DE3626164C2

DE3626164C2 -

Info

Publication number: DE3626164C2
Application number: DE3626164A
Authority: DE
Inventors: Katsuhiro Hachiohji Tokio/Tokyo Jp Takada
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1985-08-02
Filing date: 1986-08-01
Publication date: 1991-01-10
Also published as: DE3626164A1; US4784478A

Description

Die Erfindung betrifft ein Mikroskopobjektiv, bestehend aus einer ersten Linse, einer zweiten Linse und einer dritten Linse in der Reihenfolge von der Gegenstandsseite, wobei die erste Linse gemäß einer ersten Ausführungsform negative Brechkraft hat.

Bei Mikroskopen ist es erforderlich, die Aberationen gut zu korrigieren und gleichzeitig die numerische Apertur (NA) so groß wie möglich zu machen, um ein hohes Auflösungsvermögen zu erhalten. Darüberhinaus ist es vorteilhaft, den Arbeitsabstand (WD) lang zu halten, um beispielsweise zu verhindern, daß das Objektiv an eine zu untersuchende Probe anstößt. Ferner sollten verschiedene Mikroskopobjektive austauschbar sein, wobei Mikroskopobjektive Beschränkungen unterliegen. Beispielsweise sollte die Baulänge innerhalb einer bestimmten Grenze liegen und die Entfernung vom Gegenstand zum Bild sollte bei einem konstanten Wert liegen, usw. Ferner ist bei normalen optischen Systemen für Mikroskope üblicherweise ein Verschwimmen der Farben und eine unscharfe Bild zu verzeichnen, wenn die chromatische Aberration nicht gut korrigiert ist.

Aufgrund der Tatsache, daß Mikroskopobjektive vergrößernde Linsensysteme sind, ist es sehr schwierig, alle diese Erfordernisse gemeinsam zu erfüllen.

Zur Gestaltung eines Mikroskopobjektivs, das den oben erwähnten Bedingungen genügt, war es bisher unvermeidlich, die Zahl der das Objektiv bildenden Linsen sehr groß zu machen, und darüber hinaus war es erforderlich, optische Materialien mit anomaler Dispersion, wie Fluorid, zu verwenden und Kittglieder einzu setzen. Der übliche Aufbau eines optischen Systems entspricht daher einer Kombination aus einer großen Anzahl von Linsen.

Es ist bekannt, eine asphärische Linse und eine Linse mit sich ändernder Brechzahl zusätzlich zu sphärischen Linsen zu verwenden, um Aberrationskorrekturen zu verbessern. Optische Systeme für Mikroskope mit einer Linse mit sich ändernder Brechzahl sind beispielsweise aus den japanischen Auslege schriften 28 057/72 bzw. 39 405/82 bekannt. Von diesen japa nischen Auslegeschriften enthält erstere überhaupt keine Ausführungen bezüglich der Korrektur von Aberrationen. Die letztere beschreibt die Korrektur von außeraxialen Aberrationen unter Verwendung einer Linse mit sich ändernder Brechzahl. Es ist darin jedoch kein Hinweis auf die Korrektur von chroma tischer Aberration enthalten.

Ferner ist aus der DE-OS 27 56 989 ein optisches System mit einer GRIN-Linse bekannt, deren Brechzahl sich mit dem radialen Abstand von der optischen Achse ändert. Diese Linse dient i. w. zur Korrektur außeraxialer Aberrationen, insbesondere des "schiefen Büschels".

Aus der US-PS 37 56 698 ist ein aus einem dreilinsigen Aus gangssystem entwickeltes apochromatisches Mikroskopobjektiv bekannt, das zwei Linsengruppen mit insgesamt sechs Linsen auf weist. Eine der Linsengruppen umfaßt ein aus drei Linsen gebil detes Kittglied, wobei eine dieser Linsen aus Fluorspar herge stellt ist. Zur Korrektur chromatischer Aberration weisen die Linsen untereinander verschiedene, aber jeweils konstante Dis persionsvermögen auf. Ein Nachteil des aus der US-PS 37 56 698 bekannten Mikroskopobjektiv besteht darin, daß es vergleichs weise kompliziert aufgebaut ist und eine große Anzahl von Lin se, nämlich sechs Linsen einschließlich eines dreilinsigen Kittglieds, erfordert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Mikroskopobjektiv mit einer einfachen Linsenanordnung anzugeben, bei dem die chromatische Aberration wie auch andere Aberrationen für die Grundwellenlänge korrigiert sind.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen daß die zweite Linse längs der optischen Achse des Mikroskop objektivs in einem Bereich angeordnet ist, in dem die Höhe des paraxialen Bandstrahls mindestens die Hälfte der maximalen Höhe des Bandstrahls im Mikroskopobjektiv erreicht und als Linse mit einer mit dem radialen Abstand zur optischen Achse variierenden Brechzahl (GRIN-Linse) derart ausgebildet ist, daß die Disper sion im Randbereich kleiner ist als die Dispersion im Zentral bereich.

Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Mikroskopobjektiv, bestehend aus einer ersten Linse, einer zweiten Linse und einer dritten Linse in der Reihenfolge von der Gegenstandsseite, das dadurch gekennzeichnet ist, daß die erste Linse positive Brech kraft hat und die zweite Linse längs der optischen Achse des Mikroskopobjektivs in einem Bereich angeordnet ist, in dem die Höhe des paraxialen Randstrahls mindestens die Hälfte der maxi malen Höhe des Randstrahls im Mikroskopobjektiv erreicht und als Linse mit einer mit dem radialen Abstand zur optischen Achse variierenden Brechzahl (GRIN-Linse) derart ausgebildet ist, daß die Dispersion im Randbereich größer ist als die Dispersion im Zentralbereich.

Mikroskopobjektive sollten so ausgebildet sein, daß auch sphä rische Aberration, Koma, Bildfeldkrümmung, Astigmatismus usw. ausreichend korrigiert sind. Wenn versucht wird, insbesondere Bildfeldkrümmung und Astigmatismus von diesen Aberrationen zu korrigieren, werden die Beschränkungen bezüglich der Korrelation der anderen Aberrationen stark, und es ist schwierig, alle Aberrationen gleichzeitig gut zu korrigieren. Wenn ferner auch chromatische Aberration korrigiert werden soll, ist es erforder lich, bei der Gestaltung des Objektivs nicht nur die Brech zahlen, sondern auch die Dispersion der zu verwendenden Glas materialien von Anfang an in Betracht zu ziehen, und dies ist eine beträchtliche Schwierigkeit bei der Korrelation der Aberra tionen.

Im allgemeinen wird die chromatische Aberration durch Wahl der Krümmungsradien der brechenden Flächen, der Entfernungen zwi schen den Flächen, der Brechzahlen, der Dispersion usw. korri giert. Durch die Verwendung einer Linse mit sich ändernder Brechzahl ist es gemäß der Erfindung ferner möglich, chroma tische Aberration durch eine geeignet gewählte Verteilung der Dispersion, d. h. durch Verteilung der Brechzahlen in bezug auf die entsprechenden Wellenlängen, zu korrigieren. Beispielsweise ergibt sich aus der Aberrationstheorie, daß chromatische Längs aberration, die die Basis bei der Korrektion von chromatischer Aberration darstellt, unter Verwendung einer Linse mit sich ändernder Brechzahl (GRIN-Linse) gut korrigiert werden kann, indem die Krümmungsradien der brechenden Flächen dieser Linse und die Verteilung der Brechzahlen dieser einzelnen Linse in bezug auf die entsprechenden Wellenlängen aufeinander abge stimmt werden. Dieser Effekt kann nicht bei Linsensystemen, die nur homogene Linsen aufweisen, erreicht werden. Die mittels Linsen mit sich ändernder Brechzahl erreichbare Korrektionsfähigkeit für chromatische Aberration ist somit groß. Zur Korrektion der chromatischen Aberration bei einem Mikroskopobjektiv, ist es vorteilhaft, die Linse mit sich ändernder Brechzahl in einer Position anzuordnen, in der die Höhe des paraxialen Randstrahls am größten ist.

Im allgemeinen ist es zur Korrektion der chromatischen Aber ration erforderlich, sowohl chromatische Längsaberration als auch chromatische Queraberration zu korrigieren. Die chroma tische Queraberration bzw. der Farbvergrößerungsfehler bezieht sich auf die Qualität des von den außeraxialen Strahlen erzeugten Bildes. Bei Mikroskopobjektiven werden im allgemeinen die außeraxialen Hauptstrahlen in dem Zustand durchgelassen, daß sie nicht von der optischen Achse fortgehen, und daher ist der Korrektionseffekt, der für den Farbvergrößerungsfehler durch Verwendung einer Linse mit sich ändernder Brechzahl erreicht werden kann, etwas kleiner als die Korrektionswirkung für chromatische Längsaberration. Daher ist es wesentlich, die Anordnung so zu treffen, daß der Farbvergrößerungsfehler mit tels anderer Parameter korrigiert wird und daß hauptsächlich chromatische Längsaberration mittels der Linse mit sich ändern der Brechzahl durch entsprechende Bestimmung der Verteilung ihrer Brechzahlen in bezug auf die entsprechenden Wellenlängen korrigiert wird. Daher ist es vorteilhaft, die Linse mit sich ändernder Brechzahl an der oben genannten Stelle anzuordnen, an der die Strahlung wirksam beeinflußt werden kann.

Die erste Linse des Mikroskopobjektivs nach der Erfindung sollte starke Brechkraft haben, um die gewünschte Vergrößerung sicherzustellen. Normalerweise weist die erste Linse eine starke Krümmung auf, um Bildfeldkrümmung gut zu korrigieren. Wenn die erste Linse auf diese Weise ausgebildet ist und negative Brechkraft hat, wird große positive chromatische Längsaberration durch die erste Linse hervorgerufen. Zur Korrektur dieser positiven chromatischen Längsaberration ist die zweite Linse so ausgebildet, daß die Dispersion im Rand bereich dieser Linse kleiner ist als die Dispersion im Zentral bereich, wobei die Brechzahl der zweiten Linse mit dem radialen Abstand von der optischen Achse variiert, so daß diese Linse mit sich ändernder Brechzahl negative chromatische Längsaber ration verursacht, wodurch die genannte positive chromatische Längsaberration korrigiert wird.

Wenn die Linse mit sich ändernder Brechzahl so ausgebildet ist, daß die Dispersion im Randbereich größer als die Dispersion im Zentralbereich ist, wird positive chromatische Längsaberration hervorgerufen. Zur Korrektur dieser positiven chromatischen Längsaberration sollten üblicherweise komplizierte Linsen glieder an der Bildseite der zweiten Linse vorgesehen sein, was jedoch unzweckmäßig ist.

Wenn das Objektiv so ausgebildet ist, daß die erste Linse positive Brechkraft hat, wird durch die erste Linse große negative chromatische Längsaberration hervorgerufen. In diesem Fall ist es daher möglich, die chromatische Aberration des Objektivs dadurch zu korrigieren, daß die zweite Linse mit sich ändernder Brechzahl eine Dispersion im Randbereich aufweist, die größer ist, als die Dispersion im Zentralbereich, wobei die Brechzahl entsprechend dem radialen Abstand von der optischen Achse variiert, so daß die Linse mit sich ändernder Brechzahl (GRIN-Linse) positive chromatische Längsaberration verursacht.

Die vorstehend erwähnte Linse mit sich ändernder Brechzahl ermöglicht es, einen chromatischen Korrektureffekt zu erzielen, der gleichwertig dem oben erwähnten Korrektureffekt ist, wenn die Linse mit sich ändernder Brechzahl ebenso in einem Bereich angeordnet ist, in dem die Höhe der paraxialen Randstrahlen mindestens die Hälfte der maximalen Höhe der paraxialen Rand strahlen im Objektiv erreicht.

Wenn darüber hinaus die Linse mit sich ändernder Brechzahl an einer Position an der Bildseite der Stelle, an der der außer axiale Strahl die optische Achse schneidet, angeordnet ist, ist es leicht, den Farbvergrößerungsfehler zu korrigieren, der mittels anderer Parameter als der Brechkraftverteilung korri giert wurde.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Beschreibung von erfindungsgemäßen Objektiven mit Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Schnittbild eines ersten erfindungsgemäßen Mikroskopobjektivs,

Fig. 2 ein Schnittbild eines zweiten erfindungsgemäßen Mikroskopobjektivs,

Fig. 3 Korrekturkurven des ersten erfindungsgemäßen Mikroskopobjektivs,

Fig. 4 Korrekturkurven des zweiten erfindungsgemäßen Mikroskopobjektivs.

Die erfindungsgemäßen Mikroskopobjektive 1 und 2 haben die nachstehend in der Tabelle 1 bzw. 2 aufgeführten Daten.

Tabelle 1

erste Linsengruppe

zweite Linsengruppe

dritte Linsengruppe

Tabelle 2

zweite Linsengruppe

dritte Linsengruppe

In den Tabellen bezeichnen:
r₁ bis r₆ die Krümmungsradien der Linsenoberflächen
d₁ bis d₅ die Dicken der Linsen bzw. Luftabstände zwischen diesen
n₀₁, n₀₂, n₀₃ die Brechzahlen der Linsen (wobei die Brechzahl auf der optischen Achse bei einer mit * ver sehenen Linse mit sich ändernder Brechzahl angegeben ist)
v₀₁, v₀₂, v₀₃ die Abbe-Zahlen der Linsen (wobei bei einer Linse mit sich ändernder Brechzahl die Abbe- Zahl auf der optischen Achse angegeben ist)
f die Brennweite des Objektivs
f₁ die Brennweite des ersten Linsenglieds
NA die numerische Apertur
β die Vergrößerung
WD den Arbeitsabstand
Δ die Differenz zwischen der Abbe-Zahl auf der optischen Achse der verwendeten Linse mit sich ändernder Brechzahl und der Abbe-Zahl der Linse mit sich ändernder Brechzahl in einer Stellung von 0,5 Einheiten von der opti schen Achse, wobei die Dispersion im Randbe reich kleiner als im Zentralbereich ist, wenn Δ negativ ist und größer im Randbereich als im Zentralbereich, wenn Δ positiv ist.

Bei einer Linse mit sich ändernder Brechzahl (GRIN-Linse) sind die Brechzahlen für die einzelnen Wellenlängen durch die folgende Formel gegeben, in der ρ die Radialentfernung von der optischen Achse und λ die Wellenlänge bezeichnet.

n (λ) = n₀ (λ) + n₁ (λ) ρ² + n₂ (λ) ρ⁴

In dieser Formel bezeichnet n₀ (λ) die Brechzahl für die Wellenlänge λ auf der optischen Achse der Linse mit sich ändernder Brechzahl (GRIN-Linse) und n₁ (λ), n₂ (λ) die Koeffizienten 2-ter bzw. 4-ter Ordnung für die Wellen länge λ in der Entfernung ρ. Die Verteilung der in den nume rischen Daten der erfindungsgemäßen Objektive angegebenen Koeffizienten entspricht denen für die d-Linie, c-Linie und F-Linie.

Bei dem erfindungsgemäßen Objektiv 1 hat das erste Linsen glied negative Brechkraft, und der Wert von Δ ist negativ. Darüber hinaus sind erstes und drittes Linsenglied auch als Linsen mit sich ändernder Brechzahl (GRIN-Linsen) ausge bildet.

Im erfindungsgemäßen Mikroskopobjektiv 2 hat das erste Lin senglied positive Brechkraft und der Wert von Δ ist positiv. Darüber hinaus ist das dritte Linsenglied auch als eine Linse mit sich ändernder Brechzahl (GRIN-Linse) ausgebildet.

Wie sich daraus ergibt und von den einzelnen Objektiven ersichtlich ist, liefert die vorliegende Erfindung ein Mi kroskopobjektiv, das einen außerordentlich einfachen Linsen aufbau hat und das gleichzeitig eine sehr hohe Leistung dadurch erreicht, daß die Aberrationen nicht nur für die Grundwellenlänge korrigiert sind, sondern auch chromatische Aberration.

Claims

1. Mikroskopobjektiv, bestehend aus einer ersten Linie, einer zweiten Linse und einer dritten Linse in der Reihenfolge von der Gegenstandsseite, wobei die erste Linse negative Brechkraft hat, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Linse längs der optischen Achse des Mikroskopobjektivs in einem Bereich angeordnet ist, in dem die Höhe des paraxialen Randstrahls mindestens die Hälfte der maximalen Höhe des Randstrahls im Mikroskopobjektiv erreicht und als Linse mit einer mit dem radialen Abstand zur optischen Achse variierenden Brechzahl derart ausgebildet ist, daß die Dispersion im Randbereich kleiner ist als die Dispersion im Zentralbereich.

2. Mikroskopobjektiv, bestehend aus einer ersten Linse, einer zweiten Linse und einer dritten Linse in der Reihenfolge von der Gegenstandsseite, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Linse positive Brechkraft hat und die zweite Linse längs der optischen Achse des Mikroskopobjektivs in einem Bereich angeordnet ist, in dem die Höhe des paraxialen Randstrahls mindestens die Hälfte der maximalen Höhe des Randstrahls im Mikroskopobjektiv erreicht und als Linse mit einer mit dem radialen Abstand zur optischen Achse variierenden Brechzahl derart ausgebildet ist, daß die Dispersion im Randbereich größer ist als die Dispersion im Zentralbereich.

3. Mikroskopobjektiv nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Linse in einer Stellung angeordnet ist, in der die Höhe des paraxialen Randstrahls am höchsten ist.

4. Mikroskopobjektiv nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die erste Linse als auch die dritte Linse als Linsen mit sich ändernder Brechzahl ausgebildet sind, wobei sich die Brechzahl mit dem Radialabstand von der optischen Achse ändert.

5. Mikroskopobjektiv nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Linse in einer Stellung angeordnet ist, in der die Höhe des paraxialen Randstrahls am höchsten ist.

6. Mikroskopobjektiv nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Linse als Linse mit sich ändernder Brechzahl ausgebildet ist, wobei sich die Brechzahl mit dem Radialabstand von der optischen Achse ändert.