PL228712B1 - Układ optyczny czujnika konfokalnego - Google Patents

Abstract

Układ zawiera quasi lunetkę chromatyczną, umieszczoną pomiędzy obiektywem czołowym (1) a obiektywem nadawczo - odbiorczym oraz sprzęgacz optyczny, światłowodowy lub pryzmatyczny, wprowadzający do układu światło białe oraz odprowadzający światło monochromatyczne do spektrometru (5). Obiektyw czołowy (1) stanowi obiektyw superachromatyczny, odwzorowującym przedmiot/obraz przy nieskończonej odległości, obiektyw nadawczo - odbiorczy stanowi obiektyw superachromatyczny o aperturze numerycznej większej od apertury numerycznej obiektywu czołowego, a quasi lunetka chromatyczna stanowi quasi lunetkę o zmiennym powiększeniu chromatycznym, złożoną z co najmniej czterech soczewek składowych, dwóch dodatnich soczewek zewnętrznych (13, 16) i dwóch ujemnych soczewek wewnętrznych (14, 15). Soczewki wewnętrzne (14, 15) stanowią przesuwny zespół zamocowany przesuwnie po osi optycznej względem pierwszej soczewki zewnętrznej (13), usytuowanej od strony obiektywu czołowego.

Description

RZECZPOSPOLITA

POLSKA

(12)OPIS PATENTOWY ₍i₉₎PL ₍n)228712 (13) B1 (51) IntCI.

(21) Numer zgłoszenia: 415367 G02B 21/00 (2006.01)

G01B 11/00 (2006.01)

Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (22) Data zgłoszenia: 17.12.2015 (54)

Układ optyczny czujnika konfokalnego

	(73) Uprawniony z patentu: INSTYTUT OPTYKI STOSOWANEJ IM. PROF. MAKSYMILIANA PLUTY, Warszawa, PL
(43) Zgłoszenie ogłoszono:
19.06.2017 BUP 13/17	(72) Twórca(y) wynalazku: TADEUSZ KRYSZCZYŃSKI, Warszawa, PL JERZY MIKUCKI, Warszawa, PL ADAM CZYŻEWSKI, Warszawa, PL
(45) O udzieleniu patentu ogłoszono:	DARIUSZ LITWIN, Warszawa, PL
30.04.2018 WUP 04/18	JACEK GALAS, Łomianki, PL STEFAN SITAREK, Nadarzyn, PL (74) Pełnomocnik: rzecz, pat. Jerzy Woźnicki

CM roo

CM

CM

Q_

PL 228 712 B1

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest układ optyczny czujnika konfokalnego, przeznaczony do pomiarów konfokalnej odległości roboczej ze zmianą zakresu pomiarowego.

Z opisu patentowego JPH09113240 znany jest konfokalny mikroskop skaningowy do badania próbek w trójwymiarowym układzie współrzędnych, w którym próbka oświetlana światłem białym jest oddalona od ogniska soczewki, a informacja o geometrii lub strukturze próbki jest wykrywana za pomocą spektroskopu na podstawie analizy spektralnej wiązki światła odbitej od powierzchni próbki. W tego typu konfokalnych mikroskopach skaningowych jest tylko jeden zakres pomiarowy.

Ze zgłoszenia patentowego PL 413837 znany jest układ optyczny czujnika konfokalnego z podglądem wizualnym, który zawiera w gałęzi spektrometrycznej obiektyw czołowy o korekcji apochromatycznej, quasi lunetkę chromatyczną z zamocowanymi na stałe soczewkami składowymi, oraz obiektyw nadawczo-odbiorczy również o korekcji apochromatycznej, którego apertura numeryczna jest taka sama jak apertura numeryczna obiektywu czołowego. Również w tym układzie optycznym czujnika konfokalnego jest tylko jeden zakres pomiarowy.

Celem wynalazku jest zbudowanie układu optycznego czujnika konfokalnego umożliwiającego pomiar odległości roboczej w zmiennym zakresie pomiarowym.

Układ optyczny czujnika konfokalnego zawierający quasi lunetkę chromatyczną umieszczoną pomiędzy obiektywem czołowym a obiektywem nadawczo-odbiorczym oraz sprzęgacz optyczny, światłowodowy lub pryzmatyczny, wprowadzający do układu światło białe oraz odprowadzający światło monochromatyczne do spektrofotometru, według wynalazku wyróżnia się tym, że obiektyw czołowy stanowi obiektyw superachromatyczny, odwzorowujący przedmiot/obraz przy nieskończonej odległości, obiektyw nadawczo-odbiorczy stanowi obiektyw superachromatyczny o aperturze numerycznej większej od apertury numerycznej obiektywu czołowego, a quasi lunetka chromatyczna stanowi quasi lunetkę o zmiennym powiększeniu chromatycznym, złożoną z co najmniej czterech soczewek składowych, dwóch dodatnich soczewek zewnętrznych i dwóch ujemnych soczewek wewnętrznych, które to soczewki wewnętrzne, pierwsza i druga, stanowią przesuwny zespół zamocowany przesuwnie po osi optycznej względem pierwszej soczewki zewnętrznej usytuowanej od strony obiektywu czołowego.

Korzystnym jest, jeżeli przesuwny zespół soczewek wewnętrznych jest zamocowany nastawnie dwupołożeniowo.

Korzystnym jest, jeżeli druga soczewka zewnętrzna jest zamocowana przesuwnie po osi optycznej względem pierwszej soczewki zewnętrznej.

Korzystnym jest, jeżeli superachromatyczny obiektyw czołowy zawiera co najmniej dwie soczewki dodatnie z fluorytu, oraz co najmniej jeden element optyczny zawierający fazową strukturę dyfrakcyjną.

Korzystnym jest, jeżeli superachromatyczny obiektyw nadawczo-odbiorczy zawiera co najmniej dwie soczewki dodatnie z fluorytu, oraz co najmniej jeden element optyczny zawierający fazową strukturę dyfrakcyjną.

Korzystnym jest, jeżeli dwie dodatnie soczewki zewnętrzne są wykonane ze szkła typu flintowego o liczbie Abbego mniejszej od 40, a dwie ujemne soczewki wewnętrzne są wykonane ze szkła typu kronowego o liczbie Abbego większej od 58.

Dzięki zastosowaniu superachromatycznego obiektywu na tubus nieskończony, który odwzorowuje przedmiot/obraz przy nieskończonej odległości, układ optyczny czujnika konfokalnego zachowuje wysoką jakość odwzorowania elementu obrazu w pobliżu osi optycznej przy chromatycznych zmianach konfokalnej odległości roboczej zarówno w świetle białym jak i monochromatycznym w szerokim widmie spektralnym. Zmniejszenie aberracji sferochromatycznej w superachromacie uzyskano dzięki temu, że obiektyw ten zawiera co najmniej dwie soczewki dodatnie z fluorytu oraz, co najmniej, jeden element optyczny z kwarcu topionego, na którego powierzchni wewnętrznej naniesiona jest fazowa struktura dyfrakcyjna. W ten sposób szczątkowa aberracja sferochromatyczna obiektywu czołowego została zredukowana do pojedynczych mikronów i nie może wpływać na dokładność pomiaru konfokalnej odległości roboczej.

Dzięki zastosowaniu quasi lunetki chromatycznej o zmiennym powiększeniu chromatycznym, składającej się, co najmniej, z czterech soczewek składowych: dwóch dodatnich soczewek zewnętrznych ze szkła typu flintowego o dobranej, z korzystnego zakresu, liczbie Abbego niniejszej od 40 i dwóch ujemnych soczewek wewnętrznych ze szkła typu kronowego o liczbie Abbego większej od 58, uzyskano w przestrzeni przedmiotowej czujnika konfokalnego aberrację chromatyczną podłużną na osi optycznej o wielkości potrzebnej do założonego pomiaru konfokalnej odległości roboczej, przy czym zespół dwóch

PL 228 712 B1 soczewek ujemnych wewnętrznych zamocowany przesuwnie po osi optycznej wraz z dodatnią soczewką zewnętrzną zamocowaną przesuwnie po osi optycznej względem tego zespołu pozwala na ciągłą zmianę powiększenia kątowego a tym samym ciągłą zmianę chromatyzmu quasi lunetki chromatycznej a w konsekwencji ciągłą zmianę zakresu pomiarowego. Bardziej prosta w wykonaniu jest lunetka chromatyczna o zmiennym powiększeniu chromatycznym, w której przesuwny zespół soczewek wewnętrznych jest zamocowany nastawnie dwupołożeniowo, w dwóch mocowaniach poosiowych.

Dzięki zastosowaniu superachromatycznego obiektywu nadawczo-odbiorczego, o aperturze numerycznej większej od apertury numerycznej obiektywu czołowego, układ optyczny czujnika konfokalnego zachowuje wysoka jakość odwzorowania elementu obrazu w pobliżu osi optycznej przy chromatycznych zmianach konfokalnej odległości roboczej zarówno w świetle białym jak i monochromatycznym w szerokim widmie spektralnym. Zmniejszenie aberracji sferochromatycznej tego superachromatu uzyskano dzięki temu, że obiektyw ten, podobnie jak obiektyw czołowy, ma co najmniej dwie soczewki dodatnie z fluorytu oraz co najmniej jeden element optyczny z kwarcu topionego, na którego powierzchni wewnętrznej naniesiona jest fazowa struktura dyfrakcyjna. W ten sposób szczątkowa aberracja sferochromatyczna superachromatycznego obiektywu nadawczo-odbiorczego mimo większej apertury numerycznej względem superachromatycznego obiektywu czołowego, została zredukowana do pojedynczych mikronów i nie może wpływać na dokładność pomiaru odległości konfokalnej.

Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat ideowy czujnika konfokalnego, fig. 2 przedstawia układ optyczny tego czujnika konfokalnego zawierający szczegółowe rozwiązania jego części składowych, a fig. 3 przedstawia inny układ optyczny czujnika konfokalnego.

Jak przedstawiono na fig. 1, układ optyczny czujnika konfokalnego zawiera quasi lunetkę chromatyczną 2 umieszczoną pomiędzy obiektywem czołowym 1 a obiektywem nadawczo-odbiorczym 3. Obiektyw czołowy 1 jest obiektywem superachromatycznym, quasi lunetka chromatyczna 2 jest quasi lunetką o zmiennym powiększeniu chromatycznym, a obiektyw nadawczo-odbiorczy 3 jest obiektywem superachromatycznym o aperturze numerycznej większej od obiektywu czołowego 1. Spektrofotometr 5 i źródło światła 6 są podłączane do układu optycznego czujnika konfokalnego za pomocą sprzęgacza optycznego 4.

Jak przedstawiono na fig. 2, 3, superachromatyczny obiektyw czołowy 1 zawiera dwie dodatnie soczewki wykonane z fluorytu 7, 8. Do obiektywu jest dołączona, co najmniej, jedna płytka płaskorównoległa 9 z kwarcu topionego, na której powierzchni wewnętrznej naniesiona jest fazowa struktura dyfrakcyjna. Płytka płaskorównoległa 9 jest umieszczona za przysłoną aperturową. Od strony czołowej obiektyw ma menisk wklęsło-wypukły. Dwie równolegle linie przerywane poniżej obiektywu ilustrują zakres pomiarowy.

Superachromatyczny obiektyw nadawczo-odbiorczy 3 zawiera, co najmniej, dwie dodatnie soczewki z fluorytu. Do obiektywu jest dołączona, co najmniej, jedna płytka płaskorównoległa 12 z kwarcu topionego, na której powierzchni wewnętrznej naniesiona jest fazowa struktura dyfrakcyjna. Płytka ta jest większa od płytki płaskorównoległej 9 obiektywu czołowego 1.

Quasi lunetka chromatyczna 2 o zmiennym powiększeniu chromatycznym jest zbudowana z co najmniej czterech soczewek składowych: dwóch dodatnich zewnętrznych 13, 16 ze szkła typu flintowego o liczbie Abbego mniejszej od 40 i dwóch ujemnych soczewek wewnętrznych 14 i 15 ze szkła typu kranowego o liczbie Abbego większej od 58. Zespół dwóch soczewek ujemnych 14 i 15 jest zamocowany przesuwnie po osi optycznej względem pierwszej soczewki zewnętrznej 13 usytuowanej od strony obiektywu czołowego 1.

W układzie przedstawionym na fig. 2, sprzęgacz optyczny 4 jest wykonany jako sprzęgacz światłowodowy 17. W tym układzie druga soczewka zewnętrzna 16 jest zamocowana przesuwnie po osi optycznej względem pierwszej soczewki zewnętrznej 13. Strzałki ilustrują możliwość przemieszczenia przesuwnego zespołu dwóch ujemnych soczewek wewnętrznych 14, 15 i drugiej soczewki zewnętrznej 16.

W innym układzie przedstawionym na fig. 3, sprzęgacz optyczny 4 jest wykonany jako sprzęgacz pryzmatyczny 18. W tym układzie przesuwny zespół dwóch soczewek wewnętrznych 14, 15 jest zamocowany nastawnie dwupołożeniowo, w alternatywnych pozycjach wskazanych strzałkami, dzięki czemu uzyskanie lunetki chromatycznej o zmiennym powiększeniu chromatycznym, w dwóch mocowaniach poosiowych quasi lunetki chromatycznej 2, jest znacznie prostsze. Druga soczewka zewnętrzna 16 może być zamocowana bez możliwości przesuwu.

PL 228 712 B1

Przykładowy superachromatyczny obiektyw czołowy 1, odwzorowujący przy nieskończonej odległości przedmiot/obraz, ma w korzystnym wykonaniu ogniskową równą 40 mm i aperturą numeryczną równą 0,12.

Przykładowy superachromatyczny obiektyw nadawczo-odbiorczy 3, odwzorowujący przy nieskończonej odległości przedmiot-obraz, ma w korzystnym wykonaniu ogniskową równą 40 mm i aperturą numeryczną równą 0,18 - większą od apertury numerycznej superachromatycznego obiektywu czołowego.

Powiększenie kątowe przykładowej quasi lunetki chromatycznej 2 o zmiennym powiększeniu chromatycznym leży w korzystnym wykonaniu w zakresie od 0.667 do 1.500. Ciągłe zakresy pomiarowe odchylenia chromatycznego konfokalnej odległości roboczej przy długościach fali świetlnej od 400 nm do 700 nm leżą w zakresie od 1.66 mm do 4.03 mm. Stosunek skrajnych zmian zakresów pomiarowych, przy długościach fali świetlnej od 400 nm do 700 nm, wynosi 2.4 z korzystnego zakresu od 2 do 3. Poosiowy ciągły zakres ruchu zespołu dwóch soczewek ujemnych wewnętrznych wynosi 15.3 mm, zaś ciągły zakres ruchu soczewki dodatniej 16 wynosi 7.9 mm.

Układ optyczny czujnika konfokalnego według wynalazku powinien być wyposażony w źródło światła białego dobrej jakości, zawierające ciągłe widmo fal światła widzialnego.

Claims (6)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Układ optyczny czujnika konfokalnego zawierający quasi lunetkę chromatyczną umieszczoną pomiędzy obiektywem czołowym a obiektywem nadawczo-odbiorczym oraz sprzęgacz optyczny, światłowodowy lub pryzmatyczny, wprowadzający do układu światło białe oraz odprowadzający światło monochromatyczne do spektrofotometru, znamienny tym, że obiektyw czołowy (1) stanowi obiektyw superachromatyczny, odwzorowujący przedmiot/obraz przy nieskończonej odległości, obiektyw nadawczo-odbiorczy (3) stanowi obiektyw superachromatyczny o aperturze numerycznej większej od apertury numerycznej obiektywu czołowego (1), a quasi lunetka chromatyczna (2) stanowi quasi lunetkę o zmiennym powiększeniu chromatycznym, złożoną z co najmniej czterech soczewek składowych, dwóch dodatnich soczewek zewnętrznych (13, 16) i dwóch ujemnych soczewek wewnętrznych (14, 15), które to soczewki wewnętrzne (14, 15), pierwsza i druga, stanowią przesuwny zespół zamocowany przesuwnie po osi optycznej względem pierwszej soczewki zewnętrznej (13) usytuowanej od strony obiektywu czołowego (1).
2. 2. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że przesuwny zespół soczewek wewnętrznych (14, 15) jest zamocowany nastawnie dwupołożeniowo.
3. 3. Układ optyczny według zastrz. 1, znamienny tym, że druga soczewka zewnętrzna (16) jest zamocowana przesuwnie po osi optycznej względem pierwszej soczewki zewnętrznej (13).
4. 4. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że superachromatyczny obiektyw czołowy (1) zawiera co najmniej dwie soczewki dodatnie z fluorytu (7, 8), oraz co najmniej jedną płytkę płaskorównoległą (9) z kwarcu topionego, na której powierzchni wewnętrznej naniesiona jest fazowa struktura dyfrakcyjna.
5. 5. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że superachromatyczny obiektyw nadawczo-odbiorczy (3) zawiera co najmniej dwie soczewki dodatnie z fluorytu (10, 11), oraz co najmniej jedną płytkę płaskorównoległą (12) z kwarcu topionego, na której powierzchni wewnętrznej naniesiona jest fazowa struktura dyfrakcyjna.
6. 6. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, dwie dodatnie soczewki zewnętrzne (13, 16) są wykonane ze szkła typu flintowego o liczbie Abbego mniejszej od 40, a dwie ujemne soczewki wewnętrzne (14, 15) są wykonane ze szkła typu kranowego o liczbie Abbego większej od 58.