CN108732738A - 用于显微镜的浸液物镜 - Google Patents

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Abstract

介绍一种用于显微镜(100)的浸液物镜(10)，包括正折光力的第一透镜组(12)、正折光力的第二透镜组(14)、负折光力的第三透镜组(16)和正折光力的第四透镜组(18)，这些透镜组从物样侧起按此顺序布置，其中，为了针对球面像差实现矫正效果，所述第二透镜组(14)可沿着光轴(O)移动，从而所述第二透镜组(14)与所述第一透镜组(12)之间的距离(V1)和所述第二透镜组(14)与所述第三透镜组(16)之间的距离(V2)的总和是恒定的，其中，所述第二透镜组(14)的矫正效果经过预先确定，从而与平均的数值孔径相应的光投射的球面像差最小，该平均的数值孔径位于零和所述浸液物镜(10)的额定孔径之间。

Description

用于显微镜的浸液物镜
技术领域
本发明涉及一种用于显微镜的浸液物镜，其包括正折光力的第一透镜组、正折光力的第二透镜组、负折光力的第三透镜组和正折光力的第四透镜组，这些透镜组从物样侧起按此顺序布置，其中，第二透镜组为了在球面像差方面实现矫正作用可沿着光轴移动，从而第二透镜组与第一透镜组之间的距离和第二透镜组与第三透镜组之间的距离的总和是恒定的。
背景技术
由现有技术已知一些指定用于显微镜的浸液物镜，这些浸液物镜能让操作人员实现矫正因样本空间的变化的光学特性而产生的成像差。所述成像差例如是球面像差，其因所用浸液液体的密度变化或者待观察的样本的生物结构的不均匀性而产生。特别是对于数值孔径大的物镜，在工作距离大的情况下，在物镜与样本之间的光路中的折射率差异大的情况下，往往会出现大的球面像差。
由US 8 705 178 B2已知一种用于显微镜的物镜，其包括正折光力的第一透镜组、正折光力的第二透镜组、负折光力的第三透镜组和正折光力的第四透镜组，这些透镜组从物样侧起按此顺序布置。第二透镜组形成可沿着光轴移动的矫正件，以便矫正球面像差。在此，第二透镜组具有大致等于或大于物镜的总折光力的折光力。但该物镜并不适合于用作浸液物镜。
由US 5 940 220已知另一种物镜，其同样仅仅具有一个唯一的可沿着光轴移动的矫正件。相比于前述物镜，在这里，可沿着光轴移动的矫正件的折光力小于物镜的总折光力。由在发散的或者汇聚的光路内部的矫正件位置，产生矫正效果，该位置可以通过移动矫正件予以改变。矫正件的比较小的折光力具有如下缺点：物镜必须具有大的构造长度，以便实现大的矫正效果，并且，物镜直径随着构造长度而增大，这在很多显微应用情况下都是不利的。
最后，由DE 10 2004 051 357 A1已知一种浸液物镜，其中，为了矫正球面像差，移动多个透镜组。这种构造的特点是高度的机械复杂性，随之而来的是高昂的制造成本和频繁的维修率。
发明内容
基于这种现有技术，本发明的目的现在是，提出一种简单且紧凑地构造的浸液物镜，其能实现让操作人员可靠地矫正球面像差。
该目的通过一种用于显微镜的浸液物镜得以实现，其包括正折光力的第一透镜组、正折光力的第二透镜组、负折光力的第三透镜组和正折光力的第四透镜组，这些透镜组从物样侧起按此顺序布置，其中，为了针对球面像差实现矫正效果，第二透镜组可沿着光轴移动，从而第二透镜组与第一透镜组之间的距离和第二透镜组与第三透镜组之间的距离的总和是恒定的，其中，第二透镜组的矫正效果经过预先确定，从而与平均的数值孔径相应的光投射的球形像差最小，该平均的数值孔径位于零和浸液物镜的额定孔径之间。
对第二透镜组的矫正效果的前述要求意味着，对于根据本发明的浸液物镜，当第二透镜组为了矫正球面像差而沿着光轴移动时，光束的图像侧的截距基本上保持不变，所述光束相对于光轴以一定的张开角度或者在光轴上方的一定高度处投射到浸液物镜中，所述张开角度或所述高度相应于在零与浸液物镜的额定孔径之间的平均的数值孔径。在此，浸液物镜的额定孔径规定了最大的数值孔径。前述要求确保在第二透镜组移动时近轴焦点的位置发生改变，从而最佳的调节平面，即在考虑到可能还存在的球面像差情况下最佳的焦点位置保持不变。这特别是意味着，浸液物镜的点扩散函数，简写为PSF，在第二透镜组移调时基本上保持固定不动。由此，本发明的浸液物镜可良好地特别是应用在共焦显微术中。此外，本发明的浸液物镜可以良好地应用在光片显微术中，因为由本发明的浸液物镜规定的探测平面与光片照明件的先前已有的共面性在第二透镜组移调时保持不变。
在一种优选的设计中，平均的数值孔径处于浸液物镜的额定孔径的0.65倍与0.75倍之间的孔径范围内。特别是对于在共焦显微术中的应用而言，该范围已表明是有利的。
在一种优选的设计中，第二透镜组的折光力D2至少为所述物镜的总折光力D的十分之一，至多为其三分之一：
一方面，由此使得第二透镜组的折光力比总折光力小，从而其对PSF的位置的影响在很大程度上可忽略不计。另一方面，第二透镜组的折光力足够大，从而实现紧凑的构造，特别是实现在矫正效果足够的情况下物镜的构造长度短小。
在一种优选的设计中，第一透镜组包含正折光力的第一透镜、负折光力的第二透镜和正折光力的第三透镜，这些透镜从物样侧起按此顺序布置，其中，第一透镜与第二透镜胶合。
在一种特别优选的设计中，第一透镜是平凸透镜，而第二透镜是弯月形透镜，第三透镜是双凸透镜。
在一种优选的设计中，第二透镜组包含相互胶合的负折光力的第四透镜和正折光力的第五透镜。
在一种有利的设计中，第四透镜是弯月形透镜，第五透镜是双凸透镜。
在另一种优选的设计中，第三透镜组包含正折光力的第六透镜优选双凸透镜和负折光力的第七透镜优选双凹透镜，这些透镜从物样侧起按此顺序布置并相互胶合。通过设计成胶合件，第三透镜组可以尤其实现为消色差透镜，以便矫正色彩像差。
在另一种优选的设计中，第四透镜组包括负折光力的第八透镜和正折光力的第九透镜，这些透镜从物样侧起按此顺序布置。在一种特别优选的设计中，第八透镜和第九透镜分别设计成弯月形透镜。
在一种有利的改进中，浸液物镜具有可手动地操纵的驱动件，借助于该驱动件可使得第二透镜组沿着光轴移动。手动的驱动件例如由滚花环构成，其转动借助传动件转变为第二透镜组的纵向移动。
在另一种有利的改进中，浸液物镜具有机动的驱动件，借助于该驱动件可使得第二透镜组沿着光轴机动地移动。驱动件例如包括电机，该电机通过传动件移动凸轮部件。在该驱动件的一种替代的设计中，第二透镜组也可以借助丝杠和螺母或者借助齿杆机动地移动。
本发明还规定了一种带有上述类型的浸液物镜的显微镜，特别是共焦显微镜、多光子显微镜或光片显微镜。
附图说明
本发明的其它特征和优点可由如下说明书得到，该说明书结合附图借助实施例详述了本发明。其中：
图1为浸液物镜的一个实施例的示意性的剖视图；
图2针对不同的矫正调节，与数值孔径相关地示出入射到根据图1的浸液物镜中的光束的球面像差；和
图3为具有根据图1的浸液物镜的显微镜的一个实施例的示意图。
具体实施方式
图1以沿着光轴O的剖视图示出浸液物镜10，作为可能的实施例。
浸液物镜10面向样本空间44，在该样本空间中设置着样本42。浸液液体40例如水、甘油或专用浸液油位于样本空间44中。
浸液物镜10包括正折光力的第一透镜组12、正折光力的第二透镜组14、负折光力的第三透镜组16和正折光力的第四透镜组28，这些透镜组从样本42起，即从物样侧起，按此顺序布置。只有第二透镜组14为了矫正球面像差被设计成可移动，也就是说，第一透镜组12、第三透镜组16和第四透镜组18是固定不动的。
从物样侧观察，第一透镜组12包括：正折光力的第一透镜20，其带有物样侧的平的面F1和图像侧的凸形的面F2；负折光力的第二透镜22，其带有物样侧的凹形的面F3和图像侧的凸形的面F4；正折光力的第三透镜24，其带有两个凸形的面F5和F6，其中，第一透镜20的凸形的面F2和第二透镜22的凹形的面F3相互胶合。第二透镜22在物样侧具有倒棱23。
从物样侧观察，第二透镜组14包括：负折光力的第四透镜26，其在物样侧具有凸形的面F7，且在图像侧具有凹形的面F8；正折光力的第五透镜28，其带有两个凸形的面F9和F10，其中，第四透镜26的凹形的面F8和第五透镜28的物样侧的面F9相互胶合。第二透镜组14因而形成一个唯一的胶合件。通过把第二透镜组14设计成胶合件，得到了一种紧凑的物镜构造，因为仅仅一个唯一的透镜组件必须为了矫正球形像差而移动。
从物样侧观察，第三透镜组16包括：正折光力的第六透镜30，其带有两个凸形的面F11和F12；负折光力的第七透镜32，其带有两个凹形的面F13和F13，其中，第六透镜30的图像侧的面F12和第七透镜32的物样侧的面F13相互胶合。双凹的透镜32在图像侧具有倒棱33。
从物样侧观察，第四透镜组18包括：负折光力的第八透镜34，其在物样侧具有凹形的面F17且在图像侧具有凸形的面F18；正折光力的第九透镜36，其在物样侧具有凹形的面F19且在图像侧具有凸形的面F20。在图1所示的实施例中，第八透镜34在图像侧具有倒棱35。
表格1示出根据图1的物镜10的透镜数据。相应的透镜面的弯曲半径或相距后续面的距离用mm表示。此外，在表格1中，在546.073nm的波长情况下给出了所用的玻片的折射率ne和阿贝数ve。这些面是从物样侧连续编号的。此外给出了图1中所用的附图标记。
由于第二透镜组14可沿着光轴O移动，透镜面F6和F7之间的以及透镜面F10和F11之间的距离可改变。这些距离在图1和表格1中用V1或V2标出。它们的总和是恒定的，且在所示实施例中为7.33mm。
表格1
操作人员例如通过操纵图1中未示出的滚花环来使得第二透镜组14沿着光轴O移动，由此可以矫正因样本空间44内部的变化的光学特性而产生的成像差、特别是球面像差。这些成像差的成因可以特别是所用浸液液体40的密度变化，或者是样本42的生物结构的不均匀性。
第二透镜组14的折光力D2至少为浸液物镜10的总折光力D的十分之一，至多为其三分之一。为了实现紧凑的构造，特别是在矫正效果大的情况下实现浸液物镜10的短小的构造长度，第二透镜组14的在前述最大值附近的大的折光力是有利的。
第一透镜组12与第二透镜组14之间的或者第二透镜组14与第三透镜组16之间的距离V1、V2可以特别是根据所用的浸液液体40由操作人员来调整。对于作为浸液液体40的水，在所示实施例中，实现了最佳的矫正距离，并且值V1＝6.53mm、V2＝0.80mm。如果把甘油用作浸液液体40，则得到值V1＝5.81mm、V2＝1.52mm。在表格1中示范性地给出了一些值，这些值是在使用水作为浸液液体40时得到的。
图2针对第二透镜组14的不同的矫正调节，与数值孔径NA相关地，特别是作为NA平方的函数，示意性地示出了浸液物镜10的用参数Δz表示的球面像差。参数Δz具体地描述了图像侧的截距与近轴图像点的偏差。
局部图a)针对第二透镜组14的最佳位置，即针对第二透镜组14的使得球面像差得到最大程度的矫正的所在位置，示出了浸液物镜10的球面像差Δz。
局部图b)针对第二透镜组14的在最佳位置的图像侧的位置，示出了浸液物镜10的球面像差Δz。在该位置，在所示实施例中，数值孔径较小的那些区域被过矫正。在浸液物镜10的额定孔径附近的较大数值孔径的那些区域被欠矫正。
局部图c)针对第二透镜组14的在最佳位置的物样侧的位置，示出了浸液物镜10的球面像差Δz。不同于根据局部图b)的调节，在这里，数值孔径较小的那些区域被欠矫正，而在浸液物镜10的额定孔径附近的较大数值孔径的那些区域被过矫正。
根据本发明，平均数值孔径NA的球面像差Δz是最小的，该孔径位于零与浸液物镜10的额定孔径之间的孔径范围内。在所示实施例中，所选的数值孔径为浸液物镜10的额定孔径的0.7倍。
图3以示意图示出具有根据图1的浸液物镜10的显微镜100的一个实施例。
在显微镜100的照明光路101中，设置了光源102、照明场光圈104、照明透镜106、二色性的分光镜108、浸液物镜10和浸液液体40。光源102发出照明光，所述照明光尤其是激发样本42发出荧光的光。照明光在空间上受限于照明场光圈104，并在经过照明透镜106之后投射到二色性的分光镜108上。二色性的分光镜108经过布置，从而它将照明光指向浸液物镜10。在经过浸液物镜10和浸液液体40之后，照明光到达样本42。
从物样侧起，在显微镜100的探测光路103中，设置了浸液液体40、浸液物镜10、二色性的分光镜108和管透镜110。设置在浸液物镜10的聚焦面F中的样本42发出探测光，该探测光可以尤其是荧光。探测光在经过浸液液体40和浸液物镜10之后，投射到二色性的分光镜108上，该分光镜传递探测光。在经过分光镜108之后，探测光投射到管透镜110中，该管透镜使得探测光集束到图像面B上，于是在该图像面上产生样本42的图像。
在浸液物镜10上设置了整体标有50的驱动件。该驱动件50能实现让操作人员矫正成像差，特别是球面像差。驱动件50例如是滚花环，其转动借助图3中未示出的传动件转变为第二透镜组14的沿着光轴O的移动，该第二透镜组形成浸液物镜10的矫正件，以便由此实现所希望的矫正作用。替代地，第二透镜组14可以通过驱动件50机动地移动。为此，驱动件50例如包括电机，该电机通过传动件使得凸轮部件移动，以便第二透镜组14沿着光轴O移动。替代地，第二透镜组14也可以通过丝杠和螺母或者通过齿杆机动地移动。
附图标记清单
10 浸液物镜
12 第一透镜组
14 第二透镜组
16 第三透镜组
18 第四透镜组
20、24、26、28、30、32、34、36 透镜
23、33、35 倒棱
40 浸液液体
42 样本
44 样本空间
F1–F18 透镜面
50 驱动件
100 显微镜
101 照明光路
102 光源
103 探测光路
104 照明场光圈
106 照明透镜
108 二色性的分光镜
110 管透镜
B 图像面
F 聚焦面
O 光轴

Claims (14)

1.一种用于显微镜(100)的浸液物镜(10)，包括正折光力的第一透镜组(12)、正折光力的第二透镜组(14)、负折光力的第三透镜组(16)和正折光力的第四透镜组(18)，这些透镜组从物样侧起按此顺序布置，其中，为了针对球面像差实现矫正效果，所述第二透镜组(14)可沿着光轴(O)移动，从而所述第二透镜组(14)与所述第一透镜组(12)之间的距离(V1)和所述第二透镜组(14)与所述第三透镜组(16)之间的距离(V2)的总和是恒定的，其特征在于，所述第二透镜组(14)的矫正效果经过预先确定，从而与平均的数值孔径相应的光投射的球面像差最小，该平均的数值孔径位于零和所述浸液物镜(10)的额定孔径之间。
2.如权利要求1所述的用于显微镜(100)的浸液物镜(10)，其特征在于，所述平均的数值孔径处于所述浸液物镜(10)的额定孔径的0.65倍与0.75倍之间的孔径范围内。
3.如前述权利要求中任一项所述的用于显微镜(100)的浸液物镜(10)，其特征在于，所述第二透镜组(14)的折光力至少为所述浸液物镜(10)的总折光力的十分之一，至多为其三分之一。
4.如前述权利要求中任一项所述的用于显微镜(100)的浸液物镜(10)，其特征在于，所述第一透镜组(12)包含正折光力的第一透镜(20)、负折光力的第二透镜(22)和正折光力的第三透镜(24)，这些透镜从物样侧起按此顺序布置，其中，所述第一透镜(20)与所述第二透镜(22)胶合。
5.如权利要求4所述的用于显微镜(100)的浸液物镜(10)，其特征在于，所述第一透镜(20)是平凸透镜，所述第二透镜(22)是弯月形透镜，所述第三透镜(24)是双凸透镜。
6.如前述权利要求中任一项所述的用于显微镜(100)的浸液物镜(10)，其特征在于，所述第二透镜组(14)包含相互胶合的负折光力的第四透镜(26)和正折光力的第五透镜(28)。
7.如权利要求6所述的用于显微镜(100)的浸液物镜(10)，其特征在于，所述第四透镜(26)是弯月形透镜，所述第五透镜(28)是双凸透镜。
8.如前述权利要求中任一项所述的用于显微镜(100)的浸液物镜(10)，其特征在于，所述第三透镜组(16)包含正折光力的第六透镜(30)和负折光力的第七透镜(32)，这些透镜从物样侧起按此顺序布置并相互胶合。
9.如权利要求8所述的用于显微镜(100)的浸液物镜(10)，其特征在于，所述第六透镜(30)是双凸透镜，所述第七透镜(32)是双凹透镜。
10.如前述权利要求中任一项所述的用于显微镜(100)的浸液物镜(10)，其特征在于，所述第四透镜组(18)包含负折光力的第八透镜(34)和正折光力的第九透镜(36)，这些透镜从物样侧起按此顺序布置。
11.如权利要求10所述的用于显微镜(100)的浸液物镜(10)，其特征在于，所述第八透镜(34)和所述第九透镜(36)分别设计成弯月形透镜。
12.如前述权利要求中任一项所述的用于显微镜(100)的浸液物镜(10)，其特征在于可手动地操纵的驱动件(50)，借助于该驱动件可使得所述第二透镜组(14)沿着所述光轴(O)移动。
13.如权利要求1～11中任一项所述的用于显微镜(100)的浸液物镜(10)，其特征在于机动的驱动件(50)，借助于该驱动件可使得所述第二透镜组(14)沿着所述光轴(O)移动。
14.一种带有根据前述权利要求中任一项的浸液物镜(10)的显微镜(100)，特别是共焦显微镜、多光子显微镜或光片显微镜。
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