Светосильный микрообъектив большого увеличения

Изобретение относится к области микрооптики, точнее к светосильным объективам микроскопа, и может быть использовано для комплектации сложных исследовательских моделей биологических, поляризационных, люминесцентных и других микроскопов.

Светосильные микрообъективы предназначены для визуального исследования малоконтрастных микроскопических структур с линейными размерами до 0,15 0,20 мкм. Как правило, подобные объективы являются прецезионными, имеют достаточно сложную конструкцию, дороги и составляют небольшую долю объема серийного выпуска отечественных и зарубежных фирм, обусловливая уровень научно-технического потенциала производителя.

При разработке подобных объективов большое внимание уделяется достижению высоких потребительских свойств за счет улучшения технических параметров, увеличения входной и выходной апертуры, поля зрения. Светосила микрообъектива пропорциональна четвертой степени выходной апертуры, которая в свою очередь определяется отношением входной апертуры к увеличению объектива.

Светосильные микрообъективы отличает повышенное значение выходной апертуры, что определяет, по существу, современные тенденции по улучшению технических характеристик современных объективов микроскопов. Так, ведутся расчеты микрообъективов-ахроматов, планахроматов и планапохроматов с единой унифицированной длиной тубуса , стандартизованной остаточной величиной хроматической разности увеличений (ХРУ), а также других конструктивных характеристик и характеристик качества изображения. Делается это для получения возможности наиболее эффективного использования различных комплектов объективов, снижения номенклатуры окуляров.

При этом если отечественные микрообъективы с ахроматическим типом коррекции практически не уступают зарубежным аналогам по техническим характеристикам и качеству изображения, то светосильные микрообъективы, например с планахроматической и планапохроматической коррекцией аберраций, большого увеличения, учитывающие современные тенденции развития, просто отсутствуют. Вместе с тем потребность в них велика, например при разработке сложных исследовательских моделей микроскопов, не уступающих мировым образцам.

Известен микрообъектив с увеличенной числовой апертурой для люминесцентных микроскопов [1].

Объектив представляет собой 5-ти компонентную систему (9 линз), состоящую из фронтальной части, включающей в себя положительный мениск, обращенный вогнутостью к предмету, положительную двусклеенную линзу и отрицательный мениск, склеенный из двояковыпуклой и двояковогнутой линз. Последующая часть объектива образована двумя положительными линзами, каждая из которых склеена из отрицательного мениска и двояковыпуклой линзы.

Однако он обладает рядом существенных недостатков, а именно не менее унифицированной ХРУ, имеет большую остаточную кривизну изображения. Известен микрообъектив планапохроматической большого увеличения /2/. Объектив представляет собой 5-компонентную систему (10 линз), состоящую из фронтального одиночного положительного мениска, положительного мениска, склеенного из двояковогнутой и двояковыпуклой линз, коррекционных компонентов, склеенного из двояковыпуклых линз и размещенной между ними двояковогнутой линзы, и склеенного из двояковыпуклой линзы и отрицательного мениска.

Этот объектив имеет очень высокий уровень аберрационной коррекции по всему полю зрения, однако его числовая апертура и светосила недостаточны для некоторых методов микроскопического исследования (например люминесценции). Перечисленные выше недостатки снижают информационную емкость при работе на микроскопе и, соответственно, его потребительские качества.

Наиболее близким к предлагаемому является объектив /3/, который состоит из пяти компонентов, первый из которых представляет собой одну одиночную положительную линзу; далее следуют две двусклеенные линзы, в которых положительные элементы обращены к плоскости изображения. Четвертый компонент трехсклеенный, содержащий двояковыпуклую, заключенную между менискообразными, линзы, пятый компонент представляет собой мениск, склеенный из двух менискообразных линз и обращенный вогнутостью к предмету.

Объектив обладает недостаточно высокой аберрационной коррекцией, что существенно ухудшает качество изображения. Так, например, остаточная ХРУ составляет около 1,7% остаточная меридиональная и сагиттальная кривизна соответственно, при этом числовая апертура составляет 0,8, что обусловливает непригодность для люминесценции, поле зрения составляет 2y'=20 мм. Все эти недостатки не обеспечивают требуемую высокую информационную емкость изображения и снижают потребительские свойства.

Вместе с тем современные исследовательские модели микроскопов требуют обеспечения возможности проведения микрофотографии, измерительных операций. Заявленный объектив, как и прототип, состоит из пяти компонентов, последовательно расположенных вдоль оптической оси. Как и в прототипе, первый одиночная менискообразная линза, обращенная выпуклостью к изображению, второй и третий двусклеенные, положительные линзы которых обращены к пространству изображения, четвертый к трехсклееный, содержащий двояковыпуклую заключенную между двумя менискообразными, линзы, однако в отличие от прототипа последний, пятый компонент, выполнен в виде двусклеенного мениска, обращенного вогнутостью к пространству изображений, содержащего положительную и отрицательную линзу. При этом возможны два варианта исполнения мениска. Первый склейка из положительной, двояковыпуклой и отрицательной двояковогнутой линз. Второй склейка из положительной менискообразной и отрицательной менискообразной линз.

Использование предложенного решения, а именно выполнение последнего компонента указанным образом в сочетании с остальными, известными компонентами схемы позволяет одновременно, комплексно исправлять монохроматические и хроматические аберрации осевого и внеосевых пучков в объективе в целом. Это происходит потому, что двусклеенный мениск, состоящий из положительной и отрицательной линз, является отрицательным по отношению к остальным компонентам объектива и вносит компенсационные значения аберрации. При этом одновременное исправление монохроматических аберраций осевого и внеосевых пучков приводит к возможности увеличения (по сравнению с прототипом, где подобный компонент положительный) числовой апертуры, а исправление кривизны позволяет увеличить поле зрения. Дополнительное положительное свойство это возможность исправления в объективе хроматической разности увеличения.

Таким образом, в заявленном светосильном объективе большого увеличения достигнут технический результат одновременное исправление монохроматических и хроматических аберраций, что не достигнуто в прототипе.

При этом существенно (по сравнению с известными аналогами) повышены входная и выходная апертура и светосила при увеличении поля зрения. Все эти преимущества позволяют значительно повысить информационную емкость микрообъектива и потребительские свойства микроскопа в целом.

На фиг. 1 представлена принципиальная схема объектива; на фиг. 2 5 даны аберрационные выпуски и примеры конкретного исполнения микрообъектива. Объектив содержит пять компонентов: одиночный положительный менискообразный 1, двусклеенные компоненты 2, 3, положительные линзы которых обращены к изображению, трехсклеенный компонент 4, содержащий двояковыпуклую, заключенную между менискообразными, линзы и компонент 5 в виде двусклеенного мениска, обращенного вогнутостью к пространству изображений.

Объектив работает следующим образом. Линзы первого и второго компонентов строят увеличенное мнимое изображение объекта с уменьшенными значениями аберраций осевой точки предмета при отрицательных значениях меридиональной и сагиттальной кривизны. Компоненты 3, 4 обладают компенсационной нагрузкой, частично исправляют хроматические аберрации (хроматизм положения, вторичный спектр), выравнивают монохроматические аберрации высших порядков и сферохроматизм, строя перевернутое действительное промежуточное изображение в передней фокальной плоскости компоненты 5. Последний компонент "перехватывает" изображение и строит его в бесконечности, компенсируя при этом остаточные монохроматические и хроматические аберрации третьих порядков предыдущих компонентов объектива. Объектив рассчитан для работы совместно с дополнительной ахроматической линзой Г=160 мм. При использовании предложенного решения рассчитаны два варианта светосильного микрообъектива большого увеличения, отличающихся между собой исполнением последнего компонента. В обоих вариантах конкретного исполнения увеличение составляет 40x, числовая апертура 0,9-0,95.

В вариантах объективов, рассчитанных с применением предложенного решения, достигнуто высокое качество изображения по полю. Тип коррекции планахроматы. Информационная емкость по сравнению с аналогами может быть увеличена в 2 3 раза, и, следовательно, эффективность и производительность работы на микроскопе может быть повышена. Кроме того, в данном объективе положение действительного выходного зрачка относительно опорной плоскости объектива в обоих конкретных примерах унифицировано: он расположен между четвертым и пятым по ходу луча компонентами, что дает возможность использовать данные микрообъективы для специальных методов исследования. Оптическая конструкция объективов универсальна, она разработана на основе широко применяемых отечественных оптических материалов, которые могут быть пронормированы по высшим категориям двулучепреломления, что обеспечивает выпуск объектива в поляризованном варианте исполнения. Объектив стандартизован по высоте, а применение длины тубуса позволяет использовать его в револьверном устройстве совместно с объективами, имеющими другой тип коррекции.