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Spiegelobjektiv, insbesondere für Spiegelmikroskope
Man kennt seit geraumer Zeit Mikroskope, die an Stelle der klassischen brechenden Systeme eine op- tische Anordnung aus Spiegeln verwenden. Schon im Jahre 1738 beschrieb Smith ein ähnliches Mikroskop (s. "The Microscope" von W. B. Carpenter, herausgegeben von Churchill, London).
Die Arbeiten auf diesem Gebiet haben in der letzten Zeit eine gesteigerte Bedeutung gewonnen, weil Spiegelmikroskope den augenscheinlichen Vorzug der Achromasie besitzen und überdies besonders zuBeobachtungen im Ultraviolett und Infrarot-geeignet sind. Die Entwicklungen wurden nach zwei Richtungen hin verfolgt, die vorwiegend durch die Arbeiten von Burch in England und von Gray in Amerika gewiesen sind.
Burch hat das Prinzip des Schwarzschild'schen aplanatischen Teleskopes auf ein Mikroskopobjektiv angewandt. Dabei ist es nötig, asphärische Flächen anzuwenden, deren Herstellungskosten sehr hoch sind und eine Serienherstellung praktisch verhindern.
Die von Gray erdachten katadioptrischen Systeme verwenden mit den Spiegeln zusammen auch Linsen um die Aberration zu korrigieren und Qualitätsobjektive zu erhalten. Der Nutzen solcher Anordnungen ist wegen der Verwendung durchsichtiger Materialien beschränkt, denn deren Dispersion kann nicht völlig ausgeschaltet werden und der Spektralbereich des verwendbaren Lichtes wird begrenzt. Man weiss aber heute schon, dass es möglich ist, ein sehr gut korrigiertes Bild mit sphärischen Spiegeln allein ohne Zuhilfenahme von korrigierenden Linsen zu erhalten : die sphärische Aberration kann leicht auf einen Wert herabgedrückt werden, den man bei den meisten dioptrischen Objektiven zulässt.
Für ein System ohne Ausblendung paraxialer Strahlen, das dementsprechend mit der vollen Öffnung arbeitet, zeigt die Rechnung, dass die optimalen Bedingungen vorliegen, wenn der Brennpunkt der Randstrahlen genau mit dem Brennpunkt der paraxialen Strahlen zusammenfällt. Diese Anordnung ist im gegenwärtigen Zeitpunkt geläufig.
Bei Mikroskop-Spiegelobjektiven blendet aber ein Spiegel die mittlere Partie des Strahlenbündels aus und die Pupille des Instrumentes ist ringförmig. Das Bild eines leuchtenden Punktes weicht bei einem solchen System erheblich vom Airy'sehen Beugungsscheibchen ab. Mit Hilfe einer sehr einfachen Betrachtung der Beugungserscheinungen kann man zeigen, dass der durch eine Ausblendung der Zentralstrahlen verursachte relative Kontrastverlust im Bilde eines punktförmigen Objektes dem Verhältnis der Blendengrösse in der Mitte der Pupille zu der gesamten Pupillengrösse gleich ist. Man kann daher sagen, dass der Einfluss eines schwarzen Schirmes in der Mitte eines optischen Systems in seiner Wirkung einer zusätzlichen Aberration entspricht.
Folglich ist es bei einem Spiegelsystem unerlässlich, die sphärische Aberration unter einen Wert herabzudrücken, der bei einem dioptrischen System mit der gleichen maximalen Öffnung zulässig wäre. Eine fehlerfreie Rechnung muss daher die kombinierten Beugungs- und Aberrationseffekte berücksichtigen.
In Anordnungen, bei denen die Zentralstrahlen notwendig ausgeblendet werden, kann die Abblendung 20% der gesamten wirksamen Oberfläche erreichen. Daher rührt, als Folge der Beugungserscheinungen, eine Kontraständerung innerhalb des Bildes. Die Bildqualität hängt von dem Betrag t der Aberration ab, der durch
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gegeben ist, worin U den halben maximalen Öffnungswinkel und U den halben Öffnungswinkel der Blen- denfläche bedeutet, die der zweite Spiegel bildet. Um den Kontrast und die Bildgüte zu verbessern, ist es daher von Interesse, den Betrag t der Aberration so weit wie möglich herabzusetzen.
Die Erfindung befasst sich mit der Vervollkommnung von Mikroskop-Spiegelobjektiven und hat Mass- nahmen zum Gegenstand, welche die Qualität der Bilder verbessern. Es handelt sich dabei darum, bei möglichst vollkommener Zentrierung der spiegelnden Flächen die Aberration zu vermindern. Endlich zielt die Erfindung darauf ab, auf der Grundlage neuer industrieller Produkte Apparate zu entwickeln, die we- nigstens ein Mittel darstellen, das der praktischen Verwirklichung der erwähnten möglichen Verbesserun- gen dient.
Die erfindungsgemässe Massnahme zur Verminderung der Aberration, von aus zwei konzentrischen, sphärischen oder praktisch sphärischen Spiegeln bestehenden Objektiven für Spiegelmikroskope, von denen der eine (Hauptspiegel) konkav ist und eine Mittelöffnung besitzt, um die von einem zweiten Spiegel (Sekundärspiegel), der konvex ist, zurückgeworfenen Strahlen durchzulassen, besteht darin, den Krüm- mungsradien der Spiegel solche Werte zu geben, dass die den äusseren und inneren Randstrahlen der ring- förmigen Pupille zugehörigen Brennpunkte praktisch zusammenfallen und vorzugsweise in an sich bekann- ter Weise die wirksame reflektierende Oberfläche des konvexen Hilfsspiegels in eine reflektierende, un- durchsichtige Mittelzone und eine sie umgebende halbdurchlässige, reflektierende Ringzone aufzuteilen.
Im folgenden wird die Erfindung eingehender an Hand der Zeichnung erklärt werden, die einige Ausführungsbeispiele darstellen.
Es zeigt Fig. 1 die Korrektionskurven bisheriger und erfindungsgemässer Systeme, Fig. 2 das Bild eines ebenen Schnittes durch die optische Achse eines erfindungsgemässen Objektives, Fig. 3 eine Ansicht des Konvexspiegels, der nach der optischen Achse ausgerichtet ist, Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Spiegelobjektivs mit dünn vorausgesetztem Meniskus, und Fig. 5 die Kurve der zugehörigen sphärischen Aberration.
Im Falle eines Systems mit zwei Spiegeln vom Typ des Cassegrain-Teleskopes zeigt die Rechnung, dass die günstigsten Bedingungen nicht erreicht werden, wenn man die Brennpunkte der paraxialen Strahlen und der Randstrahlen zusammenfallen lässt, sondern wenn die Brennpunkte der Strahlenbündel zusammenfallen, die von den Rändern der ringförmigen Pupille herrühren. Die Korrektionskurve, die einem solchen Zusammenfallen der Brennpunkte entspricht, ist als volle Linie in Fig. 1 dargestellt.
Die zusammenfallenden Brennpunkte F (h) und F (H) sind jene, die den Strahlen zugehören, welche die Pupille in den Abständen h und H von der Achse treffen. Dabei sind h und H die Radien der Kreise, welche die ringförmige Pupille des Instrumentes begrenzen. Die Lichtstrahlen, welche den schraffierten Gebieten entsprechen, durchlaufen nicht das Instrument und kommen bei der Bildentstehung nicht zur Wirkung. Die Radien der beiden konzentrischen-konvexen bzw. konkaven - Spiegel eines Objektives vom Cassegrain-Typ haben hier Werte, für welche die Beträge der Aberration für die beiden Ränder der ringförmigen Pupille praktisch gleich werden. Dieses Korrektionsverfahren, das der Erfindung entspricht, gestattet den Einfluss der sphärischen Aberration in einem Mikroskop mit Spiegeln mit Mittelöffnung ungefähr auf die Hälfte herabzudrücken.
Betrachtet man z. B. ein Objektiv mit zwei konzentrischen Spiegeln mit den Radien 1\= 123,6 und RZ = 319 und mit einer numerischen Öffnung von 0, 40, so ergibt sich seine Brennweite zu F = 100. Es ist für einen Punkt im Unendlichen nach der klassischen Kurve korrigiert (strichlierte Linie in Fig. l). Gibt man R den Wert 318, 1, so verwirklicht man das Zusammenfallen der beiden, von den inneren und äusseren Randstrahlen der Pupille herrührenden Brennpunkte.
In einem solchen Spiegelobjektiv, das eine auf das äusserste verminderte sphärische Aberration aufweist, ist die Bildqualität aber nicht vollkommen, wenn die Mittelpunkte der Spiegel nicht sehr genau auf der optischen Achse des Instrumentes liegen.
In den Ausführungsbeispielen, die in den Fig. 2,3 und 4 dargestellt sind, bilden die reflektierenden und die halbreflektierenden Oberflächen des konvexen Sekundärspiegels die wirksamen Partien desselben. Sie werden praktisch durch Niederschläge verwirklicht, die auf die konvexe Fläche eines Meniskus, also einer durchsichtigen von zwei wenigstens annähernd sphärischen vorzugsweise streng zentrierten Flächen begrenzten Schale aufgebracht sind. Diese Schale stellt den notwendigen Träger der reflektierenden bzw. halbreflektierenden Niederschlagschichten dar und spielt hinsichtlich der Aberrationskorrektur des Systems keine Rolle. Insbesondere kann sie, trotz ihrer Gestalt, nicht die Aufgabe eines Korrektionssystems nach Bouwers-Maksutow übernehmen.
Diese Tatsache liegt auf der Hand, denn die Schale steht in einem weit geöffneten Strahlenbündel. Man wird sich im Gegenteil bemühen, einen solchen Meniskus so dünn wie möglich herzustellen, um die restliche sphärische Aberration nicht zu vergrössern.
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Mit Hilfe eines derart beschaffenen Spiegels kann die untere Grenze der Winkelöffnung U, herabge- setzt werden, denn es werden auch die Lichtstrahlen benützt, welche die halbdurchlässige Schicht des
Hilfsspiegels durchsetzen.
Wie in Fig. 2 schematisch dargestellt ist, besteht das Objektiv aus einem konkaven, sphärischen oder praktisch sphärischen Hauptspiegel 17 und aus einem konvexen, ebenfalls sphärischen oder praktisch sphärischen Sekundärspiegel, der eine undurchsichtige reflektierende Kalotte 19 und eine halbdurchlässige und halbreflektierende Kugelzone 20 aufweist, welche den reflektierenden Teil 19 ringförmig umgibt.
Hauptspiegel und Hilfsspiegel haben einen gemeinsamen Krümmungsmittelpunkt 18.
Die reflektierenden Oberflächen 19 und 20 werden als Niederschläge auf einem Meniskus 21 herge- stellt, dessen Flächen konzentrisch sind. Der aus einem durchsichtigen Material hergestellte Meniskus kann beispielsweise aus Quarz bestehen, um die Verwendung des Objektivs im Ultraviolett zu ermögli- chen. Das Objekt wird an den Ort 22 gebracht, der dem Scheitel der Kalotte 19 diametral gegenüberliegt.
In den gebräuchlichen Objektiven finden sich keine halbdurchlässigen Zonen, und die Oberfläche 20 ist undurchsichtig und reflektierend.
Von dem Objekt 22 ausgehende Randstrahlen treffen den Spiegel 17 in 23, werden dort zurückgewor- fen und treten, nach Reflexion am Sekundärspiegel 24, nahe am Rand 25 durch die Mittelöffnung, um ein
Bild 26 zu entwerfen.
Strahlen, die am Rande des Sekundärspiegels knapp vorbeigehen, treffen den Spiegel 17 in 27, wer- den reflektiert, gelangen zu dem Punkt28 des Sekundärspiegels und entwerfen nach abermaliger Reflexion das Bild 26 :
Das vom Gegenstand 22 ausgehende, wirksame Strahlenbündel erfüllt den Raum zwischen zwei Ke- geln mit den Randerzeugenden 22-23 und 22-24-27. Der Durchmesser der konvexen reflektierenden Flä- che wird durch den, der grössten Öffnung entsprechenden Strahl 22-23 bestimmt, der nach Reflexion in 17 im Punkt 24 den Hilfsspiegel erreicht. Die ganze Zone des Spiegels 17, die zwischen dem Rand 25 der
Mittelöffnung und dem durch die Erzeugende 22-24-27 bestimmten Drehkegel liegt, ist unwirksam.
Man hilft dieser Unzukömmlichkeit ab, indem man die Zone des Hilfsspiegels, die sich zwischen dem Kegel mit der Spitze 22 und dem Basiskreis 25 der Mittelöffnung und dem Drehkegel mit der gleichen Spitze und den Erzeugenden 22-24-27 befindet, halbdurchlässig macht. Gleichzeitig wird die untere Grenze der Öffnung des Strahlenbüschels, die für ein bisher gebräuchliches System durch den Winkel gegeben war, den der Strahl 22-27 mit der Achse bildet, auf den Wert des Winkels zwischen der Achse und dem Strahl 22-28-25 vermindert. Man grenzt in dieser Weise die reflektierende Zone 20 und die halbreflektierende Zone 21 gegeneinander ab. Aus dieser Anordnung entspringt eine Verbesserung der Bildqualität, die den durch die halbreflektierende Schicht bewirkten Helligkeitsverlust bei weitem ausgleicht.
Der Strahl 22-28-25, der nun die Mindestöffnung bestimmt, erreicht nach der Reflexion am Hauptspiegel 17 den Hilfsspiegel in29 und trägt in der Folge zur Bildentstehung bei. Endlich befindet sich am Scheitel der Kalotte, welche der Hilfsspiegel bildet, eine konvexe Flächenpartie 30, die unwirksam ist und die man zweckmässig mit einem absorbierenden Schirm abdeckt besonders dann, wenn das beleuchtende Strahlen- bündel durch das gleiche optische System auf den Gegenstand gelenkt wird (bei der Untersuchungundurcli- sichtiger Körper).
Es ist empfehlenswert, als Träger der Schichten 19 und 20 einen Meniskus zu verwenden, dessen Flächen genau konzentrisch liegen.
Wenn die zerstreuende Wirkung des Meniskus nicht vernachlässigt werden kann, ist es notwendig, die chromatischen Lageabweichungen z. B. mit Hilfe einer sammelnden Linse 31 auszugleichen. Da die Öffnung des Bündels, welches das Bild 26 entwirft, meist sehr gering ist, kann man mit gutem Recht die sphärische Aberration vernachlässigen, die von dieser zusätzlichen Linse bewirkt wird. Es ist hervorzuheben, dass, ganz im Sinne der vorliegenden Erfindung, die Rolle der Linse 31 streng auf die Behebung der Farbenfehler beschränkt ist, die der Meniskus hervorrufen kann.
Trotz der Verschiedenheiten der Zonen des Hilfsspiegels bleiben-wie hervorgehoben sei-die Durchlässigkeitsfaktoren des Apparates für alle wirksamen Strahlen die gleichen. Tatsächlich erleiden alle Strahlen, die zwischen den Randstrahlen 22-23 und 22-27 verlaufen, eine Reflexion am Spiegel 17, dessen Reflexionsvermögen mit Rn bezeichnet sei, und hierauf eine Reflexion zwischen den Punkten 24 und 28 der halbdurchlässigen Schicht 20, deren Reflexionsvermögen mit R bezeichnet werde.
Das Ergebnis der zweimaligen Reflexion wird dann durch den Faktor RoR gekennzeichnet, Das von den Randstrahlen 22-24 und 22-28 begrenzte Büschel durchläuft zuerst die Zone 20, deren DurchlässigkeitskoeffizientT sei, wird am Spiegel 17 und schliesslich an der undurchsichtigen Zone 19 reflektiert, deren Reflexionsvermögen gleich dem des Spiegels 17 und damit gleich Ro ist. Für diese Strahlen ergibt sich als kennzeichnender Faktor der Wert RT.
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diesen Werten sehr nahe. Da R aber doch etwas kleiner als 1 ist, wählt man den Durchlässigkeitskoeffi- zienten T etwas grösser als das Reflexionsvermögen R der halbreflektierenden Schicht 20.
Fig. 4 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel, in dem der Meniskus als unendlich dünn vorausgesetzt ist. Die numerischen Daten sind die folgenden :
Numerische Apertur : sin U = 0, 5, Brennweite : 100,-R =-R, = 121. -Rs = 321, e = 200. In Fig. 5 sind in der x-Richtung die zugehörigen Aberrationen in Mikron aufgetragen.
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objektive, welche in dem grossen freien Arbeitsabstand, dem Mangel an Farbfehlern im ganzen, vom Ultraviolett bis zum Infrarot reichenden Spektralgebiet, und in der Möglichkeit bestehen, das Objektiv sowohl als Trockenobjektiv oder durch die Zuordnung einer zum Objekt konzentrischen Frontlinse als Im- mersionsobjektiv zu verwenden.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Spiegelobjektiv, insbesondere für Spiegelmilaoskope mit einer konkaven Spiegelfläche (Hauptspie- gel) und einer zu dieser konzentrischen konvexen Spiegelfläche (Sekundärspiegel), die einander zugekehrt sind, wobei die konkave Spiegelfläche eine Mittelöffnung aufweist, welche am Sekundärspiegel reflek- tierte Strahlen hindurchtreten lässt, gekennzeichnet, durch eine Wahl der Krümmungsradien der Spiegel- flächen, derzufolge die Brennpunkte der von dem inneren Rand und der von dem äusseren Rand der spie- geladen Zone des Hauptspiegels herrührenden Strahlen praktisch zusammenfallen.