DE102006021520B4

DE102006021520B4 - Mikroskop-Objektiv

Info

Publication number: DE102006021520B4
Application number: DE102006021520.6A
Authority: DE
Inventors: Dr. Shi Renhu; Werner Kleinschmidt; Dr. Bocher Thomas
Original assignee: Carl Zeiss Microscopy GmbH
Current assignee: Carl Zeiss Microscopy GmbH
Priority date: 2006-05-05
Filing date: 2006-05-05
Publication date: 2020-10-08
Anticipated expiration: 2026-05-06
Also published as: DE102006021520A1; WO2007128422A1; US20090284841A1; US7907348B2; CN101438197A; CN101438197B

Abstract

Mikroskop-Objektiv mit antisymmetrisch angeordneten Linsen oder Linsengruppen sowie einem Tubussystem, wobei die von einem Objektpunkt ausgehenden Strahlen zwischen dem Mikroskop-Objektiv und dem Tubussystem parallel zueinander verlaufen und die Farbfehler vom Mikroskop-Objektiv und dem Tubussystem bei einer Brennweite des Tubussystems von 180 mm gemeinsam oder bei einer Brennweite des Tubussystems von 200 mm getrennt voneinander korrigiert sind.

Description

Zur Untersuchung biologischer Objekte und der Gewebekulturen werden die Mikroobjektive mit großer numerischer Apertur eingesetzt, um die Feinstruktur aufzulösen.
Die Mikroskop-Objektive mit einer numerischen Apertur größer als 1,2 unter Verwendung von Immersionsöl haben in der Regel auch höhere Herstellungskosten. Diese ist zum Teil darauf zurückzuführen, weil das Frontteil des entsprechenden Objektivs aus einem zweifachen Kittglied, also mit einer Fülllinse und einer Mutterkugel-Linse, besteht. Aufgrund des speziellen Fertigungsverfahrens ist die Herstellung solch eines Kittglieds aufwendig und teuer. Objektive mit einem Frontteil aus nur einer Halbkugel-Linse können eine Apertur von bis 1,3 erreichen und haben niedrigere Herstellungskosten.
Aus DE 101 08 796 A1 ist ein Mikroskop-Objektiv mit einer NA von etwa 1,45 bekannt, wobei das Mikroskop-Objektiv zusammen mit einem Tubussystem verwendet wird und zwischen dem Objektiv und der Tubusoptik die von einem Objektpunkt stammenden Strahlen parallel zueinander laufen, oder wobei sich die Restfehler vom Objektiv und von der Tubusoptik kompensieren.
DE 10 2004 026 114 A1 zeigt ein Flüssigkeitimmersions-Mikroskopobjektiv mit vier Linsengruppen, wobei die der Objektebene zugewandte erste Linsengruppe aus zwei Linsengliedern zusammengesetzt ist, die auch gekittet sein können.
DE 102004 051 357 A1 betrifft ein Immersions-Objektiv mit Einstellmitteln, mit denen es auf verschiedene Immersionsmittel und deren Temperaturen sowie Deckglasdicken von Objektbehältern eingestellt werden kann.
In US 5,898,524 A offenbart ein Objektivlinsensystem mit einem Schutzglas, vier Linsengruppen und einer NA von 1,25, wobei die erste Linsengruppe als Kittglied ausgebildet ist.
Ausgehend von den Nachteilen des Standes der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Mikroskopobjektiv dahingehend weiter zu bilden, dass bei Verbesserung des Bildkontrasts eine weitere Reduzierung der Herstellungskosten erreicht wird.
Diese Aufgabe wird durch ein Mikroskopobjektiv erfindungsgemäß nach den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungsformen sind in den Unteransprüchen 2 bis 8 aufgezeigt.
Die erfindungsgemäße Lösung bezieht sich alternativ auf drei Mikroskop-Objektivvarianten der Klasse „Planachromat“ mit einem Abbildungsmaßstab -100 fach und der Sehfeldzahl 20. Ein Planachromat wird dadurch definiert, dass die Fokuslage von der Spektrallinie C' und F' zusammenfallen. Die zusätzliche Bezeichnung „Plan“ bedeutet dabei, dass das das Bildfeld entsprechend geebnet ist. Die objektseitige numerische Apertur beträgt 1,25.
Das Mikroskop-Objektiv besteht aus 9 Linsen mit 3 Kittgliedern. Der Bildkontrast wird an der ersten Linie durch die Abbildungsfehler beeinflusst. Bei vorliegenden Mikroskop-Objektiven werden die Abbildungsfehler wie sphärische Aberration, Koma, Astigmatismus und Verzeichnung weitergehend korrigiert. Der primäre Farblängsfehler (Abbildung der Fokuslagen zwischen der Spektrallinie C' und F') ist auskorrigiert. Der Farblängsfehler vom sekundären Spektrum (Abweichung der Fokuslagen zwischen der Spektrallinie C'- e und F'- e) liegen innerhalb des Bereichs der dreifachen Schärfentiefe. Der Bereich der Schärfentiefe ist definiert durch λ/NA² mit NA als numerische Apertur. Dieser Bereich wird als eine Rayleigh-Einheit bezeichnet. Die Bildfeldebnung ist so reduziert, dass die beste Fokuslage am Feldrand sich weniger als zwei Schärfentiefe von der axialen Fokuslage abweicht.
Durch Einsatz von Wiederholungsbauteilen lassen sich die Herstellungskosten weiter senken. Solch ein Mikroskop-Objektiv bietet den Kunden die Flexibilität und den Kostenvorteil.
Im folgenden werden drei Ausführungsbeispiele von Mikroskop-Objektiven der Klasse „Planachromat“ mit dem Abbildungsmaßstab -100 Fach, der numerischen Apertur 1,25 und einer Sehfeldzahl 20 vorgestellt. Der optische Arbeitsabstand beträgt 0,28 mm. Er ist der Abstand zwischen dem Deckglas und dem Scheitelpunkt der ersten Linsenfläche im System. Die Systemdaten werden in den Tabellen 1 bis 3 angegeben.
In den dazugehörenden Figuren zeigen:

1: einen Linsenabschnitt vom Objektiv mit dem Tubus f'Tubus = 200 mm
2: Querschnittsaberrationen mit dem Tubus f'Tubus = 200 mm
3: Längsaberrationen auf der Achse und feldabhängige Bildfehler

Das Objektiv im Ausführungsbeispiel 1 in der Tabelle 1 wird zusammen mit einer Tubuslinse der Brennweite 180 mm gerechnet, dabei werden die Farbquerfehler am Feldrand jeweils auf -50 µm (C'- e) und 50 µm (F'- e) korrigiert. Diese Korrektur des Farblängsfehlers ist erforderlich für ein bestimmtes Gerät. Das Objektiv im Ausführungsbeispiel 2 in der Tabelle 2 wird zusammen mit einer Tubuslinse der Brennweite 200 mm gerechnet; dabei sind die Farbfehler beim Objektiv und Tubussystem jeweils für sich auskorrigiert. Das Ausführungsbeispiel 3 in der Tabelle 3 wird zusammen mit einer Tubuslinse der Brennweite 164,5 mm gerechnet; dabei werden die Farbquerfehler beim Objektiv und beim Tubussystem gegenseitig kompensiert. Die Bauweise dieser alternativen Mikroskop-Objektive erlaubt es, durch geringfügige Änderungen unterschiedliche Anforderungen an Farbquerfehler zu erfüllen.
Die Systemdaten von den drei Ausführungsbeispielen sind ähnlich. Daher wird für die grafischen Darstellungen nur das Ausführungsbeispiel 2 herangezogen. Der Linsenschnitt wird in 1 dargestellt. Die entsprechenden Verläufe der Abbildungsfehler in Abhängigkeit von der Apertur und vom Sehfeld werden in 2 und 3 jeweils dargestellt.
Die Mikroskop-Objektive bestehen jeweils aus 9 Linsen mit 3 Kittgliedern: im Detail (vom Objekt aus gezählt; siehe 1) einer Linse L₁ mit positiver Brechkraft, einer positiven Meniskuslinse L₂, einem zweifachen Kittglied G₁ mit positiver Brechkraft, einem weiteren zweifachen Kittglied G₂ mit positiver Brechkraft, einem zweifachen Kittglied G₃ mit negativer Brechkraft und schließlich einer Meniskuslinse L₉ mit negativer Brechkraft. Die Kittglieder G₁ und G₂ sind baugleich und werden spiegelsymmetrisch ins System eingebaut (vgl. 1). Des weiteren sind die Linsen L₈ und L₉ baugleich, und sie werden ebenfalls spiegelsymmetrisch ins Objektiv eingebaut. Auf dieser Weise ergeben sich drei Linsenpaare, nämlich L₃ und L₆, L₄ und L₅, L₈ und L₉, die jeweils baugleich sind. Damit können die Herstellungskosten effektiv reduziert werden.
Die Linse L₁ hat eine Planfläche auf der Objektseite und eine stark gekrümmte Fläche auf der Bildseite, und das Krümmungszentrum liegt auf der Objektseite. Die Linse L₂ ist meniskusförmig und die beiden Krümmungszentren liegen auf der Objektseite. Das Kittglied G₁ setzt sich aus einer bikonkaven Linse L₃ auf der Objektseite und einer bikonvexen Linse L₄ auf der Bildseite. Das Kittglied G₂ setzt sich aus einer bikonvexen Linse L₄ auf der Objektseite und einer bikonkaven Linse L₅ auf der Bildseite. Das Kittglied G₃ setzt sich aus zwei Meniskuslinsen L₇ und L₈, und die Krümmungszentren aller Flächen liegen auf der Bildseite. Die beiden Linsen L₇ und L₈ haben negative Brechkraft. Die Krümmungszentren der letzten Meniskuslinse L₉ liegen auf der Objektseite.
Die Abbildungsfehler, wie beispielsweise die sphärische Aberration, Koma, Astigmatismus und Verzeichnung, werden weitgehend korrigiert. Der primäre Farblängsfehler ist auskorrigiert. Der Farblängsfehler vom sekundären Spektrum liegen innerhalb des Bereichs der dreifachen Schärfentiefe. Die Bildfeldebnung ist so reduziert, dass die beste Fokuslage am Feldrand sich weniger als zwei Schärfentiefe von der axialen Fokuslage abweicht. Die verschiedenen Aberrationen werden in 2 und 3 grafisch dargestellt.

Die folgenden Tabellen zeigen die Systemdaten der Ausführungsbeispiele, wobei, wobei die Flächenkennzeichnung (Flächen Nr.) von der Objektebene (links beginnend) ausgeht. Tabelle 1: Systemdaten vom Ausführungsbeispiel 1

Fläche r.	Radius	Dicke	n_e	v_e

1	Plan	0.170	1.525	59.2
(Deckglas)
2	Plan	0.290	1.518	41.8
(Öl)
3	Plan	2.770	1.517	60.3
4	-2.0004	0.200
5	-17.4139	2.200	1.758	52.1
6	-5.2970	6.483
7	-99.0800	3.000	1.762	27.3
8	10.3510	4.000	1.667	54.3
9	-17.4720	0.200
10	17.4720	4.000	1.667	54.3
11	-10.3510	3.000	1.762	27.3
12	99.0800	5.329
13	7.6990	6.500	1.489	70.0
14	4.6560	4.000	1.813	25.3
15	2.4300	1.796
16	-2.4300	4.000	1.813	25.3
17	-4.6560	0.622
18	Plan	60.000

+ achromatisierte Tubuslinsen mit einer Brennweite von 180 mm
Numerische Apertur = 1.25			Lage Eintrittspupille -∞
Abbildungsmaßstab = -100.5			Objekt auf der Fläche 1
Sehfeldzahl = 20

Tabelle 2: Systemdaten vom Ausführungsbeispiel 2

Fläche Nr.	Radius	Dicke	n_e	v_e
1	Plan	0.170	1.525	59.2
(Deckglas)
2	Plan	0.281	1.518	41.8
(Öl)
3	Plan	2.770	1.517	60.3
4	-1.9845	0.200
5	-32.1451	2.200	1.758	52.1
6	-5.8498	7.127
7	-87.1808	3.000	1.762	27.3
8	10.0650	4.000	1.667	54.3
9	-16.4805	0.200
10	16.4805	4.000	1.667	54.3
11	-10.0650	3.000	1.762	27.3
12	87.1808	4.823
13	8.8700	6.500	1.489	70.0
14	4.4577	4.000	1.813	25.3
15	2.4528	1.800
16	-2.4528	4.000	1.813	25.3
17	-4.4577	0.500
18	Plan	100.000
+ achromatisierte Tubuslinsen mit einer Brennweite von 200 mm
Numerische Apertur = 1.25			Lage Eintrittspupille -∞
Abbildungsmaßstab = -100.1			Objekt auf der Fläche 1
Sehfeldzahl = 20

Tabelle 3: Systemdaten vom Ausführungsbeispiel 3

Fläche Nr	Radius	Dicke	n_e	v_e
1	Plan	0.170	1.525	59.2
(Deckglas)
2	Plan	0.286	1.518	41.8
(Öl)
3	Plan	2.770	1.517	60.3
4	-1.9995	0.200
5	-15.9107	2.200	1.758	52.1
6	-5.2115	6.535
7	-158.4628	3.000	1.762	27.3
8	10.3216	4.000	1.667	54.3
9	-18.4453	0.200
10	18.4453	4.000	1.667	54.3
11	-10.3216	3.000	1.762	27.3
12	158.4628	5.402
13	7.3766	6.500	1.489	70.0
14	4.7935	4.000	1.813	25.3
15	2.3928	1.800
16	-2.3928	4.000	1.813	25.3
17	-4.7935	0.500
18	Plan	126.500
+ eine Tubuslinse mit einer Brennweite von 164.5mm
Numerische Apertur = 1.25			Lage Eintrittspupille -∞
Abbildungsmaßstab = -100.2			Objekt auf der Fläche 1
Sehfeldzahl = 20

Claims

Mikroskop-Objektiv mit antisymmetrisch angeordneten Linsen oder Linsengruppen sowie einem Tubussystem, wobei die von einem Objektpunkt ausgehenden Strahlen zwischen dem Mikroskop-Objektiv und dem Tubussystem parallel zueinander verlaufen und die Farbfehler vom Mikroskop-Objektiv und dem Tubussystem bei einer Brennweite des Tubussystems von 180 mm gemeinsam oder bei einer Brennweite des Tubussystems von 200 mm getrennt voneinander korrigiert sind.
Mikroskop-Objektiv nach Anspruch 1, bei dem die Abbildungsfehler, wie sphärische Aberration, Koma und Astigmatismus beugungsbegrenzt korrigiert werden und die Verzeichnung auskorrigiert ist, der nominelle Abbildungsmaßstab -100 bei einer numerischen Apertur 1,25 ist, die Farblängsfehler vom sekundären Spektrum innerhalb des Bereichs der dreifachen Schärfentiefe liegen und die Bildfeldebnung so reduziert ist, dass die beste Fokuslage am Feldrand sich weniger als zwei Schärfentiefe von der axialen abweicht.
Mikroskop-Objektiv nach Anspruch 1, bestehend aus 9 Linsen mit 3 Kittgliedern, ausgehend von der Objektseite aus einer Linse aus einer Halbkugel L₁ mit positiver Brechkraft, einer Meniskuslinse L₂ mit positiver Brechkraft, einem zweifachen Kittglied G₁ mit positiver Brechkraft, einem weiteren zweifachen Kittglied G₂ mit positiver Brechkraft, einem zweifachen Kittglied G₃ mit negativer Brechkraft und schließlich einer Meniskuslinse L₉ mit negativer Brechkraft, wobei die Linse L₁ eine Planfläche auf der Objektseite und eine stark gekrümmte Fläche auf der Bildseite hat und das Krümmungszentrum auf der Objektseite liegt, die Linse L₂ meniskusförmig ausgebildet ist und die beiden Krümmungszentren auf der Objektseite liegen, das Kittglied G₁ sich aus einer bikonkaven Linse L₃ auf der Objektseite und einer bikonvexen Linse L₄ auf der Bildseite zusammensetzt, das Kittglied G₂ aus einer bikonvexen Linse L₄ auf der Objektseite und einer bikonkaven Linse L₅ auf der Bildseite besteht, das Kittglied G₃ sich aus zwei Meniskuslinsen L₇ und L₈, und die Krümmungszentren aller Flächen liegen auf der Bildseite zusammensetzt und die beiden Linsen L₇ und L₈ negative Brechkräfte haben.
Mikroskop-Objektiv nach dem Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kittglieder G₁ und G₂ baugleich und spiegelsymmetrisch ins System eingebaut sind, die Linsen L₈ und L₉ baugleich und spiegelsymmetrisch ins Mikroskop-Objektiv eingebaut werden, so dass sich drei Linsenpaare L₃ und L₆, L₄ und L₅, L₈ und L₉ ergeben, die jeweils baugleich sind.
Mikroskop-Objektiv nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass folgende Verhältnisse der Brennweiten gelten: $1,9 < f_{L1} / f_{Obj .} < 2,4$
$4,5 < f_{L2} / f_{Obj .} < 5,7$
$20,2 < f_{G1} / f_{Obj .} < 25,7$
$20,2 < f_{G2} / f_{Obj .} < 25,7$
$- 14,7 < f_{G3} / f_{Obj .} < - 8,2$
$- 31,7 < f_{L9} / f_{Obj .} < - 14,2$
wobei f_Obj. für die Brennweite des Mikroskop-Objektivs, f_L1, f_L2, f_L9 für die Brennweiten der Linsen L₁, L₂ und L₃ und f_G1, f_G2, f_G3 für die Brennweiten der Kittglieder der G₁, G₂ und G3 steht.
Mikroskop-Objektiv nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die baugleichen Linsen L₄ und L₅ folgende Bedingungen erfüllen: $n_{e} > 1,66$
und $v_{e} > 54$
Mikroskop-Objektiv nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass die baugleichen Linsen L₈ und L₉ folgende Bedingungen erfüllen: $n_{e} > 1,81$
und $v_{e} > 26$
Mikroskop-Objektiv nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Geometrie der Linse folgende Bedingungen: $d_{3} \geq | r_{4} | \geq \frac{d_{1} \cdot N A}{\sqrt{n_{1}^{2} - N A^{2}}} + \frac{d_{2} \cdot N A}{\sqrt{n_{2}^{2} - N A^{2}}} + \frac{d_{3} \cdot N A}{\sqrt{n_{3}^{2} - N A^{2}}}$
erfüllt, wobei d₁ für Dicke vom Deckglas d₂ für den optischen Arbeitsabstand d₃, r₄ jeweils für die Mittendicke und den Krümmungsradius der Linse L₁, NA für die numerische Apertur und ne für die Brechzahl ve für die Abbe'sche Zahl bei der Spektrallinie e = 546,07 nm steht.