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Die Erfindung bezieht sich auf aberrationskorrigiertes Mikroskop, das ein Mikroskapobjektiv zum Abbilden eines Objektes in einem Mikroskopstrahlengang längs einer optischen Achse und ein Aberrationen korrigierendes Korrekturelement aufweist.
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In Mikroskopen treten bekannterweise sphärische Aberrationen auf, unter anderem durch variierende Brechzahlen der Objekte oder variierende Dicken eines das Objekt abdeckenden Deckglases. Es ist bekannt, sphärische Aberrationen durch Eingriffe im Objektiv manuell zu korrigieren. Diese Eingriffe sind jedoch für einen automatischen Betrieb des Mikroskops in der Regel nicht geeignet. Zwar könnte man daran denken, den mechanischen Eingriff am Objektiv mit einem entsprechenden Antrieb auszurüsten, jedoch müssen dabei hochgenaue Mechaniken auf engstem Raum innerhalb des Mikroskopobjektives untergebracht werden. Darüber hinaus müßte dann jedes Objektiv korrigiert werden, was wiederum Aufwand mit sich bringt.
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Es sind deshalb im Stand der Technik Ansätze bekannt, die Korrektur außerhalb des Objektives vorzunehmen. So beschreibt beispielweise die
EP 0859259 A2 eine Zoomgruppe aus mehreren sphärischen Flächen, die zwischen dem Mikroskopobjektiv und der Tubuslinse des Mikroskops angeordnet ist. Hierbei treten jedoch lange Lichtwege durch die Zoomgruppe auf, was zu weiteren Bildfeldfehlern führt.
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Die
DE 19782060 B4 zeigt ein Interferometer mit katadioptrischem Abbildungssystem mit erweitertem numerischem Aperturbereich. Die
DE 10049296 A1 offenbart eine optische Anordnung und ein Verfahren zur Ablenkung von Lichtstrahlen.
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Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Mikroskop anzugeben, das insbesondere hinsichtlich Aberrationen höherer Ordnungen aufwandsgering korrigiert werden kann. Darüber hinaus sollte die Korrektur applikationsabhängig einstellbar sein, um Aberrationen, welche durch die Probe oder deren Deckglas verursacht werden, korrigieren zu können.
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Die Aufgabe wird gelöst durch ein aberrationskorrigiertes Mikroskop, das ein Mikroskopobjektiv zum Abbilden eines Objektes in einen Mikroskopstrahlengang längs einer optischen Achse und ein Aberrationen korrigierendes Korrekturelement aufweist. Das Korrekturelement ist dem Mikroskopobjektiv in Abbildungsrichtung nachgeordnet und liegt nahe einer Austrittspupille des Mikroskopobjektivs. Das Korrekturelement umfaßt eine erste und eine zweite Platte, die jeweils zwei Platteflächen haben. Eine der Plattenflächen der ersten Platte hat die Oberflächentopographie eines ungeraden Polynoms mindestens 5. Ordnung. Eine Plattenfläche der zweiten Platte ist dazu komplementär ausgebildet. Diese Flächen sind also Asphären bestimmter Form.
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Die Anordnung in Nähe der Pupille erlaubt es, Bildfeldfehler klein zu halten. Besonders bevorzugt ist dazu eine Anordnung zwischen der Pupille und der Austrittslinse des Mikroskopobjektivs. Generell wird der Begriff „pupillennah” in dem Sinne verstanden, wie er in der
DE 10 2007 019 812 A1 , und dort in Absatz [0010], definiert ist.
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Unter „Aberrationen höherer Ordnung” werden dabei Wellenfrontverzerrungen mit mindestens r4-Abhängigkeit oder entsprechenden Zernike-Polynomen verstanden.
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Um eine einfachere Fertigung zu erreichen, ist es zweckmäßig, die den asphärisch geformten Plattenflächen gegenüberliegenden Plattenflächen plan auszubilden. Um Mehrfachreflexionen im Strahlengang gering zu halten, ist es zweckmäßig die Planflächen in einem Winkel, also nicht senkrecht, sondern schräg (jedoch nicht parallel) zur optischen Achse auszulegen.
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Das erfindungsgemäße Mikroskop kann besonders einfach applikationsabhängig zur Aberrationskorrektur eingestellt werden, wenn beide Platten mit einem Verstellantrieb ausgerüstet sind, der die Platten relativ zueinander verschiebt und von einem Steuergerät zum Einstellen der Aberrationskorrektur angesteuert ist. Beim Verschieben ist besonders darauf zu achten, daß der Schwerpunkt beider Platten auf der optischen Achse bleibt. Dies ist vorzugsweise dadurch zu erreichen, daß die Verschiebevektoren nur im Vorzeichen verschieden sind, d. h. gleicher Betrag und entgegengesetzte Richtung.
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Der Güte der Korrektur, insbesondere der angestrebten Korrektur höherer Aberrationsordnungen ist es zu bevorzugen, die Güte der Oberflächen der asphärischen Platenflächen besser als Lambda/10, bevorzugt gleich oder besser als Lambda/20 auszubilden, wobei Lambda die kürzeste im Mikroskopeingang verwendete Wellenlänge ist.
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Das erfindungsgemäße Mikroskop kommt mit einem einzigen Korrekturelement unabhängig vom aktuell verwendeten Mikroskopobjektiv aus. Solche Mikroskope sind üblicherweise mit Objektivwechslern versehen, die ein von mehreren Mikroskopobjektiven in den Mikroskopstrahlengang dringen. Ordnet man das Korrekturelement den Objektivwechslern nach, so wird es für alle mit dem Objektivwechsler in den Mikroskopstrahlengang bringbaren Mikroskopobjektive hinsichtlich der Aberrationskorrektur. Kombiniert man diese Ausgestaltung mit dem bereits erwähnten Verstellantrieb für die Platten, läßt sich in der Steuerung eines Steuergerätes automatisch die für das aktuell in den Mikroskopstrahlengang gebrachte Mikroskopobjektiv erforderliche Aberrationskorrektur einstellen, ohne daß der Benutzer hierzu tätig werden muß. Das Mikroskop kann zusätzlich mit einer Aperatur zur Bestimmung der Bildgüte ausgestattet werden. Dieses kann ein zusätzlicher Sensor, wie z. B. ein Wellenfrontsensor, sein oder auch (besser) aus dem Mikroskopbild selbst gewonnen werden. Mit dem Bewertungskriterium der Bildgüte kann die Aberrationskorrektur vorzugsweise in einer Rückkopplungsschleife selbstständig den Zustand der besten Schärfe am Mikroskop einstellen.
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Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in den angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung einsetzbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Nachfolgend wird die Erfindung beispielsweise anhand der beigefügten Zeichnungen, die auch erfindungswesentliche Merkmale offenbaren, noch näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine Schemadarstellung eines Mikroskopobjektives mit nachgeordnetem Korrekturelement,
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2 eine Schemadarstellung des Eingangs eines Mikroskops, in dem der Aufbau der 1 zur Anwendung kommt, und
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3 eine Schemadarstellung eines Korrekturelementes, das im Mikroskop der 2 verwendet ist.
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In 1 ist ein Mikroskopobjektiv 1 eines Mikroskops M gezeigt, das schematisch in 2 dargestellt ist. Das Mikroskopobjektiv 1 umfaßt eine Vielzahl von einzelnen Linsen, wie dies für solche Mikroskopobjektive bekannt ist.
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Im Mikroskop M bildet das Mikroskopobjektiv 1 eine Probe 2 ab, die sich unter einem Deckglas 3 befindet. Dabei trifft mit dem Mikroskopobjektiv 1 ein Tubus 4 zusammen, der eine Tubuslinse 5 umfaßt und mit der das Mikroskopobjektiv 1 die Probe 2 auf einen Detektor 6 abbildet. Die Abbildung auf einen Detektor ist dabei natürlich nur optional, selbstverständlich kann auch ein herkömmlicher Tubuseinblick verwendet werden.
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Nahe der Austrittslinse des Mikroskopobjektivs 1 ist ein Korrekturelement 7 angeordnet. Es befindet sich insbesondere nahe der Austrittspupille P des Mikroskopobjektivs 1, und bevorzugt zwischen der Ebene der Pupille P und der Austrittslinse des Mikroskopobjektivs.
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Das Korrekturelement 7 besteht aus zwei Platten 9 und 10, die mit einem Antrieb 8 ausgerüstet sind. Der Antrieb 8 ist wie der Detektor 6 mit einem Steuergerät C des Mikroskops M über nicht näher bezeichnete und in 2 gestrichelt eingezeichnete Leitungen verbunden.
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3 zeigt vergrößert das Korrekturelement 7. Dort ist zu erkennen, daß die Platten 9 und 10 an ihren einander zugeordneten Flächen asphärisch gekrümmt sind. Die Krümmung der asphärischen Oberfläche 10 entspricht dabei der Krümmung eines ungeraden Polynoms, und die asphärische Oberfläche 12 ist komplementär dazu ausgebildet.
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Zur Aberrationskorrektur werden die Platten 9 und 10 relativ zueinander verschoben, wie dies in 3 durch Doppelpfeile, welche eine Relativverschiebung 13 veranschaulichen, eingezeichnet ist. Dabei bewirkt eine Verschiebung längs einer Achse senkrecht zur optischen Achse A eine optische Korrektur in einer senkrecht zur Verschiebungsrichtung stehenden Achse. In 3 ist exemplarische eine Verschiebung in der x-Achse eingezeichnet und eine in 3 mit 14 bezeichnete Korrektur erfolgt dann in der senkrecht dazu stehenden Achse y.
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Sieht man vereinfacht die Polymerfunktion, der die Asphäre 11 und komplementär dazu auch die Asphäre 12 genügt, durch die Gleichung W(x, y) = ax3 + by3 als gegeben an, bestimmt das Maß der Relativverschiebung 13 nur die Höhe der Polynomfunktion a und b, nicht jedoch deren Form.
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Das Korrekturelement 7 hat jedoch eine komplexere Oberflächentopographie und manipuliert die Wellenfront, welche bei der Abbildung vom Objektiv 1 zur Tubuslinse 5 abgegeben wird. Durch entsprechende Wahl des Oberflächenpolynoms mit mindestens 5. Ordnung und Einstellung der Relativverschiebung 13 können nun für höhere Aberrationen Wellenfrontfehler, welche z. B. durch eine Fehlanordnung der Brechzahl der Probe 2 oder eine abweichende Dicke des Deckglases 3 entstehen, kompensiert werden.
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Zur Korrektur höherer Aberrationsordnungen ist es vorgesehen, daß die Oberflächentopographie nicht nur einer einfachen kubischen Form, d. h. einem Polynom ausschließlich dritter Ordnung, genügt, sondern daß das Polynom auch weitere ungerade Ordnungen bei der Oberflächentopographie berücksichtigt, insbesondere die fünfte Ordnung und vorzugsweise auch die erste Ordnung sowie gemischte Ordnungen, in denen einer der beiden Parameter (x oder y) in ungerader Potenz vorkommt. Besonders zweckmäßig kann dies dann erfolgen, wenn ein ungerades Oberflächenpolynom fünften Grades mit der Form f(x, y) = cx5x5 + cy5y5 + cx3x3 + cy3y3 + cx1x + cy1y + cx41x4y + cy41y4x + cx32x3y2 + cy32y3x2 + cx21x2y + cy21y2x verwendet wird.
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Die Parameter cxn und cyn bestimmen die Form der Wellenfront, welche durch das Korrekturelement 7 generiert wird. Die genauen Werte der Parameter werden durch eine numerische Anpassung bestimmt. Auch können noch höhergradige ungerade Polynome verwendet werden.
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Die asphärischen Flächen 11 und 12 sind vorzugsweise mit der Oberflächengüte lambda/20 ausgebildet, wobei mitunter auch lambda/10 genügen kann.
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Das Mikroskop M weist weiter einen Objektivwechsler 15 auf, der beispielsweise als bekannter Objektivrevolver ausgebildet sein kann. Wie der 2 zu entnehmen ist, befindet sich das Korrekturelement 7 zwischen dem Objektivwechsler 15 und der Tubuslinse 5. Damit kann es eine Aberrationskorrektur für alle Objektive leisten, welche vom Objektivwechsler in den Mikroskopstrahlengang des Mikroskops M eingebracht werden können.
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Bevorzugt ist der Objektivwechsler 15 mit einem Antrieb 8 versehen und wird ebenfalls vom Steuergerät C angesteuert.
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Im Steuergerät C ist dann ein Datenspeicher vorgesehen, in dem der Ansteuerzustand des Korrekturelementes 7 für verschiedene Mikroskopobjektive abgelegt ist. Das Steuergerät C kann dann automatisch das Korrekturelement 7 so ansteuern, daß seine Stellung zum aktuell wirksamen Mikroskopobjektiv 1 paßt. Optional kann ein Bildgütewert ermittelt und durch angesteuerte Verstellung des Korrekturelementes optimiert werden. Dazu kann eine Regelung, also eine Iteration verwendet werden.
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Die asphärischen Flächen 11 und 12 generieren eine rotationssymmetrische Wellenfront mit einer r2 Abhängigkeit – d. h. der Form einer Parabel. Dies wird erreicht, wenn die oben genannte Funktion, welche die Oberflächenform der Flächen 11 und 12 beschreibt, nur die Potenzen 1 und 3 enthält. Da die Wirkung der Asphären gleich der Ableitung der Funktion entspricht, folgt eine Wirkung in den Potenzen 0 und 2. (1 und r2) – dies ist die Wirkung einer Parabel oder des Zernike Koeffizienten Z4 welcher eine Fokussierung bzw. Defokussierung beschreibt.
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Die beschriebene Gestaltung der Asphären mit höheren ungeraden Potenzen als 3, 5 und 7 erreicht zur Korrektur rotationsymmetrischer Wellenfrontfehler höherer Ordnung, d. h. es werden Zemike-Koeffizienten Z9, Z16, Z25 (entsprechend der Wirkung r4, r6, ...) generiert.
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Die Auslegung der Oberflächenform geschieht in zwei Schritten:
- 1. Analytische Vorbestimmung und
- 2. Numerische Feinabstimmung
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Der Zweck des Korrekturelementes
7 ist die Korrektur eines Wellenfrontfehlers, welcher bei Hoch-NA-Objektiven z. B. durch eine Fehlanpassung des Objektes induziert wird (z. B. falsche Deckglasdicke oder falscher Brechungsindex der Probe). Der durch diese Fehlanpassung induzierte Wellenfrontfehler läßt sich analytisch durch die Sinus-Bedingung
- ρ:
- relativer Pupillenradius
- Δz:
- Defokus
- n:
- Brechzahl
- k:
- Wellenzahl
beschreiben.
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Die Wurzel läßt sich als Reihe entwickeln zu s = NA / n Φ(Δz, ρ, s) ≅ nkΔz(1 – 1 / 2s2ρ2 – 1 / 8s4ρ4 – 1 / 16s6ρ6 – ...)
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Hierbei beschreiben die einzelnen Terme der Reihenentwicklungen bekannte rotationssymmetrische Wellenfrontfehler:
- i. Exponent 0: Offset
- ii. Exponent 2: Defokus
- iii. Exponent 4: Sphärische Aberrationen
- iv. Exponent > 4: Sphärische Aberrationen höherer Ordnung
Diese Terme sind ähnlich den bekannten Zernike-Polynomen w(ρ, s) ≅ Z1 + Z4 + Z9 + Z16 + ... = (z1·1 + z4(2ρ2 – 1) + z9(6ρ4 – 6ρ2 + 1) + z16(20ρ6 – 30ρ4 + 12ρ2 – 1) + ....) – sie weichen nur im Vorfaktor ab. Folglich können diese in Beziehung gestellt werden. Dies ist hilfreich, weil optische Systeme üblicherweise mit Zernike-Polynomen beschrieben werden. Da das Korrekturelement 7 nur sphärische Wellenfrontfehler beheben soll, nicht jedoch eine Defokussierung, muß der Defokusterm nicht korrigiert werden – dies kann über eine Nachfokussierung im Mikroskop erfolgen. Im einfachsten Fall heißt das, daß der durch die letzte Gleichung beschriebene Wellenfrontfehler - a. durch Nachfokussieren hinsichtlich des Terms mit dem Exponenten 2 und
- b. mit dem Korrekturelement 7 hinsichtlich aller höheren Terme korrigiert wird.
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Folglich kann die Form der zu korrigierenden Wellenfront folgendermaßen beschrieben werden: s = NA / n Φ(Δz, ρ, s) ≅ nkΔz(– 1 / 8s4ρ4 – 1 / 16s6ρ6 – ...)
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Am folgenden Beispiel wird der Effekt nochmals erläutert. Der Phasenfehler eines Objektives vom Typ Zeiss Plan APO 63x NA = 1.2 beträgt bei einer Defokussierung um 50 μm in Wasser bis zu 40 μm. Das Nachfokussieren kann durch eine Subtraktion des Zemike-Koeffizienten Z4 von der Wellenfront beschrieben werden. Aus einem Koeffizientenvergleich der letzten beiden Gleichungen läßt sich der Faktor Z4 analytisch bestimmen. Diese Phasenfunktion muß durch das Korrekturelement 7 realisiert werden. Der Phasenhub von 5 μm ist deutlich geringer als der Gesamtphasenfehler – das kommt der Fertigbarkeit deutlich entgegen.
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Derart berücksichtigt man
- 1. den Einfluß höherer Ordnungen der Phasenfront durch Nachfokussieren,
- 2. eine Erhaltung der Symmetrie der Phasenfront bei Polynomen der Ordnungen > 3 durch entsprechende Optimierung der Mischterme (z. B. x3y2),
- 3. einen Farblängs- und Farbquertehler und
- 4. einen Bildfeldfehler.
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Eine Optimierung gibt für die erstgenannte Gleichung, welche die Asphäre beschreibt, z. B. die folgenden Parameter:
- • cx1 = –1.64e–6;
- • cy1 = cx1;
- • cx3 = 7.86e–4;
- • cx21 = –4.93e–7;
- • cy21 = cx21;
- • cy3 = cx3;
- • cx5 = 2.92e–7;
- • cx41 = –4.18e–8;
- • cx32 = 2.66e–7;
- • cy32 = cx32;
- • cy41 = cx41;
- • cy5 = cx5
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Mit diesem Design wird eine Performance (PSF) von 80% eines theoretisch idealen Objektives erreicht. Ohne eine Korrektur fällt der Wert bei einer Defokussierung um 50 μm auf ~30% ab.
