DE102005051025A1

DE102005051025A1 - Hochaperturiges, optisches Abbildungssystem, insbesondere für Mikroskope

Info

Publication number: DE102005051025A1
Application number: DE102005051025A
Authority: DE
Inventors: Rolf Dr. Wartmann
Original assignee: Carl Zeiss Jena GmbH
Current assignee: Carl Zeiss Microscopy GmbH
Priority date: 2005-10-21
Filing date: 2005-10-21
Publication date: 2007-05-10
Anticipated expiration: 2025-10-22
Also published as: US7382542B2; DE102005051025B4; US20070091454A1

Abstract

Es ist ein hochaperturiges, oprtisches Abbildungssystem, insbesondere für Mikroskope, vorgesehen, welches ein Objektiv (1) und eine Tubuslinseneinheit (2) umfasst und wobei das Objektiv eine Vergrößerung kleiner oder gleich 40fach und eine numerische Apertur größer oder gleich 1.0 aufweist, und bis in das nahe Infrarot chromatisch korrigiert ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein hochaperturiges, optisches Abbildungssystem, insbesondere für Mikroskope, und bezieht sich vor allem auf ein hochaperturiges Immersionsobjektiv mit apochromatischer Korrektion in einem weiten Wellenlängenbereich. Das Abbildungssystem besitzt ein großes Bildfeld.
Objektive mit einer geringeren Vergrößerung besitzen ein größeres Gesichtsfeld bei einer in der Regel kleineren numerischen Apertur. Ein Hauptgrund für diese Tatsache besteht darin, dass die visuelle Beobachtung beim Mikroskop dominiert. Da jedoch das Auflösungsvermögen des menschlichen Auges begrenzt ist, ist es wenig sinnvoll, Objektive mit kleineren und mittleren Vergrößerungen mit einer hohen Apertur auszustatten. Der durch eine hohe Apertur erreichte Auflösungsgewinn kann vom Auge nicht mehr wahrgenommen werden. Außerdem ist es technisch einfacher, ein Objektiv mit hoher Vergrößerung mit einer hohen Apertur auszustatten, als ein Objektiv mit einer kleinen Vergrößerung, weil Objektive hoher Vergrößerung nur relativ kleine Objektfelder abbilden.

So weisen traditionell Objektive hoher numerischer Apertur auch hohe Vergrößerungen auf. Ein Immersionsobjektiv mit einer 100-fachen Vergrößerung und einer numerischen Apertur bis 1,65 ist in der US-PS 5,659,425 beschrieben. Immersionsobjektive mit einer hohen numerischen Apertur und einer kleinen Vergrößerung sind nicht realisiert.

In neuerer Zeit hat die visuelle Beobachtung in vielen Bereichen und Anwendungen an Bedeutung verloren und andere Kanäle der Bildaufzeichnung sind immer wichtiger geworden. Diese Kanäle besitzen oft die Möglichkeit einer Nachvergrößerung, welche es erlaubt, das Auflösungsvermögen des Objektivs voll auszunutzen. Bei derartigen Anwendungen ist es daher sinnvoll, mit Objektiven zu arbeiten, welche neben einer hohen Apertur eine kleinere Vergrößerung besitzen, weil eine kleine Vergrößerung gleichbedeutend mit einem großen Objektfeld ist, und demzufolge auf einen häufig lästigen Objektivwechsel verzichtet werden kann.

In der US 5,982,559 ist ein Immersionsobjektiv für Mikroskope beschrieben, welches acht Linsengruppen umfaßt, eine numerische Apertur von 1,3, eine Vergrößerung von 40 × und ein ebenes Bildfeld besitzt und bei welchem die optischen Fehler weitgehend korrigiert sind. Allerdings weist dieses Objektiv keine apochromatische Korrektion, insbesondere bis in den infraroten Spektralbereich auf. Diese Eigenschaft ist aber im Zusammenhang mit Zwei-Photonen-Anwendungen zunehmend von Interesse.

So liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, auch für niedrige Vergrößerungen ein hochaperturiges, optisches Abbildungssystem, insbesondere mit einem Immersionsobjektiv, für Mikroskope zu schaffen, welches ein großes Bildfeld besitzt und welches apochromatisch korrigiert ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe der Erfindung bei einem nach dem Oberbegriff des ersten Anspruchs gestalteten Objektiv mit den im kennzeichnenden Teil offenbarten Merkmalen gelöst. In den weiteren Ansprüchen sind Ausgestaltungen und Einzelheiten der Erfindung dargelegt.

Eine besonders vorteilhafte Lösung ergibt sich, wenn das Objektiv des optischen Abbildungssystems

– ein erstes Teilsystem (T1) umfasst, welches, von der Objektseite aus gesehen, in der Reihenfolge aus einer ersten Einzellinse oder aus einem ersten Zweifachkittglied und aus einer zweiten und einer dritten Einzellinse besteht, wobei die zweite und die dritte Einzellinse eine Gesamtbrechkraft von 0,14 D bis 0,24 D besitzen,
– ein zweites Teilsystem (T2) umfasst, welches aus einem Dreifachkittglied mit einer Brechkraft von maximal 0,06 D und aus einem zweiten Zweifachkittglied mit einer Brechkraft von 0,12 D bis 0,2 D zusammengesetzt ist,
– und ein drittes Teilsystem umfasst, welches aus einem Zweifachkittglied und einer Einzellinse oder aus einer Einzellinse und einem als Kittglied ausgebildeten Meniskus oder aus zwei, als Kittglieder ausgebildete Menisken besteht, wobei, von der Objektseite aus gesehen, für den ersten Meniskus die Beziehung 0,0045 < – D·D_k < 0,0059 gilt und der zweite Meniskus weitestgehend ohne Brechkraft ist, worin D die Gesamtbrechkraft des Objektivs und D_k die Brechkraft des ersten Meniskus des dritten Teilsystems (T3) sind.

So ist es von Vorteil, wenn das erste Zweifachkittglied die Form eines zum Objekt hin durchgebogenen Meniskus mit einem Vergrößerungsfaktor von 1,73 bis 1,81 besitzt.

Ferner ist im ersten Teilsystem anstelle des ersten Zweifachkittgliedes eine Einzellinse vorgesehen und die folgen den beiden Einzellinsen aus Fluorkronglas oder CaF₂ bestehen.

Vorteilhaft ist es auch, wenn das Dreifachkittglied des zweiten Teilsystems eine zentrale Linse mit negativer Brechkraft aus Kurzflintglas und zwei Linsen mit positiver Brechkraft aus Fluorkronglas oder aus CaF₂ umfaßt.

Das zweite Zweifachkittglied des zweiten Teilsystems umfaßt vorteilhaft eine Linse mit negativer Brechkraft aus Kurzflintglas und eine Linse mit positiver Brechkraft aus Fluorkronglas oder aus CaF₂.

Vorteilhaft ist es ebenfalls, dass der erste Meniskus des dritten Teilsystems als Kittglied oder Einzellinse ausgebildet ist.

Ferner ist es von Vorteil, dass die hohle Fläche der beiden Menisken des dritten Teilsystems benachbart, d.h. einander zugewandt, ist.

Dem Objektiv ist eine Tubuslinseneinheit nachgeordnet, wie sie in Anspruch 8 offenbart ist. Diese Tubuslinseneinheit kann vorteilhaft aus einer Linse mit positiver Brechkraft und einem optischen Element ohne Brechkraft bestehen. Des Weiteren kann die Tubuslinseneinheit auch aus zwei Zweifachkittgliedern und einem brechkraftlosen, optischen Element zusammengesetzt sein, welches vorteilhaft aus einem Glas Bk7 besteht.

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In der Zeichnung zeigen:

1 den Aufbau eines erfindungsgemäßen optischen Systems mit Objektiv und Tubuslinseneinheit,

2 die Linsenanordnung eines Objektivs mit hoher Apertur,

3 die Linsenanordnung eines weiteren Objektivs,

4 die Linsenanordnung einer Tubuslinseneinheit und

5 die Linsenanordnung einer weiteren Tubuslinseneinheit

6 schematisch die chromatische Korrektion eines erfindungsgemäßen Objektivs.

1 zeigt den grundsätzlichen Aufbau eines erfindungsgemäßen optischen Systems, welches ein zur Verwendung mit einer Immersionsflüssigkeit geeignetes Objektiv 1 mit einer großen Apertur und eine, diesem bildseitig nachgeordnete Tubuslinseneinheit 2 mit einem brechkraftlosen optischen Element 3 umfaßt. Das Objektiv selbst besteht aus mehreren Einzellinsen und/oder Linsengruppen, welche in Teilsystemen T1, T2 und T3 zusammengefaßt sind. Die Linsengruppen sind als Zweifach- oder Dreifachkittglieder ausgebildet.
Die in 1 dargestellte Tubuslinseneinheit 2 besteht vorteilhaft aus Zweifachkittgliedern 2.1 und 2.2 oder aus einer Linse und einem optischen Element 3 ohne Brechkraft, welches den Kittgliedern oder der Linse objektseitig nachgeordnet ist.
Die in 2 dargestellte Linsenanordnung eines erfindungsgemäßen Objektivs 1 mit einer hohen Apertur umfaßt ebenfalls die drei Teilsysteme T1, T2 und T3. Von der Objektseite her gesehen besteht das erste Teilsystem T1 aus einem Zweifachkittglied mit den Linsen L0 und L1 sowie aus der Einzellinse L2 und der Einzellinse L3, wobei die Einzellin sen L2 und L3 zusammen eine Gesamtbrechkraft von 0,14 D bis 0.24 D besitzen und D die Gesamtbrechkraft des Objektivs 1 ist. Die Einzellinsen L2 und L3 bestehen aus Fluorkronglas oder CaF₂.
Das zweite Teilsystem T2 dieses Objektivs 1 umfaßt in der Reihenfolge ein aus den Linsen L4 und L5 bestehendes Zweifachkittglied mit einer maximalen Brechkraft von 0,06 D und ein aus den Linsen L6, L7 und L8 zusammengesetztes Dreifachkittglied mit einer Gesamtbrechkraft von 0,12 D bis 0,20 D. Die Negativlinse L4 des Zweifachkittgliedes besteht aus einem Kurzflintglas und die Positivlinse L5 dieses Kittgliedes aus Fluorkronglas oder aus CaF₂.
Das dritte Teilsystem T3 dieses Objektivs 1 besteht aus zwei, als Zweifachkittglieder ausgebildeten Menisken, welche aus den Linsen L9 bis L12 zusammengesetzt sind. Für den von der Objektseite her gesehen ersten Meniskus gilt die Beziehung 0,0045 < – D·D_k < 0,0059 und der folgende zweite Meniskus ist weitgehend ohne Brechkraft. Mit D_k ist die Brechkraft des ersten Meniskus bezeichnet.
Die optischen Daten eines gemäß 1 ausgebildeten Objektivs sind in der nachstehenden Tabelle 1 aufgeführt. Tabelle 1

Vergrößerung: 40 ×
Numerische Apertur: 1.3
Deckglasdicke: 0.17 mm
Arbeitsabstand: 0.259 mm

Eine entsprechende Tubuslinseneinheit 2, welche dem Objektiv 1 bildseitig nachgeordnet ist, ist in 4 dargestellt. Diese umfaßt eine im Abstand von 126,5 mm vom Objektiv 1 im Mikroskopstrahlengang angeordnete Linse 4 mit positiver Brechkraft und ein optisches Element 5, welches die Brechkraft Null besitzt und das im Abstand d₀ von 60,0 mm von der Linse 4 angeordnet ist. Die Daten dieser Tubuslinseneinheit 2 sind in der Tabelle 2 aufgeführt.
Tabelle 2 Daten der Tubuslinseneinheit
Die in 3 dargestellte Linsenanordnung eines weiteren erfindungsgemäßen Objektivs 1 mit einer hohen Apertur umfaßt ebenfalls die drei Teilsysteme T1, T2 und T3. Von der Objektseite her gesehen besteht das erste Teilsystem T1 aus einem ersten, aus den Linsen L1 und L2 bestehenden Zweifachkittglied, welches die Form eines zum Objekt hin durchgebogenen Meniskus hat, sowie aus einer zweiten Einzellinse L3 und einer dritten Einzellinse L4, wobei die Einzellinsen L3 und L4 zusammen eine Gesamtbrechkraft von 0,14 D bis 0.24 D besitzen und D die Gesamtbrechkraft des Objektivs 1 ist. Die Einzellinsen L3 und L4 bestehen aus Fluorkronglas oder CaF₂.
Das zweite Teilsystem T2 dieses Objektivs 1 nach 3 umfaßt in der Reihenfolge ein aus den Linsen L5, L6 und L7 bestehendes Dreifachkittglied mit einer maximalen Brechkraft von 0,06 D. und ein aus den Linsen L8 und L9 zusammengesetztes Zweifachkittglied mit einer Gesamtbrechkraft von 0,12 D bis 0,20 D. Das Dreifachkittglied umfaßt eine zentrale Negativlinse L6, welche von den Positivlinsen L5 und L7 eingeschlossen wird, wobei die Brechkraft dieses Dreifachkittgliedes maximal 0,06 D beträgt. Die Linsen L5 und L7 bestehen aus einem Kurzflintglas und aus Fluorkronglas oder aus CaF₂ und die Linse L6 aus einem Kurzflintglas. Das Zweifachkittglied besteht aus einer Positivlinse L8 aus Fluorkronglas oder CaF₂ und einer Negativlinse L9 aus Kurzflintglas.
Das dritte Teilsystem T3 dieses Objektivs 1 besteht aus einer als Meniskus ausgebildeten Linse L10 einem als Zweifachkittglied ausgebildeten Meniskus, welcher aus den Linsen L11 und L12 zusammengesetzt ist. Für die Linse L10 gilt die Beziehung 0,0045 < – D·D_k < 0,0059 und der folgende Meniskus ist weitgehend ohne Brechkraft. Mit D_k ist in diesem Ausführungsbeispiel die Brechkraft der Linse L10 bezeichnet.
Die optischen Daten eines gemäß 3 ausgebildeten Objektivs sind in der nachstehenden Tabelle 3 aufgeführt. Tabelle 3

Vergrößerung: 20
Numerische Apertur: 1.0
Arbeitsabstand: 2.149

Eine entsprechende Tubuslinseneinheit 2, welche dem Objektiv 1 bildseitig nachgeordnet ist, ist in 5 dargestellt. Diese umfaßt ein, in einem Abstand vom Objektiv 1 im Mikroskopstrahlengang angeordnetes, aus einer Linse 6 mit negativer Brechkraft und einer Linse 7 mit positiver Brechkraft bestehendes Zweifachkittglied und ein weiteres, aus einer Linse 8 mit positiver Brechkraft und einer Linse 9 mit negativer Brechkraft bestehendes Zweifachkittglied und ein optisches Element 10, welches die Brechkraft "Null" besitzt und das im Abstand d₀ = 126,5 mm von der Linse 9 angeordnet ist. Die Daten dieser Tubuslinseneinheit 2 sind in der Tabelle 4 aufgeführt.
Tabelle 4 Daten der Tubuslinseneinheit
Die Daten eines weiteren, gemäß 3 aufgebauten Objektivs sind in der nachstehenden Tabelle 5 zusammengestellt. Tabelle 5

Vergrößerung: 20
Numerische Apertur: 1.0
Arbeitsabstand: 2.15

Die dazugehörige Tubuslinseneinheit ist in 5 dargestellt. Die Daten der Tubuslinseneinheit stimmen mit den in Tabelle 4 aufgeführten Werten überein.
Die Konstruktionsdaten eines weiteren erfindungsgemäßen, jedoch nicht dargestellten Objektivs, welches ebenfalls aus drei Teilsystemen besteht, sind in der Tabelle 6 angegeben. Hier umfaßt das objektseitig vorgesehene, erste Teilsystem eine Zweifachkittgruppe und zwei Einzellinsen. Das bildseitig nachgeordnete zweite Teilsystem besteht aus einem Dreifachkittglied und einem Zweifachkittglied. Diesem bildseitig nachgeordnet im dritten Teilsystem folgen ein Zweifachkittglied und eine Einzellinse. Tabelle 6

Vergrößerung: 20 ×
Numerische Apertur: 1.0
Arbeitsabstand: 2.152 mm

Die Konstruktionsdaten der zugeordneten Tubuslinseneinheit stimmen mit den in Tabelle 2 aufgeführten Werten überein.
Die schematische Darstellung der chromatischen Aberration in 6 zeigt, dass ein erfindungsgemäßes Objektiv bis in das nahe Infrarot, hier beispielsweise 800 nm, sehr gut korrigiert ist.
Die Erfindung ist nicht an die aufgeführten Ausführungsbeispiele gebunden, fachmännische Weiterentwicklungen führen nicht zu einem Verlassen des Schutzbereichs.

1: Objektiv
2: Tubuslinseneinheit
3: brechkraftfreies optisches Element
4: Linse
5: optisches Element
6 bis 9: Linse
10: optisches Element
T1 bis T3: Teilsysteme
L1 bis L12: Linsen
r₁ bis r₂₀: Radien
d₁ bis d₁₉: Dicken
D: Gesamtbrechkraft des Objektivs
D_k: Brechkraft des ersten Meniskus des dritten Teilsystems

Claims

Optisches Abbildungssystem, insbesondere für Mikroskope, umfassend ein Objektiv und eine Tubuslinseneinheit, dadurch gekennzeichnet, dass das Objektiv eine Vergrößerung kleiner oder gleich 40fach und eine numerische Apertur größer oder gleich 1.0 aufweist, und bis in das nahe Infrarot chromatisch korrigiert ist.
Optisches Abbildungssystem nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Objektiv aus mehreren Linsen und/oder Linsengruppen umfassenden Teilsystemen zusammengesetzt ist, und – ein erstes Teilsystem (T1) umfaßt, welches, von der Objektseite aus gesehen, in der Reihenfolge aus einer ersten Einzellinse oder aus einem ersten Zweifachkittglied und aus einer zweiten und einer dritten Einzellinse besteht, wobei die zweite und die dritte Einzellinse eine Gesamtbrechkraft von 0,14 D bis 0,24 D besitzen, – ein zweites Teilsystem (T2) umfaßt, welches aus einem Dreifachkittglied mit einer Brechkraft von maximal 0,06 D und aus einem zweiten Zweifachkittglied mit einer Brechkraft von 0,12 D bis 0,2 D zusammengesetzt ist, – und ein drittes Teilsystem umfaßt, welches aus einem Zweifachkittglied und einer Einzellinse oder aus einer Einzellinse und einem als Kittglied ausgebildeten Meniskus oder aus zwei, als Kittglieder ausgebildete Menisken besteht, wobei, von der Objektseite aus gesehen, für den ersten Meniskus die Beziehung 0,0045 < – D·D_k < 0,0059 gilt und der zweite Meniskus weitestgehend ohne Brechkraft ist, worin D die Gesamtbrechkraft des Objektivs und D_k die Brechkraft des ersten Meniskus des dritten Teilsystems (T3) sind.
Optisches Abbildungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Zweifachkittglied bzw. die erste Linse die Form eines zum Objekt hin durchgebogenen Meniskus mit einem Vergrößerungsfaktor von 1,73 bis 1,81 besitzt.
Optisches Abbildungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass im ersten Teilsystem (T1) anstelle des ersten Zweifachkittgliedes eine Linse (L1) vorgesehen ist und die zweite Einzellinse (L2 bzw. L3) und die dritte Einzellinse (L3 bzw. L4) aus Fluorkronglas oder CaF₂ bestehen.
Optisches Abbildungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Dreifachkittglied des zweiten Teilsystems (T2) eine zentrale Linse (L6 bzw. L7) mit negativer Brechkraft aus Kurzflintglas und zwei Linsen (L5 und L7 bzw. L6 und L8) mit positiver Brechkraft aus Fluorkronglas oder aus CaF₂ umfaßt.
Optisches Abbildungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Zweifachkittglied (L4 und L5 bzw. L8 und L9) des zweiten Teilsystems (T2) eine Linse (L4 bzw. L9) mit negativer Brechkraft aus Kurzflintglas und eine Linse (5 bzw. L8) mit positiver Brechkraft aus Fluorkronglas oder aus CaF₂ umfaßt.
Optisches Abbildungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Meniskus des dritten Teil systems (T3) als Kittglied (L9 und L10) oder Einzellinse (L10) ausgebildet ist.
Optisches Abbildungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die hohlen Flächen der beiden Menisken des dritten Teilsystems (T3) benachbart sind.
Optisches Abbildungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass dem Objektiv (1) von der Objektseite aus gesehen, eine Tubuslinseneinheit (2) nachgeordnet ist, welche aus mindestens zwei optischen Gliedern besteht.
Optisches Abbildungssystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass dem Objektiv (1) von der Objektseite aus gesehen, eine Tubuslinseneinheit (2) nachgeordnet ist, welche aus einer Linse (4) mit positiver Brechkraft und einem optischen Element (5) ohne Brechkraft besteht.
Optisches Abbildungssystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass dem Objektiv (1) von der Objektseite aus gesehen, eine Tubuslinseneinheit (2) nachgeordnet ist, welche aus zwei Zweifachkittgliedern (6, 7 und 8, 9) und einem optischen Element (10) ohne Brechkraft besteht.
Optisches Abbildungssystem nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element (10) ohne Brechkraft der Tubuslinseneinheit (2) aus Bk7 oder einem anderen geeigneten optischen Glas besteht.
Mikroskop mit einem optischen Abbildungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche.