DE10316415B4

DE10316415B4 - Plan-apochromatisches Mikroskopobjektiv

Info

Publication number: DE10316415B4
Application number: DE2003116415
Authority: DE
Inventors: Manfred MATTHÄ; Georg Herbst
Original assignee: Carl Zeiss MicroImaging GmbH
Current assignee: Carl Zeiss Microscopy GmbH
Priority date: 2003-04-10
Filing date: 2003-04-10
Publication date: 2011-01-05
Anticipated expiration: 2023-04-11
Also published as: WO2004090603A1; DE10316415A1

Abstract

Plan-apochromatisches Mikroskopobjektiv, umfassend von der Objektebene her geordnet
– eine erste Linsengruppe (G1) mit einer positiven Gesamtbrennweite (f₁) zwischen 5 mm und 10 mm aus einer ersten und einer zweiten Linse (L1) bzw. (L2), wobei
• die Brechkräfte der beiden Linsen (L1) und (L2) um höchstens 30% voneinander abweichen, und
• die Radienkrümmungsmittelpunkte der beiden Linsen (L1) und (L2) objektseitig gelegen sind,
– eine zweite Linsengruppe (G2) mit einer Gesamtbrennweite (f₂) von mehr als 20 mm aus einer dritten Linse (L3) mit negativer Brechkraft (L3) und einer vierten Linse (L4) mit positiver Brechkraft, wobei die dritte Linse (L3) und die vierte Linse (L4) miteinander verkittet sind,
– eine dritte Linsengruppe (G3) mit einer Gesamtbrennweite (f₃) mit einem Betrag von mehr als 30 mm aus einer fünften Linse (L5), einer sechsten Linse (L6), einer siebten Linse (L7) und einer achten Linse (L8), die alle miteinander verkittet...

Description

Die Vielzahl der Anwendungen in der Mikroskopie hat dazu geführt, daß Mikroskopobjektive einer ständig steigenden Zahl verschiedener Forderungen genügen müssen. In letzter Zeit zunehmend an Bedeutung hat dabei die Untersuchung biologischer Objekte mit Fluoreszenz gewonnen. Für die Untersuchung solcher Objekte sind Objektive mit einer hohen numerischen Apertur bezüglich einer verbesserten Auflösung und Helligkeit vorteilhaft. Einer großen Apertur steht jedoch die Schwierigkeit gegenüber, ein möglichst geebnetes und gut korrigiertes Bild zu erzeugen.
Um dennoch beides zu realisieren, werden im Stand der Technik verschiedene aufwendige Lösungen vorgeschlagen. In der Offenlegungsschrift JP 091 01 462 A wird ein System mit fünfzehn Linsen beschrieben, das bei einer etwa hundertfachen Vergrößerung eine numerische Apertur von 0,95 aufweist, welches der für Luft höchstmögliche Wert ist.
Ein ähnlich aufwendiges System wird in der Schrift US 2002/0024744 A1 beschrieben. Auch hier werden fünfzehn und mehr Linsen verwendet. Mit dem beschriebenen Mikroskopobjektiv können Aperturen, die größer als 1 sind, erzielt werden, da Immersionsflüssigkeiten verwendet werden.
In US 4379623 A wird ein Mikroskopobjektiv beschrieben, welches nur semi-apochromatisch korrigiert ist, das heißt, es erfolgt lediglich eine apochromatisierte Korrektur mit einem kleinen sekundären Spektrum.
Ferner werden in US 5886827 A achromatische, beziehungsweise plan-achromatische Immersionsobjektive mit einem hohen Transmissionsanteil im nahen UV Bereich vorgestellt, die aber nicht apochromatisch korrigiert sind.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein plan-apochromatisches Mikroskopobjektiv mit einer möglichst hohen numerischen Apertur in Luft zu entwickeln, welches gleichzeitig mit möglichst wenig Linsen auskommt, um so Herstellungskosten einzusparen.
Diese Aufgabe wird durch ein plan-apochromatisches Mikroskopobjektiv gelöst, welches von der Objektebene her geordnet eine erste, zweite, dritte und vierte Linsengruppe umfasst. Die erste Linsengruppe mit positiver Gesamtbrennweite besteht aus einer ersten und einer zweiten Linse, wobei die Gesamtbrennweite der beiden Linsen größer als 5 mm und kleiner als 10 mm ist, die Brechkräfte der beiden Linsen um höchsten 30% voneinander abweichen, und die Radienkrümmungsmittelpunkte der beiden Linsen objektseitig gelegen sind. Die zweite Linsengruppe mit einer Gesamtbrennweite von mehr als 20 mm besteht aus einer dritten Linse mit negativer Brechkraft und einer vierten Linse mit positiver Brechkraft, wobei die dritte Linse und die vierte Linse miteinander verkittet sind. Die dritte Linsengruppe mit einer Gesamtbrennweite mit einem Betrag mehr als 30 mm besteht aus einer fünften Linse, einer sechsten Linse, einer siebten Linse und einer achten Linse, die alle miteinander verkittet sind und deren einzelne Brennweiten vom Betrag her kleiner als 30 mm sind, wobei die fünfte und die siebte Linse eine positive Brennweite, und die sechste und die achte Linse eine negative Brennweite aufweisen. Die vierte Linsengruppe schließlich mit einer Gesamtbrennweite zwischen –25 mm und –10 mm besteht aus einer neunten Linse mit positiver Brennweite und aus einem Material, dessen Abbezahl kleiner als 40 ist, und einer zehnten Linse mit negativer Brennweite. Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Mikroskopobjektivs ergibt sich mit den im Unteranspruch aufgeführten Konstruktionsdaten für ein Objektiv mit dem Abbildungsmaßstab 100x. Die Toleranzen für die Radien sind dabei – in Newtonringen angegeben – kleiner als 4 und die Abweichungen bei den Linsendicken und Abständen kleiner als 0,06 mm. Die maximalen Abweichungen bei den Brechzahlen sollen 5·10⁴ nicht überschreiten, und die relativen Abweichungen bei den Abbezahlen kleiner als 0,5% sein.
Gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Mikroskopobjektiven mit etwa den gleichen Leistungsdaten weist das erfindungsgemäße Objektiv eine geringe Anzahl von Linsen auf, insgesamt werden nur zehn Linsen benötigt. Die numerische Apertur erreicht den in Luft höchstmöglichen Wert von 0,95, das Bildfeld bleibt dabei eben und ist zum Rand vignettierungsfrei. Im visuellen Bereich von ca. 430 nm bis ca. 700 nm erfolgt eine apochromatische Korrektur der Farben. Die Abbildungsgüte wird über den gesamten Bildfeldbereich von 25 mm im Durchmesser und einem Abbildungsmaßstab von 100x nur durch Beugung begrenzt. Außerdem besteht durch die Brechkraftverteilung im Objektiv die Möglichkeit der Verlagerung der Objektivaustrittspupille in den hinteren Bereich, wodurch bessere Voraussetzungen für Kontrastierungsverfahren geschaffen werden. Schließlich weist das Objektiv einen hohen Anteil an Lichttransmission im nahen ultravioletten Bereich auf.
Das Mikroskopobjektiv soll im folgenden an einem Ausführungsbeispiel erläutert werden. In den dazugehörigen Zeichnungen zeigt
1 einen möglichen Objektivaufbau und
2 Queraberrationen bei verschiedenen Wellenlängen in der Bildmitte, in der Bildzone, und am Bildrand eines gemäß der Konstruktionsdaten des Unteranspruchs ausgeführten Objektivs.
1 zeigt zunächst ein Schnittbild des Objektivs gemäß der Erfindung. Ganz links und nicht eingezeichnet befindet sich die Objektebene, dieser am nächsten ist eine erste Linsengruppe G1. Diese umfasst eine erste Linse L1 und eine zweite Linse L2. Die Radienkrümmungsmittelpunkte beider Linsen L1 und L2 sind objektseitig gelegen, die Gesamtbrennweite der ersten Linsengruppe G1 ist positiv, wobei die Gesamtbrennweite dieser Gruppe zwischen 5 mm und 10 mm liegt und sich die einzelnen Brechkräfte der beiden Linsen L1 und L2 um nicht mehr als 30% unterscheiden. Daran an schließt sich in einem Abstand von etwa 0,1 mm eine zweite Linsengruppe G2 mit einer positiven Gesamtbrennweite von mehr als 20 mm aus zwei miteinander verkitteten Linsen L3 und L4. Die dritte Linse L3 weist eine negative Brechkraft auf, die vierte Linse L4 eine positive Brechkraft. Es folgt dann eine dritte Linsengruppe G3 aus insgesamt vier miteinander verkitteten Linsen L5, L6, L7 und L8. Alle Linsen sind miteinander verkittet und die Brechkraftfolge in der dritten Linsengruppe G3 ist positiv-negativ-positiv-negativ. Die Beträge der einzelnen Brechkräfte der Linsen L5, L6, L7 und L8 sind kleiner als 30 mm, der Betrag der Gesamtbrennweite der dritten Linsengruppe G3 ist jedoch größer als 30 mm. Daran an schließt sich eine vierte Linsengruppe G4. Diese besteht aus zwei in einem deutlichen Abstand voneinander angeordneten Linsen L9 und L10, wobei die neunte Linse L9 eine positive Brechkraft und die zehnte Linse L10 eine negative Brechzahl aufweist. Das Material der neunten Linse L9 weist dabei eine Abbezahl auf, die kleiner als 40 ist. Die Gesamtbrennweite der vierten Linsengruppe G4 ist negativ und liegt im Bereich zwischen –25 mm und –10 mm. Das austretende Licht kann nun auf einen Tubus abgebildet werden.

Die mögliche Ausgestaltung eines an die Konstruktionsdaten des Unteranspruchs angepassten Tubussystems ist in der folgenden Tabelle angegeben:

	r	d	a	n_e	ν_e
Objektiv	∞
			121,500
	167,8740
T-L1		7,000		1,58212	53,60
	–220,6400
			100,00
	∞
T-L2		30,000		1,51872	63,96
	∞
			42,5327
Bildebene

Die Brechzahlen beziehen sich dabei auf eine Wellenlänge von 546,07 nm. Die Abbezahlen ν_e wurden dabei, wie auch im Unteranspruch, aus der Gleichung
berechnet. Dabei ist ne die Brechzahl bei einer Wellenlänge von 546,07 nm, n_C, die Brechzahl bei einer Wellenlänge von 643,85 nm und n_F, die Brechzahl bei einer Wellenlänge von 479,99 nm.
In 2 ist ein Bildfehler eines Objektivs, welches auf den Konstruktionsdaten des Unteranspruchs basiert, nämlich die Queraberration, d. h. die Farbablagen der Öffnungsstrahlen eines Lichtbündels vom dazugehörigen Hauptstrahl, an drei Punkten im Bildfeld mit einem Radius von y'_max = 12,5 mm, nämlich in der Bildmitte auf der Achse bei y' = 0,0 mm (a), in der Bildzone bei einem Punkt y' = –8,99 mm (b) und am Bildrand bei y' = –12,5 mm (c) für drei verschiedene Wellenlängen dargestellt. Die Aberrationen bei einer Wellenlänge von 546,07 nm („grün”) sind mit einer durchgezogenen Linie, die Aberrationen bei einer Wellenlänge von 643,85 nm („rot”) mit einer gestrichelten Linie und die Aberrationen bei einer Wellenlänge von 479,99 nm („blau”) mit einer gepunkteten Linie dargestellt. Für die Punkte außerhalb der Bildmitte sind die Queraberrationen für die Farbe „grün” bei 546,07 nm im meridionalen Verlauf mit einer durchgezogenen Linie und im sagittalen Verlauf mit einer Strich-Punkt-Linie angegeben. Außerdem ist halbseitig entlang der Öffnungskoordinate der Rinnenfehler im Sagittalschnitt als Strich-Punkt-Punkt-Linie angegeben. Der Rinnenfehler entsteht durch sagittale Koma, wodurch die sagittalen Strahlen im Bildraum eine rinnenförmig gekrümmte Fläche aufspannen. Ein Teilstrich auf der y-Achse entspricht dabei 0,1 mm. Wie man erkennt, besitzt das Objektiv für alle Wellenlängen sehr gut korrigierte Werte, die über das gesamte Bildfeld unter der Sichtbarkeitsgrenze liegen. Das Objektiv kann deshalb mit Recht als plan-apochromatisch bezeichnet werden.
Bezugszeichenliste

G1, ..., G4

Linsengruppen

L1, ..., L10

Linsen

Claims

Plan-apochromatisches Mikroskopobjektiv, umfassend von der Objektebene her geordnet – eine erste Linsengruppe (G1) mit einer positiven Gesamtbrennweite (f₁) zwischen 5 mm und 10 mm aus einer ersten und einer zweiten Linse (L1) bzw. (L2), wobei • die Brechkräfte der beiden Linsen (L1) und (L2) um höchstens 30% voneinander abweichen, und • die Radienkrümmungsmittelpunkte der beiden Linsen (L1) und (L2) objektseitig gelegen sind, – eine zweite Linsengruppe (G2) mit einer Gesamtbrennweite (f₂) von mehr als 20 mm aus einer dritten Linse (L3) mit negativer Brechkraft (L3) und einer vierten Linse (L4) mit positiver Brechkraft, wobei die dritte Linse (L3) und die vierte Linse (L4) miteinander verkittet sind, – eine dritte Linsengruppe (G3) mit einer Gesamtbrennweite (f₃) mit einem Betrag von mehr als 30 mm aus einer fünften Linse (L5), einer sechsten Linse (L6), einer siebten Linse (L7) und einer achten Linse (L8), die alle miteinander verkittet sind und deren einzelne Brennweiten vom Betrag her kleiner als 30 mm sind, wobei die fünfte Linse (L5) und die siebte Linse (L7) eine positive Brennweite aufweisen, und die sechste Linse (L6) und die achte Linse (L8) eine negative Brennweite aufweisen, sowie – eine vierte Linsengruppe (G4) mit einer Gesamtbrennweite (f₄) zwischen –25 mm und –10 mm aus einer neunten Linse (L9) mit positiver Brennweite aus einem Material, dessen Abbezahl kleiner als 40 ist, und einer zehnten Linse (L10) mit negativer Brennweite.
Plan-apochromatisches Mikroskopobjektiv nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Konstruktionsdaten mit Radien r, Dicken d und Abständen a in mm, Brechzahlen ne bei einer Wellenlänge von 546.07 nm und Abbezahlen ν_e: r d a ne ν_e Objektebene ∞ 0,700 –1,5400 L1 2,200 1,88577 40,76 –2,3030 0,082 –33,7410 L2 4,700 1,48794 84,07 –5,7450 0,102 –47,3150 L3 0,900 1,61664 44,27 8,0590 L4 5.840 1,48794 84,07 –8,2920 0,180 29,4298 L5 5,900 1,62247 63,18 –6,0424 L6 1,000 1,61664 44,27 6,9790 L7 5,200 1,48794 84,07 –6,1313 L8 1,040 1,71616 53,61 –14,7470 4,343 26,8005 L9 11,300 1,72310 29,29 –13,1430 3,363 –6,501 L10 1,05 1,80832 46,24 8,004 0,600 Tubus ∞