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    • 专利摘要:
    EineAnordnung (20) von Linsen fürein 100X Ölimmersionsobjektivin der Mikroskopie wird dargestellt. Die neue Anordnung ermöglicht einebenes Bildfeld mit beugungsbegrenzter Eigenschaft über dasgesamte Bildfeld.Die neue optische Anordnung umfasst im Wesentlichenein erstes Linsenelement (21) mit mindestens einer ersten konvexenLinse, wobei der Oberflächenkrümmungsradiusdes ersten, sich dicht bei der Objektebene befindenden Linsenelements(21) kleiner oder annäherndgleich groß wieder Krümmungsradiusder von der Objektebene abgewandten Seite des ersten Linsenelements(21) ist.Ferner umfasst die optische Anordnung ein zweitesLinsenelement (22) mit negativer Brechkraft, das mindestens eine zweiteLinse besitzt.Ferner umfasst die optische Anordnung ein drittesLinsenelement (23) mit positiver Brechkraft, das mindestens eine Linsebesitzt.Ferner umfasst die optische Anordnung ein viertes Linsenelement(24) mit negativer Brechkraft, das mindestens eine Linse besitzt.Fernerumfasst die optische Anordnung ein fünftes Linsenelement (25) mitpositiver Brechkraft, das mindestens eine Linse besitzt.Fernerumfasst die optische Anordnung ein sechstes Linsenelement (26) mitpositiver Brechkraft, das mindestens eine Linse besitzt.Fernerumfasst die optische Anordnung ein siebtes Linsenelement (27) mitpositiver Brechkraft, das mindestens eine Linse besitzt, wobei derOberflächenkrümmungsradiusdes siebten, sich dicht bei der Objektebene befindenden ...
    公开号:DE102004029995A1
    申请号:DE200410029995
    申请日:2004-06-22
    公开日:2005-03-24
    发明作者:Keshav D. Sharma
    申请人:Leica Microsystems Inc；
    IPC主号:G02B21-02
    专利说明:
    [0001] Dievorliegende Erfindung betrifft grundsätzlich zusammengesetzte Mikroskopeund die Geräte,die dieselben oder ähnlicheoptische Anordnungen bei einem konventionellen Mikroskop verwenden.
    [0002] Esist allgemein bekannt, dass ein Mikroskop ein optisches Gerät ist, mitdem man sehr feine Details eines Objekts sehen, untersuchen undstudieren kann. Die kritischste Komponente eines Mikroskops istdas Mikroskopobjektiv. Die Vergrößerungskraftund die Auflösungder zu untersuchenden feinen Objektdetails sind hauptsächlich vonden Objektiveigenschaften abhängig.
    [0003] Einerder üblichenDefekte bei Mikroskopobjektiven ist der Mangel an einer Korrekturder Bildfeldkrümmung.Diese Krümmungwird dadurch verursacht, dass die Mehrheit der Linsenelemente ineinem Mikroskopobjektiv eine positive Brechkraft besitzen, die nacheinandernach innen gekrümmteFelder besitzen. Das nach innen gekrümmte Feld kann bis zu einemgewissen Grad durch die Verwendung von konkaven Linsen ausgeglichenwerden, die nach außengekrümmteFelder verursachen und auch zur Korrektur von anderen Bildfehlernbenötigtwerden, zum Beispiel von sphärischerAbberation, Astigmatismus, Bildwölbungen,Koma und von chromatischer Abberation. In jedem dieser Fälle istdas Bildfeld nach innen gekrümmt,da die Gesamtbrechungskraft bei den üblichen achromatischen Ausführungsformenpositiv ist. Diese Innenkrümmungerlaubt nur im Zentrum des Bildfeldes ein deutliches Bild einesObjektes, währendObjekte am Rande des Bildfeldes unscharf wahrgenommen werden. DiesesProblem wurde bis zu einem gewissen Grad bereits von K.D. Sharmain "Applied Optics", Ausgabe 24, S.2577, in dem Artikel "HighPower Microobjective: A New Design" behandelt, auf den hier auch verwiesenwerden soll. Der Artikel diskutiert eine Anordnung von Linsen, beider eine konkave Linse hilft, die Krümmung des Bildfeldes zu verringernbzw. aufzuheben. Allerdings ist die Leistungsfähigkeit der Ausführungsformin diesem Artikel hinsichtlich der Korrektur von Abweichungen begrenzt.
    [0004] Eswird eine optische Anordnung von Linsen benötigt, die die Anforderungeneiner Vergrößerung erfüllt undeine numerische Blende (NA), die ein ebenes Bildfeld mit beugungsbegrenzterEigenschaft besitzt.
    [0005] Diedargestellte Erfindung betrifft die Ausführungsform eines Hochleistungs-Mikroskopobjektivs,das üblicherweisebei Mikroskopen verwendet wird. Die Erfindung verwendet eine neueAnordnung von Linsen, die acht Linsen umfasst und die die Korrektureines gekrümmtenBildfeldes neben der Korrektur von anderen Abweichungen ermöglicht.Diese einfache Anordnung ermöglichteine Beugungsbegrenzung, in einigen Fällen auch über das gesamte Bildfeld.
    [0006] Dieneue optische Anordnung umfasst im Wesentlichen ein erstes Linsenelementmit positiver Brechkraft und mit mindestens einer ersten Linse,wobei der Oberflächenkrümmungsradiusdes ersten, sich dicht bei der Objektebene befindenden Linsenelementskleiner oder annäherndgleich groß wieder Krümmungsradius dervon der Objektebene abgewandten Seite des ersten Linsenelementsist. Die optische Anordnung umfasst außerdem ein zweites Linsenelementmit negativer Brechkraft, das mindestens eine zweite Linse besitzt,ein drittes Linsenelement mit positiver Brechkraft, das mindestenseine Linse besitzt, ein viertes Linsenelement mit negativer Brechkraft,das mindestens eine Linse besitzt, ein fünftes Linsenelement mit positiverBrechkraft, das mindestens eine Linse besitzt, und ein sechstesLinsenelement mit positiver Brechkraft, das mindestens eine Linsebesitzt. Die optische Anordnung umfasst außerdem ein siebtes Linsenelementmit positiver Brechkraft, das mindestens eine Linse besitzt, wobeider Oberflächenkrümmungsradiusdes siebten, sich dicht bei der Objektebene befindenden Linsenelementskleiner oder annäherndgleich groß wieder Krümmungsradiusder von der Objektebene abgewandten Seite des siebten Linsenelementsist. Ferner umfasst die optische Anordnung ein achtes Linsenelementmit positiver Brechkraft, das mindestens eine Linse besitzt. Dieoptische Anordnung ist derart ausgestaltet, dass die Entfernungzwischen dem ersten Linsenelement und dem zweiten Linsenelementausreicht, die Strahlhöheeines Lichtstrahls zwischen dem zweiten Linsenelement und dem erstenLinsenelement zu reduzieren. Die optische Anordnung ist außerdem derartausgestaltet, dass die Entfernung zwischen dem fünften Linsenelement und demsechsten Linsenelement ausreicht, die Strahlhöhe eines Lichtstrahls zwischendem sechsten Linsenelement und dem ersten Linsenelement zu erhöhen.
    [0007] Esist Aufgabe der Erfindung, die nach innen gerichtete Krümmung desBildfeldes einer optischen Hochleistungsanordnung zu reduzieren.
    [0008] Eineweitere Aufgabe der Erfindung ist, eine optische Anordnung mit einerhohen Abweichungskorrektur zu präsentieren.
    [0009] Eineweitere Aufgabe der Erfindung ist, eine optische Anordnung zu schaffen,in der die Strehal-Kennzahlen überdas gesamte Bildfeld annäherndgleich oder größer als0,8 sind.
    [0010] DieEigenschaft und die Funktionsweise der dargestellten Erfindung wirdin der folgenden Beschreibung der Erfindung, auch anhand der begleitendenFiguren, detaillierter beschrieben.
    [0011] 1 zeigt eine perspektivischeAnsicht eines typischen Mikroskops, auf dessen optische Anordnung diedargestellte Erfindung angewendet werden kann;
    [0012] 2A zeigt eine Vorderansichteines Objektivs des Mikroskops gemäß 1;
    [0013] 2B zeigt einen Querschnittdes Mikroskopobjektivs entlang der Linie 2B-2B in 2A;
    [0014] 3 zeigt eine schematischeAnsicht einer bevorzugten Ausführungsformder optischen Anordnung der dargestellten Erfindung, die den Strahlengangder Lichtstrahlen durch die optische Anordnung darstellt;
    [0015] 4 zeigt eine schematischeAnsicht einer bevorzugten Ausführungsformder optischen Anordnung der dargestellten Erfindung, die der von 3 ähnelt und die die Oberflächen derLinsenelemente darstellt; und
    [0016] 5 zeigt eine grafische Darstellungder optischen Weglängenunterschiedefür monochromatisches Lichtan unterschiedlichen Stellen im Bildfeld.
    [0017] GleicheNummern in den unterschiedlichen Figuren bedeuten dieselben Elementein der Erfindung.
    [0018] Obwohldie dargestellte Erfindung hinsichtlich der derzeit bevorzugtenAusführungsformenbeschrieben wird, ist sie selbstverständlich nicht auf die dargestelltenAusführungsformenbeschränkt.Die in einem späterenAbschnitt beschriebenen Ansprüchezur dargestellten Erfindung sollen stattdessen auch verschiedeneModifikationen und äquivalenteAnordnungen einbeziehen.
    [0019] Inder detaillierten Beschreibung der Erfindung werden die folgendenDefinitionen verwendet: Die Strehal-Kennzahl ist das Verhältnis dermaximalen Intensitätim Beugungsmuster eines deformierten Punktbildes zur maximalen Intensität im Beugungsmustereines nichtdeformierten Punktbildes. Aus einer hohen Strehal-Kennzahlkann ein hoher erreichter Korrekturgrad für Abweichungen abgeleitet werden.
    [0020] DiePetzval-Krümmungist eine grundlegende Bildfeldkrümmungbei einem optischen System.
    [0021] DieBeugungsbegrenzung beschreibt ein optisches System, in dem die Bildauflösung nurdurch die Beugungseffekte bestimmt wird und nicht durch Linsenabweichungen.Im Allgemeinen besitzt ein akzeptables optisches System mit beugungsbegrenzterEigenschaft eine Strehal-Kennzahl von mindestens 0,80 oder größer. Einideales System verursacht keine Abweichungen und besitzt eine Strehal-Kennzahlvon 1,0.
    [0022] PositiveBrechkraft ist charakteristisch für solche Linsenarten, durchdie die Lichtstrahlen, die durch diese Linsen gehen, zur optischenAchse hin gebrochen werden.
    [0023] NegativeBrechkraft ist charakteristisch für solche Linsenarten, durchdie die Lichtstrahlen, die durch diese Linsen gehen, von der optischenAchse weg gebrochen werden.
    [0024] DieStrahlhöheist der vertikale Abstand zwischen der optischen Achse zu dem Punktauf einer Linsenoberfläche,wo ein einzelner Lichtstrahl in die Linse eintritt.
    [0025] Vignettierungist die graduelle Reduktion der Bildbeleuchtungsstärke mitansteigender Entfernung zur optischen Achse, die aus den Begrenzungender freien Blendenelemente in einem optischen System resultiert.
    [0026] Inden Figuren stellt 1 einMikroskop 10 dar, das eine Lichtquelle 11 besitzt,die eine Blende 12A in dem Mikroskoptisch 12 beleuchtet.Ein Deckglas 35 bedeckt ein zu untersuchendes Objekt (nichtdargestellt). Ein Objektiv 13 ist am Befestigungspunkt 14A einesRevolvers 14 befestigt. Objektiv 13 ist so positioniert,dass Licht von der Lichtquelle 11 durch die Blende 12A unddas Deckglas 35 zu dem Revolver 14 gesandt werdenkann, nach dem das Licht das untersuchende Objekt beleuchtet. Obwohldie Lichtquelle 11 in 1 dasObjekt direkt beleuchtet, sollte selbstverständlich stattdessen das Objektauch indirekt beleuchtet werden können, zum Beispiel durch dieVerwendung von Spiegeln, die das Licht von einer Lichtquelle durchdas zu untersuchende Objekt hin zum Objektiv 13 reflektieren.
    [0027] 2A zeigt eine Vorderansichteines Objektivs 13 eines Mikroskops 10. Der schattierteBereich in 2A weistauf den Bereich einer optischen Anordnung 20 hin, der sich über demBefestigungspunkt 14A ausdehnt. 2B zeigt einen Querschnitt von Objektiv 13 entlangder Linie 2B-2B in 2A,der die optische Anordnung 20 der Erfindung enthält. Daserste Linsenelement 21 befindet sich dicht beim Revolver 14.In einer bevorzugten Ausführungsformerstreckt sich das erste Linsenelement 21 über demBefestigungspunkt 14A. Aufgrund seiner Dicke hat das ersteLinsenelement 21 eine positive Brechkraft. In einer bevorzugtenAusführungsformbesitzt das erste Linsenelement 21 einen hohen Brechungsindex.In einer besonders bevorzugten Ausführungsform besitzt das ersteLinsenelement 21 einen Brechungsindex von circa 1,7. Ineiner ganz besonders bevorzugten Ausführungsform besitzt das ersteLinsenelement 21 einen Brechungsindex von circa 1,8. Ineiner ganz besonders bevorzugten Ausführungsform hat das erste Linsenelement 21 eineDicke von circa 5 mm. Bei dem ersten Linsenelement 21 istder Krümmungsradiusder dem Objekt (nicht dargestellt) abgewandten Oberfläche größer alsder Krümmungsradiusder zum Objekt zugewandten Seite. Diese Konfiguration verursachteinen negativen Beitrag bei der Berechnung der Petzval-Krümmung deroptischen Anordnung 20, der außerordentlich zu einem ebeneremBildfeld beiträgt.Der hohe Brechungsindex hilft dabei, die kugelförmigen Abweichungen und diePetzval-Krümmungder optischen Anordnung 20 zu reduzieren. Die Dicke desersten Linsenelements 21 trägt zur Verringerung der jeweiligenStrahlhöheder Strahlen durch das erste Lichtelement 21 bei. Ein Fachmannwird erkennen, dass das erste Linsenelement 21 mehr alseine Linse enthalten kann, vorausgesetzt, dass die einzelnen Linsenin ihrer Kombination eine positive Brechkraft ergeben und dass vorzugsweiseein hoher Brechungsindex vorliegt und dass im noch besseren Fallder Krümmungsradiusder dem Objekt abgewandten Oberfläche größer als der Krümmungsradiusder zum Objekt zugewandten Seite ist.
    [0028] Einzweites Linsenelement 22 wird in 2B dargestellt. Der Abstand 29 zwischendem ersten Linsenelement 21 und dem zweiten Linsenelement 22 istrelativ groß.Das zweite Linsenelement 22 hat eine negative Brechkraft,die zur Reduktion der Petzval-Krümmungbei der optischen Anordnung 20 beiträgt. Wie allgemein auf diesemFachgebiet bekannt ist, verringert die Reduktion der Petzval-Krümmung einesoptischen Systems oder einer optischen Anordnung die Bildfeldkrümmung unddadurch wird das Bildfeld ebener. In einer bevorzugten Ausführungsformbeträgtder Abstand 29 circa 4–5mm. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform beträgt der Abstand 29 circa4,5–4,6mm. Aufgrund der Höhedes Abstands 29 sind die Strahlhöhen von Lichtstrahlen, diedurch das zweite Linsenelement 22 gehen, geringer als dieStrahlhöhenderselben Lichtstrahlen, die durch das erste Linsenelement 21 gehen.Unter der Verwendung der Formel Φ =hk, wobei Φ die effektiveLinsenbrechkraft, h die Strahlhöheund k die aktuelle Linsenbrechkraft sind, sieht man, dass wenn die Strahlhöhe reduziertwird, auch die effektive Linsenbrechkraft reduziert wird. Im Falledes zweiten Linsenelements 22 verringert eine reduzierteStrahlhöhedie effektive negative Linsenbrechkraft des zweiten Linsenelements 22 undreduziert dadurch den negativen Anteil des zweiten Linsenelements 22 zureffektiven Gesamtbrechkraft der optischen Anordnung 20.Da die Petzval-Krümmungunabhängigvon der Strahlhöheist, wird der negative Beitrag des zweiten Linsenelements 22 zurPetzval-Krümmungder optischen Anordnung 20 nicht vermindert durch die Reduktionder Strahlhöheoder durch die effektive negative Brechkraft des zweiten Linsenelements 22.Es ist jedoch auch allgemein bekannt, dass es immer schwierigerwird, Bildfehler zu korrigieren, wenn die Strahlhöhe gegenNull tendiert. Es wird daher fürdie optische Anordnung 20 der dargestellten Erfindung empfohlen,die Strahlhöheeines Lichtstrahls durch das zweite Linsenelement 22 nichtunter 40% der Strahlhöhedesselben Lichtstrahls durch das erste Linsenelement 21 zureduzieren. Der Fachmann erkennt des Weiteren, dass das zweite Linsenelement 22 mehrals eine Linse enthalten kann, vorausgesetzt, dass die einzelnenLinsen in ihrer Kombination eine negative Brechkraft ergeben unddass sie insgesamt einen negativen Beitrag zur Petzval-Krümmung deroptischen Anordnung 20 der dargestellten Erfindung leisten.
    [0029] Eindrittes Linsenelement 23 wird in 2B gezeigt. Das dritte Linsenelement 23 hateine positive Brechkraft und verkleinert daher den Lichtdivergenzwinkel,wenn ein Lichtstrahl durch das dritte Linsenelement 23 geht.In einer bevorzugten Ausführungsformbesitzen das zweite Linsenelement 22 und das dritte Linsenelement 23 sehrunterschiedliche V-Kennzahlen (Abbe-Kennzahlen), was dabei hilft,eine gute Farbbildkorrektur bei der optischen Anordnung 20 zuerreichen. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform unterscheiden sichdie V-Kennzahlen des zweiten Linsenelements 22 und desdritten Linsenelements 23 mindestens um einen Betrag inHöhe von 30 odergrößer. Ineiner ganz besonders bevorzugten Ausführungsform unterscheiden sichdie V-Kennzahlen des zweiten Linsenelements 22 und desdritten Linsenelements 23 mindestens um einen Betrag inHöhe von 50.In einer ganz besonders bevorzugten Ausführungsform sind das zweite Linsenelement 22 unddas dritte Linsenelement 23 unter Verwendung eines Kitts „NorlandOptical Adhesive Grade 61" fest montiert oder formen eine negativeDoublette gemäß 2B. Ein Fachmann wird erkennen, dassdas dritte Linsenelement 23 mehr als eine Linse enthaltenkann, vorausgesetzt, dass die einzelnen Linsen des dritten Linsenelements 23 inihrer Kombination eine positive Brechkraft ergeben und dass dieV-Kennzahlen des dritten Linsenelements 23 sich von denV-Kennzahlen des zweiten Linsenelements 22 mindestens umden Betrag 30 oder größer unterscheiden.
    [0030] Einviertes Linsenelement 24 wird in 2B gezeigt. Das vierte Linsenelement 24 hateine negative Brechkraft. Aufgrund seiner negativen Brechkraft trägt das vierteLinsenelement 24 zum Divergieren der eintretenden Lichtstrahlenbei, was wiederum zur Reduktion der Petzval-Krümmung bei der optischen Anordnung 20 beiträgt. EinfünftesLinsenelement 25 mit positiver Brechkraft wird auch in 2B gezeigt. Geeigneterweisebesitzen ein viertes Linsenelement 24 und ein fünftes Linsenelement 25 sehrunterschiedliche V-Kennzahlen und Brechindizés, um eine gute Farbbildkorrekturzu erreichen. In einer besonders bevorzugten Ausführungsformunterscheiden sich die V-Kennzahlendes vierten Linsenelements 24 und des fünften Linsenelements 25 mindestensum einen Betrag in Höhevon 45. In einer geeigneteren Ausführungsform beträgt der Brechindexdes vierten Linsenelements 24 mindestens 1,55 oder mehr.In einer noch geeigneteren Ausführungsformbeträgtder Brechindex des vierten Linsenelements 24 mindestens1,65 oder mehr. In einer ganz besonders bevorzugten Ausführungsformsind das vierte Linsenelement 24 und das fünfte Linsenelement 25 fest durcheinen Kitt „NorlandOptical Adhesive Grade 61" montiert oder formen eine negativeDoublette gemäß 2B. Die positive Doubletteverringert die Strahlendivergenz, verursacht durch das zweite Linsenelement 22 oderdurch die negative Doublette gemäß obigerBeschreibung, die durch das zweite Linsenelement 22 und dasdritte Linsenelement 23 geformt wird. Der Fachmann wirderkennen, dass das vierte Linsenelement 24 mehr als eineLinse enthalten kann, vorausgesetzt, dass die einzelnen Linsen desvierten Linsenelements 24 in ihrer Kombination eine negativeBrechkraft ergeben und dass sie insgesamt einen negativen Beitragzur Petzval-Krümmungder optischen Anordnung 20 der dargestellten Erfindungleisten. Ein Fachmann wird auch erkennen, dass das fünfte Linsenelement 25 mehrals eine Linse enthalten kann, vorausgesetzt, dass die einzelnenLinsen des fünftenLinsenelements 25 in ihrer Kombination eine positive Brechkraftergeben und dass die V-Kennzahlen des fünften Linsenelements 25 sichvon den V-Kennzahlen des vierten Linsenelements 24 mindestensum den Betrag 30 oder größer unterscheiden.
    [0031] Einsechstes Linsenelement 26 wird in 2B gezeigt. Das sechste Linsenelement 26 hateine positive Brechkraft und befindet sich hinter dem Abstand 30.Wie im Folgenden ausgeführtwird, divergiert der Lichtstrahl hinter dem fünften Linsenelement 25 oderder oben beschriebenen positiven Doublette immer noch und durchden relativ großenAbstand 30 wird das sechste Linsenelement 26 miteiner relativ großenStrahlhöhegetroffen im Vergleich zur Strahlhöhe beim ersten Linsenelement 21.In einer bevorzugten Ausführungsformbeträgtder Abstand 30 circa 9,5 bis 10 mm. In einer besondersbevorzugten Ausführungsformbeträgtder Abstand 30 circa 9,7 bis 9,8 mm. Gemäß der obigenFormel Φ =hk sieht man, dass die effektive Linsenbrechkraft steigt, wenn dieStrahlhöheerhöhtwird. Daher produziert eine Linse mit relativ niedriger aktuellerpositiver Brechkraft eine größere positiveeffektive Linsenbrechkraft, wenn Lichtstrahlen mit steigender Strahlhöhe auf eineLinse mit niedriger positiver Brechkraft treffen. In solch einemoptischen System trägteine Steigerung der positiven effektiven Linsenbrechkraft relativstark zur Gesamtbrechkraft des optischen Systems relativ zur aktuellenpositiven Brechkraft der Linse bei. Da die Petzval-Krümmung unabhängig vonder Strahlhöheist, trägt dierelativ niedrige aktuelle positive Brechkraft des sechsten Linsenelements 26 zusätzlich nureinen geringfügigenpositiven Beitrag zur Petzval-Krümmung deroptischen Anordnung 20 bei. Ein Fachmann wird erkennen, dassdas sechste Linsenelement 26 mehr als eine Linse enthaltenkann, vorausgesetzt, dass die einzelnen Linsen in ihrer Kombinationeine positive Brechkraft ergeben.
    [0032] Einsiebtes Linsenelement 27 wird in 2B gezeigt. Aufgrund seiner Dicke hatdas siebte Linsenelement 27 eine positive Brechkraft, während derKrümmungsradiusder dem Objekt (nicht dargestellt in 2B)abgewandten Oberflächegrößer alsder Krümmungsradiusder zum Objekt zugewandten Seite ist. Diese Konfiguration verursachteinen negativen Beitrag bei der Berechnung der Petzval-Krümmung deroptischen Anordnung 20, der außerordentlich zu einem ebeneremBildfeld beiträgt.Ein Fachmann wird erkennen, dass das siebte Linsenelement 27 mehrals eine Linse enthalten kann, vorausgesetzt, dass die einzelnenLinsen in ihrer Kombination eine positive Brechkraft ergeben unddass im noch besseren Fall der Krümmungsradius der dem Objektabgewandten Oberflächegrößer alsder Krümmungsradiusder zum Objekt zugewandten Seite ist.
    [0033] Einachtes Linsenelement 28 wird in 2B gezeigt. Ein geeignetes achtes Linsenelement 28 istvon hyperhemisphärischerForm, die sich bei der Verwendung von Ölimmersionen, wie bei den Hochleistungsmikroskopen(100X) in der dargestellten Erfindung, eignet. Aufgrund des langenRadius und des relativ hohen Brechindex ist der positive Beitragdes achten Linsenelements 28 zur Petzval-Krümmung deroptischen Anordnung 20 relativ niedrig.
    [0034] 3 ist eine schematischeDarstellung einer bevorzugten Ausführungsform einer optischenAnordnung 20, die den Weg der Lichtstrahlen 32 und 33 durchdie optische Anordnung 20 der dargestellten Erfindung zeigt.Eine optische Achse 31 ist ebenfalls dargestellt. Die Strahlhöhe des Lichtstrahls 32,der in das erste Linsenelement 21 eintritt, wird mit hbezeichnet, die Strahlhöhedes Lichtstrahls 32, der in das zweite Linsenelement 22 eintritt,wird mit h' bezeichnet.Wie oben bereits definiert, ist die Strahlhöhe der vertikale Abstand zwischender optischen Achse zu dem Punkt auf einer Linsenoberfläche, woein einzelner Lichtstrahl in die Linse eintritt. In der optischenAnordnung 20 der dargestellten Erfindung ist die Strahlhöhe h größer alsdie Strahlhöheh'. Wie man in 3 sieht, treten die Lichtstrahlen 32 und 33 indas erste Linsenelement 21 mit seiner positiven Brechkraftein und konvergieren währendihres Durchgangs durch das erste Linsenelement 21 zur optischenAchse 31. Nach ihrem Austritt aus dem ersten Linsenelement 21 konvergierendie Lichtstrahlen 32 und 33 weiter zur optischenAchse 31 und sie passieren den Abstand 29 hinzum zweiten Linsenelement 22. Da durch den Abstand 26 dieStrahlhöheh' bis zum Eintrittspunktdes zweiten Linsenelements 22 hin erhöht wird, wird er im zweitenLinsenelement 22 reduziert.
    [0035] Durchdas zweite Linsenelement 22 mit negativer Brechkraft divergierendie Lichtstrahlen 32 und 33 weg von der optischenAchse 31 und verursachen einen negativen Beitrag zur Petzval-Krümmung deroptischen Anordnung 20. Wenn die Lichtstrahlen 32 und 33 dasdritte Linsenelement 23 mit positiver Brechkraft passieren,divergieren sie in geringerem Maße weg von der optischen Achse 31 alsinnerhalb des zweiten Linsenelements 22. Wie 3 zeigt, bilden in einerbevorzugten Ausführungsformdas zweite Linsenelement 22 und das dritte Linsenelement 23 durchihre enge Verbindung eine negative Doublette. Solch eine Doublette kannmithilfe eines optischen Klebers, wie zum Beispiel Norland OptischerKleber 61, geformt werden. Die für das zweite Linsenelement 22 unddas dritte Linsenelement 23 verwendeten Gläser habengeeigneterweise stark unterschiedliche V-Kennzahlen (Abbe-Kennzahlen),um eine gute Farbbildkorrektur zu erreichen und um starke Krümmungenin der Doublette zu vermeiden.
    [0036] Wenndie Lichtstrahlen 32 und 33 das vierte Linsenelement 24 mitnegativer Brechkraft passieren, divergieren sie weg von der optischenAchse 31 und verursachen einen negativen Beitrag zur Gesamt-Petzval-Krümmung deroptischen Anordnung 20. Wenn die Lichtstrahlen 32 und 33 dasfünfteLinsenelement 25 mit positiver Brechkraft passieren, divergierensie in geringerem Maßeweg von der optischen Achse 31 als innerhalb des viertenLinsenelements 24. In einer bevorzugten Ausführungsformbilden das vierte Linsenelement 24 und das fünfte Linsenelement 25 durchihre enge Verbindung eine positive Doublette. Solch eine Doublettekann mithilfe eines optischen Klebers, wie zum Beispiel NorlandOptischer Kleber 61, oder eines Äquivalents geformt werden.Die fürdas vierte Linsenelement 24 und das fünfte Linsenelement 25 verwendeten Gläser habengeeigneterweise stark unterschiedliche V-Kennzahlen, um eine guteFarbbildkorrektur zu erreichen und um starke Krümmungen in der positiven Doublette ähnlich wiebei der oben beschriebenen negativen Doublette aus dem zweiten Linsenelement 22 unddem dritten Linsenelement 23 zu vermeiden.
    [0037] Wiein 3 zu sehen ist, divergierendie Lichtstrahlen 32 und 33 nach ihrem Austrittaus dem fünften Linsenelement 25 weiterweg von optischen Achse 31 und sie passieren den Abstand 30 hinzum sechsten Linsenelement 26. Wie oben beschrieben, treffendie divergierenden Lichtstrahlen 32 und 33 aufdas sechste Linsenelement 26 mit einer Strahlhöhe h'', die größer als die Strahlhöhe h ist,die durch die Lichtstrahlen 32 und 33 beim Eintrittin das erste Linsenelement 21 bestimmt wird. Geeigneterweiseist die Strahlhöheh'' ungefähr doppeltso groß wiedie Strahlhöheh. Die Erhöhungder Strahlhöheverursacht eine Erhöhungder effektiven positiven Brechkraft des sechsten Linsenelements 26 underhöhtdadurch die effektive Gesamtbrechkraft der optischen Anordnung 20.Gleichzeitig gibt es nur einen geringfügigen positiven Beitrag zurGesamt-Petzval-Krümmungder optischen Anordnung 20, da das sechste Linsenelement 26 einerelativ niedrige aktuelle positive Brechkraft hat.
    [0038] Durchdie positive Brechkraft des sechsten Linsenelements 26 konvergierendie Lichtstrahlen 32 und 33 hin zur optischenAchse 31. Wie man in 3 sehenkann, schreitet die Konvergenz voran, wenn die Lichtstrahlen 32 und 33 dassiebte Linsenelement 27 passieren. Das siebte Linsenelement 27 istso konfiguriert, dass es genügendDicke besitzt, um eine positive Brechkraft und einen größeren Krümmungsradiusder dem Objekt abgewandten Oberfläche als der Krümmungsradiusder zum Objekt zugewandten Seite zu besitzen. Wie oben beschrieben,verursacht die Verkürzungdes Krümmungsradiusder dem Objekt abgewandten Oberfläche einen negativen Beitragbei der Berechnung der Petzval-Krümmung der optischen Anordnung 20 und trägt so außerdem zueinem ebenerem Bildfeld bei, währenddie positive Brechkraft des siebten Linsenelements 27 zurpositiven Gesamtbrechkraft der optischen Anordnung 20 beiträgt.
    [0039] Einachtes Linsenelement 28 mit positiver Brechkraft ist geeigneterweisevon hyperhemisphärischer Formmit einem relativ langen Radius. Ein geeignetes achtes Linsenelement 28 besitzteinen hohen Brechindex. Aufgrund der Kombination aus dem langenRadius und dem hohen Brechindex ist der positive Beitrag des achten Linsenelements 28 zurGesamt-Petzval-Krümmungder optischen Anordnung 20 niedrig. Ein Immersionsöl 34 füllt denHohlraum zwischen dem achten Linsenelement 28 und dem sichauf dem Objekt befindenden Deckglas 35. Die Brechindexhöhe des Immersionsöls 34 liegtzwischen den Brechindexhöhendes achten Linsenelements 28 und dem Deckglas 35,so dass Reflektionsverluste reduziert werden und sich die numerische Blendevergrößert. DasDeckglas 35 besitzt zwei ebene Oberflächen senkrecht zur optischenAchse 31 und es befindet sich dicht bei der Objektebenein Relation zu den oben beschriebenen Linsenelementen. Eine geeigneteAusführungsformder optischen Anordnung 20 der dargestellten Erfindungwird im nachfolgenden Beispiel beschrieben.
    [0040] Einegeeignete Ausführungsformder oben beschriebenen optischen Anordnung 20 wird in derAnordnung der unten in der Tabelle I gelisteten Linsenelemente undin 4 dargestellt. DieOberflächennummern beziehensich auf die Oberflächejeder Linse, durch die die optische Achse 31 führt. ZumBeispiel umfasst das erste Linsenelement 21 die Oberfläche 36 unddie Oberfläche 37.Der Krümmungsradiusist halb so groß wie derDurchmesser der Kugel, die die konvexe oder konkave Oberfläche einerLinse definiert. Eine Oberfläche miteinem unendlich großenKrümmungsradiusist flach bzw. eben. Ein Abstand bezieht sich auf die Entfernung zwischenden Linsenoberflächen,die entlang der optischen Achse 31 gemessen werden. Wiez. B. in Tabelle I zu sehen ist, beträgt der Abstand zwischen derOberfläche 36 undder Oberfläche 37 4.9991mm, was auch bedeutet, dass das erste Linsenelement 21 entlangder optischen Achse 31 4.9991 mm dick ist. Der Abstand zwischenOberfläche 37 undOberfläche 38 beträgt 4.5744mm, was auch bedeutet, dass der Abstand 29 zwischen Oberfläche 37 desersten Linsenelements 21 und Oberfläche 38 des zweitenLinsenelements 22 entlang der optischen Achse 31 4.5744mm dick ist. Der freie Durchmesser für die freie Blendenöffnung eineroptischen Komponente wird in Millimetern gemessen und er steuertdie Lichtmenge, die auf eine gegebene Oberfläche fällt. Die gelisteten optischenGläsersind Schott Gläsertypen,die durch die Schott Glass Technologies hergestellt werden. Wiein 4 beschrieben ist,stellt Bezugszeichen 14A den Befestigungspunkt des Objektivs 13 amMikroskop 10 dar (siehe 1, 2A und 2B). TabelleI
    [0041] Dasin 4 schematisch dargestellteDesign verwendet die in Tabelle I gelisteten Linsen und ist für ein Unendlichobjektiv,eine Brennweite in Höhevon 2 mm, eine numerische Blende von 1,25 und eine Bildfeldgröße von 0,2mm in der Objektebene optimiert. Durch die Verwendung einer Telelinsemit einer effektiven Brennweite von 200 mm ergeben sich für die optischeAnordnung 20 eine Vergrößerung von100X und ein Bildfeld von 20 mm in der Brennebene des Okulars. DieVignettierung wird durch Verkleinerung der freien Blende der erstenOberflächeauf 5,0 mm kontrolliert. Das ist die minimale Anforderung, um einenumerische Apertur von 1,25 zu erreichen.
    [0042] DasLeistungsvermögendes Designs wird durch Berechnung der Strehal-Kennzahl ausgewertet. Die Strehal-Kennzahlenwertewerden in Tabelle II angegeben und zwar für monochromatisches Licht miteiner Wellenlängevon 0,5461 μm(e-Linie) und fürpolychromatisches Licht in vier unterschiedlichen Bereichen, nämlich voll(0,10 mm), 0,071 (zonal), halb (0,050 mm) und auf der Achse (0,00mm). Um polychromatisches Licht zu erhalten, wurden fünf Wellenlängen verwendet.Diese Wellenlängenbetragen 0,48, 0,51, 0,5461, 0,59 und 0,644 μm. Die jeweiligen Farbwichtungenfür dieseWellenlängenbetragen 0,3, 0,6, 1,0, 0,6 und 0,3. Wie in Tabelle II beschrieben,liegen die Strehal-Kennzahlwerte in unterschiedlichen Bereichenfür monochromatischesLicht zwischen 0,946 und 0,803. Die Strehal-Kennzahlwerte für polychromatischesLicht liegen zwischen 0,852 und 0,762. Ein Wert von 0,80 repräsentiertein beugungsbegrenztes System. Die Ergebnisse in Tabelle II liegenoberhalb der Diffraktionsgrenze für monochromatisches Licht und übersteigendie Diffraktionsgrenze fürpolychromatisches Licht außeram Rande des Bereiches. Diese Ergebnisse lassen erkennen, dass dasoben beschriebene Design ein sehr hohes Niveau für die Bildkorrektur aufweist,so dass ein extrem ebenes Bildfeld über das gesamte Bildfeld erzieltwird. TabelleII. Strehal-Kennzahl
    [0043] Zusätzlich werdenin der e-Linie in 5 diversegrafische Darstellungen zu Kurven von optischen Weglängenunterschiedengezeigt. Diese Kurven lassen erkennen, dass die Reste der Wellenfrontkorrekturfür dasgesamte Bildfeld sehr klein sind. (Jede Skalenmarkierung in 5 bedeutet 0,1 Welle.) 5A zeigt, dass auf der Achse(0,0 Feldgröße) dieWellenfrontkorrektur nur 0,1 Wellen beträgt. Die Wellenfrontkorrekturin den 5B (0,050 halberBereich), SC (0,071 zonaler Bereich) und SD (0,100 gesamter Bereich)beträgtannähernd0,4 Wellen. Diese Kurven demonstrieren, dass das Design sehr gut über dasgesamte Bildfeld korrigiert wird und bestätigt die Ergebnisse aus derStrehal-Kennzahlen-Analyse.
    [0044] Wieoben bereits beschrieben, werden die in der Tabelle I gelistetenoptischen Gläserfür dieKorrektur von Bildfehlern wie bei sphärischer Abberation, Koma, Astigmatismus,Petzval-Krümmung,Bildwölbungenund chromatischer Abberation ausgewählt. Der Fachmann wird erkennen,dass andere optische Gläsermit ähnlichenEigenschaften auch in der optischen Anordnung 20 verwendetwerden können,um sowohl ein ebenes Bildfeld als auch einen hohen Grad an Bildfehlerkorrekturbei einem Hochleistungsmikroskop (100X) zu erhalten.
    权利要求:
    Claims (28)
    [1] Eine optische Anordnung umfasst: ein erstesLinsenelement (21) mit positiver Brechkraft, das mindestenseine erste Linse besitzt und bei dem der Oberflächenkrümmungsradius des ersten, sichdicht bei der Objektebene befindenden Linsenelements kleiner oderannäherndgleich groß wieder Krümmungsradiusder von der Objektebene abgewandten Seite des ersten Linsenelements(21) ist; ein zweites Linsenelement (22)mit negativer Brechkraft, das mindestens eine zweite Linse besitzt; eindrittes Linsenelement (23) mit positiver Brechkraft, dasmindestens eine Linse besitzt; ein viertes Linsenelement (24)mit negativer Brechkraft, das mindestens eine Linse besitzt; einfünftesLinsenelement (25) mit positiver Brechkraft, das mindestenseine Linse besitzt; ein sechstes Linsenelement (26)mit positiver Brechkraft, das mindestens eine Linse besitzt; einsiebtes Linsenelement (27) mit positiver Brechkraft, dasmindestens eine Linse besitzt, wobei der Oberflächenkrümmungsradius des siebten, sichdicht bei der Objektebene befindenden Linsenelements (27)kleiner oder annäherndgleich groß wieder Krümmungsradiusder von der Objektebene abgewandten Seite des siebten Linsenelements(27) ist; und ein achtes Linsenelement (28)mit positiver Brechkraft, das mindestens eine Linse besitzt; wobeidie optische Anordnung (20) derart ausgestaltet ist, dassdie Entfernung zwischen dem ersten Linsenelement (21) unddem zweiten Linsenelement (22) ausreicht, die Strahlhöhe einesLichtstrahls zwischen dem zweiten Linsenelement (22) unddem ersten Linsenelement (21) zu reduzieren und wobei außerdem dieEntfernung zwischen dem fünftenLinsenelement (25) und dem sechsten Linsenelement (26)ausreicht, die Strahlhöheeines in das sechste Linsenelement (26) eintretenden Lichtstrahlsim Vergleich zu einem in das erste Linsenelement (21) eintretendenLichtstrahls zu erhöhen.
    [2] Die optische Anordnung gemäß Anspruch 1, wobei die Reduktionder Strahlhöhekleiner oder gleich 40% beträgt.
    [3] Die optische Anordnung gemäß Anspruch l, wobei die Erhöhung derStrahlhöhekleiner oder gleich 200% beträgt.
    [4] Die optische Anordnung gemäß Anspruch 1, wobei das ersteLinsenelement (21) einen Brechungsindex von mindestens1,55 besitzt.
    [5] Die optische Anordnung gemäß Anspruch 1, wobei die V-Kennzahldes zweiten Linsenelements (22) von der V-Kennzahl desbeschriebenen dritten Linsenelements (23) mindestens umden Betrag 30 abweicht.
    [6] Die optische Anordnung gemäß Anspruch 1, wobei das zweiteLinsenelement (22) fest am dritten Linsenelement (23)befestigt ist.
    [7] Die optische Anordnung gemäß Anspruch 1, wobei das vierteLinsenelement (24) einen Brechungsindex von mindestens1,55 besitzt.
    [8] Die optische Anordnung gemäß Anspruch 1, wobei die V-Kennzahldes vierten Linsenelements (24) von der V-Kennzahl desbeschriebenen fünftenLinsenelements (25) mindestens um den Betrag 30 abweicht.
    [9] Die optische Anordnung gemäß Anspruch 1, wobei das vierteLinsenelement (24) fest am fünften Linsenelement (25)befestigt ist.
    [10] Die optische Anordnung gemäß Anspruch 1, wobei das achteLinsenelement (28) von hyperhemisphärischer Form ist.
    [11] Die optische Anordnung gemäß Anspruch 1, die ein Deckglasbesitzt.
    [12] Eine optische Anordnung umfasst; eine erstekonvexe Linse, wobei der Oberflächenkrümmungsradiusder ersten, sich dicht bei der Objektebene befindenden Linse kleineroder annäherndgleich groß wieder Krümmungsradiusder von der Objektebene abgewandten Seite der ersten Linse ist; einezweite, konkave Linse; eine dritte, konvexe Linse; einevierte, konkave Linse; eine fünfte, konvexe Linse; einesechste, konvexe Linse; eine siebte, konvexe Linse, wobei derOberflächenkrümmungsradiusder siebten, sich dicht bei der Objektebene befindenden Linse kleineroder annäherndgleich groß wieder Krümmungsradiusder von der Objektebene abgewandten Seite der siebten Linse ist;und ein achtes Linsenelement mit positiver Brechkraft, dasmindestens eine Linse besitzt; wobei die optische Anordnungderart ausgestaltet ist, dass die Entfernung zwischen der erstenLinse und der zweiten Linse ausreicht, die Strahlhöhe einesLichtstrahls zwischen der zweiten Linse und der ersten Linse zu reduzierenund wobei außerdemdie Entfernung zwischen der fünftenLinse und der sechsten Linse ausreicht, die Strahlhöhe einesin das sechste Linsenelement (26) eintretenden Lichtstrahlsim Vergleich zu einem in das erste Linsenelement (21) eintretendenLichtstrahls zu erhöhen.
    [13] Die optische Anordnung gemäß Anspruch 12, wobei die Reduktionder Strahlhöhekleiner oder gleich 40% beträgt.
    [14] Die optische Anordnung gemäß Anspruch 12, wobei die Erhöhung derStrahlhöhekleiner oder gleich 200% beträgt.
    [15] Die optische Anordnung gemäß Anspruch 12, wobei die ersteLinse einen Brechungsindex von mindestens 1,55 besitzt.
    [16] Die optische Anordnung gemäß Anspruch 12, wobei die V-Kennzahlder zweiten Linse von der V-Kennzahl der beschriebenen dritten Linsemindestens um den Betrag 30 abweicht.
    [17] Die optische Anordnung gemäß Anspruch 12, wobei die zweiteLinse fest an der beschriebenen dritten Linse befestigt ist.
    [18] Die optische Anordnung gemäß Anspruch 12, wobei die vierteLinse einen Brechungsindex von mindestens 1,55 besitzt.
    [19] Die optische Anordnung gemäß Anspruch 12, wobei die V-Kennzahlder vierten Linse von der V-Kennzahl der beschriebenen fünften Linsemindestens um den Betrag 30 abweicht.
    [20] Die optische Anordnung gemäß Anspruch 12, wobei die vierteLinse fest an der fünftenLinse befestigt ist.
    [21] Die optische Anordnung gemäß Anspruch 12, wobei die achteLinse von hyperhemisphärischerForm ist.
    [22] Die optische Anordnung gemäß Anspruch 12, die ein Deckglasbesitzt.
    [23] Eine optische Anordnung umfasst: ein erstesLinsenelement (21) mit positiver Brechkraft, das mindestenseine erste Linse besitzt und bei dem der Oberflächenkrümmungsradius des ersten, sichdicht bei der Objektebene befindenden Linsenelements kleiner oderannäherndgleich groß wieder Krümmungsradiusder von der Objektebene abgewandten Seite des ersten Linsenelementsist; ein zweites Linsenelement (22) mit negativerBrechkraft, das mindestens eine zweite Linse besitzt und wobei dieoptische Anordnung derart ausgestaltet ist, dass die Entfernungzwischen dem ersten Linsenelement und dem zweiten Linsenelementausreicht, die Strahlhöheeines Lichtstrahls zwischen dem zweiten Linsenelement und dem erstenLinsenelement zu reduzieren; eine Vielzahl an Linsen mit mindestenseiner konkaven Linse; und mindestens zwei konvexen Linsen,wobei der Oberflächenkrümmungsradiuseiner der mindestens beiden, sich dicht bei der Objektebene befindendenLinsen kleiner oder annäherndgleich groß wieder Krümmungsradius dervon der Objektebene abgewandten Seite dieser einen Linse ist, undwobei die optische Anordnung derart ausgestaltet ist, dass die Entfernungzwischen dieser zweiten Linse der mindestens beiden Linsen und dieser einenLinse der mindestens beiden Linsen ausreicht, die Strahlhöhe des Lichtstrahlszwischen einer dieser mindestens beiden Linsen und dem ersten Linsenelementzu erhöhen;und eine letzte, konvexe Linse.
    [24] Die optische Anordnung gemäß Anspruch 23, wobei die Reduktionder Strahlhöhekleiner oder gleich 40% beträgt.
    [25] Die optische Anordnung gemäß Anspruch 23, wobei die Erhöhung derStrahlhöhekleiner oder gleich 200% beträgt.
    [26] Die optische Anordnung gemäß Anspruch 23, wobei das ersteLinsenelement einen Brechungsindex von mindestens 1,55 besitzt.
    [27] Die optische Anordnung gemäß Anspruch 23, wobei die letzteLinse von hyperhemisphärischerForm ist.
    [28] Die optische Anordnung gemäß Anspruch 23, die ein Deckglasbesitzt.
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    同族专利:
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    引用文献:
    公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
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    2005-03-24| OP8| Request for examination as to paragraph 44 patent law|
    2006-08-31| 8127| New person/name/address of the applicant|Owner name: LEICA MICROSYSTEMS CMS GMBH, 35578 WETZLAR, DE |
    2007-04-19| 8139| Disposal/non-payment of the annual fee|
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
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