Объектив для УФ микроскопии

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

БЕЛОРУСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Приборостроительный факультет

Кафедра: «Лазерная техника и технология»

 

 

 

 

 

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

К КУРСОВОМУ ПРОЕКТУ

по дисциплине: «Техническая оптика»

на тему: «Объектив для УФ микроскопии»

 

Специальность:

1-38.01.02 “Оптико-электронные и лазерные  приборы и системы”

 

 

 

 

 

 

 Исполнитель:                                                                студент группы 1131210                                             Сафонов В.В.

 

Руководитель:                 профессор, к.т.н.

Артюхина Н.К.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Минск 2014

РЕФЕРАТ

Курсовая работа: 25 с., 3 рис., 7 табл., 4 источника, 1 прил.

В процессе выполнения курсового проекта произведён расчет склеенного объектива. Были рассчитаны конструктивные параметры объектива, произведён расчёт аберраций третьего порядка и их анализ. На основе произведённых расчётов выполнен аберрационный выпуск.

Данная работа выполнена в учебных целях, для расширения и закрепления знаний по дисциплине “Техническая оптика”.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

СОДЕРЖАНИЕ

1.       Аналитический обзор	4
1.1     Сведения о микроскопии Примеры объективов для УФ микроскопии	4 8
2.       Постановка задачи	10
3.       Расчет объективов и аберрационный анализ	11
4.       Аберрационный анализ с помощью ПЭВМ	16
ЗАКЛЮЧЕНИЕ	20
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ	21
ПРИЛОЖЕНИЕ	22

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Аналитический обзор

1.1 Сведения о микроскопии

В зависимости от свойств объекта свет изменяет свои физические свойства — цвет (длину волны), яркость (амплитуду волны), фазу, используются в современных микроскопах для создания контраста. 
Для микроскопии окрашенных объектов пользуются самым простым из известных микроскопов — так называемым обычным. Так как глаз и фотопластинка легко улавливают различия в окраске прошедшего луча, не требуется никаких дополнительных усилий для рассмотрения и съемки цветного изображения. Цвет изображения имеет огромное познавательное значение, ибо по взаимодействию объекта с краской можно судить о его химической природе. Изменяя режим окрашивания, вводя дополнительные обработки растворителями, фиксаторами, коагулянтами и другими веществами, добиваются весьма точных, в том числе количественных, знаний о природе объекта и его химизме. На этом основаны бурно развивающиеся гисто- и цитохимия, которые немыслимы без микроскопии. Многие диагностические приемы практической медицины основаны на микроскопии окрашенных объектов. В патогистологии, инфекционной патологии, паразитологии применяют такие специфичные красители, методы обработки микропрепаратов и режимы окраски, что часто бывает достаточно одного взгляда в микроскоп для постановки диагноза или оценки результатов лечения.

Наиболее легко поддаются окрашиванию фиксированные, убитые препараты. Такие неподвижные препараты могут быть с высокой точностью рассмотрены и сфотографированы через микроскоп, но они не дают возможности оценить различные формы жизнедеятельности микроскопируемого объекта (движение, слияние, фагоцитоз и пр.). Известны красители, которые связываются с живыми клетками, не нарушая их жизнедеятельности. 
 Витальная (прижизненная) микроскопия показывает, что многие структуры живой клетки сравнительно мало изменяются при умелой фиксации и последующем окрашивании. Этим подтверждается высокая научная ценность информации, получаемой при помощи микроскопии окрашенных объектов. Витальная микроскопия возможна и без окрашивания, если в обычный микроскоп ввести так называемый темнопольный конденсор. Он освещает объект так, что в глаз наблюдателя попадают только те лучи, которые рассеялись на частицах объекта и тем самым изменили направление своего распространения. Лучи, прошедшие через фон без рассеяния, в глаз не попадают. Поэтому частицы объекта светятся и ярко выделяются на темном фоне.

Темнопольная микроскопия обеспечивает наибольший возможный контраст изображения, но четкость его и полезное увеличение заметно ниже, чем при обычной микроскопии. Темнопольная микроскопия успешно применялась для изучения спирохет, лептоспир и других слабо окрашиваемых микроорганизмов.  
 Технически самостоятельным вариантом темнопольной микроскопии является ультрамикроскопия, при которой мельчайшие изучаемые частицы освещаются мощным боковым пучком света и видны точками на черном фоне. Ультрамикроскопия позволяет подсчитывать частицы, оценивать их размеры и другие свойства. Применяется для изучения коллоидных растворов,  аэрозолей,  суспензий. 
 В последние годы темнопольная микроскопия применяется все реже, так как появились два новых типа контрастирующих приборов со значительно лучшими характеристиками — фазово-контрастный и амплитудно-контрастный микроскопы. Технически они сходны, но в них используют различные изменения светового луча в объекте. Луч, прошедший через фон образца, в идеальном случае не претерпевает никаких изменений. Он проходит через точно определенные участки объектива. Луч, прошедший через объект, подвергается дифракции, т. е. распадается на пучки убывающей интенсивности, которые выходят из объекта под разными углами. Другие свойства луча (амплитуда, длина волны, фаза) изменяются в различных степенях в зависимости от особенностей объекта. 
 Почти все живые микроскопические объекты выглядят в обычном микроскопе едва заметными, прозрачными, потому что они почти не изменяют ни амплитуды, ни цвета прошедшего через них луча. 
Они изменяют только фазу его волны, но это изменение не улавливается ни глазом, ни фотопластинкой. Пучок лучей, дифрагированных объектом и сдвинутых им по фазе, проходит через те участки объектива, где не могут пройти прямые, недифрагированные лучи фона. Практически нетрудно определить, где именно пройдут эти лучи. Если накрыть этот участок одной из линз объектива полупрозрачной пластинкой, способной изменить фазу, интенсивность, цвет или все эти три свойства вместе, то изображение фона изменит свою фазу, уменьшится его яркость или преобразится цвет. Лучи, прошедшие через объект и отклоненные (дифрагированные) им, обойдут вложенную в объектив пластинку и, следовательно, не приобретут тех свойств, которые приобрели, пройдя через пластинку, лучи фона. В результате разница между лучами фона и объекта возрастет. Если разница фаз между лучами фона и объекта достигает J/4 длины волны, то в конечном изображении возникает заметный для глаза и фотопластинки контраст: темный объект на светлом фоне или, наоборот, в зависимости от структуры пластинки, которую в этом случае называют «фазовой». Если же пластинка изменяет главным образом яркость и цвет фона, то такой микроскоп следует назвать амплитудно-контрастным (большое распространение получило более короткое, хотя и не совсем правильное название «аноптральный»).   Таким образом, разница между фазово-контрастным и амплитудно-контрастным микроскопом определяется свойствами пластинки в объективе, изменяющей свойства недифрагированных лучей фона. Изображения, построенные этими микроскопами, значительно ярче и богаче деталями, чем темнопольные картины. 
 

С появлением фазово- и амплитудно-контрастных микроскопов витальная микроскопия получила прекрасную технико-методическую базу, возможности которой близки к предельным для световой оптики. Никакой фиксации или окраски объекта эти приборы не требуют. Современная витальная микроскопия чрезвычайно расширила наши знания о поведении и динамике живых микрообъектов в естественных и лабораторных условиях обитания и эксперимента. Ускоренная (рапид) и замедленная (цейтрафферная) микрокиносъемка сделали доступными для исследования процессы, скорость течения которых слишком велика или слишком мала для визуального наблюдения. Выпускаемые промышленностью фазово-контрастные и амплитудно-контрастные (аноптральные) устройства недороги, легко монтируются на серийных микроскопах; использование их не представляет затруднений. Эти приборы, несомненно, будут находить все новые области применения как в научных исследованиях, так и в медицинской практике.

  Поляризационная микроскопия основана на изменении плоскости колебаний световой волны после прохождения через кристаллы. В практической медицине не применяется. Современная микроскопия требует применения разнообразной вспомогательной аппаратуры. Нагревательные столики и термостаты позволяют выдерживать и наблюдать объект длительное время при заданной температуре. Для длительного выращивания микробов или тканевых культур в поле зрения сильного объектива служат разнообразные микрокамеры. Окулярные и объективные микрометры делают возможными точные измерения микрообъектов. Промышленность выпускает микроманипуляторы для операций на микрообъектах. Для получения стереоскопического изображения при увеличениях до 100 раз предназначены бинокулярные лупы и стереомикроскопы. Широко производится и используется аппаратура для микрофотографии и микрокиносъемки.

Ультрафиолетовая микроскопия. Ультрафиолетовые лучи применяются в микроскопии для повышения разрешающей способности оптического микроскопа и для дифференциации на исследуемом шлифе элементов и фаз различного химического состава.

Повышение разрешающей способности достигается применением для освещения шлифа невидимого для глаза ультрафиолетового излучения. Средняя длина волны становится равной 0,3 мкм, т. е. в два раза меньше длины волны видимой части спектра, что позволяет разрешать элементы структуры до 0,2 мкм = 2*10-4 мм. Разделение фаз различного химического состава определяется различным характером поглощения или отражения света в ультрафиолетовой и в видимой областях спектра. У целого ряда элементов и ультрафиолетовой части спектра расположены основные сильные полосы поглощения и имеют начало области сплошного поглощения с резкими границами со стороны длинных волн. Это дает возможность выявлять на микрофотографиях, получаемых в ультрафиолетовых лучах соответственно выбранной длины волны, многие новые детали структуры, обнаруживаемые с помощью обычного микроскопа лишь в результате сложной обработки, многоступенчатого травления или специальной окраски.

Более подробные данные о составе отдельных структурных составляющих сплава можно получить, фотографируя один и тот же участок шлифа в различных длинах волн ультрафиолетового излучения и получая путем микрофотометрирования спектральные кривые поглощения соответствующих элементов. Микрофотометрирование производится при помощи микрофотометра, который насаживается на тубус микроскопа и служит для измерения интенсивности света, отраженного от шлифа.

Е. М. Брумберг разработал и применил для микроскопического исследования метод искусственного расширения способности глаза воспринимать ультра-фиолетовую область спектра, на основе которого им создан микроскоп с ультрафиолетовым излучением.

Избирательность отражения ультрафиолетовых лучей дает возможность многие бесцветные при обычном освещении металлы и фазы наблюдать ярко-цветными при ультрафиолетовом освещении. В ряде случаев приходится подвергать поверхность шлифа травлению химическими реактивами, используя избирательное поглощение образующихся пленок. Если в примененном для травления реактиве анион прозрачен в используемой для наблюдения ультрафиолетовой области, то поглощение пленки определяется обычно поглощением катиона, извлеченного реактивом из исследуемого участка шлифа и, следовательно, характеризует последний. Данные, получаемые при изучении поглощения тонких пленок, позволяют подбирать микрохимические реакции на поверхности шлифа. Для ультрафиолетовой микроскопии необходимо тщательное приготовление шлифа, так как малейшая царапина, не заметная при исследовании в обычном микроскопе, при освещении ультрафиолетовыми лучами становится резко видимой.

При исследовании структуры литейных алюминиевых сплавов методом цветной ультрафиолетовой микроскопии авторы совместно с М. Л. Бернштейном и Е. Н. Никитиной применяли анодное оксидирование шлифов сплавов АЛ4, АЛ9 в 20%-ной серной кислоте при плотности тока 0,3 А/дм2. Катодом служил свинец.

Оксидирование проводилось до получения бледно-голубой окраски на поверхности шлифа. Время получения такой пленки - от нескольких секунд до двух-трех минут в зависимости от химического состава исследуемого сплава.

Микроструктуру литого сплава АЛ21 фотографировали на ультрафиолетовом микроскопе при последовательном освещении лучами трех различных длин волн (750, 365, 313 мкм). Полученные три снимка различаются между собой степенью поглощения ультрафиолетовых лучей. На флюоресцирующем экране микроскопа при визуальном наблюдении этого микрошлифа четко различаются по окраске фаза Т(Al6Cu3Ni) ярко-красного цвета, темно-красная фаза SNi[Al3(CuNi)2], голубая фаза S(Al2CuMg), разветвленные мелкозернистые эвтектики, располагающиеся между зернами α-твердого раствора. Зерно твердого раствора принимает определенный оттенок окраски за счет некоторого количества ультрадисперсных частиц вторых фаз - продуктов распада.

Для фиксирования цветного изображения микроструктуры на специальном приборе - хромоскопе позитивный черно-белый трехпольный снимок, полученный на ультрафиолетовом микроскопе, сводится в один и проецируется объективом на цветную фотопленку.

Недостатками метода ультрафиолетовой микроскопии являются необходимость применения дорогих кварцевых линз вследствие интенсивного поглощения ультрафиолетового излучения стеклом и относительная сложность техники цветного фотографирования.

 

2. Примеры объективов для УФ микроскопии

А) Известен ахроматический микрообъектив с особо большой апертурой и светосилой при увеличении U=-20, А=0,77 [1]. Он содержит четыре компонента, последовательно расположенных вдоль оптической оси: первый компонент - двухлинзовый склеенный; второй и четвертый - трехлинзовый склеенный; третий компонент - одиночный мениск.

К основным недостаткам микрообъектива относятся сложность конструкции, низкое светопропускание и недостаточно высокая разрешающая способность. Входная апертура данного микрообъектива - 0,65.

.

Рис 1.1 Микрообъектив с особо большой апертурой

	Б) Микрообъектив содержит четыре компонента, первый и второй из которых положительные мениски, обращенные выпуклостью друг к другу, третий - двухсклеенный из отрицательного мениска и двояковыпуклой линзы, четвертый - двухсклеенная положительная линза. Коэффициент дисперсии оптического материала второго компонента составляет 0,3-0,6 коэффициента дисперсии первого компонента, четвертый компонент состоит из двояковыпуклой либо менискообразной положительной линзы и отрицательного мениска, обращенного выпуклостью к изображению. Обеспечивается улучшение качества изображения за счет обеспечения высокой разрешающей способности и светосилы, а также повышение входной и выходной апертур при сохранении простоты и технологичности конструкции микрообъектива.

 

Рис 1.2 Микрообъектив четырехкомпонентный

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Постановка задачи

Целью разработки является габаритный, светотехнический и аберрационный расчеты оптической системы объектива с предоставлением графиков аберраций, расчет её конструктивных параметров, разработка чертежа оптической схемы, выпуск конструкторской документации.