CH678664A5

CH678664A5 -

Info

Publication number: CH678664A5
Application number: CH785/89A
Authority: CH
Inventors: Karlheinz Esswein; Ludwig Kummer
Original assignee: Zeiss Carl Fa
Priority date: 1988-04-16
Filing date: 1989-03-03
Publication date: 1991-10-15
Also published as: JPH01307717A; ATA89489A; DE3812745C2; JP3053818B2; AT398855B; US4953962A; DE3812745A1

Description

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

fin

CH 678 664 A5

Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Mikroskopobjektiv mit einem Abbildungsmassstab zwischen 32x und 60x, einer Apertur von mindestens 0.5 und einer Einrichtung zur Einstellung auf unterschiedliche Deckglas-dicken.

Die Berechnung von Mikroskopobjektiven erfordert ab einer bestimmten Apertur die Einbeziehung dés Deckglases, bzw. eines Deckglases mit vorgegebener Dicke in die Korrektur des Gesamtobjektivs. Denn das Deckglas bzw. die Abweichung von der vorgegebenen Dicke beeinflusst den Öffnungsfehler (sphärische Aberration) des Objektivs.

Da sich bei höheraperturigen Objektiven auch kleine Deckglasdifferenzen bereits merkbar als Verschlechterung des mikroskopischen Bildes auswirken, sind schon seit längerer Zeit Korrektionsfassungen bekannt, die eine Einstellung auf unterschiedliche Deckglasdicken erlauben, Solche Korrektionsfassungen, wie sie beispielsweise in der AT-PS 170 000 sowie der DE-OS 2 602 730 beschrieben sind, ändern den Luftabstand des in zwei Linsengruppen aufgeteilten Objektivs. In der Regel wird hierbei die hintere Lînsengruppe verschoben, während die vordere Linsengruppe feststeht. Durch diesen Eingriff wird auf die sphärische Aberration des Objektivs eingewirkt und somit der Einfluss einer abweichenden Deckglasdicke kompensiert.

Es sind auch Objektive mit Korrektionsfassungen bekannt, die eine Einstellung über einen relativ grossen Bereich der Deckglasdicke von 1 bis 2 mm erlauben. Solche Objektive werden beispielsweise in der Zellforschung benötigt, wo die Objekte auf inversen Mikroskopen plaziert und durch den Boden des Kulturgefässes hindurch beobachtet werden. Objektive für diesen Anwendungszweck sind beispielsweise in der DE-OS 3 113 802 sowie der gleichlautenden US-PS 4 403 835 und der US-PS 4 066 256 beschrieben. Diese Objektive sehen ebenso wie das in der DE-PS 1 037 719 beschriebene Objektiv eine zwischen zwei feststehenden Linsengruppen verschiebbare Linse bzw. Linsengruppe vor. Hierbei ändern sich zwei Luftabstände gleichzeitig: Während die Änderung des einen Luftabstandes zur Korrektur des durch das Deckglas eingeführten sphärischen Fehlers dient, soll einer durch diese Verschiebung herbeigeführten Verschlechterung der Feldkorrektion (Astigmatismus) durch die gleichzeitig stattfindende zweite Abstandsänderung entgegengewirkt werden.

Aus der genannten DE-PS 1 037 719 ist es ausserdem bekannt, gleichzeitig mit der Korrekturbewegung das gesamte Objektiv zum Zwecke der Fokusnachstellung zu bewegen.

Mit den bekannten Massnahmen lassen sich in dem interessierenden Leistungsbereich, d.h. einem Abbildungsmassstab zwischen 32fach und 60fach und einer Apertur zwischen 0,5 und 0.7, jedoch nur geringe Deckglasdickendifferenzen von ca. 1 mm korrigieren. Das für eine Deckglasdickendifferenz von 2 mm angegebene Objektiv 40/0.55 in der DE-OS 3 113 802 hingegen weist Bildfehler, insbesondere Astigmatismus auf, wie sie für ein Planobjektiv mit geebnetem Bildfeld eigentlich nicht tolerierbar sind.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Mikroskopobjektiv mit einer Einrichtung zur Einstellung auf unterschiedliche Deckglasdicken zu schaffen, das bei gleichbleibend guter Korrektion der Bildfehler eine Einstellung auf stark unterschiedliche Deckglasdicken erlaubt.

Ausgehend von einem Mikroskopobjektiv in dem im Oberbegriff von Anspruch 1 genannten Leistungsbereich und einer zwischen einer feststehenden ersten Linsengruppe und einer dritten, ebenfalls feststehenden Linsengruppe angeordneten verschiebbaren zweiten Linsengruppe, wird diese Aufgabe gemäss den im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen dadurch gelöst, dass eine weitere Linse bzw. Linsengruppe zur Einstellung der Deckglasdicke gleichzeitig gegenläufig zur zweiten Linsengruppe verschiebbar ist.

Diese weitere Linsengruppe ist zweckmässig ein auf das dritte, feststehende Linsenglied folgendes Kittglied mit negativer Brechkraft. Da sich eine Änderung des Luftabstandes zwischen dem feststehenden dritten Linsenglied und diesem negativen Kittglied auf die Feldkorrektion des Objektivs, insbesondere den Astigmatismus auswirkt und den sphärischen Fehler im wesentlichen ungeändert lässt, können die beiden Fehleranteile durch Verschieben der beiden Linsenglieder unabhängig voneinander optimiert werden, so dass sich eine gute Korrektion über einen weiten Bereich von Deckglasdickenänderungen ergibt.

Es hat sich gezeigt, dass keine komplizierten Bewegungsabläufe zwischen den beiden Linsengliedern erforderlich sind, sondern dass beide Linsengruppen im Zuge der Einstellbewegung linear verschoben werden können. Dies lässt sich beispielsweise durch Gewinde unterschiedlicher Steigung bewerkstelligen, oder durch Nocken, die in entsprechende Nuten mit konstanter aber unterschiedlicher Steigung in einem drehbaren Zwischenring der Linsenfassung eingreifen.

Da zwischen den beiden verschiebbaren Linsengruppen eine feststehende Linse bzw. Linsengruppe angeordnet ist, kann diese als Zentrierlinse zum Ausgleich von Fertigungstoleranzen bei der Montage des Objektivs verwendet werden und ist deshalb zweckmässig in einer Zentrierfassung aufgenommen. Ausserdem kann diese Linse als Träger für einen Phasenring benutzt werden. Beim Phasenkontrastfah-ren ist es Wichtig, die Stellung des Phasenringes im Objektiv konstant zu halten, damit die Abbildungsbedingung zwischen der Blende im Kondensor und dem Phasenring im Objektiv auch bei unterschiedlichen Deckglasdicken gut eingehalten bleibt.

Es ist weiterhin vorteilhaft, wenn die Fokusnachstellung für das gesamte Objektiv mit der Einstellung

2

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

CH 678 664 A5

auf unterschiedliche Deckglasdicken gekoppelt ist und mit dem gleichen Verstellring vorgenommen wird. Durch diese Massnahme lässt sich das Objektiv besonders leicht handhaben.

Da die Frontlinse des Objektivs an der Einstellbewegung auf Deckglasdicken nicht teilnimmt sondern feststeht, kann das Objektiv ausserdem gut abgedichtet werden.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und der nachstehenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Fig. 1-3c der beigefügten Zeichnungen.

Fig. 1 zeigt ein Objektiv gemäss der Erfindung mit seiner Fassung im Schnitt im Massstab 1:3;

Fig. 2a zeigen Linsenschnitte des Obiektivs aus Fig. 1 bei 2b u. 2c Einstellung auf Deckglasdicke D = 0 (Fig. 2a), Deckglasdicke D = 1 mm (Fig. 2b) und Deckglasdicke D = 2 mm (Fig. 2c);

Fig. 3a stellen die Korrektionskurven für die Bildfehler des 3b u. 3c Objektivs bei Einstellung auf die drei genannten Deckglasdicken dar.

Das in Fig. 1 und 2 dargestellte Objektiv ist ein Planachromat mit einem Abbildungsmasstab von 40x und einer Apertur von 0.6. Es besitzt eine feststehende Frontlinse (L1). Diese ist wie für Objektive im angegebenen Leistungsbereich üblich als konkav-konvexe Sammellinse ausgebildet. Auf die Frontlinse (L1) folgt eine konkav-konvexe Einzellinse (L2) sowie ein aus drei Linsen bestehendes Kittglied (L3). Das Kittglied (L3) besteht aus einer bikonvexen Sammellinse zwischen je einer konvex-konkaven und einer konkav-konvexen Negativlinse. Die aus den beiden Linsengliedern (L2) und (L3) bestehende Linsengruppe ist wie noch beschrieben wird entlang der optischen Achse verschiebbar.

An das Linsenglied (L3) schliesst sich eine feststehende bikonvexe Einzellinse (L4) an. Dieses Linsenglied (L4) ist ebenso wie die Frontlinse (L1) feststehend. Den bildseitigen Abschluss des Objektivs bildet ein weiteres, ebenfalls längs der optischen Achse verschiebbares Linsenglied (L5). Das Linsenglied (L5) ist ein Kittglied und besteht aus einer bikonvexen Positivlinse und einer bikonkaven Negativlinse, Es besitzt insgesamt eine negative Brennweite und dient zur Feldkorrektion des Objektivs, d.h. es beseitigt insbesondere den Astigmatismus, der auftritt, wenn die aus den beiden Linsengliedern (L2) und (L3) bestehende Linsengruppe axial verschoben wird.

Die Fassung des in Fig. 1 dargestellten Objektivs besitzt einen äusseren, gehäusefesten Ring (1), der mit dem Anschraubgewinde (2) des Objektivs versehen ist. In diesen Ring (1) ist ein weiterer feststehender Ring (3) eingeschraubt. Dieser Ring (3) trägt das Innengewinde (5) für einen dort drehbar angeschraubten Zwischenring (4). Der Zwischenring (4) ist mit einem Nocken (7) versehen, der in einer Ausnehmung eines um den Ring (3) gelegten Betätigungsringes (6) eingreift.

Der drehbare Zwischenring (4) trägt ausserdem zwei spiralförmige Nuten mit gegenläufiger und unterschiedlich steiler Steigung. In diese Nuten greifen einmal der an der Fassung (16) für das Linsenglied (L5) befestigte Nocken (17) sowie der an der Schiebefassung (12) für die Abschlagsfassungen (13) und (14) der beiden Linsenglieder (L3) und (L2) angeschraubte Nocken (15) ein. Die Nocken (17) und (15) greifen ausserdem durch axiale Schlitze im Fassungsring (12) und die darum gelegte Trägerhülse (11) hindurch. Die Trägerhülse (11) nimmt neben der Fassung (10) für die Frontlinsengruppe auch alle anderen Linsenfassungen (9, 12, 16) auf und ist mit Hilfe eines daran angebrachten Nockens (18), der in einen Schlitz im feststehenden Ring (3) eingreift, gegen Verdrehung gesichert. Somit ist sichergestellt, dass sich die Linsenglieder des Objektivs bei einer Drehung des Betätigungsringes (6) zwar axial verschieben, jedoch nicht mitdrehen.

Wenn der Ring (6) zur Einstellung auf unterschiedliche Deckglasdicken gedreht wird, dann führen die beiden Linsenglieder (L2/L3 und L5) eine gegenläufige Bewegung längs der optischen Achse aus, wobei der Hub des Linsengliedes (L5) etwa dreimal so gross wie der Hub der Linsengruppe (L1/L2) ist. Gleichzeitig bewegt sich die Schiebefassung (11) mit dem gesamten Objektiv entlang der optischen Achse. Dies wird in der Darstellung nach Fig. 2a, 2b und 2c deutlich, in denen die Verhältnisse bei Einstellung auf Deckglasdicke 0 (Fig. 2a) auf eine mittlere Deckglasdicke von D = 1 mm (Fig. 2b) und Einstellung auf eine Deckglasdicke von D = 2 mm (Fig. 2c) dargestellt sind. Hierbei ändern sich neben dem Arbeitsabstand des Objektivs drei weitere Luftabstände, nämlich d2, d8 und d10. Mit Hilfe dieser Parameter lässt sich eine gleichbleibend gute Bildfehlerkorrektur über den gesamten Bereich der Deckglasdickenschwankung von 2 mm erzielen.

In der Tabelle I des Anspruchs 15 sind die Parameter des Objektivs mit einem Abbildungsmassstab von 40x und einer Apertur von 0,6 aufgeführt, wie es in Fig. 1 bzw. Fig. 2 dargestellt ist. In der Tabelle sind mit d die Dicken der Linsen und die Luftabstände und mit r die Krümmungsradien der Linsenflächen bezeichnet und wie in Fig. 2a bzw. 2b fortlaufend numeriert, nd bezeichnet die Brechungsindices und vd die Abbezahlen der Gläser.

In den Fig. 3a bis 3c sind die Bildfehler dieses Objektivs, nämlich sphärische Aberration, Astigmatismus und Verzeichnung für die drei genannten Deckglasdicken D = 0, D = 1 mm und D = 2 mm dargestellt. Die sphärische Aberration und der Astigmatismus sind in mm angegeben, während die Verzeichnung in Prozent angegeben ist. Astigmatismus und Verzeichnung sind über den gesamten Bildfelddurchmesser von 25 mm dargestellt.

Wie man erkennt, besitzt das Objektiv für alle drei Deckglasdicken sehr gut korrigierte Werte, die über das gesamte Bildfeld unter der Sichtbarkeitsgrenze liegen. Das Objektiv kann deshalb mit Recht als Planachromat bezeichnet werden.

3

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

CH 678 664 A5

Es soll an dieser Stelle noch hervorgehoben werden, dass die Beibehaltung der guten Korrektionseigenschaften über den gesamten Bereich der Deckglasdicke keinen übermässigen fertigungstechnischen Aufwand erfordert hat, denn alle Bewegungsabläufe in der Fassung erfolgen linear, so dass keine komplizierten Kutvenkörper gefertigt und justiert werden müssen.

In der Tabelle II des Anspruchs 15 sind die Parameter eines Objektivs mit einem Abbildungsmassstab von 32x und einer Apertur von 0.55 und in der Tabelle III die Parameter für ein drittes Objektiv mit einem Abbildungsmassstab von 50x und einer Apertur von 0.65 angegeben. Diese beiden Objektive sind ebenfalls Planachromaten und zeichnen sich durch eine ähnlich gute Bildfehlerkorrektion aus wie das mit Linsenschnitt und Korrektionskurven dargestellte Objektiv 40/0.60. Auch den beiden Objektiven nach Tabelle II und Tabelle III liegt der in Anspruch 14 angegebene prinzipielle Aufbau zugrunde, d.h. sie bestehen ebenfalls aus acht Linsen in vier Gruppen, wobei die aus der Einzellinse (L2) und dem Kittglied (L3) bestehende zweite Linsengruppe und die aus dem Kittglied (L4) bestehende vierte Linsengruppe gegenläufig zueinander verschiebbar sind. Der Linsenschnitt dieser beiden Objektive entspricht deshalb im wesentlichen dem nach Fig. 2 a-c, so dass auf eine nochmalige Darstellung an dieser Stelle verzichtet werden kann.

Claims

Patentansprüche

1. Mikroskopobjektiv mit einem Abbildungsmassstab zwischen 32x und 60x, einer Apertur von mindestens 0.5 und einer Einrichtung zur Einstellung auf unterschiedliche Deckglasdicken, wobei zwischen einer feststehenden ersten Linse (L1) bzw. Linsengruppe und einer dritten ebenfalls feststehenden Linse (L4) bzw. Linsengruppe eine zweite Linse bzw. Linsengruppe (L2/L3) verschiebbar angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine weitere Linse bzw. Linsengruppe (L5) gegenläufig zur zweiten Linse bzw. Linsengruppe (L2/L3) verschiebbar ist.

2. Mikroskopobjektiv nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegungen der beiden verschiebbaren Linsengruppen (L2/L3; L5) linear sind.

3. Mikroskopobjektiv nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Bewegungshub der weiteren Linsengruppe (LS) grösser als der Hub der zweiten Linsengruppe (L2/L3) ist.

4. Mikroskopobjektiv nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegungshübe mindestens um einen Faktor drei unterschiedlich sind.

5. Mikroskopobjektiv nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Linsengruppe (L4) in einer Zentrierfassung (9) aufgenommen ist.

6. Mikroskopobjektiv nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Einstellung auf unterschiedliche Deckglasdicken mit einer Einrichtung zur Fokusnachstellung des gesamten Objektivs gekoppelt ist

7. Mikroskopobjektiv nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein einziger Betätigungsring (6) vorgesehen ist, der gleichzeitig die gegenläufige Bewegung der beiden Linsen bzw. Linsengruppen (L2/L3; L5) zur Deckglasdickeneinstellung und die Bewegung des Gesamtobjektivs zur Fokusnachstellung bewirkt.

8. Mikroskopobjektiv nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Fokusnachstellung ein Feingewinde (5) an einem mit dem Betätigungsring (6) gekoppelten Zwischenring (4) dient.

9. Mikroskopobjektiv nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Einstellung auf unterschiedliche Deckglasdicken aus zwei mit den jeweiligen Linsenfassungen verbundenen Nocken (15,17) besteht, die in zwei Nuten mit konstanter aber unterschiedlicher Steigung im Zwischenring (4) eingreifen.

10. Mikroskopobjektiv nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Änderung des Luftabstandes (d10) zwischen der feststehenden dritten Linse bzw. Linsengruppe (L4) und der verschiebbaren weiteren Unse bzw. Linsengruppe (L5) auf die Feldkorrektion des Objektivs, insbesondere den Astigmatismuswirkt.

11. Mikroskopobjektiv nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden feststehenden Linsen bzw. Linsengruppen (L1, L4) positive Einzellinsen sind.

12. Mikroskopobjektiv nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die verschiebbare, zweite Linsengruppe eine positive Brechkraft besitzt.

13. Mikroskopobjektiv nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die gleichzeitig verschiebbare weitere Linsengruppe (LS) ein Kittglied mit negativer Brechkraft ist.

14. Mikroskopobjektiv nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Objektiv ein Planachromat ist, acht Linsen in vier Gruppen enthält und in Lichtrichtung gesehen folgenden Aufbau besitzt:

- eine Frontlinse in Form einer konkav-konvexen Sammellinse,

-eine weitere konkav-konvexe Einzellinse (L2) im Abstand (d2) zur Frontlinse,

- ein Kittglred (L3) aus drei Linsen, wobei die mittlere Linse eine bikonvexe Sammellinse ist, die von einer konvex-konkaven und einer konkav-konvexen Zerstreuungslinse eingeschlossen ist,

—eine bikonvexe Einzellinse (L4) im Abstand (d8) zum Kittglied (L3),

- ein aus einer bikonvexen Sammellinse und einer bikonkaven Zerstreuungslinse bestehendes Kittglied im Abstand (dIO) zur bikonvexen Einzellinse (L4),

4

CH 678 664 A5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

und dass die drei Abstände (d2, d8 und d10) zur Einstellung auf unterschiedliche Deckglasdicke variabel sind.

15. Mikroskop-Objektiv nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Objektiv die in einer der drei nachstehenden Tabellen angegebenen Daten für die Linsenradien r, Linsendicken und Abstände d, Brechungsindizes nd und Abbezahlen vd der verwendeten Gläser besitzt:

Tabelle I

Linse

Radius

Dicke

Abstand

Brechungsindex

Abbezahl

r/mm d/mm d/mm nd vd

ri =-3.566

LI

d1 =3.24

1.5205

69.7

r2=-3.839

d2 = 1.43 bis 0.48

r3 =-659.4

L2

d3=*2.50

1.5891

61.3

r4=-10.96

d4 = 0.62

r5 = 48.448

d5 = 1.0

1.6134

44.3

r6 = 7.515

L3

d6 = 4.7

1.4866

84.5

r7 =-8.485

Q.

VI

II

b

1.8807

41.0

r8=-24.36

d8 = 0.20 bis 1.15

r9 = 17.013

L4

d9 = 3.0

1.5285

77.0

r10=-25.925

d10 = 15.75 bis 19.06

r11 =8.593

d11 =4.0

1.4585

67.7

L5

r12 =-29.03

d12 = 1.5

1.6967

56.4

r13 = 5.975

Deckglas: 0 bis 2 mm Arbeitsabstand: W = 2.7 mm bis 1.5 mm Abbildungsmassstab: ß = 40x Numerische Apertur: A=0.6

65

5

5

10

ts

20

25

30

35

40

45

50

55

CH 678 664 A5

Tabelle«

Unse

Radius

Dicke

Abstand

Brechungsindex

Abbezahl

r/mm d/mm d/mm nd vd

ri =-2.751

L1

d! = 2.05

1.5205

69.7

r2 *=-3.110

d2 = 1.44 bis 0.21

r3 =-132.1

L2

d3 = 2.15

1.4866

84.5

r4=-7.032

d4 = 3.38

r5=34.383

d5=2.0

1.5986

46.9

r6=9.040

L3

d6 = 5.0

1.4866

84.5

r7=-7.766

d7 = 1.0

1.8807

41.0

r8=-17.974

d8 = 3.73 bis 4.96

19=15.281

L4

Q. tp il w Ö

1.4866

84.5

rlO =-163.8

d10 = 10.48 bis 16.07

rt1 =5.862

d1l = 3.9

1.4875

70.4

LS

ri 2=-21.964

d!2 = 1.0

1.6228

56.9

r13=4.278

Deckglas 0 bis 2 mm Arbeitsabstand W=2.4 mm bis 1.55 mm Abbildungsmassstab ß=32x Numerische Apertur A=0.55

6

CH678 664 A5

Tabelle III

Linse

Radius r/mm

Dicke d/mm

Abstand d/mm

Brechungsindex nd

Abbezahl vd

5

r1 =-3.563

Li r2=-3.091

d1 = 2.21

1.5205

69.7

10

d2 = 1.40 bis 0.11

r3 =-354.6

L2

r4=-8.262

d3 = 2.22

1.4866

84.5

15

r5 = 39.776 r6 = 8,778

d5 = 0.9

d4 = 0.9

1.6134

44.3

20

L3

r7=-6.945 r8 =-17.314

d6=4.63 d7 = 1.02

1.4866 1.8807

84.5 41.0

25

r9 = 13.598

d8 = 0.19 bis 1.48

L4

d9 = 3.4

1.4866

84.5

30

r10 =-54.136

r11=5.143

d11 = 3.87

d10 = 13.85 bis 20.30

1.4585

67.7

35

LS

r12 =-10.086

al

CD CO II

CO

Um d!2 = 1.24

1.6511

55.6

Deckglas 0 bis 2 mm Arbeitsabstand W = 2.35 mm bis 1.3 mm Abbildungsmassstab ß = 50x Numerische Apertur A = 0.65

7