DE102007056754A1

DE102007056754A1 - Mikroskopobjetiv

Info

Publication number: DE102007056754A1
Application number: DE102007056754A
Authority: DE
Inventors: Michael Brehm; Reiner Mitzkus
Original assignee: Carl Zeiss MicroImaging GmbH
Current assignee: Carl Zeiss Microscopy GmbH
Priority date: 2007-11-23
Filing date: 2007-11-23
Publication date: 2009-05-28

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Mikroskopobjektiv, bevorzugt zur Untersuchung von Proben bei unterschiedlichen Umgebungstemperaturen mit einem Objektivgehäuse zur Lagefixierung in einer Mikroskopaufnahme und zur Positionierung von optischen Komponenten.
Erfindungsgemäß besteht das Objektivgehäuse aus einer in der Mikroskopaufnahme fest fixierten Außenhülse (1) und einer axial in der Außenhülse (1) bei thermischen Veränderungen geführten, die optischen Komponenten (1, 2) tragenden Innenhülse (2). Es ist mindestens ein Element (12) vorgesehen, welches eine temperaturbedingte axiale Lageveränderung der Innenhülse (1) in der Außenhülse (2) kompensiert.

Description

Die Erfindung betrifft ein Mikroskopobjektiv, bevorzugt zur Untersuchung von Proben bei unterschiedlichen Umgebungstemperaturen mit einem Objektivgehäuse zur Lagefixierung in einer Mikroskopaufnahme und zur Positionierung von optischen Komponenten.
In der Mikroskopie erfolgt die Beobachtung von insbesondere lebenden Proben bei relativ hohen Temperaturen (warme Probe). Um dabei die Temperatur konstant zu halten wird dem Mikroskopobjektiv beispielsweise über eine Heizmanschette Wärme zugeführt. Die über das Mikroskopobjektiv abfließende Wärme wird dabei über das Heizelement wieder zugeführt um die Temperatur konstant zu halten. Ansonsten hätte dies zur Folge, dass sich die Fokuslage des Mikroskopobjektivs wegen der Temperaturveränderungen verändert und es so zu einer unscharfen Abbildung kommt.
US 3,343,018 beschreibt elektrische Objektivheizelemente, die beispielsweise in Form von Hülsen im Objektivgehäuse integriert sind.
Eine weitere bekannte Möglichkeit der Temperaturregelung erfolgt über einen erwärmten oder gekühlten Luftstrom, der innerhalb eines geschlossenen Systems (Inkubator) auf dem Mikroskop an der Probe vorbeistreicht und zusammen mit dem heizbaren beziehungsweise kühlbaren Mikroskoptisch oder einem Heizeinsatz beziehungsweise einem Kühleinsatz die nötige Temperatur der Probe zuführt.
Problematisch ist die Beobachtung von Proben bei sich ständig verändernden Umgebungstemperaturen, da die Fokusposition des Mikroskopobjektivs ständig korrigiert werden muss.
In EP1319968A2 wird beispielsweise ein Mikroskopobjektiv beschrieben, bei welchem die optischen Komponenten innerhalb des Mikroskopgehäuses motorisch verschiebbar angeordnet sind, so dass sich Fokusänderungen entsprechend korrigieren lassen.
Nachteilig hierbei ist jedoch, dass der anordnungstechnische Aufwand zur Erfassung der Fokuslageänderung durch beispielsweise aufwendige elektrooptische Regelkreise und die Lagekorrektur sehr hoch ist.
Ausgehend von diesem Nachteil liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Mikroskopobjektiv dahingehend weiter zu bilden, dass ohne zusätzlichen gerätetechnischen Aufwand die Fokuslage bei unterschiedlichen Temperaturen im Probenraum unverändert bleibt.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Mikroskopobjektiv der eingangs beschriebenen Art durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst, wobei das Objektivgehäuse aus einer in der Mikroskopaufnahme fest fixierten Außenhülse und einer axial in der Außenhülse bei thermischen Veränderungen geführten, die optischen Komponenten tragenden Innenhülse besteht und mindestens ein Element vorgesehen ist, welches eine temperaturbedingte axiale Lageveränderung der Innenhülse in und zu der Außenhülse kompensiert.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen 2 bis 13 angegeben.
Das Element zur Kompensation der Lageveränderung der Innenhülse befindet sich dabei zwischen einer in Richtung der Probe orientierten Kontur der Innenhülse und einer zugeordneten Anschlagfläche der Außenhülse. Es ist in seiner Länge und seinem Ausdehnungskoeffizienten so ausgelegt, dass sich die Ausdehnungen von Außen- und Innenhülse sowie die temperaturbedingten optischen Fokusveränderungen kompensieren.
In Abhängigkeit von der Temperatur im Probenraum verändert dieses Element, beispielsweise bei Temperaturerhöhung seine Dicke (Dickenwachstum) und schiebt die Innenhülse in die Außenhülse, so dass dadurch die ebenfalls temperaturbedingten Längenausdehnungen von Außenhülse und Innenhülse kompensiert werden. Der Fokusabstand bleibt unverändert. Sogar die Fokusänderung, die durch die thermische Veränderung der Parameter der optischen Komponenten sowie deren Abstände zueinander auftritt, wird dadurch kompensiert. Je nach Design und Auswahl der Luftabstände sind somit auch Aberrationen, die durch die inneren Temperatureffekte entstehen, kompensierbar. Neben diesen Möglichkeiten lassen sich weitere, durch Temperaturveränderungen hervorgerufene, innerer Effekte kompensieren, wie beispielsweise Brechzahlveränderungen der verwendeten Gläser oder der gegebenenfalls eingesetzten Immersionsflüssigkeiten. Auch die Kompensation der Veränderungen der optischen Übertragungseigenschaften durch Radien- oder Dickenveränderungen der Elemente ist denkbar.
Zum Zwecke der Sicherstellung der axialen Spielfreiheit der Innenhülse in der Außenhülse befindet sich vorteilhafterweise zwischen einer in Richtung der Mikroskopaufnahme orientierten Kontur der Innenhülse und einer zugeordneten Anschlagfläche der Außenhülse ein Druckelement, welches einen ständigen Kraftschluss in jeder axialen Position der Innenhülse mit der Außenhülse gewährleistet.
Durch die angeformten Konturen an der Außenwandung der Innenhülse und die zugeordneten Anschlagflächen an der Außenhülse ist die axiale Bewegung der Innenhülse und somit auch die der optischen Komponenten begrenzt.
Vorteilhafterweise besteht das Element zur Kompensation der temperaturbedingten axialen Lageveränderung aus Kunststoff oder aus Cadmium, da diese Materialien einen höheren thermischen Ausdehnungskoeffizienten als die üblicherweise für die Außen- und Innenhülse verwendeten Materialen, wie beispielsweise Messing oder (Invar-)Stahl haben. Dieses muss so ausgelegt sein, dass seine Längenausdehnung proportional zur Temperaturänderung erfolgt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann das Element zur Kompensation der temperaturbedingten axialen Lageveränderung auch als ein sich wölbendes Bimetallelement ausgebildet sein. Damit kann eine relativ große Führungslänge der Innenhülse in der Außenhülse realisiert werden. Ferner ist eine gute Zentrierung zwischen den beiden Mechanikkomponenten gegeben.
Es ist auch eine Ausgestaltungsform denkbar, bei der das Element zur Kompensation der temperaturbedingten axialen Lageveränderung ein thermisches Stellelement ist, welches aus einem Material mit Formgedächtnis, wie beispielsweise aus NiTi besteht.
Darüber hinaus sind auch elektromechanische Stellelemente, wie beispielsweise piezokeramische Komponenten, Mikroaktoren u. a. oder pneumatische beziehungsweise Hydraulische Stellelemente denkbar, die den Abstand zwischen den Konturen der Innenhülse und den zugeordneten Anschlagflächen der Außenhülse in Abhängigkeit von der Temperatur verändern. Dies bedarf allerdings der Anordnung zusätzlicher Sensoren zur Temperaturerfassung.
Zur Fixierung der axialen Lage der Innenhülse in der Außenhülse ist zweckmäßigerweise zwischen der in Richtung der Mikroskopaufnahme orientierten Kontur der Innenhülse und der zugeordneten Anschlagfläche der Außenhülse ein Druckelement, beispielsweise in Form einer Druckfeder vorgesehen, welches einen ständigen Kraftschluss in jeder axialen Position der Innenhülse in der Außenhülse realisiert, da dieses Element der Bewegung der Innenhülse in die Außenhülse hinein entgegenwirkt.
Die axiale Lage der optischen Komponenten zueinander wird durch eine in der Innenhülse angeordnete Abstandshülse definiert.
Durch das erfindungsgemäß gestaltete Mikroskopobjektiv ist es auf relativ einfache Art und Weise möglich, dass sich bei Temperaturänderungen eine zu betrachtende Probe immer im Fokus des Objektivs befindet.
Das erfindungsgemäße Mikroskopobjektiv soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.
Die dazugehörende Figur zeigt die vereinfachte Darstellung des Mikroskopobjektivs mit einer zur Aufnahme in ein nicht näher dargestelltes Mikroskop vorgesehenen Außenhülse 1, in welcher sich eine axial bewegliche Innenhülse 2 befindet. In der Innenhülse 2 befinden sich die optischen Komponenten, bestehend aus einer Linse 3 (Frontlinse) und einer weiteren Linse 4, wobei die Lage der Linsen 3 und 4 zueinander durch eine Abstandshülse 5 definiert ist. Über einen Vorschraubring 6 werden beide Linsen 1 und 2 in der Innenhülse 2 fixiert.
Die axiale Bewegung der Innenhülse 2 wird dabei beidseitig über an ihrer Außenwandung angeformte Konturen 7 und 8, die gegen zugeordnete Anschlagflächen 9 und 10 in der Außenhülse 1 wirken, begrenzt.
Zwischen der in Richtung einer zu betrachtenden Probe 11 orientierten Kontur 7 der Innenhülse 2 und der zugeordneten Anschlagfläche 9 der Außenhülse 1 befindet sich ein ringförmiges, aus einem Kunststoffmaterial bestehendes, Element 12, welches zur Kompensation der temperaturbedingten axialen Lageveränderungen der Außenhülse 1 sowie der Innenhülse 2 vorgesehen ist.
Zur Lagefixierung der Innenhülse 2 in der Außenhülse 1 ist zwischen der in Richtung der Mikroskopaufnahme orientierten Kontur 8 der Innenhülse 2 und der zugeordneten Anschlagfläche 10 der Außenhülse 1 eine Druckfeder 13 angeordnet. Die Druckfeder 13 gewährleistet einen ständigen Kraftschluss in jeder axialen Position der Innenhülse 2 in der Außenhülse 1.
Erhöht sich die Temperatur in der Umgebung einer Probe 11 kommt es auf Grund der thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Materialien der Außenhülse 1 und der Innenhülse 2 aus Messing oder (Ivar-)Stahl zu Längenzunahmen beider Elemente. Dies hätte ohne die erfindungsgemäße Gestaltung des Mikroskopobjektivs zur Folge, dass sich der Fokusabstand FL verringert und somit das Bild der Probe 11 unscharf wird. Diesen Effekt wird durch den im Objektiv angeordneten Kunststoffring 12 entgegengewirkt. Da der Kunststoffring 12 sich dieser bei Erhöhung der Temperatur ebenfalls ausdehnt schiebt er die Innenhülse 2 und somit auch die optischen Komponenten in Form der Linsen 3 und 4 definiert in die Außenhülse 1 und kompensiert damit die Längenveränderungen der Außenhülse 1 und der Innenhülse 2. FL bleibt somit konstant. Entscheidend hierbei ist, dass der thermische Ausdehnungskoeffizient des Kunststoffringes 12 größer ist, als der der Außenhülse 1 und der Innenhülse 2. Bei Senkung der Temperaturen im Probenbereich wäre die Verschiebung der Innenhülse 2 in der Außenhülse 1 genau gegenläufig um den Fokusabstand FL konstant zu halten. Aufwendige elektrooptische Regelkreise zur Nachfokussierung sind damit nicht erforderlich.

1: Außenhülse
2: Innenhülse
3, 4: Linse
5: Abstandshülse
6: Vorschraubring
7, 8: Kontur
9, 10: Anschlagfläche
11: Probe
12: ringförmiges Element
13: Druckfeder
FL: Fokusabstand

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 3343018 [0003]
- EP 1319968 A2 [0006]

Claims

Mikroskopobjektiv, bevorzugt zur Untersuchung von Proben bei unterschiedlichen Umgebungstemperaturen mit einem Objektivgehäuse zur Lagefixierung in einer Mikroskopaufnahme und zur Positionierung von optischen Komponenten, dadurch gekennzeichnet, dass das Objektivgehäuse aus einer in der Mikroskopaufnahme fest fixierten Außenhülse (1) und einer axial in der Außenhülse (1) bei thermischen Veränderungen geführten, die optischen Komponenten (1, 2) tragenden Innenhülse (2) besteht und mindestens ein Element (12) vorgesehen ist, welches eine temperaturbedingte axiale Lageveränderung der Innenhülse (1) in der Außenhülse (2) kompensiert.
Mikroskopobjektiv nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Bewegung der Innenhülse (2) beidseitig über an ihrer Außenwandung angeformte Konturen (7, 8) die gegen Anschlagflächen (9, 10) in der Außenhülse (1) wirken, begrenzt ist.
Mikroskopobjektiv nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Element (12) zur Kompensation der temperaturbedingten axialen Lageveränderung der Innenhülse (2) zwischen der in Richtung einer zu beobachtenden Probe (11) orientierten Kontur (7) der Innenhülse (2) und der zugeordneten Anschlagfläche (9) der Außenhülse (1) angeordnet ist.
Mikroskopobjektiv nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Element (12) zur Kompensation der temperaturbedingten axialen Lageveränderung einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten besitzt, der größer ist, als die thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Materialien der Außen- (1) und der Innenhülse (2).
Mikroskopobjektiv nach den Ansprüchen 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Element (12) zur Kompensation der temperaturbedingten axialen Lageveränderung aus Kunststoff besteht.
Mikroskopobjektiv nach den Ansprüchen 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Element (12) zur Kompensation der temperaturbedingten axialen Lageveränderung aus Cadmium besteht.
Mikroskopobjektiv nach den Ansprüchen 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Element (12) zur Kompensation der temperaturbedingten axialen Lageveränderung ein in der Form veränderbares Bimetallelement ist.
Mikroskopobjektiv nach den Ansprüchen 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Element (12) zur Kompensation der temperaturbedingten axialen Lageveränderung ein thermisches Stellelement ist.
Mikroskopobjektiv nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das thermische Stellelement aus einem Material mit Formgedächtnis (Shape-Memory Effekt) besteht.
Mikroskopobjektiv nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Material mit Formgedächtnis eine NiTi Legierung mit einer Längenausdehnung proportional zur Temperaturerhöhung ist.
Mikroskopobjektiv nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der in Richtung der Mikroskopaufnahme orientierten Kontur (8) der Innenhülse (2) und der zugeordneten Anschlagfläche (10) der Außenhülse (1) ein Element vorgesehen ist, welches einen ständigen Kraftschluss in jeder axialen Position der Innenhülse (2) in der Außenhülse (3) realisiert.
Mikroskopobjektiv nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Element zur Erzeugung des Kraftschlusses eine Druckfeder (12) ist.
Mikroskopobjektiv nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Lage der optischen Komponenten (3, 4) zueinander durch eine in der Innenhülse (2) angeordnete Abstandshülse (5) definiert ist.