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Die
Vielzahl der Anwendungen in der Mikroskopie hat dazu geführt, dass
Mikroskopobjektive einer ständig
steigenden Zahl verschiedener Forderungen genügen müssen. Wesentliche Parameter,
die die Leistungsfähigkeit
von Mikroskopobjektiven bestimmen, sind die Apertur und damit das
Auflösungsvermögen, die Größe des aufgenommenen
Objektbildes und die Güte
der Abbildung. Bei der Optimierung können sich jedoch andere Schwierigkeiten
ergeben, so steht z. B. einer möglichst
großen
numerischen Apertur das Problem gegenüber, gleichzeitig ein möglichst
geebnetes Bild zu erzeugen.
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Um
möglichst
viele dieser Forderungen zu erfüllen,
werden im Stand der Technik verschiedene Lösungen vorgeschlagen. In der
Patentschrift
DE 24
54 994 C3 wird ein Mikroskopobjektiv beschrieben, welches ohne
Immersionsflüssigkeit
auskommt und aus neun Linsen besteht. Mit diesem Objektiv werden
numerische Aperturen von ca. 0,75 erzielt. Dieser Wert liegt jedoch
deutlich unter der für
Luft maximal möglichen
numerischen Apertur von 0,95.
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Ein
anderes System wird in der Schrift
US 5,444,573 A beschrieben. Dieses System
verwendet zehn Linsen, dabei werden numerische Aperturen zwischen
0,85 und 0,90 erreicht, auch hier wird keine Immersionsflüssigkeit
verwendet. Mit einem Abbildungsmaßstab 40× liegt der Durchmesser des
Objektfeldes bei etwa 0.6 mm.
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DE 24 54 994 C3 beschreibt
ein Mikroskopobjektiv, welches insbesondere für Durchlicht-Prüfmikroskope
und für
Metallographie-Mikroskope vorgesehen ist. Das Mikroskopobjektiv
besteht aus fünf
Linsengruppen. Nachteilig ist die relativ niedrige numerische Apertur
von etwa 0,75.
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In
US 4 379 623 A wird
ebenfalls ein Mikroskopobjektiv mit einer relativ niedrigen numerischen
Apertur beschrieben, welches ferner den Nachteil hat, dass es nicht
apochromatisch korrigiert ist.
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DE 26 02 730 A1 zeigt
ein Mikroskopobjektiv, welches mit einer Vorrichtung zur Beseitigung
oder Korrektur von Bildfehlern ausgestattet ist. Da es hier im Wesentlichen
um die Gestaltung des Objektivs zur Beseitigung des sphärischen
Fehlers geht, werden zu den optischen Korrektionszuständen der
beiden Objektivbeispiele keine Angaben gemacht.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ein plan-apochromatisches Mikroskopobjektiv
mit einer möglichst
hohen numerischen Apertur in Luft zu entwickeln, welches außerdem ein
möglichst
großes
Objektfeld aufnehmen und zudem mit möglichst wenig Linsen auskommen
soll, um die Herstellungskosten möglichst gering zu halten.
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Diese
Aufgabe wird durch ein plan-apochromatisches Mikroskopobjektiv gelöst, welches
von der Objektebene her geordnet ein erstes, zweites, drittes, viertes
und fünftes
Linsenglied umfasst. Das erste Linsenglied hat eine positive Gesamtbrennweite
und besteht aus einer ersten Linse, deren Radienkrümmungsmittelpunkte
objektseitig gelegen sind. Das zweite Linsenglied hat ebenfalls
eine positive Gesamtbrennweite und besteht aus einer zweiten Linse
mit negativer Brennweite und einer dritten Linse mit positiver Brennweite,
wobei die beiden Linsen miteinander verkittet sind. Der Unterschied
in den Brechkräften
des ersten Linsenglieds und des zweiten Linsenglieds ist dabei nicht
größer als
25%. Das dritte Linsenglied weist eine positive Gesamtbrennweite
von mehr als 50 mm auf. Es besteht aus einer vierten Linse mit negativer
Brennweite und einer fünften
Linse mit positiver Brennweite, beide sind miteinander verkittet.
Das vierte Linsenglied hat ebenfalls eine positive Gesamtbrennweite
von höchstens
35 mm und besteht aus einer sechsten Linse mit positiver Brennweite,
einer siebten Linse mit negativer Brennweite und einer achten Linse
mit positiver Brennweite. Der Betrag der Brennweite der siebten
Linse ist dabei kleiner als die Brennweiten der sechsten und der
achten Linse. Außerdem
sind alle drei Linsen miteinander verkittet, d. h. die sechste Linse
mit der siebten Linse und diese wiederum auf ihrer bildseitig gelegenen
Seite mit der achten Linse. Das fünfte Linsenglied schließlich weist eine
negative Gesamtbrennweite zwischen –20 mm und –8 mm auf und besteht aus einer
neunten Linse mit positiver Brennweite und einer zehnten Linse mit
negativer Brennweite, beide Linsen sind miteinander verkittet.
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Eine
vorteilhafte Ausgestaltung des Mikroskopobjektivs ergibt sich mit
den im Unteranspruch aufgeführten
Konstruktionsdaten für
ein Objektiv mit dem Abbildungsmaßstab 50×. Diese Ausgestaltung ist
besonders für
Auflichtanwendungen optimiert.
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Mit
insgesamt zehn Linsen wird die in Luft höchstmögliche numerische Apertur von
0,95 erreicht. Das aufgenommene Objektfeld hat einen Durchmesser
von 0,5 mm und ist damit überdurchschnittlich
groß.
Bei einer Vergrößerung von
50× wird
ein geebnetes Bild mit 25 mm Durchmesser ausgeleuchtet. Die Abbildung
ist apochromatisch, die Bildgüte
im gesamten visuellen Bereich ist sehr gut: alle in diesem Bereich
bis hin zum ultravioletten Bereich definierten Farbablagen, d. h.
Abbildungsfehler, die aufgrund der Verwendung von aus vielen Wellenlängen zusammengesetztem
Licht entstehen, sind deutlich kleiner als die wellenoptische Tiefenschärfe. Durch
das erste Linsenglied wird der Aperturwinkel wesentlich verringert,
dabei entsteht eine sphärische
und chromatische Unterkorrektur. Die Kompensation des sphärischen
Fehlers erfolgt hauptsächlich
im dritten Linsenglied, die des Farblängsfehlers, d. h. des Fehlers
in der Tiefe bei der Abbildung eines Punktes in einen Punkt, im
wesentlichen im fünften
Linsenglied. Im zweiten Linsenglied wird der Öffnungswinkel weiter verringert.
Im dritten, vierten und fünften
Linsenglied werden die notwendigen Anteile zur Korrektur des Astigmatismus,
der Koma und der Petzvalsumme erzeugt. In der Ausgestaltung gemäß des Unteranspruchs
ist die relative wellenoptische Verzeichnung am Feldrand kleiner
als 0,3%. 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.
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Das
Mikroskopobjektiv soll im folgenden an einem Ausführungsbeispiel
erläutert
werden. In den dazugehörigen
Zeichnungen zeigt
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1 einen
möglichen
Objektivaufbau und
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2 Queraberrationen
bei verschiedenen Wellenlängen
in der Bildmitte, in der Bildzone und am Bildrand für ein gemäß der Konstruktionsdaten
des Unteranspruchs ausgeführten
Objektivs.
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1 zeigt
zunächst
ein Schnittbild des Objektivs gemäß der Erfindung. Ganz links
und nicht eingezeichnet befindet sich die Objektebene. Der Objektebene
am nächsten
ist ein erstes Linsenglied G1, dieses besteht aus einer ersten Linse
L1, deren Radienkrümmungsmittelpunkte
beide objektseitig gelegen sind. Die Brennweite der ersten Linse
L1 ist positiv. Daran an schließt
sich in einem Abstand von etwa 0,1 mm ein zweites Linsenglied G2
mit einer positiven Gesamtbrennweite. Das zweite Linsenglied G2
ist aus einer zweiten Linse L2 mit negativer Brennweite und einer
dritten Linse L3 mit positiver Brennweite zusammengesetzt, beide Linsen
L2 und L3 sind miteinander verkittet. Dabei liegt der Unterschied
in den Brechkräften
des ersten Linsenglieds G1 und des zweiten Linsenglieds G2 bei nicht
mehr als 25%. Es folgt ein drittes Linsenglied G3 mit einer positiven
Gesamtbrennweite, die größer als
50 mm ist. Das dritte Linsenglied G3 besteht aus einer vierten Linse
L4 mit negativer Brennweite und einer fünften Linse L5 mit positiver
Brennweite, beide Linsen L4 und L5 sind miteinander verkittet. Daran
an schließt
sich ein viertes Linsenglied G4 mit einer positiven Gesamtbrennweite
von höchstens
35 mm, es besteht aus einer sechsten Linse L6 mit positiver Brennweite,
einer siebten Linse L7 mit negativer Brennweite und einer achten
Linse L8 mit positiver Brennweite. Alle drei Linsen L6, L7 und L8
sind miteinander verkittet, der Betrag der Brennweite der siebten
Linse L7 ist dabei kleiner als die jeweiligen Brennweiten der sechsten
Linse L6 und der achten Linse L8. Im vierten Linsenglied G4 liegt
auch der wesentlich Unterschied zu dem in der
US 5,444,573 beschriebenen Mikroskopobjektiv.
Die dem vierten Linsenglied G4 entsprechende Gruppe hat eine andere
Brechkraftfolge und insgesamt negative Brechkraft, weshalb auch
die sammelnde Wirkung der davorliegenden Linsen wesentlich stärker ist
als in der vorliegenden Erfindung. Dem vierten Linsenglied G4 folgt
schließlich
als letztes ein fünftes
Linsenglied G5, welches eine negative Gesamtbrennweite zwischen –20 mm und –8 mm aufweist.
Es besteht aus einer neunten Linse L9 mit positiver Brennweite und
einer zehnten Linse L10 mit negativer Brennweite, beide Linsen L9
und L10 sind miteinander verkittet.
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Die
mögliche
Ausgestaltung eines Tubussystems, welches an die Konstruktionsdaten
des Unteranspruchs angepaßten
Tubussystems wurde, ist in der folgenden Tabelle angegeben:
| | r | d | a | ne | ve |
| 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 | | | | | |
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Die
Brechzahlen beziehen sich dabei auf eine Wellenlänge von 546,07 nm, die Abbezahlen
v
e wurden dabei, wie auch im Unteranspruch,
aus der Gleichung
berechnet. Dabei ist n
e 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.
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In 2 ist
ein Bildfehler eines solchen Objektivs, welches auf den Konstruktionsdaten
des Unteranspruchs basiert, nämlich
die Queraberration, d. h. die seitlichen Abweichungen bei der Abbildung
eines Punktes in eine Punkt, an drei Punkten im Bildfeld – in der
Bildmitte (a), in der Bildzone (b) und am Bildrand (c) – für drei verschiedene
Wellenlängen
dargestellt. Die Queraberrationen bei einer Wellenlänge von
546,07 nm sind mit einer durchgezogenen Linie, bei einer Wellenlänge von
643,85 nm mit einer gestrichelten Linie und bei einer Wellenlänge von
479,99 nm mit einer gepunkteten Linie dargestellt. Ein Teilstrich
auf der y-Achse entspricht dabei 0,05 mm. 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. Wie man erkennt besitzt
das Objektiv für
alle Wellenlängen
sehr gut korrigierte Werte, die über
das gesamte Bildfeld unter der Sichtbarkeitsgrenze liegen.
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Bezugszeichenliste
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- G1, ..., G5
- Linsenglieder
- L1, ..., L10
- Linsen
