DE2237013C2

DE2237013C2 - Mikroskop-Planobjektiv vom Gaußtyp

Info

Publication number: DE2237013C2
Application number: DE19722237013
Authority: DE
Inventors: Masaki Hachioji Tokyo Matsubara
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1972-07-27
Filing date: 1972-07-27
Publication date: 1982-01-28
Also published as: DE2237013A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Mikroskop-Planobjektiv vom Gaußtyp mit großem Arbeitsabstand und starker Vergrößerung aus 5 bzw. 6 Linsengliedern mit 8 bzw. 9 Linsen, bei dem das erste Linsenglied eine positive Einzellinse ist, das zweite Linsenglied eine zusammen- -, gesetzte positive Doppellinse ist, das dritte und vierte Linsenglied zusammengesetzte negative Doppellinsen sind und das fünfte Linsenglied eine positive Einzellinse ist bzw. noch ein sechstes Linsenglied vorgesehen ist.

Es sind Mikroskop-Objektive mit geebnetem Bildfeld κι bekannt, bei welchen eine Sammellinse mit überaus stark gekrümmter konkaver Oberfläche auf der Gegenstandsseite im ersten Linsenglied oder eine Sammellinse mit überaus stark konkav gekrümmter Oberfläche im hinteren Linsenglied vorgesehen ist (Appl. Optics, Bd. 3 (1964) S. 933 ff, insbesondere S. 1000, 1002). Diese bekannten Objektive haben den Nachteil, daß im ersten Fail der Arbeitsabstand verkürzt und im zweiten Fall die Farbfehler besonders groß sind. Bei stark vergrößernden Objektiven ist es zur Erzielung eines großen Arbeitsabstandes erforderlich, wenigstens zwei Linsenglieder positiver und negativer Linsen vorzusehen und das positive Linsenglied objektseitig und das negative Linsenglied bildseitig anzuordnen. Das bildseitige negative Linsenglied vergrößert die Brennweite des positiven Linsenglieds auf der Gegenstandsseite erheblich mit dem Ergebnis, daß die Farbfehler der sphärischen Aberration überproportional zur Zunahme der Brennweite des positiven Linsenglieds auf der Gegenstandsseite zunehmen. jo

Bei der Auslegung von Mikroskop-Objektiven großer Gegenstandsweite ist das Hauptproblem die Korrektur der chromatischen Aberrationen.

Hierzu ist die richtige Wahl der optischen Gläser, der Anordnung und der Brechkraft der einander folgenden Linsen derart erforderlich, daß sie unabhängig von der großen Gegenstandsweite in praktisch verwirklichbarem Ausmaß weitgehendst korrigiert ist.

Zur Reduzierung der Farbfehler muß die Auffächerung der Lichtstrahlen auf der Gegenstandsseite des Objektivs klein gehalten werden. Die Anordnung einer Linse mit großer axialer Dickenabmessung nahe einem Gegenstand, von dem Lichtstrahlen mit starker Neigung gegenüber der optischen Achse ausgehen, läuft einer erwünschten großen Gegenstandsweite zuwider.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das eingangs umschriebene bekannte Mikroskop-Planobjektiv derart fortzubilden, daß es bei besonders großem Arbeitsabstand eine gute Bildfeldebnung und Korrektion der einzelnen Linsenfehler, insbesondere der chromatischen Aberrationen, aufweist

Die Aufgabe wird durch Ausbildung des Mikroskop-Objektivs mit den Konstruktionswerten gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 oder 2 gelöst

Bei Variation der in den Bedingungsgleichungen enthaltenden Größen ändern sich bei der Durchrechnung des Objektivs mit Hilfe von Programmen zur automatischen Korrektion optischer Systeme die übrigen Werte, des Datensatzes ebenfalls. ·

Im folgenden sind zwei erfindungsgemäße Objektive to jeweils mit einer numerischen Apertur NA.=0,4 und einer zwanzigfachen Vergrößerung anhand einer Zeichnung näher erläutert, in der zeigt:

F i g. 1 einen Längsquerschnitt durch das Objektiv nach Anspruch 1,

Fig.2 einen Längsquerschnitt durch das Objektiv nach Anspruch 2 und

F i g. 3A—3D und F i g. 4A—4D verschiedene Aberrationskurven der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Objektive.

Das erfindungsgemäße Objektiv vom Gaußtyp gemäß Fig. 1 und Anspruch 1 besteht aus 5 Linsengliedern mit 8 Linsen, bei dem ausgehend von der Gegenstandsseite das erste Linsenglied L\ eine positive Einzellinse, das zweite Linsenglied Li eine zusammengesetzte positive Doppellinse, das dritte und vierte Linsenglied Li und l\ eine zusammengesetzte negative Doppellinse und das fünfte Linsenglied Ls eine positive Einzellinse sind.

Wie man F i g. 1 und dem Datensatz des Anspruchs 1 entnimmt, sind die zusammengesetzten Linsenglieder Lz, L3 und L·, verhältnismäßig weit vom zu beobachtenden Gegenstand entfernt und aus Gläsern gefertigt, deren Abbcsche Zahlen zur Korrektur der chromatischen Aberration groß sind. Die positive Einzellinse L\ besteht aus einem optischen Glasmaterial verhältnismäßig großer Brechkraft und geringerer Streukraft und ist nahe dem zu beobachtenden Gegenstand angeordnet, um eine Farbstreuung zu vermeiden.

Das Objektiv ist vom Gaußtyp. Die Bildfeldebnung und die Korrektion beruhen erheblich auf dem dicken dritten und vierten Linsenglied und deren einander zugewandten Hohlflächen. Für die Farbkorrektion ist die Wahl der Dispersion der optischen Gläser maßgeblich.

Bei einem Objektiv, dessen Werte gegenüber denen des Datensatzes leicht abgeändert sind, müssen diese die in den Bedingungsgleichungen angegebenen Grenzen einhalten, um die Erfindungsaufgabe noch zu lösen.

Die Bedingungsgleichungen I, II und III müssen erfüllt sein, damit der Arbeitsabstand so groß wie möglich wird. Wenn die Bedingung 0,8/ < f\ erfüllt ist, kann im ersten Linsenglied L\ aus der positiven Einzellinse verhindert werden, daß die Brechkraft der Linse L\ groß wird. Wenn ferner die zweite Bedingungsgleichung 0,7/ < I r\ I erfüllt ist, wird der freie Arbeitsabstand nicht klein. Die Einhaltung der Bedingung | η | < 1,5/" macht ferner den Ausgleich der verschiedenen Aberrationen möglich. Durch Einhaltung der dritten Bedingung d] < 0,3/ kann der Arbeitsabstand do vergrößert werden. Die Bedingungsgleichungen IV und V sind mit Bezug auf die Bildfeldkrümmung aufgestellt Wenn r₈ und I /9 I die oberen Grenzwerte überschreiten, wird die Petzval-Summe größer und verringert die Bildfeldebnung und macht die Korrektur der Aberrationen schwer wenn nicht unmöglich. Unterschreiten andererseits die Werte für r_s und | r₉ | die unteren Grenzen, kann die Petzval-Summe nicht klein gehalten werden und wird die Koma so weit vergrößert, daß die verschiedenen Aberrationen nicht mehr korrigiert werden. Die Bedingungsgleichung VI dient der Korrektur der chromatischen Aberration. Die konvexen Linsen des zweiten und vierten Linsengliedes Li und Lt, der zusammengesetzten negativen Doppellinsen müssen aus einem optischen Glas gefertigt sein, dessen Abbesche Zahlen größer als 65 sind, damit die chromatischen Aberrationen weitgehendst korrigiert werden.

Das Objektiv gemäß Fig.2 und Anspruch 2 ist in zwei Linsensysteme unterteilt, d.h. ein objektseitiges positives linsensystem A und ein bildseitiges negatives Linsensystem B.

Das positive Linsensystem A besteht aus fünf Linsengliedern L\ bis Ls, die denen des Objektivs nach F i g. 1 entsprechen.

Das bildseitige negative Linsensystem B besteht aus

einer einzelnen oder zusammengesetzten negativen Linse Lb.

Das positive Linsensystem A ist ebenso wie das gemäß Fig. i vom Gaußtyp, um die Bildfeldkrümmung und die chromatischen Aberrationen durch die einander gegenüberliegenden Hohlflächen zu erzielen. Die zusätzliche Anordnung des negativen Linsensystems B ermöglich¹ eine noch weitergehendere Korrektur der Bildfeldkrümmung durch seine konkave Oberfläche.

Bei dieser Ausführungsform des Objektivs begrenzt die Bedingungsgleichung 1 die Brechkraft des positiven Linsensystems A. Praktisch soll f_p größer als 1,2/zur Erzielung des erwünschten Arbeitsabstands und kleiner als 1,8/zur Korrektur der chromatischen Aberration sein.

Die Gründe, weshalb auch hier die Bedingungsglei-

Tabelle

chungen Il und VI erfüllt sein sollen, decken sich im wesentlichen mit denen für das Objektiv gemäß Fig. 1. Bei der zweiten Ausführungsform ist es auch erforderlich, daß die Bedingung vt > 65 erfüllt ist, um die chromatischen Aberrationen ausreichend zu korrigieren. Aus diesem Grunde wird die Fertigung der fünften Gruppe Ls aus einer positiven Einzellinse aus einem optischen Glas gefertigt, dessen Abbesche Zahl größer als 65 ist. Vorzugsweise wird für die Linse Ls ein optisches Glas verwandt, dessen Streukraft klein ist, um die chromatischen Aberrationen durch das positive Linsensystem A ausreichend zu korrigieren.

Die Seidel-Koeffizienten auf der Gegenstandsseite bei /= 1 mm und dem Bildpunkt in unendlicher Entfernung vom Objektiv sind mit Hilfe der Brek-Ausdrücke in der folgenden Tabelle angegeben:

Nummer der	0.0387	B_r	-0.0493	Λ	α	0.4852
Linsenober-	-0.0156		-0.0851			1.4208
flüche	0.1889		0.279			0.8128
1	-0.0398	0.0628	-0.0816	- 0.4439	-0.3885
2	0.0163	- 0.4642	0.0856	0.7246	3.924
3	0.3292	0.4119	0.5399	0.1386	2.2707
4	-0.0182	-0.167	-0.06	-0.0227	- 0.6782
5	-1.1822	0.4495	-1.1403	0.2976	- 1.9599
6	-0.3519	0.8854	-0.7218	0.4993	-5.1047
7	-0.3374	-0.1975	-0.1621	- 0.0086	- 0.0452
8	0.3792	-1.0999	0.5039	-0.9321	1.6206
9	1.1276	-1.4804	0.2111	- 1.0084	0.0445
10	0.1999	- 0.0778	0.3135	-0.0162	1.0487
11	0.321	0.6697	-0.1675	0.5499	-0.2393
12	-0.7010	0.0395	0.4852	0.198	0.6002
13	0.4916	0.1772
14	0.0874	0.3714
15	-0.3359	-0.5311

-0.0452

-0.725

- 0.0493

-0.0066

3.8116

Der Tabelle entnimmt man, daß die Summe Σ jedes der fünf Seidel-Koeffizienten praktisch Null mit Ausnahme von D ν ist. Hieraus geht hervor, daß bei dem Objektiv gemäß F i g. 2 die ausreichende Korrektur der Aberrationen möglich ist.

Verschiedene Aberrationskurven des Objektivs gemäß F i g. 1 ergeben sich aus den F i g. 3A bis 3D. F i g. 3A zeigt die sphärische Aberration, F i g. 3B die OSC, Fig.3C den Astigmatismus und Fig.3D die Verzeichnung.

Den Aberrationskurven läßt sich entnehmen, daß das erfindungsgemäße Mikroskop-Objektiv gemäß F i g. 1 die weitgehende Korrektur der verschiedenen Aberrationen, wie dies aus den F i g. 3A bis 3D hervorgeht, und die Ebnung des Bildfelds, wie sie in Fig.3D dargestellt ist, unabhängig vom großen Arbeitsabstand von do=5,0 mm ermöglicht

so Verschiedene Aberrationskurven des erfindungsgemäßen Mikroskop-Objektivs gemäß Fig.2 ergeben sich aus den Fig.4A his 4Π. Fi".4A zeigt die sphärische Aberration, Fig.4B die OSC, Fig.4C den Astigmatismus und F i g. 4D die Verzeichnung.

Den Aberrationskurven entnimmt man, daß das erfindungsgemäße Mikroskop-Objektiv gemäß Fig.2 die weitestgehende Korrektur der verschiedenen Aberrationen gemäß Fig.4A bis 4D und die Ebnung des Bildfelds, wie aus F i g. 4D hervorgeht, unabhängig vom großen Arbeitsabstand von cfo=53 mm ermöglicht

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Mikroskop-Planobjektiv vom Gaußtyp mit großem Arbeitsabstand und starker Vergrößerung aus 5 Linsengliedern mit 8 linsen, bei dem
das erste Linsenglied (Li) eine positive Einzellinse ist

das zweite Linsenglied (Li) eine zusammengesetzte positive Doppellinse ist,

N.A. = 0,4,Vergrößerung = 20 x
/= 1,/, = 0.9651

das dritte und vierte Linsenglied (Ls, L») zusammengesetzte negative Doppellinsen sind, und
das fünfte Linsenglied (Ls) eine positive Einzellinse ist,

gekennzeichnet durch die Werte des folgenden Datensatzes:

d\ = 0.4344 /j, = 1.788 v, = 47.5 r, = -1.428 di = 0.1677 I/2 = -0.522 d} = 0.0096 /J₂ = 1.6398 v, = 34.6 /·₃ = 1.303 d, = 0.0947 /I₃ = 1.48656 V₃ = 84.5 r, = 0.635 ds = 0.1859 /-₅ = - 1.227 d_b = 0.0243 /J₄ = 1.618 V₄ = 63.4 λ₆ = 0.601 di = 0.2989 «₅ = 1.62588 v₅ = 35.7 r₇ = - 0.958 ds = 0.2632 r₈ = 0.346 rf» = 0.2624 /j„ = 1.64769 v₆ = 33.8 r, = -0.272 rfio = 0.1407 /J₇ = 1.48656 r₇ = 84.5 /·„,= -0.530 d_n = 0.3649 η, = -0.576 rf|2 = 0.0139 /J₈ = 1.696 v₈ = 56.5 I/·,, = -7.708 = 0.1477 /■π = - 1.024

oder durch Werte, die ausgehend von diesem Datensatz durch Variation der folgenden Größen innerhalb der angegebenen sechs Bereiche entstehen:

I 0.8A < ) r !"β < 1.5/;/-, < 0, II 0.7 < I η I < IH d\ < 0.3f, 65 0.45/; IV 0.3Of < < OAOf, r, < 0, V 0,25/" < VI Vi. Vi >

worin von der Gegenstandsseite aus der einander folgenden Linsen

die Krümmungsradien der Linsenoberflächen,
die Gegenstandsweite des Objektivs,

d\... d\2 die Luftspalte zwischen benachbarten Linsen oder deren axiale Dickenabmessung,

/Ji... /Je die Brechungsindizes,

Vi... Vs die Abbe-Zahlen,

/ = die Brennweite des Objektivs,

f\ = die Brennweite des ersten Linsenglieds (L])

bezeichnen (F ig. 1).

2. Mikroskop-Planobjektiv vom Gaußtyp mit großem Arbeitsabstand und starker Vergrößerung aus 6 Linsengliedern mit 9 Linsen, bei dem
das erste Linsenglied (L\) eine positive Einzellinse ist,

das zweite Linsenglied (L2) eine zusammengesetzte positive Doppellinse ist,

das dritte und vierte Linsenglied (Li, U) zusammengesetzte negative Doppelünsen sind,

das fünfte Linsenglied (Ls) eine positive Einzellinse ist, und

ein sechstes Linsenglied (Lt) vorgesehen ist, gekennzeichnet durch ein negatives Linsenglied (L₆)

N.A = 0.4, Vergrößerung = 20 x /= l,f_p= 1.547,/, = 1.826 auf der Bildseite als sechstes Linsenglied, das aus einer einzelnen oder aus einer zusammengesetzten negativen linse besteht und durch die Werte des folgenden Datensatzes:

B - L_h

#·, = -0.812

r, = -0.497

/3 = 2.556

U = 1.186

/5 = - 1.099

/■„ = 0.765

/> = -0.934

/■g = 0.418

r, = -0.362

L₄ /·,„ = 2.279

= -0.596

= 1.653

= - 1.847

= 0.989

= 0.692

d_u = 0.5166 </, = 0.2154 Λ = 0.0146 d₃ = 0.0994 rf₄ = 0.2271 ί/₅ = 0.0361 d_b =0.3372 ί/₇ = 0.2992 rf, =0.3119 ί/₉ = 0.0965 f/„, = 0.3947 ί/, ι = 0.0244 ί/_ι2 = 0.3216 </,., = 0.6823 ί/,4 = 0.4162

η, = 1.56384 ν, = 60.81

η, = 1.54869

η₃ = 1.48656

H₄ = 1.618

/J₅ = 1.6393

η₍, = 1.57309

/J₇ = 1.48656

ν₂ = 45.55

ν₃ = 84.47

ν₄ = 63.38

V₅ = 44.88

ν,, = 42.57

ι·₇ = 84.47

/J₈ = 1.48656 ν_χ = 84.47

/J₉ = 1.58144 ν,, = 40.75

oder durch Werte, die ausgehend von diesem Datensatz durch Variation der folgenden Größen innerhalb der angegebenen sieben Bereiche entstehen:

I 0.Sf < /ι,

II 0.7 < \n I < i.5in < o,

III dt < 0.3 f,

IV 0.30f < r_t< 0.45£

V 0.25/· < I r₉ I < 0.40/; n, < 0,

VI Vi Vi > 65,

VII \,2f< f_P< 1,8/-V₈ > 65

worin von der Gegenstandsseite aus der einander folgenden Linsen

Γ1...Γ13 die Krümmungsradien der Linsenoberflächen.

do die Gegenstandsweite des Objektivs,

di... du die Luftspalte zwischen benachbarten Linsen oder deren axiale Dickenabmessung,

ni... ns die Brechungsindizes, Vi... ve die Abbe-Zahlen,

/ = die Brennweite des Objektivs.

/i = die Brennweite des ersten Linsenglieds (Li),

fp — die zusammengesetzte Brennweite der ersten fünf Linsenglieder (L\ bis Ls) auf der Gegenstandsseite

bezeichnen (Fi g. 2).