RU2167443C2

RU2167443C2 - High-speed planochromatic microlens of medium magnification

Info

Publication number: RU2167443C2
Application number: RU96118211A
Authority: RU
Inventors: Д.Н. Фролов; Н.Л. Фрейдберг; А.Г. Табачков
Original assignee: Открытое акционерное общество "ЛОМО"
Priority date: 1996-09-10
Filing date: 1996-09-10
Publication date: 2001-05-20

Abstract

FIELD: optics. SUBSTANCE: proposed high-speed planochromatic microlens include five components arranged in series along optical axis. First component is single positive meniscus facing object space with concavity. Second component includes negative and positive lenses bonded together. Third component is made of two positive lenses and one negative lens stuck together. Fourth component includes two meniscuses facing object space with concavity. Fifth component is fabricated in the form of meniscus composed of positive and negative lenses facing image space with concavity. Positive lens of fifth component is biconvex lens or meniscus facing image space with concavity. EFFECT: enlarged aperture with preservation of high-quality images by comparatively simple and adaptable to manufacture design. 1 dwg, 3 tbl

Description

Изобретение относится к оптике и может быть использовано при конструировании микрообъективов с большими значениями входных числовых апертур. При этом выходные апертуры определяют светосилу микрообъектива и оптической системы микроскопа в целом. Такие объективы комплектуют наиболее сложные модели микроскопов типа "БИМАМ", "ЛЮМАМ", "БИОЛАМ". The invention relates to optics and can be used in the design of micro-lenses with large input numerical apertures. In this case, the output apertures determine the aperture of the micro-lens and the optical system of the microscope as a whole. Such lenses complete the most complex models of microscopes such as "BIMAM", "LUMAM", "BIOLAM".

Известно, что в микроскопии с понятием числовой апертуры связано значение синуса угла падающих лучей с оптической осью [1]. При этом светосила объектива пропорциональна четвертой степени выходной апертуры. Числовое значение выходной апертуры определяется арифметическим делением входной апертуры объектива на его увеличение. Создание светосильных микрообъективов является весьма актуальной задачей, т.к. их отличают трудности аберрационной коррекции при проектировании. Особенно это касается светосильных объективов с планахроматической и планапохроматической коррекцией. Из известных отечественных объективов с подобной коррекцией ни один не обладает аберрационной коррекцией, отвечающей современным требованиям к качеству изображения. It is known that in microscopy, the value of the sine of the angle of the incident rays with the optical axis is associated with the concept of a numerical aperture [1]. In this case, the lens aperture is proportional to the fourth power of the output aperture. The numerical value of the output aperture is determined by the arithmetic division of the input aperture of the lens by its increase. Creating aperture micro lenses is a very urgent task, because they are distinguished by the difficulties of aberration correction in the design. This is especially true for fast lenses with planachromatic and planochromatic correction. Of the well-known domestic lenses with such a correction, none have an aberration correction that meets modern requirements for image quality.

Объективы ОС-4, ОМ-16 [1], выпускаемые на ЛОМО, не отвечают даже общепринятому критерию Релея, их волновые аберрации для осевых точек предмета превышают 5 - 10L для апертур 0,8-0,85. Objects OS-4, OM-16 [1], manufactured at LOMO, do not even meet the generally accepted Rayleigh criterion; their wave aberrations for the axial points of an object exceed 5–10L for apertures of 0.8–0.85.

Кроме того, в них значительна хроматическая разность увеличения". In addition, there is a significant chromatic difference in magnification. "

Несколько лучше исправление монохроматических аберраций осевой точки имеет объектив [2], имеющий увеличение 60 и апертуру 0,9. В нем достаточно хорошо исправлены хроматические аберрации осевого и внеосевых пучков. Somewhat better correction of monochromatic aberrations of the axial point has a lens [2], having a magnification of 60 and an aperture of 0.9. In it, chromatic aberrations of the axial and off-axis bundles are quite well corrected.

Все эти недостатки существенно снижают информационную емкость микрообъективов, а также производительность работ на микроскопе [2]. All these shortcomings significantly reduce the information capacity of micro-lenses, as well as the performance of work on a microscope [2].

Известны также микрообъективы [3] и [4], имеющие высокий уровень аберрационной коррекции, однако их отличает чрезвычайная сложность конструкции, обусловливает низкую технологичность при изготовлении и также низкое светопропускание. Кроме того, они не отвечают современным требованиям по унификации габаритных и аберрационных характеристик. Micro lenses [3] and [4] are also known, which have a high level of aberration correction, but they are distinguished by the extreme complexity of the design, which results in low manufacturability in manufacturing and also low light transmission. In addition, they do not meet modern requirements for the unification of overall and aberration characteristics.

Наиболее близким к предлагаемому решению по числу общих существенных признаков является объектив микроскопа [5], который содержит последовательно расположенные вдоль оптической оси первый компонент - одиночный положительный мениск, обращенный вогнутостью к пространству предметов, второй компонент, двусклеенный из отрицательной и положительной линз, третий компонент, трехсклеенный из двух положительных с заключенной между ними отрицательной линзой, двусклеенный четвертый компонент и пятый компонент, выполненный в виде склеенного из положительной двояковыпуклой и отрицательной линз мениска, обращенного вогнутостью к пространству изображений. Closest to the proposed solution in terms of the number of common essential features is the microscope objective [5], which contains the first component sequentially located along the optical axis — a single positive meniscus facing concavity to the space of objects, the second component double-glued from negative and positive lenses, and the third component three-glued of two positive lenses with a negative lens enclosed between them, a double-glued fourth component and a fifth component, made in the form of glued from olozhitelnoy double-convex lens and a negative meniscus facing concavity to space images.

Этот объектив выбран в качестве прототипа. Он имеет достаточно высокий уровень аберрационной коррекции в изображении осевых и внеосевых точек предмета. Его конструкция достаточно технологична. This lens is selected as a prototype. It has a fairly high level of aberration correction in the image of the axial and off-axis points of the object. Its design is quite technologically advanced.

Однако конструкция этого объектива не позволяет сделать его светосильным. Он имеет традиционные соотношения линейного увеличения, входной и выходной апертур (максимально достижимая выходная апертура не превышает 0,015, 0,17), что не позволяет рекомендовать его для использования при комплектации сложных специализированных микроскопов. However, the design of this lens does not allow to make it fast. It has the traditional ratios of linear magnification, input and output apertures (the maximum achievable output aperture does not exceed 0.015, 0.17), which does not allow us to recommend it for use in the assembly of complex specialized microscopes.

Вместе с тем, в настоящее время для комплектации подобных микроскопов требуются микрообъективы с максимально возможными выходными апертурами. Подобные объективы должны соответствовать современным требованиям по качеству изображения. Выполнение указанных требований обусловливает повышение информационной емкости, которая зависит от апертуры (разрешающей способности) и резкости наблюдаемого без перефокусировки поля зрения. At the same time, at the present time, micro-lenses with the maximum possible output apertures are required to complete such microscopes. Such lenses must meet modern requirements for image quality. The fulfillment of these requirements leads to an increase in information capacity, which depends on the aperture (resolution) and the sharpness of the field of view observed without refocusing.

Основной задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является получение светосильного микрообъектива среднего увеличения за счет повышения выходной апертуры при сохранении высокого качества изображения и при сравнительно простой и технологичной конструкции. The main task to which the invention is directed is to obtain a fast aperture micro-lens of medium magnification by increasing the output aperture while maintaining high image quality and with a relatively simple and technological design.

Предлагаемый светосильный планахроматический микрообъектив среднего увеличения, как и прототип, содержит последовательно расположенные вдоль оптической оси пять компонентов, первый из которых представляет собой одиночный положительный мениск, обращенный вогнутостью к пространству предметов, второй - двусклеенный из отрицательной и положительной линз, третий - трехсклеенный из двух положительных с заключенной между ними отрицательной линзой, двусклеенный четвертый компонент и пятый компонент, выполненный в виде склеенного из положительной и отрицательной линз мениска, обращенного вогнутостью к пространству изображений. The proposed fast planachromatic medium-sized micro-lens, like the prototype, contains five components sequentially located along the optical axis, the first of which is a single positive meniscus facing concavity to the space of objects, the second is double-glued from negative and positive lenses, and the third is three-glued from two positive with a negative lens enclosed between them, a double-glued fourth component and a fifth component, made in the form of glued tion and a negative meniscus lens facing concavity to space images.

Однако в отличии от прототипа четвертый компонент выполнен склеенным из двух менисков, обращенных вогнутостью к пространству предметов, а положительная линза пятого компонента выполнена двояковыпуклой или в виде мениска, обращенного вогнутостью к пространству изображений. However, in contrast to the prototype, the fourth component is glued from two menisci facing concavity to the space of objects, and the positive lens of the fifth component is biconvex or in the form of a meniscus facing concavity to the space of images.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что использование в качестве первого компонента одиночной положительной менискообразной линзы позволяет снизить апертуру без внесения значительных монохроматических и хроматических аберраций. The essence of the invention lies in the fact that the use as a first component of a single positive meniscus lens can reduce the aperture without introducing significant monochromatic and chromatic aberrations.

Выполнение второго компонента в виде склейки из отрицательной и положительной линз способствует исправлению в объективе хроматических аберраций. The implementation of the second component in the form of gluing of negative and positive lenses helps to correct chromatic aberrations in the lens.

Выполнение третьего компонента трехсклеенным из двух положительных линз с заключенной между ними отрицательной линзой позволяет оптимально исправить монохроматические аберрации высших порядков, а также сферохроматизм, нелинейно возрастающие при увеличении апертуры. The implementation of the third component with three-glued from two positive lenses with a negative lens enclosed between them allows optimal correction of higher-order monochromatic aberrations, as well as spherochromatism, nonlinearly increasing with increasing aperture.

Выполнение четвертого компонента склеенным из двух менисков, обращенных вогнутостью к пространству предметов, позволяет уменьшить влияние сферической и сферохроматической аберраций при увеличении выходной апертуры, а выполнение положительной линзы пятого компонента двояковыпуклой или в виде мениска, обращенного вогнутостью к пространству изображений, позволяет усилить этот эффект, облегчить задачу аберрационной коррекции при увеличенной апертуре, т.к. пятый компонент является отрицательным по отношению к предшествующим и вносит аберрации, противоположные до знаку. The implementation of the fourth component glued from two menisci facing concavity to the space of objects can reduce the influence of spherical and spherochromatic chromatic aberrations with increasing output aperture, and the positive lens of the fifth component is biconvex or in the form of a meniscus facing concavity to the space of images, this effect is enhanced, facilitated the task of aberration correction with an increased aperture, because the fifth component is negative in relation to the previous ones and introduces aberrations opposite to the sign.

На основании изложенного можно сделать вывод, что, используя преимущества оптической схемы прототипа, предлагаемый микрообъектив позволяет их усилить. Кроме того, за счет использования совокупности свойств известных и вновь используемых компонентов, а также их взаимного расположения и выполнения установленных соотношений в данном объективе удалось получить недостигнутый ранее технический результат, а именно возможность повышения выходной апертуры, т. е. получения светосильного микрообъектива среднего увеличения при сохранении высокого качества изображения при сравнительно простой конструкции, обеспечивающей высокое пропускание, требуемую серийноспособность при изготовлении. Based on the foregoing, we can conclude that, using the advantages of the optical scheme of the prototype, the proposed micro lens allows you to strengthen them. In addition, through the use of the combination of properties of known and newly used components, as well as their mutual arrangement and fulfillment of the established ratios in this lens, it was possible to obtain a previously unattained technical result, namely, the possibility of increasing the output aperture, i.e., obtaining a fast aperture micro lens of medium magnification at maintaining high image quality with a relatively simple design that provides high transmission, the required seriality in the manufacture.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежом, на котором на фиг. 1 представлена принципиальная схема объектива, а также "ПРИЛОЖЕНИЕМ", в котором представлены конструктивные параметры и таблицы характеристик качества изображения одного из параметров конкретного выполнения. The essence of the invention is illustrated by the drawing, in which in FIG. 1 is a schematic diagram of the lens, as well as the “APPENDIX”, which presents the design parameters and tables of image quality characteristics of one of the parameters of a specific implementation.

Заявляемый микрообъектив содержит пять компонентов, расположенных вдоль оптической оси. The inventive micro lens contains five components located along the optical axis.

Первый компонент 1 представляет собой одиночный положительный мениск, обращенный вогнутостью к пространству предметов. Второй компонент 2 выполнен двусклеенным из отрицательной и положительной линз. Третий компонент 3 - трехсклеенный, состоит из двух положительных с заключенной между ними отрицательной линзой. Четвертый компонент 4 выполнен склеенным из двух менисков, обращенных вогнутостью к пространству предметов. Пятый компонент 5 склеен из положительной и отрицательной линз мениска, обращенного вогнутостью к пространству изображений. Положительная линза пятого компонента выполнена двояковыпуклой или в виде мениска, обращенного вогнутостью к пространству изображений. The first component 1 is a single positive meniscus facing concavity to the space of objects. The second component 2 is made of double-glued from negative and positive lenses. The third component 3 is three-glued, consists of two positive ones with a negative lens enclosed between them. The fourth component 4 is made of glued from two menisci facing concavity to the space of objects. The fifth component 5 is glued from the positive and negative meniscus lenses, facing concavity to the space of images. The positive lens of the fifth component is made biconvex or in the form of a meniscus, facing concavity to the image space.

Предлагаемый микрообъектив работает следующим образом. The proposed micro lens works as follows.

Снижая входную апертуру, компонент 1 строит увеличенное мнимое изображение предмета с уменьшенными монохроматическими и хроматическими аберрациями осевой точки недоисправленными значениями аберраций внеосевых точек предмета. Положительный компонент 2, представляющий собой склейку из отрицательной и положительной линз, трехсклеенный компонент 3, состоящий из отрицательной линзы, заключенной между двумя положительными, а также компонент 4, склеенный из двух менисковых линз, обращенных вогнутостью к пространству предметов, строят действительное увеличенное изображение в передней фокальной плоскости компонента 5, частично компенсируя отрицательную сферическую аберрацию, хроматизм положения, сферохроматизм, вторичный спектр и др., вносимые предшествующими компонентами. Последний компонент строит изображение в "бесконечности", компенсируя остаточные монохроматические и хроматические аберрации третьих порядков. By reducing the input aperture, component 1 constructs an enlarged imaginary image of the object with reduced monochromatic and chromatic aberrations of the axial point with the under-corrected values of the aberrations of off-axis points of the object. The positive component 2, which is a gluing of the negative and positive lenses, the three-glued component 3, consisting of a negative lens enclosed between two positive lenses, and the component 4, glued from two meniscus lenses that are concave to the space of objects, build a real enlarged image in the front the focal plane of component 5, partially compensating for negative spherical aberration, position chromatism, spherochromatism, secondary spectrum, etc., introduced by previous ponents. The last component builds the image in “infinity”, compensating for the third-order residual monochromatic and chromatic aberrations.

Использование всех перечисленных признаков в рамках одной конструкции позволяет достигнуть предельных входных и выходных апертур при сохранении высокого уровня аберрационной коррекции. Using all of the above features within the same design allows you to achieve the maximum input and output apertures while maintaining a high level of aberration correction.

При использовании заявленного изобретения были рассчитаны светосильные микрообъективы с увеличением 32 крата с апертурой 0,85. При этом по сравнению с прототипом выходная апертура повышена в 1,56 раза, светосила - в 6 раз, информационная емкость - в 2,5 раза. When using the claimed invention were calculated aperture lenses with an increase of 32 krata with an aperture of 0.85. Moreover, in comparison with the prototype, the output aperture is increased 1.56 times, aperture ratio - 6 times, information capacity - 2.5 times.

Предлагаемое техническое решение позволяет реализовать в микрообъективах следующие дополнительные возможности: положение изображения выходного зрачка унифицировано относительно опорной плоскости, что дает возможность применения специальных методов исследования; объектив стандартизирован по высоте. Применение бесконечной длины тубуса позволяет использовать его на одном револьвере с другими, имеющими иной тип оптической коррекции. The proposed technical solution 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, which makes it possible to use special research methods; the lens is standardized in height. The use of an infinite tube length allows it to be used on one revolver with others having a different type of optical correction.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Вычислительная оптика. Справочник под редакцией М.М.Русинова, Ленинград, Машиностроение, 1984.SOURCES OF INFORMATION
1. Computing optics. Handbook edited by M.M.Rusinov, Leningrad, Mechanical Engineering, 1984.

2. Авторское свидетельство СССР N 201709, М.кл. 42 h 3/01, G 02 d, 1967. 2. Copyright certificate of the USSR N 201709, M.cl. 42 h 3/01, G 02 d, 1967.

3. Патент Японии N 60-32855, М.кл. G 02 В 21/02. 3. Japan Patent N 60-32855, M.C. G 02 B 21/02.

4. Авторское свидетельство СССР N 1509800, М.кл. G 02 B 21/02, 1989. 4. Copyright certificate of the USSR N 1509800, M.cl. G 02 B 21/02, 1989.

5. Авторское свидетельство СССР N 1485184, М.кл. G 02 B 21/02, 1989 - прототип. 5. Copyright certificate of the USSR N 1485184, M.cl. G 02 B 21/02, 1989 - prototype.

Claims

A fast planachromatic medium-sized micro lens containing five components sequentially located along the optical axis, the first of which is a single positive meniscus facing concavity to the space of objects, the second is double-glued from negative and positive lenses, the third is three-glued from two positive lenses with a negative enclosed between them lenses, two-glued fourth component and fifth component, made in the form of glued from positive and negative lines meniscus facing concavity to space image, characterized in that the fourth component is glued two menisci concavity facing the space objects, and a fifth positive lens component made in the form of a biconvex or meniscus concave facing toward the image space.