DE102015201393A1

DE102015201393A1 - Anordnung zur Fokusveränderung eines Mikroskopobjektivs

Info

Publication number: DE102015201393A1
Application number: DE102015201393.6A
Authority: DE
Inventors: Thomas Nobis
Original assignee: Carl Zeiss Microscopy GmbH
Current assignee: Carl Zeiss Microscopy GmbH
Priority date: 2015-01-28
Filing date: 2015-01-28
Publication date: 2016-07-28
Also published as: US20160216499A1; US9696536B2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Fokusveränderung eines Mikroskopobjektivs, insbesondere eines planapochromatisch korrigierten Mikroskopobjektivs, welches aus mehreren optischen Bauelementen und/oder Bauelementegruppen umfassenden Teilsystemen zusammengesetzt ist, wobei ein optisches Bauelement oder eine Bauelementegruppe im Inneren des Mikroskopobjektives axial verschiebbar ist. Erfindungsgemäß besteht das axial verschiebbare Bauelement (FL) oder die Bauelementegruppe aus einer konkav-konvex zur Objektebene (OE) hin orientierten Linse (L3) oder Linsengruppe mit einem Formfaktor von X = c₁+c₂c₁-c₂ ,wobei c1 die Krümmung der in Richtung der Objektebene (OE) orientierten Fläche und c2 die Krümmung der in Richtung der Bildebene (BE) orientierten Fläche der axial verschiebbaren Linse (L3) oder Linsengruppe ist und in einem Bereich von –8 < X < –1liegt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Fokusveränderung eines Mikroskopobjektivs, insbesondere eines planapochromatisch korrigierten Mikroskopobjektivs, welches aus mehreren optischen Bauelementen und/oder Bauelementegruppen umfassenden Teilsystemen zusammengesetzt ist, wobei ein optisches Bauelement oder eine Bauelementegruppe im Inneren des Mikroskopobjektives axial verschiebbar ist.
Für die moderne Weitfeld- beziehungsweise Laser-Scanning-Mikroskopie biologischer oder anderer Proben ist eine schnelle Aufnahme von optischen Schnitten in verschiedenen Probentiefen (z-Stapel) bei einer hohen numerischer Apertur (NA > 0.8 mit Wasser-Immersion) essentiell.
Nach dem bekannten Stand der Technik gibt es für die Fokusveränderung verschiedene Lösungen.
Eine der Lösungen ist die Verschiebung des gesamten Mikroobjektivs. Dieses Verfahren überträgt bei Benutzung eines Immersionsmediums, wie beispielsweise Wasser oder Öl, Vibrationen in die Probe. Außerdem ist die erreichbare Geschwindigkeit durch die große Masse des Mikroskopobjektivs begrenzt.
Ferner ist bekannt, dass zur Fokusveränderung adaptive Elemente eingesetzt werden. Nachteilig hierbei ist, dass in den Strahlengang zusätzlich eine optische Anordnung zur Pupillenabbildung eingebracht werden muss, was wiederum sehr aufwendig ist.
Darüber hinaus können in der Weitfeldmikroskopie Feldfehler nicht korrigiert werden, so dass der Fokusbereich dieser Lösung sehr eingeschränkt ist. Eine andere bekannte Lösung ist eine Linsenverschiebung in der verwendeten Tubusoptik. Wegen der geringen numerischen Apertur in der Tubusoptik und dem daraus folgenden geringen Tiefenabbildungsmaßstab sind hier große Verstellwege nötig. Außerdem können an den objektnahen Linsen durch den Defokus auftretende Aberrationen bei hohen numerischen Aperturen schlecht oder zum Teil gar nicht korrigiert werden. Daher erlaubt diese Lösung nur kleine Fokusveränderungen.
Ferner ist eine Lösung bekannt, bei der zur Fokusveränderung „Alvarez-Elemente” verwendet werden. Hierbei handelt es sich um speziell geschliffene Platten, die bei Verschiebung der Platten zueinander eine Fokusverschiebung erzeugen. Auch hierfür ist ein spezieller Pupillenzugang nötig. Dieser kann wegen der Wirkung der Alvarez-Platten in Transmission im Objektiv erfolgen. Dies erhöht jedoch den technischen Aufwand für das Mikroskopobjektiv erheblich.
Der in Foto-Objektiven übliche Ansatz, im Objektivinnern Linsen axial zu verschieben, hat in der Vergangenheit zu wenig Erfolg geführt. Aufgrund der hohen numerischen Apertur sowie der großen Einfallswinkel der Randstrahlen im Objektiv, entstehen bei den Linsenverschiebungen in der Regel neben einer Fokusverschiebung starke Abbildungsfehler, zu deren Korrekturen eine Verschiebung weiterer Linsen erforderlich ist.
In typischen Korrektions-Objektiven mit einem großem Stellbereich werden daher meist mehrere Linsen bewegt. Diese gekoppelten Bewegungen lassen sich aber nicht sehr schnell ausführen.
In DE 102005034441A1 wird beispielsweise ein Mikroskopobjektiv mit einem optischen Frontelement, mehreren vom Frontelement und voneinander beabstandeten Optikelementen sowie einer Stelleinrichtung beschrieben, wobei mittels der Stelleinrichtung zumindest eines der Optikelemente entlang der optischen Achse derart verschiebbar ist, dass die Fokuslage des Objektivs relativ zum Frontelement in Richtung der optischen Achse verschoben und/oder ein temperaturbedingter Abbildungsfehler des Objektivs kompensiert wird. Bei dieser Lösung erfolgt die Fokussierung bei einer hohen numerischen Apertur mit verschiebbaren Elementen. Dabei wird ein diffraktives Elemente bewegt. Ein wesentlicher Nachteil besteht darin, dass es zu Streulichterscheinungen durch Beugung in anderen Ordnungen als in der Nutzerordnung kommt.
Ausgehend von den Lösungen nach dem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur Fokussierung eines Mikroskopobjektivs dahingehend weiter zu bilden, dass mit einfachen Mitteln eine schnelle Fokusveränderung über einen relativ großen Fokusbereich unter Vermeidung von Vibrationen und Abbildungsfehlern möglich ist.
Diese Aufgabe wird durch eine Anordnung der eingangs beschriebenen Art mit den Merkmalen des Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen 2 bis 10 angegeben.
Erfindungsgemäß besteht das axial verschiebbare Bauelement oder die Bauelementegruppe aus einer konkav-konvex (sichelförmig) zur Objektebene hin orientierten Linse oder Linsengruppe mit einem Formfaktor von X = c₁+c₂ / c₁-c₂ wobei c1 die Krümmung der in Richtung der Objektebene orientierten Fläche und c2 die Krümmung der in Richtung der Bildebene orientierten Fläche der axial verschiebbaren Linse oder Linsengruppe ist und in einem Bereich von –8 < X < –1 liegt.
Da die Fokusveränderung im Inneren des Mikroskopobjektivs vorgenommen wird, werden Vibrationen vermieden. Bedingt durch die relativ geringe Masse einer einzigen Linse oder Linsengruppe ist eine schnelle Fokusveränderung mit einem vergleichsweise großem Fokushub (mehr als 100 Schärfentiefen) möglich. Die Abbildungsqualität, hinsichtlich Farblängsfehler, sphärischer Aberration, und Feldfehler bleibt dabei erhalten.
Die speziell geformte, axial bewegliche Einzellinse oder Linsengruppe ist dabei ausgehend von der Objektebene hinter einem als Frontgruppe bezeichneten ersten optischen Bauelement oder einer Bauelementegruppe angeordnet ist, wobei die Gesamtbrennweite f der Frontgruppe im Bereich von f_Front < –4 × f_Objektiv oder f_Front > 4 × f_Objektiv und die Brennweite der beweglichen Einzellinse oder Linsengruppe bei einem axialen Verstellbereich zwischen etwa 0 mm und 5 mm im Bereich von 3 × f_Objektiv < f_ShiftLens < 20 × f_Objektiv liegt.
Sowohl die Frontgruppe als auch das zur Fokusveränderung axial beweglich angeordnete Bauelement kann dabei entweder aus einer Einzellinse, einem Zweifachkittglied oder einem Dreifachkittglied bestehen. Auch Kombinationen zweier dieser Elemente sind denkbar.
Wird die Brennweite zu groß gewählt, verringert sich die Sensitivität für die Fokusveränderung, was bedeutet, dass die Linse oder Linsengruppe unangemessen weit verschoben werden muss, um eine Fokusververänderung in der Probe zu gewährleisten. Wird die Brennweite hingegen zu klein gewählt, dann entstehen in der Regel Störaberrationen bei der Linsenverschiebung.
Formfaktor und Brennweite (zwei Freiheitsgrade) werden innerhalb der oben genannten Bereiche je nach Objektivtyp so gewählt, dass während der Bewegung keine sphärische Aberration auf der Achse sowie kein Koma am Feldrand auftritt (zwei Forderungen). Um beide Forderungen mit den zwei zur Verfügung stehenden Freiheitsgraden zu erfüllen, existiert in der Regel an mehreren Positionen im Objektiv eine Lösung für die ausgesuchte Linse.
Bedingt durch die Position der Anordnung der axial beweglichen Einzellinse oder Linsengruppe ist der Astigmatismus am Feldrand über dem Fokusbereich minimiert. Die speziell ausgebildete konkav-konvexe Form (Sichelform) wirkt sich darüber hinaus hilfreich auf die Abbildungseigenschaften des Objektivs im unverschobenen Zustand der Einzellinse oder Linsengruppe aus, da sie eine annähernd aplanatische Form aufweist.
Durch die Auswahl der bewegten Einzellinse oder Linsengruppe im Frontbereich des Objektivs kommt es außerdem zu einer frühzeitigen Kompensation des durch die Fokusverschiebung geänderten Strahlverlaufs. Der hintere Objektivteil wird als für alle Fokuspositionen auf ähnlich Art und Weise vom Licht durchlaufen. Hierdurch entstehen weniger induzierte Aberrationen.
Ein weiterer Effekt bei Anwendung der erfindungsgemäßen Anordnung ist eine spezielle Farbkorrektur. Im Falle der Verwendung einer Einzellinse als bewegliches Bauelement wird die Abbezahl/Dispersion des Materials erfindungsgemäß so gewählt, dass im Zusammenspiel mit den Farbeigenschaften der Front- und Rückgruppe kein Farblängsfehler während der Bewegung entsteht. Da dies unabhängig von der Wahl der Brechzahl des Glases für die Hauptwellenlänge geschehen kann, werden die Eigenschaften der oben genannten Korrektur nicht verändert. Falls hierfür kein Glas verfügbar ist, kann die betreffende Abbezahl auch über ein Kittglied erzeugt werden.
Die erfindungsgemäße Anordnung zur Fokusveränderung kann beispielsweise in Mikroskopobjektiven 25x/0.8W, 25x/0.9W, 20x/1.0W mit positiven Ergebnissen eingesetzt werden, wobei andere Ausführungen denkbar sind.
Dabei kann die Anordnung durch geringe Modifikationen in bereits existierende Mikroskopobjektive mit fester Fokuslage integriert werden.
Ferner hebt sich die erfindungsgemäße Anordnung vom Stand der Technik in folgendem Maße ab:
Die beiden Lufträume vor- und nach der axial verstellbaren Einzellinse oder Linsengruppe werden in einem Fest-Fokus-Objektiv in der Regel für Justagevorgänge genutzt, das heißt bei gleichzeitiger Verlängerung beider Lufträume wird einmalig der sphärische Fehler auf der Achse justiert. Durch Verschiebung der Einzellinse oder Linsengruppe, das heißt durch Verkleinerung einer der beiden Lufträume und Vergrößerung des anderen Luftraums, wird in der Regel einmalig der Farblängsfehler auf der Achse justiert.
Diese Justierung ist bei der erfindungsgemäßen Anordnung gezielt verändert. Hier ist ein Korrekturmechanismus vorgesehen, der eine Deckglasdickenkorrektur erlaubt und somit auch zur Einstellung des sphärischen Fehlers genutzt werden kann. Der Farblängsfehler hingegen kann aufgrund der oben genannten Korrektur nun durch bloße Veränderung des Abstands der Front- und Rückgruppe eingestellt werden. Es erfolgt eine gezielte Vergrößerung der Lufträume vor und nach der axial beweglichen Einzellinse oder Linsengruppe. Objektive nach dem Stand der Technik nutzen sehr nah beieinander stehende Linsen im vorderen Objektivteil, die zur raschen Verringerung der Einfallswinkel auf den Linsenflächen sowie zur Verringerung des Objektivdurchmessers beitragen. Dies wurde bei der erfindungsgemäßen Anordnung gezielt umgangen, um Platz für die Linsenbewegung zu schaffen.
Die erfindungsgemäße Anordnung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werde. Dazu zeigen:
1: eine schematische Darstellung der einzelnen Linsen der erfindungsgemäßen Anordnung mit den Krümmungsradien in einem Planapochromaten 25x/0.9W für einen Fokusbereich von 200 μm,
2: eine schematische Darstellung der Dicken der einzelnen Linsen nach 1 sowie der Luftabstände,
3: schematische Darstellungen der erfindungsgemäßen Anordnung nach 1 für verschiedene Konfigurationen,
4: schematische Darstellungen von Queraberrationen der Anordnung nach 1,
5: eine schematische Darstellung der einzelnen Linsen der erfindungsgemäßen Anordnung mit den Krümmungsradien in einem Planapochromaten 25x/0.8W für einen Fokusbereich von 250 μm in einer an sich bekannten Objektivmodifikation nach US 7782539 ,
6: eine schematische Darstellung der Dicken der einzelnen Linsen nach 5 sowie der Luftabstände,
7: schematische Darstellungen der erfindungsgemäßen Anordnung nach 5 für verschiedene Fokustiefen in der Probe,
8: schematische Darstellungen von Queraberrationen der Anordnung nach 5,
9: eine schematische Darstellung der einzelnen Linsen der erfindungsgemäßen Anordnung mit den Krümmungsradien in einem Planapochromaten 20x/1.0W für einen Fokusbereich von 300 μm in einer an sich bekannten Objektivmodifikation nach DE 102011109783 ,
10: eine schematische Darstellung der Dicken der einzelnen Linsen nach 9 sowie der Luftabstände,
11: schematische Darstellungen der erfindungsgemäßen Anordnung nach 9 für verschiedene Fokustiefen in der Probe und
12: schematische Darstellungen von Queraberrationen der Anordnung nach 9.
1 zeigt die erfindungsgemäße Anordnung in einem Planapochromaten 25x/0.9W für einen Fokusbereich von 200 μm.
Ausgehend von der Objektebene OE besteht die Anordnung aus einer Frontgruppe FG mit den Linsen L1 und L2, einer axial beweglichen, als Fokuslinse FL ausgebildeten Linse L3 sowie einer Rückgruppe RG mit den Linsen L4 bis L12. Ferner zeigt Figur die Radien r1 bis r18 der einzelnen optischen Bauelemente.
Die schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Anordnung nach 2 ergänzt die Darstellung nach 1 um die Dicken D1 bis D12 der Linsen L1 bis D12 sowie die Luftabstände LA1 bis LA6.
Durch die axiale Bewegung der konkav-konvex (sichelförmig) ausgebildeten Linse 2, das heißt der Fokuslinse FG, in Verbindung mit dessen Formfaktor von X = c₁+c₂ / c₁-c₂ wobei c1 die Krümmung der in Richtung der Objektebene orientierten Fläche und c2 die Krümmung der in Richtung der Bildebene orientierten Fläche der axial verschiebbaren Linse oder Linsengruppe ist und in einem Bereich von –8 < X < –1 Liegt, ist eine schnelle, vibrationsfreie Fokussierung des Planapochromaten möglich.

Bei einem Fokusbereich von 200 μm, einer numerischen Apertur von 0.9, einem Abbildungsmaßstab β mit einer 25 mal größeren Abbildung sowie unter Verwendung einer Immersionsmittel-Kochsalzlösung W bei einer Sehfeldzahl von 18 ist dieses Ausführungsbeispiel durch folgende Konstruktionsdaten gekennzeichnet, wobei r1 bis r18 die Krümmungsradien der optischen Bauelemente in mm, D die Dicke der Luftabstände zwischen den optischen Bauelementen in mm, LA1 bis LA6 die Luftabstände zwischen den optischen Bauelementen in mm, ne die Brechzahl und ν_e die Abbezahlen sind:

Linse	Krümmungsradius	Dicke Luftabstand	Brechzahl	Abbezahl
Nr.	r [mm]	D, LA [mm]	n_e	ν_e

Probe, Zellmedium	plan	P	1,38	63,0
Deckglas	plan	DG	1,53	54,3
Immersion	plan	AA	1,34	55,4
1	plan	D1 0,50	1,49	70,2
2	r1 –1,636	D2 5,79	1,89	40,5
	r2 –6,167	LA1
3	r3 –14,549	D3 2,40	1,59	61,0
	r4 –9,422	LA2
4	r5 70,312	D4 3,00	1,81	46,2
	r6 –22,736	LA3
5	r7 42,712	D5 3,80	1,49	84,1
6	r8 –18,905	D6 1,60	1,66	39,5
7	r9 13,868	D7 3,90	1,50	81,1
	r10 –18,518	LA4
8	r11 –344,203	D8 1,40	1,64	42,2
9	r12 8,092	D9 5,04	1,53	76,6
	r13 –48,460	LA5 0,35
10	r14 8,015	D10 3,80	1,59	61,0
11	r15 11,802	D11 1,40	1,72	53,6
	r16 5,902	LA6 5,14
12	r17 –6,704	D12 4,69	1,81	46,2
	r18 –9,177	0,13
		126,50

und einer nachgeordneten Tubuslinse mit einer Brennweite f = 164 mm.

In Abhängigkeit von der Probendicke P, der verwendeten Deckgläser DE sowie den Arbeitsabständen AA ergeben sich dabei folgende Werte für die Luftabstände LA1 bis LA4. Die Luftabstände LA5 und LA6 sind dabei immer gleich.

P	DG	AA	LA1	LA2	LA3	LA4
[mm]	[mm]	[mm]	[mm]	[mm]	[mm]

0	0	0,56	1,78	0,49	2,47	0,3
0,2	0	0,56	0,95	1,33	2,47	0,3
0	0,17	0,4	1,78	0,49	1,93	0,84
0,2	0,17	0,4	0,95	1,33	1,93	0,84

3 zeigt schematische Darstellungen der erfindungsgemäßen Anordnung für verschiedene Konfigurationen mit der axial beweglichen Fokuslinse und einem axial beweglichen Kittglied für einen Korrekturmechanismus:

a: mit einem Deckglas und einem langen Arbeitsanstand,
b: mit einem Deckglas und einem kurzen Arbeitsabstand,
c: ohne einem Deckglas mit einem langen Arbeitsabstand und
d: ohne einem Deckglas mit einem kurzen Arbeitsabstand.

Die Konfigurationen mit langem Arbeitsabstand beziehen sich auf eine Fokusverlagerung in tiefe Bereiche des Probenmediums. Die Konfigurationen mit kurzem Arbeitsabstand besitzen eine Fokusposition in geringer Probentiefe. Sie unterscheiden sich lediglich in der Position der Fokussierlinse. Durch zusätzliche Bewegung des Korrekturmechanismus sind ferner Konfigurationen mit Deckglas und ohne Deckglas möglich. Für die Fokussierung wird der Korrekturmechanismus nicht bewegt.
In 4 sind Queraberrationen in μm für einen Achspunkt h' = 0 mm und für einen Feldrandpunkt h' = 9 mm unter Verwendung von Licht der Wellenlängen 546 nm, 644 nm, 480 nm und 830 nm für die verschiedenen Konfigurationen a, b, c und d nach 3 dargestellt. Durchgezogene Linien beziehen sich auf den Meridionalschnitt, gestrichelte Linien auf den Sagitalschnitt.
Die einzelnen Aberrationskurven unterscheiden sich nur sehr geringfügig. Dies belegt, dass erfindungsgemäß weder der Korrekturmechanismus noch die Fokussierbewegung einen merklichen Einfluss auf die Abbildungsqualität besitzt.
5 zeigt die erfindungsgemäße Anordnung in einem Planapochromaten 25x/0.8W für einen Fokusbereich von 250 μm in einer an sich bekannten Objektivmodifikation nach US 7782539 .
Ausgehend von der Objektebene OE besteht die Anordnung aus einer Frontgruppe FG mit den Linsen L1 und L2, einer axial beweglichen, als Fokuslinse FL ausgebildeten Linse L3 sowie einer Rückgruppe RG mit den Linsen L4 bis L11. Ferner zeigt Figur die Radien r1 bis r17 der einzelnen optischen Bauelemente.
Die schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Anordnung nach 6 ergänzt die Darstellung nach 5 um die Dicken D1 bis D11 der Linsen L1 bis L11 sowie die Luftabstände LA1 bis LA7.

Bei einem Fokusbereich von 250 μm, einer numerischen Apertur von 0.8, einem Abbildungsmaßstab β mit einer 25 mal größeren Abbildung sowie unter Verwendung einer Immersionsmittel-Kochsalzlösung W bei einer Sehfeldzahl von 18 ist dieses Ausführungsbeispiel durch folgende Konstruktionsdaten gekennzeichnet, wobei r1 bis r17 die Krümmungsradien der optischen Bauelemente in mm, D die Dicke der Luftabstände zwischen den optischen Bauelementen in mm, LA1 bis LA7 die Luftabstände zwischen den optischen Bauelementen in mm, ne die Brechzahl und ν_e die Abbezahlen sind:

Linse	Krümmungsradius	Dicke	Brechzahl	Abbezahl
Nr.	[mm]	[mm]	ne	ve

Probe, Wasser	plan	P	1,33	55,8
Deckglas	plan	0,17	1,52	59,2
Immersion	plan	0,60	1,33	55,8
1	plan	D1 0,50	1,49	70,2
2	r1 –1,654	D2 4,99	1,89	40,5
	r2 –5,733	LA1
3	r3 –16,879	D3 1,50	1,52	64,0
	r4 –7,899	LA2
4	r5 15,656	D4 2,00	1,59	68,0
	r6 34,321	LA3 1,65
5	r7 10,519	D5 4,50	1,55	45,5
	r8 9,906	LA4 2,30
6	r9 –43,509	D6 1,10	1,64	42,2
7	r10 9,045	D7 5,00	1,53	76,6
	r11 –13,679	LA5 0,10
8	r12 23,291	D8 5,80	1,53	76,6
9	r13 –7,743	D9 1,10	1,62	44,3
	r14 393,143	LA6 0,36
10	r15 10,029	D10 6,85	1,82	46,4
	r16 6,941	LA7 4,20
11	r17 –6,809	D11 2,83	1,60	35,0
	r18 –7,687	0,15
		126,50

und einer nachgeordneten Tubuslinse mit einer Brennweite f = 164,5 mm.

In Abhängigkeit von der Probendicke P, der verwendeten Deckgläser DE sowie den Arbeitsabständen AA ergeben sich dabei folgende Werte für die Luftabstände LA1 bis LA2. Die Luftabstände LA3 und LA7 sind dabei immer gleich.

P LA1 LA2

[mm] [mm] [mm]

0 1,42 1,19

0,25 0,50 2,11
7 zeigt schematische Darstellungen der Anordnung nach 5 für verschiedene Fokustiefen in der Probe mit einem langen Arbeitsabstand LA und einem kurzen Arbeitsabstand KA und der axial beweglichen Fokuslinse FL.
In 8 sind Queraberrationen in μm für einen Achspunkt h' = 0 mm und für einen Feldrandpunkt h' = 9 mm unter Verwendung von Licht der Wellenlängen 546 nm, 644 nm, 480 nm und 830 nm für die verschiedenen Arbeitsabstände LA und KA dargestellt. Durchgezogene Linien beziehen sich auf den Meridionalschnitt, gestrichelte Linien auf den Sagitalschnitt.
Erneut belegen die minimalen Änderungen der Aberrationskurven die erfindungsgemäße Funktion der Fokussieranordnung bei konstanter Abbildungsqualität.
9 zeigt die erfindungsgemäße Anordnung in einem Planapochromaten 20x/1.0W für einen Fokusbereich von 300 μm in einer an sich bekannten Objektivmodifikation nach DE 102011109783 .
Ausgehend von der Objektebene OE besteht die Anordnung aus einer Frontgruppe FG mit den Linsen L1, L2 und L3 einer axial beweglichen, als Fokuslinse FL ausgebildeten Linse L4 sowie einer Rückgruppe RG mit den Linsen L5 bis L15. Ferner zeigt Figur die Radien r1 bis r24 der einzelnen optischen Bauelemente.
Die schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Anordnung nach 10 ergänzt die Darstellung nach 9 um die Dicken D1 bis D15 der Linsen L1 bis L15 sowie die Luftabstände LA1 bis LA8.

Bei einem Fokusbereich von 300 μm, einer numerischen Apertur von 1.0, einem Abbildungsmaßstab β mit einer 20 mal größeren Abbildung sowie unter Verwendung einer Immersionsmittel-Kochsalzlösung W bei einer Sehfeldzahl von 20 ist dieses Ausführungsbeispiel durch folgende Konstruktionsdaten gekennzeichnet, wobei r1 bis r24 die Krümmungsradien der optischen Bauelemente in mm, D die Dicke der Luftabstände zwischen den optischen Bauelementen in mm, LA1 bis LA8 die Luftabstände zwischen den optischen Bauelementen in mm, ne die Brechzahl und ν_e die Abbezahlen sind:

Linse	Krümmungsradius	Dicke	Brechzahl	Abbezahl
Nr.	[mm]	[mm]	ne	Ve

Probe, Kochsalzlsg.	plan	P	1,34	55,4
Immersion	plan	2,62	1,34	55,4
1	r1 –11,117	D1 2,20	1,63	53,0
2	r2 –3,919	D2 1,41	1,76	52,1
3	r3 –21,906	D3 6,00	1,89	40,5
	r4 –10,061	LA1
4	r5 –41,589	D4 4,00	1,73	28,3
	r6 –24,293	LA2
5	r7 –104,081	D5 5,00	1,44	94,5
	r8 –21,109	LA3 0,10
6	r9 18,565	D6 9,65	1,44	94,5
	r10 –72,224	LA4 0,37
7	r11 60,934	D7 6,00	1,44	94,5
8	r12 –22,685	D8 1,50	1,75	35,1
9	r13 12,541	D9 6,79	1,44	94,5
	r14 –36,716	LA5 0,10
10	r15 12,363	D10 7,20	1,44	94,5
11	r16 –19,563	D11 1,10	1,64	42,2
	r17 20,125	LA6 0,10
12	r18 7,723	D12 4,50	1,82	46,4
	r19 5,002	LA7 6,00
13	r20 –6,689	D13 1,90	1,52	52,1
14	r21 9,342	D14 7,07	1,53	76,6
	r22 –57,991	LA8 0,45
15	r23 –455,522	D15 3,80	1,75	35,0
	r24 –18,748	0,29
		107,00

und einer nachgeordneten Tubuslinse mit einer Brennweite von f = 164,5 mm.

In Abhängigkeit von der Probendicke P, der verwendeten Deckgläser DE sowie den Arbeitsabständen AA ergeben sich dabei folgende Werte für die Luftabstände LA1 bis LA2. Die Luftabstände LA3 und LA8 sind dabei immer gleich.

P LA1 LA2

[mm] [mm] [mm]

0 1,8 0

0,29 0 1,8
11 zeigt schematische Darstellungen der Anordnung nach 9 für verschiedene Fokustiefen in der Probe mit einem langen Arbeitsabstand LA und einem kurzen Arbeitsabstand KA sowie die axial bewegliche Fokuslinse FL.
In 12 sind Queraberrationen in μm für einen Achspunkt h' = 0 mm und für einen Feldrandpunkt h' = 10 mm unter Verwendung von Licht der Wellenlängen 546 nm, 644 nm, 480 nm und 830 nm jeweils für die beiden Arbeitsabstände KA und LA dargestellt. Durchgezogene Linien beziehen sich auf den Meridionalschnitt, gestrichelte Linien auf den Sagitalschnitt.
Die geringen Unterschiede der Queraberrationen zwischen den verschiedenen Arbeitsabständen belegen wie zuvor die erfindungsgemäße Funktion der Fokussieranordnung.
Bezugszeichenliste

L1 bis L15

Linsen

r1 bis r24

Radien

D1 bis D15

Dicken

LA1 bis LA8

Luftabstände

FL

Fokuslinse

FG

Frontgruppe

RG

Rückgruppe

OE

Objektebene

BE

Bildebene

LA

langer Arbeitsabstand

KA

kurzer Arbeitsabstand

β

Abbildungsmaßstab

P

Probendicke

ne

Brechzahl

Ve

Abbezahl

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102005034441 A1 [0010]
US 7782539 [0031, 0049]
DE 102011109783 [0035, 0057]

Claims

Anordnung zur Fokusveränderung eines Mikroskopobjektivs, welches aus mehreren optischen Bauelementen und/oder Bauelementegruppen umfassenden Teilsystemen zusammengesetzt ist, wobei mindestens ein optisches Baulement (FL) oder eine Bauelementegruppe im Inneren des Mikroskopobjektivs axial verschiebbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das axial verschiebbare Bauelement (FL) oder die Bauelementegruppe aus einer konkav-konvex zur Objektebene (OE) hin orientierten Linse (L3) oder Linsengruppe mit einem Formfaktor von X = c₁+c₂ / c₁-c₂ besteht, wobei c1 die Krümmung der in Richtung der Objektebene (OE) orientierten Fläche und c2 die Krümmung der in Richtung der Bildebene (BE) orientierten Fläche der axial verschiebbaren Linse (L3) oder Linsengruppe ist und in einem Bereich von –8 < X < –1 liegt.
Anordnung zur Fokusveränderung Mikroskopobjektivs nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die axial verschiebbare Linse (L3) oder Linsengruppe ausgehend von der Objektebene (OE) hinter einem als Frontgruppe (FG) bezeichneten ersten optischen Bauelement oder einer Bauelementegruppe (L1, L2) angeordnet ist, wobei die Gesamtbrennweite f der Frontgruppe (FG) im Bereich von f_Front < –4 × f_Objektiv oder f_Front > 4 × f_Objektiv liegt.
Anordnung zur Fokusveränderung eines Mikroskopobjektivs nach den Ansprüchen 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Stellbereich der axial verschiebbaren Linse (L3) oder Linsengruppe zwischen 0 und 5 mm die Brennweite f im Bereich von 3 × f_Objektiv < f_ShiftLens < 20 × f_Objektiv liegt.
Anordnung zur Fokusveränderung eines Mikroskopobjektivs nach den Ansprüchen 1 bis 3, gekennzeichnet für ein Mikroskopobjektiv 25x/0.9 Immersionsmittel W, mit einem Fokusbereich von 200 μm, einer numerischen Apertur von 0.9, einem Abbildungsmaßstab β mit einer 25 mal größeren Abbildung sowie unter Verwendung einer Immersionsmittel-Kochsalzlösung W bei einer Sehfeldzahl von 18 gekennzeichnet durch folgende Konstruktionsdaten, wobei r1 bis r22 die Krümmungsradien der optischen Bauelemente in mm, D die Dicke in mm, LA1 bis LA6 die Luftabstände zwischen den optischen Bauelementen in mm, ne die Brechzahl und ν_e die Abbezahlen sind: Linse Krümmungsradius Dicke Luftabstand Brechzahl Abbezahl Nr. r [mm] D, LA [mm] n_e ν_e Probe, Zellmedium plan P 1,38 63,0 Deckglas plan DG 1,53 54,3 Immersion plan AA 1,34 55,4 1 plan D1 0,50 1,49 70,2 2 r1 –1,636 D2 5,79 1,89 40,5 r2 –6,167 LA1 3 r3 –14,549 D3 2,40 1,59 61,0 r4 –9,422 LA2 4 r5 70,312 D4 3,00 1,81 46,2 r6 –22,736 LA3 5 r7 42,712 D5 3,80 1,49 84,1 6 r8 –18,905 D6 1,60 1,66 39,5 7 r9 13,868 D7 3,90 1,50 81,1 r10 –18,518 LA4 8 r11 –344,203 D8 1,40 1,64 42,2 9 r12 8,092 D9 5,04 1,53 76,6 r13 –48,460 LA5 0,35 10 r14 8,015 D10 3,80 1,59 61,0 11 r15 11,802 D11 1,40 1,72 53,6 r16 5,902 LA6 5,14 12 r17 –6,704 D12 4,69 1,81 46,2 r18 –9,177 0,13 126,50

und einer nachgeordneten Tubuslinse mit einer Brennweite f = 164 mm.
Anordnung zur Fokusveränderung eines Mikroskopobjektivs nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch folgende Luftabstände LA1 bis LA4 in mm in Abhängigkeit von verschiedenen Variationen zwischen Probendicken P in mm, Deckglasdicken DG in mm und Immersionen W mit den Dicken AA in mm: P DG AA LA1 LA2 LA3 LA4 [mm] [mm] [mm] [mm] [mm] [mm] [mm] 0 0 0,56 1,78 0,49 2,47 0,3 0,2 0 0,56 0,95 1,33 2,47 0,3 0 0,17 0,4 1,78 0,49 1,93 0,84 0,2 0,17 0,4 0,95 1,33 1,93 0,84
Anordnung zur Fokusveränderung eines Mikroskopobjektivs nach den Ansprüchen 1 bis 3, gekennzeichnet für ein Mikroskopobjektiv 25x/0.8 Immersionsmittel W, mit einem Fokusbereich von 250 μm, einer numerischen Apertur von 8, einem Abbildungsmaßstab β mit einer 25 mal größeren Abbildung sowie unter Verwendung einer Immersionsmittel-Kochsalzlösung W bei einer Sehfeldzahl von 18 gekennzeichnet durch folgende Konstruktionsdaten, wobei r1 bis r17 die Krümmungsradien der optischen Bauelemente in mm, D die Dicken in mm, LA1 bis LA7 die Luftabstände zwischen den optischen Bauelementen in mm, ne die Brechzahl und ν_e die Abbezahlen sind: Linse Krümmungsradius Dicke Brechzahl Abbezahl Nr. [mm] [mm] ne ve Probe, Wasser plan P 1,33 55,8 Deckglas plan 0,17 1,52 59,2 Immersion plan 0,60 1,33 55,8 1 plan D1 0,50 1,49 70,2 2 r1 –1,654 D2 4,99 1,89 40,5 r2 –5,733 LA1 3 r3 –16,879 D3 1,50 1,52 64,0 r4 –7,899 LA2 4 r5 15,656 D4 2,00 1,59 68,0 r6 34,321 LA3 1,65 5 r7 10,519 D5 4,50 1,55 45,5 r8 9,906 LA4 2,30 6 r9 –43,509 D6 1,10 1,64 42,2 7 r10 9,045 D7 5,00 1,53 76,6 r11 –13,679 LA5 0,10 8 r12 23,291 D8 5,80 1,53 76,6 9 r13 –7,743 D9 1,10 1,62 44,3 r14 393,143 LA6 0,36 10 r15 10,029 D10 6,85 1,82 46,4 r16 6,941 LA7 4,20 11 r17 –6,809 D11 2,83 1,60 35,0 r18 –7,687 0,15 126,50

und einer nachgeordneten Tubuslinse mit einer Brennweite f = 164,5 mm.
Anordnung zur Fokusveränderung eines Mikroskopobjektivs nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch folgende Luftabstände LA1 bis LA2 in mm in Abhängigkeit von verschiedenen Probendicken P in mm: P LA1 LA2 [mm] [mm] [mm] 0 1,42 1,19 0,25 0,50 2,11
Anordnung zur Fokusveränderung eines Mikroskopobjektivs nach den Ansprüchen 1 bis 3, gekennzeichnet für ein Mikroskopobjektiv 20x/1.0 Immersionsmittel W, mit einem Fokusbereich von 300 μm, einer numerischen Apertur von 1.0, einem Abbildungsmaßstab β mit einer 20 mal größeren Abbildung sowie unter Verwendung einer Immersionsmittel-Kochsalzlösung W bei einer Sehfeldzahl von 20 gekennzeichnet durch folgende Konstruktionsdaten, wobei r1 bis r24 die Krümmungsradien der optischen Bauelemente in mm, D die Dicken in mm, LA1 bis LA8 die Luftabstände zwischen den optischen Bauelementen in mm, ne die Brechzahl und ν_e die Abbezahlen sind: Linse Krümmungsradius Dicke Brechzahl Abbezahl Nr. [mm] [mm] ne Ve Probe, Kochsalzlsg. plan P 1,34 55,4 Immersion plan 2,62 1,34 55,4 1 r1 –11,117 D1 2,20 1,63 53,0 2 r2 –3,919 D2 1,41 1,76 52,1 3 r3 –21,906 D3 6,00 1,89 40,5 r4 –10,061 LA1 4 r5 –41,589 D4 4,00 1,73 28,3 r6 –24,293 LA2 5 r7 –104,081 D5 5,00 1,44 94,5 r8 –21,109 LA3 0,10 6 r9 18,565 D6 9,65 1,44 94,5 r10 –72,224 LA4 0,37 7 r11 60,934 D7 6,00 1,44 94,5 8 r12 –22,685 D8 1,50 1,75 35,1 9 r13 12,541 D9 6,79 1,44 94,5 r14 –36,716 LA5 0,10 10 r15 12,363 D10 7,20 1,44 94,5 11 r16 –19,563 D11 1,10 1,64 42,2 r17 20,125 LA6 0,10 12 r18 7,723 D12 4,50 1,82 46,4 r19 5,002 LA7 6,00 13 r20 –6,689 D13 1,90 1,52 52,1 14 r21 9,342 D14 7,07 1,53 76,6 r22 –57,991 LA8 0,45 15 r23 –455,522 D15 3,80 1,75 35,0 r24 –18,748 0,29 107,00

und einer nachgeordneten Tubuslinse mit einer Brennweite von f = 164,5 mm.
Anordnung zur Fokusveränderung eines Mikroskopobjektivs nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch folgende Luftabstände LA1 bis LA2 in mm in Abhängigkeit von verschiedenen Probendicken P in mm: P LA1 LA2 [mm] [mm] [mm] 0 1,8 0 0,29 0 1,8
Anordnung zur Fokusveränderung eines Mikroskopobjektivs nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der dem axial zur Fokusveränderung verschiebbaren optischen Bauelenment (FL = L3) oder Baulementegruppe folgenden Rückgruppe (RG) mindestens ein optisches Baueelement oder eine Baulementegruppe (KG) zum Zwecke des Deckglasdickenausgleichs axial verschiebbar ist.