Если рассматривать процесс построения исходных конструкций высокоапертурных объективов больших увеличений как синтез фронтальной части и последующей, построенной по схеме перевернутого телеобъектива (в обратном ходе лучей), то задача сводится к выбору рациональной конструкции положительных компонентов телеобъектива и оптимизации параметров всех его элементов.
Наибольшая силовая и коррекционная нагрузка приходится на последующую часть микрообъектива, имеющего увеличение 100x. В этих условиях в качестве основного элемента последующей части целесообразным представляется выбор трехлинэового склеенного компонента с компенсационным значением С. В работе [1] было показано, что при положительных значениях С для трехлинзовых компонентов существует область решений, в которой высшие порядки сферической аберрации и сферохроматизм близки к нулю, отрицательная и меняется в достаточно широких пределах.
Последнее обстоятельство удобно использовать для исправления объектива с помощью трехлинзового компонента в сквозном расчете, при этом состояние коррекции остальных аберраций остается практически неизменным.
Конструкция последующей части, содержащая в качестве отрицательного элемента "перевернутого телеобъектива" трехлинзовый склеенный компонент, обладает широкими коррекционными возможностями и позволяет получить высокий уровень коррекции аберраций в высокоапертурных объективах микроскопов.
В результате увеличения коррекционной нагрузки на трехлинзовый склеенный компонент в высокоапертурных планобъективах микроскопов может быть снижена хроматическая разность увеличений.
Среди различных конструкций микрообъективов большую группу составляют симметричные системы. Подобные схемные решения «пришли» в микроскопию из фотооптики, где являются наиболее распространенными.
Следуя современной концепции качества изображения, нужно выбирать исходную оптическую схему и, соответственно, отдельные элементы схемы такими, чтобы существовала возможность безусловного влияния на степень исправления аберраций внеосевых пучков (в основном, кривизны изображения и астигматизма). В связи с этим конструкция фронтальной части объектива определяется его увеличением (фокусным расстоянием), его передним отрезком и общим габаритом (высотой).
В сложных широкопольных микрообъективах фронтальная часть может представлять собой один или несколько менисков, выполненных из высокопреломляющего материала и обращенных вогнутостью к объекту.
Отступление от концентричности поверхностей данных элементов определяет возможность исправления астигматизма объективов. Кривизна изображения может эффективно правиться не только фронтальными элементами, но и последующими элементами схемы. В этом смысле, интересно было бы определить влияние величин прогиба линз фронтальной части для однолинзовой и многолинзовой систем.
Прогиб первой поверхности мениска, обращенного вогнутостью к объекту, определяет, по существу, степень исправления меридиональной составляющей астигматизма, а толщина, показатель преломления и последующий радиус – исправление сагиттальной составляющей астигматизма и, соответственно, кривизны. В этом случае SIV для первой и второй поверхностей мениска различны по знаку и примерно равны по абсолютной величине. В работе [2] рассмотрена зависимость коэффициентов аберраций третьего порядка от увеличения фронтальной линзы для заданного значения переднего отрезка. Что касается фронтальной системы, состоящей из двух элементов, то при расчете безыммерсионных объективов со средними и большими апертурами за первым мениском располагается второй, построенный по принципу апланатического. Такое решение представляется не очень рациональным, так как такой элемент, выполненный с отступлением от апланатизма, может взять на себя частичную коррекционную нагрузку по исправлению аберраций внеосевых пучков в объективе и частично разгрузить первый элемент. Такое решение рационально выбирать и из технологических соображений; более того подобная схема фронтальной части обеспечивает возможность создания микрообъективов с увеличенными рабочими расстояниями. Дополнительный фронтальный элемент может быть выполнен как одиночным, так и склеенным, что определяется характеристиками микрообъектива (в основном, апертурой и степенью ахроматизации). При этом, если ведется расчет планапохроматического (апохроматического) объектива, не всегда удачной бывает попытка склейки подобных менисков – на склеенных поверхностях возникают трудноисправимые зональные и сферохроматические аберрации. Как известно, минимальные силы склеиваемых линз получаются при подборе стекол с максимальной разницей коэффициентов дисперсии; для уменьшения вторичного спектра разность относительных частных дисперсий должна быть минимальной. Для снижения сферохроматических и зональных аберраций показатели преломления склеиваемых материалов должны быть близки. Как было установлено ранее, наиболее рациональным (и позволяющим решить задачу в принципе) будет решение о выборе в качестве положительной линзы флюорита. Для выполнения всех трех упомянутых условий в качестве материала отрицательной линзы (для склейки с флюоритом) представляется рациональным выбор стекла типа КФ, ЛФ. Наиболее оптимальным является стекло ЛФ10. В случае реализации сверхвысоких апертур, или по другим соображениям, когда применяются одиночные фронтальные мениски, целесообразно изготовлять их из флюорита или другого особого крона (с целью снижения хроматических аберраций); при этом технологичность микрообъективов снижается. В любом случае при применении одиночных фронтальных компонентов возрастает коррекционная нагрузка на последующие компоненты системы.
Отдельно следует остановиться на использовании фронтальной линзы иммерсионного микрообъектива. Применение иммерсии, как известно, позволяет принципиальным образом решить задачу повышения апертуры (апертура может равняться показателю преломления иммерсионной жидкости). На практике, однако, не удается в полной мере использовать данное преимущество, так как повышение апертуры неминуемо влечет за собой значительное усложнение последующих элементов микрообъектива. Сегодня можно встретить (в основном) ахроматические объективы, в достаточной мере отвечающие требованиям высокой технологичности при достижении максимальных апертур. Объясняется это тем, что качество изображения, даваемое ахроматами, существенно хуже в сравнении с объективами с иными требованиями коррекции. Так, в частности допускаются значительные величины остаточной кривизны, сферохроматизма и других аберраций. В современных микрообъективах – планапохроматах – не всегда удаётся достигнуть максимальных апертур; при этом их конструкции чрезвычайно сложны, содержат множество оптических деталей, изготовленных из нетрадиционных материалов (кроме фрюорита), имеют пониженные светотехнические характеристики; все это вызывает сомнение в целесообразности широкого их применения.
С точки зрения оптика-расчетчика, при создании иммерсионных микрообъективов возникают специфические трудности. Дело в том, что в сравнении с "сухими" микрообъективами, у иммерсионных значительно снижена разница показателей преломления двух контактирующих сред.
Естественно, что наиболее желаемые условия работы фронтального элемента, когда эта разница максимальна, как это имеет место при работе объектива из воздуха. В связи с этим, видимо, существуют некоторые резервы в разработке высокопреломляющего оптического материала (однако со специфическими физико-химическими свойствами). В ахроматических и апохроматических объективах микроскопов до настоящего времени широко применяются плоско-выпуклые фронтальные линзы, обращенные плоскостью к иммерсии.
Традиционно, однако, они выполняются из материала, показатель преломления которого близок к показателю преломления иммерсионной жидкости. Стоит лишь отметить, что при такой конструкции не представляется возможным качественное исправление некоторых аберраций в объективе в целом (например, кривизны изображения и астигматизма). В связи с этим, в планобъективах используют склеенный элемент, действие которого эквивалентно действию мениска, обращенного вогнутостью к объективу (как и в "сухих" планобъективах), причем первая поверхность обращена в иммерсию. Из технологических соображений, со стороны объекта в такой мениск вклеивают плоско-выпуклую линзу, показатель преломления которой равен показателю преломления иммерсии. Применение подобного элемента в качестве фронтальной линзы в иммерсионных микрообъективах позволяет существенным образом влиять на коррекцию объектива в целом. Остается добавить, что и здесь разница показателей двух контактирующих сред должна быть максимальной, поэтому, наряду с повышением показателя преломления мениска, представляется целесообразным и возможное уменьшение показателя преломления плоско-выпуклой линзы (при любом заданном показателе преломления иммерсии). Данные рассуждения достаточно актуальны при расчете иммерсионных микрообъективов большого увеличения, когда для достижения цели используются все возможные средства. Однако, и здесь существуют некоторые пределы. Проиллюстрирует данное утверждение то, что показатель преломления наиболее часто применяемой масляной иммерсии равен ne≈1.518, а не единице, как в варианте "сухого" объектива. Соответственно, при одинаковых условиях исправления астигматизма в объективе, кривизна первой поверхности будет в иммерсии больше, чем в воздухе. В реальных условиях величина первого радиуса составляет r1≈|0.3÷0.6|•f'об. Естественно, технологически получение такого радиуса трудно осуществимо. Так, при f'об≈1.6 мм абсолютная величина такого радиуса составляет r1≈0.5 мм.
Можно сказать, что основной проблемой на сегодняшний день при получении иммерсионных объективов большого увеличения является достижение технологически обеспеченного значения первого радиуса мениска. Одним из путей является повышение показателя преломления оптического материала данного элемента, когда при тех же условиях исправления астигматизма кривизна поверхности уменьшена.
Так, например, существенного результата можно достигнуть при применении высокопреломляющего материала с показателем преломления ne≥1.9, тогда абсолютная величина первого радиуса мениска составляет для объектива максимального увеличения: r1≈|0.7÷1.5| мм, что вполне приемлемо в изготовлении. При выборе оптического материала, однако, возникают определенные трудности: здесь приемлем оптический материал с нетрадиционными (аномальными) дисперсионными свойствами. Остается добавить, что в настоящее время отечественной промышленностью подобные оптические материалы не освоены, что создает определенные трудности при проектировании.
Следует отметить, что возможно исправление астигматизма и кривизны в иммерсионном микрообъективе путем применения усложненной фронтальной части в виде двух менисков, обращенных вогнутостью к объекту. При удачном расчете и перебалансировке нагрузки на элементы объектива можно добиться работы второго мениска на исправление аберраций внеосевых пучков. Эта возможность используется во многих предлагаемых за рубежом схемах микрообъективов, где наряду с применением высокопреломляющего материала первого мениска, последующий мениск работает на доисправление астигматизма.
При рассмотрении фронтальной части широкопольного микрообъектива становится ясно, что именно она определяет в объективе степень исправления аберраций внеосевых пучков. Полного исправления кривизны изображения можно добиться при различном схемном построении последующей части (конструкции Планара, Гаусса, двойного Гаусса и т.д.). В работе [3] рассмотрены коррекционные возможности менисков конечной толщины, работающих по принципу перевернутого телеобъектива, применительно к конструкции Богехольда.
Возникают определенные трудности при расчете микрообъективов с апертурой, равной 0.95÷1.0 от максимальной; такие объективы во всем мире выпускаются мелкой серией, отечественные – пока серийно не выпускаются. Достаточно проблемно оценивать объективность этих трудностей, но факт, что несмотря на множество попыток создания объектива, отечественного, например, с апертурой 1.35÷1.4 масляной иммерсии, все они были неудачными. Может быть это и закономерно, т.к. кроме расчетных нюансов, существуют и чисто технологические проблемы, характеризующиеся уровнем и культурой производства. Остается надеяться, что в ближайшее время эта задача будет решена.
Заслуживает внимания вопрос о выборе "средней" части микрообъектива в плане возможности исправления в нем вторичного спектра, хроматизма увеличения и сферохроматизма. Отметим, что до настоящего времени отечественные планапохроматы существенно уступают зарубежным аналогам по своим потребительским свойствам. Так, выпускаемые на ОАО "ЛОМО" серийно микрообъективы серии ОПА имеют пониженные числовые апертуры, что обусловлено невозможностью исправления в них сферохроматических аберраций.
Традиционным путем при создании планапохроматов является выбор в качестве материалов линз вполне определенных марок стекол. Так, например, для отрицательных линз в склейках применяется в пределах всей схемы стекло одной группы "курцфлинт" (например, ОФ-4) а для положительных – флюорит. Объясняется это тем, что при этом достигаются наилучшие результаты по исправлению вторичного спектра вследствие примерного равенства значений относительных частных дисперсией склеиваемых материалов. В работе [4] даже делается вывод о совершенно недопустимом применении в апохроматах тяжелых флинтов, которые имеют слишком большие значения частной относительной дисперсии. Однако, при таком традиционном решении силы положительных ?n и отрицательных элементов ?о оказываются значительными, обусловливая крутые радиусы кривизны склеиваемых поверхностей. В свою очередь, большая кривизна на поверхностях склейки определяет и увеличенные значения сферохроматизма.
Конструкции и выбор элементов компенсационной части объектива определяется его увеличением и апертурой. В апохроматах часто в качестве основного компенсационного элемента выбирают трехсклеенный компонент, достоинства которого по отношению к двусклеенному известны (описаны в работе [1]). Он обладает компенсационным значением "С" и, в отличие, например, от двусклеенного у него существует область решений, в которой при минимальных высших порядках сферической аберрации и сферохроматизма другие аберрации могут изменяться в довольно широких пределах. Кроме того, в качестве материала для отрицательной линзы представляется рациональным выбор стекла группы "тяжелый флинт", что позволило исправить в объективах хроматическую разность увеличений при достаточном уровне коррекции вторичного спектра.
Процесс построения оптических конструкций высокоапертурных объективов больших увеличений следует рассматривать как синтез фронтальной части с уменьшенной кривизной изображения, средней части, содержащей компенсационные компоненты для исправления монохроматических и хроматических аберраций и последующей части, построенной по схеме реверсивного телеобъектива (в обратном ходе лучей).
Расчет и изготовление опытных образцов микрообъективов с увеличенными числовыми апертурами для комплектации люминесцентных микроскопов показал, что так могут быть построены системы объективов, названных микрофлюарами. Получены системы микрофлюаров - см. таблицу 1: 40x0.75, 40x1.35 м.и. (объектив масляной иммерсии), 63x1.20в.и. (объектив водной иммерсии), 100x1.40 м.и. (объектив масляной иммерсии).
| Шифр, характеристики объектива | Оптическая схема объектива | Описание оптической конструкции объектива |
| ОА-40 (40x0.75) ОА-40-1 (40x1.35 ми) |
 |
Пятикомпонентная система. Первый компонент – одиночная положительная линза. Второй, четвертый и последний компоненты представляют собой склейки из отрицательной и положительной линз. Третий - склеенный из положительной и отрицательной линз мениск, обращенный выпуклостью к пространству предметов. |
| ОА-63 (63x1.20 ви) |  |
Шестикомпонентная система. Первый компонент – одиночный положительный мениск, обращенный вогнутостью к пространству предметов. Второй - склейка из отрицательной и положительной линз. Третий – трехсклеенный из двух положительных и отрицательной линз компонент. Четвёртый и пятый - склейки из положительной и отрицательной линз. Шестой - склеенный из положительной и отрицательной линз мениск, обращенный вогнутостью к пространству изображений. |
| ОА-100 (100x1.40 ми) |  |
Шестикомпонентная система. Первый компонент – одиночная положительная линза. Второй и четвертый - склейки из отрицательной и положительной линз. Третий - склеенный из положительной и отрицательной линз мениск, обращенный выпуклостью к пространству предметов. Пятый компонент - склейка из положительной и отрицательной линз. Последний – трехсклеенный из двух положительных и отрицательной линз мениск, обращенный вогнутостью к пространству изображений. |
2005 - 2023. Все права защищены. При копировании материалов активная ссылка на сайт обязательна!
