DE102014112199A1

DE102014112199A1 - Mikroskopisches Abbildungssystem

Info

Publication number: DE102014112199A1
Application number: DE102014112199.6A
Authority: DE
Inventors: Thomas Nobis; Jörg Petschulat; Wolfgang Singer
Original assignee: Carl Zeiss Microscopy GmbH
Current assignee: Carl Zeiss Microscopy GmbH
Priority date: 2014-08-26
Filing date: 2014-08-26
Publication date: 2016-03-03
Also published as: US10359612B2; JP2016045500A; CN105388605A; US20160062111A1; CN105388605B; JP6599692B2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein mikroskopisches Abbildungssystem zur weitfeldmikroskopischen Abbildung einer Probe. Ein solches Abbildungssystem umfasst einen Strahlengang mit einem Objektiv (1), ein dem Objektiv (1) in Bezug auf die Probe nachgeordnetes Tubuslinsensystem (3) sowie ein Übertragungssystem (5) mit einer objektivseitigen Komponente (6) und einer bildseitigen Komponente (7). Die objektivseitige Komponente (6) umfasst mindestens eine erste objektivseitige Linsengruppe (8) und eine davon beabstandete zweite objektivseitige Linsengruppe (9). Außerdem umfasst die bildseitige Komponente (7) mindestens eine erste bildseitige Linsengruppe (10) und eine davon beabstandete zweite bildseitige Linsengruppe (11). Das Übertragungssystem (5) bildet die Austrittspupille (2) des Objektivs (1) in eine Pupillenebene (12) zwischen der objektivseitigen Komponente (6) und der bildseitigen Komponente (7) ab. Gleichzeitig bildet das Übertragungssystem (5) ein Bild der Probe von einer Zwischenbildebene (4) in eine Bildebene (13) ab. Das Abbildungssystem umfasst außerdem ein adaptives optisches Element (14), welches in der Pupillenebene (12) zwischen der objektivseitigen Komponente und der bildseitigen Komponente angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein mikroskopisches Abbildungssystem zur weitfeldmikroskopischen Abbildung einer Probe. Das Abbildungssystem umfasst einen Strahlengang mit einem Objektiv und ein dem Objektiv in Bezug auf die Probe nachgeordnetes Tubuslinsensystem. Das Abbildungssystem umfasst außerdem ein Übertragungssystem mit einer objektivseitigen Komponente und einer bildseitigen Komponente.
Um feldunabhängige Manipulationen im Strahlengang vorzunehmen, müssen dazu ausgelegte Manipulationselemente – beispielsweise Phasenplatten – im Strahlengang in einer zur Objektivpupille konjugierten Ebene angeordnet werden. Da die Schnittweiten der Austrittspupillen bei den meisten Objektiven negativ sind, sich also die Austrittspupillen der Objektive virtuell im Inneren des Objektivs befinden, ist die Objektivpupille ohne ein Übertragungssystem bei herkömmlichen ein- oder zweistufigen mikroskopischen Abbildungssystemen zur weitfeldmikroskopischen Abbildung einer Probe nicht zugänglich.
Ein mikroskopisches Abbildungssystem mit einem Übertragungssystem, welches eine gezielte Pupillenmanipulation außerhalb des Objektivs erlaubt, ist beispielsweise in der US 5,808,791 beschrieben. Das dort gezeigte Übertragungssystem weist eine objektivseitige und eine bildseitige Komponente auf, dazwischen ist ein Pupillenmodulator – beispielsweise eine Phasenplatte oder ein Element zur Kontrastmodulation – angeordnet, und zwar in einer Ebene, in welche die Objektivpupille abgebildet wird. Die bildseitige Komponente kann dabei aus zwei Linseneinheiten aufgebaut sein. Bei dem Pupillenmodulationselement handelt es sich um ein statisches Element.
In der US 5,959,772 wird ein optisches Übertragungssystem mit variabler Vergrößerung – d.h. mit einer Zoomfunktion – beschrieben. Dieses bildet ein Zwischenbild in eine Bildebene ab, in welcher eine Kamera positioniert sein kann. Das Übertragungssystem besteht aus fünf Linsengruppen. Eine erste Linsengruppe ist auf das Zwischenbild fokussiert und kollimiert daher die von dort ausgehenden Strahlen. Weitere drei Linsengruppen bilden zusammen das variable Vergrößerungssystem, die beiden äußeren Linsengruppen sind entlang der optischen Achse verschiebbar angeordnet. Eine vierte Linsengruppe bildet schließlich den kollimierten Strahlengang auf die Bildebene ab. Eine Pupillenmanipulation ist hier nicht vorgesehen.
In der US 7,952,800 wird ein optisches Übertragungssystem ebenfalls mit variabler Vergrößerung beschrieben. Das dort offenbarte Übertragungssystem bildet ein Zwischenbild vergrößert auf eine Bildebene ab, gleichzeitig ist das System so ausgelegt, dass sich die Lagen der Eintritts- und der Austrittspupille beim Zoomen nur minimal ändern. Es besteht aus fünf Linsengruppen, vier davon sind objektivseitig, d.h. zwischen Objektiv und einer Pupillenebene innerhalb des Übertragungssystems angeordnet, wobei drei der vier Linsengruppen gegenüber den anderen und zueinander verschoben werden können, um die Zoom-Funktion sicherzustellen. Bildseitig, d.h. zwischen der Pupillenebene und der Bildebene bzw. Austrittspupille ist eine fünfte Linsengruppe, bestehend aus einem Kittglied angeordnet.
Üblicherweise erlauben solche Übertragungssysteme die Anwendung nur bei kleineren Bildfeldern, als sie in der Weitfeldmikroskopie verwendet werden, zudem sind sie nur für einen engen Spektralbereich ausgelegt.
In den vergangenen Jahren sind darüber hinaus adaptive Elemente, wie beispielsweise Membranspiegel oder räumliche Lichtmodulatoren (spatial light modulators, SLM) kontinuierlich technisch verbessert worden, so dass sie nun grundsätzlich auch in der kommerziellen Weitfeldmikroskopie eingesetzt werden können und dabei zur Korrektur von optischen Aberrationen, für spezielle Kontrastverfahren und zur schnellen Fokussierung eingesetzt werden, um nur einige Beispiele zu nennen. Ein Beispiel dafür ist in der US 7,764,433 beschrieben. Um eine feldunabhängige Wirkung des adaptiven optischen Elements zu gewährleisten, ist dies in einer Pupillenebene platziert und kann beispielsweise dazu verwendet werden, in Abhängigkeit von der Schärfentiefe sphärische Aberrationen zu korrigieren. Das adaptive optische Element ist dazu in einer zur Objektivebene konjugierten Ebene positioniert, wo die Position jedes Lichtstrahls nur davon abhängig ist, unter welchem Winkel der Lichtstrahl die Probe verlässt. Zu diesem Zwecke verfügt die in der US 7,764,433 beschriebene Anordnung ebenfalls über ein Übertragungssystem, welches hier jeweils nur eine objektivseitige und eine bildseitige Linse aufweist, zwischen denen sich das adaptive optische Element befindet. Im einfachsten Fall handelt es sich dabei um ein sogenanntes 4f-System, wobei die Übertragungslänge dem Doppelten der beiden Brennweiten der Linsen des Übertragungssystems entspricht.
Mit einem solchen System ist jedoch keine umfassende Farbkorrektur für große Spektralbereiche möglich, auch lassen sich Farbfehler in Bezug auf das Bildfeld nicht oder nur ungenügend korrigieren. Das System ist darüber hinaus aus nicht für den Betrieb von reflexiven adaptiven optischen Elementen ausgelegt, bei denen durch einen schrägen Einfall am oder Austritt vom adaptiven Element weitere Aberrationen auftreten können. Farbabhängige Aberrationen treten auch bei der Nutzung eines adaptiven optischen Elements dann auf, wenn die Pupillenposition für unterschiedliche Lichtfarben nur mit einer endlichen Genauigkeit getroffen wird bzw. die Pupillengröße nicht passgenau ausgefüllt wird; diese Aberrationen sind um so größer, je größer der Feldwinkel ist, welcher in der Weitfeldmikroskopie wiederum besonders groß ist.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein mikroskopisches Abbildungssystem zu entwickeln, welches für ein großes Sehfeld ausgelegt ist und eine achromatische Farbkorrektur der Pupillenabbildung über einen breiten Spektralbereich gewährleisten.
Bei einem mikroskopischen Abbildungssystem der eingangs beschriebenen Art, welches diese Aufgabe löst, umfassen sowohl die objektivseitige Komponente als auch die bildseitige Komponente des Übertragungssystems jeweils mindestens zwei Linsengruppen. Genauer umfasst die objektivseitige Komponente mindestens eine erste objektivseitige Linsengruppe und eine davon beabstandete zweite objektivseitige Linsengruppe, und umfasst die bildseitige Komponente mindestens eine erste bildseitige Linsengruppe und eine davon beabstandete zweite bildseitige Linsengruppe. Das Übertragungssystem bildet dabei die Austrittspupille des Objektivs in eine Pupillenebene zwischen der objektivseitigen Komponente und der bildseitigen Komponente ab, diese Pupillenebene ist daher zur Austrittspupille des Objektivs konjugiert. Außerdem bildet das Übertragungssystem ein Bild der Probe von einer Zwischenbildebene in eine Bildebene ab. In der Bildebene kann sich beispielsweise eine Kamera oder eine andere Detektionseinheit, auch ein Okular, befinden. Das mikroskopische Abbildungssystem umfasst außerdem ein adaptives optisches Element, welches in der Pupillenebene zwischen der objektivseitigen Komponente und der bildseitigen Komponente angeordnet ist. Bei dem adaptiven optischen Element kann es sich beispielsweise um einen Membranspiegel oder einen räumlichen Lichtmodulator handeln.
Durch die Verwendung von vier Linsengruppen – zwei auf jeder Seite des adaptiven optischen Elements in der Pupillenebene – lassen sich einerseits eine mindestens achromatischkorrigierte Pupillenabbildung in longitudinaler (axialer) und transversaler (lateraler) Richtung gewährleisten sowie eine ebenfalls longitudinal und transversal mindestens achromatisch korrigierter Objektabbildung des Zwischenbildes auf dem Kameraausgang. Dadurch, dass sowohl objektivseitig als auch bildseitig mehrere Linsengruppen verwendet werden und durch die Kombination mindestens einer positiv brechenden mit einer negativ brechenden Linse in jeweils einer oder mehrerer der Linsengruppen lassen sich die Korrekturen erreichen.
Um den Einfallswinkel dabei zu minimieren müssen die Abstände zwischen der zweiten objektivseitigen Linsengruppe und dem adaptiven optischen Element einerseits sowie dem adaptiven optischen Element und der ersten bildseitigen Linsengruppe andererseits möglichst groß sein, typischerweise liegen die Abstände in einem Bereich zwischen 50 mm und 200 mm. Der Abstand zwischen dem Zwischenbild und der ersten objektivseitigen Linsengruppe liegt zwischen –100 mm und 100 mm, d.h. diese Linsengruppe kann vor oder hinter dem Zwischenbild positioniert sein. Der Abstand zwischen der zweiten bildseitigen Linsengruppe und der Bildebene, die meist der Kameraebene entspricht, liegt zwischen 20 mm und 100 mm. Indem der Abstand zwischen der Zwischenbildebene und der ersten objektivseitigen Linsengruppe hinreichend negativ, etwa im Bereich um –50 mm gewählt wird, und der Abstand zwischen der zweiten objektivseitigen Linsengruppe und dem adaptiven optischen Element im Bereich um 100 mm gewählt wird, lässt sich die Übertragungslänge verglichen mit einer einfachen Lösung, die nur aus je einer objektivseitigen und einer bildseitigen Linse besteht, um etwa 20 % bis 50 % reduzieren, was es ermöglicht, das Übertragungssystem beispielsweise als Modul in den Strahlengang einzubringen und aus diesem auch wieder zu entfernen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die objektivseitigen Linsengruppen hinsichtlich chromatischer Längs- und Queraberrationen des Tubuslinsensystems und / oder des Objektivs in Bezug auf die Abbildung der Austrittspupille des Objektivs in die Pupillenebene mindestens bis zu einer vorgegebenen Fehlersignatur korrigierend, bevorzugt kompensierend ausgebildet.
Ergänzend oder alternativ sind die bildseitigen Linsengruppen chromatische Längs- und Queraberrationen in Bezug auf die Abbildung der Probe von der Zwischenbildebene in die Bildebene mindestens bis zu einer vorgegebenen Fehlersignatur korrigierend, bevorzugt kompensierend ausgebildet.
Diese Korrekturen werden ermöglicht, da die objektivseitige Komponente und die bildseitige Komponente des Übertragungssystems jeweils Linsengruppen aus mehreren, mindestens zwei Linsen umfassen, und nicht nur einzelne Linsen. Kombiniert man eine Linse mit positiver Brechkraft mit einer Linse, welche eine negative Brechkraft hat, so entsteht im Endeffekt ein fiktives Medium mit einer beliebig steuerbaren Abbezahl, je nach Wahl der einzelnen Gläser. Erfolgt die Kompensation nicht vollständig, so erfolgt sie jedoch mindestens in dem Maße, dass eine vorgegebene Fehlersignatur erreicht wird, d.h. eine bestimmte Farbfehlersignatur für eine Objektivklasse entsprechend einer Qualitätsstufe.
Durch die Verwendung mehrerer Linsengruppen sowohl in der objektiv- als auch in der bildseitigen Komponente lässt sich die Behandlung der chromatischen Längs- und Queraberrationen für die Pupillenabbildung einerseits und für die Objektabbildung andererseits trennen, so dass diese Fehler individuell für Pupillenabbildung und Objektabbildung vollständig korrigiert werden können, wobei jedoch gleichzeitig die Anzahl der verwendeten Linsen überschaubar bleibt. Der für die Korrektur zu treibende technische Aufwand bleibt daher in einem vertretbaren Rahmen.
In einer einfachen Ausgestaltung sind eine oder mehrere der objektivseitigen und / oder bildseitigen Linsengruppen jeweils als Kittglied ausgestaltet, was den Aufwand der zu justierenden Komponenten verringert, allerdings auch die Einstellmöglichkeiten reduziert.
Sind die Linsengruppen nicht zu Kittgliedern verbunden, oder werden zusätzliche Linsen verwendet, so lassen sich bevorzugt auch solche Aberrationen korrigieren, die bei großen Feldwinkeln, wie sie bei der Weitfeldmikroskopie z.B. bei Sehfeldzahlen von mehr als 15 mm üblich sind, auftreten.
Ist die Tubuslinse bereits vollständig achromatisiert, so müssen die Linsengruppen der objektivseitigen Komponente nur die in der Regel sehr geringen Farbfehler der Objektivpupille korrigieren, sie sind daher ebenfalls nahezu achromatisiert. In diesem Falle müssen effektive Abbezahlen mit einem Betrag größer als 150 verwendet werden, was sich mit entsprechenden Kittgliedern oder Linsengruppen erreichen lässt.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist das Übertragungssystem entlang des Strahlengangs verschiebbar angeordnet. Auf diese Weise kann das Übertragungssystem an eine ortsabhängige Objektivpupillenposition angepasst werden. Auch eine Fokusbewegung des Objektivs kann auf diese Weise ausgeglichen werden. In beiden Fällen bleibt die Lage der Bildebene unverändert. Das Übersetzungsverhältnis ist dabei vom Pupillenabbildungsmaßstab abhängig, bei einer Abbildung im Maßstab 1:1 werden objektivseitige und bildseitige Komponenten in die gleiche Richtung um den gleichen Betrag bewegt. Die Bewegung beider Komponenten im entsprechenden Übersetzungsverhältnis zueinander kann durch ein entsprechendes Getriebe oder auch elektronisch sichergestellt werden.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist das Übertragungssystem mit dem adaptiven optischen Element rotationssymmetrisch um die optische Achse aufgebaut. Die optische Achse des Übertragungssystems stimmt dabei nicht mit der Lage der optischen Achse in den übrigen Bereichen des Abbildungssystems überein: Bildebene bzw. Kamera und Tubuslinsensystem sowie Zwischenbildebene sind in diesem Fall dezentriert bzgl. der optischen Achse des Übertragungssystems angeordnet, jedoch zentriert auf der optischen Achse des jeweiligen Teilsystems Kamera bzw. Objektiv und Tubuslinsensystem. Auf diese Weise lassen sich die Einfallswinkel am adaptiven Element weiter verringern, da das am adaptiven Element reflektierte Licht nicht an mechanischen Fassungen vorbeigeführt werden muss. In diesem Fall wird das einfallende Licht am adaptiven optischen Element so reflektiert, dass es durch die gleichen optischen Elemente wieder zurücktritt, die objektseitige Komponente stimmt dann mit der bildseitigen Komponente bautechnisch überrein, jedoch durchlaufen die Strahlen die bildseitige Komponente in umgekehrter Reihenfolge in Bezug auf das Durchlaufen der objektseitigen Komponente. Die Linsen werden dafür in entsprechender Größe konzipiert, so dass die Strahlen vom Objektiv zum adaptiven optischen Element zunächst jeweils durch eine Hälfte jeder Linse durchlaufen und auf dem Rückweg jeweils die jeweils andere Hälfte einer jeder Linse durchlaufen. In Bezug auf die optische Achse des Übertragungssystems sind das Objektiv, das Tubuslinsensystem einerseits und die Bildebene andererseits einander nicht überlappend dezentriert in Bezug auf die optische Achse des Übertragungssystems einschließlich des adaptiven optischen Elements angeordnet. Bei rotationssymmetrisch geformten Linsen muss dann entweder die Pupillenkorrektur oder die Objektabbildung auf andere Weise als mit dem Übertragungssystem erzeugt werden, wenn die optischen Achsen wieder mit der Tubusoptik übereinstimmen, d.h. außerhalb des Übertragungssystems.
Bei der eben beschriebenen symmetrischen Ausführung des Übertragungssystems muss das Licht weiterhin mit einem von Null verschiedenen Winkel auf das adaptive optische Element fallen, um vom einen Teil des Strahlengangs in den anderen gelenkt zu werden. Verwendet man das adaptive optische Element zur Fokusverschiebung, indem ihm eine sphärische oder parabolische Krümmung aufgeprägt wird, so entsteht feldabhängiger Astigmatismus. Da die Symmetrieachsen des Übertragungssystems und des adaptiven optischen Elements übereinstimmen, und da der Astigmatismus einer bekannten Optik schnittweitenabhängig ist, lässt sich ein rotationssymmetrisches Übertragungssystem so auslegen, dass der am adaptiven Element erzeugte Astigmatismus für eine bestimmte Defokussierung vom Übertragungssystem selbst kompensiert wird. Auf diese Weise lässt sich der mit Hilfe des adaptiven Elements sauber einstellbare Fokusbereich weiter erhöhen.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung lassen darüber hinaus die Anpassung der Pupillenabbildung an verschiedene Größen der Objektivpupille zu. Beispielsweise kann im Strahlengang dem Übertragungssystem ein erstes Teleskop vorgeordnet und ein zweites Teleskop nachgeordnet sein. Das Teleskop kann auswechselbar gestaltet sein, um eine Anpassung an verschiede Objektive zu ermöglichen. Das Übertragungssystem muss dabei nicht unbedingt ausgewechselt werden. Bei einem modularen Aufbau lassen sich auch ohne Verwendung von Teleskopen für verschiedene Objektive verschiedene Übertragungssysteme bereit stellen, diese können dann bei Wechsel des Objektivs im Revolver entsprechend ein- bzw. ausgewechselt werden, beispielsweise nach Art eines Einschubmoduls in eine Zwischenbildschnittstelle. Die Teleskope sind bevorzugt achromatisiert. Das erste Teleskop ist dabei so angeordnet, dass sich das Zwischenbild im Strahlengang des Teleskops befindet, so dass nur eine Vergrößerung des Zwischenbildes bewirkt wird, nicht jedoch Fokus- oder Pupillenlage verändert werden. Das zweite Teleskop befindet sich im Strahlengang zwischen der bildseitigen Komponente des Übertragungssystems und der Bildebene.
Während mit den eben genannten Komponenten eine diskrete Anpassung an verschiedene Pupillengrößen vorgenommen werden kann, beispielsweise durch Wechsel der Teleskope, ist es auch möglich, die Teleskope als Zoomteleskope mit mehr als 2 Linsen auszugestalten, die dann ebenfalls achromatisiert sind und eine kontinuierliche Anpassung der Pupillengröße an die Objektivpupille verschiedener Objektive erlauben.
Auch kann das Übertragungssystem selbst als Zoomoptik ausgestaltet sein, die vorangehend beschriebenen Farbkorrekturen der Pupillenabbildung bzw. der Objektabbildung müssen dann aber außerhalb in Optiken erfolgen, die dem Zoomsystem vor- und nachgeschaltet sind. Auch in diesem Fall kann das adaptive optische Element als spiegelndes Element ausgestaltet sein sowie das Zoomsystem rotationssymmetrisch um die Längsachse, so dass sowohl der ein- als auch der ausfallende Strahlengang durch dieselben Linsen, jedoch auf verschiedenen Seiten geführt werden.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in den angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung einsetzbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Nachfolgend wird die Erfindung beispielsweise anhand der beigefügten Zeichnungen, die auch erfindungswesentliche Merkmale offenbaren, noch näher erläutert. Es zeigen:
1 eine erste Ausgestaltung eines mikroskopischen Abbildungssystems,
2 eine zweite Ausgestaltung eines mikroskopischen Abbildungssystems,
3 eine dritte Ausgestaltung eines mikroskopischen Abbildungssystems mit verschiebbaren Komponenten,
4a ein axial rotationssymmetrisch aufgebautes Übertragungssystem,
4b die Wirkung eines adaptiven optischen Elements im Strahlengang,
5a eine weitere Ausgestaltung eines rotationssymmetrischen Übertragungssystems in einer Grundstellung,
5b dasselbe Übertragungssystem wie in 5a) in einer Arbeitsstellung,
6 ein mikroskopisches Abbildungssystem, bei dem zusätzlich zum Übertragungssystem Teleskope im Strahlengang wechselbar angeordnet sind,
7 ein mikroskopisches Abbildungssystem, bei dem als Zoomteleskope ausgestaltete Teleskope im Strahlengang angeordnet sind,
8 eine Ausgestaltung eines mikroskopischen Abbildungssystems, bei dem das Übertragungssystem als Zoomsystem ausgestaltet ist, und
9 ein Abbildungssystem, bei dem das Zoomsystem rotationssymmetrisch um eine optische Achse aufgebaut ist und dieselben Linsen für ein- und ausfallenden Strahlengang verwendet werden.
In 1 ist der grundlegende Aufbau der wesentlichen Elemente eines mikroskopischen Abbildungssystems zur weitfeldmikroskopischen Abbildung einer Probe dargestellt. Der in 1 gezeigte Strahlengang weist auf seiner linken Seite einer nicht gezeigten Probe am nächsten gelegen zunächst ein Objektiv 1 auf. Das Objektiv 1 weist eine negative Schnittweite einer Austrittspupille 2 auf, die Austrittspupille 2 befindet sich also virtuell im Innern des Objektivs 1. Dem Objektiv 1 in Bezug auf die Probe nachgeordnet ist ein Tubuslinsensystem 3. Mit diesem wird ein Bild der Probe in eine Zwischenbildebene 4 abgebildet. Dem Tubuslinsensystem 3 in Bezug auf die Probe nachgeordnet ist ein Übertragungssystem 5 mit einer objektivseitigen Komponente 6 und einer bildseitigen Komponente 7. Die objektivseitige Komponente 6 umfasst mindestens zwei Linsengruppen, hier eine erste objektivseitige Linsengruppe 8 und eine davon beabstandete zweite objektivseitige Linsengruppe 9. Die bildseitige Komponente 7 umfasst ebenfalls mindestens zwei Linsengruppen, hier eine erste bildseitige Linsengruppe 10 und eine davon beabstandete zweite bildseitige Linsengruppe 11. Das Übertragungssystem 5 ist dabei so ausgestaltet, dass es die Austrittspupille 2 des Objektivs 1 in eine Pupillenebene 12 zwischen der objektivseitigen Komponente 6 und der bildseitigen Komponente 7 abbildet und gleichzeitig ein Bild der Probe von der Zwischenbildebene 4 in eine Bildebene 13 abbildet. In der Pupillenebene 12 zwischen der objektseitigen Komponente 6 und der bildseitigen Komponente 7 ist ein adaptives optisches Element 14 angeordnet, welches beispielsweise als räumlicher Lichtmodulator ausgestaltet sein kann. Im vorliegenden, in 1 gezeigten Fall ist es lichtdurchlässig, es kann aber auch als Spiegel, beispielsweise als Membranspiegel ausgestaltet sein. Das adaptive optische Element 14 befindet sich in einer zur Objektivpupille konjugierten Ebene, der Pupillenebene 12, so dass seine Wirkung feldunabhängig ist. Das Übertragungssystem 5 kann so konzipiert sein, dass es als Modul in den Strahlengang einbringbar, beispielsweise an eine vorhandene Zwischenbildschnittstelle ankoppelbar ist. Es kann dann in Abhängigkeit vom verwendeten Objektiv auch gewechselt werden.
Die erste objektivseitige Linsengruppe 8 und die zweite objektivseitige Linsengruppe 9 korrigieren bei der Abbildung der Objektivpupille in die Pupillenebene chromatische Längs- und Queraberrationen des Tubuslinsensystems 3 und des Objektivs 1 in Bezug auf die Abbildung der Austrittspupille 2 des Objektivs 1 in die Pupillenebene 12. Die Korrektur erfolgt dabei mindestens bis zu einer vorgegebenen Fehlersignatur, bevorzugt kompensiert die Korrektur die beiden Fehler jedoch vollständig.
Die Pupillenkorrektur, d.h. die Korrektur der Längs- und Queraberrationen des Tubuslinsensystems und des Objektivs 1 führt jedoch dazu, dass bei der Übertragung des ursprünglich bereits durch Elemente im Objektiv 1 und dem Tubuslinsensystem 3 korrigierten Zwischenbildes ebenfalls chromatische Längs- und Queraberrationen auftreten. In der Pupillenebene 12 sind diese Aberrationen jedoch im vorliegenden Fall für die feldunabhängige Manipulation nicht störend. Eine Korrektur muss daher nicht bereits mit den Linsen der objektivseitigen Komponente 6 vorgenommen werden, was technisch aufwendig wäre und mehr Linsen erfordern würde.
Die Korrektur der chromatischen Längs- und Queraberrationen in Bezug auf die Abbildung der Probe von der Zwischenbildebene in die Bildebene erfolgt daher durch die bildseitigen Linsengruppen 9 und 10. Auch hier wird der Fehler bevorzugt vollständig kompensiert, mindestens jedoch bis zu einer vorgegebenen Fehlersignatur korrigiert. Auf diese Weise lässt sich insbesondere der Farbquerfehler aufgrund der farbabhängigen Pupillenlage bei dem vorhandenen Tubuslinsensystem 3 korrigieren.
Bei der in 1 gezeigten Ausführung sind die objektivseitigen Linsengruppen 8 und 9 und die bildseitigen Linsengruppen 10 und 11 jeweils als Kittglieder ausgestaltet, auf diese Weise lassen sich effektive Medien mit nahezu beliebigen Abbezahlen erzeugen. Das adaptive optische Element 14 ist hier als transmittierendes Element dargestellt. Meist werden adaptive optische Elemente jedoch in Reflexion betrieben, da man auf diese Weise mehr Möglichkeiten hat, den Strahlverlauf zu beeinflussen. Eine solche Anordnung mit einem reflexiven adaptiven optischen Element 14 ist in 2 dargestellt. Der Einfallswinkel auf das als Membranspiegel ausgestaltete optische Element 14 beträgt hier 7°. Die Linsen der objektivseitigen Linsengruppen 8 und 9 sowie der bildseitigen Linsengruppen 10 und 11 bieten hier mehr Freiheitsgrade als jeweils zwei Kittglieder. Auf diese Weise lassen sich auch Aberrationen korrigieren, die bei großen Feldwinkeln verursacht werden.
In 3 ist eine Ausführung eines mikroskopischen Abbildungssystems gezeigt, bei welcher das Übertragungssystem 5 entlang des Strahlengangs verschiebbar angeordnet ist. Auf diese Weise kann die Lage des Übertragungssystems 5 an eine Ortsvariation der Objektivpupillenposition angepasst werden. Die Position der Bildebene 13 bleibt dabei konstant. Bei einer Abbildung im Maßstab von im wesentlichen 1:1 werden die bildseitige Komponente 7 und die objektivseitige Komponente 6 des Übertragungssystems 5 um den gleichen Betrag in die gleiche Richtung verschoben, wenn die Lage der Objektivpupille durch Verschiebung des Objektivs 1, wie durch den Pfeil angedeutet, verändert wird. Mit einem entsprechenden Übersetzungsgetriebe oder elektronisch kann ein Übersetzungsverhältnis für das Verhältnis der Bewegung des Objektivs 1 zur Bewegung des Übertragungssystems 5 eingestellt werden, wobei das Übersetzungsverhältnis von Objektivbewegung zu Übertragungssystembewegung vom Pupillenabbildungsmaßstab abhängig ist. Bei einer Abbildung im Maßstab 1:1 werden beide Komponenten gleich stark bewegt. Wie in dem in 3 gezeigten Beispiel wird beispielsweise das Objektiv um 5 mm auf die Probe zu bewegt, zur Anpassung an die neue Lage der Objektivpupille werden die objektivseitige Komponente 6 und die bildseitige Komponente 7 des Übertragungssystems 5 um jeweils 6,2 mm in Richtung auf die Bildebene 13 verschoben, deren Position unverändert bleibt. Auch die Position des adaptiven optischen Elements 14 wird nicht geändert. Die Abbildung erfolgt hier im Maßstab 1:1. Da sich die Längs- und Queraberrationen der Pupillen- und der Objektabbildung bei Verschiebung der Lage der Objektivpupille leicht ändern, kann es hier von Vorteil sein, wenn einige oder mehrere der Linsen der objektivseitigen und bildseitigen Linsengruppen 8, 9, 10 und 11 unabhängig von den anderen Linsen bzw. in einem zu deren Bewegung festgelegten Verhältnis verschoben werden können.
In einer anderen Ausgestaltung ist das Übertragungssystem 5 mit dem adaptiven optischen Element 14 axial rotationssymmetrisch um die optische Achse dieser Elemente aufgebaut, wobei sowohl der zum adaptiven optischen Element hinführende als auch der vom adaptiven optischen Element 14 wegführende Strahlengang durch dieselben Linsen des Übertragungssystems 5 verläuft. Anders ausgedrückt, werden dieselben Linsengruppen vom Licht einmal auf dem Hinweg zum adaptiven optischen Element 14 und zum anderen auf dem Rückweg vom adaptiven optischen Element 14 durchlaufen. Die Strahlengänge selbst sind dabei also dezentriert und überlappen sich nicht. Auf diese Weise können die Einfallswinkel am adaptiven Element weiter verringert werden, da das am adaptiven optischen Element 14 reflektierte Licht nicht an mechanischen Fassungen vorbeigeführt werden muss, sondern in dieselbe Optik zurückgeführt wird.
Allerdings lässt die dezentrierte Lage der optischen Achse des Tubuslinsensystems 3 in Bezug auf die optische Achse des Übertragungssystems 5 keine Farbkorrekturen nach dem im Zusammenhang mit 1 beschriebenen Schema zu. Eine solche Farbkorrektur muss dann vor und nach dem Übertragungssystem 5 erfolgen, wenn die optische Achse wieder mit der des Tubuslinsenssystems 3 bzw. der der Bildebene 13 übereinstimmt. Ein Beispiel für ein solches System ist in 4a gezeigt. Von links vom Zwischenbild 4 kommendes Licht wird über den in der Zeichenebene oberen Bereich des Übertragungssystems 5 auf ein als Membranspiegel ausgestaltetes adaptives optisches Element 14 gelenkt und von dort über den unteren Bereich des Übertragungssystems 5 zurück auf die Bildebene 13 abgebildet. In der in 4a gestrichelt gezeigten Grundstellung des adaptiven optischen Elements 14 ist dieses plan ausgebildet, so dass der Einfallswinkel für eintreffendes Licht am adaptiven optischen Element 14 von Null geringfügig verschieden ist. Dem adaptiven optischen Element 14 lässt sich allerdings eine sphärische oder parabolische Krümmung aufprägen, so dass es zu einer Fokusverschiebung verwendet werden kann. In diesem Zusammenhang tritt dann ein feldabhängiger Astigmatismus auf. Da jedoch die Symmetrieachsen des Übertragungssystems 5 und des adaptiven optischen Elements 14 übereinstimmen, und da der Astigmatismus eines vorgegebenen optischen Systems schnittweitenabhängig ist, lässt sich ein symmetrisches Übertragungssystem 5 so auslegen, dass der am adaptiven Element 14 erzeugte Astigmatismus für eine bestimmt Defokussierung vom Übertragungssystem 5 kompensiert wird. Auf diese Weise lässt sich der mit Hilfe des adaptiven optischen Elements adressierbare Fokusbereich erhöhen. Wenn das adaptive optische Element 14 in 4a in seiner gekrümmten Position, die hier mit einer durchgezogenen Linie dargestellt ist, eingestellt ist, so erzeugt er einen Astigmatismus mit parabolischer Feldabhängigkeit und zwar rotationssymmetrisch zur optischen Achse des Übertragungssystems 5 und des adaptiven Elements 14. Dies ist in 4b mit der durchgezogenen Linie gezeigt. Die Krümmung des Membranspiegels erfolgt dabei proportional zur Verschiebung des Fokus. Für eine bestimmte Fokuslage bzw. Defokussierung kann das Übertragungssystem 5 so ausgelegt sein, dass die Schnittweitenänderungen einen vom Betrage her gleichen Astigmatismus mit anderen Vorzeichen erzeugt. Dies ist in 4b mit der gestrichelten Linie auf der linken Seite dargestellt. In der Summe heben sich beide Effekte dann auf, dies ist in der Mitte von 4b durch die durchgezogene Linie dargestellt.
Die Wirkung dieser Fokusverschiebung ist nochmals in 5a und 5b skizziert. In 5a ist das adaptive optische Element in seiner Grundstellung, dies entspricht im Wesentlichen der in 4a gezeigten Konfiguration bei planen Membranspiegeln. In 5b ist das adaptive optische Element 14 sphärisch leicht gekrümmt, es kommt zu der gezeigten Fokusverschiebung.
In weiteren Ausgestaltungen des Abbildungssystems lässt sich die Pupillenabbildung auch an verschiedene Größen der Objektivpupille anpassen. Für eine diskrete Anpassung der Pupillengröße eignen sich beispielsweise individuelle Übertragungssysteme 5 für verschiedene Objektivpupillen, wobei diese bevorzugt eine identische Übertragungslänge aufweisen. Eine andere Möglichkeit besteht darin, im Abbildungssystem dem Übertragungssystem 5 im Strahlengang ein erstes Teleskop 16 vorzuordnen und ihm ein zweites Teleskop 17 nachzuordnen, wie es in 6 skizzenhaft gezeigt ist. Die als Einzellinsen gezeigten Elemente können hier insbesondere auch Linsengruppen repräsentieren, wie es beispielsweise für die objektivseitigen Linsengruppen 8 und 9 und die bildseitigen Linsengruppen 10 und 11 des Übertragungssystems 5 der Fall ist. Die Teleskope 16 und 17 können auswechselbar gestaltet sein, beispielsweise können sie in einem Modul angeordnet sein. In 6 beispielsweise ist ein Modul gezeigt, welches drei Konfigurationen enthält, in 6a) und 6c) zwei Konfigurationen mit verschiedenen ersten Teleskopen 16 und verschiedenen zweiten Teleskopen 17, und in 6b) eine Konfiguration ohne solche Teleskope. Die Zwischenbildebene 4 befindet sich hier im ersten Teleskop 16, so dass das erste Teleskop 16 im Zwischenbild angeordnet ist. Das zweite Teleskop 17 ist vor der Bildebene 13 angeordnet.
Während ein solches Modul mit Wechselteleskopen nur eine diskrete Anpassung an die Pupillengröße erlaubt, kann anstelle des ersten Teleskops 16 ein erstes Zoomteleskop 18 und anstelle des zweiten Teleskops 17 ein zweites Zoomteleskop 19 verwendet werden. Eine solche Konfiguration ist in 7 dargestellt. 7a), b) und c) zeigen jeweils verschiedene Stellungen der beiden Zoomteleskope 18 und 19.
In einer anderen Ausgestaltung wird ein Übertragungssystem 15 durch ein Zoomsystem mit zwei Zoomoptiken realisiert, welche dann jedoch nicht zur Korrektur der Farbfehler wie im Zusammenhang mit 1 beschrieben herangezogen werden kann. Ein solches Übertragungssystem 5 mit einer ersten Zoomoptik 20 und einer zweiten Zoomoptik 21, die jeweils zwischen Zwischenbildebene 4 und Pupillenebene 12 bzw. zwischen Pupillenebene 12 und Bildebene 13 angeordnet sind, ist in 8 dargestellt, wobei hier die 8a), 8b) und 8c) jeweils verschiedene Stellungen der Zoomoptiken zeigen. Im Strahlengang befinden sich außerdem Korrekturelemente 22 und 23 zur Korrektur der oben beschriebenen Farbfehler.
Die erste Zoomoptik 20 und die zweite Zoomoptik 21 können symmetrisch zur Pupillenebene 12 aufgebaut sein, sie können dann auch zu einer axialsymmetrischen Konfiguration zusammengefasst werden, wie dies im Zusammenhang mit 4 und 5 bereits beschrieben wurde. Eine solche axialsymmetrische Zoomoptik 24 ist in 9 in verschiedenen, den in 8 gezeigten Stellungen entsprechenden Positionen gezeigt. Die objektseitige Komponente 6 und die bildseitige Komponente 7 des Übertragungssystems 15 sind in diesem Fall identisch und werden durch die Zoomoptik 24 realisiert.
Bezugszeichenliste

1: Objektiv
2: Austrittspupille
3: Tubuslinsensystem
4: Zwischenbildebene
5: Übertragungssystem
6: objektivseitige Komponente
7: bildseitige Komponente
8: erste objektivseitige Linsengruppe
9: zweite objektivseitige Linsengruppe
10: erste bildseitige Linsengruppe
11: zweite bildseitige Linsengruppe
12: Pupillenebene
13: Bildebene
14: Adaptives optisches Element
15: Übertragungssystem
16: erstes Teleskop
17: zweites Teleskop
18: erstes Zoomteleskop
19: zweites Zoomteleskop
20: erste Zoomoptik
21: zweite Zoomoptik
22: Korrekturelement
23: Korrekturelement
24: axialsymmetrische Zoomoptik

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 5808791 [0003]
US 5959772 [0004]
US 7952800 [0005]
US 7764433 [0007, 0007]

Claims

Mikroskopisches Abbildungssystem zur weitfeldmikroskopischen Abbildung einer Probe, umfassend – einen Strahlengang mit einem Objektiv (1), – ein dem Objektiv (1) in Bezug auf die Probe nachgeordnetes Tubuslinsensystem (3), – ein Übertragungssystem (5, 15) mit einer objektivseitigen Komponente (6) und einer bildseitigen Komponente (7), – wobei die objektivseitige Komponente (6) mindestens eine erste objektivseitige Linsengruppe (8) und eine davon beabstandete zweite objektivseitige Linsengruppe (9) umfasst, wobei die bildseitige Komponente (7) mindestens eine erste bildseitige Linsengruppe (10) und eine davon beabstandete zweite bildseitige Linsengruppe (11) umfasst, und wobei das Übertragungssystem (5) die Austrittspupille (2) des Objektivs (1) in eine Pupillenebene (12) zwischen der objektivseitigen Komponente (6) und der bildseitigen Komponente (7) abbildend und ein Bild der Probe von einer Zwischenbildebene (4) in eine Bildebene (13) abbildend ausgestaltet ist, und – ein adaptives optisches Element (14), welches in der Pupillenebene (12) zwischen der objektivseitigen Komponente (6) und der bildseitigen Komponente (7) angeordnet ist.
Mikroskopisches Abbildungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die objektivseitigen Linsengruppen (8, 9) hinsichtlich chromatischer Längs- und Queraberrationen des Tubuslinsensystems (3) und/oder des Objektivs (1) in Bezug auf die Abbildung der Austrittspupille (2) des Objektivs (1) in die Pupillenebene (12) mindestens bis zu einer vorgegebene Fehlersignatur korrigierend, bevorzugt kompensierend ausgebildet sind.
Mikroskopisches Abbildungssystem nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die bildseitigen Linsengruppen (10, 11) chromatische Längs- und Queraberrationen in Bezug auf die Abbildung der Probe von der Zwischenbildebene (4) in die Bildebene (13) mindestens bis zu einer vorgegebene Fehlersignatur korrigierend, bevorzugt kompensierend ausgebildet sind.
Mikroskopisches Abbildungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere der objektivseitigen und/oder bildseitigen Linsengruppen (8, 9, 10, 11) als Kittglied ausgestaltet sind.
Mikroskopisches Abbildungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Übertragungssystem (5) entlang des Strahlengangs verschiebbar angeordnet ist.
Mikroskopisches Abbildungssystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die objektivseitige Komponente (6) und die bildseitige Komponente (7) unabhängig voneinander oder in einem vorgegebenen Übersetzungsverhältnis zueinander verschiebbar sind.
Mikroskopisches Abbildungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass dem Übertragungssystem (5) im Strahlengang ein erstes Teleskop (16) vorgeordnet und ein zweites Teleskop (17) nachgeordnet ist.
Mikroskopisches Abbildungssystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Teleskope (16, 17) auswechselbar ausgestaltet sind.
Mikroskopisches Abbildungssystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Teleskope (16, 17) zur Einstellung einer variablen Vergrößerung als Zoomteleskope (18, 19) ausgestaltet sind.
Mikroskopisches Abbildungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Übertragungssystem (15) mit dem adaptiven optischen Element (14) rotationssymmetrisch um die optische Achse aufgebaut ist und diese bezüglich dem Tubuslinsensystem (3), der Zwischenbildebene (4) und der Bildebene (13) dezentriert liegt.
Mikroskopisches Abbildungssystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass dem adaptiven optischen Element (14) eine sphärische oder parabolische Krümmung aufprägbar ist, und dass das Übertragungssystem (15) einen damit verbundenen Astigmatismus korrigierend ausgebildet ist.
Mikroskop nach einem der Ansprüche 1 bis 6 oder 10 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Übertragungssystem (5, 15) als Zoomsystem ausgestaltet ist.
Mikroskop nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass adaptive optische Element (14) als spiegelndes Element ausgestaltet ist und sowohl der zum adaptiven optischen Element (14) als auch der von diesem weg führende Strahlengang durch dieselben Linsen des Zoomsystems tritt.
Mikroskopisches Abbildungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Übertragungssystem (5, 15) als Modul in den Strahlengang einbringbar ist.
Mikroskopisches Abbildungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das adaptive optische Element (14) ein Membranspiegel oder ein räumlicher Lichtmodulator ist.