WO2011124300A1 - Hochaperturiges immersionsobjektiv - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein hochaperturiges Immersionsobjektiv, insbesondere für konfokale Anwendungen in der Fluoreszenzmikroskopie sowie für TIRF-Anwendungen, welches aus drei Linsen und/oder Linsengruppen umfassenden Teilsystemen (T1, T2, T3) zusammengesetzt ist. Mit der erfindungsgemäßen Konzipierung der Teilsysteme (T1, T2, T3) wurde es möglich, dass bei einer hochauflösenden numerischen Apertur von 1.49 ein relativ großes Objektfeld von 0.25 mm vorhanden. Darüber hinaus wird bis zu einer Wellenlänge von 340 nm eine verbesserte Transparenz möglich.

Description

Hochaper uriges Immersionsobjektiv

Die Erfindung betrifft ein hochaperturiges

Immersionsobjektiv, insbesondere für konfokale Anwendungen in der Fluoreszenzmikroskopie sowie für das TIRF-Verfahren, welches aus drei Linsen und/oder Linsengruppen umfassenden Teilsystemen zusammengesetzt ist.

Bekannt ist, dass bei der TIRF-Mikroskopie die

Fluoreszensbeleuchtung gezielt so ausgelegt wird, dass es am Deckglas zur Totalreflektion kommt. Hierdurch werden nur Objekte angeregt, welche sich direkt am Deckglas befinden. Tiefer gelegene Objekte werden nicht erreicht und können folglich auch kein störendes Hintergrundlicht aussenden. Aus diesem Grunde liefert die TIRF-Mikroskopie auch extrem kontrastreiche Bilder. Diese Bilder verlieren aber ihre Brilianz sofort, wenn es zu Falschlicht kommt. Falschlicht regt nämlich auch die Objektsphären an, welche eigentlich unterdrückt werden sollen. Falschlicht entsteht überall dort, wo das Anregungslicht durch Linsenflächen, sowie Linsen- und Fassungsränder reflektiert wird. Die Reflexe der Linsenflächen können durch hochwertige Vergütung wirksam bekämpft werden. Bei den Reflexen, welche von den Linsenrändern und den Fassungen ausgehen, ist man

weitestgehend machtlos. Man kann nur dafür sorgen, dass an diese Stellen erst gar kein Licht gelangen kann. Folglich muss das Objektiv mit einer extrem hohen numerischen

Apertur ausgestattet werden, so dass auch das

Anregungslicht möglichst weit von Linsenrändern und

Fassungen entfernt verläuft.

Da das Anregungslicht fast vollständig am Deckglas

reflektiert wird, kann nur ein sehr geringer Anteil zur Fluoreszens genutzt werden. Um trotzdem helle Bilder erzeugen zu können, ist es sinnvoll, mit hohen

Vergrößerungen zu arbeiten, wo die Beleuchtung auf sehr kleine Felder konzentriert wird. Bei konfokalen Anwendungen ist das aber nicht der Fall. Hier kann das

Auflösungsvermögen des Objektivs unabhängig von der

bildseitigen Apertur voll ausgeschöpft werden. Bei diesen Anwendungen ist es daher sinnvoll, mit Objektiven zu arbeiten, die neben der hohen Apertur eine kleinere

Vergrößerung besitzen, weil eine kleine Vergrößerung gleichbedeutend ist mit einem großen Objektfeld und

demzufolge auf einen lästigen Objektivwechsel verzichtet werden kann.

In DE 10 2005 051 025 AI wird ein hochaperturiges ,

optisches Abbildungssystem, insbesondere für Mikroskope, beschrieben, bei welchem ein Immersionsobjektiv, bestehend aus drei optischen Teilsystemen eine Vergrößerung kleiner oder gleich 40 fach und eine numerische Apertur größer oder gleich 1.0 aufweist und bis in das nahe Infrarot

chromatisch korrigiert ist.

Eine derartige Lösung weist den Nachteil auf, dass die oft erwünschte numerische Apertur von 1.4 nicht erreicht wird.

Ausgehend von diesen Nachteilen liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein semiapochromatisches Mikroobjektiv für normale Ölimmersionen, insbesondere für TIRF- Mikroskopieanwendungen, dahingehend weiter zu bilden, dass bei einer hochauflösenden numerischen Apertur von 1.49 ein relativ großes Objektfeld von 0.25 mm vorhanden ist und darüber hinaus bis zu einer Wellenlänge von 340 nm eine verbesserte Transparenz möglich wird. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem

hochaperturigen Immersionsobjektiv der eingangs

beschriebenen Art mit drei Teilsystemen durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Ausgehend von der Objektseite umfasst das erste Teilsystem ein Zweifachkittglied mit einer hohen positiven Brechkraft und daran anschließend drei Sammellinsen, wobei das

Zweifachkittglied zur Objektseite hin eine Planfläche aufweist und mit einer Sammellinse versehen ist, der ein durchgebogener Meniskus mit negativer Brechkraft folgt.

Das Zweifachkittglied selbst besitzt eine stark positive Brechkraft .

Das zweite Teilsystem besteht aus einem Zweifachkittglied mit einer geringen, positiven Brechkraft und einem

Dreifachkittglied mit einer geringen, positiven Brechkraft. Das dritte Teilsystem besitzt zwei Menisken mit einer geringen positiven Brechkraft, die ein Dreifachkittglied mit einer sehr großen negativer Brechkraft umschließen. Der erste der beiden Menisken hat eine Brechkraft, welche ca. 12 mal geringer ist als die Brechkraft des Objektivs.

Vorteilhafterweise sind die drei Sammellinsen des ersten Teilsystems aus Fluorkronglas gefertigt, wobei die erste Sammellinse aus einem Glas mit einer Brechzahl höher als 1.59 besteht und die der Objektseite abgewandte Seite eine Überhalbkugelflache ist.

Weiterhin ist es von Vorteil, wenn das Zweifachkittglied des zweiten Teilsystems aus einer Zerstreuungslinse aus einem Kurzflintglas und einer Sammellinse aus Fluorkronglas oder Calziumfluorid (CaF2) besteht.

Ebenso vorteilhaft ist es, dass das Dreifachkittglied des zweiten Teilsystems aus einer Zerstreunungslinse aus einem Kurzflintglas besteht, die von zwei Sammellinsen, aus

Fluorkronglas oder Calziumfluorid (CaF2) eingefasst ist.

Zweckmäßigerweise besitzt mindestens eine Zerstreuungslinse des dritten Teilsystems eine Abbe-Zahl kleiner 34.

Das erfindungsgemäße Immersionsobjektiv ermöglicht es, ein semiapochromatisches Mikroobjektiv für Öl-Immersionen mit einer numerischen Apertur von 1.49 und einem Objektfeld von 0.25 mm zu beschreiben. Das Objektiv weist bis zu einer Wellenlänge von 340 nm eine hinreichend gute Transparenz auf .

Die Erfindung soll nachstehend anhand von zwei

Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Dazu zeigen:

Fig. 1 eine Darstellung der Teilsysteme des

erfindungsgemäßen Objektivs und

Fig. 2 eine Darstellung des erfindungsgemäßen Objektivs mit Konstruktionsdatenbezugszeichen .

Figur 1 zeigt die Linsenanordnung der drei optischen

Teilsysteme, von der Objektseite aus betrachtet mit Tl, T2 und T3 bezeichnet. Das Teilsystem Tl umfasst ein

Zweifachkittglied, bestehend aus einer Sammellinse Sl, die zur Objektseite hin eine plane Fläche FL aufweist, und einem zur Objektseite hin durchgebogenen Meniskus Ml mit positiver Brechkraft. Hinter diesem Zweifachkittglied befinden sich drei Sammellinsen S2, S3 und S4 aus einem Fluorkronglas .

Das sich daran anschließende zweite Teilsystem T2 umfasst ein Zweifachkittlied und ein Dreifachfachkittglied. Das Zweifachkittglied besteht aus einer Sammlellinse S5 aus einem Fluorkronglas oder aus Calziumfluorid (CaF2) und einer Zerstreuungslinse ZI aus einem Kurzflintglas.

Das Dreifachkittglied umfasst eine Zerstreuungslinse Z2 aus einem Kurzflintglas, die von zwei aus Fluorkronglas oder Calziumfluorid (CaF2) gefertigten Sammellinsen S6 und S7 eingefasst ist.

Das dritte Teilsystem T3 besitzt zwei Menisken M2 und M5, mit einer geringen positiven Brechkraft, die ein

Dreifachkittglied mit sehr großer negativer Brechkraft, bestehend aus zwei Menisken M3 und M4 sowie einer

Zerstreuungslinse Z3, umschließen. Der erste der beiden Menisken M3 hat eine Brechkraft, welche ca. 12 mal geringer ist als die Brechkraft des Objektivs.

Figur 2 zeigt die gleiche Linsenanordnung mit Angabe der einzelnen Krümmungsradien rl bis r24 und Dicken dl bis d23 unter Bezugnahme auf die in den folgenden

Ausführungsbeispielen angegebenen Konstruktionsdaten.

Bei einer Vergrößerung von 100 fach, einer numerischen Apertur von 1.49, einer Deckglasdicke von 0.17 mm und einem Arbeitsabstand von 0.12 mm ergeben sich für das erste

Ausführungsbeispiel folgende Konstruktionsdaten:

Bei einer Vergrößerung von 100 fach, einer numerischen Apertur von 1.49, einer Deckglasdicke von 0.17 mm und einem Arbeitsabstand von 0.11 mm ergeben sich für das zweite Ausführungsbeispiel folgende Konstruktionsdaten:

Bezugszeichenliste

T1,T2,T3 Teilsystem

Sl bis S7 Sammellinse

ZI, Z2, Z3 Zerstreuungslinse M1,M2,M3,M4,M5 Meniskus

dl bis d23 Dicke

rl bis r24 Krümmungsradius

FL Planfläche

ne Brechzahl

ve Abbezahl

Claims

Paten ansprüche 1. Hochaperturiges Immersionsobjektiv, insbesondere für konfokale Anwendungen in der Fluoreszenzmikroskopie sowie für TIRF-Anwendungen, welches aus drei Linsen und/oder Linsengruppen umfassenden Teilsystemen

(T1,T2,T3) zusammengesetzt ist, gekennzeichnet dadurch, dass ausgehend von der Objektseite das

erste Teilsystem (Tl) ein Zweifachkittglied mit hoher - positiver Brechkraft und daran anschließend drei

Sammellinsen (S2,S3,S4) umfasst, wobei das

Zweifachkittglied zur Objektseite hin eine Planfläche (Fl) aufweist und mit einer Sammellinse (Sl) versehen ist, der ein zum Objekt hin durchgebogener Meniskus (Ml) mit negativer Brechkraft folgt,

das zweite Teilsystem (T2) aus einem Zweifachkittglied - mit einer geringen positiven Brechkraft und einem

Dreifachkittglied mit einer geringen positiven

Brechkraft besteht, wobei das Zweifachkittglied eine Sammellinse (S5) und eine Zerstreuungslinse (ZI) umfasst und das Dreifachkittglied eine

Zerstreuungslinse (Z2) besitzt, die von zwei

Sammellinsen (S6,S7) eingeschlossen ist und

das dritte Teilsystem (T3) zwei Menisken (M2, M5) mit - schwacher positiver Brechkraft umfasst, die ein

Dreifachkittglied mit sehr großer negativer Brechkraft umschließen, welches aus zwei Menisken (M3,M4) und einer Zerstreuungslinse (Z3) besteht. 2. Hochaperturiges Immersionsobjektiv nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die drei Sammellinsen (S2,S3,S4) des ersten Teilsystems (Tl) aus

Fluorkronglas gefertigt sind, wobei die erste Sammellinse (S2) aus einem Glas mit einer Brechzahl höher als 1.59 besteht und die der Objektseite

abgewandte Seite eine Überhalbkugelflache ist. 3. Hochaperturiges Immersionsobjektiv nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, dass das Zweifachkittglied des zweiten Teilsystems (T2) aus einer Sammellinse (S5) aus Fluorkronglas oder aus CaF₂ und einer

Zerstreunungslinse (ZI) aus Kurzflintglas besteht. 4. Hochaperturiges Immersionsobjektiv nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, dass das Dreifachkittglied des zweiten Teilsystems (T2) aus einer Zerstreuungslinse (Z2) aus einem Kurzflintglas besteht, die von zwei, aus Fluorkronglas oder Calziumfluorid (CaF2) gefertigten Sammellinsen (S6,S7) eingefasst ist. 5. Hochaperturiges Immersionsobjektiv nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Meniskus (M3,M4) und/oder die Zerstreuungslinse (Z3) des

Dreifachkittgliedes vom dritten Teilsystem (T3) eine Abbe-Zahl kleiner 29.5 besitzt. 6. Hochaperturiges Immersionsobjektiv nach den Ansprüchen 1 bis 5, gekennzeichnet durch folgende

Konstruktionsdaten mit Krümmungsradien r in mm, Dicken d in mm, Brechzahlen ne, Abbezahlen ve und der

Verwendung einer Olimmersion bei einer Vergrößerung von 100, einer numerischen Apertur von 1,49, einer

Deckglasdicke von 0,17 mm und einem Arbeitsabstand von 0, 12 mm:

7. Hochaperturiges Immersionsobjektiv nach den Ansprüchen 1 bis 5, gekennzeichnet durch folgende

Konstruktionsdaten mit Krümmungsradien r in mm, Dicken d in mm, Brechzahlen ne, Abbezahlen ve und der

Verwendung einer Olimmersion bei einer Vergrößerung von 100, einer numerischen Apertur von 1,49, einer

Deckglasdicke von 0,17 mm und einem Arbeitsabstand von 0,11 mm: