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Objektiv, insbesondere Mikroskopobjektiv, mit einem Spiegelsystem und einem brechenden System
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Behebungeiner Luftlamelle zwischen zwei Medien von grösserem Brechungsexponenten, Fig. 3a bzw. 3b die Aberrationskurven von bekannten bzw. von Systemen mit einer solchen Luftlamelle. Fig. 4 in schematisierter Darstellung ein derartiges Objektiv, Fig. 5 in schematisierter Darstellung eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemässen Objektives, Fig. 6 den Aberrationsverlauf eines solchen Objektives, Fig. 7 die Aberrationskurve einer Kugelschale von gegenüber ihrer Begrenzung kleinerem Brechungsexponenten, Fig. 8 in schematisierter Darstellung ein mit einer solchen Kugelschale ausgestattetes Objektiv und die Fig. 9a bzw. 9b die Aberrationskurven solcher Objektive veranschaulichen.
Ein Cassegrainobjektiv (Fig. l) besteht bekanntlich aus einem mit einer Mittelöffnung versehenen sphärischen Hohlspiegel, auf den die vom Objekt kommenden Lichtstrahlen auftreffen und aus einem konzentrischen Konvexspiegel, der das vom Hohlspiegel reflektierte Licht auffängt und durch dessen Mittel- öffnung in den Gegenstandspunkt wirft. Werden die Krümmungsradien der Spiegel von deren Scheitel zum Mittelpunkt C gerichtet angenommen und die Richtung der jeweils auftreffenden Strahlen als positiv gezählt, so weist der Konkav- oder Hauptspiegel einen negativen Krümmungsradius R und der Konvex- oder Sekundärspiegel einen positiven Krümmungsradius r auf.
Von diesem System wird eine Korrektion hinsichtlich der sphärischen Aberration für einen 1m Endlichen liegenden Objektpunkt A und einen diesem zugeordneten, ebenfalls im Endlichen liegenden Bildpunkt A'vorausgesetzt. Es ist durch die Vergrösse-
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CAKrümmungsradien der beiden Spiegel ab. Sie kann für eine Anzahl von versuchsweise gewählten K-Wer- ten berechnet werden. Trägt man die gefundenen Aberrationswerte 1 als Abszissen und die zugehörigen Werte von sin U als Ordinaten auf, so ergibt sich eine Kurve, die im Nullpunkt die Ordinatenachse be- rührt und diese in Nähe jenes Punktes schneidet, welcher der maximalen Öffnung sin U entspricht.
Aus der Aberrationskurve lässt sich die Öffnung bestimmen, für welche die Aberration einen Maximalwert er- reicht und nach deren Überschreiten sie wieder abnimmt. Von diesem Punkt an biegt sich die Kurve wieder gegen die Ordinatenachse zurück. Jene Werte von K, die ein Maximum der Aberration ergeben, können aber auch aus der Formel
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berechnet werden.
Die optische Qualität eines solchen Spiegelsystems hängt von der zonalen sphärischen Aberration 1 (siehe die Kurve inFig. l), aber auch noch von dem Verhältnis-ab, in dem F die Brenaweite des Systems und À die in dem verwendeten Licht vorwiegend vertretene Wellenlänge bedeutet. Eine Verbesserung der optischen Qualität erfordert eine Verminderung der Aberrationen. Zu diesem Zwecke können gemäss der Erfindung dem Spiegelsystem brechende, ein virtuelles Bild entwerfende Systeme vorgesetzt werden, deren Eigenvergrösserung ungefähr gleich 1 ist und deren Eigenaberration wenigstens für Winkelwerte, die zwischen dem Maximalwert des Öffnungswinkels und der Hälfte dieses Maximalwertes liegen, derjenigen des Spiegelsystems im wesentlichen entgegengesetzt gleich sind.
Solche brechende Systeme beeinträchtigen die Vorzüge eines Spiegelobjektives höchstens unwesentlich, sie können eine Eigenaberration aufweisen, welche mit zunehmenden Winkelwerten monoton zunimmt. Es ist aber auch möglich, dioptrische Korrektionssysteme anzuwenden, deren Eigenaberration in dem benützten Winkelbereich einen Extremwert aufweist.
In diesem Falle wird dem korrigierenden System eine Überkorrektion verliehen, bei welcher der Maximalbetrag der Aberration jenem der Eigenaberration des Spiegelsystems im wesentlichen gleich ist.
Die Anwendung beider Typen von Korrektionssystemen kann zu Aberrationskurven des Gesamtsystems führen, die zwei zur Ordinatenachse parallele Tangenten aufweisen.
Im folgenden sind drei Objektive näher beschrieben, in denen der Erfindungsgedanke verkörpert ist.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 besteht das brechende Korrektionselement aus einer ebenflächig begrenzten Lamelle der Dicke d aus Luft oder einem andern Material mit einer kleineren Brechkraft als das Medium, in dem sich das von einem Objekt kommende Lichtstrahlenbündel ausbreitet. Die eine Begrenzungsebene der Lamelle bildet die Planfläche einer dicken Plan-Konvexlinse, deren sphäri-
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sche Fläche zu den Spiegelflächen konzentrisch liegt, die andere Begrenzungsebene stellt die eine Fläche eines vor der Plan-Konvexlinse befindlichen Glasplättchen, z. B. des Objektträgers, dar. Den Verlauf der Aberrationskurve einer zwischen zwei Glaskörpern abgegrenzten Luftschicht gibt Fig. 2 wieder.
In den Fig. 3a und 3b sind Aberrationskurven eingetragen, welche die Wirksamkeit des erfindungsgemässen Kor- rektionsverfahrensdeutlich machen. Die Kurve (a) der Fig. 3a ist einem Spiegelobjektiv von8 mm Brennweite, einer numerischen Apertur von sin U = 0, 5, einem R=-20, 85 mm, r = 7, 86 mm und einer 31-fa-
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licht die Aberration einer Luftlamelle von e=23jLt Dicke, wogegen die Kurve (d) die resultierenden Aberrationen eines Spiegelobjektives, dem diese Luftlamelle vorgesetzt ist, wiedergibt. Der Öffnungswinkel des Objektives nach Fig. 4 beträgt etwa 300, die wirksame numerische Apertur jedoch etwa 0, 75. Diese Vergrösserung ist ohne Anwendung einer Immersion lediglich durch die Wirkung der korrigierenden Luftlamelle herbeigeführt.
Der Unterschied zwischen der maximalen Aberration und der den Randstrahlen zugehörenden Aberration ist bei dem korrigierten Objektiv im Vergleich zu dem reinen Spiegelobjektiv erheblich, u. zw. bis auf einen völlig bedeutungslosen Restbetrag von etwa l herabgedrückt.
Ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen Objektives, das der Beobachtung von Vorgängen in einem Bad dienen kann, ist in Fig. 5 dargestellt. Dieses besteht aus einem Hauptspiegel 3 und einem Sekundärspiegel 4, 5. Der Sekundärspiegel kann zwei Zonen aufweisen, eine undurchsichtige, reflektierende Kalotte 4 und eine diese umgebende, halbdurchlässige Ringfläche 5. Das Korrektionselement besteht in diesem Falle aus zwei getrennten Teilen, einer mit dem Objektiv verbundenen'Plan-Konvexlinse 2 und einer Planparallelplatte 2', die als Beobachtungsfenster in die Wand eines das z. B. aufgeheizte Bad enthaltenden Behälters eingesetzt ist. Eine solche Ausbildung des Korrektionssyscems gestattet die Konstruktion von Objektiven, die für eine Verwendung ohne Deckglas bestimmt sind.
Durch eine geeignete Wahl der Linsendicke, ihres Krümmungsradius und ihres Abstandes von dem Objektivpunkt A hat man es in der Hand, die sphärische Aberration der Plan-Konvexlinse in den Bereich einer Überkorrektion zu verlegen, die mit der immer im Gebiet einer Unterkorrektion liegenden, sphärischen Eigenaberration des Spiegelsystems in verbesserndem Sinne zusammenwirkt. Die Verminderung der zonalen Aberrationen ermöglicht eine Vergrösserung der FokÅallänge des Objektives, ohne dabei die zulässigen Aberrationswerte zu überschreiten. Die Anwendung solcher Korrektionselemente kommt immer dann in Frage, wenn, wie bei dem gewählten Beispiel, ein grosser Objektabstand erforderlich oder wünschenswert ist. Fig. 6 gibt einen Überblick über den Verlauf der Aberrationen.
Die Kurve (a) Ist für den Aberrationsverlauf eines Spiegelsystems, die Kurve (b) für den Aberrationsverlauf eines Korrektionselementes mit einer Plan-Konvexlinse typisch, In der Kurve (c) ist die resultierende Aberration des Gesamtsystems wiedergegeben, sie weist drei Extremwerte auf und verläuft wesentlich näher der Achse. Es sei erwähnt, dass schon eine einfache, geeignet bemessene und angeordnete Plan-Konvexlinse, die allein einem Spiegelsystem vorgesetzt ist, eine erhebliche Verbesserung der Korrektur hinsichtlich der sphärischen Aberration herbeiführen kann.
Als drittesAusführungsbeispiel sei an Hand der Fig. 7, 8,9a und 9b ein Objektiv besprochen, bei dem das brechende Korrektionsglied als eine von zwei konzentrischen dioptrischen Kugelflächen begrenzte Kugelschale ausgebildet ist. Bei dieser Gelegenheit sei an die extremen Schwierigkeiten erinnert, die sich bei einer Vergrösserung der numerischen Öffnung sin U über einen Wert von 0, 5 einstellen. Für diese Öffnung ergibt sich bei Anwendung einer Immersion eine numerische Apertur n sin U = 0, 75, die im sichtbaren Licht eine etwa 750-fache Vergrösserung kaum zu überschreiten gestattet. Es ist daher als grosser Vorteil anzusehen, dass mit Hilfe eines erfindungsgemässen, als Kugelschale gestalteten Korrektionselementes sich mit Immersion numerische Aperturen erreichen lassen, die den Wert 1 übertreffen.
Fig. 7 zeigt den Einfluss einer von zwei konzentrischen, sphärischen Flächen begrenzten Luftschicht auf ein Strahlenbündel. In Fig. 9a geben die Kurven (a) bzw. (b) den Aberrationsverlauf von zwei Spiegelobjektiven vom Cassegrain-Typ wieder. Die Kurve (a) ergibt sich bei einem Objektiv mit einer Öffnung von sinU = 0, 7, das die folgenden beispielsweisen Daten aufweist : R = "-13, 4 mm, r = 5, 24 mm.
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= 4, 3ration beläuft sich auf etwa 13/l und macht dieses Objektiv praktisch unverwendbar. Die Kurve (b) entspricht einem ähnlichen Objektiv, bei dem als Träger des Sekundärspiegels eine Kugelschale aus Quarz
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des Sekundärspiegels von 5, 24 mm.
Der Extremwert der Aberration liegt hier noch höher und erreicht einen Betrag von etwa 33 ja. der von der Verwendung von Quarz herrührt. Die kritischen K-Werte können in diesen Fällen mit Vorteil aus der eingangs erwähnten Beziehung bestimmt werden.
Wenn nun im Einklang mit der Erfindung die beiden optischen Medien miteinander vertauscht werden, wenn also an die Stelle der Kugelschale aus Quarz eine solche aus Luft, und an die Stelle der umgebenden Luft Quarz gesetzt wird, lässt sich eine sehr erhebliche Verminderung der sphärischen Aberration herbeiführen. Die Kurve (c) der Fig. 9b veranschaulicht den Einfluss, den eine Luftschale von 0, 1 mm Dicke ausübt. Die Abweichungen gegenüber den für die Randstrahlen erreichten, an sich sehr niedrigen Werte liegen in der Grössenordnung von zo sie sind wegen ihres geringen Betrages völlig unschädlich. Mit einem Korrektionselement dieser Art lassen sich daher Objektive von ausgezeichneter Qualität gewinnen, die überdies leicht herstellbar sind.
Es bietet nämlich keine Schwierigkeiten, im Inneren eines Objektives eine Luftschicht vorzusehen. Überdies wird durch die Anordnung solcher Schichten die vollkommene Symmetrie des Aufbaues bei solchen Objektiven nicht zerstört, sie bleiben monozentrische Systeme.
Eine beispielsweise Verwirklichung eines derartigen Abbildungssystems ist in Fig. 8 schematisiert wiedergegeben. Es besteht aus einer dicken, fast halbkugelförmigen Plan-Konvexlinse L1 aus Quarz und aus einer ebenfalls aus Quarz gefertigten dicken Meniskuslinse L mit konzentrischen Flächen, die als Träger für die beiden Spiegelflächen des katoptrischen Systems dienen. Ein unverspiegelter, sphärischer Flächenteil der Linse L, dessen Krümmungsmittelpunkt in den Bildpunkt A'verlegt ist, gestattet den Austritt der Strahlen aus diesem Immersionsobjektiv. Ein solches Objektiv kann folgende Abmessungen aufweisen Die Radien der Luftschale, r1 bzw.r , betragen-5, 14 mm bzw.-5, 24 mm, ihre Dicke 0, 10 mm.
Der Hohlspiegel weist einen Radius von-14, 40 mm, der Sekundärspiegel einen Radius von
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mm1, 75 Dioptrien gegenüber einer Brechkraft des Spiegelsystems von 240 Dioptrien. Das Verhältnis beider Werte ist kleiner als 0, 01.
Wenn die Winkelöffnung des Systems sehr gross ist, muss die Dicke der korrigierenden Kugelschale mit grosser Sorgfalt bestimmt werden, da die Werte, für die sich eine Aberrationskurve mit mehr als einem Extremwert ergibt, in einem sehr engen Bereich um den Optimalwert liegen.
Die Kurve (d) in Fig. 9b zeigt den Aberrationsverlauf eines Objektives von grundsätzlich gleichem
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muss. Um den korrekten Wert für die Dicke zu finden, kann man mit Vorteil von Differenzen AK = K-Ko zwischen den K-Werten für ein korrigiertes und dem diesen zugeordneten, unkorrigierten System leiten lassen. Für den Fall der Kurve (c) ist diese Differenz A, K = Ki-Ko = 0, 19, für den Fall der Kurve (d)
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Nähe von 0, 2 liegt.
Gegenüber einer Eigenbrechkraft von 1, 75Dioptrien weist der Meniskus im zweiten Falle eine Eigenbrechkraft von 6 Dioptrien auf.
PATENTANSPRÜCHE :
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