DE112015002598T5

DE112015002598T5 - Optische vorrichtung zum beobachten eines objekts und minimieren des internen reflexionphänomens

Info

Publication number: DE112015002598T5
Application number: DE112015002598.7T
Authority: DE
Inventors: Thierry Leroux
Original assignee: Lrx Lnvestissement
Current assignee: ELDIM, FR
Priority date: 2014-06-02
Filing date: 2015-06-01
Publication date: 2017-07-20
Also published as: FR3021759A1; JP6728560B2; JP2017519245A; WO2015185837A1; US20170176715A1; FR3021759B1; US10732381B2; WO2015185837A9

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Linseneinheit zum Beobachten eines Objekts, die dadurch gekennzeichnet ist, dass sie Folgendes umfasst: ein optisches System 10, das eine oder mehrere aufeinanderfolgende Linsen umfasst, und eine optische Vorrichtung, die Folgendes umfasst: wenigstens ein erstes optisches Element des Linsentyps, das eine vordere Oberfläche und eine hintere Oberfläche definiert, wobei das erste optische Element aus einem optisch transparenten Material hergestellt ist und einen Brechungsindex „n1” aufweist, ein zweites optisches Element, das eine vordere Oberfläche und eine hintere Oberfläche definiert und das durch seine vordere Oberfläche mit der hinteren Oberfläche des ersten optischen Elements optisch gekoppelt ist, wobei das zweite optische Element aus einem Material mit einem Brechungsindex n2 hergestellt ist und mit wenigstens einem Teil bereitgestellt ist, der aus einem Material hergestellt ist, das sichtbares Licht optisch absorbiert, wobei die optische Vorrichtung die Linse des optischen Systems oder wenigstens die Endlinse unter den aufeinanderfolgenden Linsen im optischen System ersetzt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft die Herstellung optischer Elemente, die in Linsen des mikroskopischen oder konoskopischen Typs verwendet werden, und das Beheben eines Nachteils, der gegenwärtigen Herstellungsverfahren anhaftet und der hauptsächlich beobachtet wird, wenn der Bildwinkel oder die numerische Apertur dieser Linsen groß ist.
Die optischen Lösungen, die bei der Herstellung von Linsen des „Mikroskop”-Typs angewendet werden, und insbesondere wenn die numerische Apertur groß ist, verwenden üblicherweise, und für Linsen nahe dem zu beobachtenden oder zu messenden Objekt, Sammellinsen des Meniskustyps, des plankonvexen und seltener des bikonvexen Typs, die hinsichtlich ihres konvexen Teils soweit wie eine Halbkugel zu der Bildebene hin orientiert sein können. Verschiedene Sammellinsen sind in der ersten Zeile in 1 gezeigt, während verschiedene Linsen des Zerstreuungstyps in der zweiten Zeile dieser 1 gezeigt sind.
Dieser Typ von Sammellinsen wird auch auf ähnliche Weise in anderen Typen von Ausrüstung, insbesondere in Flussmesstechnik oder Konoskopie, verwendet.
Eine solche Sammellinse kann wie folgt gebildet sein:

– eine erste Oberfläche, die zum Objekt hin orientiert ist, die sphärisch oder asphärisch, konkav, planar oder konvex ist;
– ein transparentes Material mit einem Brechungsindex > 1. Als allgemeine Regel weisen die in optischen Elementen verwendeten Gläser einen Brechungsindex zwischen 1,4 und 1,95 auf;
– eine zweite konvexe, sphärische oder asphärische Oberfläche, die sich bis zu einer Form nahe einer Halbkugel erstrecken kann.

Die Drehungsachsen der ersten und zweiten Oberfläche sind mit der optischen Achse der Linsen zusammengelegt. Die geometrischen Eigenschaften (Krümmungsradien) dieser Oberflächen sind so, dass die sich ergebende Linse sammelnd ist (mit einer positiven Brennweite).
Die im Zusammenhang mit optischen Baugruppen am meisten verwendeten Linsen mit einer hohen numerischen Apertur sind allgemein vom „Sammelmeniskus”-Typ („positiver Meniskus”).
Sogenanntes „Totalreflexion”-Phänomen
Es ist wohlbekannt, dass ein Lichtstrahl, der in einem Medium mit einem Brechungsindex n1 propagiert, bei einer Einfallsbedingung unter einem Winkel kleiner als dem kritischen Theta-Winkel (θ_c) total reflektiert werden kann, wenn es auf ein Medium mit einem niedrigeren Brechungsindex n2 trifft.
Der kritische Winkel ist gegeben durch: θ_c = arcsin(n2/n1)
In Zusammenhang mit einer mikroskopischen oder konoskopischen Linse, die für die oben erwähnten Anwendungen verwendet wird, kann das einfallende Licht, das von der Probe emittiert wird, aufgrund dieses Phänomens perfekt zur Probe zurückgeschickt werden, wodurch parasitäre Reflexionen verursacht werden, die die Beobachtung von dieser oder die Genauigkeit der Messung beeinträchtigen können.
Für Gläser mit einem sehr hohen Index und im Fall eines Übergangs vom Glas zu Luft ist der kritische Winkel sehr klein (ungefähr 33° für Glas des S-LAH65-Typs mit einem Index von 1,8 bei 546 nm), wie in der numerischen Simulation in 2 gesehen werden kann. Diese Simulation ist als Beispiel gegeben, der gleiche Typ des Phänomens kann beobachtet werden, egal welches Material verwendet wird (hier das Glas der Art Ohara mit der Referenz S-LAH65).
Dieses Phänomen hat möglicherweise wichtige Konsequenzen für die Eigenschaften von Sammellinsen.
Falls die Eigenschaften der Linse und des verwendeten Materials dies zulassen, ist es möglich, dieses Phänomen experimentell zu beobachten, indem zum Beispiel ein Laser in die Richtungen und Positionen, die in 4 angezeigt sind, gerichtet wird: der erste Strahl (durchgezogene Linie) durchgeht das System normal mit einem Transmissionskoeffizienten von 98,4%, der zweite (gestrichelte Linien) erfährt zwei Totalreflexionen, bevor er zur Quelle hin mit einem Reflexionskoeffizienten von 97,7% zurückkehrt.
Es ist möglich, das Verhalten einer Linse dieses Typs mit Ad-hoc-Softwarehilfsmitteln, wie etwa zum Beispiel Code V, ZEMAX oder anderen Programmen, zu simulieren. Die in 5 mit der ZEMAX-Software ausgeführte Simulation zeigt auch die Reaktion der Komponente auf eine ausgedehnte Quelle, die vor dieser platziert ist. Es wurde herausgefunden, dass das Gebiet, welches das Totalreflexionphänomen betrifft, eine ringförmige Form aufweist.
Das Ergebnis einer Simulation der reflektierten Intensität in der Ebene des Objekts zeigt, dass die reflektierte Intensität für einen eingehenden Lichtstrom von 1 W/cm² 2,4 W/cm² erreichen kann.
Selbstverständlich hängen diese Figuren von der genauen Geometrie des fraglichen Meniskus ab.
Andererseits ist es hinsichtlich der retroreflektierten Energieniveaus (+240%) klar, dass dieses Verhalten ein metrologisches Problem in der Konfiguration des Systems oder des Paars, das aus der zu messenden Probe und dem Messsystem besteht, darstellt, so dass die Messung kontaminiert ist.
Lösungen nach dem Stand der Technik
Unter den Lösungen, die ein Fachmann vorsehen kann, befindet sich:

– eine Antireflexionsbehandlung.

Es kann gemäß 3 herausgefunden werden, dass, selbst wenn eine Behandlung des Antireflexionstyps das Verhalten der Grenzfläche unter Winkeln kleiner als dem kritischen Winkel verbessern kann, indem die reflektierte Intensität für Winkel kleiner als oder nahe dem kritischen Winkel reduziert wird, der Wert dieses Winkels nicht modifiziert wird und daher das Phänomen jenseits dieses Winkels fortbesteht. Die Berechnung in 3 ist hier als Beispiel gegeben, das gleiche Verhalten kann beobachtet werden, egal welches Material verwendet wird und egal welche Stapelung der dünnen Schichten zum Herstellen der Antireflexionsbehandlung verwendet wird.
Antireflexionsbeschichtungen können daher keine zufriedenstellende Lösung bereitstellen.

– Beschränkung der Krümmungsradien

Eine andere mögliche Lösung besteht aus einer Beschränkung der Krümmungsradien der Linsen, so dass nur Winkel verwendet werden müssen, die kleiner als der kritische Winkel sind, der eine Totalreflexion verursacht.
Im letzteren Fall werden die anderen Leistungsfähigkeiten des Systems dadurch stark vermindert oder können nicht erreicht werden.
Zum Beispiel, und falls das Beispiel aus 4 und 5 hergenommen wird, für welches die numerische Apertur des Systems sin(88°) = 0,9994 ist, ermöglicht eine Einschränkung des Durchmessers der ersten optischen Oberfläche (siehe 6) es, deutlich frei von Retroreflexionen zu sein.
Der retroreflektierte Lichtstrom ändert sich von 5,2 W zu etwa 12 mW, das heißt eine Reduktion um einen Faktor von 400.
Jedoch sind die Leistungsfähigkeiten der Linsen dadurch drastisch beeinträchtigt, da die numerische Apertur des Systems sich zu sin(61°) = 0,876 ändert, was von einem optischen Blickpunkt eine dramatische Reduzierung des Bildwinkels ist.
Technisches Problem
Das Problem, das gelöst werden muss, besteht daher aus der erheblichen Reduzierung des Retroreflexionsniveaus, das diesem Linsentyp anhaftet, so dass die Winkel- und Raumverteilung von Licht, das aus einer Vorrichtung im Test austritt, nicht durch die Anwesenheit des Analysesystems und insbesondere des/der optischen Sammelelements/Sammelelemente, das/die beim Eingang zu diesem platziert ist/sind, gestört wird.
Lösung nach der Erfindung
Dieses Ziel wird durch die Erfindung erreicht, die eine optische Vorrichtung zum Beobachten eines Objekts betrifft, die wenigstens ein erstes optisches Element des Linsentyps umfasst, das eine vordere Oberfläche, die zum zu beobachtenden Objekt hin orientiert ist, und eine hintere Oberfläche entgegengesetzt zum Objekt definiert, wobei das erste optische Element aus einem optisch transparenten Material gefertigt ist und einen Brechungsindex „n1” aufweist. Gemäß der Erfindung umfasst diese Vorrichtung ein zweites optisches Element mit einer vorbestimmten Dicke, das eine vordere Oberfläche, die zum Objekt hin orientiert ist, und eine hintere Oberfläche entgegengesetzt zum Objekt definiert, und das optisch durch seine vordere Oberfläche mit der hinteren Oberfläche des ersten optischen Elements gekoppelt ist, wobei das zweite optische Element aus einem Material mit einem Brechungsindex n2 gefertigt ist und mit wenigstens einem Teil bereitgestellt ist, der aus einem Material hergestellt ist, das sichtbares Licht optisch absorbiert.
Die Erfindung kann auch einen oder einen anderen oder alle der folgenden Aspekte aufweisen, unter denen:

– ein zweites optisches Element mit einer vorbestimmten Dicke eine vordere Oberfläche, die zum Objekt hin orientiert ist, und eine hintere Oberfläche entgegengesetzt zum Objekt definiert und durch seine vordere Oberfläche mit der hinteren Oberfläche des ersten optischen Elements optisch gekoppelt ist, wobei das zweite optische Element aus einem Material mit einem Brechungsindex n2 hergestellt ist und mit wenigstens einem Teil bereitgestellt ist, der aus einem Material hergestellt ist, das sichtbares Licht optisch absorbiert,
– der Teil des zweiten optischen Elements, der aus einem optisch absorbierenden Material hergestellt ist, der Teil des zweiten optischen Elements ist, der am meisten dafür verantwortlich ist, der Ursprung der Totalreflexion zu sein,
– das gesamte zweite optische Element aus einem optisch absorbierenden Material hergestellt ist,
– das optisch absorbierende Material, das das zweite optische Element darstellt, spektral neutral ist,
– der Brechungsindex n2 des zweiten optischen Elements kleiner als der Brechungsindex n1 des ersten optischen Materials ist,
– die hintere Oberfläche des ersten optischen Elements konvex ist und das zweite optische Element in Form einer Kappe vorliegt,
– die Dicke der Kappe konstant ist,
– die Indices n1 und n2 der Materialien, die das erste und zweite optische Element darstellen, zwischen 1,43 und 1,96 liegen,
– der Transmissionskoeffizient des absorbierenden Materials, das das zweite Element darstellt, zwischen 1% und 99% liegt,
– die minimale Dicke des zweiten optischen Elements so gewählt ist, dass sie größer als die Kohärenzlänge des Lichts, das vom beobachteten Objekt emittiert oder reflektiert wird, im verwendeten Material ist.

Die Erfindung betrifft zudem eine Linseneinheit des Mikroskoptyps, die ein optisches Transport- und Vergrößerungssystem, das eine Linse oder mehrere aufeinanderfolgende Linsen umfasst, und eine Feldlinse umfasst, die imstande ist, ein Bild des beobachteten Objekts in der Bildebene zu erzeugen, wobei diese wenigstens eine Vorrichtung umfasst, die vorhanden ist, um die Linse des optischen Systems oder wenigstens die Linse des optischen Systems, die am nächsten zum beobachteten Objekt ist, unter den aufeinanderfolgenden Linsen des optischen Systems zu ersetzen.
Die Erfindung betrifft zudem eine Linseneinheit des Konoskoptyps, die ein optisches Vergrößerungssystem umfasst, das eine Linse oder mehrere aufeinanderfolgende Linsen umfasst und das es ermöglicht, ein Bild der Winkelverteilung des Lichtstroms vom beobachteten Objekt zu erzeugen, wobei sie vorhanden ist, um die Linse des optischen Systems oder wenigstens die Linse des optischen Systems, die dem beobachteten Objekt am nächsten ist, unter den aufeinanderfolgenden Linsen im optischen System zu ersetzen.
Die Erfindung betrifft auch ein optisches Instrument, das eine Linseneinheit des obigen Typs umfasst.
Die Erfindung wird im Licht der folgenden Beschreibung besser verstanden werden, die um eine nichtbeschränkende Beispielausführungsform herum konstruiert ist und die mit Bezugnahme auf die folgenden Figuren gegeben ist, unter denen:
die zuvor erwähnte 1 verschiedene Sammel- und Zerstreuungslinsenstrukturen zeigt,
die zuvor erwähnten 2 und 3 Graphen zeigen, die die Änderung des internen Reflexionskoeffizienten des S-LAH65-Glases bei 550 nm als eine Funktion des Einfallswinkels veranschaulichen, und den kritischen Winkel zeigen, von dem aus Totalreflexion beobachtet werden kann, ohne Antireflexionsbehandlung des fraglichen Glases (2) und mit dieser (3),
4 bis 6 mittels einer schematischen Ansicht Folgendes zeigen: 4: eine Sammellinse, durch die ein einfallender Strahl (durchgezogene Linie) hindurchgeht und die verursacht, dass ein anderer Strahl eine doppelte Totalreflexion erfährt (gestrichelte Linien),
5: eine Simulation des Verhaltens der Linse mit einer ausgedehnten Quelle, die zeigt, dass ein ringförmiger peripherer Teil der Linse mehr internen Reflexionen unterliegt,
6: die gleiche Simulation, jedoch mit einer Reduktion des Durchmessers der optischen Oberfläche,
7 eine optische Vorrichtung gemäß der Erfindung zeigt, die zwei optisch gekoppelte Elemente umfasst, die es ermöglichen, das interne Reflexionphänomen zu reduzieren,
8 die optische Vorrichtung gemäß der Erfindung in Verbindung mit einem optischen System veranschaulicht,
9 die optische Vorrichtung gemäß der Erfindung in einem Instrument des Mikroskoptyps veranschaulicht,
10 die optische Vorrichtung gemäß der Erfindung in einem Instrument des Konoskoptyps veranschaulicht,
11 bis 14 vier Graphen zeigen, die zur Bemessung eines Parameters der Vorrichtung gemäß der Erfindung verwendet werden können (Brechungsindex der Hülle).
In Übereinstimmung mit 7 basiert die Erfindung auf der Einführung einer „Hülle”, die aus einem absorbierenden Material 2 an die externe optische Oberfläche einer Linse 1 einer Linseneinheit zum Beobachten eines Objekts angrenzend gefertigt ist, wie etwa einer Linseneinheit eines Mikroskops oder eines Konoskops, die insbesondere im Gebiet der Metrologie verwendet wird.
Genauer gesagt umfasst eine Linseneinheit zum Beobachten eines Objekts (in dieser 7 links befindlich und im Rest des Texts der „vorderen” Orientierung entsprechend) in Übereinstimmung mit 7 herkömmlicherweise wenigstens eine Linse 1 (oder ein optisches System, das mit einer Abfolge von Linsen bereitgestellt ist), die zwischen das Objekt und ein Mittel zum Beobachten des Bildes, das durch die Linse oder das optische System in der Bildebene dieser Linse oder dieses Systems erzeugt wird, gestellt ist.
Das Beobachtungsmittel, das in 7 rechts befindlich ist und der „hinteren” Orientierung im Rest des Texts entspricht, kann aus einem Okular, einem Matrixsensor, einem Einheitssensor oder einem anderen Sensor usw. gemäß der Natur des zu erreichenden Beobachtungsziels (Mikroskop, Konoskop oder andere) bestehen.
Das Objekt emittiert Lichtstrahlen, die durch die Linse oder die aufeinanderfolgenden Linsen hindurchgehen und die ein Bild bilden, das vom Beobachtungsmittel beobachtet wird.
Im Gegensatz zu Projektionsinstrumenten, bei denen das beobachtete Objekt eine Lichtquelle ist, wobei per Definition die Intensität der emittierten Strahlen erhöht werden kann, ist es bei Beobachtungsinstrumenten nicht allgemein möglich, die Intensität der vom Objekt emittierten Lichtstrahlen zu erhöhen, außer durch Hinzufügen einer Beleuchtung, die zum Objekt hin gerichtet ist, aber die auch mit den Strahlen, die dieses Objekt natürlich emittiert, interferieren würde und dementsprechend mit der benötigten Beobachtung und/oder Messung.
Weiterhin ist es bei Projektionsinstrumenten, wie etwa dem im amerikanischen Patent US 5 880 887 veranschaulichten, die vordere (zur Lichtquelle gerichtete) Oberfläche der Linse, die konvex ist, und die hintere Oberfläche ist planar und ist die Stelle der internen Reflexion einer parasitären Quelle, die von der Beobachtungsseite kommt. Die Lösung für dieses Projektionsinstrument war es, ein absorbierendes Material auf der vorderen Oberfläche der Linse aufzuweisen, wobei dieses Material mit einer konkaven hinteren Oberfläche und einer konkaven vorderen Oberfläche bereitgestellt ist.
Andererseits können im Zusammenhang mit Instrumenten zum Beobachten eines Objekts das Objekt selbst und das Instrument, das dieses beobachtet, eine parasitäre Lichtquelle darstellen, wenn manche der vom Objekt emittierten Strahlen eine interne Reflexion an der konvexen hinteren Oberfläche der Linse erfahren. Jedoch ist jegliche Störung der natürlich vom Objekt emittierten Lichtstrahlen zu verhindern, insbesondere und speziell jener, die vom optischen System verursacht werden, das dieses beobachtet, und insbesondere und speziell jener, die vorhanden sind, um einen Teil der Intensität des vom Objekt emittierten Lichtstroms zu beobachten.
Dementsprechend können die Lösungen, die bei den Projektionsinstrumenten zum Reduzieren der Störungen, die an den von der projizierten Lichtquelle emittierten Lichtstrahlen verursacht werden, und die aus dem Verwenden eines Materials bestehen, das die von einer parasitären Quelle, die sich auf der Beobachtungsseite befindet, emittierten Lichtstrahlen absorbiert, verwendet werden, offensichtlich nicht auf Beobachtungsinstrumente übertragen werden.
Dementsprechend wurde auf eine im Gebiet optischer Instrumente zum Beobachten von Objekten neue und überraschende Art das optische Koppeln von wenigstens einer Linse des optischen Systems der Linseneinheit mit einer Kappe, die aus einem absorbierenden Material gefertigt ist, von dem Erfinder als eine mögliche Lösung zum Reduzieren des internen Reflexionsphänomens in Betracht gezogen, das mit der Beobachtung/Messung des Lichtstroms interferiert, ohne diese Beobachtung/Messung des Lichtstroms übermäßig zu beeinträchtigen.
Zu diesem Zweck ist eine Kappe, die aus einem absorbierenden Material gefertigt ist, an die hintere Oberfläche der Linse (diejenige, die zum Beobachtungsmittel hin orientiert ist und die konvex ist) angebracht, wobei die vordere (zum Objekt hin gerichtete) Oberfläche der Kappe dementsprechend konkav ist (weiterhin ist die hintere Oberfläche der Kappe im veranschaulichten Beispiel konvex).
Die verschiedenen technischen Gebiete, die aus den Anzeigebildschirmen im Fall des zuvor erwähnten Dokuments US 5 880 887 und der Metrologie im Fall der Erfindung bestehen, bedeuten, dass die im Ersteren verwendeten Lösungen offensichtlich nicht auf das Andere übertragen werden können:

– Im Fall von Projektion ist es ein Fall des Nicht-Störens des Bildes des Objekts, das vom Subjekt beobachtet wird, durch zum Subjekt externe Lichtquellen.

Dieses Ziel wird erreicht, indem das absorbierende optische Element zwischen dem Bilderzeugungssystem (der Quelle) und dem Subjekt gemäß einer Objekt (Quelle)/zweites Element (Absorptionsmittel)/erstes Element (Störer)/Beobachteranordnung platziert wird. Die zweite Oberfläche (Konvexität) der absorbierenden Kappe ist dieses Mal zum Objekt (der Lichtquelle) hin orientiert.

– Im vorliegenden Fall der Beobachtung eines Objekts, insbesondere für Metrologieanwendungen, ist es ein Fall des Nicht-Störens des beobachteten Objekts aufgrund der Rückkehr des parasitären Lichts durch Mittel des Beobachtungssystems.

Dieses Ziel wird durch ein Mittel eines absorbierenden optischen Elements erreicht, das zwischen dem Objekt und dem Rest des Beobachtungssystems gemäß der Abfolge Objekt/erstes Element (Störer)/zweites Element (Absorptionsmittel)/Beobachter platziert wird. Die zweite Oberfläche (Konvexität) der absorbierenden Kappe ist somit zum Beobachter oder Subjekt hin orientiert.
Der Ausdruck „optisches Koppeln” ist als die Tatsache zu verstehen, dass ein Hauptteil der Lichtstrahlen, die durch die hintere Oberfläche der Linse hindurchgehen, auch durch die vordere Oberfläche der Kappe des absorbierenden Materials hindurchgehen.
Der Ausdruck absorbierendes Material ist als ein Material zu verstehen, das das vom Objekt emittierte Licht absorbiert, wobei ein Absorptionsgrad nicht einheitlich null im sichtbaren Bereich (als zwischen 400 nm und 800 nm liegend betrachtet) ist.
Das absorbierende Material kann ein Filter oder ein Glas mit einem Absorptionskoeffizienten zwischen 20% und 40% sein, so dass die Strahlen weit abgeschwächt werden, während die akzeptable Intensität für die transmittierten Strahlen bewahrt wird. Damit alle verwendeten Wellenlängen auf ähnliche Weise beeinflusst werden, kann das verwendete Material ein spektral neutrales absorbierendes Glas sein (Gläser der NG-Reihe vom Hersteller Schott (R15) oder Gläser der ND-Reihe vom Hersteller Hoya).
Zum Beispiel kann ein Material des ND25- oder NG5-Typs verwendet werden.
Diese zwei Elemente sind herkömmlicherweise miteinander mittels eines Films aus einem optischen Klebstoff (zum Beispiel NOA65) mit einem geeigneten Index und einer optisch vernachlässigbaren Dicke verbunden. Als allgemeine Regel wird ein Index nahe dem von einem der Gläser gewählt, wobei der Index zum Beispiel oft nahe bei 1,5 bis 1,6 liegt. Die Dicke beträgt wenige Mikrometer bis etwa 10 Mikrometer.
Die physische Dicke der Hülle muss größer als die Kohärenzwellenlänge des Lichts, das vom beobachteten Objekt 9 emittiert oder reflektiert wird, sein, um frei vom Auftreten von Interferenzphänomenen zu sein. In der Praxis liegt diese minimale physische Dicke für Strahlungen des „natürlichen Licht”-Typs zwischen 0,1 und 2 mm.
7 beschreibt die erhaltene Komponente. Eine solche Komponente wird in einem optischen System des Mikroskop- oder Konoskoplinsentyps anstelle des „herkömmlichen” Sammelelements verwendet.
Gemäß dem Prinzip der Erfindung gilt:

– Für einen vom Objekt kommenden Strahl wird das absorbierende Material der Hülle nur einmal durchgangen, falls dieser Strahl transmittiert wird (Strahl 19), wohingegen es 4 Mal durchgangen wird, falls dieser Strahl innerhalb der Komponente retroreflektiert wird (Strahl 20). Die von der Komponente retroreflektierten Strahlen werden daher 4 Mal stärker absorbiert als transmittierte Strahlen.
– Für einen vom Objekt kommenden Strahl, der von der Komponente transmittiert wird und teilweise erneut vom (nicht veranschaulichten) Rest des optischen Systems zum Objekt hin reflektiert wird, durchgeht dieser das absorbierende Material zweimal. Die von den folgenden Komponenten retroreflektierten Strahlen werden daher gegenüber den transmittierten Strahlen zweimal stärker absorbiert.

Hilfsmittel zum Bemessen der optischen Vorrichtung
Die folgenden Formeln sind lediglich als ein Instrument als Hilfe beim Bemessen im Zusammenhang der praktischen Implementation der Erfindung gegeben.
Die Funktion der Hülle ist die Reduzierung der Intensität der auf das Objekt reflektierten Strahlen und sie erreicht dies durch die Wirkung der absorbierenden Beschaffenheit ihres Bestandsmaterials.
Sie erreicht dies auch durch die Wahl ihres Brechungsindex n2.
Bemessen des Transmissionskoeffizienten
Falls die Dicke der Hülle eine einheitliche Dicke D0 und ihre Transmission in der Achse von T0 aufweist, ist die durchgangene Dicke unter dem kritischen Winkel θC gegeben durch:
Das heißt:
Die Transmission eines einzigen retroreflektierten Strahls TC – unter dem kritischen Winkel θC – ist gegeben durch:
und
Falls zum Beispiel gilt:

– T0 = 32%
– N = 1,5 dann gilt TC/T0 = 0,69% und TC = 0,2%, das heißt eine Reduktion der Intensität der reflektierten Strahlen um einen Faktor von 500.

Es kann daher gesehen werden, dass, falls die Parameter der Materialien gut gewählt sind, und auf Kosten einer gesteuerten Abschwächung der transmittierten Strahlen, die retroreflektierten Strahlen sehr stark abgeschwächt werden.
Bemessen des Brechungsindex der Hülle
Die Wahl des Brechungsindex der Hülle kann auch verwendet werden, um interne Reflexionen zu reduzieren, da er so gewählt werden kann, dass der kritische Winkel, der an der Grenzfläche zwischen der Linse und der Hülle erhalten wird, und der, der an der Hinterseite der Hülle an ihrer Grenzfläche mit der Luft erhalten wird, erhöht wird und dass dementsprechend der Winkel der einfallenden Strahlen, die nicht reflektiert werden können, erhöht wird.
Die Wahl des Index n2 der Hülle kann sich aus einem Kompromiss zwischen verschiedenen Phänomenen ergeben:

– 11 zeigt die Änderung des kritischen Winkels (der Winkel, jenseits dessen Reflexion an einer Grenzfläche zwischen zwei Materialien mit unterschiedlichen Indices auftritt), der an der Grenzfläche zwischen einer Sammellinse mit Index n1 = 1,82 und einem Material mit Index n2 beobachtet wird. Dieser Winkel ist durch die folgende Formel gegeben: θ(°) = Arcsin(n2/n1). Je größer dieser kritische Winkel ist, desto niedriger ist das Risiko, interne Reflexionen zu beobachten. Dementsprechend beträgt der kritische Winkel ohne eine Hülle auf der Linse mit Index n1 (was dann eine Grenzfläche mit der Luft mit Index n2 = 1 ist) gemäß dem erhaltenen Graphen 33°, wohingegen er auf 56° zunimmt, wenn eine Hülle mit Index 1,5 verwendet wird. Diese erste Beobachtung führt zum Verwenden eines relativ hohen Brechungsindex n2 für die Hülle.
– 12 zeigt jedoch die Änderung des kritischen Winkels, der an der Grenzfläche zwischen der Hülle und der Luft (an der hinteren Oberfläche 6 der Hülle 2) erhalten wird und umso kleiner ist, je höher der Brechungsindex n2 für die Hülle ist, woraus sich ergibt, dass ein hoher Brechungsindex der Hülle riskieren würde, das Risiko von interner Reflexion zu erhöhen, welche genau zu vermeiden gewünscht ist.
– Dementsprechend ist es gemäß 13, die die zwei Kurven nebeneinanderstellt, notwendig, gemäß dem Brechungsindex n1 der Linse der internen Reflexionen, von welcher diese zu reduzieren gewünscht sind, einen Brechungsindex n2 für die Hülle zu verwenden, der es ermöglicht, sowohl den kritischen Winkel, der an der Hinterseite der Linse erhalten wird, gegenüber dem kritischen Winkel, der erhalten wird, wenn sich diese Linse an einer Grenzfläche mit der Luft befindet, zu erhöhen, während auch an der Hinterseite der verwendeten Hülle ein kritischer Winkel an der Grenzfläche mit der Luft definiert wird, der auch größer als der ist, der beobachtet wird, wenn diese Linse an die Luft angrenzt.

Im veranschaulichten Beispiel, für welches ein Index n2 = 1,5 für die Hülle gewählt wurde, wird ein kritischer Winkel an der Grenzfläche zwischen der Linse und der Hülle von 42° (viel größer als der kritische Winkel, der für die Linse an die Luft angrenzend erhalten wird) und ein kritischer Winkel an der Grenzfläche zwischen der Hinterseite der Hülle und der Luft von 56° erhalten, was die Winkelseparation der Strahlen erhöht, die nicht reflektiert werden.
Es kann vorgesehen sein, den Index der Hülle vom Schnittpunkt der zwei Kurven (sie schneiden sich, wenn n2 = √n1 gilt) zu wählen, indem dieser zum Beispiel auf n2 = √n1 +/– 30% festgelegt wird.

– Zudem ist es gemäß 14 möglich, diesen Brechungsindex n2 gemäß dem Reflexionskoeffizienten R an der Linse/Hülle-Grenzfläche zu wählen, der durch die folgende Formel gegeben ist: R(%) = (n2 – n1)^2/(n2 + n1)^2

Dementsprechend ist der Reflexionskoeffizient umso kleiner, je näher der Index der Hülle n2 dem der Linse ist. Daher besteht eine Tendenz, einen Brechungsindex für die Hülle nahe dem der Linse zu wählen, während es ermöglicht wird, einen größeren kritischen Winkel als ohne Hülle zu erhalten.

– Zum Beispiel ist es möglich, diesen auf einen Wert zwischen n1 – 30% und n1 + 30% festzulegen.

Gefundene Leistungsfähigkeit
Die Ergebnisse der globalen Modellierung der optischen Vorrichtung aus 7 mit:

– einer Sammellinse in Form eines Meniskus, die eine kugelförmige vordere 3 und hintere 4 Oberfläche definiert und die aus einem transparenten optischen Glas mit Index n1 = 1,82 besteht,
– einer Hülle mit einem konstanten Abschnitt in Form einer Kappe, deren vordere Oberfläche 5 entlang der hinteren Oberfläche 4 der Linse angebracht ist, mit einer Dicke von 0,2 mm, die aus einem absorbierenden spektral neutralen Glas mit einem optischen Index n2 = 1,5 besteht,
– wobei die Hülle optisch mittels eines Films aus optischem Klebstoff (zum Beispiel NOA65) mit einem Index von 1,524 und einer Dicke von 10 μm mit der Linse gekoppelt ist.

Das Folgende wurde hinsichtlich des vom Meniskus aus 4 reflektierten Lichtstroms gefunden:

– Der Lichtstrom, der die retroreflektierten Strahlen als seinen Ursprung aufweist, ändert sich von 2,4 W/cm² zu 10 mW/cm², das heißt eine Reduktion um einen Faktor von 240, wenn alle Strahlen berücksichtigt werden.
– Der gesamte Lichtstrom ändert sich von 5,2 W zu 85 mW. Der restliche reflektierte Lichtstrom weist nun die Qualität der nichtreflektierenden Behandlungen, die auf die externe Oberfläche des Meniskus aufgetragen wurden, als seinen Ursprung auf.

Eine sehr wesentliche Verbesserung der Leistungsfähigkeit des Systems wird beobachtet. Die Störungen, die sich aus den retroreflektierten Strahlen ergeben, sind im Vergleich zu den anderen Quellen parasitärer Reflexionen (zum Beispiel unvollkommene nichtreflektierende Behandlungen, Reflexionen an den mechanischen Teilen des Systems) vernachlässigbar.
Es wird daher möglich – durch Wirkung der Vorrichtung der Erfindung –, optische Vorrichtungen mit einer weiten Apertur herzustellen, ohne die Gestaltung komplex zu machen.
Herstellung einer einfachen optischen Linseneinheit (Fig. 8)
Eine einfache optische Linseneinheit kann erhalten werden, indem die optische Vorrichtung nach Anspruch 7 mit einem optischen System 10 verbunden wird, das aus einer oder mehreren Linsen 14 besteht, von denen wenigstens eine oder jede auf ihrer hinteren Oberfläche entgegengesetzt zum beobachteten Objekt 8 mit einer aus absorbierendem Material gefertigten Hülle bereitgestellt wird, wodurch es ermöglicht wird, ein Bild in der Bildebene 11 des Systems zu erzeugen, das sichtbar mittels eines Okulars 16 oder automatisch mittels eines (in dieser Figur nicht gezeigten) Matrixsensors des Linsensystems für ein optisches Instrument, das dieses Linsensystem umfasst und sich an der Hinterseite des Linsen/Kappen-Paars befindet, beobachtet werden kann.
Herstellung einer Linseneinheit des Mikroskoptyps (Fig. 9)
Eine Linse des Mikroskoptyps wird verwendet, um ein vergrößertes Bild 21 des Objekts 8 in der Bildebene 11 der Linse zu erzeugen, wobei ein Bild sichtbar mittels eines Okulars 16 oder automatisch mittels eines (in dieser Figur nicht gezeigten) Matrixsensors in Verbindung mit einem optischen Transport- und Vergrößerungssystem 10, 15 beobachtet wird.
Um eine solche Vorrichtung 12 herzustellen, wird das optische Element 7 gemäß der Erfindung, das mit einer optisch mit einer Hülle gekoppelten Linse bereitgestellt ist, mit einem optischen System 10 verbunden, das aus einer oder mehreren Linsen 14 besteht, was es ermöglicht, den gewünschten Brennpunkt zu erhalten und die verschiedenen geometrischen und chromatischen Aberrationen des Systems auf eine einem Fachmann bekannte Weise zu korrigieren, und das von einer Feldlinse 15, die auch als eine Tubuslinse bezeichnet wird, ergänzt wird.
Falls eine oder mehrere der Linsen 14 im optischen System 10 vom Sammeltyp sind und auch Totalreflexion aufweisen, können sie vorteilhaft durch optische Elemente des Typs der Erfindung ersetzt werden und können dementsprechend mit einer Hülle zum Reduzieren der internen Reflexion bereitgestellt werden.
Herstellung einer Linseneinheit des Konoskoptyps (Fig. 10)
Eine Linse des Konoskoptyps wird verwendet, um ein Bild 21 der Winkelverteilung des Lichtstroms, der vom Objekt emittiert oder reflektiert wird, in der Bildebene der Linse zu erzeugen, wobei ein Bild sichtbar mittels eines Okulars 16 oder automatisch mittels eines Matrixsensors 17, falls zutreffend, in Verbindung mit einem optischen Vergrößerungssystems 18 und einer Feldlinse 15 beobachtet wird.
Anstelle des Matrixsensors 17 können mehrere Einheitssensoren (ein einziges Pixel) verwendet werden, die zum Beobachten des Bildes 21 in der Bildebene 11 platziert sind.
Falls im Fall, dass ein Matrixsensor verwendet wird, die Eingangsapertur der Transportlinse 18 als eine Öffnungsblende dient und die Größe des analysierten Punktes anpasst, dann geht, wenn mehrere Einheitssensoren verwendet werden, jedem Sensor eine zulässige Aperturblende voraus.
Um eine solche Linseneinheit herzustellen, wird das optische Element 7 auf bekannte Weise mit einem optischen System 10 verbunden, das aus einer oder mehreren Linsen 14 besteht, wodurch es ermöglicht wird, den benötigten Brennpunkt zu erhalten und die verschiedenen geometrischen und chromatischen Aberrationen des Systems zu korrigieren.
Falls eine oder mehrere der Linsen 14 vom Sammeltyp sind und auch Totalreflexionen aufweisen, können sie vorteilhaft durch optische Elemente des Typs der Erfindung ersetzt werden.

Claims

Linseneinheit zum Beobachten eines Objekts, die dadurch gekennzeichnet ist, dass sie Folgendes umfasst: – ein optisches System 10, das eine oder mehrere aufeinanderfolgende Linsen umfasst, und – eine optische Vorrichtung, die Folgendes umfasst: – wenigstens ein erstes optisches Element des Linsentyps, das eine vordere Oberfläche und eine hintere Oberfläche definiert, wobei das erste optische Element aus einem optisch transparenten Material hergestellt ist und einen Brechungsindex „n1” aufweist, – ein zweites optisches Element, das eine vordere Oberfläche und eine hintere Oberfläche definiert und das durch seine vordere Oberfläche mit der hinteren Oberfläche des ersten optischen Elements optisch gekoppelt ist, wobei das zweite optische Element aus einem Material mit einem Brechungsindex n2 hergestellt ist und mit wenigstens einem Teil bereitgestellt ist, der aus einem Material hergestellt ist, das sichtbares Licht optisch absorbiert, – wobei die optische Vorrichtung die Linse des optischen Systems oder wenigstens die Endlinse unter den aufeinanderfolgenden Linsen im optischen System ersetzt.
Linseneinheit nach Anspruch 1, des Mikroskoptyps, in der das optische System ein Transport- und Vergrößerungssystem ist und ferner eine Feldlinse umfasst, wobei die Linsen des Systems dazu imstande sind, ein vergrößertes Bild des beobachteten Objekts in der Bildebene zu erzeugen.
Linseneinheit nach Anspruch 1, des Konoskoptyps, in der das optische System ein Vergrößerungssystem ist, das es ermöglicht, ein Bild der Winkelverteilung des Lichtstroms von einem beobachteten Objekt zu erzeugen.
Linseneinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die dadurch gekennzeichnet ist, dass der Teil des zweiten optischen Elements, der aus einem optisch absorbierenden Material hergestellt ist, der periphere Teil des zweiten optischen Elements ist, der am wahrscheinlichsten der Ursprung der Totalreflexionen ist.
Linseneinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die dadurch gekennzeichnet ist, dass es das gesamte zweite optische Element ist, das aus einem optisch absorbierenden Material hergestellt ist.
Linseneinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die dadurch gekennzeichnet ist, dass das optisch absorbierende Material, das das zweite optische Element bildet, spektral neutral ist.
Linseneinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die dadurch gekennzeichnet ist, dass der Brechungsindex n2 des zweiten optischen Elements kleiner als der Brechungsindex n1 des ersten optischen Materials ist.
Linseneinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die hintere Oberfläche des ersten optischen Elements konvex ist und das zweite optische Element in Form einer Kappe vorliegt.
Linseneinheit nach Anspruch 6, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Dicke der Kappe konstant ist.
Linseneinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Indices n1 und n2 der Materialien, die das erste und zweite optische Element bilden, zwischen 1,43 und 1,96 liegen.
Linseneinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die dadurch gekennzeichnet ist, dass der Transmissionskoeffizient des absorbierenden Materials, das das zweite Element bildet, zwischen 1% und 99% liegt.
Linseneinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die minimale Dicke des zweiten optischen Elements so gewählt ist, dass sie größer als die Kohärenzlänge des Lichts, das vom beobachteten Objekt emittiert oder reflektiert wird, im verwendeten Material ist.
Optisches Instrument, das mit der Linseneinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausgestattet ist.
Optische Vorrichtung zum Beobachten eines Objekts, die Folgendes umfasst: – wenigstens ein erstes optisches Element des Linsentyps, das eine vordere Oberfläche und eine hintere Oberfläche definiert, wobei das erste optische Element aus einem optisch transparenten Material hergestellt ist und einen Brechungsindex „n1” aufweist, – ein zweites optisches Element mit einer vorbestimmten Dicke, das eine vordere Oberfläche und eine hintere Oberfläche definiert und das durch seine vordere Oberfläche mit der hinteren Oberfläche des ersten optischen Elements gekoppelt ist, wobei das zweite optische Element aus einem Material mit einem Brechungsindex n2 hergestellt ist und mit wenigstens einem Teil bereitgestellt ist, der aus einem Material hergestellt ist, das sichtbare Licht optisch absorbiert und spektral neutral ist.