

Применение всех перечисленных признаков в рамках одной оптической конструкции позволяет при незначительном усложнении достигнуть предельных апертур при качественно новом, по сравнению с прототипом, уровне аберрационной коррекции.

При использовании заявляемого решения были рассчитаны ахроматические микрообъективы с увеличениями 40^х 60^х с апертурой 0,95.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором представлена принципиальная схема объектива, а также "ПРИЛОЖЕНИЕМ", в котором представлены конструктивные параметры и таблицы характеристик качества изображения одного из примеров конкретного исполнения (см. в конце описания).

Заявляемый микрообъектив содержит четыре компонента.

Первый компонент 1 выполнен в виде положительной менискообразной или плосковыпуклой линзы, обращенной выпуклостью к изображению, второй компонент 2 выполнен двусклеенным и образован отрицательной и положительной линзами, третий компонент 3 выполнен трехсклеенным и образован положительной линзой, заключенной между двумя отрицательными, и четвертый компонент 4 выполнен в виде отрицательного мениска.

Работает безымерсионный ахроматический микрообъектив следующим образом.

Компонент 1, снижая входную апертуру, строит увеличенное мнимое изображение предмета с уменьшенными монохроматическими и хроматическими аберрациями осевой точки, исправленными значениями аберраций внеосевых точек предмета. Положительный компонент 2, представляющий собой склейку из отрицательной и положительной линз, а также трехсклеенный компонент 3, состоящий из положительной линзы, заключенной между двумя отрицательными, строят действительное увеличенное изображение в передней фокальной плоскости мениска 4, частично компенсируя отрицательную сферическую аберрацию, хроматизм положения, сферохроматизм, вторичный спектр и др., вносимые предшествующими компонентами. Последний компонент строит изображение в "бесконечности", компенсируя остаточные монохроматические и хроматические аберрации третьих порядков, при этом, если мениск располагается от третьего компонента ближе чем 4,7 фокуса объектива, его коррекционные возможности используются неоптимально, если дальше чем 9,2 фокуса, происходит переисправление аберраций.

В сравнении с прототипом объектив, представленный в качестве примера конкретного исполнения, обладает повышенной примерно в 1,5 - 2 раза информационной емкостью, унифицированными габаритными аберрационными характеристиками, апертура повышена в 1,2 раза. Конструкция заявляемого объектива проста и технологична, что обуславливает возможность изготовления в условиях серийного производства.

Предлагаемое техническое решение позволяет реализовать в микрообъективах следующие дополнительные возможности: положение изображения выходного зрачка унифицировано относительно опорной плоскости, что дает возможность применения специальных методов исследования; объектив стандартизирован по высоте. Применение бесконечной длины тубуса позволяет использовать его на одном револьвере с другими, имеющими тип оптической коррекции.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ 1. "Вычислительная оптика". Справочник под редакцией М.М. Русинова, Ленинград, Машиностроение, 1984 г.

2. Авторское свидетельство СССР 2017096, G 02 В 21/02, 1967 г.

3. Патент Японии 60-32855, G 02 В 21/02.

4. Авторское свидетельство СССР 1509800, G 02 В 21/02, 1989 г.

5. Патент ФРГ 2717036, G 02 В 21/02, 1980 г. - прототип.

Формула изобретения

Безымерсионный ахроматический микрообъектив, содержащий четыре компонента, первый из которых выполнен в виде положительной менискообразной или плосковыпуклой линзы, обращенной выпуклостью к изображению, второй - двухсклеенный компонент, образованный отрицательной и положительной линзами, третий - положительный склеенный компонент и четвертый - отрицательный мениск, обращенный вогнутостью к изображению, отличающийся тем, что третий компонент выполнен трехсклеенным и образован положительной линзой, заключенной между двумя отрицательными, причем положительные линзы объектива выполнены из материала с коэффициентом дисперсии больше 49, а расстояние мужду третьим и четвертым компонентами составляет (4,7-4,9) фокусного расстояния объектива.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4