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Die
Erfindung bezieht sich auf eine optische Anordnung zur Beleuchtung
und/oder Beobachtung eines Objektes, nutzbar als Immersionskondensor
im Zusammenhang mit Immersionsmedien, die eine Brechzahl ne > 1
haben, insbesondere zur Anwendung in Mikroskopen mit einer Aperturblende
zum Einstellen der gewünschten
Beleuchtungs- bzw. Beobachtungsapertur.
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Die
stetig wachsenden Anforderungen an die Beleuchtung und/oder Beobachtung
von Objekten, insbesondere in der Mikroskopie, erfordern optischen
Anordnungen, die definierte Beleuchtungsverhältnisse für ein möglichst großes Spektrum an Objekten schaffen
und außerdem
die verschiedenartigsten Kontrastverfahren zur Beobachtung nutzbar
machen können.
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Des
weiteren ist es erforderlich, die Beleuchtungs- bzw. Beobachtungssysteme
so auszubilden, daß bei
einer der jeweiligen Beobachtungsaufgabe angepaßten Brennweite die Aperturblendenebene
gut zugänglich
ist und auch eine hinreichend gute Leuchtfeldblendenabbildung erfolgt.
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Mittels
Aperturblenden und Leuchtfeldblenden lassen sich dann sowohl die
Beleuchtungsapertur als auch die Größe des beleuchteten Feldes
an das jeweils benutzte Objektiv anpassen. Dieses auch als Köhlersche
Beleuchtung bezeichnete Prinzip ist im Stand der Technik bekannt
und wird im Zusammenhang mit Trockenkondensoren und Ölimmersionskondensoren
zur Beobachtung dünner
Proben eingesetzt.
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Öl als Immersionsmedium
beispielsweise erlaubt es, die Beleuchtungsapertur zu erhöhen und
bei relativ transparenten Proben das Auflösungsvermögen zu steigern. Nachteiligerweise
besitzen Immersionsöle eine
relativ niedrige Oberflächenspannung,
so daß Ölsäulen bis
etwa 0,4 mm gerade noch möglich
sind. Damit kann maximal bis zu diesen 0,4 mm in das zu beobachtende
Präparat
hineinfokussiert werden, um in diesen Tiefen die notwendigen klar
definierten Beleuchtungsverhältnisse
zu erzielen.
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Voraussetzung
dafür ist
jedoch weiterhin, daß die
Brechzahl der Probensubstanz nicht zu weit unter der Brechzahl des
Immersionsöles
liegt und die Leuchtfeldblendenabbildung von hinreichend guter Qualität ist. Dem
steht gegenüber,
daß in
zunehmendem Maße
lebende Zellen und Gewebeschnitte in physiologisch wäßrigem Medium
untersucht werden. Das heißt
die Brechzahl des Immersionsöles
ist für
solche Anwendungsfälle zu
hoch.
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Es
sei angemerkt, daß im
Rahmen dieser Erfindungsbeschreibung die Begriffe Objekt, Probe
und Probensubstanz als Synonyme zu verstehen sind.
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Insbesondere
bei solchen biologischen Proben, bei denen Wert auf die Beobachtung
biologischer Funktionen gelegt wird, ist es notwendig, die Zellen
in ihrer dreidimensionalen Umgebung zu belassen, damit sie auch
während
der Dauer der Beobachtung ihre natürlichen Funktionen möglichst
gut weiter ausüben.
Dabei weisen die Proben allerdings eine verhältnismäßig große Dicke auf, beispielsweise
mehrere 100 μm,
und die Brechzahlen des Cytoplasmas und anderer Zellbestandteile
liegen weniger bei der Brechzahl der Immersionsöle, sondern eher in der Nähe der Brechzahlen
von Wasser, physiologischer Kochsalzlösung oder Glycerin.
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Hinzu
kommt, daß ein
großer
Arbeitsabstand zwischen der Frontoptik einer optischen Anordnung
zur Beleuchtung bzw. Beobachtung der Trägerplatte, auf der die Probe
aufgebracht ist, wünschenswert
ist, um innerhalb einer so dicken Probe fokussieren zu können.
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Nachteiligerweise
erfüllen
die im Stand der Technik verfügbaren
optischen Anordnungen zur Beleuchtung bzw. Beobachtung von Proben
nicht oder nur ungenügend
die Anforderungen einer großen
Apertur bei zugleich großem
Arbeitsabstand.
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Davon
ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine optische
Anordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, welche die Nachteile
des Standes der Technik behebt und sowohl über eine große Apertur
verfügt
als auch einen großen
Arbeitsabstand ermöglicht.
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Die
erfindungsgemäß vorgeschlagene
optische Anordnung weist eine maximale Apertur NA > 1.0 und einen Arbeitsabstand
AA > 1 mm auf und
ist zur Verwendung mit einem Immersionsmedium mit einer Brechzahl
ne > 1
ausgebildet.
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Sie
besteht in einer besonders bevorzugten Ausgestaltung aus zwei Linsengruppen,
von denen
- – eine
erste Linsengruppe bildseitig angeordnet ist und eine Gruppenbrennweite
F1 im Bereich von –100 mm bis +50 mm hat, und
- – die
zweite Linsengruppe objektseitig angeordnet ist und eine Gruppenbrennweite
F2 im Bereich von +50 mm bis +3 mm besitzt.
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In
einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung sind die Abstände zwischen
der ersten Linsengruppe und der zweiten Linsengruppe zwecks Anpassung
an unterschiedliche Immersionsmedien variabel.
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Als
Immersionsmedien können
vorteilhaft Wasser, physiologische Kochsalzlösung oder Glycerin bzw. Glycerin-Wasser-Gemische Anwendung
finden, wobei ein beliebig genaues Angleichen der Brechzahl des
Immersionsmediums an die mittlere Brechzahl der Probe möglich ist.
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Auf
diese Weise kann bei nahezu unverändert hoher Abbildungsqualität beliebig
weit in die Probe hinein fokussiert werden. Die Beleuchtungsbündel werden
lediglich durch intransparente Strukturen in der Probe gestört, d.h.
in der Regel gebeugt, was aber für
eine Abbildung der Strukturen unabdingbar ist.
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Ein
wesentlicher weiterer Vorteil besteht darin, daß sich bei Nutzung der erfindungsgemäßen optischen
Anordnung im Zusammenhang mit den vorgenannten Immersionsmedien
Abbildungsfehler vermeiden lassen, welche beispielsweise bedingt
sind durch sphärische
Fehler, die bei Durchgang der Beleuchtungsbündel durch einen dicken Raum
mit einer Brechzahl auftreten, die verschieden ist von der Brechzahl
des Immersionsmediums. Damit ist es zugleich möglich, den Kontrast der Abbildung
zu steigern. Eine Verwaschung des Leuchtfeldblendenbildes wird vermieden.
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Der
Vorteil der Verwendung von Wasser, physiologischer Kochsalzlösung oder
Glycerin bzw. von Glycerin-Wasser-Gemischen gegenüber der Verwendung von Öl als Immersionsmedium
ist auch dadurch begründet,
daß die
Oberflächenspan nung
von Wasser höher
ist als die von Öl
und dadurch auch größere Wassersäulen möglich sind,
bevor es zu einem Abreißen
des Immersionsfilmes kommt.
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Der
so erzielbare größere Arbeitsabstand
zwischen einem Trägerglas
für die
Probe und der Frontlinsenfassung eines Beleuchtungs- und Beobachtungssystems
erlaubt es, variabel tief in dicke Proben hineinzufokussieren, womit
es auch möglich
ist, die Detektionseffizienz bei sogenannter „NDD" (Non-Descanned-Detection) zu erhöhen.
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Hierbei
wird mit einem gepulsten Infrarotlaser die Probe beleuchtet, was
(in der Regel) zu einer 2-Photonenanregung eines Fluoreszenzfarbstoffes
führt.
Die 2-Photonenanregung ist ein nichtlinearer optischer Prozeß, für den nur
im Fokus und während
des Pulses der Laserstrahlung ausreichend hohe Energiedichten vorhanden
sind. Das Wissen, wo sich dieser Fokus gerade befindet, wird zur
Rekonstruktion von Bildern der jeweils beobachteten Probe genutzt.
Dazu muß das
Fluoreszenzlicht möglichst
vollständig
eingesammelt werden. Das gelingt nur dann, wenn Beleuchtungs- und
Beobachtungssysteme mit einer so hohen Apertur und einer so großen Eingangsschnittweite
des lichtsammelnden Systems zur Verfügung stehen, daß Licht überhaupt
erst aus den Regionen der Probe erfaßt werden kann, in denen die
Fluoreszenzphotonen emittiert werden. Mit der erfindungsgemäßen optischen
Anordnung wird diese Forderung erfüllt.
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Nachfolgend
werden konkrete Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen optischen
Anordnung beschrieben.
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So
ist bevorzugt vorgesehen, daß die
erste Linsengruppe als ein Kittglied ausgebildet ist, das aus einer Linse
positi ver und einer Linse negativer Brechkraft besteht, während die
zweite Linsengruppe aus einer Einzellinse und einer Linsenuntergruppe
zusammengesetzt ist.
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Vorteilhaft
ist die Einzellinse der zweiten Linsengruppe als Asphäre ausgebildet,
und die Linsenuntergruppe umfaßt
eine Mutterkugel und eine Füllkugel.
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Das
zu beobachtende Objekt ist auf ein Trägerglas aufgebracht, und es
ist ein Immersionsmedium mit einer Brechzahl ne im
Bereich von 1.01 bis 1.51 vorhanden. Besonders vorteilhaft ist Wasser
als Immersionsmedium vorgesehen.
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Dabei
sollte die Brechzahl ne des Glases, aus
dem die Füllkugel
besteht, zwischen der Brechzahl ne des Immersionsmediums
und der Brechzahl ne des Glases liegen,
aus dem die Mutterkugel gefertigt ist.
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Die
Aperturblende kann zwischen der ersten Linsengruppe und der zweiten
Linsengruppe angeordnet sein. Im Rahmen der Erfindung liegt es jedoch
auch, je nach konkretem Optikdesign die Aperturblende in anderen,
ebenfalls geeigneten Lufträumen
zwischen den Linsen oder ganz am Ende der optischen Baugruppen anzuordnen.
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Außerdem umfaßt die Erfindung
auch Ausgestaltungen, bei denen nicht nur die Abstände zwischen den
Linsengruppen, sondern auch die Abstände zwischen den Linsengruppen
und der Aperturblende variabel sind.
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Die
Erfindung soll nachfolgend anhand eines konkreten Ausführungsbeispieles
näher erläutert werden.
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Wie
aus der zur Erläuterung
dienenden Zeichnung (Fig.) ersichtlich ist, sind eine bildseitig
angeordnete erste Linsengruppe 1 und eine objektseitig
angeordnete zweite Linsengruppe 2 vorhanden. Zwischen der Linsengruppe 1 und
der Linsengruppe 2 ist eine Aperturblende 3 angeordnet.
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Die
erste Linsengruppe 1 ist als Kittglied ausgebildet und
besteht aus einer Linse 1.1 mit negativer und aus einer
Linse 1.2 mit positiver Brechkraft.
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Die
zweite Linsengruppe 2 besteht aus einer Einzellinse 2.1 und
einer Linsenuntergruppe 2.2. Die Einzellinse 2.1 ist
als Asphäre
ausgebildet. Die Linsenuntergruppe 2.2 umfaßt eine
Mutterkugel 2.21 und eine Füllkugel 2.22.
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Eine
zu beobachtende Probe 4 ist auf ein Trägerglas 6 aufgebracht.
Als Immersionsmedium 5 ist hier beispielsweise Wasser vorgesehen.
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Die
Konstruktionsdaten für
die Radien r der optisch wirksamen Lichtaustritts- und Lichteintrittsflächen, die
Glasdicken d, die Luftabstände
a, die Glassorten, die Brechzahlen ne und
freien Durchmessern FRD sind in nachfolgender Tabelle angegeben.
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Vorteilhafterweise
liegt die Brechzahl der Glassorte, aus welcher die Füllkugel 2.22 besteht,
zwischen der Brechzahl ne des Immersionsmediums 5 und
der Brechzahl ne der Glassorte, aus der
die Mutterkugel 2.21 gefertigt ist.
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Die
mit dieser optischen Anordnung erzielte maximale Apertur liegt bei 1.2,
und das maximale Feld, welches beleuchtbar ist, hat einen Durchmesser
von 2 mm. Der Arbeitsabstand AA liegt bei 2 mm.
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Zwecks
Anpassung der optischen Anordnung an unterschiedliche Immersionsmedien
kann vorgesehen sein, daß mindestens
einer der in der vorstehenden Tabelle angegebenen Luftabstände a variabel
ist.
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Denkbar
ist es weiterhin, diese optische Anordnung zur Beleuchtung und/oder
Beobachtung der Probe 4 als Multi-Immersions-LD-Kondensor auszubilden,
wobei LD für „Long Working
Distance" steht.
Damit ist es möglich,
stufenlos zwischen verschiedenen Immersionsmedien, wie Wasser und
Glycerin, hin- und herzuwechseln.
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Mit
Mischungen aus diesen beiden Immersionsmedien ist ein perfektes „Indexmatching" möglich, das heißt ein beliebig
genaues Angleichen der Brechzahl ne des
Immersionsmediums 5 an die mittlere Brechzahl ne der Probe 4.
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Besonders
vorteilhaft ist ein solcher Immersions-LD-Kondensor in Verbindung mit LD-Wasserobjektiven
nutzbar. Damit läßt sich
eine simultane Fokussierung bei Durchbewegung der Probe durch den
gemeinsamen Fokus von Beleuchtungssystem und Beobachtungssystem
erzielen.
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- 1
- Linsengruppe
- 1.1,
1.2
- Linse
- 2
- Linsengruppe
- 2.1
- Einzellinse
- 2.2
- Linsenuntergruppe
- 2.21
- Mutterkugel
- 2.22
- Füllkugel
- 3
- Aperturblende
- 4
- Probe
- 5
- Immersionsmedium
- 6
- Trägerglas
- AA
- Arbeitsabstand
- a
- Luftabstände
