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B e s c h r-e i b u n g zu der Anmeldung Apochromatisches Mikroskop-Ob;jektiv
Die Erfindung betrifft ein apochromatisches Objektiv-Linsensystem für Mikroskope.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, durch geeignete Wahl der
Abmessungen aufeinanderfolgender Linsengruppen und deren geeignete Kombination und
Anordnung ein apochromatisches Mikroskop-Objektiv mit einer kleinen Anzahl von Linsen
zu schaffen, das eine kleine Vergrösserung und ein geebnetes Bildfeld in einem großen
Bildwinkelbereich bis F.A. 30° aufweist und dessen chromatische und sphärische Aberration,
insbesondere die chromatische Aberration bei der dritten Wellenlänge von 435,8 nm
(allgemeine g-Linie), die als Sekundärspektrum bezeichnet wird, korrigiert ist0
Die allgemeine Lösung dieser Aufgabe einschließlich der spezieller Ausführungsformen
ist des besseren Verständnisses wegen anhand der beigefügten Zeichnungen erläutert
in denen zeigen:
Fig. 1 einen Querschnitt durch ein Objektiv-Linsensystem
eines Nikroskopes gemäß der Erfindung; und Fig. 2A bis 2F, 3A bis 3F, 4A bis 4F
und 5A bis 5F verschiedene Aberrationskurven für vier Ausführungsformen des erfindungsgemäßen
Mikroskop-Objektivs gemäß Fig0 1.
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Das erfindungsgemäße Mikroskop-Objektiv gemäß Fig. 1 besteht aus
vier Linsengruppen 1 bis 4 und sieben Linsen L1 bis L7. Die ersten Linsengruppe
1 besteht aus einer einzelnen Linse L1 mit positiver Brechkraft und ist aus normalem
optischen Glas mit hohem Brechungsindex und geringem Zerstreuungsvermögen gefertigt.
Die zweite Linsengruppe 2 besteht aus einer zusammengesetzten Linse L2, L3 mit negativer
Brechkraft aus normalem optischen Glas. Die erste und zweite Linsengruppe aus den
Linsen L1, L2 und L3 bildet ein Frontlinsensystem mit negativem Brechungsvermögen.
Die dritte Linsengruppe 3 besteht aus einer einzelnen Linse L4 mit positiver Brechkraft
und ist aus optischem Kristallglas oder normalem optischen Glas mit hohem Zerstreuungsvermögen
gefertigt. Die vierte Linsengruppe 4 besteht aus einer zusammengesetzten Linse mit
positiver Brechkraft. Sie hat eine mittlere Linse L6 mit positiver Brechkraft aus
optischem Kristallglas oder normalem optischen Glas mit hohem Zerstreuungsvermögen,
die zwischen zwei Linsen L5 und L7 gehalten ist, die jeweils negative Brechkraft
aufweisen und aus normalem optischen Glas bestehen. Die dritte und vierte Linsengruppe
3 und 4 bilden eine Rücklinsengruppe mit positivem Brechungsvermögen. Alle Linsen
L1 bis L7 sind aus gehend von der Gegenstandsseite einander folgend angeordnet.
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Wie ausgefUhrt, sind erfindungsgemäß die beiden Linsen L4 und L6 aus
optischem Kristallglas oder normalem optischen Glas mit hohem Zerstreuungsvermögen
gefertigt, während alle anderen
Linsen L1, L2, L3, L5 und L7 aus
normalem optischen Glas bestehen. Das ganze Linsensystem ist im wesentlichen in
zwei Linsengruppen 1, 2 und 3, 4 aufgeteilt, deren Grenze durch den Luftspalt d5
gebildet ist. Das Frontlinsensystem 1, 2 ist so ausgelegt, daß es als Ganzes negatives
Brechvermögen aufweist, während das hintere oder Rücklinsensystem 3, 4 ein positives
Brechungsvermögen ergibt. Das Front- und Rücklinsensystem 1, 2 und 3, 4 besteht
jeweils aus zwei Linsengruppen aus jeweils einer einzelnen Linse L1; L4 und einer
zusammengesetzten Linse L2, L3; L5, L6, L7. Durch das Vorsehen eines Frontlinsensystems
1, 2 mit negativem Brechungsvermögen und eines Rücklinsensystem 3, 4 mit positivem
Brechungsvermögen ist es möglich, den Frontbrennpunkt nahe an das Linsensystem zu
legen mit dem Erfolg, daß ein Retrofocus-Linsensystem mit dem gleichen Brennpunkt,
den ein Objektiv mit starker Vergrösserung bei gegebener Länge des die Linsen haltenden
Tubus hat, gewonnen ist0 Das erfindungsgemäße Mikroskop-Objektiv ist durch die folgenden
sechs Bedingungsgleichungen definiert:
worin bedeuten: F' die Brennweite des ganzen Linsensystems (Objektiv) F1, F2 die
Brennweite der ersten und zweiten Linsengruppe (L1, L2) des Frontlinsensystems F3,
F4 die Brennweite der dritten und vierten Linsengruppe (L3, L4) des Rücklinsensystems
F12 die zusammengesetzte Brennweite des Frontlinsensystems F34 die zusammengesetzte
Brennweite des Rücklinsensystems r1 ...r11 die Krümmungsradien der Linsenoberflächen
ausgehend von der Frontlinse d1 ... d10 die axiale Dicke der Linsen und Spalte zwischen
ihnen nd1...nd7 die Brechungsindices der Linsen #d1...#d7 das Zerstreuungsvermögen
der Linsen (Fig. 1).
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Wie bereits angegeben, besteht das erste Linsenglied 1 aus einer
einzelnen Linse L1 mit positiver Brechkraft und ist aus normalem optischen Glas
mit hohem Brechungsindex und niedrigem Zerstreuungsvermögen gefertigt. Diese Linse
hat auf der Gegenstandsseite eine ebene oder negativ konkav gekrümmte Oberfläche,um
die sphärische Aberration zu korrigieren0 Bei Objektivlinsen mit geringer Vergrösserung
tendiert die chromatische Vergrösserungsaberration zu den achromatischen Bedingungen,
wenn die achromatische Aberration achromatisch zwischen den Wellenlängen- 656,3
nm und 486,1 nm gemacht ist.
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Ist das Sekundärspektrum unterdrückt, vergrößert sich die chromatische
Vergrösserungsaberration mit dem Ergebnis, daß die Kombination ein-es Objektiv-Linsensystems
der angegebenen Art und eines korrigierten Okulars eine Überkorrektion der chromatischen
Vergrösserungsaberration bedingt. Um eine solche Überkorrektion zu kompensieren,
ist erfindungsgemäß die chromatische Vergrösserungsaberration des Frontlinsensystems
1, 2 unterkorrigiert, um so die chromatische Vergrösserungsaberration des ganzen
Linsensystems auf die Korrektion des korrigierten Okulars abzustimmen, weshalb die
erste Bedingungsgleichung nd1 # 1.65, vd2 # 40, 1 > F1/F' > 0.2, and r1 /F'
# 1 erfüllt sein muß.
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Das zweite Linsenglied 2 besteht aus einer zusammengesetzten Linse
L2, L3 mit negativer Brechkraft und ist aus normalem optischen Glas gefertigt. Es
dient zusammen mit dem ersten Linsenglied 1 dazu, die chromatische Vergrösserungsaberration
unterzukorrigierenO Daher ist das zweite Linsenglied 2 aus optischem Glas gefertigt,
dessen Zerstreuungsvermögen Vd2 groß ist und eine der zweiten Bedingungen erfüllt,
d.h. Vd2 > 50, Wäre das zweite Linsenglied aus einer einzelnen Linse aus normalem
optischen
Glas gefertigt, das die obige Bedingung erfüllt, würde
eine Verminderung des Sekundärspektrums eine nach innen gerichtete Ablenkung der
Coma beim überweiten Blickfeld größer F.A.
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24 aufgrund der Zunahme des Brechungsvermögens an der Luftspaltoberfläche
bewirken, und damit eine Zunahme des Astigmatismus. Um einen solchen Nachteil zu
korrigieren, wird erfindungsgemäß eine zusammengesetzte Linse aus den beiden Linsen
L2 und L3 verwendet und die Differenz dem Zerstreuungsvermögen an der Kontaktstelle
zwischen den beiden Linsen und die negative Brechkraft zur Unterdrückung des Sekundärspektrums
herangezogen. Zusätzlich zu dieser negativen Brechkraft addiert sich die Brechkraft
an den Oberflächen dieser Linsen, die mit der Luft in Berührung stehen, um Astigmatismus
und Coma auszubalancieren. Aus diesem Grunde muß die Bedingung 0,5 >
? 0,1 erfüllt sein. Die Bedingung 0,5 #
~ 0,1 gibt das Verhältnis der Brechkraft an der Kontaktfläche zwischen den Linsen
L2 und L3 an. Wird die Differenz des Zerstreuungsvermögens der Linsen L2 und L3
groß, ist beabsichtigt, die chromatische Aberratioii der sphärischen Aberration
auf der Achse überzukorrigieren. Eine solche Überkorrektion kann durch das hintere
Linsensystem 3, 4 nicht korrigiert werden. Aus diesem Grunde müssen die Bedingungen
15 >jVd2-Vd3i , #d2 > 50, nd2 > 1,55 erfüllt sein.
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Das dritte Linsenglied 3 besteht aus einer einzelnen Linse L4 mit
positiver Brechkraft aus optischem Kristallglas oder normalem optischen Glas mit
hohem Zerstreuungsvermögen.
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Wenn die dritte Linsengruppe 3 die dritte Bedingung Vd4 > 70, 1,0
~ F3/F' > 0,3 erfüllt, ist eine zuverlässige Kontrolle der Divergenz der geneigten
Strahlen der zweiten Linsengruppe 2 und auch der chromatischen Aberration der sphärischen
Aberration möglich.
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Das vierte Linsenglied 4 besteht aus einer zusammengesetzten Linse
L5, L6, L7 mit positiver Brechkraft und weist eine mittlere Linse L6 mit positiver
Brechkraft aus optischen Kristallglas oder normalem optischen Glas mit hohem Zerstreuungsvermögen
(Vd6 =) 70) auf, die zwischen zwei Linsen L5 und L7 mit jeweils negativer Brechkraft
aus normalem optischen Glas gehalten ist. Die Brechkraft der vierten Linsengruppe
4 ist positiv,um zuverlässig die durch das Frontlinsensystem 1, 2 bedingte Unterkorrektur
des Sekundärspektrums der sphärischen Aberration auf der Achse zu korrigieren0 Diese
Korrektur läßt sich zuverlässig dadurch erreichen, daß die Bedingungen
eingehalten sind.
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Der Luftspalt d5 zwischen- dem vorderen Linsensystem 1, 2 aus der
ersten Linsengruppe mit der Linse L1 und der zweiten Linsengruppe mit den Linsen
L2 und L3 sowie den hinteren Linsensystem 3, 4 aus der dritten Linsengruppe mit
der Linse I.4 und der vierten Linsengruppe mit den Linsen L5, L6, L7 ist durch die
fünfte Bedingung 0,5>d5>0,1 definiert. Wäre @ @@ im Gegensatz hierzu d5 kleiner
F' als O,1, würde die Korrektur der chromatisches Vergrö ss erungsaberration klein
werden.
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Das wäre für korrigierte Okulare ungeeignet und wurde eine Ablenkung
der Coma aus der Achse nach innen bedingen, Ist d5 kleiner als 0,5, würde die Coma
aus der Achse klein und der Astigmatismus beim überbreiten Blickfeld (F.A. ist grösser
als 24) groß werden.
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Die sechste Bedingungsgleichung mit den Bedingungen
bezieht sich auf die zusammengesetzte Brennweite F12 des Frontlinsensystems
1, 2 und die zusammengesetzte Brennweite F34 des hinteren Linsensystems 3, 4 mit
Hinblick auf die Brennweite F' des ganzen Linsensystems. Wenn diese Bedingungenerfüllt
sind, ist es leicht möglich, die Korrektur der Aberrationen des ganzen Linsensystems
ausgeglichen zu erzielen.
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Vier Beispiele sollen die Erfindung weiter verdeutlichen und stellen
bevorzugte Ausführungsformen dar.
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Beispiel 1 [r] [d] [nd] [#d] r1 -541.35 d1 5.53 nd1 1.78472 vdl 25.7
r2 -10.08 d2 2.78 r3 -6.1 d3 1.71 nd2 1.56873 #d2 63.2 r4 5.125 d4 2.55 nd3 1.67
#d3 57.3 r5 6.616 d5 6.08 r6 29.34 d6 5.87 nd4 1.43389 #d4 95.2 r7 -9.226 do 1.14
r8 -823.51 d8 1.18 nd5 1.61342 #d5 57.4 r9 12.878 d9 5.0 nd6 1.48656 #d6 84.5 r10
-7.52 dlo 1.09 nd7 1.61765 vd7 55.1 r11 -14.74 W = 4.46, F' = 27.803, F1= 13.029,
#p = -0.348, F12 = -17.135, F2 = -5.153, N.A. = 0.16, F34 = 15.33, F3 = 16.958 Vergrösserung
= -4.0 X, F4 = 64.247
worin bedeuten: W der Arbeitsabstand der
oberen Oberfläche eines Deckglases vom Mittelpunkt der optischen Achse der ersten
Gruppe von Linsen, zP die Petzvalsumme.
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Der Aufbau des Linsensystems entspricht dem gemäß Fig, 1.
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Verschiedene Äberrationskurven dieses Objektivs gemäß Beispiel 1
ergeben sich aus den Fig. 2A bis 2F. Fig. 2A zeigt die sphärische Aberration, Fig.
2B die OSC, Fig. 2C den Astigmatismus, Fig. 2D die Verzeichnung und Fig. 2E und
2F die Coma außerhalb der Achse bei F.A. = 15 und F.A. = 26.
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Beispiel 2 [r] [d] [nd] r1 # d1 5.7 ndI 1.78472 vdl 25.7 r2 -1Q.212
d2 3.69 r3 -6.09 d3 1.77 nd2 1.56873 #d2 r4 5.0 d4 2.59 nd3 1.67 #d3 r5 6.52 d5
5.72 r6 30.463 d6 5.98 nd4 1.43389 #d4 r7 -8.944 d7 0.94 r8 # d8 1.20 nd5 1.61342
#d5 r9 13.626 d9 5.11 nd6 1.48656 #d6 r10 -7.5 d10 1.08 nd7 1.61765 #d7 r11 -14.858
W = 3.69, F' = 29.268, F1 = 13.014, #p = -0.35, F12 = -22.527, F2 = -5.105, N.A.
= 0.16, F34 = 14.959, F3 = 16.702, Vergrösserung = -4.0 X, F4 = 61.307
Auch
dieses Mikroskop-Objektiv ist aufgebaut, wie es Fig.
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1 zeigt.
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Verschiedene Aberrationskurven dieses Objektivs ergeben sich aus
den Fig. 3A bis 3F. Fig. 3A zeigt die sphärische Aberration, Fig. 3B die OSC, Fig.
3C den Astigmatismus, Fig.
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3D die Verzeichnung und die Fig0 3E und 3F zeigen die Coma außerhalb
der Achse bei F.A. = 15 und F.A. = 26.
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Beispiel 3 [r] [d] [nd] [#d] rl -40.582 d1 4.5 nd1 1.78472 #d1 25.7
r2 -8.556 d2 5.1 r3 -6.452 d3 1.66 nd2 1.56873 vd2 63.2 r4 4.763 d4 2.20 nd3 1.67
#d3 57.3 r5 6.52 d5 5.93 r6 29.357 d65.90 nd4 1.43389 #d4 95.2 r7 -9.33 d7 1.16
r8 # d8 1.31 nds 1.61342 #d5 57.4 r9 12.56 d9 5.11 nd6 1.48656 #d6 84.5 r10 -7.69
dlo 1.15 nd7 1.61769 vd7 55.1 r11 -14.514 W = 3.43, F' = 30.76, F1 = 13.012, = 0.348,
F12 = -35.035, F2 = -5.375, N.A. = 0.16, F34 = 15.25, F3 = 17.107, Vergrösserung
= -4.0 X, F4 = 58.336
Der Aufbau des Linsensystems dieses Mikroskop-Objektivs
ergibt sich aus Fig. 1.
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Verschiedene Aberrationskurven dieses Objektivs zeigen die Fig. 4A
bis 4F. Fig. 4A zeigt die sphärische Aberration, Fig.
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4B die OSC, Fig. 4C den Astigmatismus, Fig. 4D die Verzeichnung und
die Fig. 4E und 4F zeigen die Coma außerhalb der Achse bei F.A. = 15 und F.A. =
26.
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Beispiel 4 [r] [d] [nd] [#d] r1 # d1 4.5 ndl 1.78472 vdl 25.7 r2 -9.539
d2 3.61 r3 -7.017 d3 1.66 nd2 1.56873 vd2 63.2 r4 4.246 d4 2.21 nd3 1.67 vd3 57.3
r5 5.663 d5 6.79 r6 32.1 d6 5.90 nd4 1.43389 #d4 95.2 r7 -9.394 d7 2.0 r8 -464.618
d6 1.03 nd5 1.61342 #d5 57.4 r9 12.56 d9 5.09 nd6 1.48656 #d6 84.5 r10 -7.69 d10
1.04 nd7 1.61769 #d7 55.1 r11 -14.556 W = 3.61, F' = 30.241, F1 = 12.156, #P = =
-0.35, F12 = -31.14, F2 = -5.202, N.A. = Q.16, F34 = 15.875, F3 = 17.502, Vergrösserung
= -4.0 x, F4 = 63.424
Auch der Aufbau dieses Mikroskop-Objektivs
ist derart, wie es Fig0 1 zeigt.
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Verschiedene Aberrationskurven dieser vierten Ausführungsform eines
erfindungsgemäßen Mikroskop-Objektivs zeigen die Fig. 5A bis 5F. Fig0 5A zeigt die
sphärischen Aberrationen, Fig. 5B die OSC, Fig. 5C den Astigmatismus, Fig. 5D die
optische Verzerrung und Fig. 5E und 5F die Coma außerhalb der Achse bei F.A. = 15
und F.A. = 26o Durch die Erfindung ist ein apochromatisches Mikroskop-Objektiv oder
Linsensystem mit geringer Anzahl von Linsen geschaffen, das eine kleine Vergrösserung
und ein geebnetes Bildfeld über ein weites Blickfeld bis F.A. 300 hat und eine ausgezeichnete
Korrektur der chromatischen und sphärischen Aberration, insbesondere der chromatischen
Aberration bei der dritten Wellenlänge von 435,8 nm (allgemeine g-linie),welche
als Sekundärspektrum bezeichnet wird, aufweist. Das erfindungsgemässe Objektiv-Linsensystem
eignet sich daher insbesondere für Mikroskope.
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Ansprüche