CN112305742B - 镜筒系统和显微镜 - Google Patents

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Abstract

一种显微镜的镜筒系统(1)包括两个透镜(L1、L2)和玻璃元件(G)。它具有紧凑的构建和位于指定范围内的像差。

Description

镜筒系统和显微镜
相关申请的交叉引用
通过引用将德国专利申请DE 10 2019 211 360.5的全部内容并入本文。
技术领域
本发明涉及显微镜的镜筒系统。附加地，本发明涉及具有这样的镜筒系统的显微镜。
背景技术
WO 2005/088 378 A1已公开了显微镜的镜筒系统，其中在物镜和镜筒系统之间的无穷远空间尚未完全被校正。在该情况下，无穷远空间的长度的变化产生由于未完全校正的纵向色差而引起的横向色差的变化以及彗差的变化和其他单色成像像差。此外，如果物镜和镜筒系统彼此横向偏移或者如果由玻璃制成的平板以45°的倾斜角插入到无穷远空间中，则在镜筒系统的光轴上发生横向色差。
US 2010/172 029 A1已经公开镜筒系统，该镜筒系统中纵向色差和球差事实上已经完全得到校正。镜筒系统的透镜由昂贵的玻璃制成。根据US 2010/172 029 A1的镜筒系统的缺点包括相对较大的构建长度以及横向色差的补偿无法由物镜和镜筒系统所使用的事实，导致物镜的结构复杂并且因此造成成本较高。
发明内容
本发明的目的是为了改进显微镜的镜筒系统。特别地，本发明的目的是提供显微镜的镜筒系统，该显微镜的镜筒系统不具有前述缺点或至少仅具有低程度的缺点，但是优选地具有无穷远空间的可变性。该目的通过根据权利要求1的镜筒系统来实现。
本发明的核心在于实施具有两个透镜和玻璃元件的镜筒系统，其中透镜和玻璃元件导致纵向色差(CHL)和横向色差(CHP)，其中适用如下：-0.43％≤CHL/f’≤-0.24％，以及-0.46％≤CHV/l’≤-0.31％。
在此，f’表示镜筒系统的焦距，l’表示其像高度。
对于由两个粘合的透镜或彼此邻近的两个单独透镜构成的镜筒系统，可以近似计算像差CHL、CHV。这是基于近轴模型。理论上同样可以确定穿过玻璃的路径的色差的幅度。下面编写公式。
镜筒透镜的色差：
CHLF’-C，/f’＝-f’[1/(f1ve1)+1/(f2ve2)]
CHVF’-C’/l，＝-(UR-LP)[1/(f1ve1)+1/(f2νe2)]
其中使用如下定义：
CHLF’-C，：纵向色差，
CHVF’-C’：横向色差，
f’：镜筒系统的焦距，
l’：镜筒系统的像高度，
f1：空气中第一透镜的焦距，
f2：空气中第二透镜的焦距，
νe1：参考波长为546nm情况下的第一透镜的阿贝数，
ve2：参考波长为546nm情况下的第二透镜的阿贝数，
UR：无穷远空间的长度，限定为物镜接触表面(OAF)与镜筒系统的第一透镜顶点之间的距离，以及
LP：镜筒系统的入瞳相对于OAF的相对z位置(对于所有示例性实施例假设为相同值，-15mm，负值意味着入瞳位于OAF前面)。
因此，值(UR-LP)表示在入瞳与镜筒系统的第一透镜顶点之间的距离。
穿过玻璃的路径的色差：
CHLF’-C’/f’＝[(ne-1)/ne 2]d/(f’ve)
CHVF’-C’/l’＝-(f’-UR+LP)[(ne-1)/ne 2]d/(f’2ve)
其中
ne表示穿过镜筒透镜之后的玻璃的路径的折射率，其参考波长为546nm，
νe表示穿过镜筒透镜之后的玻璃的路径的阿贝数，其参考波长为546nm，
以及
d表示穿过玻璃的路径的中心厚度。
通过对镜筒透镜的部件和穿过玻璃的路径求和，获得相应镜筒系统的整个色差。根据近轴模型的计算结果与射线的实际计算总是具有较小偏差。然而，它们提供关于色差的特性的信息。
换言之，镜筒系统具有指定的横向色差(CHV)和指定的纵向色差(CHL)。
特别地，镜筒系统不包括其他光学部件，特别地不包括其他具有屈光力的部件，更特别是不包括其他透镜。
镜筒系统的结构简单且紧凑。特别地，它具有如从第一透镜的前顶点到第二透镜的后顶点测得的构建长度，该构建长度不大于镜筒系统的焦距的11％。最小构建长度可以是镜筒系统的焦距的4％。
特别地，纵向色差CHL和横向色差CHV是像差，特别是波长F’＝480nm与C’＝644nm的差异。
特别地，镜筒系统的视场数为25。
特别地，镜筒系统的像侧数值孔径(NA’)为0.05。
根据本发明的一个方面，镜筒系统的入瞳(EP)与第一透镜的前顶点(S1v)之间的距离(UR-LP)与镜筒系统的焦距的比率的范围在0.5至1.3之间：0.5≤(UR-LP)/f’≤1.3。
在此，UR表示无穷远空间的长度，定义为物镜接触表面与镜筒系统的第一透镜顶点之间的距离，并且LP表示镜筒系统的入瞳相对于物镜接触表面的相对z位置。
根据本发明的一个方面，镜筒系统的透镜的屈光力具有相反符号。
特别地，镜筒系统包括正透镜和负透镜。
根据本发明的其他方面，镜筒系统的透镜中的一个具有双凸面的实施例。特别地，镜筒系统的透镜中的恰好一个具有双凸面的实施例。
根据本发明的其他方面，镜筒系统的透镜中的一个实施为弯月形透镜。它具有凸凹面的或凹凸面的实施例。
根据本发明的其他方面，镜筒系统的透镜实施为薄透镜。特别地，镜筒系统的透镜的厚度不超过10mm，特别是不超过9mm，特别是不超过8.5mm，特别是不超过8.44mm，特别是不超过7mm，特别是不超过6.5mm。
根据本发明的其他方面，第一透镜的前顶点和第二透镜的后顶点具有凸起的实施例。
根据本发明的其他方面，镜筒系统的两个透镜由气隙间隔开。
特别地，气隙的厚度不超过4.75mm，特别是不超过4.11mm，特别是不超过1.2mm，特别是不超过1.15mm。它可以至少为1.04mm。
提供镜筒系统的透镜之间的气隙，特别地，只要入瞳与镜筒系统的第一透镜顶点之间的距离(UR-LP)与镜筒系统的焦距f’的比率小于或等于0.7或者大于或等于0.9，(UR-LP)/f’≤0.7或者(UR-LP)/f’≥0.9。
根据本发明的其他方面，镜筒系统的透镜可以形成粘合的构件。特别地，它们形成粘合的双合透镜。特别地，镜筒系统的两个透镜可以实施为粘合的构件，只要适用如下：0.7≤(UR-LP)/f’≤1.0。
根据本发明的其他方面，在球差和/或彗差方面，镜筒系统被校正到至多25mm的视场数和至多0.05的最大像侧数值孔径NA’。
特别地，镜筒系统以等光程的方式得到校正。特别地，在546nm的波长处，对于具有NA’＝0.045的孔径率，光轴上的横向球差不大于±0.008mm。特别地，与阿贝正弦条件的偏差不大于±0.0003mm(或者相对于相应像高度±0.03％)。因此，球差和彗差事实上完全得到了校正。
根据WO 2005/088 378 A1的参考镜筒系统仅含有一个透镜。特别地，镜筒系统包括两个或更多个透镜。下面列出的示例具有两个透镜。因此，与根据WO 2005/088 378 A1的镜筒系统相比，存在附加的自由度，以消除或至少降低更多的单色像差。
根据本发明的一个方面，在镜筒系统中消除球差和彗差。此外，镜筒系统优选地具有降低的像散和降低的场曲。消除球差和彗差；降低像散和场曲。当校正成像像差时的该清楚序列源自止挡位移的光学理论并且对应于等光程的校正，因此为稳健性和可变性形成坚实基础。除了色差CHL、CHV和场曲以外，镜筒系统还具有比从US 2010/172029 A1已知的镜筒系统更小的单色像差。
发现的是，根据本发明的镜筒系统与先前已知的镜筒系统相比具有更好的光学性质、更特别地具有更好的成像性质。由于因第二透镜而引起的附加的自由度，可以消除或至少降低单色成像像差。特别地，可以降低，更特别地消除球差和/或彗差，并且可以降低像散和场曲。
根据本发明的镜筒系统具有特别有利的稳健性(robustness)。这应该理解为意味着它们相对于横向偏移和/或倾斜较不敏感。
根据本发明的镜筒系统具有特别有利的可变性。这应该理解为意味着无穷远空间的长度的可变化性，和/或找到大幅更改的长度(UR-LP)的替代解决方案的可能性。
本发明的其他目的是改进显微镜。
该目的是通过具有根据如上描述的镜筒系统的显微镜来实现。
其优点根据镜筒系统的那些优点是显而易见的。
附图说明
从示例性实施例参考附图的描述得出本发明的其他的优点和细节。具体为：
图1示意性示出了穿过根据第一变型的镜筒系统的光学构成部分的纵向截面，
图2示意性示出了穿过根据其他变型的镜筒系统的光学构成部分的纵向截面，
图3示意性示出了穿过根据其他变型的镜筒系统的光学构成部分的纵向截面，
图4示出了纵向色差与镜筒系统的焦距的相关度的示意图，该相关度为波长的函数，
图5示出了横向色差与镜筒系统的像高度的相关度的示意图，该相关度为波长的函数，
图6示出了作为光轴上光瞳坐标的函数的横向球差，
图7示出了针对切向截面中的12.5mm的像高度的为光瞳坐标的函数的横向球差，
图8示出了针对弧矢截面中的12.5mm的像高度的为光瞳坐标的函数的横向球差，
图9示出了在切向和弧矢截面中的场曲和像散，以及
图10示出了作为像高度l’的函数的畸变。
具体实施方式
下面描述显微镜的镜筒系统1的不同变型。首先，描述根据本发明的镜筒系统的总体性质。
镜筒系统1包括两个镜筒透镜L1、L2和玻璃元件G。该镜筒透镜L1、L2具有屈光力。
玻璃元件G不具有屈光力。作为示例，它可以是偏转棱镜。
镜筒系统1的物场在无穷远处。镜筒系统1的入瞳EP在LP，即在有限远的距离处。LP表示镜筒系统的入瞳相对于物镜接触表面的相对z位置。对于所有示例性实施例假设为相同值，-15mm。
镜筒系统1的入瞳EP的实际相对位置取决于所使用的物镜。下文所图示的示例涉及25的视场数SFZ和0.05的像侧数值孔径NA’。
根据本发明，认识到，如果镜筒系统1具有横向色差CHV，特别是CHVF’-C’，则可以是有利的。
根据本发明，认识到，纵向色差CHL，特别是CHLF’-C’的某一值也是有利的，只要镜筒系统1具有两个透镜L1、L2，该两个透镜形成粘合的构件或者彼此邻近地设置。特别地，这应意味着两个透镜彼此由气隙2分开，该气隙2沿着光轴oA的方向的范围小于5mm。
物侧透镜L1具有前顶点S1v。像侧透镜L2具有后顶点S2h。
下面，第一透镜L1的前顶点S1v与第二透镜L2的后顶点S2h之间的距离被称为镜筒系统1的构建长度BL。镜筒系统的构建长度BL不大于镜筒系统1的焦距f’的11％。
以等光程的方式校正镜筒系统1。它具有很好的稳健性和较大的可变性。
镜筒系统1具有物镜接触表面OAF。该表面限定了锚定到显微镜的边缘的物镜。
物镜接触表面OAF与镜筒系统1的第一透镜L1的前顶点S1v之间的距离还称为无穷远空间的长度UR。
在下文所图示的镜筒系统1的变型中，物镜接触表面OAF与入瞳EP之间的距离LP在各个情况下为-15mm。在此，负号意味着入瞳EP位于物侧，即在物镜接触表面OAF的前面。
根据本发明，认识到，如果色差满足以下边界条件，则镜筒系统1具有特别有利的性质：
-0.43％≤CHL/f’≤-0.24％，以及
-0.46％≤CHV/l’≤-0.31％。
在此，f’表示镜筒系统1的焦距；l’表示镜筒系统1的像高度。
特别是，对于波长F’＝480nm和C’644nm，像差分别是像差CHLF’-C’和CHVF’-C’。
根据本发明的镜筒系统1具有紧凑的构建。特别是，构建长度不大于镜筒系统1的焦距的11％。
有利地，入瞳EP与镜筒系统1的第一透镜L1的前顶点S1v之间的距离的范围在镜筒系统1的焦距f’的0.5倍到镜筒系统1的焦距f’的1.3倍之间。
如果该距离不大于镜筒系统1的焦距f’的0.7倍，则发现有利的是，第一透镜L1实施为负透镜，即具有负屈光力的透镜，并且第二透镜L2实施为正透镜，即具有正屈光力的透镜。在该情况下，两个透镜L1、L2由气隙间隔开。
如果在入瞳EP与第一透镜L1的前顶点S1v之间的距离在镜筒系统1的焦距f’的0.7倍至1.0倍之间，则发现有利的是，透镜L1、L2实施为粘合的双合透镜，即不会由气隙分开。
如果在入瞳EP与第一透镜L1的前顶点S1v之间的距离大于镜筒系统1的焦距f’的0.9倍，则第一透镜L1优选地实施为正透镜，通过气隙将其与实施为负透镜的第二透镜L2分开。在这种情况下，同样，第一透镜L1可以实施为负透镜并且第二透镜L2可以实施为正透镜。
下面描述根据不同变型的镜筒系统1的光学设计的细节。
表1再现了按照图1的从入瞳EP到镜筒系统1的像平面BE的光学设计数据。
表1：
Figure GDA0003081010780000071
Figure GDA0003081010780000081
LP＝-15.00mm
UR＝110mm
BL＝18.98mm
f1′＝-230.3mm
f2′＝101.8mm
CHLF’-C’/f’＝-0.33％
CHVF’-C’/l’＝-0.32％
BL/f’＝0.11
(UR-LP)/f’＝0.7
f’＝180mm
SFZ＝25
NA’＝0.05
ne表示相应光学元件在546nm的波长(e线)处的折射率。ve表示相应光学元件在546nm的波长(e线)处的阿贝数。
图1示意性图示了在从入瞳EP到像平面BE的对应镜筒系统1中的束路径。在该变型中，透镜L1、L2由气隙2间隔开。透镜L1实施为负透镜。透镜L1具有负屈光力。透镜L2实施为正透镜。透镜L2具有正屈光力。
表2再现了根据图2的镜筒系统1的光学设计数据。
表2：
No. 半径[mm] 厚度[mm] ne ve f’[mm] 注释
1 ∞ EP
15.00 1.000
2 ∞ OAF
165.00 1.000
3 161.845
6.50 1.49 70.2 96.1 L<sub>1</sub>
4 -65.407
2.40 1.66 39.5 -206.9 L<sub>2</sub>
5 -127.725
10.00 1.000
6 ∞
20.00 1.52 64.0 G
7 ∞
154.25 1.000
8 ∞ BE
LP＝-15.00mm
UR＝165.00mm
BL＝8.9mm
f1′＝96.1mm
f2′＝-206.9mm
CHLF’-C’/f’＝-0.42％
CHVF’-C’/l’＝-0.46％
BL/f’＝0.05
(UR-LP)/f’＝1.0
f’＝180mm
SFZ＝25
NA’＝0.05
在镜筒系统1的该变型中，透镜L1和L2实施为粘合的双合透镜。透镜L1具有正屈光力。透镜L2具有负屈光力。在粘合的面的区域中透镜L1与透镜L2接触。
表3再现了根据图3的镜筒系统1的光学设计数据。
表3：
No. 半径[mm] 厚度[mm] ne ve f’[mm] 注释
1 ∞ EP
15.00 1.000
2 ∞ OAF
195.00 1.000
3 129.934
8.50 1.49 70.2 85.7 L<sub>1</sub>
4 -60.540
1.04 1.000 空气
5 -60.450
4.00 1.64 42.2 -161.3 L<sub>2</sub>
6 -149.233
10.00 1.000
7 ∞
45.00 1.52 64.0 G
8 ∞
133.66 1.000
9 ∞ BE
LP＝-15.00mm
UR＝195.00mm
BL＝13.54mm
f1′＝85.7mm
f2′＝-161.3mm
CHLF，-C，/f’＝-0.26％
CHVF’-C’/l’＝-0.39％
BL/f’＝0.08
(UR-LP)/f’＝1.2
f’＝180mm
SFZ＝25
NA’＝0.05
在该变型中，透镜L1、L2由气隙2间隔开。透镜L1实施为正透镜。透镜L1具有正屈光力。透镜L2实施为负透镜。透镜L2具有负屈光力。
表4至表8总结了镜筒系统1的其他变型。
表4：
Figure GDA0003081010780000111
Figure GDA0003081010780000121
LP＝-15.00mm
UR＝150.00mm
BL＝8.5mm
f1’＝104.0mm
f2’＝-225.2mm
CHLF’-C’/f’＝-0.43％
CHVF’-C’/l’＝-0.40％
BL/f’＝0.04
(UR-LP)/f’＝0.8
f’＝195mm
SFZ＝25
NA’＝0.05
表5：
Figure GDA0003081010780000122
Figure GDA0003081010780000131
LP＝-15.00mm
UR＝215.00mm
BL＝14.15mm
f1’＝85.5mm
f2’＝-160.0mm
CHLF’-C’/f’＝-0.24％
CHVF’-C’/l’＝-0.40％
BL/f’＝0.08
(UR-LP)/f’＝1.3
f’＝180mm
SFZ＝25
NA’＝0.05
表6：
Figure GDA0003081010780000132
Figure GDA0003081010780000141
LP＝-15.00mm
UR＝90.00mm
BL＝15.19mm
f1’＝-312.4mm
f2’＝121.8mm
CHLF’-C’/f’＝-0.31％
CHVF’-C’/l’＝-0.31％
BL/f’＝0.08
(UR-LP)/f’＝0.5
f’＝195mm
SFZ＝25
NA’＝0.05
表7：
Figure GDA0003081010780000142
Figure GDA0003081010780000151
LP＝-15.00mm
UR＝130.00mm
BL＝11mm
f1’＝-176.5mm
f2’＝92.1mm
CHLF’-C’/f’＝-0.39％
CHVF’-C’/l’＝-0.45％
BL/f’＝0.06
(UR-LP)/f’＝0.7
f’＝195mm
SFZ＝25
NA’＝0.05
表8：
Figure GDA0003081010780000152
Figure GDA0003081010780000161
LP＝-15.00mm
UR＝155.00mm
BL＝14mm
f1’＝-204.8mm
f2’＝100.5mm
CHLF’-C’/f’＝-0.35％
CHVF’-C’/l’＝-0.31％
BL/f’＝0.07
(UR-LP)/f’＝0.9
f’＝195mm
SFZ＝25
NA’＝0.05
图4至图10以示例性方式图示了根据图2的变型的像差。
在此，图4示出了关于546nm的主波长，相对于焦距f’的纵向色差CHL。
在此，图5示出了关于546nm的主波长，相对于像高度l’的横向色差CHV。
图6至图8图示了取决于四个不同波长的孔径的横向像差，假设像侧数值孔径为NA’＝0.045。在此，图6示出了轴线上的横向球差，图7示出了切向截面中的像高度为12.5mm的横向像差，并且图8示出了弧矢截面中的像高度为12.5mm的横向像差。
图9示出了作为四个不同波长的像高度的函数的场曲和像散的曲线图。
图10示出了作为像高度的函数的畸变(表示为％)的曲线图。

Claims (11)

1.一种显微镜的镜筒系统(1)，从入瞳(EP)观察，该镜筒系统具有，
1.1第一透镜(L1)，具有前顶点(S1v)和后顶点(S1h)，
1.2第二透镜(L2)，具有前顶点(S2v)和后顶点(S2h)，以及
1.3玻璃元件(G)，
1.4其中，所述镜筒系统(1)具有焦距(f’)和像高度(l’)，并且
1.5其中，所述第一透镜(L1)的前顶点(S1v)与所述第二透镜(L2)的后顶点(S2h)之间的距离被称为构建长度(BL)，
1.6其中，所述透镜(L1、L2)和所述玻璃元件(G)二者导致纵向色差(CHL)和横向色差(CHV)，
1.7其中，适用如下：BL/f’≤0.11，
1.8-0.43％≤CHL/f’≤-0.24％，以及
1.9-0.46％≤CHV/l’≤-0.31％。
2.根据权利要求1所述的镜筒系统(1)，其特征在于，所述入瞳(EP)与所述第一透镜(L1)的前顶点(S1v)之间的距离(UR-LP)与所述焦距(f’)的比率(UR-LP):f’的范围在0.5与1.3之间。
3.根据前述权利要求中任一项所述的镜筒系统(1)，其特征在于，所述透镜(L1、L2)的屈光力具有相反符号。
4.根据权利要求1或2所述的镜筒系统(1)，其特征在于，所述透镜(L1、L2)中的一个是双凸面的。
5.根据权利要求1或2所述的镜筒系统(1)，其特征在于，所述透镜(L1、L2)中的一个为弯月形透镜。
6.根据权利要求1或2所述的镜筒系统(1)，其特征在于，所述透镜(L1、L2)的厚度不大于10mm。
7.根据权利要求1或2所述的镜筒系统(1)，其特征在于，所述第一透镜(L1)的前顶点(S1v)和所述第二透镜(L2)的后顶点(S2h)是凸出的。
8.根据权利要求1或2所述的镜筒系统(1)，其特征在于，所述透镜(L1、L2)由气隙间隔开。
9.根据权利要求8所述的镜筒系统(1)，其特征在于，所述透镜(L1、L2)形成粘合的构件。
10.根据权利要求1或2所述的镜筒系统(1)，其特征在于，在球差和/或彗差方面，它被校正到至多25mm的视场数(SF)和至多0.05的最大像侧数值孔径(NA像)。
11.一种显微镜，包括根据前述权利要求中任一项所述的镜筒系统(1)。
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