Анализ и оптимизация параметров осветительного устройства микроскопа тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.07, кандидат технических наук Виноградова, Ольга Александровна

• Виноградова, Ольга Александровна
• кандидат технических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат технических наук Виноградова, Ольга Александровна

Введение.

Глава 1. Краткий исторический очерк развития оптики микроскопов.

Глава 2. Оптотехника микроскопа.

2.1. Оптическая схема микроскопа.

2.1.1. Лупа, простой микроскоп.

2.1.2. Сложный микроскоп.

2.2. Разрешающая способность оптической системы микроскопа и полезное увеличение образованного ею изображения.

Глава 3. Анализ влияния освещения предмета в микроскопе на его изображение.

3.1. Квазимонохроматический свет.

3.2. Корреляционные функции световых пучков лучей.

3.3. Интерференция и дифракция квазимонохроматического света

3.4. Образование изображения в частично когерентном свете.

3.5. Влияние освещения предмета на разрешающую способность оптики микроскопа.

Глава 4. Светотехника микроскопа.

4.1. Световой поток, формируемый оптической системой осветительного устройства микроскопа.

4.2. Эффективность использования светового потока в оптической системе микроскопа.

Глава 5. Система переменного увеличения в схеме осветительного устройства микроскопа.

5.1. Базовые схемы оптических систем переменного увеличения.

5.2. Положение оптически сопряженных точек в оптических системах переменного увеличения.

5.3. Оптическая система переменного увеличения в схеме осветительного устройства микроскопа.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Анализ и оптимизация параметров осветительного устройства микроскопа»

Современный микроскоп является важным средством в развитии науки и техники. На протяжении длительного времени микроскоп применялся как визуальный прибор для рассматривания мелких деталей исследуемого объекта и его фотографирования. Применение в биологии физико-химических методов исследования вызвало потребность в получении количественной информации об изучаемом объекте и отдельных элементах его структуры; необходимость решения задачи определения оптических параметров минералов и руд, развитие фотоэмульсионного метода в ядерной физике привели к превращению микроскопа из наблюдательного прибора в измерительный.

В связи с развитием естественных наук и техники по мере необходимости создавались поляризационные, металлографические и другие новые типы микроскопов различного назначения. Применение ультрафиолетового и инфракрасного излучения в микроскопии значительно расширило область применения микроскопов. С появлением новых методов исследования в микроскопии (фазового контраста, интерференционного контраста, люминесцентного экспресс-анализа и т.д.) совершенствуются и сами микроскопы, превращаясь из наблюдательных и измерительных приборов в аналитические, оснащенные средствами электроники, автоматики и вычислительной техники.

Расчет оптических систем микроскопов и, в частности, микрообъективов-планапохроматов с повышенными оптическими характеристиками, является сложным и трудоемким делом [30].

Большой вклад в развитие оптики микроскопов внесли такие отечественные ученые, как А.П. Грамматин, А.Н. Захарьевский, В.А. Зверев, М.М. Русинов, В.Н. Чуриловский и др. [17, 21,31, 35].

Основным элементом в оптической системе микроскопа является объектив, который принято называть микрообъективом. Вопросы теории и практики проектирования линзовых объективов для микроскопов получили развитие в трудах JI.H. Андреева, Т.А. Ивановой, Д.Н. Фролова, а зеркальных микрообъективов - в трудах В.А. Панова [1, 26, 30]. Всякий последующий этап развития оптики микроскопа принципиально сводится к проектированию и постановке на производство новых комплектов микрообъективов, параметры которых не должны уступать параметрам лучших образцов микрообъективов зарубежных фирм при улучшенном качестве изображения. И в этом плане достигнуты весьма высокие результаты. Так, например, при планапохроматической коррекции аберраций в объективе ШП-ОПА-50БЭ-0 число Штреля в изображении осевой точки достигает 0,95, при этом число Штреля в изображении внеосевых точек не ниже 0,80 по всему полю.

При разработке оптической схемы осветительного устройства микроскопа решается, как правило, задача заполнения светом полевой и апертурной диафрагм при условии их полного открытия. Вполне очевидно, что осветительная система микроскопа наполняется в этом случае избыточным световым потоком, поступление которого в наблюдательную оптическую систему микроскопа ограничивается соответствующим изменением отверстий в полевой и апертурной диафрагмах. Известно, что устранить влияние рассеянного света в оптической системе на контраст образованного ею изображения практически не удается даже в отсутствии избыточного светового потока, а поэтому в технической документации на оптический прибор допустимая величина рассеянного света, как правило, указывается.

Таким образом, актуальность исследования параметров осветительных систем микроскопа, уточнения требований к ним и поиска путей устранения необходимости в избыточном световом потоке вполне очевидна. Важно при этом установить требуемый характер заполнения светом апертурной диафрагмы конденсора осветительного устройства из условия максимального разрешения тонкой структуры объекта с помощью микроскопа как визуального прибора, а также установить оптимальные значения параметров наблюдательной оптической системы микроскопа.

Цель настоящей диссертационной работы заключается в том, чтобы в результате анализа параметров осветительного устройства, их взаимосвязи с параметрами оптической системы наблюдательной ветви микроскопа установить требования, которым должна удовлетворять оптическая система микроскопа при условиях максимальной разрешающей способности наблюдения и высокой эффективности использования светового потока, формируемого осветительным устройством микроскопа.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Выполнить анализ взаимосвязи параметров оптической системы микроскопа с разрешающей способностью глаза.

2. Выполнить анализ влияния характера заполнения светом апертурной диафрагмы конденсора осветительного устройства на разрешающую способность микроскопа.

3. Выполнить анализ взаимосвязи параметров осветительного устройства с параметрами оптической системы наблюдательной ветви микроскопа. Определить эффективность использования светового потока для возможного ряда применяемых микрообъективов.

4. Определить возможные пути и необходимые условия повышения эффективности использования светового потока, формируемого осветительным устройством.

5. Разработать оптическую схему осветительного устройства микроскопа, обеспечивающего максимальную эффективность использования светового потока.

В процессе решения перечисленных задач должны быть определены требования не только к параметрам осветительного устройства, но и к параметрам типового ряда микрообъективов и окуляров.

Заключение диссертации по теме «Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы», Виноградова, Ольга Александровна

Заключение

Анализ светотехники осветительного устройства показал тесную взаимосвязь его параметров с параметрами наблюдательной ветви микроскопа, их влияние на разрешающую способность микроскопа. Результаты исследований, выполненных в диссертации, позволяют сделать следующие выводы:

1. Разработана методика и выполнен анализ эффективности использования светового потока, формируемого системой источника излучения и коллектора, в визуальном канале микроскопа. На примере ряда комплектов микрообъективов, применяемых в типовых микроскопах, показано, что « величина используемого потока достаточно мала и, как правило, не превышает 10 %.

2. Определены требования к параметрам объективов микроскопа, при выполнении которых применение системы переменного увеличения в схеме осветительного устройства позволяет теоретически достичь полного использования светового потока, формируемого осветительным устройством микроскопа.

3. Методом компьютерного моделирования выполнено исследование зависимости контраста изображения от значения коэффициента, определяющего расстояние между изображаемыми точками, при различных значениях отношения задней числовой апертуры конденсора к передней числовой апертуре объектива микроскопа (при различной степени когерентности освещения).

4. Методом компьютерного моделирования выполнен анализ зависимости дифракционной разрешающей способности оптической системы, образующей изображение, от отношения задней числовой апертуры конденсора к передней числовой апертуре объектива микроскопа при различных значениях контраста изображения.

5. Применив соотношение, аппроксимирующее результаты экспериментальных исследований, показано, что визуальный оптический прибор обладает максимальной разрешающей способностью при диаметре выходного зрачка d'~ 1,5 мм. При d'> 1,5 мм разрешающая способность изменяется мало, а при d'< 1,5 мм падает весьма заметно, уменьшаясь примерно в два раза при с/'=0,5 мм.

Выполнен анализ положения оптически сопряженных точек в базовых схемах оптических систем переменного увеличения. Показано, что требуемой стабильностью положения двух пар оптически сопряженных точек обладает базовая трехкомпонентная схема оптической системы переменного увеличения.

Представлены варианты оптических схем осветительного устройства, построенные на основе применения систем переменного увеличения, для освещения предмета по методу Кёлера и при критическом методе освещения.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Виноградова, Ольга Александровна, 2006 год

1. Андреев Л.Н., Грамматин А.П., Соколова Т.И. Влияние распределения увеличения в микроскопе между объективом и окуляром на качествоизображения. ОМП, 1979, № 1, с. 51-52.

2. Борн М., Вольф Э. Основы оптики. М.: Наука, 1970, 856 с.

3. Багдасарова О.В., Виноградова О.А., Зверев В.А., Фролов Д.Н. Анализ параметров оптической системы осветительного устройства микроскопа. Научный сборник «Диагностика и функциональный контроль качества

4. У оптических материалов». СПб, СПбГУ ИТМО, 2004, с. 120-123.

5. Белокурова И.А., Виноградова О.А., Карпова Г.В. Композиция оптических систем осветительного устройства. Вестник XXXII научной и учебно-методической конференции СПб ГИТМО (ТУ), посвященной 300-летию Санкт-Петербурга. СПб: СПб ГИТМО (ТУ), 2003, с. 21.

6. Виноградова О.А., Фролов Д.Н. Ахроматический микрообъектив среднего увеличения. Патент РФ 2176808 на изобретение, БИПМ № 34 (II ч.), 2001, стр. 315.

7. Виноградова О.А., Гаврилюк А.В., Зверев В.А., Карпова Г.В.

8. Виноградова О.А. Способы влияния на распределение освещенности в плоскости изображения микроскопа. Вестник XXXII научной и учебно-методической конференции СПб ГИТМО (ТУ), посвященной 300-летию Санкт-Петербурга. СПб: СПб ГИТМО (ТУ), 2003, с. 14.

9. Виноградова О.А., Карасёва И.А., Зверев В.А. Возможные варианты оценки эффективности применения оптической системы. Сборник трудов оптического общества им. Д.С. Рождественского «Прикладная оптика-2004», СПб, 2004, том 3, с. 306-307.

10. Виноградова О.А., Точилина Т.В. Эффективность осветительного устройства светового микроскопа. Научно-технический вестник СПб ГУ ИТМО, выпуск 18: исследования в области физики и оптики. СПб: СПб ГУ ИТМО, 2005, с. 248-254.

11. Виноградова О.А., Фролов Д.Н. Ахроматический микрообъектив. Патент РФ на полезную модель по заявке № 2006108430, приоритет от 17.03.2006.

12. Виноградова О.А. Микроскоп стереоскопический. Патент РФ № 53464 на полезную модель, Бюл. № 13,2006, с. 1-2.

13. Волосов Д.С., Цивкин М.В. Теория и расчет светооптических систем. М.: Искусство, 1960, 526 с.

14. Грамматин А.П. Методы синтеза оптических систем. Учебное пособие. СПб: СПб ГИТМО (ТУ), 2002, 65 с.

15. Гуревич М.М. Фотометрия (теория, методы и приборы). Л.: Энергоатомиздат, 1983, 272 с.

16. Гуриков В.А. Становление прикладной оптики. М.: Наука, 1983, 188 с.

17. Зверев В.А. Введение в оптотехнику проектирования оптических приборов. Учебное пособие. СПб: СПб ГИТМО (ТУ), 1995, 104 с.

18. Зверев В.А., Точилина Т.В. Оптотехника проектирования оптических приборов. СПб: СПб ГУИТМО, 2005,457 с.

19. Зверев В.А., Журова С.А. Основы композиции принципиальных схем оптических систем переменного увеличения. Оптический журнал. 1999, том 66, № 10, с. 68-86.

20. Зверев В.А., Точилина Т.В. Параметрическая модель оптической системы переменного увеличения с дискретной компенсацией расфокусировки изображения. Оптический журнал. 2004, том 71, № 10, с.8.

21. Зверев В.А., Иванова Т.А. Некоторые вопросы проектирования оптики приборов из базовых элементов. ОМП, 1976, № 10, с. 14 17.

22. Иванова Т.А. Исследование бликов в панкратической системе микроскопов. ОМП, 1976, № 2, с. 9 12.

23. Иванова Т.А., Кирилловский В.К. Проектирование и контроль оптики микроскопов. Л.: Машиностроение (Ленинградское отделение), 1984, 231 с.

24. Мартин Л. Техническая оптика. М.: Государственное издательство физико-математической литературы, 1960, 424 с.

25. Микроскопы. Скворцов Г.Е., Панов В.А., Поляков Н.И., Федин Л.А. Л.: Машиностроение, 1969, 511 с.

26. Михель К. Основы теории микроскопа. М.: Гостехиздат, 1955, 276 с.

27. Панов В.А., Андреев А.Н. Оптика микроскопов. Расчет и проектирование. Л.: Машиностроение (Ленинградское отделение), 1976, 432 с.

28. Русинов М.М. Техническая оптика. Учебное пособие для ВУЗов. JL: Машиностроение, 1979,488 с.

29. Слюсарев Г.Г. Геометрическая оптика. M.-JL: АН СССР, 1946, 332 с.

30. Толанский С. Революция в оптике. М.: Мир, 1971, 223 с.

31. Франсон М. Фазово-контрастный и интерференционный микроскопы. -М.: Государственное издательство физико-математической литературы, 1960, 180 с.

32. Чуриловский В.Н. Теория оптических приборов. M.-JI.: Машиностроение, 1966, 564 с.о -й.