автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.07, диссертация на тему:Исследование и разработка оптических систем для изучения фрагментов ДНК

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ, МЕХАНИКИ И ОПТИКИ

На правах рукописи

ДЕМИДОВА ЕЛЕНА АЛЕКСАНДРОВНА

УДК 535.317

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ ФРАГМЕНТОВ ДНК

Специальность 05.11.07 - Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2005

Работа выполнена на кафедре Прикладной и Компьютерной Оптики Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

ГРАММАТИН Александр Пантелеймонович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

СОКОЛЬСКИЙ Михаил Наумович

кандидат технических наук, ст. н. сотрудник ВАСИЛЕВСКИЙ Олег Николаевич

Ведущая организация: ВНЦ ТОЙ им. С.И. Вавилова"

Защита диссертации состоится 2005 г. в /5"" ч. ЗО мин. на

заседании диссертационного совета Д 212.227.01 «Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы» при Санкт-Петербургском государственном университете информационных технологий, механики и оптики, по адресу: г. Санкт-Петербург, пер. Гривцова, д. 14, аудитория 314".

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Университета.

Ваши отзывы и замечания по автореферату (в 2-х экз.), заверенные печатью, просим направлять по адресу института:

197101, Санкт-Петербург, Кронверский пр., дом 49, Ученому секретарю диссертационного совета Д 212.227.01.

Автореферат разослан "ДА 2005 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.227.01, кандидат технических наук, доцент

Общая характеристика диссертационной работы

Актуальность работы

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 объективов, входящих в состав люминесцентных михровидеоанализаторов 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.

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 ярленио:-------

РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ )

библиотека i сп,«^^;

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 пеиность работы;

- рассчитан, разработан и изготовлен симметричный восьми линзовый объектов 1x0.35 с линейным полем диаметром 5мм;

- 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;

- рассчитан, разработан и находится на стадии изготовления симметричный десяти линзовый объектив 1x0.35 с линейным полем диаметром 10 мм;

- 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 н объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка из 19 наименований и 18 приложений; содержит 106 страниц машинописного основного текста, 49 рисунков, 8 таблиц.

Содержание работы

Введение

Разработка микровидеоанализаторов изображений началась с рождения биочипа одного из главнейших биологических открытий последнего времени. Биочип представляет собой предметное стекло от биологического микроскопа, на поверхности которого расположена 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.

Во введении рассмотрены существующие модели люминесцентных микровидеоанализаторов изображений и входящие в их состав объективы. Проводится сравнение микровидеоанализаторов, предложенных Институтом молекулярной биологии им. В.А. Энгельгарда РАН и разработанных в ГОИ им. С.И. Вавилова со сканирующей установкой, используемой за рубежом.

Объективы для люминесцентного анализа биочипов должны обладать уникальным сочетанием увеличения, линейного поля и числовой апертуры, не свойственным традиционным оптическим системам. Итак, 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 ПЗС выходная числовая апертура объектива должна составлять примерно 0.3 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 -г- 20 мм.

Существующие критерии оценки качества изображения не подходят для разрабатываемых объективов, поскольку приводят к чрезвычайно завышенному качеству. Поэтому в диссертационной работе предложен расчетный критерий для оценки качества изображения объективов, входящих в состав микровидеоанализаторов. Критерий основан на вычислении отношения количества лучей N2, прошедших через площадь кольца 2, диаметр которого порядка 0.15 мм (рис.1), к количеству лучей N1, прошедших через площадь круга 1, диаметр которого равен размеру ячейки, в нашем случае 0.1 мм, т.е.

М=1-Н2/Ы1. (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.

Рис. 1 1- круг, 2- кольцо

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.

Глава!

Первая глава посвящена исследованию симметричных линзовых объективов с однократным увеличением, числовой апертурой 0.35, с линейными полями не менее 5 мм и рабочими расстояниями не менее 6 мм.

Показано, что создание объектива однократного увеличения на основе готовых фотообъективов не является оптимальным.

Предложена методика расчета симметричных линзовых объективов.

Расчет рассматриваемых объективов облегчается тем что, во-первых, нет необходимости корригировать в отдельной половине объектива такие аберрации, как кому, дисторсию и хроматизм увеличения, поскольку они будут автоматически устранены в системе в целом благодаря симметричности. Во-вторых, хроматизм положения и сферохроматическая аберрация сравнительно

легко исправимы, поскольку объектив имеет узкую область спектра, примерно в 3-5 раз уже области спектра фотообъективов.

В данной главе представлены рассчитанные симметричные линзовые объективы:

1. восьми линзовый объектив 1x0.35 (рис. 1.1) с линейным полем 5 мм и рабочим расстоянием 6 мм, который изготовлен и показал хорошие результаты при испытаниях;

2. десяти линзовый объектив 1x0.35 (рис. 1.2) с линейным полем диаметром 10 мм, рабочим расстоянием 15 мм и работающего в двух спектральных интервалах (0,565 - 0,625 нм и 0,690 - 0,715 нм) без перефокусировки. В настоящий момент объектив находится на стадии изготовления.

Глава 2

Во второй главе диссертации исследованы различные конструкции зеркально-линзовых объективов без экранирующего элемента.

Первоначально рассмотрен объектив однократного увеличения, состоящий 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. Коэффициент засветки изображения определяется по формуле:

^ т (¿впит') ' ^

где N - общее количество ячеек, г - радиус ячейки; £ - расстояние от плоскости предмета до плоскости изображения; т - коэффициент пропускания объектива; ст' - апертурный угол в пространстве изображений.

Оценим порядок величины у. Примем т=0.8, £=100 мм, зто'=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 не более, чем в 1.5 раза.

Таким образом, установлено, что коэффициент засветки не превышает 0.1 % и намного меньше такового, возникающего за счет рассеянного света в обычных объективах

Очевидно, что объектив, составленный из двух сферических зеркал, обладает всеми монохроматическими аберрациями, кроме комы и дисторсии. В одной из своих работ профессор В.А. Зверев показал, что устранить сферическую аберрацию сферического зеркала можно за счет введения плоскопараллельной пластинки, толщина которой определяется по формуле:

<1 = п

-1

1 + лА - вт2 а' (22)

} . 1 - 8Ш2 О"'

вт2 а

где <1 - толщина плоскопараллельной пластинки, п - показатель преломления стекла плоскопараллельной пластины, & — апертурный угол в пространстве изображений,/' - фокусное расстояние зеркала.

Если ограничиться устранением сферической аберрации зеркала только третьего порядка, то формула (2.2) примет более простой вид:

¿ = (2-3)

и -1

Итак, система, состоящая из двух сферических зеркал с плоскопараллельной пластинкой между ними (рис.2.2) будет свободна от сферической аберрации, комы, дисторсии и хроматизма увеличения. Для устранения хроматической аберрации положения вводится хроматическая поверхность. Этот прием позволяет устранить или уменьшить хроматические аберрации, не нарушая уже достигнутой коррекции монохроматических аберраций. Таким образом, качество изображения системы будет определяться аберрациями (астигматизмом и кривизной изображения) зеркал.

Исследование систем данного типа показало, что для получения удовлетворительного качества изображения объектива, фокусное расстояние зеркал/7 должно быть вычислено по ниже приведенной эмпирической формуле:

О.Ь5у'2А

Н'

(2.4)

где 2у' - линейное поле, 28^ - геометрический кружок рассеяния. На рис. 2.2 приведен объектив 1x0.37 с линейным полем б мм, рассчитанный с применением формул (2.3) и (2.4).

Рис. 2.2

Рис.2.3

Недостатком объектива являются сравнительно большие поперечные габариты и масса стекла, составляющая примерно 1880 грамм. Для облегчения конструкции можно заменить плоскопараллельную пластину двумя положительными менисками, расположив их в отверстиях зеркал (рис. 2.3). Мениски будут компенсировать сферическую аберрацию зеркал. Дня устранения хроматизма положения, мениски разбиваются на положительную линзу, выполненную из флинта (ТФ4) и на отрицательную линзу, выполненную из крона (СТК19). Масса стекла полученного объектива примерно равна 450 грамм, что почти в четыре раза меньше массы объектива 1x0.37 (рис. 2.2).

Для получения оптической системы, обладающей увеличением отличным от единицы, необходимо установить второе по ходу лучей зеркало с радиусом кривизны равным произведению требуемого увеличения на радиус кривизны первого зеркала. Для исправления комы плоскопараллельная пластина склеена со вторым зеркалом и на нем расположена аперпгурная диафрагма Для устранения хроматических аберраций этот компонент разбивается на линзу из флинта с отражающей поверхностью, и плоскопараллельную пластину, выполненную из крона. Схема объектива 1.2x0.37 с линейным полем диаметром 5 мм приведена на рис. 2.4.

В зеркально-линзовых объективах, рассматриваемых во второй главе, размер линейного поля предмета ограничен аберрациями (астигматизмом и кривизной изображения) зеркал.

Зеркально-линзовые объективы значительно проще по конструкции, чем линзовые, так как содержат меньшее количество оптических деталей. Недостатком являются большие габариты и наличие экранирования входного зрачка.

Глава 3

В главе 3 рассмотрены аберрационные свойства оптических систем, состоящих из конфокальных поверхностей. Такие системы свободны от всех аберраций, кроме меридиональной составляющей астигматизма.

Сначала рассматривается система из двух преломляющих поверхностей, где плоскость предмета располагается в среде с показателем преломления П\ Ф 1. Третья среда системы - воздух. Для устранения меридиональной составляющей астигматизма необходимо расположить входной зрачок на бесконечности, сделать систему афокальной и исправил, сферическую аберрацию в зрачках. При наличии всего двух поверхностей выполнить одновременно два последние условия невозможно. Поэтому ограничиваемся устранением меридиональной составляющей астигматизма для крайней точки поля изображения. При этом соответствующий главный луч в пространстве изображений будет параллелен оптической оси.

Для вывода соотношения, связывающего величину Тт с конструктивными параметрами системы, удобно воспользоваться формулой:

Z'/я=Э''smo'coso,, и формулой, предложенной Л. В. Романовой:

ы\

где Я=Сг1-51)8тсть а при о\=0, Н~у

агсвш —!—

- агсвт

(3.1)

(3.2)

Разложив агсвт в ряд (агс5гпх=х+х3/б+Зх}/40+...) и ограничившись первыми тремя членами, получим:

1 Г\ПМ П!)

. _ м^Г 1 О

оу -—-—2гт ~з---г

6 1 П 1«г+1 Щ )

^»-¿Кп^Е-т —т

40 1 п И/ )

(3.3)

(3.4)

(3.5)

где а да - обуславливает появление третьих порядков величины 2'т, а у - обуславливает появление пятых порядков величины Х'т а уп- обуславливает появление седьмых порядков величины 2'т.

Из условия афокальности системы, принимая во внимание выражение (3.3), находим:

(3.6)

П7 -«1

Предположим, что меридиональной составляющей астигматизма УП порядка можно пренебречь из-за ее малой величины по сравнению с меридиональной составляющей астигматизма V порядка. Тогда, на основании формул (3.1), (3.4) и (3.6) получим:

(«2-1? )

При проверке формулы (3.7) расчетом хода лучей на компьютере было установлено, что в широком меридиональном пучке лучей при наличии меридиональной составляющей астигматизма имеет место аберрация седьмого порядка (сагитта), примерно пропорциональная третьей степени числовой апертуры и четвертой степени величины^.

щ у

6г,3И23

и3 »2

щ

(3.7)

(3.8)

Обратим внимание, что при выводе формулы (3.8) было использовано лишь свойство концентричности оптической системы, поэтому она пригодна для использования в любых системах, состоящих из конфокальных поверхностей.

Проверка выведенных выше формул путем расчета хода лучей на персональном компьютере подтвердила их правильность. При этом было выявлено интересное свойство пятен рассеяния для некоторых участков полей изображения у систем, обладающих сагиттой седьмого порядка. При определенных условиях в некоторых точках поля изображения геометрическая фигура рассеяния может иметь форму близкую к прямоугольнику или квадрату.

Для анализа формы пятна рассеяния получены зависимости поперечных аберраций от текущего значения апертурного угла о^ в виде:

Ау'^-0.75сЛ%&А + ац£а'л, (3.9)

А*'=0.25 сЛъа'л, (3.10)

где а=Ьу'/\%в'-

Переходя к полярным координатам, получим:

Лу'«-0.75йгр совв + ар 3соз3в (3.11)

Ах —О.25йрзш0. (3.12)

Результаты расчета по формулам (3.11) и (3.12) в графическом виде представлены на рис. 3.1. Нетрудно видеть, что внешние контуры пятна рассеяния близки по форме к квадрату. Верхняя и нижняя части контура представляют собой прямые линии. Боковые части — незначительно округлены.

1 _2 3

аХ'

Рис. 3.1 1,2,3 - траектории трех лучей в плоскости изображения,

обегающих входной зрачок по окружностям через каждые 15°, радиусы которых равны соответственно 1, VÔ3 , 0.5.

Глава 4

В главе 4 исследованы зеркально-линзовые объективы, построенные на базе объектива "Микронар" (рис. 4.1).

Существенным недостатком конструкции объектива "Микронар" (рис.4.1) является наличие призмы-куб 1 с полупрозрачной пшотенузной гранью 2, обеспечивающей разделение плоскостей предмета и изображения, в результате чего потери света достигают 80%.

Для устранения этого дефекта призма-куб заменяется двумя прямоугольными призмами 1,2 (рис. 4.2), осуществляющими пространственное разделение плоскостей предмета и изображения путем выделения из круглого поля изображения кольцевого сектора.

1 Плоскость

[фсдыетя

Рис. 4.1 Объектив "Микронар".

Рис. 4.2

Зеркально-линзовый объектив "Микронар" представляет собой концентрическую 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 систему, качество изображения которой определяется меридиональной составляющей астигматизма пятого и седьмого порядков и аберрацией седьмого порядка широкого наклонного пучка в меридиональном сечении.

Меридиональную составляющую астигматизма пятого и седьмого порядка можно определить по формулам:

4

7'

тУ

(4.1)

-2г?+2п-х)

4л

(4-2)

Отметим, что значения 2'тУ и 2'тщ определены в воздухе, а не в среде с показателем п.

В главе 3 был сделан вывод, что формула (3.8) 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 формула, определяющая аберрацию широкого наклонного пучка в меридиональном сечении с учетом влияния меридиональной составляющей астигматизма VII порядка, будет иметь следующий вид:

М =-—кг +г^т(1 + соз2а)]

со ест

(4.3)

Поскольку совет«!,то выражение (4.3) можно упростить

(4.4)

Принимая во внимание наличие плоской поверхности из формулы (4.4) следует, что аберрация широкого наклонного пучка:

(4.5)

п

Существенным недостатком системы "Микронар" является отсутствие рабочих расстояний, как со стороны предмета, так и со стороны изображения.

Если в рассмотренной выше конструкции объектива уменьшить толщину плосковыпуклой линзы, как бы отрезав от неё плоскопараллельную пластинку и переместив соответственно совмещенные плоскости предмета и изображения, то благодаря телецентрическому ходу главных лучей, как в пространстве предметов, так и в пространстве изображений, появятся только сферическая аберрация и хроматизм положения.

Можно предложить несколько способов устранения сферической аберрации:

1. Введение мениска, первая поверхность которого концентрична зрачку и таким образом, свободна от астигматизма, а второй радиус поверхности равен радиусу первой, что обеспечивает устранение кривизны изображения.

2. Введение вблизи от вершины зеркала тонкого двухлинзового афокального компонента, обладающего, как известно, произвольным значением основного параметра Р. Хроматизм положения может быть компенсирован путем подбора марок стбкол. 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.

3. Асферизация зеркала. При этом кома и астигматизм не изменяются, поскольку высота главного луча на зеркале равна нулю.

На этапе габаритного расчета, зная технические характеристики объектива (апертуру А, линейное поле 2у и рабочее расстояние 5), можно определить габариты системы, а также приблизительно оценить качество

Толщина призмы <1; может быть найдена по формуле:

2(46) \-2tgcy

где а - апертурный угол в пространстве предметов, а" — апертурный угол в призме,« - рабочее расстояние.

Радиус плоско-выпуклой линзы:

г,= -(л 5+ <// + <&), (4.7)

где ¿2 - толщина плоско-выпуклой линзы, выбранная из конструктивных соображений; п - показатель преломления призмы и плоско-выпуклой линзы. Радиус поверхности зеркала о можно найти по формуле:

г,= г2—, (4.8)

п

Расстояние между плоско-выпуклой линзой и зеркалом равно:

= —(4.9) я — 1

На первом этапе оценки качества изображения примем, что плоскость предмета располагается на катете призмы, тогда, по формулам (4.1), (4.2) и (4.5) можно вычислить значения присутствующих аберраций, и определить какое качество имеет система. Если система имеет удовлетворительное качество изображения, то можно переходить к компенсации сферической аберрации (по выше предложенным вариантам 1-3), возникшей на первой и последней поверхностях призм в результате введения рабочего расстояние.

Зеркально-линзовые объективы, рассчитанные по предложенной методике габаритного и аберрационного расчетов, приведены на рисунках 4.3 - 4.6. Объективы, представленные на рис. 4.3 и 4.4 изготовлены.

Рис. 4.5 Объектив 1x0.35 с линейным полем 10x12 мм

Рис. 4.6 Объектив 1x0.35 с линейным полем 10x12 мм

Глава 5

В главе 5 рассмотрена схема 1x0.35 (рис. 5.1), построенная на базе объектива "Авангард", который представляет собой конфокальную концентрическую систему. Оптические детали 2 и 3, выполнены из разных марок стекол, имеющих показатели преломления соответственно л/ и л2■

Найдено соотношение между показателями преломления, обеспечивающее устранение меридиональной составляющей астигматизма пятого порядка в моноблочной системе однократного увеличения:

л2 = 0.5(л/20 - 2}г, я 1.236л,.

(5.1)

Плоскость предмета

Рис. 5.1

22.2

103.4

Заключение

1. Исследованы и рассчитаны симметричные линзовые объективы однократного увеличения.

2. Показано, что создание объектива однократного увеличения на основе готовых фотообъективов не является оптимальным.

3. Исследованы и рассчитаны зеркально-линзовые объективы без экранирующего элемента. Установлено, что ^ коэффициент засветки изображения не превышает 0.1 % и намного меньше такового, возникающего за счет рассеянного света в обычных фотообъективах.

4. Исследованы и рассчитаны зеркально-линзовые объективы автоколлимационного типа.

5. Предложены методики габаритного и аберрационного расчета исследованных объективов.

6. Получены формулы для оценки монохроматических аберраций высших порядков в системах, составленных из конфокальных поверхностей.

7. Впервые установлено, что в системах из конфокальных поверхностей в некоторых точках поля изображения геометрическая фигура рассеяния может

иметь форму близкую к прямоугольнику или квадрату, и выведены формулы, объясняющие это явление.

8. Исследована и рассчитана моноблочная система однократного увеличения, для которой найдено соотношение между показателями преломления, обеспечивающее устранение меридиональной составляющей астигматизма пятого порядка.

9. Разработан критерий для оценки качества изображения объективов, входящих в состав микровидеоанализаторов изображений.

10. Практическим результатом диссертационной работы является расчет, разработка и изготовление четырех объективов:

- симметричного восьми линзового объектива 1x0.35 с линейным полем диаметром 5мм;

- симметричного десяти линзового объектива 1x0.35 с линейным полем диаметром 10 мм;

- зеркально-линзового объектива 1x0.35 с линейным полем 6x8 мм;

- зеркально-линзового объектива 1x0.35 с линейным полем 12x18 мм для ультрафиолетовой и любой узкой видимой областей спектра.

До теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Демидова Е.А. Объективы симметричного типа для анализа биологических микрочипов. Ш Международная конференция молодых ученых и специалистов «Оптика — 2003», сборник трудов. Санкт-Петербург. 2003. С. 133-134.

2. Грамматин А.П., Демидова Е.А. Объективы для люминесцентного анализа фрагментов ДНК. Оптический журнал. 2004. Т.71. № 2. С. 28-31.

3. Демидова Е.А. Симметричные линзовые объективы для анализа биологических микрочипов. Изв. Вузов. Приборостроение. 2004. Т.47. №12. С.50-53.

4. Грамматин А.П., Демидова Е.А. Свойства зеркально-линзовых объективов автоколлимационного типа. Научно-технический вестник. СПб: СПбГУ ИТМО, 2004. Выпуск 15. С. 175-178.

5. Грамматин А.П., Демидова Е.А., Зверев В.А., Романова Г.Э. Аберрационные свойства оптической системы из двух отражающих поверхностей сферической формы с компенсатором. Оптический журнал. 2004. Т.71. №4. С. 11-15.

6. Грамматин А.П., Демидова Е.А. Аберрационные свойства оптических систем, состоящих из конфокальных поверхностей. Оптический журнал. 2005. Т. 72. №2. С. 19-23.

1 к

РНБ Русский фонд

2006-4 14320

I

Тиражирование и брошюровка выполнены в Центре «Университетские телекоммуникации». Санкт-Петербург, Саблинская ул., 14. Тел. (812)233-46-69 Объем 1 п.л. Тираж 100 экз.

Введение.

Глава 1. Линзовые объективы однократного увеличения.

Глава 2. Зеркальные и зеркально-линзовые объективы без экранирующего элемента

Глава 3. Аберрационные свойства оптических систем, состоящих из конфокальных поверхностей.

Глава 4. Зеркально-линзовые объективы, построенные на базе объектива "Микронар".

4.1 Объектив "Микронар".

4.2 Свойства зеркально-линзовых объективов автоколлимационного типа.

Глава 5. Система, построенная на базе объектива "Авангард".

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 АйутеШх и французской ЬюМупеих разработали ДНК-чип, получивший название РоосНЕхреЛ-ГО, 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, микровидеоанализаторы должны быть оснащены возбуждающими и запирающими светофильтрами (кривая 3 на рис.1), обладающие высоким пропусканием и крутыми границами. с о •1-1 я Л с

13

100

80

60

40

20

500

550

600 650 700

Спи] ч / \ / / /

У

1 У /

Л ¿н ч

1 г 1г / \

1 1

1 I» 1

1 1

1 1

1

1 1 г I / \

1 А / \ г* "" /

1 . V

1 \ г* к ш ^ - У ч ч,

750

800

Рис.1 1-спектр возбуждения флуорохрома су-5, 2 - спектр люминесценции флуорохрома су-5,

3 - спектр пропускания запирающего светофильтра

В ГОИ им. С.И. 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 90ых 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 параболоидного 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. ч

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 (ё=2 мм) под покровным стеклом (ё=0.3 мм).

Апертурная

Плоскость объекта диафрагма 0 42.4 мм

Плоскость изображения

Водный раствор й=2 мм

335.57

Рис. 3 Объектив 1.7x0.4 с линейным полем в гаоскости предмета диаметром 7 мм т Ф

Плоскость объекта

Апчзтурная диафрагма 0 34.4 мм

Шоскость изображения

Рис. 4 Объектив 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 (7=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.Я. 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. с

Рис 5 Принципиальная огшпеская схема исследовательской модели микровидео анализатора 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 ((1=0.1 мм) под защитным стеклом (<1=1 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 ПЗС камеры. Устранить с помощью фильтров световой поток возбуждения, прошедший сквозь объект, практически невозможно.

Плоскость

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.

Объектов 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 планахроматический 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

Рис.9 Внешний вид портативной модели микровндеоанашзатора в состав котрого входит объектив 1.6x0.5.

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.

Рис. 9 Принципиальная схема сканирующей установки.

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 бичипом 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. С.И. 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 ПЗС 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 ПЗС выходная числовая апертура объектива должна составлять примерно 0.3 ч- 0.35. Таким образом, линейное увеличение объектива должно находиться в пределах 1 ч- 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 ч- 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 Ф2 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 N1, прошедших через площадь круга 1, т.е.

М=1-К2/М,. (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 5мм;

- 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.

Заключение

1. Исследованы и рассчитаны симметричные линзовые объективы однократного увеличения.

2. Показано, что создание объектива однократного увеличения на основе готовых фотообъективов не является оптимальным.

3. Исследованы и рассчитаны зеркально-линзовые объективы без экранирующего элемента. Установлено, что коэффициент засветки изображения не превышает 0.1 % и намного меньше такового, возникающего за счет рассеянного света в обычных фотообъективах.

4. Исследованы и рассчитаны зеркально-линзовые объективы автоколлимационного типа.

5. Предложены методики габаритного и аберрационного расчета исследованных объективов.

6. Получены формулы для оценки монохроматических аберраций высших порядков в системах, составленных из конфокальных поверхностей.

7. Впервые установлено, что в системах из конфокальных поверхностей в некоторых точках поля изображения геометрическая фигура рассеяния может иметь форму близкую к прямоугольнику или квадрату, и выведены формулы, объясняющие это явление.

8. Исследована и рассчитана моноблочная система однократного увеличения, для которой найдено соотношение между показателями преломления, обеспечивающее устранение меридиональной составляющей астигматизма пятого порядка.

9. Разработан критерий для оценки качества изображения объективов, входящих в состав микровидеоанализаторов изображений.

10. Практическим результатом диссертационной работы является расчет, разработка и изготовление четырех объективов: симметричного восьми линзового объектива 1x0.35 с линейным полем диаметром 5мм;

- симметричного десяти линзового объектива 1x0.35 с линейным полем диаметром 10 мм;

- зеркально-линзового объектива 1x0.35 с линейным полем 6x8 мм;

- зеркально-линзового объектива 1x0.35 с линейным полем 12x18 мм для ультрафиолетовой и любой узкой видимой областей спектра.

1.Барский И.Я., Грамматин А.П. и др. Широкопольные люминесцентные микроскопы для анализа биологических микрочипов // Оптический журнал. 1998. Т. 65. №Ц. С. 83-87.

2. Папаян Г.В., Агроскин JI.C., Барский И.Я. Приборы для аналитической микроскопии // Оптический журнал. 1993. - № 12 - С. 16-25.

3. DNA Microarrays edited by Mark Schena, Department of Biochemistry, Beckman Center, Stanford University Medical Center, Stanford, USA. C. 17-42.

4. Демидова E.A. Изв. вузов. Приборостроение. 2004. T.47. № 12. C.50-53.

5. Русинов M.M., Грамматин А.П. и др. Вычислительная оптика: Справочник // Под общ. ред. Русинова М.М. Д.: Машиностроение, 1984. С.59.

6. Русинов М.М. Композиция оптических систем. JL: Машиностроение, 1989. С.110-115.7.3верев В.А., Хлусова Н.И. Применение плоскопараллельной пластинки для исправления сферической аберрации. // Оптический журнал. — 1972, № 9, С.24-25.

7. Чуриловский В.Н. Теория хроматизма и аберраций третьего порядка. Л.: Машиностроение, 1968. 312с.

8. Тудоровский А.И. Теория оптических приборов. М.Л., А.Н. СССР, 1948. 661 с.

9. Грамматин А.П. Некоторые свойства концентрических оптических систем. // ОМП. 1971. № 4. С. 26.

10. Романова Л.В. О возможности исправления аберраций в концентрической системе на основании рассмотрения хода действительного луча. Сборник статей ЛИТМО, вып. 19, 1956.

11. Грамматин А.П., Ларина P.M., Горбунова В.А. Объективы для проекционной фотолитографии. // ОМП. 1976. № 11.С. 60-69.

12. Грамматин А.П., Стаселько Д.И. Безаберрационные оптические системы для формирования протяженных трехмерных изображений ансамблей частиц. // Оптика и спектроскопия 2000. Т.88. № 2. С. 341-346.

13. Грамматин А.П., Демидова Е.А. Объективы для люминесцентного анализа фрагментов ДНК. Оптический журнал. 2004. Т.71. № 2. С. 28-31.

14. Грамматин А.П. Автоколлимационный объектив // А. с. № 396662. Бюл. изобр. 1973. № 36. С. 103.

15. Слюсарев Г.Г. Методы расчета оптических систем. JL: Машиностроение, 1969. 670 с.

16. Грамматин А.П., Багдасаров A.A. Особенности использования трехзеркального концентрического объектива при малом поле // ОМП.1976. №4. С. 19-22.

17. Багдасаров A.A., Багдасарова О.В., Грамматин А.П. Двухзеркальные системы однократного увеличения. Оптический журнал. 1993. № 6. С. 48-51.

18. A.c. 822129//Бюл. изобр.-1981.-№ 14.1. Оптические характеристики1. Линейное увеличение -1.70

19. Числовая апертура ( А ) 0.40

20. Линейное поле предмета (2у), мм -7.00

21. Положение предмета относительно первой поверхности, мм -2.00

22. Положение изображения относительно последней поверхности, мм 34.07

23. Диаметр входного зрачка, мм 11.25

24. Положение входного зрачка относительно первой поверхности, мм -19.88

25. Положение выходного зрачка относительно последней поверхности, мм -12.27

26. Основная длина волны, нм 646.000

27. Диапазон ахроматизации, нм 589.000 656.000

28. Таблицы аберраций Представлены в плоскости Гаусса 8Г0 =34.071мм

29. Аберрации осевого пучка лучей

30. IIIIIIII IIIIIIIIII II—I—IIIIIII005 Диет0005 z'm, Ts9 90001 yxa-yxi1. РОШ оИ1. Дtgo' 2> оГ1.II|002 Ду'0. Б461. Б562. 5891. РОШ 1002 Ду*1. Сагиттальное сечение1. И*002 Дх' 0.02 Дх'

31. Геометрические пятна рассеяния для трех точек поля.

32. Х'А=0,ГА=0 Х'А-0,У'А=4.2799 Х'А=0,У'А«б.14451. У ,У У1. ГЛ.