DE102004036114B4 - Flüssigkeitimmersions-Mikroskopobjektiv - Google Patents

Abstract

Immersions-Mikroskopobjektiv, umfassend von der Objektebene her geordnet – eine erste Linsengruppe (G1) mit einer Brennweite (F1) zwischen dem 2,6-fachen und dem 3,1-fachen der Objektivbrennweite (f), aus einem ersten und einem zweiten Linsenglied mit jeweils sammelnder Wirkung, wobei die Brennweite (f1) des ersten Linsenglieds zwischen dem 3-fachen und dem 4,5-fachen der Objektivbrennweite (f) liegt und eine der Linsen des ersten Linsenglieds aus Lanthanglas mit einer Brechzahl ne > 1,72 bei einer Wellenlänge von 546,07 nm gefertigt ist, und wobei eine Linse des zweiten Linsenglieds aus einem Material mit einer Teildispersion ersten Typs gefertigt ist, – eine zweite Linsengruppe (G2) mit einer Brennweite (F2) zwischen dem 8-fachen und dem 10,2-fachen der Objektivbrennweite (f), aus mindestens zwei miteinander verkitteten Linsen, von denen die eine aus einem Material mit einer Teildispersion ersten Typs gefertigt ist und sammelnde Wirkung aufweist, und die andere aus einem Material mit einer Teildispersion zweiten Typs gefertigt ist...

Description

• Flüssigkeitimmersions-Mikroskopobjektive werden überwiegend im Bereich der Physiologie eingesetzt, wo Manipulationen an lebenden Zellen in Wasser vorgenommen werden. Danach werden diese Zellen bzw. ihre Reaktionen beobachtet. Die dabei zum Einsatz kommenden Flüssigkeitimmersions-Mikroskopobjektive müssen daher so konstruiert sein, daß sie mit ihrer objektseitig gelegenen Linse in die Zellkulturflüssigkeit, die gleichzeitig auch die Immersionsflüssigkeit darstellt und in der Regel überwiegend aus Wasser besteht, eintauchen können. Da mit lebenden Zellen gearbeitet wird, müssen die Objektive weiterhin sowohl die Integration von Einrichtungen zur Lebenserhaltung der Zellen zulassen, als auch einen genügenden Freiraum zur Manipulation an den Zellproben lassen. Die zum Einsatz kommenden Objektive müssen daher sehr schlank gebaut sein. Insbesondere im vorderen, objektseitigen Bereich muß ein Winkel von mindestens 35° – gemessen von der Objektebene – zur Probe hin frei zugänglich sein, um Manipulationen mit verschiedenen Geräten zu ermöglichen. Ebenso ist ein relativ großer Arbeitsabstand von ca. 2 mm notwendig.
• Darüber hinaus sind die zu untersuchenden Proben oft so dick, daß im visuellen Licht keine ausreichenden Untersuchungen möglich sind, weil die Probe zu viel Licht absorbiert. Die gewünschte Auflösung erreicht man erst im infraroten Bereich.
• Damit müssen solche Objektive zwei einander widersprechende Forderungen erfüllen: Einerseits soll der Arbeitsabstand möglichst groß sein und die Probe unter mindestens 35° frei zugänglich, und andererseits soll die numerische Apertur möglichst groß sein, um ein hohes Auflösungsvermögen zu erzielen.
• Im Stand der Technik ist ein Objektiv bekannt, was diese Forderungen erfüllt, nämlich das „CFI Fluor60xW” der Firma Nikon. Bei diesem Objektiv ist die chromatische Korrektion allerdings nur mangelhaft. Insbesondere der Farblängsfehler im infraroten Bereich ist nur ungenügend behoben und beträgt ein Mehrfaches der Tiefenschärfe. Dieselbe Schwäche weisen die in der US 2003/0076600 A1 und der JP 8292374 A offenbarten Objektive auf.
• Ferner wird in DE 1272578 A ein achromatisches Mikroskopobjektiv für starke Vergrößerungen mit verminderter Bildfeldwölbung beschrieben, wobei eine Vermindung des Farbfehlers angestrebt wird.
• Auch DE 288244 B5 beschreibt ein Mikroskopobjektiv mit ebenfalls einer hohen Vergrößerung mit besonderer Eignung für die Hell- und Dunkelfeldbeleuchtung in der Auflichtmikroskopie.
• Nachteilig bei beiden Lösungen ist, dass es sich hierbei um Trockenobjektive handelt, die nur für Beobachtungen ohne Immersionen mit einer hohen Auflösung einsetzbar sind.
• In GB 438860 A und US 5978147 A werden stark vergrößernde Immersions Mikroskop Objektive beschrieben, die aus mehreren Linsengruppen bestehen, deren Konzipierungen Farbfehler korrigieren. Konkrete Angaben zur numerischen Apertur und zu We1lenlängenbereich, in dem die Objektive chromatisch korrigiert sind, werden nicht gemacht.
• Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Immersions-Mikroskopobjektiv zu entwickeln, dessen numerische Apertur mindestens 1,0 beträgt, welches weiterhin einen Arbeitsabstand von mindestens 2 mm und eine Probenzugänglichkeit von mind. 35° erlaubt und insbesondere im Wellenlängenbereich von 435 nm bis 1000 nm chromatisch korrigiert ist.
• Diese Aufgabe wird durch ein Immersions-Mikroskopobjektiv gelöst, welches insgesamt vier Linsengruppen aufweist. Die Brennweite der – von der Objektebene her gesehen – ersten Linsengruppe ist positiv und liegt zwischen dem 2,6-fachen und dem 3,1-fachen der Brennweite des gesamten Objektivs f. Die erste Linsengruppe ist aus einem ersten und einem zweiten Linsenglied zusammengesetzt, beide Linsenglieder weisen sammelnde Wirkung auf. Die Linsenglieder können einzelne Sammellinsen oder miteinander verkittete Linsen mit insgesamt sammelnder Wirkung sein. Die Brennweite des ersten Linsenglieds liegt zwischen dem 3-fachen und dem 4,5-fachen der Objektivbrennweite f. Außerdem ist eine der Linsen des ersten Linsenglieds aus Lanthanglas gefertigt und weist eine Brechzahl n_e > 1,72 auf. n_e ist die Brechzahl bei einer Wellenlänge von 546,07 nm. Eine Linse des zweiten Linsenglieds ist aus einem Material mit einer Teildispersion eines ersten Typs gefertigt, in Frage kommen beispielsweise Fluorkronglas oder CaF₂. Daran an schließt sich eine zweite Linsengruppe mit einer Brennweite zwischen dem 8-fachen und dem 10,2-fachen der Objektivbrennweite f. Die zweite Linsengruppe besteht aus mindestens zwei miteinander verkitteten Linsen, von denen die eine aus einem Material mit einer Teildispersion ersten Typs gefertigt ist und sammelnde Wirkung aufweist. Eine zweite Linse ist aus einem Material mit einer Teildispersion zweiten Typs gefertigt – in Frage kommen beispielsweise Kurzflintglas oder ein Lanthanglas – und weist streuende Wirkung auf. Der zweiten Linsengruppe nachgeordnet ist eine dritte Linsengruppe mit einer Brennweite, deren absoluter Betrag größer als das 25-fache der Objektivbrennweite f ist. Die dritte Linsengruppe besteht ebenfalls aus mindestens zwei miteinander verkitteten Linsen, von denen mindestens eine Linse aus einem Material mit einer Teildispersion ersten Typs gefertigt ist und sammelnde Wirkung aufweist. Schließlich folgt eine vierte Linsengruppe mit einer Brennweite, deren Betrag größer als das 6 2/3-fache der Objektivbrennweite f ist. Diese vierte Linsengruppe besteht aus zwei meniskusförmigen Linsen, deren hohle Flächen zueinander weisen.
• Für die Linsen aus einem Material mit einer Teildispersion ersten Typs wird vorzugsweise Glas mit Fluorkronanomalie gewählt, in Frage kommen beispielsweise Fluorkronglas oder CaF₂. Für die Linsen aus einem Material mit einer Teildispersion zweiten Typs wird vorzugsweise Glas mit Kurzflint-Anomalie gewählt, beispielsweise Kurzflintglas. Auch Lanthangläser können verwendet werden.
• Der Arbeitsabstand des erfindungsgemäßen Objektivs liegt bei etwa 2 mm, und die numerische Apertur beträgt 1,0 – somit kann eine hohe Auflösung erzielt werden. Da der Strahlengang zudem so konzipiert ist, daß in Richtung des Objektivs Linsen mit immer kleinerem Durchmesser verwendet werden können, das Objektiv sich also verjüngt, ist auch die Probenzugänglichkeit unter einem Winkel von 35° gewährleistet. Die Farblängsfehler bei diesem Objektiv liegen im gesamten Spektralbereich innerhalb der Tiefenschärfe.
• Vorteilhafte Ausgestaltungen des Immersions-Mikroskopobjektivs ergeben sich mit den in den Unteransprüchen 4 und 5 aufgeführten Konstruktionsdaten. Die Brechzahlen beziehen sich dabei auf eine Wellenlänge von 546,07 nm. Die Abbezahlen ν_e wurden aus der Gleichung

  

  berechnet. Dabei ist n_e die Brechzahl bei einer Wellenlänge von 546,07 nm, n_c, die Brechzahl bei einer Wellenlänge von 643,85 nm und n_F, die Brechzahl bei einer Wellenlänge von 479,99 nm.
• Das Mikroskopobjektiv soll im folgenden an Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. In den dazugehörigen Zeichnungen zeigt
• 1 den grundsätzlichen Objektivaufbau aus vier Linsengruppen,
• 2 einen möglichen Objektivaufbau in Anlehnung an die Konstruktionsdaten des vierten Unteranspruchs, und
• 3 einen möglichen Objektivaufbau in Anlehnung an die Konstruktionsdaten des fünften Unteranspruchs.
• 1 zeigt ein Schnittbild des Objektivs gemäß der Erfindung. Ganz links befindet sich die Objektebene O, in einem Abstand von etwa 2 mm befindet sich das Objektiv mit den vier Linsengruppen G1, G2, G3 und G4.
• 2 zeigt einen möglichen Objektivaufbau gemäß des vierten Unteranspruchs. Die erste Linsengruppe G1 enthält zwei Linsen L11 und L12. Die Linse L11 befindet sich in einem Abstand von 2 mm, gemessen in der optischen Achse von der Objektebene O. Die Dicke dieser Linse an der optischen Achse beträgt 4,32 mm, sie ist aus einem Lanthanglas mit einer Brechzahl von 1,75453 gefertigt. Die Linse L12 befindet sich in der optischen Achse in einem Abstand von 0,10 mm zur Linse L11. Die zweite Linsengruppe G2 enthält die Linsen L13, L14 und L15, die miteinander verkittet sind. Sie ist in einem Abstand von 0,05 mm zur ersten Linsengruppe angeordnet. Die Linse L14 ist dabei eine Zerstreuungslinse aus einem Glas mit Kurzflint-Anomalie. Die Linsen L13 und L15 sind beide aus demselben Material, einem Glas mit Fluorkron-Anomalie. In einem Abstand von 0,26 mm schließt sich die dritte Linsengruppe G3 aus den Linsen L16, L17 und L18 an, die jeweils miteinander verkittet sind. Die Linse L17 ist dabei eine Sammellinse aus einem Glas mit Fluorkron-Anomalie. Die vierte Linsengruppe G4 schließlich, die sich in einem Abstand von 0,12 mm zur Linsengruppe G3 befindet, enthält zwei meniskusförmige Linsen L19 und L20. Beide weisen mit den hohlen Flächen zueinander, ihr Abstand in der optischen Achse beträgt 1,68 mm. Die numerische Apertur des mit diesen Daten konstruierten Objektivs beträgt 1,0 und die Brennweite 2,61 mm. Der Arbeitsabstand beträgt 2,5 mm.
• 3 zeigt ein Schnittbild des Objektivs gemäß der Konstruktionsdaten des fünften Unteranspruchs. Die erste Linsengruppe G1 besteht hier aus drei Linsen L21, L22 und L23. Die Linsen L21 und L22 sind miteinander verkittet. Die Linse L22 ist aus einem Lanthanglas und weist eine Brechzahl von 1,88815 auf. Der Abstand zwischen dem ersten Linsenglied aus den Linsen L21 und L22 und dem zweiten Linsenglied mit der Linse L23 beträgt 0,1 mm. Ebenfalls in einem Abstand von 0,1 mm zur Linse L23 schließt sich die zweite Linsengruppe G2 mit den Linsen L24, L25 und L26 an. Alle drei Linsen sind miteinander verkittet. Die Linse L25 ist eine Zerstreuungslinse aus einem Material mit Kurzflint-Anomalie. Die Linse L26 ist aus einem Material mit Fluorkron-Anomalie. In einem Abstand von 0,10 mm zur Linse L26 schließt sich die dritte Linsengruppe G3 mit den Linsen L27 und L28 an. Beide Linsen sind miteinander verkittet. Die Linse L27 hat eine sammelnde Wirkung und ist aus einem Material mit Fluorkron-Anomalie. In einem Abstand von 0,2 mm zur Linse L28 folgt schließlich die vierte Linsengruppe G4 mit den beiden meniskusförmigen Linsen L29 und L30. In der optischen Achse weisen diese beiden Linsen einen Abstand von 2,5 mm zueinander auf. Auch bei diesem Objektiv beträgt die numerische Apertur 1,0 und die Brennweite 2,61 mm. Der Arbeitsabstand liegt bei 2,1 mm.
• Verwendet man eine Tubuslinse mit einem objektseitigen Radius von 189,417 mm, einem bildseitigen Radius von – 189,417 mm, einem Durchmesser von 10,9 mm, einer Brechzahl n_e = 1,58212, einer Abbezahl von 53,59 und einer Brennweite von 164,44 mm, so erzielt man mit beiden Objektiven in Verbindung mit der nachgeordneten Tubuslinse eine Vergrößerung von –63.
• Bezugszeichenliste

• G1... G4

  Linsengruppen

  L11... L30

  Linsen o Objektebene

Claims (5)

1. Immersions-Mikroskopobjektiv, umfassend von der Objektebene her geordnet – eine erste Linsengruppe (G1) mit einer Brennweite (F₁) zwischen dem 2,6-fachen und dem 3,1-fachen der Objektivbrennweite (f), aus einem ersten und einem zweiten Linsenglied mit jeweils sammelnder Wirkung, wobei die Brennweite (f₁) des ersten Linsenglieds zwischen dem 3-fachen und dem 4,5-fachen der Objektivbrennweite (f) liegt und eine der Linsen des ersten Linsenglieds aus Lanthanglas mit einer Brechzahl n_e > 1,72 bei einer Wellenlänge von 546,07 nm gefertigt ist, und wobei eine Linse des zweiten Linsenglieds aus einem Material mit einer Teildispersion ersten Typs gefertigt ist, – eine zweite Linsengruppe (G2) mit einer Brennweite (F₂) zwischen dem 8-fachen und dem 10,2-fachen der Objektivbrennweite (f), aus mindestens zwei miteinander verkitteten Linsen, von denen die eine aus einem Material mit einer Teildispersion ersten Typs gefertigt ist und sammelnde Wirkung aufweist, und die andere aus einem Material mit einer Teildispersion zweiten Typs gefertigt ist und streuende Wirkung aufweist, – eine dritte Linsengruppe (G3) mit einer Brennweite (F₃), deren absoluter Betrag größer als das 25-fache der Objektivbrennweite (f) ist, aus mindestens zwei miteinander verkitteten Linsen, von denen mindestens eine Linse aus einem Material mit einer Teildispersion ersten Typs gefertigt ist und sammelnde Wirkung aufweist, und – eine vierte Linsengruppe (G4) mit einer Brennweite (F₄), deren absoluter Betrag größer als das 6 2/3-fache der Objektivbrennweite (f) ist, aus zwei meniskusförmigen Linsen, deren hohle Flächen zueinander weisen.
2. Immersions-Mikroskopobjektiv nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Material mit einer Teildispersion ersten Typs für die Linsen Glas mit Fluorkron-Anomalie vorgesehen ist.
3. Immersions-Mikroskopobjektiv nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Material mit einer Teildispersion zweiten Typs für die Linsen Glas mit Kurzflint-Anomalie vorgesehen ist.
4. Immersions-Mikroskopobjektiv nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch folgende Konstruktionsdaten mit Radien r, Dicken d und Abständen a in mm, Brechzahlen n_e bei einer Wellenlänge von 546.07 nm und Abbezahlen ν_e: r d a n_e ν_e Objektebene ∞ 2,00 –8,9125 L11 4,32 1,75453 35,10 –5,0845 0,10 –52,330 L12 3,03 1,53019 76,58 –10,145 0,05 10,902 L13 6,02 1,43985 94,53 –11,465 L14 1,37 1,64132 42,20 16.430 L15 3,92 1,43985 94,53 –14,749 0,26 13,626 L16 1,11 1,55099 45,47 5,8715 L17 6,37 1,43496 94,64 –7,1821 L18 1,20 1,75453 35,10 –23,714 0,12 11,715 L19 11,99 1,82017 46,37 3,3497 1,68 –2,8184 L20 4,36 1,75453 35,10 –4,9403
5. Immersions-Mikroskopobjektiv nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch folgende Konstruktionsdaten mit Radien r, Dicken d und Abständen a in mm, Brechzahlen n_e bei einer Wellenlänge von 546.07 nm und Abbezahlen ν_e: r d a n_e ν_e Objektebene ∞ 2,00 –9,5000 L21 1,80 1,60099 56,37 –4,6788 L22 2,10 1,88815 40,52 –4,4530 0,10 –10,680 L23 1,80 1,43985 94,53 –7,1943 0,10 9,6501 L24 9,43 1,53019 76,58 –8,2375 L25 1,40 1,64132 42,20 6,5691 L26 5,00 1,43985 94,53 –12,172 0,10 10,996 L27 4,20 1,43985 94,53 –7,3365 L28 1,40 1,71616 53,61 50,909 0,20 7,5314 L29 11,20 1,71616 53,61 2,8359 2,50 –3,2228 L30 3,97 1,50349 56,15 –4,5018

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