DE102006015579B4

DE102006015579B4 - Objektiv für Stereomikroskope vom Teleskoptyp

Info

Publication number: DE102006015579B4
Application number: DE102006015579.3A
Authority: DE
Inventors: Dr. Wartmann Rolf; Dr. Thirase Jan
Original assignee: Carl Zeiss Microscopy GmbH
Current assignee: Carl Zeiss Microscopy GmbH
Priority date: 2006-04-04
Filing date: 2006-04-04
Publication date: 2022-08-25
Anticipated expiration: 2026-04-05
Also published as: WO2007115658A1; DE102006015579A1; EP2002205A1

Abstract

Objektiv für Stereomikroskope des Teleskoptyps von der Objektebene her umfassend:- eine erste Linsengruppe G1 (G11, G21, G31) mit positiver Brechkraft D1,- eine zweite Linsengruppe G2 (G12, G22, G32) mit positiver Brechkraft D2,- eine dritte Linsengruppe G3 (G13, G23, G33) mit positiver oder negativer Brechkraft D3 wobei das Objektiv folgende weitere Merkmale aufweist:- eine Gesamtbrennweite f im Bereich von 35 mm bis 22 mm,- einen Arbeitsabstand im Bereich des 0,20- bis 0,45-fachen der Gesamtbrennweite f,- ein Verhältnis EP/f > 0,6...0,95 mit EP dem Durchmesser der Eintrittspupille bei maximal eingestellter Vergrößerung eines nachgeordneten Vergrößerungswechslers und f der Gesamtbrennweite,- ein Verhältnis Y/f = tanω > 0,16 mit ω dem Feldwinkel, Y dem maximalen Durchmesser des Objektfeldes bei minimal eingestellter Vergrößerung des nachgeordneten Vergrößerungswechslers und f der Gesamtbrennweite,- ein Auflösungsvermögen im Bereich von 1000 Linienpaare/mm bis 1700 Linienpaare/mm.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein hochauflösendes Objektiv für Stereomikroskope vom Teleskoptyp.
Stereomikroskope dieses Typs werden bevorzugt zur Inspektion kleiner Objekte, wie z.B. Halbleiterbauelemente oder mikromechanische Teile, zur Zellmanipulation in der Biowissenschaft oder in der Materialkunde eingesetzt. Dabei geht es stets darum, einerseits dem Bedürfnis nach verbesserter Übersicht über das gesamte Objekt während der Inspektion gerecht zu werden, andererseits aber auch kleinste Details am Objekt betrachten zu können.
Diesbezüglich ist in jedem der beiden stereoskopischen Beobachtungsstrahlengänge, die vom Objekt kommend durch das gemeinsame Objektiv hindurchtreten, ein Vergrößerungswechsler vorgesehen. Diese Vergrößerungswechsler sind meist als afokale Zoomsysteme ausgelegt, so dass eine kontinuierliche Veränderung der Größe des beobachteten Objektfeldes ohne Veränderung der Objekt- und Bildlage möglich ist.
Das Objekt befindet sich im Brennpunkt des Objektivs, wird über das Objektiv und die dem Objektiv nachgeordneten Vergrößerungswechsler ins Unendliche abgebildet und leuchtet bei dieser Abbildung die Eintrittspupillen der Vergrößerungswechsler jeweils vollständig aus. Den Vergrößerungswechslern folgen in den Beobachtungsstrahlengängen Tubuslinsen nach, die zwei unterschiedliche Zwischenbilder erzeugen, welche der Betrachter durch Okulare hindurch betrachten kann. Da die beiden Zwischenbilder voneinander verschieden und voneinander getrennt sind, gewinnt der Betrachter einen räumlichen Eindruck.
Die Durchmesser der Eintrittspupillen der Vergrößerungswechsler sind von der jeweils eingestellten Vergrößerung abhängig. Sie erreichen bei größtmöglich eingestellter Vergrößerung ihr Maximum.
Mit der Einführung von Objektivrevolvern an Stereomikroskopen des Teleskoptyps wurde, wie sie an klassischen Mikroskopen schon seit längerer Zeit üblich sind, ist nun auch hier der Objektivwechsel während der Inspektion möglich, so dass sich die Voraussetzungen für die Übersichtsbeobachtung einerseits und die Darstellung feinster Strukturen andererseits verbessert haben. Letzteres erfordert allerdings, dass ein Objektiv mit entsprechend hoher Auflösung am Objektivrevolver verfügbar ist.
Entscheidend für das maximale Auflösungsvermögen des Gesamtsystems aus Objektiv und Vergrößerungswechslern ist das Verhältnis A zwischen dem Durchmesser EP der Eintrittspupillen bei größtmöglicher Vergrößerung und der Objektivbrennweite f.
Der größtmögliche Durchmesser des Objektfeldes Y wird dagegen bei der kleinstmöglich eingestellten Vergrößerung erreicht. Die Größe des Objektfeldes Y ist vom maximalen Feldwinkel ω des Objektivs abhängig, wobei die Größe des Objektfeldes Y, der Feldwinkel ω und die Objektivbrennweite f über die Beziehung Y = f*tan ω verknüpft sind.
Bei der Entwicklung von Objektiven für Stereomikroskope des Teleskoptyps neuerer Bauart ist daher immer wieder das Problem zu lösen, die Forderung nach größtmöglicher Auflösung und Vergrößerung, großem Durchmesser der Eintrittspupillen, maximalem Feldwinkel und gewünschter Brennweite miteinander und mit einer an den Objektivwechsler und die Vergrößerungswechsler angepassten Baugröße in Einklang zu bringen.
Aus den Veröffentlichungen JP 2001-147378 A , JP H10 170 832 A und US 4,640,586 A sind Objektive für Stereomikroskope be- kannt, die für das Verhältnis A = EP/f des Durchmessers EP der Eintrittspupille bei maximal eingestellter Vergrößerung zur Objektivbrennweite f Werte von bis zu 0,3 erreichen.
In EP 1 369 729 A2 ist ein Objektiv beschrieben, bei dem für das Verhältnis A Werte von 0,44 bis 0,6 erreicht werden, verbunden mit einem Wert von 0,16 für den Tangens des Feldwinkels ω.
Diese Objektive erreichen jedoch lediglich ein Auflösungsvermögen, das unter 1000 Lp/mm liegt (Lp = Linienpaare).
Von diesem Stand der Technik ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Objektiv zur Verwendung in Stereomikroskopen des Teleskoptyps zu schaffen, bei dem das Auflösungsvermögen mindestens 1000 Lp/mm beträgt und dabei ein Objektfeld zu beobachten ist, dass durch einen Wert von größer 0,16 für den Tangens des Feldwinkels ω charakterisiert ist.
Gelöst wird diese Aufgabe mit einem Objektiv mit folgenden Merkmalen:

- Gesamtbrennweite f im Bereich von 35 mm bis 22 mm,
- Arbeitsabstand im Bereich des 0,2 bis 0,45-fachen der Gesamtbrennweite f,
- Verhältnis EP/f=0, 6...0, 95 mit EP dem Durchmesser der Eintrittspupille bei maximal eingestellter Vergrößerung und f der Gesamtbrennweite,
- Verhältnis Y/f = tanω > 0,16 mit ω dem Feldwinkel, Y dem maximalen Durchmesser des Objektfeldes bei minimal eingestellter Vergrößerung und f der Gesamtbrennweite,
- Auflösungsvermögen im Bereich von 1000 Lp/mm bis 1700 Lp/mm (Lp = Linienpaare).

Dabei umfasst dieses Objektiv

- eine erste Linsengruppe G1 mit positiver Brechkraft D1,
- eine zweite Linsengruppe G2 mit positiver Brechkraft D2,
- eine dritte Linsengruppe G3 mit positiver oder negativer Brechkraft D3.

Bevorzugt beträgt die Brechkraft D1 der ersten Linsengruppe G1 und die Brechkraft D2 der zweiten Linsengruppe G2 zusammen zwischen zwei Drittel und drei Viertel der Brechkraft D des Gesamtobjektivs. Die Brechkraft D3 der dritten Linsengruppe G3 entspricht dem Quotienten k/f, mit f der Gesamtbrennweite des Objektivs und einem Faktor k mit Werten vorzugsweise im Bereich von k = -0,05 bis 0,27.
Weiterhin soll die gemeinsame Brennweite D_gem der zwei Linsengruppen G1 und G2 im Bereich des 0,7- bis 1,3-fachen der Gesamtbrennweite f liegen.
Damit steht ein Objektiv für Stereomikroskope des Teleskoptyps zur Verfügung, dass sowohl im Hinblick auf das Auflösungsvermögen wie auch in Bezug auf die Größe des Feldwinkels die aus dem Stand der Technik bekannten Objektive übertrifft.
Der verhältnismäßig geringe Arbeitsabstand von 20% bis 45% der Objektivbrennweite ist für die Verwendung in Mikroskopen mit Objektivwechsler unkritisch, weil davon ausgegangen werden kann, dass dieses Objektiv erst dann zum Einsatz kommt, wenn die Manipulationen am Objekt abgeschlossen sind und das Objekt nur noch beobachtet wird.
Die Erfindung soll nachfolgend an drei Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:

1 ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Objektivs,
2 ein zweites Ausführungsbeispiel und
3 ein drittes Ausführungsbeispiel.

Im ersten Ausführungsbeispiel nach 1 besteht das Objektiv aus den drei Linsengruppen G11 bis G13 mit den Linsen L11 bis L16 und den folgenden tabellarisch angegebenen Konstruktionsdaten mit Radien r, Dicken d und Abständen a in mm, Brechzahlen n_e bei der Wellenlänge von 546,07 nm und Abbezahlen v_e.

Linsen gruppe	Linse	Radien r	Dicken d	Abstand a	Brechzahl n_e	Abbezahl v_e
				14,00
G11	L11	-170,19
			17,00		1,49845	81,1
		-23,82
				0,20
		193,64
	L12		19,00		1.49845	81,1
		-27,04
	L13		5,00		1,75453	35,1
		-54,55
				0,20
G12		61,29
	L14		15,00		1,49845	81,1
		-128,33
				3,16
		97, 67
	L15		8, 00		1.76076	47,6
		36,30
				6,45
		109,86
G13	L16		7,50		1,49845	81,1
		-147,32

Bei dieser Ausführung betragen: der Arbeitsabstand 14 mm; die Gesamtbrennweite f = 33, 6 mm; der Durchmesser der Eintrittspupille bei dieser Brennweite und maximal eingestellter Vergrößerung EP = 23 mm; das Auflösungsvermögen ca. 1100 Lp/mm.

In 2 ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Objektivs dargestellt, das wiederum aus drei Linsengruppen G21 bis G23 besteht, hier mit Linsen L21 bis L29 und den Konstruktionsdaten laut nachstehender Tabelle, in der die Radien r, Dicken d und Abstände a in mm, Brechzahlen n_e bei der Wellenlänge von 546,07 nm und Abbezahlen v_e angegeben sind.

Linsen gruppe	Linse	Radien r	Dicken d	Abstand a	Brechzahl n_e	Abbezahl v_e
				4,0
G21	L21	∞
			10,0		1,4891	70,2
		-10,50
		-10,50
	L22		15,0		1,8881	40,5
		-23,25
				0,1
		-73,72
	L23		10,0		1,7584	52,1
		-41,95
				0,1
		81,88
	L24		5,0		1,7545	35,1
		40, 93
G22	L25		31,6		1,4399	94,6
		-44,41
				0,1
		183,85
	L26		20,0		1,4399	94,6
		-40,41
	L27		4,0		1,7584	52,1
		-158,13
				0,1
G23		58,78
	L28		24,0		1.6225	63,2
		-43,68
	L29		3,0		1,5608	53,8
		35,47

In der Ausführung nach dem zweiten Beispiel betragen: der Arbeitsabstand 4 mm; die Gesamtbrennweite f = 25,2 mm; der Durchmesser der Eintrittspupille bei dieser Brennweite und maximal eingestellter Vergrößerung EP = 23 mm; das Auflösungsvermögen ca. 1400 Lp/mm.

Ein drittes Ausführungsbeispiel ist in 3 dargestellt. Hier umfaßt das Objektiv wiederum die drei Linsengruppen G31 bis G33, jedoch mit den Linsen L31 bis L37. Die Konstruktionsdaten für dieses Objektiv sind der nachfolgenden Tabelle mit Radien r, Dicken d und Abständen a in mm, Brechzahlen n_e bei der Wellenlänge von 546,07 nm und Abbezahlen v_e zu entnehmen.

Linsen gruppe	Linse	Radien r	Dicken d	Abstand a	Brechzahl n_e	Abbezahl v_e
				11,7
G31		-93,8
	L31		17,0		1,4984	81,0
		-22,1
				0,5
		450,8
	L32		18,0		1,4398	94,6
		-27,6
	L33		5,0		1,7545	35,1
		-44,6
				0,1
		69,2
	L34		18,0		1,4984	81,0
G32		-55,3
	L35		5,0		1,7161	53,6
		-90,6
				0,1
		104,1
	L36		11,5		1.6167	44,0
		-39,1
				7,0
		148,8
G33	L37		11,2		1,4398	94,6
		-104,3

In der Ausführung nach dem dritten Beispiel betragen: der Arbeitsabstand 11,7 mm; die Gesamtbrennweite f = 34 mm; der Durchmesser der Eintrittspupille bei dieser Brennweite und maximal eingestellter Vergrößerung EP = 23 mm; das Auflösungsvermögen 1000 Lp/mm.

Claims

Objektiv für Stereomikroskope des Teleskoptyps von der Objektebene her umfassend: - eine erste Linsengruppe G1 (G11, G21, G31) mit positiver Brechkraft D1, - eine zweite Linsengruppe G2 (G12, G22, G32) mit positiver Brechkraft D2, - eine dritte Linsengruppe G3 (G13, G23, G33) mit positiver oder negativer Brechkraft D3 wobei das Objektiv folgende weitere Merkmale aufweist: - eine Gesamtbrennweite f im Bereich von 35 mm bis 22 mm, - einen Arbeitsabstand im Bereich des 0,20- bis 0,45-fachen der Gesamtbrennweite f, - ein Verhältnis EP/f > 0,6...0,95 mit EP dem Durchmesser der Eintrittspupille bei maximal eingestellter Vergrößerung eines nachgeordneten Vergrößerungswechslers und f der Gesamtbrennweite, - ein Verhältnis Y/f = tanω > 0,16 mit ω dem Feldwinkel, Y dem maximalen Durchmesser des Objektfeldes bei minimal eingestellter Vergrößerung des nachgeordneten Vergrößerungswechslers und f der Gesamtbrennweite, - ein Auflösungsvermögen im Bereich von 1000 Linienpaare/mm bis 1700 Linienpaare/mm.
Objektiv nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass folgende Bedingung erfüllt ist: $\frac{2}{3} D < D 1 + D 2 < \frac{3}{4} D,$
wobei D1 die Brechkraft der ersten Linsengruppe G1, D2 die Brechkraft der zweiten Linsengruppe G2 und D die Brechkraft des Gesamtobjektivs sind.
Objektiv nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass folgende Bedingung erfüllt ist: $D 3 = \frac{k}{f},$
wobei D3 die Brechkraft der dritten Linsengruppe G3 ist, mit f der Gesamtbrennweite des Objektivs und dem Faktor k = -0,05 bis 0,27 entspricht.
Objektiv nach einem der vorgenannten Ansprüche, bei dem die gemeinsame Brennweite f_gem der zwei Linsengruppen G1 und G2 dem 0,7- bis 1,3-fachen der Gesamtbrennweite f entspricht.
Objektiv nach einem der vorgenannten Ansprüche, gekennzeichnet durch die nachfolgend genannten Linsen und die Konstruktionsdaten mit Radien r, Dicken d und Abständen a in mm, Brechzahlen n_e bei der Wellenlänge von 546,07 nm und Abbezahlen v_e: Linsen gruppe Linse Radien r Dicken d Abstand a Brechzahl n_e Abbezahl v_e 14,00 G11 L11 -170,19 17,00 1,49845 81,1 -23,82 0,20 193,64 L12 19,00 1.49845 81,1 -27,04 L13 5,00 1,75453 35,1 -54,55 0,20 G12 61,29 L14 15,00 1,49845 81,1 -128,33 3,16 97,67 L15 8,00 1.76076 47,6 36,30 6,45 109,86 G13 L16 7,50 1,49845 81,1 -147,32

Hierbei betragen: der Arbeitsabstand 14 mm; die Gesamtbrennweite f = 33,6 mm; der Durchmesser der Eintrittspupille bei dieser Brennweite und maximal eingestellter Vergrößerung EP = 23 mm; das Auflösungsvermögen ca. 1100 Lp/mm.
Objektiv nach einem der vorgenannten Ansprüche, gekennzeichnet durch die nachfolgend genannten Linsen und die Konstruktionsdaten mit Radien r, Dicken d und Abständen a in mm, Brechzahlen n_e bei der Wellenlänge von 546,07 nm und Abbezahlen v_e: Linsen gruppe Linse Radien r Dicken d Abstand a Brechzahl n_e Abbezahl v_e 4,0 G21 L21 ∞ 10,0 1,4891 70,2 -10,50 -10,50 L22 15,0 1,8881 40,5 -23,25 0,1 -73,72 L23 10,0 1,7584 52,1 -41,95 0,1 81,88 L24 5,0 1,7545 35,1 40,93 G22 L25 31,6 1,4399 94,6 -44,41 0,1 183,85 L26 20,0 1,4399 94,6 -40,41 L27 4,0 1,7584 52,1 -158,13 0,1 G23 58,78 L28 24,0 1.6225 63,2 -43,68 L29 3,0 1,5608 53,8 35,47

Hierbei betragen: der Arbeitsabstand 4 mm; die Gesamtbrennweite f = 25,2 mm; der Durchmesser der Eintrittspupille bei dieser Brennweite und maximal eingestellter Vergrößerung EP = 23 mm; das Auflösungsvermögen ca. 1400 Lp/mm.
Objektiv nach einem der vorgenannten Ansprüche, gekennzeichnet durch die nachfolgend genannten Linsen und die Konstruktionsdaten mit Radien r, Dicken d und Abständen a in mm, Brechzahlen n_e bei der Wellenlänge von 546,07 nm und Abbezahlen v_e: Linsen gruppe Linse Radien r Dicken d Abstand a Brechzahl n_e Abbezahl v_e 11,7 G31 -93,8 L31 17,0 1,4984 81,0 -22,1 0,5 450,8 L32 18,0 1,4398 94,6 -27,6 L33 5,0 1,7545 35,1 -44,6 0,1 69,2 L34 18,0 1,4984 81,0 G32 -55,3 L35 5,0 1,7161 53,6 -90,6 0,1 104,1 L36 11,5 1.6167 44,0 -39,1 7,0 148,8 G33 L37 11,2 1,4398 94,6 -104,3

Hierbei betragen: der Arbeitsabstand 11,7 mm; die Gesamtbrennweite f = 34,8 mm; der Durchmesser der Eintrittspupille bei dieser Brennweite und maximal eingestellter Vergrößerung EP = 23 mm; das Auflösungsvermögen ca. 1000 Lp/mm.