Исследование и расчет объективов объектного и опорного канала интерференционного микроскопа

Размещено на http://www.allbest.ru/

Исследование и расчет объективов объектного и опорного канала интерференционного микроскопа

Д.И. Егоров

Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики

В работе показаны основные этапы исследования и расчёта объективов для спектральной когерентной томографии. Приведена методика расчета киноформа, методика расчета гибридных и линзовых объективов. Приведены примеры рассчитанных объективов. объектив спектральный когерентный томографи

Одна из основных задач спектральной когерентной томографии - исследование и расчет объективов объектного и опорного каналов интерференционного микроскопа, работающего в излучении лазера с перестраиваемой длиной волны в спектральном диапазоне 0,8 - 1,0 мкм и 1,26 - 1,36 мкм. [1] Для бесконтактного исследования поперечного среза исследуемой поверхности было предложено исследовать и рассчитать объектив объектного канала микроскопа с заведомо неисправленным хроматизмом положения в среде с показателем преломления 1,447, равным 1 мм.

В первую очередь была проверена возможность использовать объектив, состоящий только из линзовой части. Для этого были исследованы дисперсионные свойства стекол и кристаллов для заданной спектральной области. В таблице 1 приведены коэффициенты дисперсий групп стекол для заданного спектрального диапазона и основной длины волны л₀=1310 нм. Учитывая, что хроматизм положения определяется отношением фокусного расстояния к коэффициенту дисперсии, для области спектра 1,26 - 1,36 мкм относительные оптические силы линз и кристаллов таковы, что достичь необходимую «глубину спектрального погружения» (хроматизм положения) при фокусном расстоянии объектива 16 мм и 32 мм невозможно.

Таблица 1. Минимальный и максимальный коэффициенты дисперсии для диапазона длин волн 1260-1360 нм и л₀=1310 нм

Для решения поставленной задачи было решено использовать киноформ как основной силовой компонент объектива. Киноформ представляет собой круговую фазовую дифракционную решетку с переменным шагом. Были исследованы аберрационные свойства киноформа и получены формулы для определения фокусного расстояния и числовой апертуры киноформа.

(1)

] (2)

где:

- спектральный диапазон;

- половина диаметра входного зрачка объектива;

f_об' - заданное техническим заданием фокусное расстояние объектива;

- «глубина сканирования» объектива;

- основная длина волны;

- заданная техническим заданием числовая апертура объектива;

- фокусное расстояние киноформа;

n - показатель преломления исследуемой среды.

Также была обнаружена зависимость между параметрическими коэффициентами киноформа и его оптической силой, сферической аберрацией третьего и высших порядков. В киноформе идеально исправлена сферическая аберрация, но при данном значении апертуры значение отклонения от условий изопланатизма - около 3%.

(3)

где:

- косинус апертурного угла киноформа.

В ходе исследований была доказана невозможность использования киноформа как единственного компонента объектива.[2]

Для выполнения задачи «спектрального погружения» в исследуемую среду на глубину 1 мм и расчета объектива с заведомо неисправленным хроматизмом положения была предложена схема гибридных объективов, состоящих из киноформа и линзовой части.[3,4] Рассчитаны комплекты объективов с числовыми апертурами 0,2 и 0,4 с хроматизмом положения в среде 1мм, работающие в диапазонах длин волн 0,8 - 1,0 мкм и 1,26 - 1,36 мкм.

Рис 1.Схема гибридного объектива

На рисунке 1 представлена схема одного из рассчитанных объективов, где каждый компонент играет роль компенсатора той или иной аберрации.

Позиция 1 -- киноформ, исправляет сферическую аберрацию, но при больших апертурах вносит кому.

Позиция 2 -- компенсатор комы В.Н. Чуриловского, выполненный в виде склейки с хроматическим радиусом, не вносит сферическую аберрацию третьего порядка, кривизну поверхности изображения, хроматизм положения.

Позиция 3 -- апланатические поверхности для компенсации кривизны поверхности изображения.

Позиция 4 -- конфокальная поверхность для компенсации астигматизма, вносимого киноформом.

Позиция 5 -- изопланатическая поверхность.

Несомненно, самой трудоёмкой частью гибридного объектива является киноформ. Частота линий киноформа, входящего в комплект рассчитанных объективов достигает 200 лин/мм. Одной из задач исследования стала проверка возможности не использовать киноформ в объективах, работающих в области 0,8 - 1,0 мкм.

Таблица 2. Минимальный и максимальный коэффициенты дисперсии для диапазона длин волн 800-1000 нм и л₀=900 нм

В ходе изучения дисперсионных свойств стекол и кристаллов (таблица 2) были выбраны пары флюорит - селенид цинка и на их основе рассчитаны объективы без киноформа с хроматизмом положения 1 мм в среде, работающие в диапазоне 0,8 - 1,0 мкм. На рисунке 2 представлена схема рассчитанного объектива. Для компенсации астигматизма к паре флюорит - селенид цинка добавлена линза из стекла К8.

Рис 2. Схема объектива опорного канала микроскопа без КФ

Также, в результате исследований, был рассчитан компенсатор для контроля качества сборки и юстировки объектива в видимом диапазоне спектра. Учитывая, что юстировка проводится на длине волны лазерного излучения 0,6328мкм (контроль в белом свете исключен ввиду огромного хроматизма), рассчитана менисковая линза из стекла К8, в которой исправлена кома и сферическая аберрация для центра поля.

Рис 3. Линзовый компенсатор для сборки объективов

Литература

1. Гуров И.П. Оптическая когерентная томография: принципы, проблемы и перспективы. В кн.: Проблемы когерентной и нелинейной оптики/ Под ред. И.П. Гурова и С.А. Козлова. СПб: СПбГУ ИТМО, 2004. С.6 - 30.

2. Грамматин А.П., Цыганок Е.А., Егоров Д.И. Синтез объективов для оптической когерентной томографии // Оптический журнал. - Санкт-Петербург: НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЙ "ОПТИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ", 2013. - Т. 80. - С. 32-35. - ISSN 0030-4042.

3. Егоров Д.И. Методика расчета гибридных объективов микроскопов для спектральной когерентной томографии // Альманах научных работ молодых ученых XLIII научной и учебно-методической конференции НИУ ИТМО. - 2014. - С. 132-135

4. Егоров Д.И., Грамматин А.П. Исследование и расчет объективов микроскопов для спектральной когерентной томографии // В мире научных открытий. - Красноярск: Научно-инновационный центр, 2014. - Вып. 52. - № 4. - С. 209-219. - (Серия "Естественные и технические науки"). - ISSN 2072-0831.

Размещено на Allbest.ru