CN101271191A - 显微镜物镜 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种显微镜物镜，其由至少四个透镜或透镜组(L1，L2a，L2b，L3，L4a，L4b，G1，G2)组成并能够优选地被用于改进图像对比度。根据本发明，从物体侧观察，可将与光轴同心对准的相板(12)集成到第一透镜(L1)和第二透镜(L2a或L2b)之间的空气空间(a1)中以及从该空气空间(a1)中取出。所限定地布置相板(12)和相关联地将实际光瞳偏移到显微镜物镜的前两个透镜(L1和L2a、L2b)或透镜组之间的空气空间(a1)中允许最初被设计为亮视场变型的显微镜物镜被重新设计为相对简单的相衬变型。

Description

显微镜物镜
技术领域
本发明涉及一种显微镜物镜，其由至少四个透镜或透镜组组成并优选地被用于改进图像对比度。
背景技术
已知的显微镜相衬法允许看到在普通亮视场中不能看到的细胞中的物体结构。因此，在照明侧，只选择所确定的孔径区域(通常为环形)中的光束来照明相位物体。在图像侧，将由例如两个平面平行板组成的胶合部件插入到实际光瞳的位置，并将特定结构施加到该胶合表面上，以便操纵振幅和相位。这样做，零阶光束被削弱，并且较高阶的光束获得90°相位跃变。环形光瞳区域处的光强度的削弱通常受到金属层的影响，反过来这些金属层导致入射光的强烈反射。组合的振幅/相位结构(在下文中称之为相位结构)的典型反射值为50％以及更多。
对于图像比例尺较小(小于20x)的物镜来说，实际光瞳位于物镜的后部，在该后部中光束平行或者准平行。在这样的轴向平行的光束几乎垂直地入射到上述平的表面上的地方，特别是在包括具有高反射值的金属层的环形区域中，通过反射产生散射光。这可以对图像对比度造成严重的影响，这在用于对比法的显微镜物镜中是经常出现的问题。
JP 9197285 A1描述了一种通过弯曲胶合面来减少散射光的解决方案。为了实现该目的，使用两个透镜，也就是平凸透镜和平凹透镜。然后，在相位结构处反射的光不再直接返回到物体，而是通过弯曲胶合面展开，并分布在整个物体上。由于弯曲表面的制造以及在这些弯曲表面上施加相位结构是复杂的，所以相应的制造成本实际上非常高。
此外，公知以下解决方案，其中由两个平面平行板组成的相板被安装在物镜中，以致所述相板相对于物镜的光轴倾斜一角度。然而，由于该相板的倾斜，这样的物镜具有更长的结构长度。
发明内容
因此，本发明的目标是提供一种制造复杂度相对低的显微镜物镜，该显微镜物镜具有短的结构长度，而且提供亮视场图像和具有改进了的图像对比度并在相位结构处减小了观察光的散射的图像。
依照本发明，通过权利要求1的特征来实现上述类型的显微镜物镜方面的目标。有利的实施例在从属权利要求2至9中被说明。
在(如从物体侧来观察的)前两个透镜或透镜组之间布置相板并因此将实际光瞳偏移到这个空气空间中的可能性具有以下优点，即光束并不在这里平行而是以倾斜的方式射到被布置在这个空气空间中的相板的平表面上。相环被汽相沉积在两个平面板中的一个上，且剩下的容积充以光学胶合剂。最小化由相环处的双重反射(非常高的反射率)以及由玻璃板的外表面引起的散射光，使得与传统装置相比获得了图像对比度上的改进。
由于对校正诸如场曲、像散和横向色差等的成像误差所设置的要求，使得实际光瞳在物体方向上的移置更困难。因此，选择各个透镜的折光力，以致得到最佳折衷方案，并且因此实现平场消色差透镜级(Planachromat class)的总体校正目标。
在已平场消色差校正过的微物镜中，诸如球面像差、主纵向色差和慧差的成像误差例如被校正，并大大地最小化像散。而且，由光谱线C`-e和F`-e之间的焦点位置的偏差所限定的纵向色差(来自第二光谱的像差)是焦深的1.5倍，其中C`是643.847nm，F`是479.991nm以及e是546.074nm。由λ/NA2(λ是波长，NA是数值孔径)来限定焦深范围。这个范围被称为瑞利(Rayleigh)单位[R.U.]。
减小视场平化，以致该视场边缘处的最佳焦点位置偏离轴向焦点位置不到2.5倍的焦深。
所限定地布置相环和相关联地将实际光瞳偏移到显微镜透镜的前两个透镜或透镜组之间的空气空间中允许最初被设计为亮视场变型的显微镜物镜被重新设计为相对简单的相衬变型。
通过针对两个物镜系统使用相同的透镜能够获得相对廉价的制造过程。该对比度变型(contrast variant)仅仅要求通过插入中间环来机械地适配透镜的距离。然后，相位结构被施加到能够廉价制造的平面板上。这在任何情况下对于制造都是更有利的。
附图说明
下面将参照两个示例性实施例更加详细地阐述依据本发明的显微镜物镜。在附图中，
图1示出作为(没有相环的)亮视场变型的10×/0.25显微镜物镜的透镜剖面；
图2示出作为相衬变型的10×/0.25显微镜物镜的透镜剖面；
图3示出作为相衬变型的20×/0.4显微镜物镜的透镜剖面；
图4示出根据图1的10×/0.25显微镜物镜中的横向像差的表示；
图5示出根据图1的10×/0.25显微镜物镜中的纵向像差的表示；以及
图6示出根据图1的10×/0.25显微镜物镜中的与视场有关的图像误差的表示。
具体实施方式
图1示出了“平场消色差透镜”级的、根据本发明的显微镜物镜(亮视场变型)的示例性实施例，该显微镜物镜包括具有正折光力的弯月透镜L1、具有正折光力的双凸透镜L2a、具有负折光力的胶合部件G1，胶合部件G1由在物体表面2的方向上的具有负折光力的弯月透镜L3和在图像侧的具有正折光力的弯月透镜L4a组成，并且该显微镜物镜具有以下系统数据：
  表面   半径   厚度d空气间隙a   折射率ne   阿贝色散数υe
  12345678   平的平的-22.910-7.04750.930-30.69018.45010.093   0.1705.009(a0)3.500(d1)21.893(a1)2.400(d2)0.300(a2)1.500(d3)6.000(d4)   1.5251.4891.6281.7231.489   59.2(盖玻片)70.060.129.370.0
  910   19.815平的   7.788(a3)80.000
系统数据利用焦距为180mm的已消色差的镜筒透镜和下面的具体值一起被确定，这些值诸如
数值孔径NA＝0.25      入射光瞳位置-∞
图像比例尺＝-10.0     表面1上的物体
视场数＝20。
在这种情况下，视场边缘处的横向色差没有被校正到零。通过接着中间图像后所布置的光学系统来补偿这些横向色差。
图2示出根据图1的光学系统中的用于改进图像对比度的相环11的装置。
相环11同心地被布置在平面平行板p2上。因此，另一平面平行板p1通过粘合质与板p2连接。这两个相互连接的平面平行板p1和p2与所集成的相环11一起形成了所谓的相板12。
根据本发明，相板12在透镜L1和透镜L2a或者透镜L2b之间的空气空间(空气间隙a1)中位于透镜L1的图像侧焦点相对于第一透镜L1的后表面4的顶点的后焦点距离s’F’，L1之内，在这种情况下，下面的关系成立：
0＜s’F’，L1/a1＜1
空气间隙a1’(透镜L1的表面4和平面平行板p1的表面P1之间的间隙)和a1”(平面平行板p3的表面P3和透镜L2a的表面5之间的间隙)相应表征相板12在显微镜物镜中的位置，其中相板12的表面P1、P2和P3与光轴呈90度角。
通过下面的系统数据(修正的空气间隙)来满足上述条件：
  表面   半径   厚度d空气间隙a   折射率ne   阿贝色散数υe
  1234P1   平的平的-22.910-7.047平的   0.1705.009(a0)3.500(d1)19.371(a1’)0.700(dp1)   1.5251.4891.519   59.2(盖玻片)70.064.0
  P2P35678910   平的平的50.930-30.69018.45010.09319.815平的   0.700(dp2)1.600(a1”)2.400(d2)0.300(a2)1.500(d3)6.000(d4)7.788(a3)80.000   1.5191.6281.7231.489   64.060.129.370.0
图3示出了作为相衬变型的根据本发明的显微镜物镜的示例性实施例，该显微镜物镜包括具有正折光力的半月透镜L1、具有正折光力的半月透镜L2b、具有正折光力的双重胶合部件G2，该双重胶合部件G2由在物体表面2的方向上的具有负折光力的半月透镜L3和在图像侧的具有正折光力的双凸透镜L4b组成，该显微镜物镜具有针对亮视场变型(未示出)、也就是没有相板12的变型的系统数据：
  表面   半径   厚度d空气间隙a   折射率ne   阿贝色散数υe
  12345678910   平的平的-3.221-2.312-46.880-8.99535.6509.078-33.040平的   0.1701.201(a0)1.400(d1)9.531(a1)1.900(d2)0.400(a2)1.000(d3)2.600(d4)30.359(a3)80.000   1.5251.6541.6231.7231.489   59.2(盖玻片)58.260.129.370.0
系统数据利用焦距为180mm的已消色差的镜筒透镜和下面的具体值一起被确定，这些值诸如
数值孔径NA＝0.40       入射光瞳位置-∞
图像比例尺＝-19.8      表面1上的物体
视场数＝20。
在这种情况下，如在根据图1的示例性实施例中那样，视场边缘处的横向色差没有被校正到零。通过接着中间图像后所布置的光学系统来补偿这些横向色差。
在具有集成的相板12(如所示的相衬变型)的情况下，由于空气间隙的修改来产生下面的系统数据：
  表面   半径   厚度d空气间隙a   折射率ne   阿贝色散数υe
  1234P1P2P35678910   平的平的-3.221-2.312平的平的平的-46.880-8.99535.6509.078-33.040平的   0.1701.201(a0)1.400(d1)7.993(a1’)0.700(dp1)0.700(dp2)0.600(a1”)1.900(d2)0.400(a2)1.000(d3)2.600(d4)30.359(a3)80.000   1.5251.6541.5191.5191.6231.7231.489   59.2(盖玻片)58.264.064.060.129.370.0
在根据图1和2的示例性实施例中以及在根据图3的示例性实施例中，对于焦距为164.5mm和200mm的管系统，类似的物镜计算也是可能的。除了那些在系统数据表中已经阐述的数据之外，弯曲半径也是可以设想的。
针对对应于根据图1的示例性实施例的系统数据，图4和5示出了取决于孔径和视场的图象误差的曲线。在将相板12插入到显微镜物镜中之后，所示的曲线形状只稍微地变化。
图4示出f’管＝180mm的管的横向像差。任何横向色差的出现均由没有详细示出的随后布置的光学系统来补偿。左边的两个图分别针对经向剖面(左边)和径向剖面(右边)示出取决于出射光瞳的轴向物点的横向像差。对于轴向图像，这些横向像差的轮廓相同。
在图4右手侧的两个图中，最大物高的横向像差是可见的。
图5和6示出了轴上的纵向像差以及与视场有关的图像误差，其中图5示出不同波长情况下的取决于出射光瞳的相对坐标(纵轴)的、单位为mm的球面纵向像差(横轴)。
在左边的图中，图6示出取决于像高+y的场曲，而在右边的图中，该图6示出取决于像高+y的畸变百分比。
参考符号列表
1、2、3、4、5、6、7、8、9、10   透镜表面
11                              相环
12                              相板
P1、P2、P3                      平面板表面
a0、a1、a1’、a1”、a2、a3      空气间隙
p1、p2                          平面平行板
L1、L2a、L2b、L3、L4a、L4b      透镜
D                               厚度
G1、G2                          胶合组(透镜组)

Claims (9)

1.一种显微镜物镜，其由至少四个透镜或透镜组(L1，L2a，L2b，L3，L4a，L4b，G1，G2)组成，其特征在于，从物体侧观察，与光轴同心对准的相板(12)被集成到第一透镜(L1)和第二透镜(L2a或L2b)之间的空气空间(a1)中并且从该空气空间(a1)中被取出。
2.如权利要求1所述的显微镜物镜，从物体侧观察，其特征在于具有正折光力的半月透镜(L1)、具有正折光力的双凸透镜(L2a)、具有负折光力的胶合部件(G1)，该胶合部件(G1)由在物体侧的具有负折光力的半月透镜(L3)和在图像侧的具有正折光力的半月透镜(L4a)组成。
3.如权利要求2所述的显微镜物镜，该显微镜物镜没有被布置在光学系统中的相板(12)，其特征在于下面的系统数据：
  表面   半径   厚度d空气间隙a   折射率ne   阿贝色散数υe   12345678910   平的平的-22.910-7.04750.930-30.69018.45010.09319.815平的   0.1705.009(a0)3.500(d1)21.893(a1)2.400(d2)0.300(a2)1.500(d3)6.000(d4)7.788(a3)80.000   1.5251.4891.6281.7231.489   59.2(盖玻片)70.060.129.370.0
以及焦距为180mm的已消色差的镜筒透镜和下面的具体值：
数值孔径＝0.25       入射光瞳位置-∞
图像比例尺＝-10.0    表面(1)上的物体
视场数＝20。
4.如权利要求1所述的显微镜物镜，从物体侧观察，其特征在于具有正折光力的半月透镜(L1)、具有正折光力的半月透镜(L2b)、具有正折光力的双重胶合部件(G2)，该双重胶合部件(G2)由在物体侧的具有负折光力的半月透镜和在图像侧的具有正折光力的双凸透镜(L4b)组成。
5.如权利要求4所述的显微镜物镜，该显微镜物镜没有被布置在光学系统中的相板(12)，其特征在于下面的系统数据：
  表面   半径   厚度d空气间隙a   折射率ne   阿贝色散数υe   12345678910   平的平的-3.221-2.312-46.880-8.99535.6509.078-33.040平的   0.1701.201(a0)1.400(d1)9.531(a1)1.900(d2)0.400(a2)1.000(d3)2.600(d4)30.359(a3)80.000   1.5251.6541.6231.7231.489   59.2(盖玻片)58.260.129.370.0
以及焦距为180mm的已消色差的镜筒透镜和下面的具体值：
数值孔径＝0.40            入射光瞳位置-∞
图像比例尺＝-19.8        表面(1)上的物体
视场数＝20。
6.如权利要求1和2所述的显微镜物镜，该显微镜物镜具有被布置在光学系统中的相板12，其特征在于下面的系统数据：
  表面   半径   厚度d空气间隙a   折射率ne   阿贝色散数υe   1234P1P2   平的平的-22.910-7.047平的平的   0.1705.009(a0)3.500(d1)19.371(a1’)0.700(dp1)0.700(dp2)   1.5251.4891.5191.519   59.2(盖玻片)70.064.064.0
  P35678910   平的50.930-30.69018.45010.09319.815平的   1.600(a1”)2.400(d2)0.300(a2)1.500(d3)6.000(d4)7.788(a3)80.000 1.6281.7231.489 60.129.370.0
以及焦距为180mm的已消色差的镜筒透镜和下面的具体值：
数值孔径＝0.25        入射光瞳位置-∞
图像比例尺＝-10.0     表面(1)上的物体
视场数＝20。
7.如权利要求1和5所述的显微镜物镜，该显微镜物镜具有被布置在光学系统中的相板12，其特征在于下面的系统数据：
  表面   半径   厚度d空气间隙a   折射率ne   阿贝色散数υe   1234P1P2P35678910   平的平的-3.221-2.312平的平的平的-46.880-8.99535.6509.078-33.040平的   0.1701.201(a0)1.400(d1)7.993(a1’)0.700(dp1)0.700(dp2)0.600(a1”)1.900(d2)0.400(a2)1.000(d3)2.600(d4)30.359(a3)80.000   1.5251.6541.5191.5191.6231.7231.489   59.2(盖玻片)58.264.064.060.129.370.0
以及焦距为180mm的已消色差的镜筒透镜和下面的具体值：
数值孔径＝0.40       入射光瞳位置-∞
图像比例尺＝-19.8    表面(1)上的物体
视场数＝20。
8.如权利要求1、2、4、6和7所述的显微镜物镜，其特征在于，当在该显微镜物镜中布置相板(12)时，相板(12)精确地被布置在透镜(L1)的图像侧焦点相对于后表面(4)的顶点的后焦点距离s’F’，L1之内，并满足下面的条件：
0＜s’F’，L1/a1＜1
其中，a1是第一透镜(L1)和第二透镜(L2a，L2b)之间的空气间隙。
9.如权利要求1、2、4和6到8所述的显微镜物镜，其特征在于提供两个彼此胶合的平面平行玻璃板(p1，p2)来容纳具有相位和振幅结构的相环(11)，所述相环(11)被汽相沉积在所述两个平面平行板(p1，p2)之一的接合表面上。
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