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Blog de diseño óptico
Telephoto
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Ocular 10x Apocromático.
Objetivo de microscopio de 90X
En este enlace podemos ver otro diseño diferente de un objetivo de 60X, donde se utilizan muchos menos elementos, pero sin tanta calidad como éste. El artículo lo escribo de nuevo para que el lector tenga toda la información en esta misma página.
En este artículo expongo mi propio diseño un objetivo de microscopio de 90X aumentos, con un apertura numérica de 0.8 e inmerso en aire.
En la sección de ejercicios resueltos ya vimos cómo construir un objetivo muy sencillo de 10X. Una cosa que no vimos en aquel ejercicio es:
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El aumento lateral está relacionado con la longitud del tubo y la focal del objetivo de la siguiente manera:
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Aumento lateral = longitud del tubo/focal del objetivo.
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La apertura numérica y el número f/# están inversamente relacionados.
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NA=1/2(f/#)
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Igual que la otra vez, voy a diseñar el microscopio del revés. Eso significa que para tener un NA de 0.8, el sistema tendrá que tener un f/# de 0.625. La longitud del tubo va a ser 160 mm, lo que nos dice que la focal del objetivo es de 2.5 mm. El tamaño del objeto es de 8 mm, por lo que el tamaño de la imagen será 0.088 mm (en la realidad la muestra tendría 0.088 mm de altura y nosotros la ampliaríamos hasta tener 8 mm).
En la Figura 1 se muestra el informe del sistema.
Figura 1. Informe del microscopio de 90X.
El sistema está conformado por 25 superficies. Todas las superficies son esféricas. Los catálogos utilizados en este diseño son de CDGM, HIKARI, EPPSIR, HOYA, OHARA Y SCOTT. Como hemos comentado antes, el sistema un f/# de 0.625 (equivalente a un NA de 0.8). La focal del sistema es 1.80 mm pero debería ser 1.77 mm. La diferencia es mínima y aceptable. La BFL se sitúa a 0.847. Según la literatura, debería situarse un poco más lejos, en torno a 0.8, pero la BFL es suficientemente grande como para darla por buena. La longitud total del objetivo es 31.92 mm y el diámetro de la pupila de entrada es 2.89 mm.
El sistema está optimizado para cinco líneas espectrales, que van desde 0.47 hasta 0.65 micras.
El tamaño del Spot Size RMS es de 0.435, 0.483 y 0.690 micras para los campos de 0º, 4º y 8º respectivamente, siendo el tamaño del radio del disco de Airy de 0.4246 micras. El sistema es prácticamente "limited diffracted".
En el gráfica de la aberración longitudinal vemos que el tamaño de la escala es muy pequeño, del orden de exponente -3 y que hay al menos dos ceros para las longitudes de onda del espectro utilizado.
El sistema es acromático para las longitudes de 0.64 y 0.55. Está cerca de ser apocromático, tal y como se puede ver en la "Chromatic Focal Shift". Un dato reseñable es que el máximo rango de desplazamiento focal es solo de 0.5226 micras.
La MTF indica que el sistema a 1200 ciclos por mm tendría una resolución máxima de 0.47 en el plano tangencial y sagital. En eje, el sistema alcanza una resolución de 0.45 en ambos planos, en el campo de 4º alcanza una resolución de 0.44 y 0.45 para los planos tangencial y sagital respectivamente, mientras que para el campo de 8º la resolución es de 0.39 para el plano tangencial y 0.44 para el plano sagital. El sistema está muy cerca del límite de la difracción.
El sistema recoge mucha luz, ya la iluminación relativa no baja del 90% en ningún momento y la gráfica de la FFT Diffraction Encircled Energy está cerca del límite de la difracción. En esta última gráfica se puede comprobar que la irradiancia se queda sobre todo en el primer anillo.
La curvatura de campo es menor a dos micras mientras que la distorsión es menor al 1%. El color lateral es menor al 0.05 micras. En este sentido, la curvatura de campo y el color lateral están sobradamente compensados, mientras que la distorsión está solo un poco por debajo del mínimo. Utilizando la imagen de una rejilla se puede comprobar el impacto de la distorsión en el sistema, que es lo que se ve en el diagrama "Grid Distorsion". Asimismo, he generado una imagen simulada con Zemax donde se comprueba que hay una buena calidad de imagen y que ésta es invertida.
En los gráficos de la Ray Fan y OPD presentan una escala de 5 y 0.5 waves, lo que está muy bien. Las curvas presentes en las gráficas indican que las aberraciones del sistema están bien corregidas, siendo la mayor el astigmatismo con un valor de 0.256 waves.
En la Figura 2 realizamos un estudio de la tolerancia del sistema, donde muestro las limitaciones impuestas y los resultados obtenidos.
Figura 2. Informe de tolerancias relativas al microscopio de 90X.
Estos resultados los podríamos dar por buenos, pues el cambio es muy poco, del 0.007412. El mayor problema que puede tener el sistema es el descentramiento en las superficies más cercanas al objeto.
Si este artículo te ha resultado interesante, házmelo saber. Abajo tienes cómo contactar conmigo.
Muchas gracias y hasta otra.
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