RU2012908C1

RU2012908C1 - Achromatic oil immersion microscope objective with large magnification

Info

Publication number: RU2012908C1
Authority: RU
Inventors: Д.Н. Фролов
Original assignee: Государственное предприятие "Ленинградское оптико-механическое объединение"
Priority date: 1991-06-28
Filing date: 1991-06-28
Publication date: 1994-05-15

Abstract

FIELD: optical instrument engineering. SUBSTANCE: objective has front component 1 i form of single flat-convex lens or meniscus-shaped lens, turned with its convexity to image space, positive meniscus 2, turned with its concavity to space of objects, positive two-glued component 3, which has positive and negative lenses, three-glued component 4, which has positive lens, mounted between two negative lenses, and negative meniscus 5, turned with its concavity to image space. Magnification of the lens is equal to 100^×, focal length equals to 1,604 mm, linear field of view in the space is equal to 2y′=20,0mm. EFFECT: improved precision. 1 dwg

Description

Изобретение относится к оптическому приборостроению и может быть использовано в области микрооптики при создании новых типов (модификаций) биологических микроскопов: рабочих, студенческих и дорожных типа Биолам, Люмам и др; предназначенных для наблюдения особо тонких микроскопических структур. The invention relates to optical instrumentation and can be used in the field of microoptics to create new types (modifications) of biological microscopes: workers, students and travel type Biolam, Lumam, etc; designed to observe particularly fine microscopic structures.

Среди ахроматических микрообъективов особое место занимают иммерсионные объективы с входной апертурой большей 1,0. При этом в качестве иммерсионной жидкости может применяться масло, глицерин, вода и др. Наибольшее распространение получили микрообъективы большого увеличения масляной имеерсии; так отечественной промышленностью серийно выпускаются объективы ОП-41; ОХ-32, ОХ-100 и др. [1] . Among achromatic micro-lenses, immersion lenses with an input aperture greater than 1.0 occupy a special place. In this case, oil, glycerin, water, etc. can be used as immersion liquid. The most widespread are micro-lenses with a large increase in oil immersion; So, the domestic industry mass-produced lenses OP-41; OX-32, OX-100, etc. [1].

Однако применение в качестве иммерсионной жидкости масла не всегда удовлетворяет требованиям, методикам исследований. Так, эффективность применения масла снижена в люминесцентных исследованиях (так как оно обладает собственной люминесценцией), его смачивающие свойства обуславливают появление бликов (из-за вкрапления пузырьков воздуха), кроме того, иммерсионное масло является химически активным, что приводит к быстрому разрушению фронтальной линзы объектива. В этих случаях целесообразно применять микрообъективы с использованием других иммерсий например водной. При этом фронтальная линза специально рассчитанного объектива контактирует с каплей воды, показатель преломления которой равен n_e ≈ 1,33. Особенностью таких объективов является сложность их аберрационной коррекции, в частности исправление хроматических аберраций (вследствие специфических дисперсионных свойств раствора) и исправление аберраций внеосевых пучков (из-за близости показателей преломления фронтальной линзы и воды [2] . Отечественной промышленностью выпускаются серийно микрообъективы ОАВ-60 (60х1,0 физ. раствор), ОМ-25 (70х1,23 водн. иммерсия), ОМ-43 (85х1,1 водн. иммерсия, 05В-30Л (30х0,9 водн, иммерсия) и др. [1] .However, the use of oil as an immersion fluid does not always satisfy the requirements and research methods. Thus, the effectiveness of the use of oil is reduced in luminescent studies (since it has its own luminescence), its wetting properties cause glare (due to interspersed air bubbles), in addition, immersion oil is chemically active, which leads to rapid destruction of the front lens of the lens . In these cases, it is advisable to use microscopic lenses using other immersions such as water. In this case, the front lens of a specially designed lens is in contact with a drop of water, the refractive index of which is n _e ≈ 1.33. A feature of such lenses is the complexity of their aberration correction, in particular the correction of chromatic aberrations (due to the specific dispersion properties of the solution) and the correction of aberrations of off-axis beams (due to the proximity of the refractive indices of the front lens and water [2]. OAB-60 micro lenses are commercially produced by the domestic industry ( 60x1.0 saline solution), OM-25 (70x1.23 aq. Immersion), OM-43 (85x1.1 aq. Immersion, 05B-30L (30x0.9 aq., Immersion), etc. [1].

Всех их отмечает недостаточная коррекция хроматических аберраций и аберраций внеосевых пучков. Так, хроматическая разность увеличений в них достигает 1,5-2,0% , значительна кома (коэффициент неизопланатизма на краю поля зрения достигает 2-3% ), астигматизм составляет 2-3 λ, не исправлен хроматизм положения, величина которого для точки на оси достигает 2-3 λ. All of them are marked by insufficient correction of chromatic aberrations and aberrations of off-axis bundles. Thus, the chromatic difference in the increases in them reaches 1.5–2.0%, significant coma (the nonisoplanatism coefficient at the edge of the field of view reaches 2-3%), astigmatism is 2-3 λ, the chromaticity of the position is not corrected, the value of which for a point on axis reaches 2-3 λ.

Известен микрообъектив водной иммерсии с улучшенной коррекцией хроматической аберрации положения, а также аберрацией внеосевых пучков по а. с. N 1.444690, однако его конструкция непригодна к серийному производству, так как содержит трудновыполнимый фронтальный элемент и сложную конструкцию последующих элементов схемы. A well-known micro-lens of water immersion with improved correction of chromatic aberration of position, as well as aberration of off-axis beams along a. with. N 1.444690, however, its design is unsuitable for mass production, as it contains a difficult front element and a complex structure of the subsequent elements of the circuit.

При этом ни в одном из перечисленных объективов не удалось достигнуть увеличение 100^х, что не позволяет реализовать работу на микроскопе в соответствии с условиями полезного увеличения [2] и снижает его потребительские свойства.At the same time, none of the listed lenses was able to achieve a magnification of 100 ^x , which does not allow working on a microscope in accordance with the conditions of useful magnification [2] and reduces its consumer properties.

Наиболее близким к предлагаемому по функциональным признакам является объектив [1, с. 48] 70х1,23 водной иммерсии. Он содержит последовательно расположенные фронтальный компонент, представляющий собой одиночную менискообразную линзу, обращенную выпуклостью к изображению, два положительных компонента - двусклеенную линзу и одиночную и трехсклеенный компонент, состоящий из положительной линзы, заключенной между двумя отрицательными. Closest to the proposed functional features is the lens [1, p. 48] 70x1.23 water immersion. It contains a sequentially located frontal component, which is a single meniscus lens convex to the image, two positive components are a double-glued lens, and a single and three-glued component consisting of a positive lens enclosed between two negative ones.

Данный объектив выбран в качестве прототипа и имеет следующие недостатки:
значительные хроматические аберрации изображения осевой точки предмета, достигающие 6-ти длин волн, что не соответствует общепринятым критериям качества для ахроматов [2] ;
увеличенные остаточные хроматические аберрации изображения внеосевых точек предмета, в частности остаточная ХРУ оставляет ≈2% , что не соответствует современной тенденции снижения данных аберраций;
недостаточное исправление аберраций внеосевых пучков (так, например, на краю поля зрения расчетная кома имеет недопустимые значения из-за непрохождения лучей), что не позволяет наблюдать большое поле объекта без перефокусировки.This lens is selected as a prototype and has the following disadvantages:
significant chromatic aberration of the image of the axial point of the object, reaching 6 wavelengths, which does not meet generally accepted quality criteria for achromats [2];
increased residual chromatic aberration of the image of off-axis points of the object, in particular, residual CRU leaves ≈2%, which does not correspond to the current trend of reducing these aberrations;
insufficient correction of aberrations of off-axis beams (for example, at the edge of the field of view, the calculated coma has unacceptable values due to the non-passage of rays), which does not allow observing a large field of the object without refocusing.

Все перечисленные недостатки обуславливают низкую эффективность применения данного объектива в исследованиях, вместе с этим потребность в подобном (с большим увеличением и апертурой больше 1,0) объективе высока. All of these shortcomings determine the low efficiency of using this lens in research, and at the same time, the need for such a lens (with a large increase and aperture greater than 1.0) is high.

Целью изобретения является повышение качества изображения за счет уменьшения хроматических аберраций и аберраций внеосевых пучков. The aim of the invention is to improve image quality by reducing chromatic aberrations and aberrations of off-axis bundles.

Достигается это тем, что в ахроматический иммерсионный микрообъектив большого увеличения, содержащий последовательно расположенные фронтальный компонент, выполненный в виде одиночной плосковыпуклой или менискообразной линзы, обращенной выпуклостью к пространству изображений, два положительных компонента и трехсклеенный компонент, состоящий из положительной линзы, заключенной между двумя отрицательными, введен отрицательный мениск, обращенный вогнутостью к пространству изображений и размещенный на расстоянии 4,5-9,5 фокусного расстояния объектива от трехсклеенного компонента, коэффициент дисперсии материала которого не превышает 30-35, а также первый из двух положительных компонентов выполнен в виде одиночного мениска, обращенного вогнутостью к пространству предметов, из материала с коэффициентом дисперсии, превышающим 50, второй - в виде склейки из отрицательной и положительной линз, причем показатели преломления n₄₁, n₄₃ и коэффициенты дисперсии ν₄₁, ν₄₃, материалов отрицательных линз трехсклеенного компонента удовлетворяют условиям: n₄₁ ≈ n₄₃, ν₄₃ ≈ 1,5 ν₄₁.This is achieved by the fact that in an achromatic immersion micro-lens of large magnification, containing a frontal component arranged consecutively, made in the form of a single plane-convex or meniscus lens, convex to the image space, two positive components and a three-glued component consisting of a positive lens enclosed between two negative ones introduced a negative meniscus, facing concavity to the image space and placed at a distance of 4.5-9.5 focal length lenses from a three-glued component, the dispersion coefficient of the material of which does not exceed 30-35, and the first of two positive components is made in the form of a single meniscus, facing the concavity to the space of objects, from a material with a dispersion coefficient exceeding 50, and the second - in the form of gluing from negative and positive lenses, with refractive indices n ₄₁ , n ₄₃ and dispersion coefficients ν ₄₁ , ν ₄₃ , negative lens materials of the three-glued component satisfy the conditions: n ₄₁ ≈ n ₄₃ , ν ₄₃ ≈ 1.5 ν ₄₁ .

Введение в оптическую схему дополнительного компонента позволяет облегчить решение комплексной задачи улучшения коррекции монохроматических и хроматических аберраций осевого пучка, а также внеосевых пучков. Это объясняется тем, что данный компонент является отрицательным по отношению к предшествующим, его монохроматические и хроматические аберрации противоположны по знаку подобным аберрациям предшествующей системы, выбор оптического материала с указанным коэффициентом дисперсии (т. е. применение стекла типа "тяжелый флинт"), позволяет максимально усилить эти "отрицательные" свойства, а расположение мениска на указанном расстоянии - оптимально сбалансировать аберрации в объекте в целом (невыполнение соотношений не позволяет исправить, например ХРУ). Кроме введения в оптическую схему (по сравнению с прототипом) дополнительного компонента, существенную для коррекции монохроматических и хроматических аберраций, роль играет форма и порядок расположения в схеме положительных компонентов, а также выбор применяемых оптических материалов. Так, применение в качестве первого положительного компонента мениска с указанными свойствами позволяет снизить апертуру после фронтального компонента, исправить астигматизм в объективе и снизить другие аберрации внеосевых пучков. При этом собственные его аберрации минимальны, так как он не склеен (он, например, не вносит сферохроматизм, трудно исправляемый во фронтальной части). Выполнение второго положительного компонента в виде склейки из отрицательной и положительной линз способствует исправлению в объективе хроматических аберраций (например, ХРУ) и не оказывает заметного влияния на сферохроматизм (т. к. располагается в части, где апертура уже снижена). Выбор оптических материалов трехсклеенного компонента в соответствии с указанными рекомендациями позволяет оптимальным образом исправить в объективе сферохроматические и другие хроматические аберрации, в частности вторичный спектр. The introduction of an additional component into the optical scheme makes it easier to solve the complex problem of improving the correction of monochromatic and chromatic aberrations of the axial beam, as well as off-axis beams. This is explained by the fact that this component is negative in relation to the preceding ones, its monochromatic and chromatic aberrations are opposite in sign to similar aberrations of the previous system, the choice of optical material with the indicated dispersion coefficient (that is, the use of heavy flint glass) allows strengthen these "negative" properties, and the meniscus at a specified distance is optimally balanced for aberrations in the object as a whole (failure to comply with the ratios does not allow correcting Example HRW). In addition to introducing into the optical circuit (as compared with the prototype) an additional component essential for the correction of monochromatic and chromatic aberrations, the shape and order of arrangement of the positive components in the circuit, as well as the choice of the optical materials used, play a role. So, the use of the meniscus with the indicated properties as the first positive component allows one to reduce the aperture after the front component, correct astigmatism in the lens, and reduce other aberrations of off-axis beams. Moreover, its own aberrations are minimal, since it is not glued (for example, it does not introduce spherochromatism, which is difficult to correct in the front). The implementation of the second positive component in the form of gluing from the negative and positive lenses helps to correct chromatic aberrations in the lens (for example, HRU) and does not have a noticeable effect on spherochromatism (since it is located in the part where the aperture is already reduced). The choice of the optical materials of the three-glued component in accordance with the indicated recommendations makes it possible to optimally correct spherochromatic and other chromatic aberrations in the lens, in particular the secondary spectrum.

Применение всех перечисленных признаков в рамках одной оптической схемы позволяет при незначительном ее усложнении достигнуть качественно нового, по сравнению с прототипом, уровня аберрационной коррекции ахроматического микрообъектива большого увеличения. The use of all these features in the framework of one optical scheme allows, with its slight complication, to achieve a qualitatively new, compared with the prototype, level of aberration correction of achromatic micro-lens of large magnification.

Так, в качестве примера конкретного исполнения впервые в отечественной практике получен ахроматической микрообъектив с увеличением 100^х и апертурой 1,2 водной иммерсии. Его аберрационная коррекция отвечает современной категории качества изображения. Так, наряду с исправлением монохроматических и хроматических абеppаций для осевой точки предмета устранена хроматическая разность увеличения, а остаточные аберрации внеосевых пучков снижены в сравнении с известными аналогами. В совокупности использования всех перечисленных преимуществ получена принципиальная возможность расчета ахроматического микрообъектива большого увеличения водной иммерсии с максимальным увеличением.So, as an example of a specific implementation, for the first time in domestic practice, an achromatic micro-lens with a magnification of 100 ^x and an aperture of 1.2 water immersion was obtained. Its aberration correction corresponds to the modern category of image quality. So, along with the correction of monochromatic and chromatic aberrations for the axial point of the object, the chromatic difference of magnification is eliminated, and the residual aberrations of off-axis bundles are reduced in comparison with the known analogues. Together with the use of all these advantages, a fundamental possibility was obtained for calculating the achromatic micro-lens of a large increase in water immersion with a maximum increase.

В заявляемом решении совокупность указанных в формуле отличий позволяет одновременно комплексно исправить хроматические аберрации и аберрации внеосевых пучков, что в свою очередь позволяет достигнуть цели изобретения - улучшения качества изображения ахроматического микрообъектива большого увеличения водной иммерсии. In the claimed solution, the totality of the differences indicated in the formula makes it possible to simultaneously comprehensively correct chromatic aberrations and aberrations of off-axis bundles, which in turn allows achieving the goal of the invention - improving the image quality of an achromatic micro-lens with a large increase in water immersion.

На чертеже представлена принципиальная схема объектива. The drawing shows a schematic diagram of a lens.

Он содержит пять компонентов. Фронтальный компонент 1 и положительный мениск 2 служат для уменьшения входной апертуры и строят увеличенное мнимое изображение предмета с уменьшенными аберрациями осевой точки, недоисправленными значениями меридиональной и сагиттальной кривизны, астигматизмом. Положительный компонент 3, представляющий собой склейку из отрицательной и положительной линз а также трехсклеенный компонент 4, состоящий из положительной линзы, заключенной между двумя отрицательными, строит действительное увеличенное изображение в передней фокальной плоскости мениска 5, компенсируя отрицательную сферическую аберрацию, хроматизм положения и астигматизм, сферохроматизм и др. вносимые фронтальными элементами 1 и 2. Отрицательный мениск 5 строит изображение в "бесконечности", компенсируя остаточные монохроматические и хроматические аберрации других компонентов. It contains five components. The front component 1 and the positive meniscus 2 serve to reduce the input aperture and build an enlarged imaginary image of the object with reduced axial point aberrations, under-corrected values of meridional and sagittal curvature, astigmatism. The positive component 3, which is a gluing of the negative and positive lenses, as well as the three-glued component 4, consisting of a positive lens enclosed between two negative lenses, builds a real magnified image in the anterior focal plane of the meniscus 5, compensating for negative spherical aberration, position chromatism and astigmatism, spherochromatism etc. introduced by the frontal elements 1 and 2. The negative meniscus 5 builds the image at "infinity", compensating for the residual monochromatic and chromatic aberration of other components.

В качестве примера конкретного исполнения представлен объектив с увеличениями 100^х и апертурой в пространстве предметов 1,2 водной иммерсии. В нем значительно улучшена (в сравнении с прототипом) аберрационная коррекция, так хроматическая разность положения для осевой точки предмета не превышает 0,25 λ, вторичный спектр - 2 λ, что соответствует общепринятым критериям. Хроматическая разность увеличения в нем исправлена и близка к нулю (в соответствии с современной тенденцией). Улучшенное исправление аберраций внеосевых пучков позволяет наблюдать резко без перефокусировки поле в 2,5 раза больше, чем у прототипа.As an example of a specific performance, a lens with magnifications of 100 ^x and an aperture in the space of objects 1.2 of water immersion is presented. In it, aberration correction is significantly improved (in comparison with the prototype), so the chromatic difference in position for the axial point of the object does not exceed 0.25 λ, the secondary spectrum - 2 λ, which corresponds to generally accepted criteria. The chromatic difference of the increase in it is corrected and close to zero (in accordance with the current trend). Improved correction of aberrations of off-axis beams allows us to observe sharply without refocusing the field is 2.5 times larger than that of the prototype.

Все перечисленные преимущества в совокупности обуславливают высокую эффективность применения данного объектива, его информационная емкость увеличена в 3-4 раза по сравнению с аналогами. All of these advantages in the aggregate determine the high efficiency of the use of this lens, its information capacity is increased by 3-4 times in comparison with analogues.

Конструкция предлагаемого микрообъектива проста и технологична. Она содержит лишь на одну линзу больше, однако сохранено высокое светопропускание. The design of the proposed micro lens is simple and technologically advanced. It contains only one lens more, but high light transmission is maintained.

Предлагаемое устройство позволяет реализовать в микрообъективах следующие дополнительные особенности: положение изображения выходного зрачка унифицировано относительно опорной плоскости, оно расположено между четвертым и пятым компонентом, что дает возможность использования объективов для специальных методов исследования (фазовый контраст, ДИК и др. ). The proposed device allows you to implement the following additional features in micro lenses: the position of the image of the exit pupil is unified relative to the reference plane, it is located between the fourth and fifth components, which makes it possible to use lenses for special research methods (phase contrast, DIC, etc.).

Объектив стандартизован по высоте, а применение тубуса "бесконечность" позволяет использовать его в одном револьвере, совместно с объективами, имеющими иной тип оптической коррекции. The lens is standardized in height, and the use of the “infinity” tube allows it to be used in one revolver, together with lenses that have a different type of optical correction.

Claims

ACHROMATIC IMMERSION MICRO-OBJECT OF LARGE INCREASE, containing a frontal component arranged consecutively, made in the form of a single plano-convex or meniscus lens, convex to the image space, two positive components and a three-glued component, consisting of a positive lens, which consists in two In order to improve image quality by reducing chromatic aberrations and aberrations of off-axis beams, about a negative meniscus facing concavity to the image space and placed at a distance of 4.5 - 9.5 of the focal length of the lens from the three-glued component, the dispersion coefficient of the material of which does not exceed 30 - 35, and the first of the two positive components is made in the form of a single meniscus facing concavity to the space of objects, from a material with a dispersion coefficient exceeding 50, the second - in the form of gluing from negative and positive lenses, and refractive indices n ₄₁ , n ₄₃ and dispersion coefficients and ν ₄₁ , ν _{43 of the} negative lens materials of the three-glued component satisfy the conditions
n ₄₁ ≈n ₄₃ , ν ₄₃ ≈1.5ν ₄₁ .