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Comment miniaturiser un système optique pour fabriquer un dispositif d’imagerie compact

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Composants de dispositif d’imagerie microscopique compact pour les FEO

L’émergence de nouvelles technologies permet aujourd’hui de fabriquer des microscopes et d’autres dispositifs d’imagerie ayant une conception plus compacte que leurs encombrants prédécesseurs. Mais la miniaturisation de ces systèmes soulève une question importante : comment concevoir un système optique adapté à un dispositif compact ?

En tant que fournisseurs de premier plan de composants optiques pour les sciences de la vie, la médecine et l’industrie, cette problématique est souvent évoquée dans nos discussions avec les fabricants de dispositifs d’imagerie microscopique. Nous proposons ici quelques idées sur la manière de miniaturiser un système optique afin de l’adapter à un dispositif compact.

Principaux points à prendre en compte pour la conception d’un système optique compact

Le système optique qui s’étend de l’objectif d’un microscope à la surface d’imagerie d’une caméra (système optique d’imagerie) se compose de trois unités :

  • un objectif, qui est placé à proximité de l’échantillon ;
  • une lentille de tube, qui concentre le faisceau lumineux provenant de l’objectif ;
  • un adaptateur pour caméra, qui projette les images sur une caméra selon un grossissement approprié.

Il est important de sélectionner et de combiner les unités appropriées parmi les différentes options disponibles en fonction de l’utilisation que l’on souhaite faire de l’appareil. Voici certains des facteurs à prendre en compte pour chaque composant :

1. Objectifs

Nous fournissons plus de 100 types d’objectifs UIS2, notamment la série X Line, qui offre des niveaux de performance élevés pour trois éléments importants d’un objectif : l’ouverture numérique, la correction de l’aberration chromatique et la planéité de l’image. Ces objectifs ont également une distance parfocale de 45 mm, sont sans compensation et ont un faible encombrement. Nos objectifs X Line, ainsi que certains de nos autres objectifs, assurent le contrôle de l’aberration du front d’onde.

Utilisez la fonctionnalité Trouver le bon objectifpour filtrer les objectifs en fonction de vos paramètres les plus importants (ouverture numérique, grossissement, utilisation d’une lamelle porte-objet, immersion dans l’huile et aberration chromatique). Cet outil en ligne pratique vous aide à comparer leurs performances pour choisir la meilleure option.

2. Lentille de tube

Vous avez le choix entre les unités de lentille de tube SWTLU-C ou U-TLU. Les deux unités sont sans compensation. La lentille de tube SWTLU-C produit un cercle d’image de 26,5 mm couvrant un champ de vision ultra-large. Nous recommandons donc de la combiner avec un objectif X Line.

Nom du produit Cercle d’image Longueur totale Diamètre extérieur maximal Poids Filetage de montage
SWTLU-C 26,5 mm 33,6 mm 45 mm 94 g Engagement (φ 39) et vissage (M41x0,5 mm)
U-TLU 22 mm 63,6 mm 60 mm 350 g Queue-d’aronde circulaire (méthode Olympus exclusive)

Tableau 1 : Différences entre les caractéristiques techniques des lentilles de tube SWTLU-C et U-TLU

3. Adaptateur pour caméra

Nous proposons quatre types d’adaptateurs pour caméra avec différents grossissements de projection : U-TV1XC, U-TV0.63XC, U-TV0.5XC-3 et U-TV0.35XC-2. Veuillez sélectionner le champ de vision dont vous avez besoin en fonction de la taille du capteur du système de saisie d’images de votre caméra.

Production de dispositifs d’imagerie compacts offrant de larges champs de vision à faible grossissement

On observe dans le domaine des sciences de la vie une augmentation de la demande pour des dispositifs d’imagerie compacts offrant de larges champs de vision et permettant des observations à faible grossissement.

Dans ce contexte, voyons comment la longueur d’un système optique d’imagerie peut être minimisée en utilisant l’objectif UPLXAPO4X à faible grossissement de la série X Line. Ce processus peut être réalisé en quatre étapes :

Conception d’un système optique d’imagerie

Figure 1 : Disposition basique d’un système optique

1. Déterminer le champ de vision

La valeur obtenue en divisant l’indice de champ de l’objectif (OFN) par son grossissement représente le champ maximal qui peut être observé sur la surface de l’échantillon. Du fait que l’OFN de l’objectif UPLXAPO4X est de 26,5, le champ qui peut être visualisé sur la surface de l’échantillon peut se calculer comme suit : 26,5/4 = φ6,625 mm. Nos objectifs UIS2 sont conçus avec une distance parfocale de 45 mm (distance A).

2. Sélectionner une lentille de tube

Notre objectif UPLXAPO4X possède un OFN de 26,5 et peut être associé à une lentille de tube qui produit un cercle d’image de 26,5 mm afin de tirer pleinement parti de ses performances. Par conséquent, nous vous recommandons de combiner la lentille de tube SWTLU-C avec un objectif X Line. Cette combinaison vous permet d’obtenir des images nettes et homogènes, même au centre ou au niveau du pourtour du champ du système de saisie d’images.

3. Sélectionner un adaptateur pour caméra

À présent, sélectionnez un adaptateur pour caméra. Comme le montre le tableau 2, la distance par rapport à la surface d’imagerie (distance C) peut être réduite en utilisant les différents rapports de réduction de divers adaptateurs pour caméra. La longueur d’un système optique peut être réduite au minimum en couplant la lentille de tube à un adaptateur pour caméra avec un grossissement de 0,35x.

U-TV1XC
1x
U-TV0.63XC
0,63x
U-TV0,5.3XC
0,5x
U-TV0.35X-2
0,35x
SWTLU-C 181 mm 160 mm 129 mm 109 mm
U-TLU 166 mm 145 mm 114 mm 94 mm

Tableau 2 : Distance C pour les lentilles de tube couplées à différents adaptateurs pour caméra

Il est important de choisir un adaptateur avec un grossissement tel que la valeur obtenue en divisant la largeur diagonale du capteur de la caméra par le grossissement de l’adaptateur ne dépasse pas le cercle d’image de la lentille de tube.

Par exemple, imaginons que vous choisissiez un adaptateur pour caméra avec un grossissement de 0,35x en raison de la longueur totale limitée du système optique d’imagerie, et que vous le combiniez avec une caméra de 1/1,8 pouce (dont la diagonale est de 9 mm). Dans ce cas, vous devez diviser 9 par 0,35 pour trouver la valeur de comparaison (25,7) :

22 < 9 / 0,35 = 25,7 < 26,5

Ainsi, mieux vaut choisir la lentille de tube SWTLU-C (plutôt que U-TLU).

Capteur de caméra de microscope et lentille de tube

Figure 2 : Taille du capteur de caméra et cercle d’image de la lentille de tube

4. Déterminer la distance B

Au cours des étapes 1 à 3, nous avons sélectionné les unités requises pour le système optique d’imagerie. Il ne vous reste plus qu’à déterminer le dernier paramètre, à savoir la distance B.

Tous les objectifs UIS2 étant des systèmes optiques corrigés à l’infini et sans compensation, vous pouvez modifier la distance B en fonction de vos besoins.

Nous recommandons d’utiliser une longueur B comprise entre 50 et 165 mm. Dans cet exemple, nous avons choisi une longueur B de 50 mm pour concevoir un dispositif compact. Vous pouvez cependant choisir une autre longueur en fonction de la configuration souhaitée. Par exemple, vous pouvez allonger la distance afin d’insérer un système optique à éclairage épiscopique.

Dernières considérations à propos de la conception de systèmes optiques compacts

Les étapes 1 à 4 permettent de concevoir un système optique d’imagerie d’une longueur totale de 204 mm (figure 3). En combinant de manière appropriée nos objectifs UIS2, nos lentilles de tube et nos adaptateurs pour caméra, vous pouvez également concevoir des systèmes optiques courts destinés à des dispositifs compacts.

Système optique compact pour un dispositif d’imagerie microscopique

Figure 3 : Illustration d’un système optique d’imagerie compact d’une longueur totale de 204 mm

La taille de la caméra (distance D dans la figure 1) constitue un facteur souvent négligé. Les caméras à haute sensibilité sont généralement équipées d’un dispositif de refroidissement, d’où leur grande taille. Veillez à prendre en compte la taille de la caméra lorsque vous déterminez la longueur totale (L) du système optique.

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OEM Manager

Bunryu Arashi works as an OEM manager at Olympus Scientific Solutions in Europe. With 12 years’ experience in microscope product development, Bunryu has designed objectives and camera adapters, as well as illumination optical systems for Olympus BX and CKX series microscopes. He has a master's degree in engineering from Osaka University in Japan.

mars 25 2021
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