DE102013101711A1

DE102013101711A1 - Objektiv und optisches Beobachtungsgerät

Info

Publication number: DE102013101711A1
Application number: DE201310101711
Authority: DE
Inventors: Marco Pretorius
Original assignee: Carl Zeiss Microscopy GmbH
Current assignee: Carl Zeiss Microscopy GmbH
Priority date: 2013-02-21
Filing date: 2013-02-21
Publication date: 2014-08-21
Also published as: WO2014128119A1; US20160131900A1; US9964760B2

Abstract

Es wird ein Objektiv (1) mit einer ersten Linseneinheit (3), wenigstens einer zweiten Linseneinheit (5) und wenigstens einer Pupille (7) mit einem Pupillenradius zur Verfügung gestellt. Die erste Linseneinheit (3) und die zweite Linseneinheit (5) sind entlang einer optischen Achse (OA) des Objektivs beabstandet voneinander angeordnet, so dass zwischen der ersten Linseneinheit (3) und der zweiten Linseneinheit (5) ein Zwischenraum vorhanden ist. Dabei ist die zweite Linseneinheit (5) bildseitig zur ersten Linseneinheit (3) angeordnet. Die erste Linseneinheit (3) ist derart ausgestaltet, dass sie ein kollimiertes Strahlenbündel erzeugt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Objektiv mit einer ersten Linseneinheit, wenigstens einer zweiten Linseneinheit und einer Pupille. Daneben betrifft die Erfindung ein optisches Beobachtungsgerät.
Optische Beobachtungsgeräte wie etwa Mikroskope, Endoskope, etc. weisen typischerweise für die jeweiligen Einsatzzwecke optimierte Objektive auf. Das Hinzufügen eines weiteren optischen Elements in das Objektiv erfordert dabei in der Regel ein Neudesign des Objektivs. Dies führt dazu, dass derartige Objektive oft nur in einem engen Feld von Beobachtungsbedingungen optimal eingesetzt werden können, weil sie nicht flexibel an andere Beobachtungsbedingungen angepasst werden können.
Beispielsweise geht in der Mikroskopie mit hochaperturigen Objektiven wie etwa Immersionsobjektiven, bei denen ein Flüssigkeitsfilm zwischen dem Objektiv und dem die Probe bedeckenden Deckglas gebildet vorliegt, eine hohe laterale Auflösung mit einer geringen objektseitigen Schärfentiefe einher. Während die kleinste laterale auflösbare Struktur d_min bei beugungsbegrenzter Auflösung gemäß der Gleichung d_min ~ λ / NA bei einer Wellenlänge λ proportional zum Kehrwert der numerischen Apertur NA variiert, variiert die longitudinale Auflösung I, auch Schärfentiefe genannt, gemäß der Gleichung
proportional zum Kehrwert des Quadrats der numerischen Apertur. Die durch die letzte Gleichung für einen Wellenlänge λ gegebene Schärfentiefe wird auch Rayleigh-Länge oder Rayleigh-Einheit (RE) genannt. Wie aus den beiden Gleichungen ersichtlich ist, nimmt die nutzbare Schärfentiefe rasch ab, wenn die numerische Apertur (NA) zum Verbessern der lateralen Auflösung erhöht wird. Um bei der Mikroskopie dreidimensional ausgedehnter Probenbereiche, etwa ganze Zellen innerhalb natürlicher in eine physiologische Kochsalzlösung eingebetteter Gewebe oder Zellorganellen, Bildinformation des vollständigen Objektvolumens mit beugungsbegrenzter Auflösung erfassen zu können, ist es daher erforderlich, bis zu mehrere hundert sogenannter Z-Schnitte aufzunehmen. Ein Z-Schnitt stellt dabei eine Aufnahme hoher lateraler Auflösung in einer vorgegebenen Fokuslage, d. h. in einer bestimmten Tiefenlage des Objekts, dar. Aus den einzelnen Z-Schnitten kann ggf. mittels Bildverarbeitungsmethoden ein zweidimensionales Bild mit erhöhter Tiefenschärfe, das auf einen Bildanzeigegerät dargestellt werden kann, erzeugt werden. Die Fokuslagen der Z-Scans können dabei durch Umfokussieren des Mikroskops eingestellt werden.
Ein Umfokussieren des Mikroskops, bspw. durch Verstellen des Objekttisches relativ zum Mikroskop, induziert jedoch große Bildfehler am Mikroskopobjektiv, da das Objektiv für eine bestimmte Fokuslage optimiert ist. Ein Verändern der Objektivs derart, dass es für eine andere Fokuslage optimiert ist, erfordert in der Regel eine umfangreiche Änderung seiner optischen Komponenten.
Die beim Umfokussieren entstehenden Bildfehler lassen sich gedanklich unterteilen in Bildfehler, die bei einer mittleren Wellenlänge große aber vorherberechenbare Beträge aufweisen und in Bildfehler, die eine ebenfalls vorabberechenbare chromatische Abhängigkeit aufweisen. Beispiele für die erste Art von Bildfehlern sind verschiedene Ordnungen des Öffnungsfehlers, also verschiedene Ordnungen der sphärischen Aberration. Beispiele für die zweite Art von Bildfehlern sind insbesondere die chromatische Längsabweichung CHL als primäres, sekundäres und tertiäres Spektrum. In ähnlicher Weise werden Bildfehler induziert, wenn das Umfokussieren erfolgt, indem die Schnittweite des Objektives mit Hilfe einer internen Fokussierlinse verändert wird. In beiden Fällen verschlechtert sich die Abbildungsgüte bereits bei geringfügiger Änderung des Objektabstandes bzw. der Schnittweite drastisch. Eine geringfügige Änderung ist dabei bereits bei einer Änderung des Objektabstandes bzw. eine Änderung der Schnittweite von wenigen Rayleigh-Einheiten gegeben. Das Hinzufügen von Elementen, welche die Verschlechterung der Abbildungsgüte kompensieren könnten erfordert jedoch eine umfangreiche Änderung im Optikdesign des Objektivs.
Es wäre daher ein Objektiv wünschenswert, das in einfacher Weise für unterschiedliche Beobachtungsbedingungen optimiert werden kann, ohne dass dabei das Design seiner optischen Komponenten geändert werden muss.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein vorteilhaftes Objektiv bereit zu stellen, das die Möglichkeit bietet, wenigstens ein Element, mit dem sich das Objektiv an unterschiedliche Beobachtungsbedingungen anpassen lässt, hinzuzufügen, ohne dass ein Neudesign des Objektivs nötig ist. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein vorteilhaftes optisches Beobachtungsgerät zur Verfügung zu stellen.
Die erste Aufgabe wird durch ein Objektiv nach Anspruch 1 gelöst, die zweite Aufgabe durch ein optisches Beobachtungsgerät nach Anspruch 18.
Ein erfindungsgemäßes Objektiv, dass insbesondere als Mikroskopobjektiv ausgebildet sein kann, umfasst eine erste Linseneinheit, die als Einzellinse oder Linsengruppe ausgebildet sein kann, wenigstens eine zweite Linseneinheit, die ebenfalls als Einzellinse oder Linsengruppe ausgebildet sein kann, und eine reelle Pupille, die durch eine gegenständliche Aperturblende oder das reelle Bild einer bündelbegrenzenden Öffnung realisiert sein kann. Die erste Linseneinheit und die zweite Linseneinheit sind mit Abstand voneinander entlang einer optischen Achse des Objektivs (die ggf. auch gefaltet sein kann) angeordnet, so dass zwischen der ersten Linseneinheit und der zweiten Linseneinheit ein Zwischenraum vorhanden ist. Im Zwischenraum zwischen der ersten Linseneinheit und der zweiten Linseneinheit befindet sich die reelle Pupille.
Die erste Linseneinheit ist derart ausgestaltet, dass sie ein kollimiertes Strahlenbündel erzeugt. Mit anderen Worten, die erste Linseneinheit bildet ein objektseitiges Bildfeld telezentrisch nach unendlich ab. Als kollimiert soll ein Strahlenbündel dabei angesehen werden, wenn die Randstrahlen einen Winkel von nicht mehr als 5°, vorzugsweise von nicht mehr als 3°, mit der optischen Achse des Objektivs einschließen. Wenn eine Abbildung mit besonders geringen Bildfehlern erreicht werden soll und/oder wenn ein sehr hochaperturiges Objektiv (NA ≥ 1,0) vorliegt, ist es vorteilhaft, wenn die Randstrahlen nur einen Winkel nicht mehr als 2° mit der optischen Achse des Objektivs einschließen.
Das erfindungsgemäße Objektiv weist also eine zugängliche reelle Pupille und ein an der Pupille vorliegendes kollimiertes Strahlenbündel auf. Unter einer zugänglichen reellen Pupille soll hierbei eine reelle Pupille zu verstehen sein, die sich nicht innerhalb anderer optischer Komponenten des Objektivs befindet, so dass das Objektiv das Anordnen wenigstens eines Pupillenfilters im Bereich der Pupille ermöglicht. Als wenigstens ein Pupillenfilter kommen hierbei insbesondere ein Wellenfrontmanipulator, eine Phasenmaske wie etwa eine ringförmige Phasenplatte zur Durchführung eines Zernike-Phasenkontrastverfahrens, ein Apodisationsfilter, ein Spektralfilter, ein räumlicher Modulator für Licht (engl.: Spatial Light Modulator, kurz SLM), etc. oder Kombinationen davon in Betracht. Im Unterschied zu Objektiven nach Stand der Technik erlaubt das erfindungsgemäße Objektiv das Einfügen derartiger Pupillenfilter, ohne dass die Auslegung der übrigen optischen Komponenten des Objektivs wesentliche Änderungen erfahren muss. Der Zwischenraum zwischen der ersten Linseneinheit und der zweiten Linseneinheit stellt daher dank der Anordnung der reellen Pupille im Zwischenraum zwischen der ersten Linseneinheit und der zweiten Linseneinheit eine Art interne Schnittstelle des Objektivs für Pupillenfilter zur Verfügung. Das erfindungsgemäße Objektiv ist somit dahingehend vorteilhaft, dass es einen quasi modularen Aufbau in Verbindung mit Pupillenfiltern ermöglicht. Durch Anordnen wenigstens eines Pupillenfilters im Zwischenraum zwischen der ersten Linseneinheit und der zweiten Linseneinheit kann das Objektiv für Beobachtungsbedingungen optimiert werden oder an andere Einsatzzwecke angepasst werden.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung erfüllt die erste Linseneinheit des Objektivs für alle Strahlen eines Öffnungsbündels die Bedingung
wobei x = 0,3, vorzugsweise x = 0,2 und weiter vorzugsweise x = 0,1 gilt. Dabei bezeichnen h₁ die Einfallshöhe des Öffnungsstrahls am Wellenfrontmanipulator, σ₀ den Strahlneigungswinkel des Randstrahls gegen die optische Achse, f_FG = –n₀·f'_FG die vordere (objektseitige) Brennweite der ersten Linseneinheit, und n₀ den Brechungsindex des Mediums oder Immersionsmediums zwischen Objekt und der ersten Linseneinheit.
Um bei erfindungsgemäße Objektiven und insbesondere bei hochaperturigen erfindungsgemäßen Objektiven (NA ≥ 0,8) eine besonders gute Abbildungsqualität zu erzielen, sollte zudem für alle Strahlen eines Öffnungsbündels, die sich innerhalb von 71% des Pupillenradius befinden (entspricht einer Kreisfläche von 50% der gesamten Pupillenfläche), die Randstrahlen des Bündels die Abweichung maximal der Hälfte der in der jeweiligen Ungleichung angegebenen Grenzen entsprechen. Mit anderen Worten, die Strahlen sollten im Bereich innerhalb von 71% des Pupillenradius die obige Ungleichung für x = 0,15, bzw. vorzugsweise für x = 0,1 und weiter vorzugsweise für x = 0,05 erfüllen.
Die obige Ungleichung besagt, dass die optische Sinusbedingung näherungsweise erfüllt ist, und es so nicht zu Umverteilungen der Strahlen in der Pupille kommt. Dadurch kann verhindert werden, dass die Strahlen am Rand oder in mittleren Bereichen der Pupille nicht an der falschen Stelle auf den Wellenfrontmanipulator treffen. Je kleiner der Wert von x ist, desto besser ist dabei die Sinusbedingung erfüllt.
Im Falle eines Objektivs mit extrem hoher Apertur (NA ≥ 1,0) kann es im Hinblick auf die Abbildungsqualität sinnvoll sein, wenn in obiger Ungleichung für alle Strahlen eines Öffnungsbündels, die sich innerhalb von 71% des Pupillenradius befinden, x = 0,1, vorzugsweise x = 0,05 und weiter vorzugsweise x = 0,03 gilt. Die Strahlen zwischen 71% und 100% des Pupillenradius sollten in diesem Fall die obige Ungleichung zumindest noch für x = 0,2, vorzugsweise für x = 0,1 und weiter vorzugsweise für x = 0,06 erfüllen.
Das Erfüllen der o. g. Formel kann insbesondere erreicht werden, wenn die erste Linseneinheit eine asphärische Linse umfasst. Mit einer solchen Linse lässt sich die Sinusbedingung einfach und recht exakt erfüllen.
Der Einsatz mindestens einer asphärischen Linse ist insbesondere bei Objektiven mit hoher Apertur oder großen Aperturwinkeln vorteilhaft und hilft dann nicht nur bei der Korrektion des üblichen Öffnungsfehlers, also des Sphärischen Aberration, sondern auch bei der Einhaltung der Sinusbedingung in der ersten Linseneinheit.
An dieser Stelle sei angemerkt, dass die Sinusbedingung üblicherweise zwar für ein gesamtes Mikroskopobjektiv erfüllt ist, da anderenfalls keine scharfe Abbildung eines ausgedehnten Bildfeldes möglich wäre. Das Erfüllen der Sinusbedingung durch einzelne Linseneinheiten des Objektivs ist dagegen typischerweise weder notwendig noch üblich. Zudem befindet sich im Unterschied zum erfindungsgemäßen Objektiv die Pupille in Objektiven nach Stand der Technik in der Regel im Bereich des Ausgangs des Objektivs.
Die erste Linsenkombination des Objektivs kann insbesondere auch objektseitig telezentrisch ausgebildet sein. Als objektseitig telezentrisch soll die erste Linsenkombination dabei angesehen werden, wenn der Winkel eines Hauptstrahls (also der Mittenstrahl eines Strahlenbündens, auch Schwerstrahl genannt) von einem Objektpunkt am Rande des Objektfeldes mit der optischen Achse weniger als 3°, und bevorzugt weniger als 10 beträgt. Der Winkel zwischen einem solchen Hauptstrahl und der optischen Achse wird auch als Telezentriefehler bezeichnet.
Wie eingangs erwähnt, verursacht ein Umfokussieren eines Mikroskops, bspw. durch Verstellen des Objekttisches relativ zum Mikroskop, große Bildfehler am Mikroskopobjektiv, durch die sich die Abbildungsgüte bereits bei geringfügiger Änderung des Objektabstandes bzw. der Schnittweite drastisch verschlechtert. Eine geringfügige Änderung ist dabei bereits bei einer Änderung des Objektabstandes bzw. eine Änderung der Schnittweite von wenigen Rayleigh-Einheiten gegeben.
Neben den gewollten Änderungen der Fokuslage im Rahmen von Z-Scans treten auch durch externe Einflüsse verursachte Änderungen der Fokuslage auf. Beispielsweise verursachen thermisch bedingte oder anderweitig verursachte Brechzahlschwankungen in optischen Medien typischerweise Änderungen in der Systembrechkraft, wobei die Änderungen in der Systembrechkraft zudem eine Wellenlängenabhängigkeit aufweisen können. Während die Brechkraftänderung bei einer mittleren Wellenlänge meinst durch eine Schiebelinse, die Änderung eines Luftraums oder andere geeignete Mechanismen zur Kompensation von Defokusfehlern hinreichend gut kompensiert werden kann, verbleibt die Wellenlängenabhängigkeit der Defokussierung als anderweitig nicht zu kompensierender Restfehler. Die Änderung des Brechungsindex des Immersionsmediums bewirkt zudem bei der Grundwellenlänge nicht nur eine Fokusverschiebung – diese wäre wie oben erwähnt durch konventionelles Nachfokussieren zu kompensieren – sondern auch Sphärische Aberration, die mit konventionellen Mitteln nur sehr schwer zu kompensieren ist. Störende Sphärische Aberration tritt immer auf, wenn sich die Phasendicke des Immersionsmediums, also seine räumliche Dicke multipliziert mit seiner Brechzahl, im divergenten Strahlengang vor dem Objektiv ändert, da das Grundobjektiv immer nur auf eine feste Phasendicke des Immersionsmediums ausgelegt sein kann.
Die geschilderten Schwierigkeiten lassen mit einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Objektivs überwinden. In dieser Weiterbildung befindet sich im Zwischenraum zwischen der ersten Linseneinheit und der zweiten Linseneinheit als Pupillenfilter wenigstens ein Wellenfrontmanipulator, der eine erste optische Komponente mit mindestens einer refraktiven Freiformfläche oder einer diffraktiven Fläche und zumindest eine zweite optische Komponente mit mindestens einer refraktiven Freiformfläche oder einer diffraktiven Fläche umfasst. Die erste optische Komponente und die zweite optische Komponente sind dabei entlang der optischen Achse hintereinander und jeweils in eine Bewegungsrichtung senkrecht zur optischen Achse relativ zueinander bewegbar angeordnet. Mit refraktiven Freiformflächen sind Wellenfrontmanipulatoren beispielsweise aus US 3,305,298 und mit diffraktiven Flächen aus I.M. Barton et al. „Diffractive Alvarez Lens" OPTICS LETTERS Vol. 25, No. 1, January 1, 2000 bekannt. Hinsichtlich möglicher Ausgestaltungen und hinsichtlich der Konstruktion der Wellenfrontmanipulatoren wird daher auf diese Dokumente verwiesen.
Die beschriebene Weiterbildung stellt ein adaptives Objektiv zur Verfügung, mit dem sich die optische Wirkung mindestens einer in einer vorgegebenen Applikation als variabel anzusehenden Einflussgröße kompensieren lässt, wobei das adaptive Objektiv über den gesamten Einstellbereich hinweg eine nahezu konstante und beugungsbegrenzte Abbildungsgüte aufweist.
Der Wellenfrontmanipulator kann dabei derart im Zwischenraum zwischen der ersten Linseneinheit und der zweiten Linseneinheit angeordnet sein, dass sich die reelle Pupille am Ort des Wellenfrontmanipulators befindet. Alternativ kann er so angeordnet sein, dass sich die reelle Pupille im Zwischenraum zwischen der ersten Linseneinheit und der zweiten Linseneinheit vor oder hinter dem Wellenfrontmanipulator befindet, wobei der Wellenfrontmanipulator dann möglichst nahe an der Pupille angeordnet sein sollte. Wenn der Wellenfrontmanipulator am Ort der Pupille angeordnet ist, kann sich die Pupille insbesondere zwischen der ersten optischen Komponente und der zweiten optischen Komponente des Wellenfrontmanipulators befinden. Hierbei ist es insbesondere vorteilhaft, wenn die Pupille als reelles Bild einer bündelbegrenzenden Öffnung ausgestaltet ist, da sie dann im Bereich des Wellenfrontmanipulators keinen Bauraum benötigt. Zudem kann ein reelles Bild freier im Bereich des Wellenfrontmanipulators angeordnet werden als eine gegenständliche Aperturblende, da das Bild grundsätzliche auch innerhalb der ersten optischen Komponente oder innerhalb der zweiten optischen Komponente angeordnet sein kann. Bei einer gegenständlichen Aperturblende ist der Wellenfrontmanipulator dagegen vorzugsweise unmittelbar vor oder hinter der Aperturblende angeordnet. Vor oder hinter der Aperturblende ist insofern vorteilhaft, als dass die optischen Komponenten des Wellenfrontmanipulators näher beieinander angeordnet sein können als dies mit einer zwischen den optischen Komponenten angeordneten gegenständlichen Aperturblende der Fall wäre. Grundsätzlich kann aber auch eine gegenständliche Aperturblende zwischen den optischen Komponenten des Wellenfrontmanipulators angeordnet sein, wenn dazwischen genügend Platz vorhanden ist.
Mit der beschriebenen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Objektivs lässt sich mindestens ein Bildfehler, wie beispielsweise die Fokussierung, Sphärische Aberration, Astigmatismus oder Koma kontinuierlich variabel einstellen, wobei die übrigen Bildfehler im Wesentlichen unbeeinflusst bleiben. Die kontinuierliche Einstellbarkeit des Bildfehlers ermöglicht es bspw. auf Grund von Änderungen der Fokuslage verursachte Bildfehler durch Einstellen eines entsprechenden kompensierenden Bildfehlers mit Hilfe des Wellenfrontmanipulators aufzuheben. Beispielsweise kann eine durch eine Änderung der Fokuslage hervorgerufene Defokussierung durch eine entsprechende, mit Hilfe des Wellenfrontmanipulators erzeugte negative Defokussierung kompensiert werden, sofern der Wellenfrontmanipulator geeignete Freiformflächen aufweist. Entsprechend können auch andere von außen verursachte Bildfehler wie beispielsweise Astigmatismus oder Koma kompensiert werden, indem mit Hilfe eines Wellenfrontmanipulators mit geeignet ausgestalteten Freiformflächen ein entsprechender negativer Bildfehler induziert wird, welcher den externen verursachten Bildfehler aufhebt. Allgemeiner ausgedrückt kann der Wellenfrontmanipulator im erfindungsgemäßen adaptiven Objektiv dazu genutzt werden, wenigstens einen vorbestimmten monochromatischen Bildfehlerkoeffizienten bei einer vorgegebenen Bezugswellenlänge zu ändern. Er kann dabei insbesondere so ausgelegt sein, dass sich die Änderung des entsprechenden Bildfehlerkoeffizienten möglichst wenig über den zur Abbildung genutzten Wellenlängenbereich hinweg ändert, so dass sich ein achromatischer Wellenfrontmanipulator realisieren lässt. Er kann aber auch so ausgestaltet sein, dass er gezielt die chromatische Änderung eines Bildfehlerkoeffizienten der Wellenfront eines Strahlenbündels einstellbar macht. Insbesondere kann auf diese Weise ein in variabler Abstimmung des primären oder sekundären Farblängsfehlers (CHL) des Objektivs ermöglicht werden.
Durch die Verwendung des Wellenfrontmanipulators und seiner Anordnung im erfindungsgemäßen Objektiv kann ein hochaperturiges Mikroskopobjektiv, d. h. ein Mikroskopobjektiv mit einer numerischen Apertur von mindestens 0,8 und insbesondere von mindestens 1,0, derart ausgebildet werden, dass eine qualitativ hochwertige Abbildung über einen weiten Einstellbereich des Bilderfehlerkoeffizienten gewährleistet ist. Insbesondere ermöglicht es die vorliegende Erfindung auch, ein derartiges adaptives Objektiv derart auszugestalten, das es eine beugungsbegrenzte Abbildung ermöglicht. Hierbei ist insbesondere von Bedeutung, dass die objektivseitig führende Linseneinheit ein kollimiertes Strahlenbündel erzeugt und der Wellenfrontmanipulator zwischen den beiden Linseneinheiten im Bereich des kollimierten Strahlenbündels angeordnet ist.
Mit der bisher beschriebenen Weiterbildung des erfindungsgemäßen adaptiven Objektivs ist das Beeinflussen eines Bildfehlers (repräsentiert von einem Bildfehlerkoeffizienten) unabhängig von den anderen Bildfehlern möglich. In nahezu allen praktisch relevanten Fällen ist es aber auch wünschenswert, die optische Abbildung über den Einstellbereich hinweg weitgehend frei von Farbfehlern zu halten. Dies ist mit konventionellen Mitteln jedoch, wenn überhaupt, so nur sehr schwer erreichbar. Beispielsweise erzeugen thermisch oder anderweitig verursachte Schwankungen des Brechungsindex eines optischen Mediums häufig Änderungen in der Systembrechkraft, die eine starke Wellenlängenabhängigkeit aufweisen. Während die Brechkraftänderung bei einer mittleren Wellenlänge meist durch einen bekannten Defokuskompensator (beispielsweise eine Schiebelinse, eine Änderung des Luftraums zwischen zwei Linsen, etc.) hinreichend gut kompensiert werden kann, verbleibt die Wellenlängenabhängigkeit der Defokussierung als anderweitig nicht zu kompensierender Restfehler. In einer Weiterbildung des adaptiven Objektivs mit Wellenfrontmanipulator ermöglicht dieses daher auch, die Wellenlängenabhängigkeit des kompensierenden Bildfehlers zu verringern. Um dies zu erreichen, kann zwischen der ersten optischen Komponente und der zweiten optischen Komponente des Wellenfrontmanipulators ein die beiden Komponenten kontaktierendes Immersionsmedium befinden. Ohne eine solche Maßnahme kann bei der Einstellung des Bildfehlerkoeffizienten ein variabler Farbfehler auftreten. Ein solcher würde sich im Wesentlichen als Farblängsfehler (CHL) manifestieren. Mit anderen Worten, es würde zwar der monochromatische Bildfehler, beispielsweise ein Defokus, unabhängig von den anderen Bildfehlerkoeffizienten kompensiert werden können, jedoch könnte bei der Kompensierung der eingestellte kompensierende Defokus bei unterschiedlichen Wellenlängen zu unterschiedlichen Schnittweiten führen. Solange die Brennweitenunterschiede bei kompensierendem Defokus nicht zu groß sind, stört dies die Abbildung wenig bis gar nicht. Falls jedoch große Abweichungen in der Brennweite auftreten, kann dies zu einem die Bildqualität merklich verschlechternden Farblängsfehler führen. Entsprechende Überlegungen gelten auch für die übrigen monochromatischen Bildfehler, da auch bei diesen der mit Hilfe des Wellenfrontmanipulators eingestellte kompensierende Bildfehler eine Wellenlängenabhängigkeit aufweist.
Als Immersionsmedium kommen insbesondere Flüssigkeiten, etwa hochreines Wasser, Salzlösungen, Immersionsöle, etc., und elastische Optokitte in Betracht. Da lediglich eine laterale Bewegung der ersten optischen Komponente und der zweiten optischen Komponente erfolgt, kann der Wellenfrontmanipulator mit Immersionsmedium eine flache Bauweise besitzen, d. h. eine geringe Ausdehnung senkrecht zu der lateralen Bewegungsrichtung.
Durch geeignetes Anpassen des Brechungsindex und der Abbeschen Zahl des Immersionsmediums an den Brechungsindex und die Abbesche Zahl des Materials, aus dem die optischen Elemente hergestellt sind, lässt sich eine variabel einstellbare Wellenfrontmanipulation erreichen, deren Wirkung über einen ausgedehnten Wellenlängenbereich hinweg unabhängig von der Wellenlänge ist, so dass der erfindungsgemäße Wellenfrontmanipulator als achromatischer Wellenfrontmanipulator eingesetzt werden kann. Mit Hilfe dieser Ausgestaltung des Wellenfrontmanipulators lassen sich daher die oben beschriebenen Farbfehler, insbesondere der Farblängsfehler, beim eingestellten kompensierenden Bildfehler weitgehend vermeiden.
Wenn das Immersionsmedium oder das Material der ersten optischen Komponente und der zweiten optischen Komponente des Wellenfrontmanipulators einen von der Normalgeraden abweichenden Dispersionsverlauf aufweist, können höhere Ordnungen der Farbfehler, also sekundäre und tertiäre Spektren der Farbfehler ebenfalls korrigiert werden. Für das Korrigieren des tertiären Farbfehlers weisen dabei sowohl das Immersionsmedium als auch das Material der Komponenten des Wellenfrontmanipulators einen von der Normalgeraden abweichenden Dispersionsverlauf auf.
In einer besonderen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Objektivs mit Wellenfrontmanipulator ist zwischen der ersten Linseneinheit und der zweiten Linseneinheit wenigstens ein zweiter Wellenfrontmanipulator angeordnet. Mit dem zweiten Wellenfrontmanipulator kann ein zweiter Bildfehler unabhängig von den übrigen Bildfehlern korrigiert werden, wie dies bereits mit Bezug auf den ersten Wellenfrontmanipulator beschrieben worden ist. Durch erhöhen der Anzahl der Wellenfrontmanipulatoren, die sich zwischen der ersten Linseneinheit und der zweiten Linseneinheit befinden, können so beliebig viele Bildfehler unabhängig voneinander korrigiert werden. Für die Ausgestaltung der Wellenfrontmanipulatoren gilt dabei das, was weiter oben mit Bezug auf die mögliche Ausgestaltung des Wellenfrontmanipulators ausgeführt worden ist. Dabei können auch die lateralen Bewegungen der optischen Komponenten wenigstens zweier Wellenfrontmanipulatoren miteinander gekoppelt sein.
In dem erfindungsgemäßen Objektiv kann die zweite Linseneinheit insbesondere afokal ausgebildet sein, d. h. sie wirkt weder sammelnd, noch zerstreuend, so dass parallel eintreffende Strahlenbündel auch wieder als parallele Strahlenbündel austreten. Auf diese Weise kann eine afokale optische Schnittstelle bereitgestellt werden, die es ermöglicht, das Objektiv mit verschiedenen weiteren optischen Systemen frei kombinierbar zu machen. So kann beispielsweise ein entsprechend ausgestaltetes afokales Mikroskopobjektiv frei mit verschiedenen Mikroskop-Tubussystemen kombiniert werden. Eine derartige Schnittstelle wird auch Unendlichschnittstelle genannt.
Das erfindungsgemäße Objektiv kann insbesondere ein Mikroskopobjektiv sein, das zum Zusammenwirken mit einem objektseitig an die erste Linseneinheit angrenzenden Immersionsmediums ausgebildet ist. Auf diese Weise lassen sich Mikroskopobjektive mit hohen numerischen Aperturen (NA ≥ 0,8) bis sehr hohen numerischen Aperturen (NA ≥ 1,0) realisieren.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein optisches Beobachtungsgerät mit einem erfindungsgemäßen Objektiv zur Verfügung gestellt. Die mit Bezug auf das erfindungsgemäße Objektiv beschriebenen Vorteile und Eigenschaften lassen sich damit im erfindungsgemäßen optischen Beobachtungsgerät realisieren. Als optische Beobachtungsgeräte kommen hierbei etwa Mikroskope wie bspw. Operationsmikroskope oder insbesondere Immersionsmikroskope, aber auch Endoskope, Kameras, optische Messgeräte, etc. in Betracht.
Wenn das Objektiv eine Unendlichschnittstelle aufweist, kann sich an diese eine dritte Linseneinheit anschließen, die zusammen mit der ersten und der zweiten Linseneinheit ein reelles Zwischenbild erzeugt, das entweder visuell vergrößert betrachtet oder von einem Bildempfänger aufgenommen werden kann. Eine solche dritte Linseneinheit kann insbesondere als Tubuslinsengruppe ausgebildet sein.
Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren.
1 zeigt den grundsätzlichen Aufbau eines erfindungsgemäßen Objektivs.
2 zeigt eine spezielle Ausgestaltung des Wellenfrontmanipulators, wie er im Objektiv zum Einsatz kommen kann.
3 zeigt eine alternative Ausführungsform für das erfindungsgemäße Objektiv.
4 zeigt noch eine weitere Ausführungsform für das erfindungsgemäße Objektiv.
5 zeigt ein erstes konkretes Beispiel für ein Mikroskop mit einem erfindungsgemäßen Objektiv.
6 zeigt das Objektiv aus 5 in einer ersten Stellung der optischen Komponente des Wellenfrontmanipulators relativ zueinander.
7 zeigt das Objektiv aus 5 in einer zweiten Stellung der optischen Komponenten des Wellenfrontmanipulators relativ zueinander.
8 zeigt das Objektiv aus 5 ein einer dritten Stellung der optischen Komponenten des Wellenfrontmanipulators relativ zueinander.
9 zeigt die Konstruktionsdaten des Mikroskops aus 5 in tabellarischer Form.
10 zeigt die durch das Objektiv verursachten Wellenfrontfehler, wenn sich der Wellenfrontmanipulator in der in 6 gezeigten Stellung befindet.
11 zeigt die durch das Objektiv verursachten Wellenfrontfehler, wenn sich der Wellenfrontmanipulator in der in 7 gezeigten Stellung befindet.
12 zeigt die durch das Objektiv verursachten Wellenfrontfehler, wenn sich der Wellenfrontmanipulator in der in 8 gezeigten Stellung befindet.
13 bis 15 zeigen die Wellenfrontfehler die beim Objektiv aus den 6 bis 8 ohne den Wellenfrontmanipulator auftreten würden
16 zeigt ein zweites konkretes Beispiel für ein Mikroskop mit einem erfindungsgemäßen Objektiv.
17 zeigt das Objektiv aus 16 in einer ersten Stellung der optischen Komponente des Wellenfrontmanipulators relativ zueinander.
18 zeigt das Objektiv aus 16 in einer zweiten Stellung der optischen Komponenten des Wellenfrontmanipulators relativ zueinander.
19 zeigt das Objektiv aus 16 ein einer dritten Stellung der optischen Komponenten des Wellenfrontmanipulators relativ zueinander.
20 zeigt die Konstruktionsdaten des Mikroskops aus 16 in tabellarischer Form.
21 zeigt die durch das Objektiv verursachten Wellenfrontfehler, wenn sich der Wellenfrontmanipulator in der in 17 gezeigten Stellung befindet.
22 zeigt die durch das Objektiv verursachten Wellenfrontfehler, wenn sich der Wellenfrontmanipulator in der in 18 gezeigten Stellung befindet.
23 zeigt die durch das Objektiv verursachten Wellenfrontfehler, wenn sich der Wellenfrontmanipulator in der in 19 gezeigten Stellung befindet.
Ein erstes Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes Objektiv ist in 1 gezeigt. Dieses schematische Ausführungsbeispiel zeigt gleichzeitig den einfachsten Aufbau des erfindungsgemäßen Objektivs und ermöglicht das grundsätzliche Verständnis seiner Wirkungsweise. Das Objektiv 1 des ersten Ausführungsbeispiels, das als adaptives Objektiv ausgestaltet ist, umfasst eine Einzellinse 3 als erste Linseneinheit, eine Einzellinse 5 als zweite Linseneinheit, eine Aperturblende 7 und einen Wellenfrontmanipulator 9, die alle entlang einer optischen Achse OA des Objektivs angeordnet sind. Der Wellenfrontmanipulator 9 befindet sich dabei zwischen der ersten Linse 3, welche die objektseitige Linse des Objektives 1 darstellt, und der zweiten Linse 5, welche die bildseitige Linse des Objektivs darstellt. Unmittelbar benachbart zum Wellenfrontmanipulator 9 ist die Aperturblende 7 angeordnet. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist sie dem Wellenfrontmanipulator 9 in Richtung auf die bildseitige Linse 5 nachgelagert. Sie kann aber alternativ auch dem Wellenfrontmanipulator 9 in Richtung auf die objektseitige Linse 3 vorgelagert sein. Falls das Objektiv 1 so ausgebildet ist, dass als Aperturblende das reelle Bild einer Blende ist, kann sich die virtuelle Blende auch am Ort des Wellenfrontmanipulators 9 befinden.
Der Wellenfrontmanipulator 9 weist zwei optische Komponenten 11, 13 auf, die jeweils eine Planfläche 14, 16 und eine Freiformfläche 15, 17 besitzen. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die optischen Komponenten 11, 13 des Wellenfrontmanipulators 9 so relativ zueinander angeordnet, dass sich die Freiformflächen 15, 17 einander gegenüber liegen. Die Planflächen 14, 16 bilden dann die Eingangsfläche in den Wellenfrontmanipulator 9 bzw. die Ausgangsfläche aus dem Wellenfrontmanipulator 9. Zur 1 ist hierbei zu sagen, dass die Ausdehnung des Wellenfrontmanipulators sowie die Profiltiefen der Freiformflächen der Anschaulichkeit der Figuren wegen übertrieben dargestellt sind.
Die optischen Komponenten 11, 13 des Wellenfrontmanipulators 9 sind in Richtung der optischen Achse OA hintereinander angeordnet und lateral, also senkrecht zur optischen Achse, gegeneinander verschiebbar, wie in der Figur durch die Pfeile –y und +y angedeutet ist. In der in der Figur gezeigten Nullposition verhalten sich die refraktiven Freiformflächen 11, 13 exakt komplementär zueinander, so dass die beiden optischen Komponenten in dieser Position im Wesentlichen die optische Wirkung einer planparallelen Platte, also eines optischen Nullelements, aufweisen.
Die optischen Komponenten 11, 13 können beispielsweise aus Glas, aus Kunststoff oder aus kristallinem Material bestehen. Die Wahl des Materials kann insbesondere von dem beabsichtigten Einsatzzweck des Wellenfrontmanipulators 9 im Objektiv 1 abhängen. Sofern das Objektiv im sichtbaren optischen Spektralbereich zum Einsatz kommt, wird die Wahl in der Regel auf Glas oder Kunststoff fallen. Falls das Objektiv im ultravioletten Spektralbereich zum Einsatz kommen soll, können die Komponenten 11, 13 beispielsweise aus Quarzglas oder einem kristallinen Material wie etwa Calciumfluid oder Bariumfluid bestehen.
Wie aus 1 ersichtlich ist, liegt im Objektiv 1 zwischen der objektseitigen Linse 3 und der bildseitigen Linse 5 ein kollimierter Strahlengang vor, d. h. von der objektseitigen Linse 3 wird das objektseitige Bildfeld O nach unendlich abgebildet. Als in ausreichender Näherung kollimiert kann ein Strahlenbündel dabei angesehen werden, wenn seine Randstrahlen einen Winkel von nicht mehr als 5° mit der optischen Achse des Objektivs einschließen. Als in guter Näherung kollimiert kann ein Strahlenbündel angesehen werden, wenn seine Randstrahlen einen Winkel von nicht mehr als 3° mit der optischen Achse des Objektivs einschließen, und als in sehr guter Näherung kollimiert, wenn seine Randstrahlen einen Winkel von nicht mehr als 2° mit der optischen Achse des Objektivs einschließen. Die sehr gute Näherung von 2° ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn besonderes geringe, nicht absichtlich induzierte Bildfehler vorliegen sollen und/oder wenn das Objektiv sehr hochaperturig ist, also eine numerische Apertur (NA) ≥ 1,0 aufweist.
Zudem ist die objektseitige Linse 3 derart ausgebildet, dass sie näherungsweise die Abbesche Sinusbedingung erfüllt. Diese lautet h₁ = f_FG·sinσ₀ = n₀·f'_FG·sinσ₀
Als ausreichende Näherung kann es hierbei angesehen werden, wenn für alle Strahlen eines Strahlenbündels, die sich innerhalb von 71% des maximalen Pupillenradius befinden, der Wert des Ausdrucks f_FG·sinσ₀ vom Wert für h₁ nicht mehr als 15% des Wertes von h₁ abweicht, als gute Näherung, wenn er nicht mehr als 10% abweicht, als sehr gute Näherung, wenn er nicht mehr als 5% abweicht und als exzellente Näherung, wenn er nicht mehr als 3% abweicht. Mit anderen Worten, die erste Linseneinheit des Objektivs erfüllt für alle Strahlen eines Öffnungsbündels, die sich innerhalb von 71% des Pupillenradius befinden, die Bedingung
wobei x = 0,15, vorzugsweise x = 0,1, weiter vorzugsweise x = 0,05 und insbesondere x = 0,03 gilt.
Die Strahlen eines Strahlenbündels, die sich innerhalb von 71% des maximalen Pupillenradius befinden, treten in diejenige innere Kreisfläche der Pupille ein, die 50% der Pupillenfläche ausmacht.
Im Stand der Technik wird die Sinusbedingung typischerweise von einem Mikroskopobjektiv als Ganzes erfüllt, da dies notwendig ist, um ein scharfes Bild sowohl von Objekte die sich auf der optischen Achse OA befinden als auch von Objekten, die sich außerhalb der optischen Ache OA befinden, generieren zu können. Im erfindungsgemäßen Objektiv erfüllt darüber hinaus die erste Linseneinheit, die eine Untereinheit des Objektivlinsensystems darstellt, ebenfalls die Sinusbedingung. Das Erfüllen der Sinusbedingung durch die objektseitige Linseneinheit des Objektives verhindert, dass es zu Umverteilungen der Strahlen in der Pupille kommt, wodurch die Strahlen am Rand oder im Zentrum der Pupille den Wellenfrontmanipulator an der falschen Stelle treffen würden.
Es sei an dieser Stelle angemerkt, dass einem Fachmann klar ist, dass mit einem optischen System ein exakt kollimierter Strahlengang nicht zu erzeugen ist, sondern nur näherungsweise erzeugt werden kann, und auch die Sinusbedingung nicht exakt sondern nur näherungsweise erfüllt werden kann. Wenn in den Ausführungsbeispielen zur vorliegenden Erfindung also vom kollimierten Strahlengang oder dem Erfüllen der Sinusbedingung die Rede ist, soll darunter immer zu verstehen sein, dass ein in ausreichender Näherung kollimierter Strahlengang oder eine in ausreichender Näherung erfüllte Sinusbedingung vorliegt.
Im adaptiven Objektiv 1 dient der Wellenfrontmanipulator 9 dazu, definierte Bildfehler zu induzieren, welche Bildfehler aufheben, die durch externe Bedingungen, beispielsweise Variationen in der Fokuslage oder Temperaturvariationen, im Objektiv generiert werden. Das Erzeugen eines definierten Bildfehlers erfolgt dabei durch Manipulieren der Wellenfront des Strahlenbündels. Die Wellenfront eines Strahlenbündels ist durch die Punkte der elektromagnetischen Welle, welche dieselbe Phase haben, gegeben. Mathematisch kann die Wellenfront durch eine Überlagerung von Funktionen eines vollständigen Funktionensystems dargestellt werden. Typischerweise werden Zernike-Polynome als Funktionensystem verwendet, wobei die einzelnen Zernike-Polynome verschiedene Bildfehler repräsentieren. In der Darstellung der Wellenfront ist dabei jedem Zernike-Polynom ein Zernike-Koeffizient zugeordnet, wobei die Wellenfront durch die Zernike-Koeffizienten beschrieben ist. Die Freiformflächen 15, 17 der optischen Komponenten 11, 13 des Wellenfrontmanipulators 9 können so gewählt werden, dass sie eine Manipulation der Wellenfront generieren, welche sich durch ein Zernike-Polynom beschreiben lässt. Der zugehörige Zernike-Koeffizient ist durch den Betrag der Relativverschiebung der beiden optischen Komponenten 11, 13 bestimmt. Eine mathematische äquivalente Beschreibung lässt sich auch mit der Entwicklung nach anderen vollständigen Funktionensystemen erreichen, etwa durch eine Taylorentwicklung. Nachfolgend werden die Grundprinzipien zum Konstruieren der Freiformprofile anhand einer Taylorentwicklung dargelegt.
Die Freiformfläche kann bei expliziter Flächendarstellung in der Form z(x, y) durch ein Polynom beschrieben werden, das in einer zur Bewegungsrichtung der optischen Komponenten 11, 13 senkrechten Koordinate x nur gerade Potenzen von x aufweist und in einer zur Bewegungsrichtung parallelen Koordinate y nur ungerade Potenzen von y aufweist. Die Freiformfläche z(x, y) kann zunächst allgemein beispielsweise durch eine Polynomentwicklung der Form
beschrieben werden, wobei C_m,n den Entwicklungskoeffizienten der Polynomentwicklung der Freiformfläche in der Ordnung m bzgl. der x-Richtung und der Ordnung n bzgl. der y-Richtung darstellt. Hierbei bezeichnen x, y und z die drei kartesischen Koordinaten eines auf der Fläche liegenden Punktes im lokalen flächenbezogenen Koordinatensystem. Die Koordinaten x und y sind hierbei als dimensionslose Maßzahlen in sog. Lens Units in die Formel einzusetzen. Lens Units bedeutet hierbei, dass alle Längen zunächst als dimensionslose Zahlen angegeben und später so interpretiert werden, dass sie durchgehend mit derselben Maßeinheit (nm, μm, mm, m) multipliziert werden. Hintergrund ist, dass die Geometrische Optik skaleninvariant ist, und im Gegensatz zur Wellenoptik nicht über eine natürliche Längeneinheit verfügt.
Eine reine Defokussierungswirkung lässt sich gemäß der Lehre von Alvarez bewirken, wenn die Freiformfläche der optischen Komponenten 11, 13 durch folgendes Polynom 3. Ordnung beschrieben werden kann:
Hierbei ist angenommen, dass die laterale Verschiebung der optischen Komponenten 11, 13 entlang der y-Achse erfolgt, die dadurch definiert wird. Falls die Verschiebung entlang der x-Achse erfolgen soll, ist in obiger Gleichung entsprechend die Rolle von x und y zu tauschen. Der Parameter K skaliert quasi die Profiltiefe und legt auf diese Weise die erzielbare Brechkraftänderung pro Einheit des lateralen Verschiebewegs s fest.
Für parallel zur optischen Achse OA einfallende Strahlbündel und Luft (Brechzahl n = 1) zwischen den beiden optischen Komponenten 11, 13 bewirkt die laterale Verschiebung der optischen Komponenten um eine Strecke s = |±y| damit eine Änderung der Wellenfront gemäß der Gleichung:
also eine Änderung der Fokuslage durch Änderung des parabolischen Wellenfrontanteils plus einen sog. Piston-Term (Zernike Polynom mit j = 1, n = 0 und m = 0), wobei letzterer einer konstanten Phase entspricht und sich genau dann nicht auf die Abbildungseigenschaften auswirkt, wenn sich das erfindungsgemäße optische Element im Unendlichstrahlengang, d. h. im Bereich eines kollimierten Strahlenbündels, befindet. Auch sonst kann der Piston-Term für die Abbildungseigenschaften meist vernachlässigt werden.
Die Flächenbrechkraft eines derartigen als Variolinse fungierenden Wellenfrontmanipulators ist durch folgende Formel gegeben: Φ_v = 4·K·s·(n–1) (4)
Hierbei ist s der laterale Verschiebeweg eines Elementes entlang der y-Richtung, K der Skalierungsfaktor der Profiltiefe und n der Brechungsindex des Materials, aus dem die Linse gebildet ist, bei der jeweiligen Wellenlänge.
Zur Minimierung der Mittendicke des Elementes kann ferner ein zu y proportionaler Term (Keil- oder Kippterm) addiert werden, dessen optische Wirkung auf den beiden Freiformflächen sich dann nahezu aufhebt, aber eine Minimierung der Mittendicke des Elementes ermöglicht. Ein reiner Kippungsterm auf den Freiformflächen ist in erster Näherung optisch wirkungslos und ruft daher insbesondere auch keine Farbfehler hervor.
Es ist möglich, dass die beiden relativ zueinander bewegten optischen Komponenten 11, 13 wie in 1 gezeigt so orientiert sind, dass die beiden Freiformflächen 15, 17 einander zugewandt sind. In diesem Falle ist es besonders einfach, eine Justierung der Nulllage vorzunehmen, nämlich indem der Abstand zwischen den beiden optischen Komponenten 11, 13 solange verringert wird, bis sich die beiden Komponenten berühren. In dieser Position findet automatisch eine Zentrierung der optischen Komponenten statt. Anschließend kann der Abstand in axialer Richtung gerade soweit wieder vergrößert werden, dass sich die beiden optischen Komponenten 11, 13 bei der lateralen Bewegung während des funktionsgemäßen Betriebs gerade nicht berühren. Alternativ ist es grundsätzlich aber auch möglich, die beiden optischen Komponenten 11, 13 derart zu orientieren, dass die Freiformflächen 15, 17 voneinander abgewandt sind.
Es ist auch möglich, dass die Freiformflächen zusätzliche Terme höherer Ordnung zur Beeinflussung einzelner Bildfehler aufweisen können. Beispielsweise würde ein Term der Form
vorwiegend die primäre Sphärische Aberration beeinflussen und könnte somit etwa für Anwendungen im Bereich der Mikroskopie die bei Fokussierung in eine andere Probentiefe auftretende Sphärische Aberration korrigieren helfen. Auch eine teilweise oder vollständige Ausgleichung der durch die Dickenänderung des Elements (Piston-Term) im konvergenten Strahlengang hervorgerufenen Sphärischen Aberration kann auf diese Weise erfolgen.
Die Strukturprofile können frei überlagert sein, d. h. eine Struktur zur Änderung der Brechkraft und eine Struktur zur Änderung der Sphärischen Aberration können in einer Freiformfläche 15, 17 überlagert sein, so dass ein entsprechender Wellenlängenmanipulator bei Verschiebung der optischen Komponenten 11, 13 gegeneinander eine Brechkraftwirkung variiert und gleichzeitig eine Sphärische Aberration ändert, wobei beide Änderungen mit einem beliebig aber fest vorzuwählenden Proportionalitätsfaktor proportional zueinander sind.
Weiterhin ist es auch möglich, dass beide Seiten der bewegten optischen Komponenten 11, 13 eine Wirkform gemäß der oben beschriebenen Formen aufweisen. Beispielsweise könnte eine symmetrische Aufteilung des Flächenprofils gemäß der obigen Formel auf Vorder- und Rückfläche einer Komponente bewirken, dass die Profiltiefen auf jeder Fläche ausreichend gering bleiben, so dass beispielsweise eine photolithographische Herstellung der Elemente, die typischerweise nur maximale Profiltiefen im Bereich < 10–30 μm ermöglicht, erleichtert ist. Neben der erleichterten Herstellung bieten kleinere Profiltiefen grundsätzlich auch den Vorteil, dass sie im Vergleich zu größeren Profiltiefen weniger unerwünschte Bildfehler verursachen. Unerwünschte Bildfehler entstehen an den Profilen der optischen Komponenten eines Freiformelementes aufgrund des endlichen Abstands zwischen den optischen Komponenten, was dazu führt, dass ein Strahl, der an der Freiformfläche der ersten optischen Komponente bei einem bestimmten Abstand von der optischen Achse gebrochen wird, die zweite Freiformfläche nicht exakt am dazu korrespondierenden Punkt trifft, sondern etwas versetzt. Die dabei entstehenden Fehler steigen mit der Profiltiefe drastisch (überlinear) an, weil größere Profiltiefen nicht nur eine größere brechende Wirkung besitzen, sondern außerdem einen größeren Abstand zwischen den Elementen erfordern. Eine Aufspaltung der Freiformprofile auf Vorder- und Rückseite der Freiformelemente ist daher vom optischen Standpunkt immer vorteilhaft, wenn auch aufwendiger in der Herstellung.
Nach Lohmann (vgl. Appl. Opt. Vol. 9, No 7, (1970), p. 1669–1671) ist es möglich, eine zur Lehre von Alvarez weitgehend äquivalente Variolinse darzustellen, bei der zwei Freiformflächen beispielsweise in niedrigster Ordnung durch eine Gleichung der Form z(x, y) = A·(x³ + y³) (6) beschrieben werden und die Relativbewegung der optischen Komponenten 11, 13 zueinander entlang einer unter 45° gegenüber der x- und y-Achse verlaufenden Geraden senkrecht zur optischen Systemachse erfolgt. Die Konstante A ist dabei wiederum eine freie Skalierungskonstante, die die maximale Profiltiefe der Freiformfläche und dadurch die Brechkraftänderung pro Weglänge beschreibt. Es handelt sich bei der Beschreibung nach Lohmann nicht um eine unabhängige Lösung, sondern im Wesentlichen nur um eine alternative Darstellung.
Weitere Details zur Konstruktion der Freiformflächen 15, 17, mit der sich die variable Brechkraftwirkung erzielen lässt, ist in US 3,305,294 beschrieben. Auf dieses Dokument wird hinsichtlich der Konstruktion der Freiformflächen verwiesen.
Mit dem bisher beschrieben Wellenfrontmanipulator können monochromatische Bildfehler bei einer bestimmten Wellenlänge korrigiert werden, indem ein auftretender Bildfehler durch einen gezielt induzierten, entgegenwirkenden Bildfehler aufgehoben wird. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit den Wellenfrontmanipulator so auszubilden, dass er nicht nur monochromatische Bildfehler sondern auch chromatische Bildfehler korrigiert. Ein Wellenfrontmanipulator, mit dem auch die Korrektion chromatischer Bildfehler möglich ist, ist in 2 dargestellt.
Bevor auf den in 2 dargestellten Wellenfrontmanipulator eingegangen wird, werden kurz die Bedingungen für Dichromasie, Trichromasie und zur Korrektion des Sekundären Spektrums dargestellt.
Die Bedingung für Achromasie einer Variolinse aus beliebig vielen Elementen lautet:
Dabei bezeichnen φ_j die Brechkaft der j-ten Linse und v_j(λ₁, λ₂) die Abbesche Zahl des Mediums, aus dem die Linse gebildet ist, mit Bezug auf die Nebenwellenlängen λ₁, λ, definiert durch:
Wenn gleichzeitig eine vorgegebene Systembrechkraft Φ_ges erreicht werden soll, ist ferner folgende Nebenbedingung zu erfüllen:
Bei einer dichromatisch („achromatisch”) korrigierten Optik ist die Systembrechkraft bei den zwei Wellenlängen λ₁ und λ₂ exakt gleich. Man sagt dann, dass der primäre Farblängsfehler verschwindet. Bei allen anderen Wellenlängen, insbesondere bei der mittleren Wellenlänge, λ₀ weicht sie jedoch immer noch ab. Die Abweichung nennt man das „Sekundäre Spektrum” des Farblängsfehlers.
Auf andere Wellenfrontwirkungen des Wellenfrontmanipulatorelements lässt sich die obige Argumentation sinngemäß unmittelbar übertragen. Die Dichromasiebedingung bleibt exakt bestehen und an die Stelle der zweiten Gleichung (konstante Brechkraft) tritt eine analoge Gleichung, die eine Forderung (Nebenbedingung) für die Systemgesamtwirkung auf den gewünschten Wellenfrontfehler (z. B. Sphärische Aberration) aufstellt.
Zur Korrektion des Sekundären Spektrums definiert man als sogenannten Teildispersionskoeffizienten P eines Mediums bei der Bezugswellenlänge λ₀ und den Nebenwellen-längen λ₁ und λ₂ die Größe
Die Bedingung für das Verschwinden des Sekundären Spektrums bei λ₀ lautet explizit:
Diese zusätzliche Bedingung lässt sich nur dann erfüllen, wenn mindestens ein Medium einen Teildispersionskoeffizienten P aufweist, der signifikant von der sogenannten Normalgeraden abweicht.
Es zeigt sich, dass bspw. organische Immersionsöle deutlich von der für optische Gläser bekannten Normalgeraden der Dispersionsbeziehung abweichen. Folglich lässt sich eine erfindungsgemäße Variolinse bzw. ein erfindungsgemäßer Wellenfrontmanipulator so auslegen, dass das Sekundäre Spektrum verschwindet. Ganz explizit heißt das, dass die Wellenfrontwirkung des erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulators bei Einhaltung der obigen Bedingung bei 3 Wellenlängen λ₀, λ₁ und λ₂ eine exakt identische (vorgegebene) Wirkung aufweisen kann. Bei einem Trichromaten („Apochromaten”) ist in Verallgemeinerung der obigen Bedingungen, die Wellenfrontwirkung eines erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulators bei genau drei Wellenlängen λ₀, λ₁ und λ₂ exakt gleich. Die explizite Bedingung für Trichromasie in einem System mit mindestens drei voneinander unabhängig einstellbaren Brechkräften und Medien kann gängigen Lehrbüchern entnommen werden.
Der in 2 dargestellte Wellenfrontmanipulator umfasst zwei optische Komponenten 21, 23, die entlang einer optischen Achse OA hintereinander angeordnet sind und lateral, d. h. senkrecht zur optischen Achse OA, gegeneinander verschiebbar angeordnet sind, wie in der Figur durch die Pfeile in –y-Richtung und +y-Richtung angedeutet ist. Im vorliegenden Wellenfrontmanipulator weist jede der beiden optischen Komponenten 21, 23 an einer Seite eine refraktive Freiformfläche 25, 27 und an der von der Freiformfläche abgewandten Seite eine Planfläche 24, 26 auf. Die optischen Komponenten 21, 23 sind derart relativ zueinander angeordnet, dass ihre Freiformflächen 25, 27 einander gegenüber liegen. Die Freiformflächen 25, 27 verhalten sich in einer Nullposition exakt komplementär zueinander, so dass die beiden optischen Komponenten 21, 23 in einer Nullposition einer planparallelen Platte äquivalent sind.
Zwischen den beiden optischen Elementen 21, 23 befindet sich ein Immersionsmedium 22, das bei dem in 2 dargestellten Wellenfrontmanipulator eine Flüssigkeit wie etwa hochreines Wasser, eine Salzlösung, ein Immersionsöl, etc. sein kann. Um die Flüssigkeit im Zwischenraum zwischen den beiden optischen Komponenten 21, 23 zu halten, ist die Umfangsfläche des Wellenfrontmanipulators mit einer elastischen Manschette 28 versehen, die ein Auslaufen des flüssigen Immersionsmediums 22 verhindert und auch bei der lateralen Bewegung der optischen Komponenten 21, 23 relativ zueinander dicht hält. Die Manschette 28 kann bspw. von einer Kunststofffolie oder insbesondere einem elastischen Dichtring, der etwa aus hochelastischem Kautschuk bestehen kann, gebildet sein. Statt einer Manschette aus elastischem Material kann aber auch eine andere flüssigkeitsdichte Versiegelung zur Anwendung kommen, bspw. in Form einer Balgkonstruktion. Da die laterale Bewegung der optischen Komponenten 21, 23 in vielen Fällen nur Bruchteile von Millimetern beträgt, sind eine Vielzahl von gängigen flüssigkeitsdichten Versiegelungen grundsätzlich anwendbar. Als weitere Alternative besteht die Möglichkeit, die von der Immersionsflüssigkeit zu benetzenden Flächen mit einer adhäsiven Beschichtung zu versehen, die einen dünnen Immersionsfilm zwischen den Freiformflächen durch Adhäsionskräfte festhält und so ein Auslaufen der Immersionsflüssigkeit verhindert.
Die optischen Komponenten 21, 23 selbst können bspw. aus Glas, aus Kunststoff oder aus kristallinem Material bestehen. Die Wahl des Materials kann insbesondere von dem beabsichtigten Einsatzzweck des Wellenfrontmanipulators abhängen. Wenn dieser im optischen Spektralbereich zum Einsatz kommen soll, wird die Wahl in der Regel auf Glas oder Kunststoff fallen. Wenn er dagegen im ultravioletten Spektralbereich zum Einsatz kommen soll, werden die optischen Komponenten 21, 23 typischerweise aus Quarzglas oder einem kristallinen Material, etwa aus Calciumfluorid oder Bariumfluorid, bestehen. Als Immersionsflüssigkeit kommt im ultravioletten Spektralbereich bspw. hochreines Wasser in Betracht.
Nachfolgend wird das Anpassen des Immersionsmediums 22 an das Material der optischen Komponenten 21, 23 anhand zweier konkreter Beispiele beschrieben. Zuerst erfolgt als erstes Beispiel eine Beschreibung einer Anpassung zum Bereitstellen einer achromatischen Variolinse, bevor als zweites Beispiel eine Beschreibung einer Anpassung zum Bereitstellen einer definierten Einstellung des Farblängsfehlers ohne Änderung der Fokuslage erfolgt.
Für das Bereitstellen einer achromatischen Variolinse lässt sich die Bedingung für die Anpassung des Immersionsmediums 22 an das Material der optischen Komponenten 21, 23 im Wellenfrontmanipulator folgendermaßen ableiten:
Die beiden zueinander bewegten optischen Komponenten 21, 23 bilden eine Brechkraft Φ₁ = 4·k·s·(n₁ – 1) und die variable „Immersionsmediumlinse” zwischen den Platten eine Brechkraft –Φ₂ = 4·k·s·(n₂ – 1), wobei k den Skalierungsfaktor der Freiformprofilfunktion, s den Verschiebeweg der Elemente und n₁ und n₂ die Brechungsindizes des Materials der optischen Komponenten 21, 23 bzw. des Immersionsmediums 22 bei einer mittleren Wellenlänge des betrachteten Spektralbereiches bezeichnen.
Die Bedingung für Achromasie für zwei eng zusammenstehende Linsen lautet generell:
Dabei bezeichnen v₁ und v₂ die Abbesche Zahl des Materials der optischen Komponenten 21, 23 bzw. die Abbesche Zahl des Immersionsmediums 22. Durch Einsetzen der Gleichungen für die Brechkräfte Φ₁ und Φ₂ in Gleichung (7) lässt sich für die achromatische Variolinse folgende Bedingung aufstellen:
Natürlich kann aufgrund der nur beschränkten Auswahl an zur Verfügung stehenden optischen Materialien, insbesondere bei Berücksichtigung spezieller Anforderungen wie Alterungsbeständigkeit, thermische Ausdehnung etc., in der Praxis auch geringfügig von der obigen Bedingung abgewichen werden, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen. Ein Parameterbereich für eine Variolinse lässt sich in etwa durch folgende Bedingungen charakterisieren:
Bevorzugt sollte sogar gelten:
Und noch bevorzugter kann gelten:
Ein achromatischer Wellenfrontmanipulator, der an Stelle einer Defokussierung einen bestimmten Zernike-Term beeinflussen soll, hat ebenfalls dieselbe Achromatisierungsbedingung (7) bzw. (8a) bis (8c) zu erfüllen.
Ein Element, das beispielsweise wellenlängenunabhängig einen bestimmten Betrag an Sphärischer Aberration bereitstellt, wäre durch zwei optische Komponenten bereitzustellen, deren Freiformflächen 25, 27 die folgende Form aufweist
und die aus einem Glas gebildet sind, das zusammen mit dem Immersionsmedium Bedingung (7) bzw. (8a) bis (8c) erfüllt.
Analog gilt die Achromatisierungsbedingung auch in allen anderen Fällen, in denen eine „beliebige” Wellenfrontänderung ΔW(x, y) bei einer Grundwellenlänge erzeugt wird, indem die Freiform-Profilfunktion z(x, y) in Richtung der Bewegung der optischen Komponenten zueinander proportional zur Stammfunktion von ΔW(x, y) und senkrecht zur Bewegungsrichtung proportional zur Funktion ΔW(x, y) selbst ausgelegt ist.
Mit einem Wellenfrontmanipulator, der ein Immersionsmedium zwischen den optischen Komponenten aufweist, lässt sich bei anderer Wahl der optischen Medien ein Farblängsfehler nicht nur gezielt auf null setzen, sondern das der Wellenfrontmanipulator kann auch so ausgebildet werden, dass definierte Beträge an Farblängsfehlern erzeugt werden. Bei einer Abweichung von der Bedingung nach Gleichung (8a), Gleichung (8b) oder Gleichung (8c) erzeugt eine seitliche Verschiebung der optischen Komponenten 21, 23 nach Gleichung (2) gleichzeitig eine Brechkraftänderung bei der mittleren Wellenlänge (also einen Defokus) und relativ dazu einen Farblängsfehler für die Rand- oder Nebenwellenlängen. Je größer die Abweichung von der Bedingung nach Gleichung (8a), Gleichung (8b) oder Gleichung (8c) ist, desto bemerkbarer macht sich dieser Effekt. Er ist insbesondere bemerkbar wenn Gleichung (8a) nicht erfüllt ist.
In Einzelfällen könnte eine solche Überlagerung sinnvoll sein, etwa wenn der Defokus bei der mittleren Wellenlänge durch andere optische Mittel kompensiert werden kann. Im Allgemeinen wünscht man jedoch eine klare Trennung zwischen einer Änderung einer mittleren Fokuslage und einer Änderung des Farblängsfehlers. Für diesen Fall besteht die hier vorgeschlagene Lösung darin, für die optischen Komponenten 21, 23 und das zwischen diesen angeordnete Immersionsmedium 22 Materialien und Medien zu verwenden, die sich nahezu nicht im Brechungsindex n bei der mittleren Wellenlänge, aber deutlich in der Abbeschen Zahl v voneinander unterscheiden, insbesondere solche Materialien und Medien, bei denen gleichzeitig die Bedingungen |n₁ – n₂| ≤ 0.05 und |v₁ – v₂| ≥ 5 (9a) erfüllt sind. Wenn eine größere Änderung des Farblängsfehlers ohne Änderung der Fokuslage gewünscht ist, sollte diese Bedingungen schärfer gefasst sein, nämlich |n₁ – n₂| ≤ 0.01 und |v₁– v₂| ≥ 10 (9b) oder sogar |n₁ – n₂| ≤ 0.002 und |v₁ – v₂| ≥ 15 (9c)
Geeignete Materialkombinationen sind zu finden und sogar weit verbreitet, da die Dispersion organischer Kohlenwasserstoffe bei typischen Brechzahlen von Glas durchweg deutlich höher liegt als die von Glas. Für den Fall, dass die optischen Komponenten 21, 23 aus Kunststoff gebildet sind, kommt als Immersionsmedium 22 bspw. eine mit geeigneten Alkali-Ionen dotierte wässrige (Salz-)lösung in Betracht.
Die Bedingungen (9a) bis (9c) lassen sich aus folgender Überlegung verstehen: Je mehr sich die Abbesche Zahl der optischen Komponenten 21, 23 von der Abbeschen Zahl des Immersionsmediums 22 unterscheidet, desto kleiner können die lateralen Verschiebewege sein – und desto flacher können die Freiformflächen 25, 27 der optischen Komponenten 21, 23 zur Erzielung eines vorgegebenen Farblängsfehlers durch den Wellenfrontmanipulator ausfallen. Andererseits gilt: je weniger sich der Brechungsindex der optischen Komponenten 21, 23 vom Brechungsindex des Immersionsmediums 22 unterscheidet, desto geringer ist die Änderung der Fokuslage bei der mittleren Wellenlänge bei Einstellung eines vorgegebenen Farblängsfehlers.
Gemäß dem in den Gleichungen (8a) bis (8c) zum Ausdruck kommenden Konstruktionsprinzip kann bspw. mit zwei optischen Komponenten 21, 23, deren Freiformflächen durch die Gleichung (5) gegeben sind, ein Wellenfrontmanipulator zur Beeinflussung des sog. Gaußfehlers, also desjenigen Bildfehlers, der die chromatische Variation der Sphärischen Aberration beschreibt, bereit gestellt werden.
Wie bereits erwähnt, können in den Freiformflächen 25, 27 der optischen Komponenten 21, 23 mehrere Strukturprofile frei überlagert sein. Bspw. können eine Struktur zur Änderung der Brechkraft und eine Struktur zur Änderung der Sphärischen Aberration in den Freiformflächen 25, 27 überlagert sein, so dass eine entsprechende Variolinse bei Verschiebung der optischen Komponenten 21, 23 gegeneinander eine Brechkraftwirkung variiert und gleichzeitig eine Sphärische Aberration ändert, wobei beide Änderungen mit einem beliebig aber fest vorzuwählenden Proportionalitätsfaktor proportional zueinander sind. Auch in derartigen allgemeineren Anwendungsfällen lassen sich die oben dargelegten Regeln zur Wirkung einer entsprechenden Materialauswahl gemäß Bedingung (8a), (8b) oder (8c) bzw. gemäß den Bedingungen (9a), (9b) oder (9c) sinngemäß anwenden.
Ein Wellenfrontmanipulator, wie er mit Bezug auf 2 beschrieben worden ist, kann in 1 an die Stelle des mit Bezug auf 1 beschriebenen Wellenfrontmanipulators treten.
Ein zweites Ausführungsbeispiel für das erfindungsgemäße Objektiv ist schematisch in 3 dargestellt. Das Objektiv 100 des zweiten Ausführungsbeispiels, das wie das Objektiv des ersten Ausführungsbeispiels als adaptives Objektiv ausgebildet ist, unterscheidet sich vom Objektiv 1 des ersten Ausführungsbeispiels im Wesentlichen dadurch, dass die erste Linseneinheit 103 und die zweite Linseneinheit 105 jeweils aus einer Linsengruppe bestehen. Ein weiterer Unterschied besteht darin, dass die Aperturblende 107 dem Wellenfrontmanipulator 109 zur objektseitigen ersten Linseneinheit 103 hin vorgelagert ist anstatt ihm zur bildseitigen Linseneinheit 105 hin nachgelagert zu sein. Aber auch bei der in 3 dargestellten Anordnung der Aperturblende 107 ist es vorteilhaft, wenn die Blende möglichst nahe am Wellenfrontmanipulator 109 angeordnet ist. Der Wellenfrontmanipulator 9 selbst unterscheidet sich nicht vom Wellenfrontmanipulator 9 des ersten Ausführungsbeispiels. Wie im ersten Ausführungsbeispiel (und in allen anderen Ausführungsbeispielen) kann statt des dargestellten Wellenfrontmanipulators aber auch ein Wellenfrontmanipulator Verwendung finden, wie er mit Bezug auf 2 beschrieben worden ist, insbesondere wenn chromatische Bildfehler korrigiert werden sollen.
Im Objektiv 100 des zweiten Ausführungsbeispiels umfasst die erste Linseneinheit 103 wenigstens zwei Linsen 111, 113, wobei eine der Linsen asphärische Linse ausgebildet ist. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die dem Wellenfrontmanipulator 109 nächst gelegene Linse 103 als asphärische Linse ausgebildet ist.
Die zweite Linseneinheit 105 des Objektives 100 des zweiten Ausführungsbeispiels weist drei Linsen 115, 117, 119 auf und ist als afokale Linsengruppe ausgebildet, d. h. ein einfallendes kollimiertes Strahlenbündel generiert ein ausfallendes kollimiertes Strahlenbündel, ggf. mit anderem Bündeldurchmesser. Hierzu sind im Ausführungsbeispiel die beiden äußeren Linsen 115, 119 der Linsengruppe 105 als Positivlinsen und die mittlere Linse 117 als Negativlinse ausgebildet. In Abweichung von der im Ausführungsbeispiel dargestellten afokalen dreilinsigen Linsengruppe kann die zweite Linseneinheit 105 auch mehr als drei Linsen aufweisen. Hierbei kann insbesondere jede der drei in 3 dargestellten Linsen 115, 117, 119 als Linsengruppe ausgebildet sein. Es besteht aber auch die Möglichkeit, nur eine oder zwei Linsen der in 3 dargestellten Linsengruppe des zweiten Linsenelements 105 selbst wiederum aus Linsengruppen aufzubauen.
Die Ausgestaltung der zweiten Linseneinheit 105 als afokale Linsengruppe ermöglicht es, das Objektiv 100 mit verschiedenen weiteren optischen Einheiten, insbesondere mit verschiedenen Mikroskoptuben zu kombinieren.
Es wird darauf hingewiesen, dass die Linsengruppen 103 und 105 in 3 stark schematisiert dargestellt sind und die tatsächlichen Linsengruppen in der Regel komplexer als in der schematischen Darstellung der 3 aufgebaut sind.
Ein drittes Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes Objektiv ist in 4 dargestellt. Das dritte Ausführungsbeispiel des Objektives 200, das ebenfalls als adaptives Objektiv ausgebildet ist, unterscheidet sich vom ersten Ausführungsbeispiel im Wesentlichen dadurch, dass zwei Wellenfrontmanipulatoren 209, 219 vorhanden sind. Die erste Linseneinheit 203 und die zweite Linseneinheit 205 sind wie im ersten Ausführungsbeispiel als Einzellinsen dargestellt. Es besteht aber auch die Möglichkeit, die erste Linseneinheit 203 und/oder die zweite Linseneinheit 205 wie im zweiten Ausführungsbeispiel in Form einer Linsengruppe bzw. in Form von Linsengruppen zu realisieren. An dieser Stelle sei angemerkt, dass auch im zweiten Ausführungsbeispiel grundsätzlich die Möglichkeit besteht, eine der beiden Linsengruppen 103, 105 durch eine Einzellinse zu ersetzen.
Im Objektiv 200 des zweiten Ausführungsbeispiels befindet sich die Aperturblende 207 zwischen den beiden Wellenfrontmanipulatoren 209, 219. Sie könnte jedoch auch unmittelbar vor dem objektseitigen Wellenfrontmanipulator 209 oder unmittelbar hinter dem bildseitigen Wellenfrontmanipulator 219 angeordnet sein. Mit Hilfe der beiden Wellenfrontmanipulatoren können zwei verschiedene Bildfehler unabhängig voneinander durch induzieren entgegenwirkender Bildfehler korrigiert werden. Wenn die Wellenfrontmanipulatoren 209, 219 wie mit Bezug auf 1 beschrieben ausgebildet sind, können zwei monochromatische Bildfehler korrigiert werden, wenn sie wie mit Bezug auf 2 beschrieben, ausgebildet sind, können die Bildfehler darüber hinaus achromatisch korrigiert werden. Es besteht darin auch grundsätzlich die Möglichkeit, einen der beiden Wellenfrontmanipulatoren wie in 1 dargestellt auszubilden und einen der beiden Wellenfrontmanipulatoren wie in 2 dargestellt. Zudem besteht die Möglichkeit, mehr als zwei Wellenfrontmanipulatoren im adaptiven Objektiv anzuordnen, wodurch sich die Zahl der korrigierbaren Bildfehler weiter erhöht. Dabei gilt für jeden Wellenfrontmanipulator, dass er wie mit Bezug auf 1 beschrieben, ausgebildet sein kann, oder wie mit Bezug auf 2 beschrieben.
Das in 4 schematisch dargestellte Ausführungsbeispiel ermöglicht zwei unabhängig voneinander einstellbare Wellenfrontmanipulationen. Dies kann zur simultanen Kompensation der Änderungen von zwei Einflussgrößen herangezogen werden, bspw. zur Kompensation einer Verschiebung der Objektlage, typischerweise um ±200 μm (= ±400 RE), und einer Änderung des Brechungsindex eines zusammen mit dem Objektiv verwendeten Immersionsmediums. Der Brechungsindex schwankt dabei typischerweise im Bereich von 1.30 bis 1.38. Letzteres stellt den üblichen Bereich dar, in dem sich der Brechungsindex wässriger Lösungen bei leicht unterschiedlichen Salzgehalten und Temperaturen verändern kann. Mit den einstellbaren Wellenfrontmanipulatoren 209, 219 aus 4 können die Änderungen der beiden Einflussgrößen unabhängig voneinander kompensiert werden. Bei einer konstanten ersten Einflussgröße ist ein Kompensieren einer Änderung der zweiten Einflussgröße alleine durch Verstellen des der zweiten Einflussgröße zugeordneten Wellenfrontmanipulators möglich, und umgekehrt. Dabei hängt der Verstellweg in dem Wellenfrontmanipulator, der zum Kompensieren der einen Einflussgröße benötigt wird, vom Wert der zweiten Einflussgröße ab. So hängt bspw. der Verstellweg zum Kompensieren einer Verschiebung der Objektlage vom Wert des Brechungsindex des Immersionsmediums ab und umgekehrt. Im allgemeinen, insbesondere aber bei mehr als zwei zu kompensierenden Einflussgrößen, kann man ein parametrisches Modell erstellen, das auf einer mit dem Wellenfrontmanipulator oder den Wellenfrontmanipulatoren verbundenen Recheneinheit die notwendigen Stellgrößen ermittelt und die ermittelten Stellgrößen an den Wellenfrontmanipulator oder die Wellenfrontmanipulatoren ausgibt. Alternativ kann auch mit Nachschlagetabellen (Look-up Tables) gearbeitet werden, die in einer mit dem Wellenfrontmanipulator oder den Wellenfrontmanipulatoren verbundenen Steuereinheit hinterlegt sind. Die Nachschlagetabellen enthalten dann jeweils die erforderlichen Stellwege zur Kompensation der Änderung der Einflussgröße oder der Einflussgrößen. Die zur Kompensation der Änderung der Einflussgröße oder der Einflussgrößen nötigen Verstellwege des Wellenfrontmanipulators oder der Wellenfrontmanipulatoren können in der Praxis durch eine Optimierungsrechnung in einem Optikdesignprogramm ermittelt werden oder durch Kalibrierungsmessungen bestimmt werden, was noch exaktere Ergebnisse als eine Optimierungsrechnung liefert.
Nachfolgend werden konkrete Ausführungsbeispiele für erfindungsgemäße Objektive beschrieben. Diese sind jeweils als adaptive Objektive ausgebildet.
Als ein erstes konkretes Ausführungsbeispiel für ein optisches System mit einem erfindungsgemäßen Objektiv wird nachfolgend anhand der 5 bis 12 ein Mikroskop mit einem hochaperturigen Objektiv beschrieben. Das Objektiv ist ein erfindungsgemäß ausgestaltetes Immersionsobjektiv mit einer numerischen Apertur von 1,0 für Wasserimmersion mit einem dazugehörigen Wellenfrontmanipulator, der zur Refokussierung in Probentiefen von bis zu ±200 Rayleigh-Einheiten (RE) in physiologischer Kochsalzlösung (typisch für den Brechungsindex von Zellflüssigkeiten) ausgelegt ist. Der Refokussierungsbereich von ±200 RE innerhalb des Probenmediums entspricht bei einer mittleren Bezugswellenlänge von 546 nm einem Verstellbereich von ±100 μm. Das Objektiv weist ein objektseitiges Bildfeld mit einem Durchmesser von 1,0 mm auf. Zudem weist es eine Korrektion auf, die durchgehend über den gesamten Verstellbereich von ±200 RE beugungsbegrenzt ist.
Das Mikroskop des ersten Ausführungsbeispiels ist in 5 schematisch dargestellt. Es umfasst ein Objektiv 41, welches aus einer Mehrzahl von Objektivlinsen besteht und das ein von einem Beobachtungsobjekt 40 ausgehendes divergentes Strahlenbündel in ein kollimiertes Strahlenbündel umwandelt, sowie ein dem Objektiv 41 nachgeordnetes Tubuslinsensystem 43, welches zwei Achromaten umfasst. Mittels des Tubuslinsensystems 43 wird das kollimierte Strahlenbündel in der Bildebene 45 fokussiert.
Das Objektiv 41 umfasst in Richtung vom Objekt 40 zum Bild gesehen eine erste Linsenkombination 47, die nachfolgend vordere positive Linsengruppe genannt wird und die insgesamt eine derartige positive Brechkraft aufweist, dass sie ein von dem Beobachtungsobjekt 40 ausgehendes divergentes Strahlenbündel in ein kollimiertes Strahlenbündel umwandelt. Der vorderen positiven Linsengruppe 47 ist eine weitere Linsengruppe 49 mit positiver Brechkraft, im Folgenden mittlere positive Linsengruppe genannt, nachgeordnet, die das von der ersten positiven Linsengruppe 47 ausgehende kollimierte Strahlenbündel wieder konvergiert. Der mittleren positiven Linsengruppe 49 ist eine Konkavlinse 51 nachgeschaltet, die das von der mittleren positiven Linsengruppe ausgehende konvergente Strahlenbündel in ein divergentes Strahlenbündel umwandelt. Der Konkavlinse 51 ist noch eine weitere Linsengruppe 53 mit positiver Brechkraft, im Folgenden hintere positive Linsengruppe genannt, nachgeordnet, die aus dem von der Konkavlinse 51 ausgehenden divergenten Strahlenbündel wieder ein kollimiertes Strahlenbündel generiert. Die hintere positive Linsengruppe ist die abschließende Linsengruppe des Objektivs 41.
Im vorliegenden ersten konkreten Ausführungsbeispiel ist die erste Linsenkombination 47 objektseitig telezentrisch ausgebildet, wobei ihr Telezentriefehler 0,34° beträgt.
Die nachfolgende Tabelle 1 gibt an, wie gut im vorliegenden konkreten Ausführungsbeispiel die Sinusbedingung für die vordere positive Linsengruppe 47 erfüllt ist. NAO = n₀·sinσ₀ ist dabei die numerische Apertur im Objektraum, σ₀ der Strahlneigungswinkel des Randstrahls gegen die optische Achse OA, f_FG = –n₀·f'_FG die vordere (objektseitige) Brennweite der Frontlinsengruppe, n₀ der Brechungsindex des Immersionsmediums zwischen Objekt und Frontlinse, und h₁ die Einfallshöhe des Öffnungsstrahls. Wie man sieht, ist die Bedingung näherungsweise erfüllt. Die Abweichungen können zum Teil auch damit erklärt werden, dass die Bedingung eines kollimierten Strahlengangs am Wellenfrontmanipulator nicht ganz exakt eingehalten ist. Dies beachtend, muss die Übereinstimmung von h₁ und f_FG·sinσ₀ als sehr gut und somit signifikant angesehen werden. Tabelle 1
Zwischen der vorderen positiven Linsengruppe 47 und der mittleren positiven Linsengruppe 49 befindet sich ein Luftraum mit dem von der vorderen positiven Linsengruppe 47 ausgehenden kollimierten Strahlenbündel. In diesem Luftraum ist ein Wellenfrontmanipulator 57 angeordnet. Dieser umfasst zwei optische Komponenten 59, 61, welche senkrecht zur optischen Achse OA lateral und gegenläufig zueinander verschiebbar angeordnet sind. Bei den optischen Komponenten 59, 61 des Wellenfrontmanipulators 57 sind die Freiformprofile der derart ausgebildet, dass bei einer genläufigen Verschiebung der optischen Komponenten 59, 61 senkrecht zur optischen Achse OA um den betragsmäßig selben Verschiebeweg eine Variation des Defokus erfolgt. Im Bereich des Wellenfrontmanipulators befindet sich zudem noch eine Systempupille, also ein reelles Bild einer Aperturblende.
Der Wellenfrontmanipulator 57 erlaubt eine laterale Verschiebung seiner optischen Komponenten 59, 61 senkrechte zur optischen Achse um jeweils bis zu ±2,5 mm, wobei die Bewegung der beiden optischen Komponenten 59, 61 immer exakt gegenläufig zueinander erfolgt, so dass die Relativbewegung zwischen den beiden optischen Komponenten 59, 61 bis zu 5 mm beträgt. Die laterale Verschiebung der optischen Komponenten 59, 61 um jeweils bis zu ±2,5 mm ermöglicht eine Variation der Objektschnittweite von bis zu ±100 μm um die mittlere Objektschnittweite.
Es sei an dieser Stelle aber darauf hingewiesen, dass die Variation der Objektschnittweite um ±100 μm keine Grenze des machbaren darstellt. Vielmehr sind auch deutlich größere Wirkungen des Wellenfrontmanipulators realisierbar.
Im kollimierten Strahlenbündel zwischen der vorderen positiven Linsengruppe 47 und der mittleren positiven Linsengruppe 49 betragen die Neigungswinkel der Randstrahlen in Bezug auf die optische Achse OA weniger als 2°. Über den Einstellbereich der optischen Komponenten von jeweils ±2,5 mm variieren die Neigungswinkel der Randstrahlen zwischen 1,65° und 1,05°. Für nicht-achsparallele Strahlbündel kann an Stelle des Randstrahlneigungswinkels zur Systemachse der halbe Winkel zwischen den Komastrahlen (Begrenzungsstrahlen der Bündel) betrachtet werden.
Die Konstruktionsdaten des Mikroskops aus 5 sind in tabellarischer Form in 9 dargestellt, wobei die in 5 gezeigten Flächen in der Tabelle von links nach rechts durchnummeriert sind.
Neben dem Wellenfrontmanipulator weist das Objektiv ausschließlich sphärische Linsen auf, deren Oberfläche durch die übliche Scheitelpunktform der Kugelgleichung beschrieben wird:
Der Wellenfrontmanipulator umfasst genau zwei Freiformflächen, deren Form allgemein durch eine Polynomentwicklung gemäß Gleichung (1) beschrieben wird. Die Polynomkoeffizienten der beiden identischen Freiformflächen (Flächennummern 14 und 18 in 9) lauten:

X2Y: –5,6320E–05 Y3: –1,8852E–05 X4Y: 1,4094E–08

X2Y3: 9,3457E–09 Y5: 2,7650E–09 X6Y: 3,2102E–11

X4Y3: 3,3091E–11 X2Y5: 1,9355E–11 Y7: 4,6200E–12
Die Brechzahlen der optischen Medien bei den zur Auslegung betrachteten Wellenlängen lauten:
Das In den 6 bis 8 ist das Objektiv 41 mit den optischen Komponenten 59, 61 des Wellenfrontmanipulators 57 in drei verschiedenen Relativstellungen dargestellt, wobei die in 7 dargestellte Relativstellung die Neutralstellung ist, in der der Wellenfrontmanipulator 57 keinen Defokus induziert. In dieser Stellung beträgt der mittlere Scheitelabstand zwischen Frontlinse und Objektpunkt 2,0 mm, so dass das Objektiv eine Objektschnittweite von 2,0 mm besitzt. Die in 6 gezeigte Relativstellung der optischen Komponenten 59, 61 entspricht einer von 2,0 mm auf 1,9 mm verringerten Objektschnittweite und die in 8 gezeigte Stellungentspricht einer von 2,0 mm auf 2,1 mm vergrößerten Objektschnittweite. Da der Scheitelabstand im Medium „ NaCl0923” (physiologische Salzlösung) liegt, entspricht dies wahlweise einer Änderung der Fokussiertiefe in der Probe (Zelle) oder einer Änderung der Dicke des Immersionsfilms zwischen dem Deckglas (aus NK5) und dem Scheitel der objektseitigen Frontlinse der vorderen positiven Linsengruppe 47.
Die 10 bis 12 zeigen die in den 6 bis 8 dargestellten Stellungen des Wellenfrontmanipulators 57 auftretenden Bildfehler für Wellenlängen im Bereich zwischen 404 und 830 nm. Die vertikale Achse bezeichnet die geometrisch-optische Queraberration, wobei die Skala von –0,5 mm bis +0,5 mm reicht. Dabei zeigt die linke Seite, die in der Figur Y-Fan (Y-Fächer) bezeichnet ist, die Queraberration für ein Strahlenbündel in Abhängigkeit von der y-Koordinate des Öffnungsstrahls in der Austrittspupille, die rechte Seite, die in der Figur X-Fan (X-Fächer) bezeichnet ist, eine entsprechende Darstellung der Queraberration für das Strahlenbündel in Abhängigkeit von der x-Koordinate des Öffnungsstrahls in der Austrittspupille. Das Strahlenbündel weist dabei einen Achsstrahl als Hauptstrahl auf, d. h. der Hauptstrahl ist ein Strahl, der auf der optischen Achse des Objektivs 41 verläuft, also die x- und y-Koordinaten 0,0 aufweist und in der y-z-Ebene sowie in der x-z-Ebene jeweils den Einfallswinkel 0° bezogen auf die optische Achse besitzt. Der von dem optischen System aus 5 erzeugte Bildpunkt eines durch einen Achsstrahl als Hauptstrahl gekennzeichneten Strahlenbündels liegt dabei auf der optischen Achse. In den 10 bis 12 zeigt 10 die Bildfehler für die Wellenfrontmanipulatorstellung aus 6, 11 die Bildfehler für die Wellenfrontmanipulatorstellung aus 7 und 12 die Bildfehler für die Wellenfrontmanipulatorstellung aus 8. Der Fachmann erkennt leicht, dass das Objektiv 41 über den gesamten Einstellbereich des Wellenfrontmanipulators 57 hinweg eine praktisch beugungsbegrenzte Abbildung bereitstellt
Zur weiteren Illustration zeigen die 13 bis 15, welche typischen Wellenfrontfehler dagegen entstehen würden, wenn ein vergleichbar gut korrigiertes Objektiv ohne den Wellenfrontmanipulator 57 zur Abbildung mit einer gleich stark variierenden Objektschnittweite von ±100 μm eingesetzt werden würde und eine reine Refokussierung (Ausgleich des Defokus, aber ohne Kompensation der entstehenden Ordnungen an Sphärischer Aberration) mithilfe des Tubuslinsenabstands durchgeführt werden würde.
Als ein zweites konkretes Ausführungsbeispiel für ein optisches System mit einem erfindungsgemäßen Objektiv wird nachfolgend ein Mikroskop mit einem sehr hochaperturigen Objektiv (NA = 1,2) beschrieben.
Das Objektiv des Mikroskops ist ein erfindungsgemäß ausgelegtes Immersionsobjektiv für Wasserimmersion und einer objektseitigen numerischen Apertur von NAO = 1,2 mit einem dazugehörigen Wellenfrontmanipulator. Der Refokussierungsbereich innerhalb des Probenmediums beträgt hier bis zu ±50 μm, was bei einer mittleren Bezugswellenlänge von 546 nm einem Verstellbereich von ±132 RE entspricht. Das Objektiv weist eine 40-fache Vergrößerung und ein objektseitiges Bildfeld von 0.622 mm Durchmesser auf und ist über den gesamten Tiefeneinstellbereich im Wesentlichen beugungsbegrenzt korrigiert.
Das Mikroskop des zweiten Ausführungsbeispiels ist in 5 schematisch dargestellt. Es umfasst ein Objektiv 141, welches aus einer Mehrzahl von Objektivlinsen besteht und das ein von einem Beobachtungsobjekt 140 ausgehendes divergentes Strahlenbündel in ein kollimiertes Strahlenbündel umwandelt, sowie ein dem Objektiv 141 nachgeordnetes Tubuslinsensystem 143, welches das kollimierte Strahlenbündel in der Bildebene 145 fokussiert. Im Unterschied zum Tubuslinsensystem 43 des Mikroskops aus 5 besteht das Tubuslinsensystem 143 im vorliegenden Ausführungsbeispiel lediglich aus einer Einzellinse.
Das Objektiv 141 umfasst in Richtung vom Objekt 140 zum Bild gesehen eine erste Linsenkombination 147, die nachfolgend vordere positive Linsengruppe genannt wird und die insgesamt eine derartige positive Brechkraft aufweist, dass sie ein von dem Beobachtungsobjekt 140 ausgehendes divergentes Strahlenbündel in ein kollimiertes Strahlenbündel umwandelt. Der vorderen positiven Linsengruppe 147 ist eine weitere Linsengruppe 149 mit positiver Brechkraft, im Folgenden mittlere positive Linsengruppe genannt, nachgeordnet, die das von der ersten positiven Linsengruppe 147 ausgehende kollimierte Strahlenbündel wieder konvergiert. Der mittleren positiven Linsengruppe 149 ist eine Konkavlinse 151 nachgeschaltet, die das von der mittleren positiven Linsengruppe 149 ausgehende konvergente Strahlenbündel in ein divergentes Strahlenbündel umwandelt. Der Konkavlinse 151 ist noch eine weitere Linsengruppe 153 mit positiver Brechkraft, im Folgenden hintere positive Linsengruppe genannt, nachgeordnet, die aus dem von der Konkavlinse 151 ausgehenden divergenten Strahlenbündel wieder ein kollimiertes Strahlenbündel generiert. Die hintere positive Linsengruppe ist die abschließende Linsengruppe des Objektivs 141.
Im vorliegenden zweiten konkreten Ausführungsbeispiel ist die erste Linsenkombination 147 objektseitig telezentrisch ausgebildet, wobei ihr Telezentriefehler 0,77° beträgt.
Die nachfolgende Tabelle 2 gibt an, wie gut im vorliegenden konkreten Ausführungsbeispiel die Sinusbedingung für die vordere positive Linsengruppe 47 erfüllt ist. NAO = n₀·sinσ₀ ist dabei die numerische Apertur im Objektraum, σ₀ der Strahlneigungswinkel des Randstrahls gegen die optische Achse OA, f_FG = –n0·f'_FG die vordere (objektseitige) Brennweite der Frontlinsengruppe, n₀ der Brechungsindex des Immersionsmediums zwischen Objekt und Frontlinse, und h₁ die Einfallshöhe des Öffnungsstrahls. Wie man sieht, ist die Bedingung näherungsweise erfüllt. Die Abweichungen können zum Teil auch damit erklärt werden, dass die Bedingung eines kollimierten Strahlengangs am Wellenfrontmanipulator nicht ganz exakt eingehalten ist. Dies beachtend, muss die Übereinstimmung von h₁ und f_FG·sinσ₀ als sehr gut und somit signifikant angesehen werden. Tabelle 2
Zwischen der vorderen positiven Linsengruppe 147 und der mittleren positiven Linsengruppe 149 befindet sich ein Luftraum mit dem von der vorderen positiven Linsengruppe 147 ausgehenden kollimierten Strahlenbündel. In diesem Luftraum befindet sich ein erfindungsgemäßer Wellenfrontmanipulator 157. Dieser umfasst zwei optische Komponenten 159, 161, welche senkrecht zur optischen Achse OA lateral und gegenläufig zueinander verschiebbar angeordnet sind. Bei den optischen Komponenten 159, 161 des Wellenfrontmanipulators 157 sind die Freiformprofile der derart ausgebildet, dass bei einer genläufigen Verschiebung der optischen Komponenten 159, 161 senkrecht zur optischen Achse OA um den betragsmäßig selben Verschiebeweg eine Variation des Defokus erfolgt. Im Bereich des Wellenfrontmanipulators 157 befindet sich zudem noch eine Systempupille, also ein reelles Bild einer Aperturblende.
Der Wellenfrontmanipulator 157 ermöglicht eine laterale Verschiebung der optischen Komponenten 159, 161 senkrechte zur optischen Achse um jeweils bis zu ±2,0 mm, wobei die Bewegung der beiden optischen Komponenten 159, 161 immer exakt gegenläufig zueinander erfolgt, so dass die Relativbewegung zwischen den beiden optischen Komponenten 159, 161 bis zu 4 mm beträgt. Die laterale Verschiebung der optischen Komponenten 159, 161 um jeweils bis zu ±2,0 mm ermöglicht eine Variation der Objektschnittweite von bis zu ±50 μm um die mittlere Objektschnittweite. Es sei an dieser Stelle aber darauf hingewiesen, dass die Variation der Objektschnittweite um ±50 um keine Grenze des machbaren darstellt. Vielmehr sind auch deutlich größere Wirkungen des Wellenfrontmanipulators realisierbar.
Im kollimierten Strahlenbündel zwischen der vorderen positiven Linsengruppe 147 und der mittleren positiven Linsengruppe 149 betragen die Neigungswinkel der Randstrahlen in Bezug auf die optische Achse OA weniger als 2°. Über den Einstellbereich der optischen Komponenten von jeweils ±2,0 mm variieren die Neigungswinkel der Randstrahlen zwischen 0,20° und 1,31°. Für nicht-achsparallele Strahlbündel kann an Stelle des Randstrahlneigungswinkels zur Systemachse der halbe Winkel zwischen den Komastrahlen (Begrenzungsstrahlen der Bündel) betrachtet werden.
Die Konstruktionsdaten des Mikroskops aus 16 sind in tabellarischer Form in 9 dargestellt, wobei die in 16 gezeigten Flächen in der Tabelle von links nach rechts durchnummeriert sind.
Das Objektiv des Mikroskops weist neben dem Wellenfrontmanipulator und sphärischen Linsen auch zwei asphärische Flächen auf, die durch die übliche Scheitelpunktform einer Rotationsasphäre beschrieben werden:
die beiden asphärischen Flächen (Flächen 3 und 4 in der Tabelle von 20) weisen dabei folgende Asphärenkoeffizienten auf: Fläche 3:

A = –0,156746E–01 B = –0,119916E+00

C = 0,215754E+00 D = –0,204669E+00
Fläche 4:

A = 0,127444E–02 B = 0,404391E–04

C = 0,137145E–04 D = –0,103400E–05
Der Wellenfrontmanipulator umfasst genau zwei Freiformflächen auf, deren Form allgemein durch eine Polynomentwicklung gemäß Gleichung (1) beschrieben wird. Die Polynomkoeffizienten der beiden identischen Freiformflächen (Flächennummern 14 und 18 in 20) lauten:

X2Y: –1,2659E–04 Y3: –4,2124E–05 X4Y: –1,5024E–07

X2Y3: –9,7060E–08 Y5: –2,4566E–08 X6Y: –9,8928E–10

X4Y3: –8,7122E–10 X2Y5: –5,4991E–10 Y7: –1,4515E–10
Die Brechzahlen der optischen Medien bei den zur Auslegung betrachteten Wellenlängen lauten:
In den 17 bis 19 ist das Objektiv 141 mit den optischen Komponenten 159, 161 des Wellenfrontmanipulators 157 in drei verschiedenen Relativstellungen dargestellt, wobei die in 18 dargestellte Relativstellung die Neutralstellung ist, in der der Wellenfrontmanipulator 157 keinen Defokus induziert. Die in 17 gezeigte Relativstellung der optischen Komponenten 159, 161 entspricht einer Verringerung der Objektschnittweite um 50 μm und die in 19 gezeigte Stellungentspricht einer Vergrößerung der Objektschnittweite um 50 μm.
Die 21 bis 23 zeigen die in den 17 bis 19 dargestellten Stellungen des Wellenfrontmanipulators 57 auftretenden Bildfehler für Wellenlängen im Bereich zwischen 365 und 850 nm. Wie in den 10 bis 12 bezeichnet die vertikale Achse die geometrisch-optische Queraberration, wobei die Skala von –0,5 mm bis +0,5 mm reicht. Dabei zeigt die linke Seite, die in der Figur Y-Fan (Y-Fächer) bezeichnet ist, die Queraberration für ein Strahlenbündel in Abhängigkeit von der y-Koordinate des Öffnungsstrahls in der Austrittspupille, die rechte Seite, die in der Figur X-Fan (X-Fächer) bezeichnet ist, eine entsprechende Darstellung der Queraberration für das Strahlenbündel in Abhängigkeit von der x-Koordinate des Öffnungsstrahls in der Austrittspupille. Das Strahlenbündel weist dabei einen Achsstrahl als Hauptstrahl auf, d. h. der Hauptstrahl ist ein Strahl, der auf der optischen Achse des Objektivs 141 verläuft, also die x- und y-Koordinaten 0,0 aufweist und in der y-z-Ebene sowie in der x-z-Ebene jeweils den Einfallswinkel 0° bezogen auf die optische Achse besitzt. Der von dem optischen System aus 16 erzeugte Bildpunkt eines durch einen Achsstrahl als Hauptstrahl gekennzeichneten Strahlenbündels liegt dabei auf der optischen Achse. In den 21 bis 23 zeigt 21 die Bildfehler für die Wellenfrontmanipulatorstellung aus 17, 22 die Bildfehler für die Wellenfrontmanipulatorstellung aus 18 und 23 die Bildfehler für die Wellenfrontmanipulatorstellung aus 19. Der Fachmann erkennt leicht, dass das Objektiv 141 über den gesamten Einstellbereich des Wellenfrontmanipulators 157 hinweg eine praktisch beugungsbegrenzte Abbildung bereitstellt.
Die vorliegende Erfindung wurde anhand von Ausführungsbeispielen zu Illustrationszwecken näher erläutert. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr können Merkmale der einzelnen Ausführungsbeispiele auch miteinander kombiniert werden, sofern die Merkmale nicht im Widerspruch zueinander stehen. Zudem können Abwandlungen der einzelnen Ausführungsbeispiele vorgenommen werden. Die Erfindung soll daher lediglich durch die beigefügten Ansprüche beschränkt sein. Nachfolgend werden Beispiele für mögliche Abweichungen von den Ausführungsbeispielen dargelegt:
In den beschriebenen Ausführungsbeispielen die gegenläufige Verschiebung der optischen Komponenten des Wellenfrontmanipulators in y-Richtung, was in den Figuren einer Verschiebung senkrecht zur optischen Achse OA innerhalb der Zeichenebene entspricht. Dies ist jedoch nicht zwingend. Die Richtung der gegenläufigen Verschiebung kann in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse jede beliebige Orientierung aufweisen. Würde man bspw. eine Bewegung in x-Richtung statt in y-Richtung wählen, so wären in der Beschreibung der Freiformfläche die Potenzen von x und y entsprechend miteinander zu vertauschen. Bei beliebiger Lage der Schiebeachse relativ zum Systemkoordinatensystem ergäben sich für die völlig kongruente Freiformfläche formal komplett andere Koeffizienten, so dass die Koeffizienten immer in Verbindung mit dem gewählten Koordinatensystem zu sehen sind.
Die in den konkreten Ausführungsbeispielen beschriebenen Mikroskope wurden zusammen mit einem zwischen dem Objekt und dem Objektiv befindlichen Immersionsmedium benutzt, welches einen deutlich höheren Brechungsindex als Luft aufweist und so hohe numerische Aperturen der Objektive ermöglicht. Gängige Immersionsmedien weisen Brechungsindizes zwischen 1,3 und 2,1 auf. Häufig haben sie einen Brechungsindex im Bereich von etwa 1,3 bis 1,5. Der Wert des Brechungsindex kann dabei bspw. aufgrund von Temperatureinflüssen um bis zu 5% und mehr schwanken. Ein erfindungsgemäßes Objektiv kann aber auch in Mikroskopen ohne Immersionsmedium oder in anderen optischen Beobachtungsgeräten, etwa in Endoskopen, Verwendung finden.
In den Ausführungsbeispielen fanden Wellenfrontmanipulatoren als Pupillenfilter Verwendung. Anstelle eines Wellenfrontmanipulators oder zusätzlich zu einem Wellenfrontmanipulator kann aber auch wenigstens ein anderer Pupillenfilter Verwendung finden. Beispiele für geeignete Pupillenfilter sind Phasenmasken, etwa ringförmige Phasenplatten, wie man sie zur Ausführung des dem Fachmann bekannten Zernike-Phasenkontrastverfahrens einsetzt. Weitere Beispiele für geeignete Pupillenfilter sind Apodisationsfilter, Spektralfilter oder Spatial Light Modulators (SLM). Das erfindungsgemäße Objektiv ist dahingehend vorteilhaft, dass es einen quasi modularen Aufbau in Verbindung mit einem oder mehreren Pupillenfiltern ermöglicht.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 3305298 [0022]
US 3305294 [0081]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

I.M. Barton et al. „Diffractive Alvarez Lens” OPTICS LETTERS Vol. 25, No. 1, January 1, 2000 [0022]
Lohmann (vgl. Appl. Opt. Vol. 9, No 7, (1970), p. 1669–1671) [0080]

Claims

Objektiv (1, 100, 200) mit einer ersten Linseneinheit (3, 103, 203), wenigstens einer zweiten Linseneinheit (5, 105, 205) und einer reellen Pupille (7, 107, 207, wobei – die erste Linseneinheit (3, 103, 203) und die zweite Linseneinheit (5, 105, 205) entlang einer optischen Achse (OA) des Objektivs beabstandet voneinander angeordnet sind, so dass zwischen der ersten Linseneinheit (3, 103, 203) und der zweiten Linseneinheit (5, 105, 205) ein Zwischenraum vorhanden ist, und die zweite Linseneinheit (5, 105, 205) bildseitig zur ersten Linseneinheit (3, 103, 203) angeordnet ist; – die erste Linseneinheit (3, 103, 203) derart ausgestaltet ist, dass sie ein kollimiertes Strahlenbündel erzeugt; – sich die reelle Pupille (7, 107, 207) im Zwischenraum zwischen der ersten Linseneinheit (3, 103, 203) und der zweiten Linseneinheit (5, 105, 205) befindet.
Objektiv (1, 100, 200) nach Anspruch 1, in dem die erste Linseneinheit (3, 103, 203) für denjenigen Pupillenbereich, der sich zwischen 0% und 100% des Pupillenradius befindet, zumindest die Bedingung
erfüllt, wobei h₁ die Einfallshöhe des Öffnungsstrahls am Ort der Pupille, σ₀ den Strahlneigungswinkel des Randstahls gegen die optische Achse, F'_FG die objektseitige Brennweite der ersten Linseneinheit (3, 103, 203) an Luft und n₀ den Brechungsindex eines objektseitig an die erste Linseneinheit (3, 103, 203) angrenzenden Mediums bezeichnen.
Objektiv (1, 100, 200) nach Anspruch 2 in dem die erste Linseneinheit (3, 103, 203) für denjenigen Pupillenbereich, der sich zwischen 0 und 71% des Pupillenradius befindet, zumindest die Bedingung:
erfüllt.
Objektiv (100) nach Anspruch oder Anspruch 2 oder Anspruch 3, in dem die erste Linseneinheit (103) eine asphärische Linse (113) umfasst.
Objektiv (1, 100, 200) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, in dem die erste Linseneinheit (3, 103, 203) objektseitig telezentrisch ausgebildet ist.
Objektiv (1, 100, 200) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, in dem im Zwischenraum zwischen der ersten Linseneinheit (3, 103, 203) und der zweiten Linseneinheit (5, 105, 205) wenigstens ein Pupillenfilter (9, 19, 109, 209, 219) angeordnet ist.
Objektiv (1, 100, 200) nach Anspruch 6, in dem als ein Pupillenfilter wenigstens ein Wellenfrontmanipulator (9, 19, 109, 209, 219) im Zwischenraum zwischen der ersten Linseneinheit (3, 103, 203) und der zweiten Linseneinheit (5, 105, 205) angeordnet ist, und der Wellenfrontmanipulator (9, 19, 109, 209, 219) eine erste optische Komponente (11, 21) mit mindestens einer refraktiven Freiformfläche (15, 25) oder einer diffraktiven Fläche und zumindest eine zweite optische Komponente (13, 23) mit mindestens einer refraktiven Freiformfläche (17, 27) oder einer diffraktiven Fläche umfasst, wobei die erste optische Komponente (11, 21) und die zweite optische Komponente (13, 23) entlang der optischen Achse (OA) hintereinander und jeweils in einer Bewegungsrichtung senkrecht zur optischen Achse (OA) relativ zueinander bewegbar angeordnet sind.
Objektiv (1, 100, 200) nach Anspruch 7, in dem sich zwischen der ersten optischen Komponente (21) und der zweiten optischen Komponente (23) des Wellenfrontmanipulators (19) ein die beiden Komponenten kontaktierendes Immersionsmedium befindet.
Objektiv (1, 100, 200) nach Anspruch 8, in dem das Immersionsmedium eine Flüssigkeit oder ein elastischer Optokitt ist.
Objektiv (1, 100, 200) nach einem der Ansprüche 8 oder 9, in dem das Immersionsmedium einen von der Normalgeraden abweichenden Dispersionsverlauf aufweist.
Objektiv (1, 100, 200) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, in dem das Material der ersten optischen Komponente (21) und der zweiten optischen Komponente (23) des Wellenfrontmanipulators (19) einen von der Normalgeraden abweichenden Dispersionsverlauf aufweisen.
Objektiv (1, 100, 200) nach einem der Ansprüche 7 bis 11, in dem sich die reelle Pupille zwischen der ersten optischen Komponente (11, 21) und der zweiten optischen Komponente (13, 23) des Wellenfrontmanipulators (9, 19, 109, 209, 219) befindet.
Objektiv (1, 100, 200) nach Anspruch einem der Ansprüche 6 bis 12, in dem im Zwischenraum zwischen der ersten Linseneinheit (3, 103, 203) und der zweiten Linseneinheit (5, 105, 205) als ein Pupillenfilter wenigstens eines der folgenden optischen Elemente angeordnet ist: eine Phasenmaske, ein Apodisationsfilter, ein Spektralfilter oder ein räumlicher Modulator für Licht.
Objektiv (1, 100, 200) nach einem der Ansprüche 6 bis 13, in dem wenigstens ein zweiter Pupillenfilter (219) zwischen der ersten Linseneinheit (203) und der zweiten Linseneinheit (205) angeordnet ist.
Objektiv (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, in dem die die zweite Linseneinheit (105) afokal ausgebildet ist.
Objektiv (1, 100, 200) nach einem der Ansprüche 1 bis 15, welches eine numerische Apertur von mindestens 0,8 besitzt.
Objektiv (1, 100, 200) nach Anspruch 16, welches als Mikroskopobjektiv zum Zusammenwirken mit einem objektseitig an die erste Linseneinheit (3, 103, 203) angrenzenden Immersionsmedium ausgebildet ist.
Optisches Beobachtungsgerät mit einem Objektiv (41, 141) nach einem der vorangehenden Ansprüche.
Optisches Beobachtungsgerät nach Anspruch 19, welches außerdem wenigstens eine dritte Linseneinheit (43, 143) umfasst, die bildseitig vom Objektiv (41, 141) angeordnet ist und zusammen mit dem Objektiv (41, 141) ein reelles Zwischenbild erzeugt.
Optisches Beobachtungsgerät nach Anspruch 20, in dem die dritte Linseneinheit (41, 141) eine Tubuslinsengruppe ist.