DE102011109783B4

DE102011109783B4 - "Apochromatisches Tauchobjektiv"

Info

Publication number: DE102011109783B4
Application number: DE102011109783.3A
Authority: DE
Inventors: Rolf Wartmann
Original assignee: Carl Zeiss Microscopy GmbH
Current assignee: Carl Zeiss Microscopy GmbH
Priority date: 2011-08-05
Filing date: 2011-08-05
Publication date: 2020-02-20
Anticipated expiration: 2031-08-06
Also published as: DE102011109783A1

Abstract

Apochromatisches Tauchobjektiv für hochauflösende Mikroskopieanwendungen in Wasserimmersion, welches aus mehreren Linsen und/oder Linsengruppen umfassenden Teilsystemen zusammengesetzt ist und dem eine Tubuseinheit bildseitig nachgeordnet ist, gekennzeichnet dadurch, dass ausgehend von der Objektebene (OE) fünf Teilsysteme (T1,T2,T3,T4,T5) vorhanden sind, wobei- das erste Teilsystem (T1) aus einem Dreifachkittglied mit den Linsen (L1,L2,L3) besteht, welches die Form eines zur Objektebene (OE) hin durchgebogenen Meniskus aufweist und ein Objekt mit einem Vergrößerungsfaktor von 2.0 bis 2.1 abbildet, wobei die mittlere Linse (L2) eine Brechkraft von -1.5f bis -1.6f hat,- das zweite Teilsystem (T2) zwei Sammellinsen (L4,L5) umfasst, die eine Brechkraft von 0.21f bis 0.27f haben und wobei die Dicke der zweiten Sammellinse (L5) 1.4/f beträgt,- das dritte Teilsystem (T3) aus einem Dreifachkittglied und einem Zweifachkittglied besteht, wobei das nahezu brechkraftlose Dreifachkittglied eine Zerstreunungslinse (L7) besitzt, die von zwei Sammellinsen (L6,L8) eingefasst ist, das Zweifachkittglied eine Sammellinse (L9) und eine Zerstreuungslinse (L10) umfasst und eine Brechkraft von -0.05f bis -O.lf hat,- das vierte Teilsystem (T4) aus zwei Menisken besteht, deren hohle Flächen einander zugewandt sind, wobei der erste Meniskus eine nahezu brechkraftlose Einzellinse (Lll)ist und der zweite Meniskus ein durch die Linsen (L12,L13) charakterisiertes Zweifachkittglied mitnegativer Brechkraft ist, deren Betrag etwa 1/3f ist und- das fünfte Teilsystem (T5) aus einer Sammellinse (L14), deren Brechkraft etwa 0.19f bis 2.2f ist, besteht und wobei- f die Brechkraft des Tauchobjektivs ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein apochromatisches Tauchobjektiv für hochauflösende Mikroskopieanwendungen in einer Wasserimmersion, welches aus mehreren Linsen und/oder Linsengruppen umfassenden Teilsystemen zusammengesetzt ist und dem eine Tubuseinheit bildseitig nachgeordnet ist.
Tauchobjektive werden insbesondere zur mikroskopischen Untersuchung lebender Objekte in einer Wasserimmersion eingesetzt. Sie zeichnen sich durch einen großen Arbeitsabstand mit einer sehr gute Zugänglichkeit der Probe und einer großen numerischen Apertur aus. Um einen häufigen Objektivwechsel zu vermeiden, sollten Tauchobjektive möglichst große Felder abbilden.
Ein Hauptanwendungsgebiet der Tauchobjektive sind mikroskopische Untersuchungen an Hirnschnitten. Auf diesen Gebieten dominieren Untersuchungen mit infrarotem und visuellem Licht, wobei numerische Aperturen von bis zu 1.0 mm erreicht werden. Ferner sind Lösungen bekannt, die Felder bis zu 1.15 mm abbilden.
Moderne Trends in der Mikroskopie zeigen, dass auch das ultraviolette Spektrum (UV) für die Untersuchung lebender Objekte an Bedeutung gewinnt. Besonders interessant sind hierbei konfokale Anwendungen im UV Bereich. Hierfür sind die bekannten Tauchobjektive nicht einsetzbar.
Die DE 10 2005 027 423 Al betrifft ein apochromatisch korrigiertes Mikroskopobjektiv, jedoch nur für relativ geringe Arbeitsabstände. Die US 2001/0033425 A1 offenbart eine Objektivlinse mit zwei Linseneinheiten, die jeweils mit einer Vielzahl von Einzellinsen aufgebaut sind, um chromatische Aberrationen zu korrigieren. Auch in dieser Schrift können nur kleine Arbeitsabstände verwirklicht werden.
Ausgehend von den Nachteilen der Lösung des Standes der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein apochromatisches Tauchobjektiv für Wasserimmersion dahingehend weiter zu entwickeln, dass bei einer numerischen Apertur von mindestens 1.0 das Objektiv von 365 nm bis 1000 nm insbesondere parfokal korrigiert ist, der Arbeitsabstand mindestens 2.4 mm beträgt und ein abgebildetes Feld mindestens 1.15 mm groß ist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Tauchobjektiv der eingangs beschriebenen Art durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen 2 bis 7 angegeben.
Das Tauchobjektiv besteht aus fünf Teilsystemen, wobei ausgehend von der Objektebene (OE) das

- erste Teilsystem aus einem Dreifachkittglied mit drei Linsen besteht, welches die Form eines zur Objektebene (OE) hin durchgebogenen Meniskus aufweist und ein Objekt mit einem Vergrößerungsfaktor von 2.0 bis 2.1 abbildet, wobei die mittlere Linse eine Brechkraft von -1.5f bis -1.6f hat,
- das zweite Teilsystem zwei Sammellinsen umfasst, die eine Brechkraft von 0.21f bis 0.27f haben und wobei die Dicke der zweiten Sammellinse 1.4/f beträgt,
- das dritte Teilsystem aus einem Dreifachkittglied und einem Zweifachkittglied besteht, wobei das nahezu brechkraftlose Dreifachkittglied eine Zerstreunungslinse besitzt, die von zwei Sammellinsen eingefasst ist, das Zweifachkittglied eine Sammellinse und eine Zerstreuungslinse umfasst sowie eine Brechkraft von -0.05f bis -O.lf hat,
- das vierte Teilsystem aus zwei Menisken besteht, deren hohle Flächen einander zugewandt sind, wobei der erste Meniskus eine nahezu brechkraftlose Einzellinse ist und der zweite Meniskus ein durch zwei Linsen charakterisiertes Zweifachkittglied mit negativer Brechkraft ist, deren Betrag etwa 1/3f ist und
- das fünfte Teilsystem aus einer Sammellinse, deren Brechkraft etwa 0.19f bis 2.2f beträgt, besteht.

f ist hierbei die Brechkraft des Tauchobjektivs.
Bedingt durch den erfindungsgemäßen Aufbau des Tauchobjektivs sind konfokale Anwendungen im Spektralbereich von 340 nm bis 1000 nm, das heißt, auch im UV Bereich möglich. Der relativ große Arbeitsabstand von mindestens 2.4 mm und der damit realisierte große Freiraum um das Objektiv herum ermöglichen den Einsatz von mehreren Mikropipetten über beispielsweise Mikromanipulatoren.
Bei einem abgebildeten Feld von mindestens 1.15 mm ist eine Fluoreszenzanregung auch bei 340 nm möglich.
In einer vorteilhaften Ausgestaltungsvariante sind die Sammellinsen des zweiten Teilsystems und die Sammellinse vom Zweifachkittglied des dritten Teilsystems aus einem Fluorkronglas oder aus CaF2 gefertigt.
Vorteilhafterweise besteht dabei die Zerstreuungslinse vom Zweifachkittglied des dritten Teilsystems aus einem Kurzflintglas.
Besonders von Vorteil ist, dass die Anordnung der beiden Komponenten (Dreifachkittglied und Zweifachkittglied) des dritten Teilsystems ausgehend von der Objektebene beliebig (vertauschbar) ist.
Zweckmäßigerweise besteht die Sammellinse (L14) des fünften Teilsystems aus einem höherdispersiven Glas.
Das erfindungsgemäße Tauchobjektiv soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Dazu zeigen:

1 eine Darstellung der Teilsysteme des erfindungsgemäßen Tauchobjektivs und
2 eine Darstellung des erfindungsgemäßen Tauchobjektivs mit Konstruktionsdatenbezugszeichen.

1 zeigt die Linsenanordnung der fünf optischen Teilsysteme, von der Objektebene OE aus betrachtet mit T1, T2, T3, T4 und T5 bezeichnet.
Das erste Teilsystem T1 besteht aus einem Dreifachkittglied mit den Linsen (L1,L2,L3), welches die Form eines zur Objektebene OE hin durchgebogenen Meniskus aufweist und ein Objekt mit einem Vergrößerungsfaktor von 2.0 bis 2.1 abbildet, wobei die mittlere Linse L2 eine Brechkraft von -1.5f bis -1.6f hat.
Das zweite Teilsystem T2 umfasst zwei Sammellinsen L4,L5 aus einem Fluorkronglas oder aus Caf2 gefertigt, die eine Brechkraft von 0.21f bis 0.27f haben, wobei die Dicke der zweiten Sammellinse L5 1.4/f beträgt. Hierbei ist f wiederum die Objektivbrechkraft.
Das dritte Teilsystem T3 besteht aus einem Dreifachkittglied und einem Zweifachkittglied, wobei das nahezu brechkraftlose Dreifachkittglied eine aus einem Kurzflintglas gefertigte Zerstreunungslinse L7 besitzt, die von zwei Sammellinsen L6,L8 aus einem Fluorkronglas oder aus CaF2 eingefasst ist, das Zweifachkittglied eine Sammellinse L9 und eine aus einem Kurzflintglas gefertigte Zerstreuungslinse L10 umfasst und eine Brechkraft von -0.05f bis -0.1f hat, wobei die Sammellinse L9 ebenfalls aus einem Fluorkronglas oder aus Caf2 gefertigt ist.
Das vierte Teilsystem T4 hat zwei Menisken, deren hohle Flächen einander zugewandt sind, wobei der erste Meniskus eine nahezu brechkraftlose Einzellinse L11 ist und der zweite Meniskus ein durch die Linsen L12,L13 charakterisiertes Zweifachkittglied mit negativer Brechkraft ist, deren Betrag etwa 1/3f entspricht. F ist auch hier die Brechkraft des Objektivs.
Das fünfte Teilsystem T5 besteht aus einer Sammellinse L14, deren f etwa 0.19f bis 2.2f beträgt.
2 zeigt die gleiche Linsenanordnung mit Angabe der einzelnen Krümmungsradien r1 bis r22 und Dicken/Luftabstände d1 bis d21 unter Bezugnahme auf die im folgenden Ausführungsbeispiel angegebenen Konstruktionsdaten.

Bei Verwendung einer Wasserimmersion, einer Vergrößerung von 20 fach, einem Arbeitsabstand von 2.4 mm, einer numerischen Apertur von 1.0 und einem abgebildeten Feld von 1.15 mm ergeben sich folgende Konstruktionsdaten für das Tauchobjektiv, wobei r1 bis r22 die Krümmungsradien in mm, d1 bis d21 die Dicken, beziehungsweise Luftabstände in mm, ve die Abbezahlen und ne die Brechzahlen sind:

Fläche FL1 - FL22	Krümmungsradius r1 - r22	Dicke d1 - d21	Brechzahl n_e	Abbezahl v_e
	(mm)	(mm)
			Wasserimmersion
1	-9.999	2.20	1.625	53.0
2	-3.599	2.41	1.888	40.5
3	-20.982	4.00	1.839	36.9
4	-8.176	0.40
5	-49.760	3.80	1.530	76.6
6	-14.539	0.10
7	18.040	11.85	1.440	94.6
8	-53.471	0.37
9	29.006	6.29	1.530	76.6
10	-16.549	1.50	1.641	42.2
11	10.592	6.50	1.440	94.6
12	-36.781	0.10
13	11.380	6.70	1.440	94.6
14	-16.668	1.60	1.641	42.2
15	12.958	0.10
16	7.717	4.95	1.758	52.1
17	4.940	6.04
18	-5.745	1.30	1.525	59.2
19	10.667	8.05	1.530	76.6
20	-15.396	0.43
21	-29.853	3.20	1.551	45.5
22	-13.143

Eine entsprechende Tubuslinseneinheit, welche dem Teilsystem T5 des Tauchobjektivs bildseitig nachgeordnet ist, wird in 3, dargestellt. Diese besteht aus einem Zweifachkittglied Z1, einem Zweifachkittglied Z2 und einem optischen Element Z3. Die Konstruktionsdaten der Tubuslinseneinheit mit den Krümmungsradien r1T bis r9T in mm, der Dicken, beziehungsweise Luftabstände d0T bis d8T in mm, der Abbezahlen ve und der Brechzahlen ne sind in der folgenden Tabelle aufgeführt:

Fläche FL1T - FL9T	Krümmungsradius r1T - r9T	Dicke d0T- d8T	Brechzahl ne	Abbezahl v_e
Fläche FL1T - FL9T	(mm)	(mm)
		107.32
1	45.645	8.00	1.571	55.7
2	-67.313	4.50	1.723	29.3
3	45.316	20.20
4	143.283	14.60	1.597	35.0
5	-34.229	6.30	1.519	64.0
6	-137.263	63.36
7	unendlich	80.00	1.519	64.0
8	unendlich	48.20
9	Zwischenbildebene ZBE

Bezugszeichenliste

T1,T2,T3,T4,T5: Teilsystem
L1 bis L14: Linse
d1 bis d21: Dicke/Luftabstand (Tauchobjektiv)
d0T bis d8T: Dicke/Luftabstand (Tubuslinseneinheit)
r1 bis r9: Krümmungsradius (Tauchobjektiv)
r1T bis r8T: Krümmungsradius (Tubuslinseneinheit)
FL1 bis FL22: Fläche (Tauchobjektiv)
F11T bis FL9T: Fläche (Tubuslinseneinheit)
ne: Brechzahl
ve: Abbezahl
OE: Objektebene
ZBE: Zwischenbildebene
Z1, Z2: Zweifachkittglied
Z3: optisches Element
f: Brechkraft des Tauchobjektivs

Claims

Apochromatisches Tauchobjektiv für hochauflösende Mikroskopieanwendungen in Wasserimmersion, welches aus mehreren Linsen und/oder Linsengruppen umfassenden Teilsystemen zusammengesetzt ist und dem eine Tubuseinheit bildseitig nachgeordnet ist, gekennzeichnet dadurch, dass ausgehend von der Objektebene (OE) fünf Teilsysteme (T1,T2,T3,T4,T5) vorhanden sind, wobei - das erste Teilsystem (T1) aus einem Dreifachkittglied mit den Linsen (L1,L2,L3) besteht, welches die Form eines zur Objektebene (OE) hin durchgebogenen Meniskus aufweist und ein Objekt mit einem Vergrößerungsfaktor von 2.0 bis 2.1 abbildet, wobei die mittlere Linse (L2) eine Brechkraft von -1.5f bis -1.6f hat, - das zweite Teilsystem (T2) zwei Sammellinsen (L4,L5) umfasst, die eine Brechkraft von 0.21f bis 0.27f haben und wobei die Dicke der zweiten Sammellinse (L5) 1.4/f beträgt, - das dritte Teilsystem (T3) aus einem Dreifachkittglied und einem Zweifachkittglied besteht, wobei das nahezu brechkraftlose Dreifachkittglied eine Zerstreunungslinse (L7) besitzt, die von zwei Sammellinsen (L6,L8) eingefasst ist, das Zweifachkittglied eine Sammellinse (L9) und eine Zerstreuungslinse (L10) umfasst und eine Brechkraft von -0.05f bis -O.lf hat, - das vierte Teilsystem (T4) aus zwei Menisken besteht, deren hohle Flächen einander zugewandt sind, wobei der erste Meniskus eine nahezu brechkraftlose Einzellinse (Lll)ist und der zweite Meniskus ein durch die Linsen (L12,L13) charakterisiertes Zweifachkittglied mitnegativer Brechkraft ist, deren Betrag etwa 1/3f ist und - das fünfte Teilsystem (T5) aus einer Sammellinse (L14), deren Brechkraft etwa 0.19f bis 2.2f ist, besteht und wobei - f die Brechkraft des Tauchobjektivs ist.
Apochromatisches Tauchobjektiv nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sammellinsen (L4,L5) des zweiten Teilsystems (T2), die Sammellinsen (L6,L8) vom Dreifachkittglied und die Sammellinse (L9) vom Zweifachkittglied des dritten Teilsystems (T3) aus einem Fluorkronglas gefertigt sind.
Apochromatisches Tauchobjektiv nach Anspruch 1, dass die Sammellinsen (L4,L5) des zweiten Teilsystems (T2), die Sammellinsen (L6,L8) und die Sammellinse (L9) vom Zweifachkittglied des dritten Teilsystems (T3) aus Caf2 gefertigt sind.
Apochromatisches Tauchobjektiv nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zerstreuungslinse (L10) vom Zweifachkittglied des dritten Teilsystems (T3) aus einem Kurzflintglas besteht.
Apochromatisches Tauchobjektiv nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Dreifachkittglied und Zweifachkittglied des dritten Teilsystems (T3) vertauschbar ist.
Apochromatisches Tauchobjektiv nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sammellinse (L14) des fünften Teilsystems(T5) aus einem höherdispersiven Glas besteht.
Apochromatisches Tauchobjektiv nach den Ansprüchen 1 bis 4, gekennzeichnet durch folgende Konstruktionsdaten mit Krümmungsradien r in mm, Dicken d in mm, Brechzahlen ne, Abbezahlen ve und der Verwendung einer Wasserimmersion bei einer Vergrößerung von 20, einem Arbeitsabstand von mindestens 2.4 mm, einer numerischen Apertur von mindestens 1.0 und einem abgebildeten Feld von mindestens 1.15 mm: Fläche FL1 - FL22 Krümmungsradius r1 - r22 Dicke d1 - d21 Brechzahl n_e Abbezahl v_e (mm) (mm) Wasserimmersion 1 -9.999 2.20 1.625 53.0 2 -3.599 2.41 1.888 40.5 3 -20.982 4.00 1.839 36.9 4 -8.176 0.40 5 -49.760 3.80 1.530 76.6 6 -14.539 0.10 7 18.040 11.85 1.440 94.6 8 -53.471 0.37 9 29.006 6.29 1.530 76.6 10 -16.549 1.50 1.641 42.2 11 10.592 6.50 1.440 94.6 12 -36.781 0.10 13 11.380 6.70 1.440 94.6 14 -16.668 1.60 1.641 42.2 15 12.958 0.10 16 7.717 4.95 1.758 52.1 17 4.940 6.04 18 -5.745 1.30 1.525 59.2 19 10.667 8.05 1.530 76.6 20 -15.396 0.43 21 -29.853 3.20 1.551 45.5 22 -13.143

mit folgenden Konstruktionsdaten der Tubuslinseneinheit, wobei r1T bis r9T die Krümmungsradien in mm und d0T bis d8T die Dicken, beziehungsweise Luftabstände in mm sind: Fläche FL1T - FL9T Krümmungsradius r1T - r9T Dicke d0T- d8T Brechzahl n_e Abbezahl v_e (mm) (mm) 107.32 1 45.645 8.00 1.571 55.7 2 -67.313 4.50 1.723 29.3 3 45.316 20.20 4 143.283 14.60 1.597 35.0 5 -34.229 6.30 1.519 64.0 6 -137.263 63.36 7 unendlich 80.00 1.519 64.0 8 unendlich 48.20 9 Zwischenbildebene ZBE