WO2005088378A1 - Tubuslinseneinheit mit chromatisch kompensierender wirkung - Google Patents

Tubuslinseneinheit mit chromatisch kompensierender wirkung Download PDF

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    • G02B21/02—Objectives

Definitions

  • the invention relates to a tube lens unit, which achieves a chromatically compensating effect when used with lenses of infinite image width and chromatic residual errors.
  • the tube lens unit is particularly suitable for generating a color-free primary intermediate image in the imaging beam path of microscopes.
  • So-called ICS systems (infinity color free system) are known from the prior art, which essentially consist of an objective lens with chromatic residual errors and infinite image width and a tube lens unit with a chromatically compensating effect. With such a combination it is achieved that, despite the chromatic residual errors of the objective, the intermediate image is created without chromatic aberrations and a largely color-accurate reproduction of microscopic object details in the entire image field is achieved.
  • the invention is therefore based on the object of providing a tube lens unit of the type mentioned at the outset, which can be used for a plurality of optical devices with different tube focal lengths with the same chromatically compensating effect.
  • the CHL is given in Rayleigh units RE and the CHV in h.
  • the CHL to be compensated has an aperture-adjusted value for lenses and thus also for tube lens units of any focal length.
  • the CHV given in V. must have a constant value for tube lens units of any focal length.
  • the tube lens units must have at least one lens as compensating optical elements. In embodiments, however, it can be provided that two or more lenses are present as compensating optical elements.
  • both lenses can be designed as biconvex lenses.
  • a biconvex lens and a cemented element can be provided, the cemented element preferably comprising a biconcave and a convex plane lens.
  • the flat surface should be arranged on the eyepiece side.
  • Another embodiment of the tube lens unit according to the invention is also the Conceivable use of several putty links.
  • the compensation effect is achieved for different magnifications, specifically by combining any ICS systems with the tube lens unit according to the invention, provided that their optical elements, for example, focal lengths 1, 3 f; lf; 0,8f; ... have 0.25f.
  • the dispersion numbers itii and m 2 of the optical elements are determined according to
  • FIG. 1 shows a tube lens unit according to case A with a single lens and a cemented element consisting of a biconcave and a convex plane lens
  • FIG 3 shows another tube lens unit according to case A, but here with two cemented members.
  • Fig.l the execution of a tube lens unit TL according to case A is shown in principle.
  • the entrance pupil of the lens of infinite image width, the chromatic residual error of which is to be compensated for in cooperation with the tube lens unit TL shown, is located at position 2.
  • FIG. 2 shows an exemplary embodiment of the tube lens unit TL according to the invention according to the case B described above.
  • the objective of infinite image width, the chromatic residual error of which is compensated by means of the tube lens unit TL shown, is not shown in the drawing.
  • the entrance pupil of this lens is at the Pos it ion 2.
  • the lens 6 is made of technical glass N-BaLF4 Untitled
  • FIG 3 shows a further possible embodiment of the tube lens unit TL according to the case A.
  • the optical axis 1, the position 2 of the entrance pupil of an objective (not shown in the drawing) and the intermediate image plane 7 are shown.
  • two cemented elements are present as compensating optical elements in this embodiment variant, a first of the two cemented elements consisting of two lenses 8 and 9 and the other cemented element consisting of two lenses 10 and 11.
  • the object of the invention namely to create a tube lens unit TL, which can be used with a good chromatic compensation effect for several optical devices with different tube focal lengths, is achieved, as shown, by introducing suitable focal lengths and glass materials for the elements of the tube lens unit TL.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Tubuslinsenein­heit, die bei Verwendung mit Objektiven unendlicher Bildweite und chromatischen Restfehlern eine chroma­tisch kompensierende Wirkung erzielt. Die erfindungsgemäße Tubuslinseneinheit erfüllt fol­gende Bedingungen: Gleichung (1) CHL = CHLo - AT2 mT φT = 0 Gleichung (2) CHV = CHVo - 1000λ mT φT dl = 0 mit - CHL der chromatischen Längsabweichung der Tubus­linseneinheit; - CHLo der chromatischen Längsabweichung des Objek­tivs; - CHV der chromatischen Vergrößerungsdifferenz der Tubuslinseneinheit; - CHVo der chromatischen Vergrößerungsdifferenz des Objektivs; - λ der Wellenlänge, - mT der Dispersionszahl der Tubuslinseneinheit aus mT = me = 1/λν, wobei e der Index der Hauptfarbe ist und ν die Abbezahl; - A dem Aufpunkt; - dl der Entfernung des ersten optischen Elementes der Tubuslinseneinheit von der Eintrittspupille, - φT der Brechkraft und T dem Index der jeweiligen Linse in der Tubuslinseneinheit.

Description

Tubuslinseneinheit mit chromatisch kompensierender Wirkung
Die Erfindung bezieht sich auf eine Tubuslinseneinheit, die bei Verwendung mit Objektiven unendlicher Bildweite und chromatischen Restfehlern eine chromatisch kompensierende Wirkung erzielt. Die Tubuslinseneinheit ist insbesondere zur Erzeugung eines farbfreien primären Zwischenbildes im Abbildungsstrahlengang von Mikroskopen geeignet.
Aus dem Stand der Technik sind sogenannte ICS- Systeme ("infinity color free system") bekannt, die im wesentlichen aus einem Objektiv mit chromatischen Restfehlern und unendlicher Bildweite und einer Tubuslinseneinheit mit chromatisch kompensierender Wirkung bestehen. Mit einer solchen Kombination wird erreicht, daß das Zwischenbild trotz der chromatischen Restfehler des Objektivs ohne chromatische Aberrationen entsteht und so eine weitestge- hend farbtreue Wiedergabe mikroskopischer Objektdetails im gesamten Bildfeld erzielt wird.
Ein wesentlicher Nachteil der bislang bekannten ICS-Systeme besteht allerdings darin, daß der Abstand zwischen dem Objektiv und der Tubuslinseneinheit nur in engen Grenzen variabel ist, so daß diese ICS-Systeme an vorgegebene Tubusbrennweiten gebunden und insofern nur für die Anwendung in Geräten nutzbar sind, für die sie konzipiert wurden. Oftmals ist es für den Anwender aus Kos t engrunden jedoch wünschenswert, eine Tubuslinseneinheit austauschbar für mehrere optische Gerate zu verwenden, von denen jedes zunächst nur für eine gesonderte feste Brennweite konzipiert war.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde eine Tubuslinseneinheit der eingangs genannten Art zu schaffen, die bei gleichbleibender chromatisch kompensierender Wirkung für mehrere optische Gerate mit verschiedenen Tubusbrennweiten einsetzbar ist.
Diese Aufgabe wird gelost mit einer Tubuslinseneinheit, die folgende Bedingungen erfüllt: Gleichung (1) CHL = CHL0 - Aτ 2 mτ φτ = 0 Gleichung (2) CHV = CHV0 - lOOOλ mτ φτ di = 0
- CHL der chromatischen Langsabweichung der Tubuslinseneinheit;
- CHL0 der chromatischen Langsabweichung des Objektivs;
- CHV der chromatischen Vergroßerungsdifferenz der Tubuslinseneinheit;
- CHV0 der chromatischen Vergroßerungsdifferenz des Objektivs;
- λ der Wellenlange,
- m-r der Dispersions zahl der Tubuslinseneinheit aus mτ = me = 1/λv, wobei e der Index der Hauptfarbe ist und v die Abbezahl; A dem Aufpunkt;
- di der Entfernung des ersten optischen Elementes der Tubuslinseneinheit von der Eintrittspupille,
- φτ der Brechkraft und
- T dem Index der jeweiligen Linse in der Tubuslinseneinheit .
Für beide Gleichungen soll das Produkt aus den Werten mτ und φτ den gleichen Betrag haben.
Die CHL wird in Rayleigh-Einhei ten RE und die CHV in h angegeben. Durch Normierung auf Rayleigh- Einheiten (IRE = λ/sinus) hat die zu kompensierende CHL einen aperturangepaßten Wert für Objektive und somit auch für Tubuslinseneinheiten beliebiger Brennweite. Die in V. angegebene CHV muß für Tubuslinseneinheiten beliebiger Brennweiten einen konstanten Wert haben.
Die Tubuslinseneinheiten müssen wenigstens eine Linse als kompensierendes optisches Elemente aufweisen. In Ausgestaltungen kann jedoch vorgesehen sein, daß zwei oder mehr Linsen als kompensierende optische Elemente vorhanden sind.
Sind zwei Linsen vorgesehen, können beide Linsen als bikonvexe Linsen ausgebildet sein. Alternativ können eine bikonvexe Linse und ein Kittglied vorgesehen sein, wobei das Kittglied bevorzugt eine bikonkave und eine konvexplane Linse umfaßt. Die plane Fläche sollte dabei okularseitig angeordnet sein. In weiteren Ausges t altungs arianten der erfindungsgemäßen Tubuslinseneinheit ist auch die Verwendung mehrerer Kittglieder vorstellbar.
Bei Ausfuhrung der erfindungsgemäßen optischen Tubuslinseneinheit sind grundsatzlich zwei Falle zu unterscheiden .
In einem ersten Fall A werden die mit den Gleichungen (1) und (2) vorgegebenen Bedingungen mittels zweier optischer Elemente erfüllt, bei denen es sich jeweils um Einzellinsen oder Kittglieder handeln kann.
Die Kompensationswirkung wird für unterschiedliche Vergrößerungen erzielt, und zwar durch Kombination beliebiger ICS-Systeme mit der erfindungsgemäßen Tubuslinseneinheit, sofern deren optische Elemente zum Beispiel Brennweiten 1 , 3 f ; lf; 0,8f; ... 0,25f haben .
Es wird gesetzt: Ki = -Aτ 2 , K2 = lOOOλ di, wobei Kn und Ki2 Koeffizienten des ersten optischen Elementes und K2χ und K22 Koeffizienten des zweiten optischen Elementes sind.
Die Dispersionszahlen itii und m2 der optischen Elemente werden bestimmt nach
Gleichung (3) Kn φi x + Ki2 φ2 m2 = -CHL und Gleichung (4) K2i φi λ + K22 φ2 m2 = -CHV wobei die Werte Kn, Ki2, K2ι und K22 aus der Durchrechnung mit φi bestimmt sind.
In einem zweiten Fall B werden die mit den Glei- chungen (1) und (2) vorgegebenen Bedingungen mittels einer einzelnen Linse erfüllt. Hier lassen sich die Vorgaben aus den Gleichungen (3) und (4) ableiten, indem für φi = φτ und für φ2 = 0 gesetzt wird .
Wegen der Grenzwerte für die Dispersionszahlen mτ zwischen 20 und 90 sind Tubuslinseneinheiten unter Verwendung nur einer kompensierenden Einzellinse auch nur mit begrenzten Brennweiten möglich. Für darüber hinaus gehende Brennweiten ist auch im Fall B ein Kittglied einzusetzen.
Hierfür gelten die Bedingungen:
Gleichung (5) Ki mτ φτ = -CHL und
Gleichung (6) K2 mτ φ-r = -CHV wobei mτ = -CHL/Ki φτ ist. Damit ergibt sich auch der Wert für CHV.
Der spezielle Fall B ist bisher in Verbindung mit Tubuslinsen mit einer Brennweite f = 160 mm realisiert worden .
Mit der er f indungsgemaßen Losung ist die Grundlage geschaffen worden, daß in der Tubuslinseneinheit auch optische Elemente (Linsen) einsetzbar sind, deren Brennweite f wesentlich von dem bisher üblichen Wert f = 160 mm abweichen.
Es wurde weiterhin ermittelt, daß für kompensierende optische Elemente in der Tubuslinseneinheit bekanntes technisches Glas, z.B. SF6, für eine Brenn- weite von 350 mm einsetzbar ist. Hierdurch laßt sich erreichen, daß für eine ICS-Optik Objektive mit den chromatischen Restfehlern CHL = -5,7 [RE] und CHV = -14,2 [°r.] genutzt werden können.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand zweier Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei zeigen
Fig.l eine Tubuslinseneinheit nach Fall A mit einer Einzellinse und einem Kittglied aus einer bikonkaven und einer konvexplanen Linse,
Fig.2 eine Tubuslinseneinheit nach Fall B mit einer Einzellinse,
Fig.3 eine weitere Tubuslinseneinheit nach Fall A, hier jedoch mit zwei Kittgliedern .
In Fig.l ist die Ausführung einer Tubuslinseneinheit TL nach Fall A im Prinzip dargestellt. Vom linken Zeichnungsrand beginnend sind vorhanden: die optische Achse 1; die Position 2 der Eintrittspupille eines (zeichnerisch nicht dargestellten) Objektivs; eine im Abstand dι=126 mm von der Position 2 angeordnete erste Linse 3 als kompensierendes optisches Element mit der Dicke d2=6 mm sowie den Radien r3ι=62,634 mm und r32=-117,15 mm; eine im Abstand d3=25,l mm folgende Kittgruppe als zweites kompensierendes optisches Element, bestehend aus einer bikonkaven Linse 4 mit der Dicke d4=2 mm und den Radien r41=-55,033 mm und r42=49,048 mm und einer konvexplanen Linse 5 mit der Dicke d5=3,5 mm und den Radien r5ι=49,048 mm und r52=∞. Der Abstand zwischen der konvexplanen Linse 5 der Kittgruppe und der Zwischenbildebene 7 beträgt d6=167 mm.
Die Eintrittspupille des Objektivs unendlicher Bildweite, dessen chromatischer Restfehler im Zusammenwirken mit der dargestellten Tubuslinseneinheit TL kompensiert werden soll, befindet sich an de r Position 2.
Als Glas sind vorgesehen: für die Linse 3 N-PK51; für die Linse 4 N-LAK10; für die Linse 5 N-SF5.
In Fig.2 ist ein Aus führungsbeispiel der erfindungsgemäßen Tubuslinseneinheit TL nach dem weiter oben beschriebenen Fall B dargestellt.
Am linken Zeichnungsrand beginnend sind hier vorgesehen: die optische Achse 1; die Position 2 der Eintrittspupille eines (zeichnerisch nicht dargestellten) Objektivs, eine in einem Abstand von d7=126 mm folgende einzelne Linse 6 mit einer Dicke d3=10,9 mm sowie den Radien r6ι= 189 , 417 mm und r62=- 189,417 mm. Der Abstand zwischen der Linse 6 und der Zwischenbildebene 7 beträgt d9=167 mm. Auch in dieser Darstellung ist das Objektiv unendlicher Bildweite, dessen chromatischer Restfehler mittels der dargestellten Tubuslinseneinheit TL kompensiert wird, zeichnerisch nicht dargestellt. Die Eintritt spupille dieses Objektivs befindet sich an der Pos it ion 2.
Die Linse 6 ist aus technischem Glas N-BaLF4 gefer- t i g t
Fig.3 zeigt eine weitere mögliche Ausführung der erfindungsgemäßen Tubuslinseneinheit TL nach Fall A. Hier sind zunächst wiederum ersichtlich die optische Achse 1, die Position 2 der Eintrittspupille eines (zeichnerisch nicht dargestellten) Objektivs und die Zwischenbildebene 7.
Abweichend von der Ausführung nach Fig.l sind in dieser AusgestaltungsVariante zwei Kittglieder als kompensierende optische Elemente vorhanden, wobei ein erstes der beiden Kittglieder aus zwei Linsen 8 und 9 und das andere Kittglied aus zwei Linsen 10 und 11 bestehen.
Die Linse 8 ist aus Glas N-PSK 53 mit der Dicke dn=4 mm und den Radien rBι=23,714 mm und ra2=-37,584 mm gefertigt. Die Linse 9 besteht aus Glas N - LASF45, hat eine Dicke von di2= 2 mm und ist mit Radien rgι=-37,584 mm und r92=-375,84 mm ausgeführt.
Die Linse 10 im zweiten Kittglied besteht aus technischem Glas N-FK5, weist eine Dicke dι4= l,5 mm sowie die Radien rιoι=-105,93 mm und r102= 6,13 mm auf. Für die Linse 11 ist als Material N-LASF45 vorgesehen, die Dicke beträgt dι5=2,5 mm, die Radien sind mit rm=6,13 mm und rn2=8,9125 mm vorgegeben.
Der Abstand zwischen der Position 2 der Eintrittspupille und dem ersten Kittglied beträgt dι0=126 mm, der Abstand zwischen den beiden Kittgliedern di3=25,82 mm und der Abstand zwischen dem zweiten Kittglied und der Zwischenbildebene 7 beträgt
Figure imgf000011_0001
Die Aufgabe der Erfindung, nämlich eine Tubuslinseneinheit TL zu schaffen, die bei guter chromatisch kompensierender Wirkung für mehrere optische Geräte mit verschiedenen Tubusbrennweiten einsetzbar ist, wird wie dargestellt erreicht durch Einführung geeigneter Brennweiten und Glaswerkstoffe für die Elemente der Tubuslinseneinheit TL.
Bezugszeichenliste
1 opti sehe Achs e
2 Posi tion der Eintrittspupil le eines Obj ekt ivs
3 Linse
4 Linse
5 Lins e
6 Linse
7 Zwischenbildebene
8 Linse
9 Linse
10 Linse
11 Linse
TL Tubuslinseneinheit du Abstände bzw. Dicken 1] Radien

Claims

P tentansprüche
1. Tubuslinseneinheit mit chromatisch kompensierender Wirkung zur Verwendung mit Objektiven unendlicher Bildweite und chromatischen Restfehlern, dadurch gekennzeichnet, daß die Tubuslinseneinheit (TL) folgende Bedingung erfüllt : Gleichung (1) CHL = CHLσ - Aτ 2 mτ φτ = 0 Gleichung (2) CHV = CHV0 - lOOOλ mτ φτ dx = 0 mit — CHL der chromatischen Längsabweichung der Tubuslinseneinheit (TL); — CHL0 der chromatischen Längsabweichung des Obj ektivs ; — CHV der chromatischen Vergrößerungsdifferenz der Tubuslinseneinheit (TL); — CHV0 der chromatischen Vergrößerungsdifferenz des Objektivs; — λ der Wellenlänge, — mτ der Dispersions zahl der optischen Elemente in der Tubuslinseneinheit (TL) aus mτ = me = 1/λv, wobei e der Index der Hauptfarbe ist und v die Abbe zahl; — A dem Aufpunkt; — di der Entfernung des ersten optischen Elementes der Tubuslinseneinheit (TL) von der Eintritt spupille , — φτ der Brechkraft und — T dem Index der jeweiligen Linse in der Tubuslinseneinheit (TL) .
2. Tubuslinseneinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein kompensierendes optisches Element vorhanden ist, das unter Berücksichtigung der Gleichungen (1) und (2) bestimmt ist durch Gleichung (3) Kn φi mx + Ki2 φ2 m2 = -CHL Gleichung (4) K2ι φi πti + K22 φ2 m2 = -CHV, wobei die Werte Kn, Ki2, K2ι und K22 Koeffizienten sind aus der Durchrechnung mit φi .
3. Tubuslinseneinheit nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein kompensierendes optisches Element vorgesehen und als bikonvexe Linse ausgeführt ist.
4. Tubuslinseneinheit nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei kompensierende optische Elemente vorgesehen sind, wovon ein erstes Element als bikonvexe Linse und das zweite Element als Kittglied ausgeführt sind.
5. Tubuslinseneinheit nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Kittglied eine bikonkave und eine konvexplane Linse umfaßt, wobei die plane Flache okularseitig angeordnet ist.
6. Tubuslinseneinheit nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei kompensierende optische Elemente vorgesehen und beide als Kittglieder ausgeführt sind.
-Ai
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