Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Линзовые объективы однократного увеличения 28
Глава 2. Зеркальные и зеркально-линзовые объективы без экранирующего элемента 43
Глава 3. Аберрационные свойства оптических систем, состоящих из конфокальных поверхностей ... 61
Глава 4. Зеркально-линзовые объективы, построенные на базе объектива "Микронар".
4.1 Объектив "Микронар" 76
4.2 Свойства зеркально-линзовых объективов автоколлимационного типа 84
Глава 5. Система, построенная на базе объектива Авангард 97
Заключение 102
Литература ; 104
- Зеркальные и зеркально-линзовые объективы без экранирующего элемента
- Объектив "Микронар"
- Свойства зеркально-линзовых объективов автоколлимационного типа
- Система, построенная на базе объектива Авангард
Введение к работе
Разработка объективов, входящих в состав люминесцентных микровидеоанализаторов изображений ведется с конца XX века, и по сей день является чрезвычайно актуальной. Ранее рассчитанные и изготовленные объективы имеют сложные многолинзовые конструкции и весьма дороги, что препятствует их широкому использованию и внедрению.
Люминесцентные микровидеоанализаторы изображений для исследования фрагментов ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) — приборы, предназначенные для решения огромного круга важнейших медицинских и биологических задач, например, таких как диагностика наследственных и инфекционных заболеваний, выявления вирусов в окружающей среде, проведения судебно-медицинских экспертиз в криминалистике и т.д.
Разработка приборов началась с рождения биочипа одного из главнейших биологических открытий последнего времени. Проект по созданию биочипа получил свое развитие в 1989 году в рамках российской программы "Геном человека" в Институте молекулярной биологии им. В.А. Энгельгарда РАН под руководством академика Мирзабекова. В 1995-2000 годы технология биочипа разрабатывалась в сотрудничестве с американской лабораторией Argonne National Laboratory.
Биочип представляет собой предметное стекло от биологического микроскопа, на поверхности которого размещена матрица, состоящая из ячеек геля, расположенных в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Каждая из ячеек содержит особый реактив, например, ДНК болезнетворных бактерий или вирусов, олигонуклеотиды, ферменты, антитела и т.д. На поверхность биочипа наносят исследуемый, люминесцентно меченый, материал (например, кровь, слюну или другие образцы, взятые у пациента) и наблюдают специфическое свечение, которое является результатом взаимодействия реактива с препаратом и служит показателем наличия тех
или иных болезней у больного. Первоначально все ячейки были одинаковыми квадратами с расстоянием между ними вдвое больше, чем сторона квадрата. В 2002 году произошли несущественные изменения в структуре биочипа, вместо ячеек квадратной формы стали изготавливать ячейки круглой формы диаметром 0.1 мм и с межосевым расстоянием между ячейками 0.3 мм.
Размер матрицы зависит от исследуемой задачи (от числа ячеек и их размера). Например, для большинства исследовательских задач, а также для некоторых диагностических целей используются микрочипы с размером индивидуальной ячейки 100x100 мкм и числом ячеек 200. А в некоторых случаях необходим простой прибор для анализа всего 10-20 ячеек, занимающих 1-2 мм . Отсюда следует, что для решения каждой специфической задачи может потребоваться разработка специального микровидеоанализатора.
Недавно была завершена работа по изготовлению биочипов, служащих
для распознавания различных лекарственно устойчивых штаммов
туберкулеза - одного из самых тяжелых инфекционных заболеваний. Если
ранее при обычной процедуре для диагностики туберкулеза требовалось от
четырех до шести недель, и при этом вид туберкулеза в исследуемых
образцах не определялся, то теперь с применением биочипов и приборов для
их анализа, диагностику можно проводить в течение 6-8 часов и
безошибочно выявить вид туберкулеза. Процедура может выполняться в
обычных больницах и поликлиниках и не требует
высококвалифицированного персонала и дорогостоящего оборудования. В центральном НИИ туберкулеза РАМН были успешно проведены испытания разработанных биочипов, по результатам которых биочипу и прибору для их анализа были выданы государственные сертификаты.
На западе существует метод диагностики туберкулеза, при котором также определяется его вид и процедура занимает всего около 2-3 часов, но для осуществления диагностики требуются: дорогие реактивы,
дорогостоящее оборудование (около 1 миллиона долларов) и высококвалифицированные операторы.
В 2003 году исследователи из американской компании Afrymetrix и французской bioMyrieux разработали ДНК-чип, получивший название FoodExpert-Ш, позволяющий определить не только содержание того или иного сорта мяса в каком либо мясном продукте, но и отличить, например, дорогой сорт тунца от дешевого. Таким образом, с помощью данного чипа можно эффективно бороться с фальсификацией мясных и рыбных продуктов, а также выявить, не содержит ли продукт мясо коров, зараженных, например, коровьим бешенством.
Для анализа биочипов используется метод [1,2], также разработанный в Институте молекулярной биологии им. В.А. Энгельгарда РАН и основанный на возбуждении люминесценции в ячейках. У подавляющего большинства биологических объектов их собственная неяркая люминесценция не позволяет проводить люминесцентно-микроскопические исследования, поэтому применяют люминесцентные красители. Известно, что длины волн возбуждающего люминесценцию излучения должны быть короче, чем длины волн самой люминесценции. На рис. 1 приведены спектры возбуждения и люминесцентного свечения для красителя — су-5. Видно, что разница между длинами волн, в которых кривые имеют максимумы, очень мала и составляет около 24 нм. Следовательно, для повышения чувствительности люминесцентного анализа, микррвидеоаналнзаторы должны быть оснащены возбуждающими и запирающими светофильтрами (кривая 3 на рис.1), обладающие высоким пропусканием и крутыми границами.
»
Wavelength Спи]
Рисі 1-спектр возбуждения флуорохрома су-5, 2 - спектр люминесценции флуорохрома су-5,
3 - спектр пропускания запирающего светофильтра
В ГОИ им. СИ. Вавилова разработано несколько исследовательских моделей микровидеоанализаторов, предназначенных для работы в исследовательских центрах для создания методик работы с биочипами, и разработки новых областей их применения и несколько портативных моделей, которые должны использоваться в медико-диагностических центрах для быстрого и надежного выявления каких-либо инфекционных заболеваний у пациентов.
В разработанной в 90м* годах исследовательской модели микровидеоанализатора [1] (рис. 2) в качестве источника света используется ртутная лампа 1 ДРШ-350-2. Осветительная линза 6 проектирует полевую диафрагму 3, расположенную в близи парабол оидного коллектора 2, на бесконечность. Первая часть объектива 9 проектирует изображение этой диафрагмы в плоскость объекта 11. Изображение объекта в свете люминесценции проектируется объективом 9, 10 на светочувствительный слой ПЗС-камеры 13. Объектив рассчитан таким образом, чтобы между частями 9 и 10 был создан параллельный ход лучей, и была возможность размещения интерференционной светоделительной пластинки 8 и запирающего светофильтра 12. Возбуждающий светофильтр 7 расположен в осветительной ветви прибора.
Интерференционный теплозащитный светофильтр 4 установлен для защиты объекта от радиационного нагрева. Время освещения объекта, необходимое для накопления фотоэлектрического сигнала при измерениях, определяется временем открытия электромагнитного затвора 5.
Микрообъектив 15 (3.7x0.11), окуляр 16 с увеличением 12.5х и откидное зеркало 14 служат для визуального наблюдения люминесцирующего препарата.
Рис. 2 Принципиальная оптическая схема исследовательской модели
видеоанализатора
Для того чтобы изменить режим работы при смене люминесцирующей метки (красителя) в исследуемом материале, возбуждающие светофильтры, запирающие светофильтры и интерференционная спектроделительная пластинка являются сменными.
В приборе используются специальные объективы 1.7x0.4 (рис. 3) и 3x0.4 (рис. 4), анализирующие предмет с линейным полем диаметром 7 мм, который расположен в водной среде (d=2 мм) под покровным стеклом (d=0.3 мм).
1>
^
*
Апертурная
Плоскость изображения
Плоскость объекта
Рис. 3 Объектив 1.7x0.4 с линейным полем в пиоскостн предмета диаметром 7 мм
*
Плоскость изображения
Плоскость объекта
Апертурная
Рис. 4 Обьекпт 3x0.4 с линейным полем в плоскости предметов диаметром 7 мм.
Переход от одного увеличения к другому осуществляется заменой второй части объектива 10 (рис.2). Первая часть объективов (три первых компонента) построена по типу ахроматического объектива микроскопа. Отметим, что рассматриваемые объективы обладают значительным рабочим расстоянием 17 мм, что собственно не свойственно объективам микроскопов, у которых переднее рабочее расстояние при апертуре 0.4 не превышает 2 мм. Расстояние от первой поверхности объективов до последней равно довольно значительной величине (/=283.9 мм), это связано с необходимостью размещения спектроделительной пластины между частями 9 и 10 объективов.
Геометрические пятна рассеяния для трех точек поля, таблицы и графики аберраций объективов 1.7x0.4 и 3x0.4 приведены соответственно в приложениях 1 и 2.
В статье [1] рассмотрены схемы видеоанализаторов, в которых возбуждающее люминесценцию излучение вводится через часть или весь объектив, что ведет к увеличению фона в изображении объекта, поскольку сами оптические элементы объектива начинают люминесцировать. Также такой тип освещения приводит к увеличению длины оптической системы из-за необходимости, как было указано выше, введения спектроделительной плоскопараллельной пластинки в параллельном ходе лучей между частями объектива (рис. 2).
Для устранения этих недостатков И.Л. Барским был предложен волоконно-оптический тип освещения объекта (рис. 5). Конденсор 2 проектирует светящееся тело ртутно-кварцевой лампы 1 на торец волоконно-оптического жгута 5 специальной конструкции с раздвоением ветвей для более равномерного освещения объекта 7. Изображение объекта в свете люминесценции проектируется объективом 6 на светочувствительный слой ПЗС матрицы 9. Тепловой фильтр 3 установлен для предотвращения перегрева объекта. Светофильтры возбуждения 4 и запирающие светофильтры 8 - сменные.
Вид А
u>
Рнс. 5 Принципиальная оптическая схема исследовательской модепи мнкровидеоаналнзатора
изображений с волоконно-оптическим типом освещения
Для того чтобы обеспечить максимальное равенство потоков, выходящих из осветительных наконечников, волокна на входном торце уложены чередующимися рядами. Для освещения максимальной площади образца наконечники выполнены в форме лопаток.
В приборе используется зеркально-линзовый объектив 1x0.35 (рис. 6), анализирующий биочип размером 7x7 мм, который расположен в водной среде (d=0.1 мм) под защитным стеклом (d=l мм). Из-за того, что корпус объектива не позволял закрепить приемник, пришлось изменить углы прямоугольной призмы, расположенной со стороны плоскости изображения.
Геометрические пятна рассеяния для трех точек поля, таблицы и графики аберраций объектива 1x0.35 приведены в приложении 3.
Прямое освещение сквозь объект не позволительно, поскольку приведет к еще более значительному увеличению фона в изображении, за счет прохождения возбуждающего люминесценцию излучения через всю систему в плоскость светочувствительного слоя ГОС камеры. Устранить с помощью фильтров световой поток возбуждения, прошедший сквозь объект, практически невозможно.
*
#
Плоскость
a*
Покровное \ Плоскость
стекло предмета
156.2
Рис. б Зеркально-линзовый объектив 1x0.35, входящий в состав исследовательской модели мнкровццеоанплнзатора.
В портативной модели микровидеоанализатора (рис. 7) для возбуждения люминесценции объекта 1 также использовано внеобъективное освещение, которое осуществляется с помощью двух полупроводниковых лазеров 2, расположенных под углом 10 к горизонтали. С помощью объектива 3 и оптического адаптера 5 изображение ячеек передается на ПЗС камеру 6. Между объективом и адаптером расположен запирающий светофильтр 4.
Рис. 7 Принципиальная оптическая схема портативной модели
микровидеоанализатора.
Объектив 1.6x0.5 (рис.8), входящий в состав портативной модели анализатора изображений имеет многолинзовую конструкцию (12 оптических элементов) и состоит из двух частей между которыми создан параллельный ход лучей для размещения запирающего светофильтра.
Первые четыре компонента представляют собой планахроматический объектив микроскопа, а три последние подобны по конструкции окуляру зрительной трубы. Линейное поле объектива равно 5 мм, а рабочее расстояние составляет 3,8 мм. Обратим внимание, что обычный планахроматяческий объектив микроскопа с числовой апертурой 0.5 имеет линейное поле порядка 1.2 мм, а рабочее расстояние — не более 1 мм.
Геометрические пятна рассеяния для трех точек поля, таблицы и графики аберраций объектива 1,6x0.5, входящего в состав портативной модели микровидеоанализатора приведены в приложении 4. Внешний вид прибора представлен на рис.9.
*
Плоскость
Плоскость
Рис. 8 Линзовый объектив 1,6x0.5
w
Рис.9 Внешніпі вид портативной модели мпкровндео анализатора в состав котрого входит объектив 1.6x0.5.
Рис. 9 Принципиальная схема сканирующей установки.
Американская фирма GSI Lumonics разработала сканирующую установку [3] под названием Scan Array (рис. 9) для анализа биочипов. Параллельный пучок лучей идущий от лазера 1 отражается от светоделительной пластинки 4 и фокусируется объективом 3 в плоскость биочипа 2. Люминесцентное излучение, возникшее в результате облучения лазером, собирается объективом 3 и выходит из него параллельным пучком и фокусируется элементом 7 в диафрагму 8 малого размера, за которой установлен приемник излучения 9 (фотоэлектронный умножитель ФЭУ). Запирающий светофильтр 6 пропускает только узкую часть люминесцентного излучения и блокирует весь остальной свет. Зеркало 5 служит для уменьшения длины системы.
Объектив сканирующего устройства обладает полем, соответствующим размеру одной ячейки, что позволяет получить требуемое качество изображения при числовых апертурах существенно превышающих таковые, у объективов, изображающих одновременно все поле. Поскольку, концентрация люминесцирующего вещества мала, и, следовательно, интенсивность излучения люминесценции не высока, то применение высокоапертурных объективов предпочтительнее. В установке на рис. 9 объектив имеет числовую апертуру 0.75.
Для получения полной информации, содержащейся в биочипе необходимо использовать сканирование по двум координатам, которое осуществляется за счет перемещения предметного стола с бичнпом 2. На сбор данных затрачивается не менее одной минуты.
Известно, что все вещества начинают люминесцировать в той или иной степени под воздействием возбуждающего излучения. Малейшие дефекты в стекле, на котором расположена матрица ячеек, любые загрязнения, пыль на поверхности стекла, химические вещества, омывающие ячейки, сам объектив, фильтры и т.д. люминесцируют, что приводит к появлению фона в изображении объекта и тем самым усложняет анализ.
Одним из достоинств сканирующих устройств является ограничение глубины резкости, поскольку это позволяет уменьшить фон в изображении. Это достоинство также оказывается и недостатком, поскольку требует разработки сложного механизма передвижения предметного стола и системы автофокусировки.
Преимущество приборов для анализа ДНК, предложенных Институтом молекулярной биологии им. В.А. Энгельгарда РАН и разработанных в ГОИ им. СИ. Вавилова, заключается, во-первых, в получении данных об исследуемом материале за более короткий промежуток времени (не более 2 -3 секунд), и, во-вторых, в отсутствии необходимости разработки системы автофокусировки. Одним из недостатков микровидеоанализаторов изображений является необходимость использования в качестве приемника
излучения дорогих ГОС камер, в то время как в сканирующих установках применяются более дешевые ФЭУ.
Экспериментальным путем было установлено, что при малой яркости объекта необходимо иметь объектив с передней числовой апертурой не менее 0.30 и при использовании высокочувствительных охлаждаемых матриц ГОС выходная числовая апертура объектива должна составлять примерно 0.3 -г- 0.35. Таким образом, линейное увеличение объектива должно находиться в пределах 1 * 1.2. Рабочее расстояние объектива со стороны объекта зависит от способа возбуждения люминесценции» который в свою очередь выбирается в зависимости от размера исследуемого поля предмета. При линейном поле диаметром не более 6 мм достаточно равномерное освещение объекта может быть достигнуто с помощью полупроводниковых лазеров, при этом рабочее расстояние объектива должно составлять не менее 3 мм. При увеличении линейного поля для возбуждения люминесценции требуется волоконно-оптический тип освещения, при этом рабочее расстояние объектива должно быть не менее 15 мм. Рабочее расстояние со стороны изображения определяется конструкцией ПЗС-камеры. Так, для охлаждаемых камер, где защитное стекло находится на довольно большом расстоянии от матрицы, заднее рабочее расстояние
*
должно составлять 15 4- 20 мм.
Итак, объективы для люминесцентного анализа биочипов должны обладать уникальным сочетанием увеличения, линейного поля и числовой апертуры, не свойственным традиционным оптическим системам.
В процессе эксплуатации рассматриваемых объективов было установлено, что виньетирование не должно превышать 15 %, а дисторсия не более 0.05 мм.
После получения изображения биочипа производится его обработка. Чтобы устранить возможность получения ошибочных результатов измерений световой поток, соответствующий изображению ячейки сравнивается с
потоком, соответствующим кольцевой площадке, окружающей ячейку. Для этого на изображение каждой ячейки накладывается маска в виде двух кругов (рис. 10), диаметр первого круга равен размеру ячейки, в нашем случае 0.1 мм, диаметр второго круга берется порядка 0.15 мм. Далее вычисляются световые потоки Ф/ в круге 1 и 02 в кольце 2. Отношение этих потоков является критерием, по которому делают вывод о наличии полезного сигнала.
Рис. 10 1- круг, 2- кольцо
Таким образом, можно предложить расчетный критерий для оценки
качества изображения объективов, входящих в состав
микровидеоанализаторов. Критерий основан на вычислении отношения количества лучей N2, прошедших через площадь кольца 2 (рис.10), к количеству лучей Nb прошедших через площадь круга 1, т.е.
M=l-N2/N,.
(1)
При этом лучи равномерно распределены по площади зрачка аналогично тому, как предложено Г.Г. Слюсаревым для численного
определения частотно-контрастной характеристики. Назовем число М коэффициентом концентрации.
При проведении оценки качества изображения по предложенному критерию объективов, разработанных и успешно работающих в Институте молекулярной биологии им. Энгельгарда РАН, было практически установлено, что отношение М не должно быть менее 0.80. Также экспериментальным путем было выявлено, что в первом приближении качество изображения проектируемых объективов можно оценивать по диаметрам геометрического пятна рассеяния, в которых сосредоточено определенное количество энергии. Так в диаметре 0.03 мм должно быть сосредоточено не менее 45 - 50 % энергии, в диаметре 0.04 мм не менее 70 — 75 % энергии, в диаметре 0.06 мм не менее 90 %.
Целью диссертации являлся синтез и разработка оптических схем
репродукционных объективов с увеличениями близкими или равными единице, обладающими конструктивной простотой, дешевизной и качеством изображения, соответствующим решаемой задаче.
Задачи исследования:
- синтез и расчет оптимальных оптических схем репродукционных
объективов;
выработка методик расчета исследуемых объективов;
разработка критерия для оценки качества изображения объективов, входящих в состав микровидеоанализаторов.
Решение поставленных задач было выполнено с применением:
теории аберраций, в частности аберраций третьего порядка;
теории синтеза оптических систем М.М. Русинова из поверхностей, обладающих особыми свойствами;
- автоматизированных программных комплексов для расчета
оптических систем.
Научная новизна результатов, полученных в диссертационной
работе, заключается в следующем:
получены формулы для оценки монохроматических аберраций в системах, составленных из конфокальных поверхностей;
впервые установлено, что в системах из конфокальных поверхностей в некоторых точках поля изображения геометрическая фигура рассеяния может иметь форму близкую к прямоугольнику или квадрату;
выведены формулы, объясняющие это явление.
Основные результаты диссертации, выносимые на защиту:
оптические схемы симметричных линзовых объективов однократного увеличения;
оптические схемы зеркально-линзовых объективов без экранирующего элемента, обладающих прямой засветкой изображения, которая, как показано, не приводит к заметному ухудшению качества изображения;
формулы для оценки монохроматических аберраций высших порядков в системах, составленных из конфокальных поверхностей;
формулы для получения в плоскости изображения фигуры, близкой к прямоугольнику или квадрату, в системах, составленных из конфокальных поверхностей;
оптические схемы зеркально-линзовых объективов автоколлимационного типа;
соотношение между показателями преломления в моноблочной системе однократного увеличения, обеспечивающее устранение меридиональной составляющей астигматизма пятого порядка.
Практическая ценность работы:
рассчитан, разработан и изготовлен симметричный восьми линзовый объектив 1x0.35 с линейным полем диаметром 5 мм;
рассчитан, разработан и находится на стадии изготовления симметричный десяти линзовый объектив 1x0.35 с линейным полем диаметром 10 мм;
рассчитан, разработан и изготовлен зеркально-линзовый объектив 1x0.35 с линейным полем 6x8 мм;
рассчитан, разработан и изготовлен зеркально-линзовый объектив 1x0.35 с линейным полем 12x18 мм для ультрафиолетовой и видимой областей спектра;
рассчитаны три зеркально-линзовых объектива 1x0.35 типа "Микронар" с линейным полем 10x12 мм;
рассчитаны зеркально-линзовые объективы без экранирующего элемента различных конструкций 1x0.37 с линейными полями диаметром 5 - 8 мм;
рассчитана моноблочная система однократного увеличения;
показано, что создание объектива однократного увеличения на основе готовых фотообъективов не является оптимальным.
Апробация работы
Основные результаты работы докладывались на Ш Международной конференции молодых ученых и специалистов "Оптика - 2003" (20 — 23 октября 2003 года, Санкт-Петербург) и на научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава СПб ГУИТМО (февраль 2004 года, Санкт-Петербург).
Публикации
По материалам диссертации опубликовано шесть печатных работ.
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка из 19 наименований и 18 приложений; содержит 105 страниц машинописного основного текста, 49 рисунков, 8 таблиц.
Зеркальные и зеркально-линзовые объективы без экранирующего элемента
Одним из достоинств зеркальных систем является отсутствие хроматических аберраций, а одним из недостатков — экранирование входного зрачка. Рассмотрим объектив однократного увеличения, состоящего из двух сферических зеркал (рис. 2.1), между которыми расположена апертурная диафрагма.
Очевидно, что в системе присутствует прямая засветка изображения. Расчет освещенности, вызванной засветкой, по сравнению с освещенностью основного изображения показывает, что она имеет малую величину и не оказывает заметного влияния на качество изображения. Приведем расчет, подтверждающий это. Известно, что освещенность в плоскости изображения определяется выражением: =jct5smV, (2.1) где т - коэффициент пропускания объектива; В — яркость объекта; а - апертурный угол в пространстве изображений. Освещенность, создаваемая засветкой может быть найдена по формуле: Ei =JLBSUI2OY, (2.2) В силу малости углов, положим, что sincM=tgcrV Тогда, из рис. 2.1 следует, что sm&x-y/L, (2.3) где у — полу размер линейного поля объектива, L — расстояние от плоскости предмета до плоскости изображения. Тогда, обозначив отношение Е \/Е через у, получим
Формула (2.4) справедлива для объекта, имеющего равномерное распределение яркости по площади. При использовании объективов рассматриваемого типа для анализа биочипов следует учесть, что светятся только ячейки, суммарная площадь которых составляет S2=Nro (где N общее количество ячеек, г — радиус ячейки). При площади предметного поля S 1=71 2 формула (2.4) приобретает вид: т \Ls marJ (2.5) Оценим порядок величины \j/. Примем т=0.8, Z=100 мм, sina =0.4, /-=0.05, N=300 ячеек, тогда у=0.06 %.
Поскольку построение основного изображения сопровождается центральным экранированием, в результате чего его освещенность несколько снижается, то коэффициент у увеличивается, но не более, чем в 1.5 раза. ,
Таким образом, установлено, что коэффициент засветки не превышает 0Л % и намного меньше такового, возникающего, например, за счет рассеянного света в обычных фотообъективах.
Перейдем к габаритному расчету двух зеркального объектива. Рассмотрим рис. 2.2, откуда следует, что фокусное расстояние зеркала f\ с учетом заданного поля изображения 2у, рабочего расстояния s и экранирования определяется выражением: tgaAd3en -s)+y Г=- Р —. (2.6)
Примем, что экранирование по площади не должно превышать 9 %. Тогда, tga2 0,H» при числовой апертуре А=0.35. Поскольку экранирование вызывает падение освещенности в плоскости изображения, необходимо увеличить числовую апертуру до 0.37.
Очевидно, что объектив, составленный из двух сферических зеркал, обладает всеми монохроматическими аберрациями, кроме комы и дисторсии. Для устранения сферической аберрации зеркала применим асферическую поверхность — параболоид. Таким образом, в объективе присутствует только астигматизм и кривизна изображения, которые ограничивают линейное поле объектива.
Рассмотрим объектив 1x0.37 (рис. 2.3), составленный из двух параболоидальных зеркал. Объектив анализирует линейное поле диаметром 2у=6 мм. Положим, что d3ep=A мм, рабочее расстояние должно быть не менее 5 мм. Тогда, исходя из формулы (2.6) определяем, что фокусное расстояние зеркала равно /—60 мм, а радиус при. вершине параболоида Д=-120 мм. Качество изображения объектива оказалось не удовлетворительным (коэффициент концентрации М=0.58). Анализ пятна рассеяния (рис.2.4) показывает, что основной причиной снижения коэффициента концентрации является центральное экранирование пучков лучей, в результате чего в его центральной части появляется темная зона.
Исследование зеркально-линзовых объективов без экранирующего элемента показало, что для получения коэффициента концентрации MS0.80 необходимо иметь в кружке рассеяния диаметром 0.03 мм не менее 75 %, а в кружке 0.04 мм не менее 95 % энергии.
Объектив "Микронар"
Принципиально новым конструктивным решением объективов с однократным увеличением для анализа биочипов явилась идея использования объектива "Микронар" [15], схема которого представлена на рис. 4.1. Главной идеей, положенной в основу схемы "Микронар", является использование в качестве базового элемента сферического зеркала, работающего в режиме автоколлимации при линейном увеличении —1, когда плоскости предмета и изображения совпадают, а апертурной диафрагмой является оправа зеркала. В этом случае зеркало вносит только меридиональную составляющую астигматизма. Остальные аберрации отсутствуют. Устранение указанной аберрации может быть достигнуто с помощью плосковыпуклой линзы 3, сферическая поверхность которой концентрична поверхности зеркала 4, задний фокус находится на его вершине, а толщина равна по абсолютной величине радиусу. Тогда преломляющие и отражающая поверхности образуют концентричную афокальную систему, что обеспечивает устранение меридиональной составляющей астигматизма третьего порядка. Хроматизм увеличения и дисторсия устраняются за счёт симметрии хода главных лучей. Таким образом, мы имеем концентричную систему, качество изображения которой определяется меридиональной составляющей астигматизма пятого и седьмого порядков, и, как было показано в главе 3, аберрацией седьмого порядка широкого наклонного пучка в меридиональном сечении. Выведем формулы для их вычисления.
Поскольку система афокальна, то где г і —радиус кривизны плоско-выпуклой линзы 3, г2 - радиус кривизны зеркала 4.
Отметим, что значения Z mV и Z mVn определены в воздухе, а не в среде с показателем га. В главе 3 был сделан вывод, что формула (3.26) для аберрации широкого наклонного пучка в меридиональном сечении пригодна для любой системы, состоящей из конфокальных поверхностей. Поскольку объектив "Микронар" является одним из вариантов таких систем, то для вывода формулы, определяющей аберрацию широкого наклонного пучка в меридиональном сечении с учетом влияния меридиональной составляющей астигматизма VII порядка, можно воспользоваться рис.3.3 и рассуждениями, приведенными в главе 3. Меридиональную составляющую астигматизма, принимая во внимание у-у , можно представить в виде:
Аберрация широкого наклонного пучка в меридиональном сечении для точки А 2, в которой у2 = cos сг Ьу 2 Z tga (4.10)
Принимая во внимание, что а =о и поскольку величина этой аберрации для первого слагаемого в выражении (4.8) прямо пропорциональна четвертой степени ординаты у, а для второго слагаемого - шестой степени ординаты у, то в точке изображения А \ аберрация широкого наклонного пучка лучей составит
Проверим правильность выведенных формул на персональном компьютере. Примем, что г/=- 90 мм, у=30 мм, числовая апертура 0.35 и показатель преломления плоско-выпуклой линзы «=1.5. Тогда, по формулам (4.2), (4.3) и (4.13) получаем соответственно Z mr=-0.556 мм, Z mvir-OSftl мм, Ъу — -0.0137 мм, суммарное значение меридиональной составляющей астигматизма Z m = Z mv + Z my]j=-0.637 мм. На персональном компьютере получены следующие результаты Z m=-0.651 мм, Ьу =-0.014 мм.
Относительная погрешность не превышает 2.5 %. Погрешность возникает из-за присутствия более высоких порядков меридиональной составляющей астигматизма. В оптической системе «Микронар» для устранения меридиональной составляющей астигматизма пятого порядка нужно исправить сферическую аберрацию третьего порядка в зрачках. Это можно сделать путем приклеивания к плоско-выпуклой линзе 3 (рис.4.1) концентрической линзы, показатель преломления которой больше, чем показатель линзы 3. Таким образом, мы получим систему (рис. 4.2) практически безаберрационную в широком диапазоне числовых апертур и линейных полей, оптические характеристики и конструктивные параметры которой, даны соответственно в таблице 4.1 и в таблице 4.2. На рис 4.3 приведены геометрические аберрации объектива и пятна рассеяния для трех точек поля.
Свойства зеркально-линзовых объективов автоколлимационного типа
Из формулы (4.14), при выполнении призмы из стекла марки ТФ4 (п= 1,729 для длины волны 0,7 мкм) находим, что длина хода луча в призме равна 45 мм. Принимая толщину линзы равной 16 мм, вычислим радиус плоско-выпуклой линзы по формуле (4.15) г/=-95.58 мм. Найдем радиус зеркала Г2=-226.73 мм по формуле (4.1) и расстояние между поверхностью плоско-выпуклой линзой и зеркалом dj= 131.14 мм по формуле (4.16). Меридиональная составляющая астигматизма (при Ymax=27 мм) Z M = Z mv +- Z mvn= =-0.44-0.06=-0.5 мм и сагитта седьмого порядка ф =-0,0081 мм.
Оптимальная коррекция меридиональной составляющей астигматизма достигается при Z =0 на краю поля. Для получения Z pr необходимо ввести некоторую аберрацию третьего порядка, что приведет к некоторому изменению Z mynZ mvii- Пренебрежем этими изменениями. Тогда при Zfmxp=, максимальное значение Z m на зоне будет равно тзона пг V .I )
Учитывая, что смещением плоскости установки можно уменьшить Zтзона вдвое, то поперечная аберрация на краю поля будет составлять
На зоне сагитта седьмого порядка в 4 раза меньше, чем на краю поля. Тогда, 3 на краю поля составит 0.015 мм, а на зоне (%,3она=-0.025 мм. Для компенсации сферической аберрации, как было отмечено выше, вводим менисковую линзу. Хроматизм положения устраняется без особого труда простым подбором марок стекол. В итоге, после проведения нескольких оптимизационных шагов был получен объектив (рис. 4.7) полностью соответствующий заданным параметрам. Поперечная аберрация на краю поля составляет 0.019 мм, а на. зоне -0.025 мм (см. таблицы аберраций в приложении 13). Конструктивные параметры, таблицы и графики аберраций, геометрические пятна рассеяния для трех точек поля объектива 1x0.35 приведены в приложении 13. Качество изображения по основному критерию М=0.8.
Другим способом устранения сферической аберрации является введение вблизи от вершины зеркала тонкого двухлинзового афокального компонента (рис. 4.8), обладающего, как известно [16], произвольным значением основного параметра Р. Хроматизм положения может быть компенсирован путем подбора марок стёкол. Астигматизм этого компонента практически отсутствует благодаря близкому расположению апертурной диафрагмы. Кома объектива автоматически устраняется за счёт симметрии самого объектива и симметричного хода лучей в нем. Для уменьшения количества поверхностей, граничащих с воздухом, компенсационный компонент можно выполнить склеенным из двух линз с последней зеркальной поверхностью, т. е. совместить компенсатор с зеркалом. Таблицы и графики аберраций, геометрические пятна рассеяния для трех точек поля объектива 1x0.35 приведены в приложении 14.
Компенсировать сферическую аберрацию, возникшую на первой плоской поверхности призмы в результате введения рабочего расстояния, можно за счет придания зеркалу асферической формы. Итак, примем за основу конструктивные параметры ранее рассчитанного объектива 1x0.35 (стр. 82), анализирующего поле 10x12 мм. Длина хода луча в призме равна 45 мм, толщина плоско-выпуклой линзы — 16 мм, а ее радиус г;=-95.5 8 мм, радиус зеркала Г2=-226.73 мм и расстояние между поверхностью плосковыпуклой линзой и зеркалом df 131.14 мм. Далее при помощи программы CAPO оптимизируем систему. В итоге получаем объектив с конструктивными параметрами, мало отличающимися от расчетных, а зеркало приобретает форму эллипсоида второго порядка. Коэффициент концентрации М, оцениваемый по формуле (1), приведенной во введении равен 0.8. Асферизация не меняет других аберраций, поскольку высота главного луча на зеркале равна нулю. Максимальное отступление асферической поверхности от ближайшей сферы не превышает 8 мкм. Конструктивные параметры, таблицы и графики аберраций, геометрические пятна рассеяния для трех точек поля объектива 1x0.35 приведены в приложении 15.
В приложении 16 рассмотрен объектив 1x0.35 с линейным полем 12x18 мм для ультрафиолетовой области спектра. Система работоспособна также в любом узком участке видимого спектра, ограниченном полосою пропускания интерференционного светофильтра. Из-за невозможности закрепления ПЗС камеры, углы прямоугольной призмы, расположенной со стороны плоскости изображения изменены. Коэффициент концентрации равен М=0.8, таким образом, объектив имеет удовлетворительное качество изображения. Объектив изготовлен.
В приложении 17 приведен объектив 1x0.35 с полем 6x8 мм, рассчитанный по выше описанной методике и изготовленный в ФГУП ТОЙ им. СИ. Вавилова" в соответствие с Государственным контрактом № 36.6656Л 1.0270 "Разработка и изготовление люминесцентного видеоанализатора биочипов для диагностики генетических и инфекционных заболеваний" от 28 апреля 2003 года. Поскольку корпус объектива не позволил закрепить ПЗС камеру, то со стороны плоскости изображения установлена плоскопараллельная пластина для увеличения заднего отрезка. На рис. 4.9 приводится сравнение разработанного объектива со спичечным коробком. Внешний вид прибора представлен на рис. 4.10.
Одним из важных преимуществ зеркально-линзовых объективов рассмотренного типа является возможность использования прямоугольных полей, существенно больших по площади, чем круговые поля. Например, в объективе, представленном в приложении 15, диаметр круглого поля равен 14 мм, а диагональ прямоугольного поля составляет 21.6 мм. Соответствующие площади равны 154 мм и 216 мм . Сказанное поясняет рис. 4.11.
Система, построенная на базе объектива Авангард
На зоне сагитта седьмого порядка в 4 раза меньше, чем на краю поля. Тогда, 3 на краю поля составит 0.015 мм, а на зоне (%,3она=-0.025 мм. Для компенсации сферической аберрации, как было отмечено выше, вводим менисковую линзу. Хроматизм положения устраняется без особого труда простым подбором марок стекол. В итоге, после проведения нескольких оптимизационных шагов был получен объектив (рис. 4.7) полностью соответствующий заданным параметрам. Поперечная аберрация на краю поля составляет 0.019 мм, а на. зоне -0.025 мм (см. таблицы аберраций в приложении 13). Конструктивные параметры, таблицы и графики аберраций, геометрические пятна рассеяния для трех точек поля объектива 1x0.35 приведены в приложении 13. Качество изображения по основному критерию М=0.8.
Другим способом устранения сферической аберрации является введение вблизи от вершины зеркала тонкого двухлинзового афокального компонента (рис. 4.8), обладающего, как известно [16], произвольным значением основного параметра Р. Хроматизм положения может быть компенсирован путем подбора марок стёкол. Астигматизм этого компонента практически отсутствует благодаря близкому расположению апертурной диафрагмы. Кома объектива автоматически устраняется за счёт симметрии самого объектива и симметричного хода лучей в нем. Для уменьшения количества поверхностей, граничащих с воздухом, компенсационный компонент можно выполнить склеенным из двух линз с последней зеркальной поверхностью, т. е. совместить компенсатор с зеркалом. Таблицы и графики аберраций, геометрические пятна рассеяния для трех точек поля объектива 1x0.35 приведены в приложении 14.
Компенсировать сферическую аберрацию, возникшую на первой плоской поверхности призмы в результате введения рабочего расстояния, можно за счет придания зеркалу асферической формы. Итак, примем за основу конструктивные параметры ранее рассчитанного объектива 1x0.35 (стр. 82), анализирующего поле 10x12 мм. Длина хода луча в призме равна 45 мм, толщина плоско-выпуклой линзы — 16 мм, а ее радиус г;=-95.5 8 мм, радиус зеркала Г2=-226.73 мм и расстояние между поверхностью плосковыпуклой линзой и зеркалом df 131.14 мм. Далее при помощи программы CAPO оптимизируем систему. В итоге получаем объектив с конструктивными параметрами, мало отличающимися от расчетных, а зеркало приобретает форму эллипсоида второго порядка. Коэффициент концентрации М, оцениваемый по формуле (1), приведенной во введении равен 0.8. Асферизация не меняет других аберраций, поскольку высота главного луча на зеркале равна нулю. Максимальное отступление асферической поверхности от ближайшей сферы не превышает 8 мкм. Конструктивные параметры, таблицы и графики аберраций, геометрические пятна рассеяния для трех точек поля объектива 1x0.35 приведены в приложении 15. со 1-.
В приложении 16 рассмотрен объектив 1x0.35 с линейным полем 12x18 мм для ультрафиолетовой области спектра. Система работоспособна также в любом узком участке видимого спектра, ограниченном полосою пропускания интерференционного светофильтра. Из-за невозможности закрепления ПЗС камеры, углы прямоугольной призмы, расположенной со стороны плоскости изображения изменены. Коэффициент концентрации равен М=0.8, таким образом, объектив имеет удовлетворительное качество изображения. Объектив изготовлен.
В приложении 17 приведен объектив 1x0.35 с полем 6x8 мм, рассчитанный по выше описанной методике и изготовленный в ФГУП ТОЙ им. СИ. Вавилова" в соответствие с Государственным контрактом № 36.6656Л 1.0270 "Разработка и изготовление люминесцентного видеоанализатора биочипов для диагностики генетических и инфекционных заболеваний" от 28 апреля 2003 года. Поскольку корпус объектива не позволил закрепить ПЗС камеру, то со стороны плоскости изображения установлена плоскопараллельная пластина для увеличения заднего отрезка. На рис. 4.9 приводится сравнение разработанного объектива со спичечным коробком. Внешний вид прибора представлен на рис. 4.10.
Одним из важных преимуществ зеркально-линзовых объективов рассмотренного типа является возможность использования прямоугольных полей, существенно больших по площади, чем круговые поля. Например, в объективе, представленном в приложении 15, диаметр круглого поля равен 14 мм, а диагональ прямоугольного поля составляет 21.6 мм. Соответствующие площади равны 154 мм и 216 мм . Сказанное поясняет рис. 4.11.
