DE102004048844A1

DE102004048844A1 - Optisches System

Info

Publication number: DE102004048844A1
Application number: DE102004048844A
Authority: DE
Inventors: Michael Brehm; Rolf Dr. Wartmann
Original assignee: VEB Carl Zeiss Jena GmbH; Carl Zeiss Jena GmbH
Current assignee: Carl Zeiss Microscopy GmbH
Priority date: 2004-10-04
Filing date: 2004-10-04
Publication date: 2006-04-20
Also published as: US20090225408A1; US7706076B2; WO2006037471A1

Abstract

Ein optisches System zur Anordnung zwischen einer Lichtquelle (2) und einer Leuchtfeldblende in einem Beleuchtungsstrahlengang eines Mikroskops umfaßt n abbildende optische Elemente (17, 18, 19, 20, 21, 30, 31) mit Brennweiten f¶i¶ und Abbezahlen nu¶i¶ (i = 1, ..., n). Für das optische System ist folgende Relation erfüllt: DOLLAR F1 wobei h¶i¶ der halbe Bündeldurchmesser eines von einem Punkt der Lichtquelle (2) ausgehenden Lichtbündels am Eintritt in das abbildende optische Element i ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein optisches System für eine Beleuchtungseinrichtung eines Mikroskops.
Zur Untersuchung eines Präparats mit einem Mikroskop wird das Präparat üblicherweise mittels einer Beleuchtungseinrichtung beleuchtet. Bei einer Durchlichtbeleuchtung wird das Licht der Beleuchtungseinrichtung durch das Präparat gestrahlt, während bei einer Auflichtbeleuchtung die Beleuchtungseinrichtung Licht auf die Oberfläche des Präparats strahlt, die mittels des Mikroskops untersucht wird. Unterschiedliche Beleuchtungssituationen bei Auflichtuntersuchungen, beispielsweise Beleuchtung für Fluoreszenzmikroskopie bei unterschiedlichen Wellenlängen, Dunkelfeldbeleuchtung, Weißlichtauflichtbeleuchtung oder strukturierte Auflichtbeleuchtung bei unterschiedlichen Wellenlängen, stellen dabei jeweils unterschiedliche Anforderungen an die Beleuchtungseinrichtung.

Aufgrund der unterschiedlichen Anforderungen an eine Auflichtbeleuchtung hat sich der in 1 schematisch gezeigte Aufbau bewährt. Eine Beleuchtungseinheit 1 mit einer Lichtquelle 2 strahlt ein Lichtbündel auf ein optisches System 4 mit einem Kollektor 3, das die Lichtquelle 2 ins Unendliche abbildet. Eine erste Teiloptik 5 erzeugt in einer Zwischenbildebene ein Zwischenbild der Lichtquelle 2, das von einer zweiten Teiloptik 6 ins Unendliche abgebildet wird. Das aus der zweiten Teiloptik 6 ausgetretene Lichtbündel wird über eine Tubuslinse 7 und einen halbdurchlässigen Spiegel 8 auf das Objektiv 9 gelenkt und beleuchtet nach Durchtritt durch das Objektiv 9 ein Objekt 10. In der Zwischenbildebene zwischen den Teiloptiken 5 und 6 wird nach den Grundregeln der Köhler'schen Beleuchtung eine Aperturblende 11 angebracht. Die zweite Teiloptik 6 und die Tubuslinse 7 bilden das Zwischenbild der Lichtquelle 2 in die Objektivpupille 12 ab. Dieser Aufbau ermöglicht es, eine Leuchtfeldblende 13 in einer Ebene zu plazieren, in der ein scharfes Zwischenbild der Objektivabbildung entsteht, nämlich der Brennebene der Tubuslinse 7. Da in dieser Ebene ein beugungsbegrenztes Zwischenbild der Objektivabbildung vorliegt, können hier Strukturen angeordnet werden, die dann absolut scharf auf das Objekt abgebildet werden.

In der Regel werden sowohl der Kollektor als auch die Teiloptiken aus Kostengründen nicht achromatisch ausgelegt. Dies führt zu starken Farblängsfehlern der Lichtquellenabbildung in der Objektivpupille. Insbesondere bei der Beleuchtung bei Fluoreszenzuntersuchungen bewirken diese Farblängsfehler eine stark ungleichmäßige Ausleuchtung des Objektfeldes. Dies kann nur umgangen werden, indem die Lichtquelle bei jedem Filterwechsel neu justiert wird. Dieses Vorgehen ist sehr lästig, und der Einsatz von schnellen Filterwechslern wird dadurch praktisch unmöglich.

Dieser Nachteil kann durch Verwendung spezieller Kollektoren vermieden werden. Es werden Kollektoren verwendet, die wenigstens soweit achromatisch sind, daß der Farblängsfehler in der Objektivpupille erträglich wird. Entsprechende Kollektoren besitzen jedoch eine sehr aufwendige Konstruktion.

Darüber hinaus liegt zwischen den Teiloptiken und dem Kollektor eine Zwischenbildebene der Objektabbildung. Unsauberkeiten in dieser Zwischenbildebene werden scharf auf das Objekt abgebildet und stören dann die Objektbeobachtung er heblich. Elemente der achromatischen Kollektoren nähern sich zwangsläufig sehr stark dieser Zwischenbildebene, was zu erheblichen Sauberkeitsproblemen an den Kollektorlinsen führt.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Hilfsmittel zur Beleuchtung eines Objekts bei einer mikroskopischen Untersuchung bereitzustellen, das eine Beleuchtung im Wellenlängenbereich von 350 nm bis 750 nm weitgehend ohne störenden Farblängsfehler in der Objektivpupille ermöglicht.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein optisches System zur Anordnung zwischen einer Lichtquelle und einer Leuchtfeldblende in einem Beleuchtungsstrahlengang eines Mikroskops, das n abbildende optische Elemente mit Brennweiten f_i und Abbezahlen ν_i (i=1,..., n) umfaßt und für das folgende Relation erfüllt ist:

wobei h_i der halbe Bündeldurchmesser eines von einem Punkt der Lichtquelle ausgehenden Lichtbündels am Eintritt in das abbildende optische Element i ist. Unter dem Eintritt in die Linse wird dabei der Ort auf der optischen Achse verstanden, an dem die von der optischen Achse am weitesten entfernten Strahlen des Lichtbündels in die Linse eintreten. Die Brennweite und die Abbezahl sind dabei vorzugsweise bezüglich der gelben d-Linie von Helium oder der grünen e-Linie von Quecksilber, d.h. der Wellenlänge 587,6 nm bzw. 546,1 nm, angegeben. Unter der Abbezahl für die e-Linie, d.h. die grüne Quecksilberlinie bei 546,7 nm, wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung die Abbezahl gegeben durch

verstanden, wobei n_F' – n_C' die Differenz der Brechzahlen für die Kadmiumlinien F' und C' bei 479,99 nm bzw. 643,85 nm und n_e die Brechzahl für die grüne Quecksilberlinie sind. Unter der Abbezahl für die d-Linie, d.h. die gelbe Heliumlinie bei 587,6 nm, wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung die Abbezahl gegeben durch

verstanden, wobei n_F – n_C die Differenz der Brechzahlen für die Wasserstofflinien F und C bei 486,1 nm bzw. 656,3 nm und n_d die Brechzahl für die gelbe Heliumlinie bei 587,6 nm sind.

Das erfindungsgemäße System erfüllt die Funktion eines Kondensors, indem es eine gleichmäßige Ausleuchtung einer Objektebene eines Mikroskops oder einer zu der Objektebene konjugierten Ebene erlaubt. Es ist näherungsweise apochromatisch und erlaubt es, die Lichtquelle in die Zwischenbildebene bzw. eine darin angeordnete Aperturblende mit nur geringer oder auch ohne sphärische Aberrationen und chromatische Längsaberrationen abzubilden. Die Abbildung in die Objektivpupille ist dann sowohl sphärisch als auch chromatisch korrigiert.

Das erfindungsgemäße System ist insbesondere zur Auflichtbeleuchtung bei einem Mikroskop verwendbar.

Vorzugsweise umfassen bei dem erfindungsgemäßen optischen System die n optischen Elemente ein Teilsystem, das zur Abbildung der Lichtquelle aus dem Unendlichen auf ein Zwischenbild in dem optischen System dient, eine Brennweite f auf und umfaßt in der Richtung des Strahlengangs von der Lichtquelle aus: eine erste Sammellinse mit einer Brennweite f₁ mit 0,3 f < f₁< 0,7 f, eine Zerstreuungslinse mit einer Brennweite f₂ mit –0,2 f < f₂ < –0,4 f, eine zweite Sammellinse mit einer Brennweite f₃ mit 0,3 f < f₃ < 0,7 f, und eine dritte Sammellinse mit einer Brennweite f₄ mit 0,8 f < f₄ < 2 f, wobei der Abstand der dritten Sammellinse von der zweiten Sammellinse zwischen 0,6 f und 1,2 f liegt. Unter dem Abstand zweier Linsen wird dabei der Abstand der einander zugewandten Flächen der Linsen auf der optischen Achse verstanden.

Das erfindungsgemäße optische System kann noch einen dem optischen Teilsystem vorgeordneten Kollektorabschnitt, der die Lichtquelle nach Unendlich abbildet und ein dem optischen Teilsystem nachgeordnetes weiteres optisches Teilsystem, das das von dem optischen System erzeugte Zwischenbild ins Unendliche abbildet, aufweisen. Da das Bild der Lichtquelle in der Zwischenbildebene bereits sphärisch und chromatisch weitestgehend korrigiert ist, brauchen an dieses weitere optische System keine besonderen Anforderungen gestellt zu werden.

Vorzugsweise besitzt das optische Teilsystem des erfindungsgemäßen optischen Systems genau vier Linsen.

Um eine möglichst weitgehend farblängsfehlerfreie Abbildung zu erzielen, weist das Material der ersten und der zweiten Sammellinse des optischen Teilsystems eine geringe Dispersion auf. So ist es bei dem erfindungsgemäßen optischen System bevorzugt, daß die Abbezahl des Materials der ersten und/oder zweiten Sammellinse des optischen Teilsystems größer als 60 ist.

Zur Erzielung möglichst geringer Farblängsfehler ist es dann weiterhin bevorzugt, daß das Material der Zerstreuungslinse des optischen Teilsystems eine hohe Dispersion aufweist. Insbesondere ist es bevorzugt, daß die Abbezahl des Materials der Zerstreuungslinse des optischen Teilsystems kleiner als 50 ist.

Grundsätzlich braucht die dritte Sammellinse des optischen Teilsystems keine besonders niedrige Dispersion aufzuweisen. Um Farblängsfehler besonders gering halten zu können, ist es bei dem erfindungsgemäßen optischen System jedoch bevorzugt, daß die Abbezahl der dritten Sammellinse des optischen Teilsystems größer als 50 ist.

Besonders geringe Aberrationen ergeben sich, wenn die ersten drei Linsen des optischen Teilsystems, d.h. die erste Sammellinse, die Zerstreuungslinse und die zweite Sammellinse, sehr geringe Luftabstände voneinander aufweisen. Insbesondere ist es bevorzugt, daß bei dem erfindungsgemäßen optischen System der Abstand zwischen der ersten Sammellinse und der Zerstreuungslinse des optischen Teilsystems und der Abstand zwischen der Zerstreuungslinse und der zweiten Sammellinse des optischen Teilsystems kleiner als 0,05 f sind.

Eine besonders fehlerfreie Beleuchtung wird durch eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen optischen Systems erreicht, bei der das optische Teilsystem eine Brennweite f = 50,76 mm aufweist und die Parameter Radius r₁ der Eintrittsfläche, Dicke d der Linse, Radius r₂ der Austrittsfläche, Abstand a zur folgenden Linse, Brechzahl n und Abbezahl ν folgende Werte annehmen:

Unter der Brechzahl wird hier, wie auch im folgenden, die Brechzahl bei 546,1 nm verstanden, soweit nicht ausdrücklich etwas anderes angegeben ist.

Eine besonders fehlerfreie Beleuchtung wird insbesondere bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen optischen Systems erreicht, die sieben Linsen aufweist, und bei der die Parameter Radius r₁ der Eintrittsfläche, Dicke d der Linse, Radius r₂ der Austrittsfläche, Abstand a zur folgenden Linse, Brechzahl n bei einer Wellenlänge von 546,1 nm und Abbezahl ν folgende Werte annehmen:

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren noch weiter beispielhaft erläutert. Es zeigen:
1 einen schematischen Strahlengang einer Auflichtbeleuchtung nach dem Stand der Technik, und
2 eine schematische Darstellung eines Kondensors nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
2 zeigt eine Lichtquelle 2 mit einem optischen System 14 nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, das statt des Kollektors 3 und der Teiloptiken 5 und 6 in 1 eingesetzt wird.
Das optische System 14 ist siebenlinsig ausgeführt und verfügt über einen Kollektorabschnitt zur Abbildung der Lichtquelle 2 nach Unendlich mit einer ersten und einer zweiten Kollimatorlinse 30 bzw. 31, ein erstes optisches Teilsystem 15, das das von dem Kollektorabschnitt erzeugte Bild der Lichtquelle 2 im Unendlichen auf eine Zwischenbildebene 16 abbildet, und ein zweites optisches Teilsystem in Gestalt einer Linse 17, welches das Bild der Lichtquelle 2 in der Zwischenbildebene 16 ins Unendliche abbildet.
Der Kollektorabschnitt und die beiden optischen Teilsysteme sind wie im Folgenden beschrieben aufgebaut. Die in diesem Ausführungsbeispiel genannten Werte für den Brechungsindex beziehen sich auf die e-Linie, d.h. die Quecksilberlinie bei 546,1 nm, die für die Abbezahl auf die eingangs definierte Abbezahl bei der e-Linie.
Die erste Linse 30 des Kollektorabschnitts ist eine Konkav-Konvex-Linse der Dicke 7,2 mm mit einem Krümmungsradius von 141,25 mm auf der konkaven Seite 32 und einem Krümmungsradius von –12,23 mm auf der konvexen Seite 33. Die erste Linse 30 ist aus einem Glas mit einem Brechungsindex von 1,46 und einer Abbezahl 67,77 gefertigt.
Die zweite Linse 31 des Kollektorabschnitts, die in einem Abstand von 0,3 mm von der ersten Linse des Kollektorabschnitts angeordnet ist, ist bikonvex mit einer Dicke von 5,8 mm und auf der zur Lichtquelle 2 weisenden Eintrittsseite durch eine Fläche 34 mit einem Krümmungsradius von 54,25 mm und auf der Austrittseite durch eine Fläche 35 mit einem Krümmungsradius von 25,12 mm begrenzt. Die zweite Linse 31 ist aus einem Glas mit einem Brechungsindex von 1,52 und einer Abbezahl 59,22 gefertigt.
Das erste optische Teilsystem 15 ist vierlinsig aufgebaut und verfügt aus Richtung des eintretenden Lichts gesehen über eine erste Sammellinse 18, eine Zerstreuungslinse 19, eine zweite Sammellinse 20 und eine dritte Sammellinse 21.
Die erste und die zweite Sammellinse 18 bzw. 20 sind aus einem Material, im Beispiel Glas, geringer Dispersion gefertigt, das eine Brechzahl von 1,49 und eine Abbezahl von 70,18 aufweist.
Die eintrittsseitige Fläche 22 der ersten Sammellinse 18, die in einem Abstand von 40,09 mm von der zweiten Linse 31 des Kollektorabschnitts angeordnet ist, hat einen Radius von 32,08 mm, die zweite, austrittsseitige Fläche 23 einen Radius von –23,21 mm, wobei die Dicke der Sammellinse 18 8 mm beträgt.
Die zweite Sammellinse 20 der Dicke 11 mm wird durch eine eintrittsseitige Fläche 24 mit einem Radius 18,97 mm und eine austrittsseitige Fläche 25 mit Radius –23,21 mm begrenzt.
Die Zerstreuungslinse 19 ist aus einem Material, im Beispiel Glas, großer Dispersion gefertigt, das eine Brechzahl von 1,65 und eine Abbezahl von 33,60 aufweist. Die Zerstreuungslinse 19 der Dicke 3 mm ist durch eine eintrittsseitige erste Fläche 26 mit Radius –21,91 mm und eine austrittseitige zweite Fläche 27 mit Radius 16,55 mm begrenzt.
Die erste Sammellinse 18 und die Zerstreuungslinse 19 sowie die Zerstreuungslinse 19 und die zweite Sammellinse 20 sind zueinander mit einem geringen Luftabstand angeordnet, der a1 = 1,00 mm bzw. a2 = 1,11 mm beträgt.
Die dritte Sammellinse 21 schließlich ist in einem Abstand von a3= 46,81 mm von der zweiten Sammellinse 20 angeordnet. Sie ist aus einem Material, im Beispiel Glas, geringer Dispersion mit einer Brechzahl von 1,52 und einer Abbezahl von 63,96 gefertigt. Die dritte Sammellinse 21 mit einer Dicke von 3 mm ist durch eine eintrittsseitige Fläche 28 mit einem Radius von 15,18 mm und eine austrittsseitige Fläche 29 mit einem Radius von 30,07 mm begrenzt. Der Abstand zu dem nächsten optischen Element, dem optischen System 17, beträgt 50,48 mm.
Der Kollektorabschnitt und das erste optische Teilsystem 15 erzeugen in der Zwischenbildebene 16 ein sphärisch und chromatisch korrigiertes Bild der Lichtquelle.
Das zweite optische Teilsystem 17 besteht aus einer in einem Abstand von 50,48 mm zu der dritten Sammellinse 21 angeordneten konkav-konvexen Linse der Dicke 6,5 mm, die eintrittsseitig von einer Fläche 36 mit Krümmungsradius – 392,44 mm und austrittsseitig von einer Fläche 37 mit Krümmungsradius von –24,58 mm begrenzt ist. Das Material der Linse 17 weist denselben Brechungsindex und dieselbe Abbezahl auf wie das Material der dritten Linse 20 des ersten Teilsystems 15.
Eine Fläche hat dabei einen negativen Radius, wenn sie sich in Beleuchtungsrichtung vorwölbt, d.h. deren Scheitelpunkt in Beleuchtungsrichtung am weitesten vorn liegt (vgl. 2).
Von einem Punkt der Lichtquelle 2, die im Brennpunkt des Kollektorsystems angeordnet ist, geht ein Strahlenbündel aus, dessen Querschnitt sich bei Durchtritt durch jede der Linsen des optischen Systems ändert. Im Folgenden bezeichnet h_i den halben Bündelquerschnitt am Eintritt der jeweiligen Linse i, d.h. in der Ebene orthogonal zu der optischen Achse, in der die äußersten Strahlen des Strahlenbündels in die Linse i eintreten, (i=1 bis 7 in Richtung des Beleuchtungsstrahlengangs). Die Lage der Ebene ist beispielhaft für den Fall i=2 in 2 gezeigt.
Für das optische System ergeben sich dann bei den in der folgenden Tabelle gezeigten Werten für die Parameter der Linsen Radius r₁ der Eintrittsfläche, Dicke d der Linse, Radius r₂ der Austrittsfläche, Abstand a zur folgenden Linse, Brechzahl n bei einer Wellenlänge von 546,1 nm und Abbezahl ν_e die ebenfalls in der Tabelle gezeigten werte für die Brennweite f in mm und die halben Bündeldurchmesser h in mm.
Summation ergibt
Das optische System erlaubt eine weitgehende Reduktion von Farblängsfehlern in der Objektivpupille bei einer Beleuchtung im Wellenlängenbereich von 350 nm bis 750 nm.

1: Beleuchtungseinheit
2: Lichtquelle
3: Kollektor
4: optisches System
5: erster Teil
6: zweiter Teil
7: Tubuslinse
8: halbdurchlässiger Spiegel
9: Objektiv
10: Objekt
11: Aperturblende
12: Objektivpupille
13: Leuchtfeldblende
14: optisches System
15: erstes optisches Teilsystem
16: Zwischenbildebene
17: zweites optisches Teilsystem
18: erste Sammellinse
19: Zerstreuungslinse
20: zweite Sammellinse
21: dritte Sammellinse
22: eintrittsseitige Fläche
23: austrittsseitige Fläche
24: eintrittsseitige Fläche
25: austrittsseitige Fläche
26: eintrittsseitige Fläche
27: austrittsseitige Fläche
28: eintrittsseitige Fläche
29: austrittsseitige Fläche
30: erste Kollektorlinse
31: zweite Kollektorlinse
32: eintrittsseitige Fläche
33: austrittsseitige Fläche
34: eintrittsseitige Fläche
35: austrittsseitige Fläche
36: eintrittsseitigeFläche
37: austrittsseitige Fläche

Claims

Optisches System zur Anordnung zwischen einer Lichtquelle (2) und einer Leuchtfeldblende (13) in einem Beleuchtungsstrahlengang eines Mikroskops, das n abbildende optische Elemente (17, 18, 19, 20, 21, 30, 31) mit Brennweiten f_i und Abbezahlen ν_i (i=1,..., n) umfaßt und für das folgende Relation erfüllt ist:
wobei h_i der halbe Bündeldurchmesser eines von einem Punkt der Lichtquelle (2) ausgehenden Lichtbündels am Eintritt in das abbildende optische Element i ist.
Optisches System nach Anspruch 1, bei dem die n optischen Elemente (17, 18, 19, 20, 21, 310, 31) ein Teilsystem (15) umfassen, das zur Abbildung der Lichtquelle (2) aus dem Unendlichen auf ein Zwischenbild in dem optischen System dient, eine Brennweite f aufweist und in der Richtung des Strahlengangs von der Lichtquelle (2) aus umfaßt: eine erste Sammellinse (18) mit einer Brennweite f₁ mit 0,3·f < f₁ < 0,7·f, eine Zerstreuungslinse (19) mit einer Brennweite f₂ mit –0,2·f < f₂ < –0,4·f, eine zweite Sammellinse (20) mit einer Brennweite f₃ mit 0,3·f < f₃ < 0,7·f und eine dritte Sammellinse (21) mit einer Brennweite f₄ mit 0,8·f < f₄ < 2·f, wobei der Abstand der dritten Sammellinse (21) von der zweiten Sammellinse (20) zwischen 0,6·f und 1,2·f liegt.
Optisches System nach Anspruch 2, bei dem die Abbezahl des Materials der ersten und/oder zweiten Sammellinse (18, 20) des optischen Teilsystems größer als 60 ist.
Optisches System nach Anspruch 2 oder 3, bei dem die Abbezahl des Materials der Zerstreuungslinse (19) des optischen Teilsystems kleiner als 50 ist.
Optisches System nach einem der Ansprüche 2 bis 4, bei dem die Abbezahl der dritten Sammellinse (21) des optischen Teilsystems größer als 50 ist.
Optisches System nach einem der Ansprüche 2 bis 5, bei dem der Abstand zwischen der ersten Sammellinse (18) und der Zerstreuungslinse (19) des optischen Teilsystems und der Abstand zwischen der Zerstreuungslinse (19) und der zweiten Sammellinse (20) des optischen Teilsystems kleiner als 0,05·f sind.
Optisches System nach einem der Ansprüche 2 bis 6, bei dem das optische Teilsystem (15) eine Brennweite f = 50,76 mm aufweist und die Parameter Radius r₁ der Eintrittsfläche (22, 24, 26, 28), Dicke d der Linse, Radius r₂ der Austrittsfläche (23, 25, 27, 29), Abstand a zur folgenden Linse, Brechzahl n bei einer Wellenlänge von 546,1 nm und Abbezahl ν folgende Werte annehmen:
Optisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das sieben Linsen aufweist, und bei dem die Parameter Radius r₁ der Eintrittsfläche (22, 24, 26, 28, 32, 34, 36), Dicke d der Linse, Radius r₂ der Austrittsfläche (23, 25, 27, 29, 33, 35, 37), Abstand a zur folgenden Linse, Brechzahl n bei einer Wellenlänge von 546,1 nm und Abbezahl ν folgende Werte annehmen: