ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ПЕРЕМЕННОГО УВЕЛИЧЕНИЯ В ОСВЕТИТЕЛЬНОМ УСТРОЙСТВЕ МИКРОСКОПА
Т.В. Точилина
1 ОПТИЧЕСКИЕ И ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЕ СИСТЕМЫ. ОПТИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ
УДК 535.317.1
ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ПЕРЕМЕННОГО УВЕЛИЧЕНИЯ В ОСВЕТИТЕЛЬНОМ УСТРОЙСТВЕ МИКРОСКОПА
Т.В. Точилина
Выполнен анализ эффективности использования светового потока в оптической системе осветительного устройства современного микроскопа. Показано, что параметры наблюдательной и осветительной ветвей микроскопа можно согласовать путем включения в оптическую систему осветительного устройства системы переменного увеличения, что позволит более чем в 10 раз повысить эффективность использования светового потока. Для этого необходим новый подход к построению оптической системы осветительного устройства. Рассмотрены варианты построения таких систем, получены аналитические соотношения, определяющие габариты входящих в них элементов. Ключевые слова: осветительное устройство, конденсор, коллектор, объектив, световой поток, окуляр.
Введение
Избыточный световой поток, формируемый осветительным устройством современного микроскопа, не только приводит к нагреванию устройства, но и служит источником дополнительного рассеянного света, снижающего контраст изображения [1]. Линзы коллектора такого осветительного устройства имеют достаточно нетехнологичную (трудоемкую в изготовлении) форму [2, 3]. Различие в задней числовой апертуре применяемых объективов приводит к различию в несколько раз освещенности образованного ими изображения. Таким образом, анализ проблем согласования параметров различных устройств микроскопа и поиск путей их решения представляются весьма актуальными.
Анализ оптических параметров основных осветительных устройств современного микроскопа
Световой поток, формируемый осветительным устройством, должен заполнять телесный угол, определяемый передней апертурой объектива, в пределах наблюдаемой поверхности предмета. Таким образом, оптические параметры осветительного устройства должны быть таковы, чтобы формируемый им световой поток был равен
d s d p max L0n2p sin p max dS p max ,
(1)
где sin2 p max – телесный угол, соответствующий максимальной величине апертурного угла pmax объ-
ектива из комплекта для конкретного микроскопа; dSpmax – наибольшая площадь поверхности наблю-
даемого
предмета.
Полагая в
(1)
dS p max
y
2 p
max
,
получаем
Jmax yp max np sin p max ,
(2)
где Jmax инвариант Лагранжа–Гельмгольца, величина которого остается неизменной для всех оптиче-
ски сопряженных плоскостей оптической системы. Предположим, что удалось создать универсальное осветительное устройство, удовлетворяющее
условию (2). Тогда каждый объектив комплекта будет использовать лишь часть светового потока, фор-
мируемого коллектором, равную [4]
kэф
Ji J max
2
,
где
Ji
npi ypi sin pi . Для комплекта объективов мик-
роскопа серии БИОЛАМ имеем [2, 3]: Jmax 1,125 , J ОХП 10П 0,18 , J ОХ 30 0,14625 ,
J ОХ 32 0,1125 . При этом kэф ОХП 10П 0, 0256 , kэф ОХ 30 0, 0169 , kэф ОХ 32 0, 01 .
В современных микроскопах для освещения предмета в проходящем свете используется система, состоящая из двух оптических элементов: коллектора, расположенного вблизи источника света, и конденсора, находящегося перед исследуемым предметом, как показано на рис. 1. При такой схеме освети-
тельного устройства параметры коллектора должны соответствовать значению инварианта Jmax . Для
приведенного комплекта микрообъективов Jmax 1,125 . Вполне очевидно, что чем больше поперечное
увеличение изображения предмета, образованного микрообъективом, тем меньше должен быть диаметр открытой полевой диафрагмы при одном и том же конденсоре; с уменьшением отверстия полевой диафрагмы световой поток, поступающий непосредственно в осветительное устройство, существенно
Научно-технический вестник Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики, 2010, № 4(68)
1
ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ПЕРЕМЕННОГО УВЕЛИЧЕНИЯ...
уменьшается. И, тем не менее, рассеянный внутренними поверхностями корпуса осветительного устройства и закрытой частью апертурной диафрагмы конденсора избыточный свет, а также свет, отраженный преломляющими поверхностями оптической системы конденсора, образуют световое поле (засветку закрытой части полевой диафрагмы корпуса вне ее), угловая величина которого превышает угловое поле конденсора, что, в конечном счете, приводит к засветке изображения, образованного микрообъективом. Возможность наблюдения подобной засветки казалась бы маловероятной, если бы не результаты исследований, приведенных в работе [5].
Коллектор
ПД
АД
Конденсор
yu u
Fкон
yp
Рис. 1. Схема оптики осветительного устройства микроскопа для освещения предмета по методу Келера
Рис. 2. Схема установки в проходящем свете: 1 – компенсационный окуляр, 1 12, 5 ; 2 – компенсационный окуляр, 2 20 ; 3, 4 – дополнительные линзы, f1 250 и 164 мм соответственно;
5, 6 – планапохроматы, f 2, 5 мм, A 1, 25
Исследования качества изображения, описанные в этой работе, выполнялись на установке с одним и тем же объективом-планапохроматом масляной иммерсии с фокусным расстоянием, равным 2,5 мм, и числовой апертурой A 1,25 , рассчитанным на длину тубуса «бесконечность», в сочетании с дополнительными ахроматическими линзами, фокусные расстояния которых f1 250 мм и f2 164 мм, как показано на рис. 2, а, б, и с широкоугольными компенсационными окулярами 1 12,5 и 2 20 соответственно. В результате проведенных исследований показано, что оптическая система с ахроматической линзой при f 250 мм и окуляром при 12,5 формирует изображение более высокого качества, чем при другом варианте системы. В рассматриваемом случае V1 100 , а V2 65, 6 . Таким образом, при первом варианте оптической системы наблюдательной ветви микроскопа площадь поверхности наблю-
2 Научно-технический вестник Санкт-Петербургского государственного университета
информационных технологий, механики и оптики, 2010, № 4(68)
Т.В. Точилина
даемого предмета в 2,3 раза меньше, чем при втором. Следовательно, при втором варианте системы в осветительное устройство микроскопа поступает в 2,3 раза больше света, чем при первом. За неимением другой причины следует признать, что более высокое качество изображения при наблюдении с помощью оптической системы первого варианта по сравнению с системой второго варианта определяется меньшей засветкой изображения рассеянным светом.
Композиция и синтез принципиальных схем оптических систем осветительных устройств микроскопа
Эффективность использования светового потока можно существенно повысить, если применить систему переменного увеличения. Для приведенного комплекта микрообъективов при съемной линзе конденсора достаточно получить две пары дискретных значений поперечного увеличения (в изображении источника света и полевой диафрагмы) при неизменном расстоянии между предметом и изображением. Эту задачу можно решить, применив одиночный оптический компонент, который обладает необходимыми свойствами системы переменного увеличения.
кол
ПД
дк
S A
спу A
кон
АД
Fкон
Рис. 3. Схема осветительного устройства со встроенным компонентом дк
Чтобы в оптическую схему осветительного устройства встроить систему переменного увеличения спу , необходим дополнительный компонент дк , как показано на рис. 3. При этом коллектор кол изо-
бражает источник излучения S вблизи дополнительного компонента дк , а компонент спу изображает
его в плоскости апертурной диафрагмы АД (входного зрачка) конденсора кон . Полевая диафрагма ПД, расположенная вблизи коллектора, дополнительным компонентом изображается в плоскости предмета одной из пар оптически сопряженных плоскостей компонента спу , а соответствующая ей плоскость
изображения формируется конденсором кон в плоскости предмета микрообъектива. В состав исследовательских моделей микроскопа входит, как правило, ряд комплектов объективов,
различающихся как характером коррекции аберраций, так и значениями параметров. Поэтому в этом случае для построения оптической системы эффективного осветительного устройства необходима система непрерывного изменения увеличения. При сравнительно малых перепадах увеличения изображения при построении оптической системы осветительного устройства микроскопа может найти применение трехкомпонентная система переменного увеличения, например, типа «коллектив» [6, 7]. Такая система переменного увеличения обладает двумя парами оптически сопряженных точек, расстояние между которыми не изменяется при изменении увеличения изображения. Одна пара представляет собой действительное изображение действительного предмета, а другая пара – мнимое изображение мнимого предмета. Для формирования мнимого предмета в схеме осветительного устройства с системой переменного увеличения необходим дополнительный компонент (линза) дк , как показано на рис. 4. На этом рисунке
изображение S источника света S , образованное коллектором кол , расположено вблизи дополнитель-
ного компонента дк . Система переменного увеличения спу совместно с компонентом дк изображает
его в плоскости апертурной диафрагмы АД (входного зрачка) конденсора кон . Полевая диафрагма ПД, расположенная вблизи коллектора, дополнительным компонентом изображается в плоскости мнимого
Научно-технический вестник Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики, 2010, № 4(68)
3
ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ПЕРЕМЕННОГО УВЕЛИЧЕНИЯ...
предмета системы спу , образующей изображение ее в плоскости предмета конденсора кон , плоскость изображения которого расположена в плоскости предмета микрообъективов.
кол
дк
спу
кон
П АД
S A
S A Fкон
Рис. 4. Схема осветительного устройства микроскопа с оптической системой переменного увеличения для освещения по методу Келера
В трехкомпонентной системе переменного увеличения обозначим 1 3 0 , 2 к . В начальном положении поперечное увеличение изображения, образованного трехкомпонентной системой пере-
менного увеличения типа «коллектив», Vн 1 . При этом расстояние между компонентами d1 d2 d0 . Для расчета параметров системы в качестве исходного параметра удобно использовать величину попе-
речного увеличения V0 изображения, образованного первым компонентом в начальном положении сис-
темы [7]. При одновременном смещении крайних компонентов вдоль оптической оси на расстояние принципиальную схему рассматриваемой оптической системы можно записать в следующем виде:
1 0 d1 d0
2 к d2 d0
3 0 Положение двух пар оптически сопряженных осевых точек, расстояние между которыми не изменяется
при смещении крайних компонентов системы на предельную величину 0 , определяется выраже-
ниями вида [6]
a011
d0 V0
,
a012
1 V0
1V0 1 02 2V02 1
d0 ,
где
0
0 d0
.
При
этом
расстояние
между
опти-
чески сопряженными точками равно
L01
2
1
V0 V0
d0 ,
L02
2
2
1
V0 V0
1 2V02
1
02
1V0 d0 , а оптические
силы
компонентов равны
0 0d0 1V0 ,
к
к d0
2 1V0
V03 1 V0 2 V02 02
.
И,
наконец, при
a01
a011
a011 d0
1 V0
перепад увеличения изображения определяется выражением 1
4V0 1 V0 0
1 V0 V0 0 2
.
Вполне очевидно, что из-за габаритных ограничений осуществить условие 0 1 невозможно. Принимаем V0 0, 65 . Тогда при 4 получаем 0 0,8462 . При этом a011 1,5385 , a012 8,9703 ; a011 a012 10,5088 . В рассматриваемом случае a011 a012 125 мм. Отсюда находим, что d0 11,895 мм.
Оптические силы компонентов 0 0,35 , 0 0, 02942 мм1 ; к 0, 64847 , к 0, 05452 . Полученные значения величин определяют оптическую систему осветительного устройства мик-
роскопа, конструктивные параметры которой (без коллектора и без конденсора) и остаточные аберрации
при двух предельных положениях крайних компонентов φспу приведены в табл. 1– 3. Обозначения величин соответствуют приведенным в [8].
4 Научно-технический вестник Санкт-Петербургского государственного университета
информационных технологий, механики и оптики, 2010, № 4(68)
Т.В. Точилина
Номер поверхности
1 2 3 4 5 6
S0 28,35 y=0
y 2,00
y 2,00
y 2,00
S0 8,230 y=0
y 2,00
y 2,00
y 2,00
Радиусы, мм Диаметр, мм
20,910 0,000 –22,820 22,820 0,000 –20,910
2,00 20,41–0,28
1,00 0,28–20,41
2,00
Марки стекол
ВОЗДУХ ТК16
ВОЗДУХ Ф1
ВОЗДУХ ТК16
ВОЗДУХ
Показатель преломления
1,000000 1,615192 1,000000 1,616878 1,000000 1,615192 1,000000
Световые диаметры, мм
7,04 6,71 3,41 3,61 3,69 4,16
Таблица 1. Конструктивные параметры
Sp0 –96,64
m –8,77 –7,60 –6,20 –4,39
S –96,64
m –8,77 –6,20 6,20 8,77
M –8,77 –6,20
Sp0 –116,8
m –8,77 –7,60 –6,20 –4,39
S –116,8
m –8,77 –6,20 6,20 8,77
M –8,77 –6,20
S'p0 117,0
δs'
–0,0129 –0,0102 –0,0071 –0,0037
S'
115,3
tgσ'
–0,135 –0,0923 0,108 0,150
tgσ's 0,00798 0,00804
S'0 –8,231
tgσ's –0,142 –0,123 –0,0998 –0,0704
tgσ's 0,00809
δtgσ's –0,143 –0,100 0,100 0,142
tgσ'm –0,142 –0,1000
V0 0,50011
δg'
0,00184 0,00125 0,000707 0,000260
δg'
0,999
δg'
–0,0191 –0,0107 –0,0048 –0,0125
δG'
0,000202 –0,00042
Таблица 2. Остаточные аберрации d 0, 28
S'p0 96,70
δs'
–0,0148 –0,0112 –0,0075 –0,0038
S'
94,94
tgσ'
–0,0020 0,00806 0,0572 0,0673
tgσ's 0,0326 0,0326
S'0 –28,35
tgσ's –0,0350 –0,0303 –0,0248 –0,0175
tgσ's 0,0326
δtgσ's –0,0346 –0,0245 0,0246 0,0347
tgσ'm –0,0349 –0,0247
V0 1,9997
δg'
0,000518 0,000340 0,000187 0,0000668
δg'
4,02
δg'
–0,0048 –0,0067 0,0224 0,0361
δG'
–0,0059 –0,0043
Таблица 3. Остаточные аберрации d 20, 41
Vp0 –2,004
W –0,126 –0,0725 –0,0330 –0,0085 ДИС –0,0012
W 1,89 0,769 –0,171 –0,800 W 0,0810 0,0686
Vp0 –0,5003
W –0,0084 –0,0048 –0,0021 –0,00054
ДИС 0,0195
W 0,322 0,211 0,444 0,980
W 0,194 0,0988
Стрелки, мм 0,30 0,00 –0,06 0,07 0,00 –0,10
η, % –0,516 –0,385 –0,255 –0,127
δg' –0,0052 –0,0026
–28,35 η, % 0,126 0,0946 0,0630 0,0315
δg' 0,00519 0,00259
Заключение
Показана принципиальная возможность построения оптической системы осветительного устройства микроскопа на основе применения системы переменного увеличения, позволяющего более чем в 10 раз повысить эффективность использования светового потока. Естественное усложнение схемы осветительного устройства вполне компенсируется снижением требований к параметрам элементов. Представлены возможные конструкторские решения этой задачи.
Литература
1. Сокольский М.Н. Допуски и качество оптического изображения. – Л.: Машиностроение. ЛО, 1989. – 221 с.
Научно-технический вестник Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики, 2010, № 4(68)
5
РАСЧЕТ КАНАЛЬНОГО ОПТИЧЕСКОГО ВОЛНОВОДА ...
2. Панов В.А., Андреев Л.Н. Оптика микроскопов. Расчет и проектирование. – Л.: Машиностроение, 1976. – 432 с.
3. Скворцов Г.Е., Панов В.А., Поляков Н.И., Федин Л.А. Микроскопы. – Л.: Машиностроение, 1969. – 512 с.
4. Виноградова О.А., Зверев В.А., Точилина Т.В., Рамин Хои. Система переменного увеличения в осветительном устройстве микроскопа // Оптический журнал. – 2006. – Т. 73. – № 10. – C. 24–28.
5. Андреев Л.Н., Грамматин А.П., Соколова Т.И. Влияние распределения увеличения в микроскопе между объективом и окуляром на качество изображения // ОМП. – 1979. – № 1. – C. 51–52.
6. Журова С.А., Зверев В.А. Основы композиции принципиальных схем оптических систем переменного увеличения // Оптический журнал. – 1999. – Т. 66. – № 10. – С. 68–86.
7. Виноградова О.А., Точилина Т.В. Эффективность осветительного устройства светового микроскопа. // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. – 2005. – Выпуск 18. – С. 248–254.
8. Вычислительная оптика. Справочник. Под общ. ред. М.М. Русинова. – Л.: Машиностроение, 1984. – 423 с.
Точилина Татьяна Вячеславовна
– Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, кандидат технических наук, доцент, tvtochilina@mail.ru
6 Научно-технический вестник Санкт-Петербургского государственного университета
информационных технологий, механики и оптики, 2010, № 4(68)
1 ОПТИЧЕСКИЕ И ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЕ СИСТЕМЫ. ОПТИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ
УДК 535.317.1
ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ПЕРЕМЕННОГО УВЕЛИЧЕНИЯ В ОСВЕТИТЕЛЬНОМ УСТРОЙСТВЕ МИКРОСКОПА
Т.В. Точилина
Выполнен анализ эффективности использования светового потока в оптической системе осветительного устройства современного микроскопа. Показано, что параметры наблюдательной и осветительной ветвей микроскопа можно согласовать путем включения в оптическую систему осветительного устройства системы переменного увеличения, что позволит более чем в 10 раз повысить эффективность использования светового потока. Для этого необходим новый подход к построению оптической системы осветительного устройства. Рассмотрены варианты построения таких систем, получены аналитические соотношения, определяющие габариты входящих в них элементов. Ключевые слова: осветительное устройство, конденсор, коллектор, объектив, световой поток, окуляр.
Введение
Избыточный световой поток, формируемый осветительным устройством современного микроскопа, не только приводит к нагреванию устройства, но и служит источником дополнительного рассеянного света, снижающего контраст изображения [1]. Линзы коллектора такого осветительного устройства имеют достаточно нетехнологичную (трудоемкую в изготовлении) форму [2, 3]. Различие в задней числовой апертуре применяемых объективов приводит к различию в несколько раз освещенности образованного ими изображения. Таким образом, анализ проблем согласования параметров различных устройств микроскопа и поиск путей их решения представляются весьма актуальными.
Анализ оптических параметров основных осветительных устройств современного микроскопа
Световой поток, формируемый осветительным устройством, должен заполнять телесный угол, определяемый передней апертурой объектива, в пределах наблюдаемой поверхности предмета. Таким образом, оптические параметры осветительного устройства должны быть таковы, чтобы формируемый им световой поток был равен
d s d p max L0n2p sin p max dS p max ,
(1)
где sin2 p max – телесный угол, соответствующий максимальной величине апертурного угла pmax объ-
ектива из комплекта для конкретного микроскопа; dSpmax – наибольшая площадь поверхности наблю-
даемого
предмета.
Полагая в
(1)
dS p max
y
2 p
max
,
получаем
Jmax yp max np sin p max ,
(2)
где Jmax инвариант Лагранжа–Гельмгольца, величина которого остается неизменной для всех оптиче-
ски сопряженных плоскостей оптической системы. Предположим, что удалось создать универсальное осветительное устройство, удовлетворяющее
условию (2). Тогда каждый объектив комплекта будет использовать лишь часть светового потока, фор-
мируемого коллектором, равную [4]
kэф
Ji J max
2
,
где
Ji
npi ypi sin pi . Для комплекта объективов мик-
роскопа серии БИОЛАМ имеем [2, 3]: Jmax 1,125 , J ОХП 10П 0,18 , J ОХ 30 0,14625 ,
J ОХ 32 0,1125 . При этом kэф ОХП 10П 0, 0256 , kэф ОХ 30 0, 0169 , kэф ОХ 32 0, 01 .
В современных микроскопах для освещения предмета в проходящем свете используется система, состоящая из двух оптических элементов: коллектора, расположенного вблизи источника света, и конденсора, находящегося перед исследуемым предметом, как показано на рис. 1. При такой схеме освети-
тельного устройства параметры коллектора должны соответствовать значению инварианта Jmax . Для
приведенного комплекта микрообъективов Jmax 1,125 . Вполне очевидно, что чем больше поперечное
увеличение изображения предмета, образованного микрообъективом, тем меньше должен быть диаметр открытой полевой диафрагмы при одном и том же конденсоре; с уменьшением отверстия полевой диафрагмы световой поток, поступающий непосредственно в осветительное устройство, существенно
Научно-технический вестник Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики, 2010, № 4(68)
1
ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ПЕРЕМЕННОГО УВЕЛИЧЕНИЯ...
уменьшается. И, тем не менее, рассеянный внутренними поверхностями корпуса осветительного устройства и закрытой частью апертурной диафрагмы конденсора избыточный свет, а также свет, отраженный преломляющими поверхностями оптической системы конденсора, образуют световое поле (засветку закрытой части полевой диафрагмы корпуса вне ее), угловая величина которого превышает угловое поле конденсора, что, в конечном счете, приводит к засветке изображения, образованного микрообъективом. Возможность наблюдения подобной засветки казалась бы маловероятной, если бы не результаты исследований, приведенных в работе [5].
Коллектор
ПД
АД
Конденсор
yu u
Fкон
yp
Рис. 1. Схема оптики осветительного устройства микроскопа для освещения предмета по методу Келера
Рис. 2. Схема установки в проходящем свете: 1 – компенсационный окуляр, 1 12, 5 ; 2 – компенсационный окуляр, 2 20 ; 3, 4 – дополнительные линзы, f1 250 и 164 мм соответственно;
5, 6 – планапохроматы, f 2, 5 мм, A 1, 25
Исследования качества изображения, описанные в этой работе, выполнялись на установке с одним и тем же объективом-планапохроматом масляной иммерсии с фокусным расстоянием, равным 2,5 мм, и числовой апертурой A 1,25 , рассчитанным на длину тубуса «бесконечность», в сочетании с дополнительными ахроматическими линзами, фокусные расстояния которых f1 250 мм и f2 164 мм, как показано на рис. 2, а, б, и с широкоугольными компенсационными окулярами 1 12,5 и 2 20 соответственно. В результате проведенных исследований показано, что оптическая система с ахроматической линзой при f 250 мм и окуляром при 12,5 формирует изображение более высокого качества, чем при другом варианте системы. В рассматриваемом случае V1 100 , а V2 65, 6 . Таким образом, при первом варианте оптической системы наблюдательной ветви микроскопа площадь поверхности наблю-
2 Научно-технический вестник Санкт-Петербургского государственного университета
информационных технологий, механики и оптики, 2010, № 4(68)
Т.В. Точилина
даемого предмета в 2,3 раза меньше, чем при втором. Следовательно, при втором варианте системы в осветительное устройство микроскопа поступает в 2,3 раза больше света, чем при первом. За неимением другой причины следует признать, что более высокое качество изображения при наблюдении с помощью оптической системы первого варианта по сравнению с системой второго варианта определяется меньшей засветкой изображения рассеянным светом.
Композиция и синтез принципиальных схем оптических систем осветительных устройств микроскопа
Эффективность использования светового потока можно существенно повысить, если применить систему переменного увеличения. Для приведенного комплекта микрообъективов при съемной линзе конденсора достаточно получить две пары дискретных значений поперечного увеличения (в изображении источника света и полевой диафрагмы) при неизменном расстоянии между предметом и изображением. Эту задачу можно решить, применив одиночный оптический компонент, который обладает необходимыми свойствами системы переменного увеличения.
кол
ПД
дк
S A
спу A
кон
АД
Fкон
Рис. 3. Схема осветительного устройства со встроенным компонентом дк
Чтобы в оптическую схему осветительного устройства встроить систему переменного увеличения спу , необходим дополнительный компонент дк , как показано на рис. 3. При этом коллектор кол изо-
бражает источник излучения S вблизи дополнительного компонента дк , а компонент спу изображает
его в плоскости апертурной диафрагмы АД (входного зрачка) конденсора кон . Полевая диафрагма ПД, расположенная вблизи коллектора, дополнительным компонентом изображается в плоскости предмета одной из пар оптически сопряженных плоскостей компонента спу , а соответствующая ей плоскость
изображения формируется конденсором кон в плоскости предмета микрообъектива. В состав исследовательских моделей микроскопа входит, как правило, ряд комплектов объективов,
различающихся как характером коррекции аберраций, так и значениями параметров. Поэтому в этом случае для построения оптической системы эффективного осветительного устройства необходима система непрерывного изменения увеличения. При сравнительно малых перепадах увеличения изображения при построении оптической системы осветительного устройства микроскопа может найти применение трехкомпонентная система переменного увеличения, например, типа «коллектив» [6, 7]. Такая система переменного увеличения обладает двумя парами оптически сопряженных точек, расстояние между которыми не изменяется при изменении увеличения изображения. Одна пара представляет собой действительное изображение действительного предмета, а другая пара – мнимое изображение мнимого предмета. Для формирования мнимого предмета в схеме осветительного устройства с системой переменного увеличения необходим дополнительный компонент (линза) дк , как показано на рис. 4. На этом рисунке
изображение S источника света S , образованное коллектором кол , расположено вблизи дополнитель-
ного компонента дк . Система переменного увеличения спу совместно с компонентом дк изображает
его в плоскости апертурной диафрагмы АД (входного зрачка) конденсора кон . Полевая диафрагма ПД, расположенная вблизи коллектора, дополнительным компонентом изображается в плоскости мнимого
Научно-технический вестник Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики, 2010, № 4(68)
3
ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ПЕРЕМЕННОГО УВЕЛИЧЕНИЯ...
предмета системы спу , образующей изображение ее в плоскости предмета конденсора кон , плоскость изображения которого расположена в плоскости предмета микрообъективов.
кол
дк
спу
кон
П АД
S A
S A Fкон
Рис. 4. Схема осветительного устройства микроскопа с оптической системой переменного увеличения для освещения по методу Келера
В трехкомпонентной системе переменного увеличения обозначим 1 3 0 , 2 к . В начальном положении поперечное увеличение изображения, образованного трехкомпонентной системой пере-
менного увеличения типа «коллектив», Vн 1 . При этом расстояние между компонентами d1 d2 d0 . Для расчета параметров системы в качестве исходного параметра удобно использовать величину попе-
речного увеличения V0 изображения, образованного первым компонентом в начальном положении сис-
темы [7]. При одновременном смещении крайних компонентов вдоль оптической оси на расстояние принципиальную схему рассматриваемой оптической системы можно записать в следующем виде:
1 0 d1 d0
2 к d2 d0
3 0 Положение двух пар оптически сопряженных осевых точек, расстояние между которыми не изменяется
при смещении крайних компонентов системы на предельную величину 0 , определяется выраже-
ниями вида [6]
a011
d0 V0
,
a012
1 V0
1V0 1 02 2V02 1
d0 ,
где
0
0 d0
.
При
этом
расстояние
между
опти-
чески сопряженными точками равно
L01
2
1
V0 V0
d0 ,
L02
2
2
1
V0 V0
1 2V02
1
02
1V0 d0 , а оптические
силы
компонентов равны
0 0d0 1V0 ,
к
к d0
2 1V0
V03 1 V0 2 V02 02
.
И,
наконец, при
a01
a011
a011 d0
1 V0
перепад увеличения изображения определяется выражением 1
4V0 1 V0 0
1 V0 V0 0 2
.
Вполне очевидно, что из-за габаритных ограничений осуществить условие 0 1 невозможно. Принимаем V0 0, 65 . Тогда при 4 получаем 0 0,8462 . При этом a011 1,5385 , a012 8,9703 ; a011 a012 10,5088 . В рассматриваемом случае a011 a012 125 мм. Отсюда находим, что d0 11,895 мм.
Оптические силы компонентов 0 0,35 , 0 0, 02942 мм1 ; к 0, 64847 , к 0, 05452 . Полученные значения величин определяют оптическую систему осветительного устройства мик-
роскопа, конструктивные параметры которой (без коллектора и без конденсора) и остаточные аберрации
при двух предельных положениях крайних компонентов φспу приведены в табл. 1– 3. Обозначения величин соответствуют приведенным в [8].
4 Научно-технический вестник Санкт-Петербургского государственного университета
информационных технологий, механики и оптики, 2010, № 4(68)
Т.В. Точилина
Номер поверхности
1 2 3 4 5 6
S0 28,35 y=0
y 2,00
y 2,00
y 2,00
S0 8,230 y=0
y 2,00
y 2,00
y 2,00
Радиусы, мм Диаметр, мм
20,910 0,000 –22,820 22,820 0,000 –20,910
2,00 20,41–0,28
1,00 0,28–20,41
2,00
Марки стекол
ВОЗДУХ ТК16
ВОЗДУХ Ф1
ВОЗДУХ ТК16
ВОЗДУХ
Показатель преломления
1,000000 1,615192 1,000000 1,616878 1,000000 1,615192 1,000000
Световые диаметры, мм
7,04 6,71 3,41 3,61 3,69 4,16
Таблица 1. Конструктивные параметры
Sp0 –96,64
m –8,77 –7,60 –6,20 –4,39
S –96,64
m –8,77 –6,20 6,20 8,77
M –8,77 –6,20
Sp0 –116,8
m –8,77 –7,60 –6,20 –4,39
S –116,8
m –8,77 –6,20 6,20 8,77
M –8,77 –6,20
S'p0 117,0
δs'
–0,0129 –0,0102 –0,0071 –0,0037
S'
115,3
tgσ'
–0,135 –0,0923 0,108 0,150
tgσ's 0,00798 0,00804
S'0 –8,231
tgσ's –0,142 –0,123 –0,0998 –0,0704
tgσ's 0,00809
δtgσ's –0,143 –0,100 0,100 0,142
tgσ'm –0,142 –0,1000
V0 0,50011
δg'
0,00184 0,00125 0,000707 0,000260
δg'
0,999
δg'
–0,0191 –0,0107 –0,0048 –0,0125
δG'
0,000202 –0,00042
Таблица 2. Остаточные аберрации d 0, 28
S'p0 96,70
δs'
–0,0148 –0,0112 –0,0075 –0,0038
S'
94,94
tgσ'
–0,0020 0,00806 0,0572 0,0673
tgσ's 0,0326 0,0326
S'0 –28,35
tgσ's –0,0350 –0,0303 –0,0248 –0,0175
tgσ's 0,0326
δtgσ's –0,0346 –0,0245 0,0246 0,0347
tgσ'm –0,0349 –0,0247
V0 1,9997
δg'
0,000518 0,000340 0,000187 0,0000668
δg'
4,02
δg'
–0,0048 –0,0067 0,0224 0,0361
δG'
–0,0059 –0,0043
Таблица 3. Остаточные аберрации d 20, 41
Vp0 –2,004
W –0,126 –0,0725 –0,0330 –0,0085 ДИС –0,0012
W 1,89 0,769 –0,171 –0,800 W 0,0810 0,0686
Vp0 –0,5003
W –0,0084 –0,0048 –0,0021 –0,00054
ДИС 0,0195
W 0,322 0,211 0,444 0,980
W 0,194 0,0988
Стрелки, мм 0,30 0,00 –0,06 0,07 0,00 –0,10
η, % –0,516 –0,385 –0,255 –0,127
δg' –0,0052 –0,0026
–28,35 η, % 0,126 0,0946 0,0630 0,0315
δg' 0,00519 0,00259
Заключение
Показана принципиальная возможность построения оптической системы осветительного устройства микроскопа на основе применения системы переменного увеличения, позволяющего более чем в 10 раз повысить эффективность использования светового потока. Естественное усложнение схемы осветительного устройства вполне компенсируется снижением требований к параметрам элементов. Представлены возможные конструкторские решения этой задачи.
Литература
1. Сокольский М.Н. Допуски и качество оптического изображения. – Л.: Машиностроение. ЛО, 1989. – 221 с.
Научно-технический вестник Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики, 2010, № 4(68)
5
РАСЧЕТ КАНАЛЬНОГО ОПТИЧЕСКОГО ВОЛНОВОДА ...
2. Панов В.А., Андреев Л.Н. Оптика микроскопов. Расчет и проектирование. – Л.: Машиностроение, 1976. – 432 с.
3. Скворцов Г.Е., Панов В.А., Поляков Н.И., Федин Л.А. Микроскопы. – Л.: Машиностроение, 1969. – 512 с.
4. Виноградова О.А., Зверев В.А., Точилина Т.В., Рамин Хои. Система переменного увеличения в осветительном устройстве микроскопа // Оптический журнал. – 2006. – Т. 73. – № 10. – C. 24–28.
5. Андреев Л.Н., Грамматин А.П., Соколова Т.И. Влияние распределения увеличения в микроскопе между объективом и окуляром на качество изображения // ОМП. – 1979. – № 1. – C. 51–52.
6. Журова С.А., Зверев В.А. Основы композиции принципиальных схем оптических систем переменного увеличения // Оптический журнал. – 1999. – Т. 66. – № 10. – С. 68–86.
7. Виноградова О.А., Точилина Т.В. Эффективность осветительного устройства светового микроскопа. // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. – 2005. – Выпуск 18. – С. 248–254.
8. Вычислительная оптика. Справочник. Под общ. ред. М.М. Русинова. – Л.: Машиностроение, 1984. – 423 с.
Точилина Татьяна Вячеславовна
– Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, кандидат технических наук, доцент, tvtochilina@mail.ru
6 Научно-технический вестник Санкт-Петербургского государственного университета
информационных технологий, механики и оптики, 2010, № 4(68)