WO2016142236A1 - Mikroskop zur sphärisch korrigierten abbildung dreidimensionaler objekte - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates to a microscope for spherical
  • Micro-lenses are usually corrected so that the objects are optimally imaged at the interface to the immersion medium. Spatially extended objects which are not located at this boundary layer can be detected by moving the micro objective in the direction of the object. If the embedding and the immersion medium have the same refractive index, this figure is optimal. However, if the refractive indices are different, which is usually the case, a spherical aberration occurs, which seriously affects the image quality.
  • Embedding medium of the refractive index 1.456 Embedding medium of the refractive index 1.456.
  • the object is located directly under a cover glass, it is optimally imaged.
  • the object is 0.02 mm from the cover glass
  • the image is removed by moving the lens 0.02205 mm in the direction of the object. This picture is very bad because of the large spherical aberration.
  • the object If the object is located on the surface of the water, it will be displayed optimally. With an object position of 0.06 mm below the water surface, the objective must be displaced by 0.0405 mm in the direction of the object. Also this picture is because of the
  • a 40x / 1.2 lens with a water immersion and an object in water is used.
  • the cover glass has the required thickness of 0.17 mm, the object is optimally imaged.
  • the objective must be displaced 0.032 mm in the direction of the object.
  • the picture is also very bad here because of the spherical aberration.
  • correction lenses are often afflicted with coma and chromatic aberrations.
  • the present invention seeks to provide a cost-effective solution for the spherically corrected imaging of three-dimensional objects, which manages without additional lens groups.
  • the thickness of the immersion medium (As) and the position of the primary intermediate image of the object are variably variable (As " 1 ), wherein the variation of the object position ( ⁇ ), the variation of the thickness of the immersion medium (As) and the variation of the Location of the primary intermediate image (As A ) the following relationships exist:
  • NA the numerical aperture
  • n is the refractive index of the immersion medium, ß the magnification of the lens in conjunction with an associated tube lens, based on the primary
  • Az is the distance of the object from a nominal position
  • the thickness of the first layer is in an advantageous variant.
  • Image plane can be changed by an amount As 1 at the same time.
  • the constants g and k are between 0.92 and 1.08. They deviate only insignificantly from 1.
  • Deviations depend on the residual aberrations of the lens used.
  • Figure 1 the schematic representation of a solution according to the
  • Figure 2 a schematic representation of the microscopic arrangement according to the invention.
  • Cover glass 2 wherein between the cover glass 2 and the Lens 1 is an immersion medium 3 with a refractive index of 1.518.
  • An embedding medium 4 with a refractive index of 1.456 is applied to the cover glass.
  • the object is located, as shown in FIG. B, by a distance ⁇ (distance of the object from a desired position) from the cover glass, and the objective 1 is displaced by a distance ⁇ 3 (thickness of the immersion medium 3) such that a representation in FIG the primary
  • FIG. 2 shows the solution according to the invention in FIGS. A 'and b "with an embedding medium 5 with the refractive index n a cover glass 6, an immersion medium 7 with the refractive index n, an objective 8, a tube lens 9 and the image plane 10.
  • the object is 0.02 mm away from the cover glass 6, it is optimally imaged when the lens 8 is 0.027 mm in Direction of the object is shifted and at the same time the distance between the image plane 10 and the tube lens 9 is increased by 44.3 mm.
  • the numerical aperture is 0.784 and the magnification -20.
  • the object is located 0.06 mm from the cover glass 6, it is optimally imaged when the objective 8 is displaced by 0.0175 mm in the direction of the object and at the same time the distance between the image plane 10 and the tube lens 9 is reduced by 11.1 mm.
  • the numerical aperture is 1.17 and the magnification -40.
  • the object is located 0.04 mm away from the cover glass 6, it is optimally imaged when the objective 8 is displaced by 0.029 mm in the direction of the object and at the same time the distance between the image plane 10 and the tube lens 9 is reduced by 11.24 mm.
  • the preceding objective 8 is designated 40x / 1.2, with the
  • the object is located directly below the cover glass 6 with a refractive index of 1.524.
  • the cover glass 6 is 0.04 mm too thick.
  • the object is optimally imaged when the lens 8 is displaced by 0.019 mm in the direction of the object and
  • the distance between the image plane 10 and the tube lens 9 is reduced by 20.3 mm.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Mikroskop zur sphärisch korrigierten Abbildung dreidimensionaler Objekte, mit einem Einbettmedium (5) zur Aufnahme der Objekte, welches durch eine Grenzfläche oder ein Deckglas (6) vom Immersionsmedium (7) des Mikroskops getrennt ist. Erfindungsgemäß ist die Dicke (As) des Immersionsmediums (7) und die Lage (Δs`) des primären Zwischenbildes des Objektes variabel veränderbar gestaltet.

Description

Mikroskop zur sphärisch korrigierten Abbildung
dreidimensionaler Objekte
Die Erfindung betrifft ein Mikroskop zur sphärisch
korrigierten Abbildung dreidimensionaler Objekte, mit einem Einbettmedium zur Aufnahme der Objekte, welches durch eine Grenzfläche oder ein Deckglas vom Immersionsmedium des
Mikroskops getrennt ist.
Mikroobjektive werden in der Regel so korrigiert, dass die Objekte an der Grenzfläche zum Immersionsmedium optimal abgebildet werden. Räumlich ausgedehnte Objekte, welche sich nicht an dieser Grenzschicht befinden können erfasst werden, indem das Mikroobjektiv in Richtung des Objektes verschoben wird. Falls das Einbett- und das Immersionsmedium die gleiche Brechzahl aufweisen, ist auch diese Abbildung optimal. Sind die Brechzahlen aber unterschiedlich, was meistens der Fall ist, kommt es zu einer sphärischen Aberration, welche die Bildgüte stark beeinträchtigt.
Ein Beispiel hierzu ist die Anwendung eines Objektivs 100x/1.4 mit einer Ölimmersion der Brechzahl 1.518 und einem
Einbettmedium der Brechzahl 1.456.
Befindet sich das Objekt direkt unter einem Deckglas wird es optimal abgebildet.
Befindet sich hingegen das Objekt 0.02 mm vom Deckglas
entfernt, so erfolgt die Abbildung, indem das Objektiv um 0.02205 mm in Richtung des Objektes verschoben wird. Diese Abbildung ist aber wegen der großen sphärischen Aberration sehr schlecht.
Ein weiteres Beispiel mit einem Objektiv 20x/0.8 in Luft und einem Objekt in Wasser mit der Brechzahl 1.334.
Befindet sich das Objekt an der Wasseroberfläche wird es optimal abgebildet. Bei einer Objektlage von 0.06 mm unter der Wasseroberfläche muss das Objektiv um 0.0405 mm in Richtung des Objektes verschoben werden. Auch diese Abbildung ist wegen der
sphärischen Aberration sehr schlecht.
Bei einem dritten Beispiel wird ein Objektiv 40x/l.2 mit einer Wasserimmersion und einem Objekt in Wasser eingesetzt.
Hat das Deckglas die geforderte Dicke von 0.17 mm wird das Objekt optimal abgebildet.
Weicht die Deckglasdicke um 0.04 mm vom geforderten Sollwert ab, muss das Objektiv um 0.032 mm in Richtung des Objektes verschoben werden. Die Abbildung ist auch hier wegen der sphärischen Aberration sehr schlecht.
In der Regel wird das oben beschriebene Problem mit Hilfe von Korrekturob ektiven gelöst. Das sind Objektive mit beweglichen Untergruppen von Linsen, die entlang der optischen Achse verschoben werden. Dabei sind diese Objektive so ausgelegt, dass die Verschiebung dieser Linsengruppen sphärische
Aberration erzeugt. Diese sphärische Aberration kompensiert dann die sphärische Aberration aus dem vorherigen Kapitel.
Meist sind Korrekturobjektive sehr aufwendig. Um die
Funktionalität der definierten Erzeugung von sphärischer
Aberration möglich zu machen, müssen zusätzliche Linsengruppen im Objektiv vorhanden sein. Deshalb sind Korrekturobjektive sehr kostenintensiv. Da man Linsengruppen meist nicht
vollständig ohne mechanisches Spiel verschieben kann, sind Korrekturobjektive oft mit Koma und Farbfehlern behaftet.
Weitere Lösungen gehen davon aus, das Bild des Mikroskops mit Hilfe eines aufwendigen optischen Systems noch einmal
abzubilden. In diesem zusätzlichen System findet dann mit Hilfe von verschiebbaren Linsengruppen oder aber über
deformierbare Spiegel die Korrektion der störenden sphärischen Aberration statt. Ausgehend von den Nachteilen der Lösungen des Standes der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine kostengünstige Lösung zur sphärisch korrigierten Abbildung dreidimensionaler Objekte zu schaffen, die ohne zusätzliche Linsengruppen auskommt .
Diese Aufgabe wird durch ein Mikroskop der eingangs
beschriebenen Art mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den
Unteransprüchen 2 bis 6 angegeben.
Erf indungsgemäß sind die Dicke des Immersionsmediums (As) und die Lage des primären Zwischenbildes des Objektes variabel veränderbar (As"1) gestaltet, wobei zwischen der Variation der Objektlage (Δζ) , der Variation der Dicke des Immersionsmediums (As) und der Variation der Lage des primären Zwischenbildes (AsA) folgende Zusammenhänge bestehen:
Figure imgf000004_0001
und
Figure imgf000004_0002
wobei
NA die numerische Apertur,
n die Brechzahl des Einbettmediums,
n" die Brechzahl des Immersionsmediums, ß die Vergrößerung des Objektivs im Zusammenspiel mit einer zugehörigen Tubuslinse, bezogen auf die primäre
Zwischenbildebene ,
Az der Abstand des Objektes von einer Sollposition und
g sowie k Konstanten sind.
In einer vorteilhaften Variante sind die Dicke des
Immersionsmediums um einen Betrag As sowie die Lage der
Bildebene um einen Betrag As1 gleichzeitig veränderbar.
Durch die definierte Variation der Immersionsdicke um As sowie der Verschiebung der Bildebene um As1 in Verbindung mit den oben genannten Zusammenhängen ist es auf relativ einfache Art und Weise möglich, sphärische Aberrationen zu korrigieren, ohne zusätzliche Linsen in den Strahlengang anzuordnen.
Vorteilhafterweise liegen die Konstanten g und k zwischen 0.92 und 1.08. Sie weichen nur unwesentlich von 1 ab. Die
Abweichungen hängen von den Restaberrationen des verwendeten Objektivs ab.
Das Operationssymbol ± hat dabei folgende Bedeutung:
+, wenn n < n' und
wenn n ^ n' ist.
Die Erfindung soll nachstehend anhand von
Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Dazu zeigen:
Figur 1: die schematische Darstellung einer Lösung nach dem
Stand der Technik und
Figur 2: eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen mikroskopischen Anordnung.
Figur 1 zeigt in den Abbildungen a und b ein Objektiv 1 mit ß = -100 und NA = 1.4 der Bezeichnung lOOx/1.4 sowie ein
Deckglas 2, wobei sich zwischen dem Deckglas 2 und dem Objektiv 1 ein Immersionsmedium 3 mit einer Brechzahl 1.518 befindet. Auf dem Deckglas ist ein Einbettmedium 4 mit einer Brechzahl von 1.456 aufgebracht.
Befindet sich ein in Abbildung a nicht dargestelltes Objekt direkt unter dem Deckglas 2 wird es optimal abgebildet.
Befindet sich hingegen das Objekt, wie aus Abbildung b ersichtlich, um einen Abstand Δζ (Abstand des Objektes von einer Sollposition) vom Deckglas entfernt und das Objektiv 1 wird um einen Abstand Δ3 (Dicke des Immersionsmediums 3) so verschoben, daß formal eine Abbildung in die primäre
Zwischenbildebene erfolgt, so ist diese Abbildung wegen zu großer sphärischen Aberration sehr schlecht.
Figur 2 zeigt die erfindungsgemäße Lösung in den Abbildungen a' und b" mit einem Einbettmedium 5 mit der Brechzahl n einem Deckglas 6, einem Immersionsmedium 7 mit der Brechzahl n, einem Objektiv 8, einer Tubuslinse 9 und der Bildebene 10."
Ferner sind in der Abbildung b1 die Abstände Δζ {Abstand des Objektes von einer Sollposition) , As (Variation der Dicke des Immersionsmediums 7) und As 1 {Variation der Lage des primären Zwischenbildes) zu sehen.
In einem ersten Ausführungsbeispiel wird ein Objektiv 8 mit der Bezeichnung 100x/1.4, ein Einbettmedium 5 (Glycerin) mit einer Brechzahl n = 1.4556, ein Immersionsmedium 7
(Ölimmersion) mit der Brechzahl n"= 1.518 verwendet. Die numerische Apertur ist dabei 1.386 und die Vergrößerung -100.
Befindet sich das nicht dargestellte Objekt direkt unter dem Deckglas 6 wird es optimal abgebildet.
Befindet sich das Objekt 0.02 mm vom Deckglas 6 entfernt, wird es dann optimal abgebildet, wenn das Objektiv 8 um 0,027 mm in Richtung des Objektes verschoben wird und gleichzeitig der Abstand zwischen der Bildebene 10 und der Tubuslinse 9 um 44.3 mm vergrößert wird.
Das ist gleichbedeutend mit Δζ = -0.02 mm, As = -0.027 mm und As Λ = 44.3 mm.
Diese drei Werte erfüllen die oben genannten Zusammenhänge für die Konstanten g = 0.97 und k = 1.07. Die konkreten Werte für g und k hängen mit einer positiven Restaberration bei der sphärischen Aberration höherer Ordnung zusammen.
In einem zweiten Ausführungsbeispiel wird ein Objektiv 8 mit der Bezeichnung 20x/0.8, ein Einbettmedium 5 (Wasser) mit einer Brechzahl n = 1.334, ein Immersionsmedium 7 (Luft) mit der Brechzahl n'= 1.0 verwendet. Die numerische Apertur ist dabei 0.784 und die Vergrößerung -20.
Befindet sich das nicht dargestellte Objekt direkt unter dem Deckglas 6 wird es optimal abgebildet.
Befindet sich das Objekt 0.06 mm vom Deckglas 6 entfernt, wird es dann optimal abgebildet, wenn das Objektiv 8 um 0,0175 mm in Richtung des Objektes verschoben wird und gleichzeitig der Abstand zwischen der Bildebene 10 und der Tubuslinse 9 um 11.1 mm verringert wird.
Das ist gleichbedeutend mit Δζ = -0.06 mm, As = -0.0175 mm und As 1 = - 11.1 mm.
Diese drei Werte erfüllen die oben genannten Zusammenhänge für die Konstanten g = 1.05 und k = 1.01. Die konkreten Werte für g und k hängen mit einer leicht negativen Restaberration bei der sphärischen Aberration höherer Ordnung zusammen.
In einem dritten Ausführungsbeispiel wird ein Objektiv 8 mit der Bezeichnung 40x/1.2, ein Einbettmedium 5 (Silikonöl) mit einer Brechzahl n = 1.406, ein Immersionsmedium 7 (Wasser) mit der Brechzahl n'= 1.334 verwendet. Die numerische Apertur ist dabei 1.17 und die Vergrößerung -40.
Befindet sich das nicht dargestellte Objekt direkt unter dem Deckglas 6 wird es optimal abgebildet.
Befindet sich das Objekt 0.04 mm vom Deckglas 6 entfernt, wird es dann optimal abgebildet, wenn das Objektiv 8 um 0.029 mm in Richtung des Objektes verschoben wird und gleichzeitig der Abstand zwischen der Bildebene 10 und der Tubuslinse 9 um 11.24 mm verringert wird.
Das ist gleichbedeutend mit Δζ = -0.04 mm, As = -0.029 mm und As' = - 11.24 mm.
Diese drei Werte erfüllen die oben genannten Zusammenhänge für die Konstanten g = 1.05 und k ~ 1.05. Die konkreten Werte für g und k hängen mit einer leicht negativen Restaberration bei der sphärischen Aberration höherer Ordnung zusammen.
In einem vierten Ausführungsbeispiel wird das vorhergehende Objektiv 8 mit der Bezeichnung 40x/1.2, mit dem
Immersionsmedium 7 (Wasser) mit der Brechzahl n' = 1.334 v rwendet. Das Objekt befindet sich direkt unter dem Deckglas 6 mit einer Brechzahl von 1.524. Das Deckglas 6 ist aber 0.04 mm zu dick.
Das Objekt wird optimal abgebildet, wenn das Objektiv 8 um 0.019 mm in Richtung des Objektes verschoben wird und
gleichzeitig der Abstand zwischen der Bildebene 10 und der Tubuslinse 9 um 20.3 mm verringert wird.
Das ist gleichbedeutend mit Δζ = -0.04 mm, As = -0.019 mm und As = - 20.3 mm. Diese drei Werte erfüllen die oben genannten Zusammenhänge für die Konstanten g = 1.08 und k = 1.045. Die konkreten Werte für g und k hängen mit einer leicht negativen Restaberration bei der sphärischen Aberration höherer Ordnung zusammen.
Bezugszeichenliste ,8 Objektiv
.6 Deckglas
.7 Immersionsraedium
, 5 Einbettmedium
Tubuslinse
0 Bildebene
ζ Abstand des Objektes von einer Sollposition
(Variation der Objektlage)
Variation der Dicke des Immersionsmediums 1 Variation der Lage des primären Zwischenbildes

Claims

Patentansprüche
Mikroskop zur sphärisch korrigierten Abbildung
dreidimensionaler Objekte, mit einem Einbettmedium (5) zur Aufnahme der Objekte, welches durch eine Grenzfläche oder ein Deckglas (6) vom Immersionsmedium (7) des
Mikroskops getrennt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke (As) des Immersionsmediums (7) und die Lage (As11) des primären Zwischenbildes des Objektes variabel veränderbar gestaltet sind.
Mikroskop zur sphärisch korrigierten Abbildung
dreidimensionaler Objekte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Variation der
Objektlage (Δζ) , der Variation der Dicke (As) des
Immersionsmediums (7) und der Variation der Lage {As^ des primären Zwischenbildes folgende Zusammenhänge bestehen :
Figure imgf000011_0001
und
Figure imgf000011_0002
wobei
NA die numerische Apertur,
n die Brechzahl des Einbettmediums (5} ,
n" die Brechzahl des Immersionsmediums (7) ,
ß die Vergrößerung des Objektivs im Zusammenspiel mit einer zugehörigen Tubuslinse (9), bezogen auf die primäre Zwischenbildebene (10), Δ ζ der Abstand des Objektes von einer Sollposition und g sowie k Konstanten sind.
3. Mikroskop zur sphärisch korrigierten Abbildung
dreidimensionaler O ekte nach den Ansprüchen 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke ( As ) des
Immersionsmediums (7) sowie die Lage (A s 1 ) des primären Zwischenbildes (10) gleichzeitig veränderbar sind.
4. Mikroskop zur sphärisch korrigierten Abbildung
dreidimensionaler Objekte nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zum Zwecke der Veränderung der Dicke ( As ) des Immersionsmediums (7) das Objektiv (1) in Richtung des Objektes verschiebbar ist.
5. Mikroskop zur sphärisch korrigierten Abbildung
dreidimensionaler Objekte nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Konstanten g und k zwischen 0.92 und 1.08 liegen.
6. Mikroskop zur sphärisch korrigierten Abbildung
dreidimensionaler Objekte nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Operationssymbol + folgende Bedeutung hat :
i- , wenn n < n' und
-, wenn n ^ n' ist.
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