RU2073266C1

RU2073266C1 - High-power fast microscope objective

Info

Publication number: RU2073266C1
Application number: RU93011496A
Authority: RU
Inventors: Д.Н. Фролов
Original assignee: Государственное предприятие "Ленинградское оптико-механическое объединение"
Priority date: 1993-03-03
Filing date: 1993-03-03
Publication date: 1997-02-10

Abstract

FIELD: components of complicated research models of biological, polarization, luminescent and other microscopes. SUBSTANCE: microscope objective consists of five components successively located along the optical axis. The first component is single meniscus-shaped lens facing image with its convexity. The second and third components present two-cemented units whose positive lenses facing image space. The fourth component is three-cemented one including double-convex lens enclosed between two meniscus-shaped lenses. The fifth component is made in form of two-cement meniscus facing image space with its concavity and containing positive and negative lenses. In this case, two versions of meniscus are possible. The first version comprise cemented positive, double-convex and negative double-concave lenses. The second version presents cemented positive meniscus-shaped and negative meniscus-shaped lenses. EFFECT: higher efficiency. 3 cl, 5 dwg

Description

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. The invention relates to the field of microoptics, more specifically to fast lenses of a microscope, and can be used to complete complex research models of biological, polarizing, luminescent and other microscopes.

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. Fast aperture lenses are designed for visual examination of low-contrast microscopic structures with linear dimensions up to 0.15 0.20 microns. As a rule, such lenses are precision, have a rather complicated design, roads and make up a small fraction of the volume of serial production of domestic and foreign companies, determining the level of scientific and technical potential of the manufacturer.

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. When developing such lenses, great attention is paid to achieving high consumer properties by improving technical parameters, increasing the input and output aperture, and field of view. The aperture of a micro lens is proportional to the fourth power of the output aperture, which in turn is determined by the ratio of the input aperture to the magnification of the lens.

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. Fast aperture lenses are distinguished by the increased value of the output aperture, which determines, in essence, current trends in improving the technical characteristics of modern microscope lenses. Thus, the calculations are carried out of achromet microobjectives, planachromats and planochromats with a single unified tube length ∞, standardized residual magnitude of the chromatic difference of magnifications (CXI), as well as other design characteristics and image quality characteristics. This is done to obtain the most effective use of various sets of lenses, reducing the range of eyepieces.

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. Moreover, while domestic micro lenses with an achromatic type of correction are practically not inferior to their foreign counterparts in technical characteristics and image quality, then fast micro lenses, for example with planachromatic and planochromatic correction of aberrations, of high magnification, taking into account current development trends, are simply absent. At the same time, the need for them is great, for example, when developing complex research models of microscopes that are not inferior to world standards.

Известен микрообъектив с увеличенной числовой апертурой для люминесцентных микроскопов /1/. Known micro-lens with an increased numerical aperture for luminescent microscopes / 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. The lens is a 5-component system (9 lenses), consisting of the front part, which includes a positive meniscus facing concavity to the subject, a positive two-glued lens and a negative meniscus glued from a biconvex and biconcave lens. The subsequent part of the lens is formed by two positive lenses, each of which is glued from a negative meniscus and a biconvex lens.

Однако он обладает рядом существенных недостатков, а именно не менее унифицированной ХРУ, имеет большую остаточную кривизну изображения. However, it has a number of significant drawbacks, namely, a no less unified HRU, and has a large residual image curvature.

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. A well-known planographic lens of large magnification / 2 /. The lens is a 5-component system (10 lenses) consisting of a frontal single positive meniscus, a positive meniscus glued from a biconcave and biconvex lenses, correction components glued from a biconvex lenses and a biconcave lens placed between them, and glued from a biconvex lens and a negative meniscus.

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. This lens has a very high level of aberration correction over the entire field of view, but its numerical aperture and aperture ratio are insufficient for some microscopic methods (for example, luminescence). The disadvantages listed above reduce the information capacity when working on a microscope and, accordingly, its consumer qualities.

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. Closest to the proposed is the lens / 3 /, which consists of five components, the first of which is one single positive lens; the following are two double-glued lenses in which the positive elements face the image plane. The fourth component is three-glued, containing a biconvex, enclosed between meniscus lenses, the fifth component is a meniscus glued from two meniscus lenses and facing concavity to the object.

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.The lens does not have a sufficiently high aberration correction, which significantly degrades the image quality. So, for example, residual CGR is about 1.7% residual meridional and sagittal curvature

accordingly, the numerical aperture is 0.8, which makes it unsuitable for luminescence, the field of view is 2y '= 20 mm. All these disadvantages do not provide the required high information capacity of the image and reduce consumer properties.

Вместе с тем современные исследовательские модели микроскопов требуют обеспечения возможности проведения микрофотографии, измерительных операций. At the same time, modern research models of microscopes require the possibility of microphotography and measurement operations.

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. The claimed lens, like the prototype, consists of five components sequentially located along the optical axis. As in the prototype, the first single meniscus lens convex to the image, the second and third double-glued, positive lenses facing the image space, the fourth to three-glued, containing a biconvex enclosed between two meniscus lenses, however, unlike the prototype, the last, fifth component , made in the form of a double-glued meniscus, facing concavity to the image space containing a positive and negative lens. In this case, two meniscus versions are possible. The first gluing is made of positive, biconvex and negative biconcave lenses. The second gluing is made of positive meniscus and negative meniscus lenses.

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. Using the proposed solution, namely, the implementation of the last component in this way in combination with other known components of the circuit, allows you to simultaneously, comprehensively correct the monochromatic and chromatic aberrations of the axial and off-axis beams in the lens as a whole. This is because the double-glued meniscus, consisting of positive and negative lenses, is negative with respect to the other components of the lens and introduces compensatory aberration values. In this case, the simultaneous correction of monochromatic aberrations of the axial and off-axis beams leads to the possibility of increasing (compared with the prototype, where the similar component is positive) the numerical aperture, and correcting the curvature allows increasing the field of view. An additional positive property is the ability to correct the chromatic difference of magnification in the lens.

Таким образом, в заявленном светосильном объективе большого увеличения достигнут технический результат одновременное исправление монохроматических и хроматических аберраций, что не достигнуто в прототипе. Thus, in the claimed aperture lens of large magnification, a technical result was achieved while correcting monochromatic and chromatic aberrations, which was not achieved in the prototype.

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. In this case, the input and output aperture and aperture ratio are significantly increased (compared with the known analogues) with an increase in the field of view. All these advantages can significantly increase the information capacity of the micro-lens and consumer properties of the microscope as a whole.

На фиг. 1 представлена принципиальная схема объектива; на фиг. 2 5 даны аберрационные выпуски и примеры конкретного исполнения микрообъектива. In FIG. 1 is a schematic diagram of a lens; in FIG. 2 5 are given aberration issues and examples of specific performance of the micro-lens.

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. The lens contains five components: a single positive meniscus-shaped 1, double-glued components 2, 3, the positive lenses of which are facing the image, a three-glued component 4, containing a biconvex enclosed between the meniscus-shaped, lenses and component 5 in the form of a double-glued meniscus, facing concavity to the image space.

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. The lens works as follows. The lenses of the first and second components build an enlarged imaginary image of the object with reduced values of the aberrations of the axial point of the object with negative values of the meridional and sagittal curvature. Components 3 and 4 have a compensating load, partially correct chromatic aberrations (position chromatism, secondary spectrum), align higher-order monochromatic aberrations and spherochromatism, creating an inverted real intermediate image in the front focal plane of component 5. The last component “captures” the image and builds it into infinity, while compensating for the residual third-order monochromatic and chromatic aberrations of previous lens components. The lens is designed to work in conjunction with an additional achromatic lens G = 160 mm.

При использовании предложенного решения рассчитаны два варианта светосильного микрообъектива большого увеличения, отличающихся между собой исполнением последнего компонента. В обоих вариантах конкретного исполнения увеличение составляет 40^x, числовая апертура 0,9-0,95.When using the proposed solution, two variants of a high-aperture lens of large magnification, which differ in the execution of the last component, are calculated. In both variants of a specific design, the magnification is 40 ^x , and the numerical aperture is 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. In the lens variants calculated using the proposed solution, a high image quality over the field is achieved. Type of correction planachromats. Information capacity in comparison with analogues can be increased by 2 3 times, and, therefore, the efficiency and productivity of work on a microscope can be increased. In addition, in this lens the position of the actual exit pupil relative to the reference plane of the lens is unified in both specific examples: it is located between the fourth and fifth components along the beam, which makes it possible to use these micro lenses for special research methods. The optical design of the lenses is universal, it is developed on the basis of widely used domestic optical materials, which can be normalized to the highest categories of birefringence, which ensures the release of the lens in a polarized version. The lens is standardized in height, and using the ∞ tube length allows it to be used in a turret together with lenses that have a different type of correction.

Claims

1. A high-magnification, high-magnification micro lens, containing a single meniscus-shaped component sequentially located along the optical axis, convex to the image space, two double-glued components, whose positive lenses are facing the image space, a three-glued component containing a biconvex enclosed between two meniscus-shaped lenses, and a double-glued one meniscus, characterized in that the double-glued meniscus faces concavity to the image space and contains a positive and negative lenses.

2. The micro lens according to claim 1, characterized in that in the double-glued meniscus the positive lens is biconvex, and the negative is biconcave.

3. The micro lens according to claim 1, characterized in that in the double-glued meniscus the positive and negative lenses are meniscus-shaped.