RU138532U1

RU138532U1 - PLANAPROCHROMATIC HIGH-APERTURE MICRO-OBJECT OF MEDIUM ZOOM WITH A LARGE OPERATING DISTANCE

Info

Publication number: RU138532U1
Application number: RU2013148674/28U
Authority: RU
Inventors: Лариса Евгеньевна Левандовская; Михаил Наумович Сокольский; Наталия Богдановна Скобелева; Ольга Михайловна Струкова
Original assignee: Открытое акционерное общество "ЛОМО"
Priority date: 2013-10-31
Filing date: 2013-10-31
Publication date: 2014-03-20

Abstract

1. Планапохроматический высокоапертурный микрообъектив среднего увеличения с большим рабочим расстоянием, содержащий 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, отличающийся тем, что 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 условиекроме того, показатели преломления обоих менисков первого компонента, мениска четвертого компонента, обоих менисков отрицательной склеенной линзы пятого компонента и последн�1. Plano-chromatic high-aperture medium-magnification micro lens with a large working distance, containing five components in series, the first of which is made in the form of a positive meniscus facing concavity to the object space, the second positive component is glued from a biconvex lens and the negative meniscus facing concavity to the object space , the third positive component is made glued from a negative meniscus facing concavity to the space image, and a biconvex positive lens, the fourth component and the fifth component, including the negative lens and two menisci facing concavity to the space of the object, characterized in that the first component is complemented by a negative meniscus and made of two menisci facing concavity to the space of the object, the fourth the component is made in the form of a single negative meniscus convex to the space of the object, and in the fifth component, the negative lens is glued from two negatives menisci facing concavity to the space of the object, and between the fourth and fifth components in the air gap in the rear focal plane of the first, second, third and fourth components, a plane-parallel plate for applying phase rings or a plate for Hoffman modulation contrast is installed, while refractive indices of both menisci of the first component, meniscus of the fourth component, both menisci of the negative bonded lens of the fifth component and the last

Description

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.The proposed utility model relates to optical instrumentation, namely, microscope lenses, and can be used for visual observation and photographing of low-contrast microscopic structures that are at the limit of the resolution of light microscopes equipped with all modern methods of research in natural light, visible luminescence light, in polarized light, by the method of bright field, dark field, phase contrast, etc.

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.A known apochromatic microscope objective [1], containing five components, the first of which is a positive meniscus facing concavity to the space of the object, the second is a double-glued positive lens, the third component is a three-glued positive lens, the fourth contains two glued positive lenses and the fifth negative meniscus.

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.The lens has an apochromatic correction for a point on the axis, a high input aperture, but an insufficient image field (20 mm), residual astigmatism and image curvature, which do not allow simultaneous observation of the entire image field, as well as a 160 mm tube.

Наиболее близким техническим решением к заявляемой полезной модели является высокоапертурный планапохроматический микробъектив с большим рабочим расстоянием [2].The closest technical solution to the claimed utility model is a high aperture planochromatic micro lens with a large working distance [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 объектаThe micro lens contains five components in series, the first of which is made in the form of a positive meniscus convex to the image space, the second is the positive component glued from a biconvex positive lens and the negative meniscus, turned concavity to the space of objects, the third two-glued component is made of a negative meniscus, facing concavity to the space of images, and a positive biconvex lens, the fourth component contains olozhitelnuyu biconvex lens and a fifth component consists of a biconcave negative lens and two meniscus facing concavity to the object space

Высокоапертурный планапохроматический микробъектив имеет довольно высокую входную апертуру (10×0.38), но недостаточно высокую коррекцию точки на оси и по всему полю зрения.The high aperture planochromatic micro lens has a rather high input aperture (10 × 0.38), but not a high enough point correction on the axis and throughout the field of view.

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.Modern microscope models equipped with all modern research methods require a high-aperture planochromatic micro-lenses, which not only have improved correction of monochromatic and chromatic aberrations on the axis and the entire image field, but also need to be able to place an iris diaphragm in the lens for increasing the depth of field, plate, prism, and other elements that allow working by the method of phase contrast, differential interference about contrast, modulation contrast Hoffman.

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.The main task, which the utility model is aimed at, is to achieve a high input numerical aperture, improve mono and chromatic aberrations of the axial and off-axis beams, and increase the informative capacity of the micro-lens.

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.The problem is solved using the proposed planochromatic high-aperture medium-magnification micro lens, which, like the prototype, contains five components in series, the first of which is made in the form of a positive meniscus facing concavity to the space of the object, the second positive component is made of a biconvex lens and negative meniscus facing concavity to the space of the object, the third positive component is made of negatively glued of the meniscus facing concavity to the space of the image, and a biconvex positive lens, a fourth component, and the fifth component comprising a negative lens and two meniscus concave facing toward an object space.

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'_I-IV≤0.57f'_об., 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_e≤1.83, а их коэффициенты дисперсии имеют значения 25.0≤ν_e≤55.0, гдеUnlike the prototype, the first component is supplemented with a negative meniscus and made of two menisci glued with a concavity to the object space, the fourth component is made in the form of a single negative meniscus convex to the object space, and in the fifth component the negative lens is glued of two negative menisci, facing concavity to the space of the object, and between the fourth and fifth components in the air gap in the rear focal plane of the first, second, third second and fourth components mounted plane-parallel plate for applying phase rings or plate Hoffman modulation contrast, with the condition f _'I-IV ≤0.57f' _{vol. furthermore} the refractive indices of the two meniscuses of the first component, the fourth component of the meniscus, negative meniscus both the bonded lenses of the fifth component and the last meniscus of the fifth component have a value of 1.72≤n _e ≤1.83, and their dispersion coefficients have a value of 25.0≤ν _e ≤55.0, where

где f'_I-IV - общее фокусное расстояние первого, второго, третьего и четвертого компонентов,where f ' _I-IV is the total focal length of the first, second, third and fourth components,

f'_об. - фокусное расстояние всего микоробъектива,f ' _vol. - the focal length of the entire micro lens,

n_e - показатель преломления стекла,n _e is the refractive index of the glass,

ν_e - коэффициент дисперсии стекла.ν _e is the dispersion coefficient of the glass.

Кроме того, в воздушном промежутке в задней фокальной плоскости первого, второго, третьего и четвертого компонентов установлена ирисовая апертурная диафрагма для изменения глубины резкости.In addition, in the air gap in the rear focal plane of the first, second, third and fourth components, an iris aperture diaphragm is installed to change the depth of field.

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.The essence of the proposed utility model lies in the fact that such a high-aperture micro-lens is designed, namely: the first component is glued from two menisci facing concavity to the object space, the fourth is a single negative meniscus convex to the object space, and the fifth component is negative lenses glued from two negative menisci facing concavity to the space of the object, as well as the above choice of dispersion coefficients and the ratio The use of focal lengths of the entire micro lens and the first, second, third, and fourth components made it possible to maintain not only a high aperture, but also improve the correction of mono and chromatic aberrations of the axial and off-axis beams and significantly increase the distance between the fourth and fifth components, due to which a planochromatic correction was achieved a micro lens, a large working front segment is saved, which provides the ability to work with cuvettes, manipulators, and the increased distance between the fourth and fifth components tami makes it possible to work with real mechanical iris diaphragms (to change the depth of field), phase plates, etc.

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.Based on the foregoing, we can conclude that a new set of essential features of the claimed utility model allowed us to obtain a technical result, namely, that a large free working distance, high aperture, achieved planochromatic correction over the entire field (25 mm when working with a tube lens with f ' = 200 mm), due to which the entire field of view is simultaneously observed without adjustment, which is especially important when working with CMOS-type matrices, in addition, the presence of a large air gap in elichivaet microlens information capacity, allowing the use of real irises (for changing depth of field), the plate for phase contrast, differential interference contrast and Hoffman modulation contrast al.

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.The proposed planochromatic high-aperture micro lens with a large working distance is illustrated by the drawing, in which in FIG. Figure 1 shows its optical scheme, as well as the Appendix, which gives the design parameters of a separate micro lens and the frequency-contrast characteristic of a micro lens together with a tube lens with a focal length f '= 200 mm in the image plane of the microscope.

Заявляемый планапохроматический высокоапертурный микрообъектив среднего увеличения с большим рабочим расстоянием содержит пять последовательно расположенных компонентов I, II, III, IY и Y.The inventive planochromatic high-aperture medium-magnification micro lens with a large working distance contains five sequentially located components I, II, III, IY and 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.The first component I is made in the form of positive 1 and negative 2 menisci facing concavity to the space of the object, the second positive component II is made glued from a biconvex lens 3 and the negative meniscus 4 facing concavity to the space of the object, the third positive component III is made glued from the negative meniscus 5, facing the concavity to the image space, and the biconvex positive lens 6, the fourth component IY is made in the form of a single negative meniscus 7, reversed about the convexity to the space of the object, and the fifth component Y, includes a negative lens made of two negative menisci 8 and 9, facing concavity to the space of the object, and two meniscus 10 and 11, facing the concavity to the space of the object.

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'_I-IV≤0.57f'_об.Between the fourth IY and fifth Y components in the air gap in the rear focal plane of the first I, second II, third III and fourth IY components there is a plane-parallel plate 12 for applying phase rings or a plate 12 for Hoffman modulation contrast, while the condition f ' _{I- IV} ≤0.57f ' _vol .

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_e≤1.83, а их коэффициенты дисперсии имеют значения 25.0≤ν_e≤55.0,The refractive indices of both menisci 1 and 2 of the first component I, meniscus 7 of the fourth component IY, both menisci 8 and 9 of the negative lens of the fifth component Y and the last meniscus 11 of the fifth component are 1.72≤n _e ≤1.83, and their dispersion coefficients are 25.0≤ ν _e ≤55.0,

где f'_I-IV - общее фокусное расстояние первого I, второго II, третьего III и четвертого IY компонентов,where f ' _I-IV is the total focal length of the first I, second II, third III and fourth IY components,

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).In addition, in the air gap in the rear focal plane of the first I, second II, third III and fourth IY components, an iris aperture diaphragm is installed to change the depth of field (not shown).

Предлагаемый объектив работает следующим образом.The proposed lens works as follows.

Объектив работает с тубусной линзой f'=200 мм.The lens works with a tube lens f '= 200 mm.

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.Rays from the object of observation located in the front focal plane of the micro-lens pass through the front glued meniscus I and 2, facing concavity to the space of objects, which, together with the second component II, glued from the positive biconvex lens 3 and the negative meniscus 4, form an enlarged imaginary image, introducing negative spherical aberration, to whom, positive astigmatism and field curvature, then component III glued from the negative meniscus 5, facing the concavity to the space from mappings, and a biconvex positive lens 6 forms a real image of the object, introducing negative spherical aberration and transverse chromatic aberration, pereispravlyaya coma, astigmatism and curvature.

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.Component four IV - a single negative meniscus 7, facing concavity to the image space, transfers the image of the object to the front focal plane of the fifth component V, introducing positive distortion and negative chromaticity magnification, then the fifth component V, consisting of two negative menisci glued together 8 and 9, facing concavity to the space of the object, and two single positive menisci 10 and 11, transfers the image of the object to infinity, compensating for the residual spherical aberration of the axial and off-axis beams, to whom, chromatism of position and magnification, astigmatism and image curvature, thereby achieving planochromatic correction of the entire micro lens as a whole.

По предложении 1 схеме реализован микрообъектив с увеличением 10^x, числовой апертурой 0.38, линейным полем 2у=2.5 мм и рабочим расстоянием 4.44 мм.According to proposal 1, a micro lens with a magnification of 10 ^x , a numerical aperture of 0.38, a linear field of 2y = 2.5 mm, and a working distance of 4.44 mm was realized.

В таблице 1 представлено число Штреля, характеризующее качество изображения объектива для приведенных относительных значений величин изображения.Table 1 presents the Strehl number, which characterizes the image quality of the lens for the relative values of the image values.

Таблица 1Table 1 Отн. значение величины изображенияRel image value Число ШтреляStrehl number 1one 0.690.69 0.8660.866 0.810.81 0.7070.707 0.880.88 0.50.5 0.910.91 00 0.930.93

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИINFORMATION SOURCES

1. SU, авторское свидетельство №1580309, МПК: G02B 21/02, 1990 г.1. SU, copyright certificate No. 1580309, IPC: G02B 21/02, 1990

2. RU, патент на полезную модель №120243, МПК: G02B 21/02, 2012 г. - прототип.2. RU, utility model patent No. 120243, IPC: G02B 21/02, 2012 - prototype.

Claims

1. Plano-chromatic high-aperture medium-magnification micro lens with a large working distance, containing five components in series, the first of which is made in the form of a positive meniscus facing concavity to the object space, the second positive component is glued from a biconvex lens and the negative meniscus facing concavity to the object space , the third positive component is made glued from a negative meniscus facing concavity to the space image, and a biconvex positive lens, the fourth component and the fifth component, including the negative lens and two menisci facing concavity to the space of the object, characterized in that the first component is complemented by a negative meniscus and made of two menisci facing concavity to the space of the object, the fourth the component is made in the form of a single negative meniscus convex to the space of the object, and in the fifth component, the negative lens is glued from two negatives menisci facing concavity to the space of the object, and between the fourth and fifth components in the air gap in the rear focal plane of the first, second, third and fourth components there is a plane-parallel plate for applying phase rings or a plate for Hoffman modulation contrast, while the condition

in addition, the refractive indices of both menisci of the first component, the meniscus of the fourth component, both menisci of the negative bonded lens of the fifth component and the last meniscus of the fifth component have values

and their dispersion coefficients matter

Where

f ' _I-IV is the total focal length of the first, second, third and fourth components;

f ' _about - the focal length of the entire microscope;

n _e is the refractive index of the glass;

ν _e is the dispersion coefficient of the glass.

2. Plano-chromatic high-aperture medium-magnification micro lens with a large working distance according to claim 1, characterized in that an iris aperture diaphragm is installed in the air gap in the rear focal plane of the first, second, third and fourth components to change the depth of field.