DE102010014502B4

DE102010014502B4 - Hochaperturiges Immersionsobjektiv

Info

Publication number: DE102010014502B4
Application number: DE102010014502.5A
Authority: DE
Inventors: Dr. Wartmann Rolf
Original assignee: Carl Zeiss Microscopy GmbH
Current assignee: Carl Zeiss Microscopy GmbH
Priority date: 2010-04-10
Filing date: 2010-04-10
Publication date: 2019-03-14
Anticipated expiration: 2030-04-11
Also published as: WO2011124300A1; DE102010014502A1; US8724227B2; US20130003187A1

Abstract

Hochaperturiges Immersionsobjektiv, insbesondere für konfokale Anwendungen in der Fluoreszenzmikroskopie sowie für TIRF-Anwendungen, welches aus drei Linsen und/oder Linsengruppen umfassenden Teilsystemen (T1,T2,T3) zusammengesetzt ist, gekennzeichnet dadurch, dass ausgehend von der Objektseite das- erste Teilsystem (T1) ein Zweifachkittglied mit hoher positiver Brechkraft und daran anschließend drei Sammellinsen (S2,S3,S4) umfasst, wobei das Zweifachkittglied zur Objektseite hin eine Planfläche (F1) aufweist und mit einer Sammellinse (S1) versehen ist, der ein zum Objekt hin durchgebogener Meniskus (M1) mit negativer Brechkraft folgt,- das zweite Teilsystem (T2) aus einem Zweifachkittglied mit einer geringen positiven Brechkraft und einem Dreifachkittglied mit einer geringen positiven Brechkraft besteht, wobei das Zweifachkittglied eine Sammellinse (S5) und eine Zerstreuungslinse (Z1) umfasst und das Dreifachkittglied eine Zerstreuungslinse (Z2) besitzt, die von zwei Sammellinsen (S6,S7) eingeschlossen ist und- das dritte Teilsystem (T3) zwei Menisken (M2, M5) mit schwacher positiver Brechkraft umfasst, die ein Dreifachkittglied mit sehr großer negativer Brechkraft umschließen, welches aus zwei Menisken (M3,M4) und einer Zerstreuungslinse (Z3) besteht.

Description

Die Erfindung betrifft ein hochaperturiges Immersionsobjektiv, insbesondere für konfokale Anwendungen in der Fluoreszenzmikroskopie sowie für das TIRF-Verfahren, welches aus drei Linsen und/oder Linsengruppen umfassenden Teilsystemen zusammengesetzt ist.
Bekannt ist, dass bei der TIRF-Mikroskopie die Fluoreszensbeleuchtung gezielt so ausgelegt wird, dass es am Deckglas zur Totalreflektion kommt. Hierdurch werden nur Objekte angeregt, welche sich direkt am Deckglas befinden. Tiefer gelegene Objekte werden nicht erreicht und können folglich auch kein störendes Hintergrundlicht aussenden. Aus diesem Grunde liefert die TIRF-Mikroskopie auch extrem kontrastreiche Bilder. Diese Bilder verlieren aber ihre Brilianz sofort, wenn es zu Falschlicht kommt. Falschlicht regt nämlich auch die Objektsphären an, welche eigentlich unterdrückt werden sollen. Falschlicht entsteht überall dort, wo das Anregungslicht durch Linsenflächen, sowie Linsen- und Fassungsränder reflektiert wird. Die Reflexe der Linsenflächen können durch hochwertige Vergütung wirksam bekämpft werden. Bei den Reflexen, welche von den Linsenrändern und den Fassungen ausgehen, ist man weitestgehend machtlos. Man kann nur dafür sorgen, dass an diese Stellen erst gar kein Licht gelangen kann. Folglich muss das Objektiv mit einer extrem hohen numerischen Apertur ausgestattet werden, so dass auch das Anregungslicht möglichst weit von Linsenrändern und Fassungen entfernt verläuft.
Da das Anregungslicht fast vollständig am Deckglas reflektiert wird, kann nur ein sehr geringer Anteil zur Fluoreszens genutzt werden. Um trotzdem helle Bilder erzeugen zu können, ist es sinnvoll, mit hohen Vergrößerungen zu arbeiten, wo die Beleuchtung auf sehr kleine Felder konzentriert wird. Bei konfokalen Anwendungen ist das aber nicht der Fall. Hier kann das Auflösungsvermögen des Objektivs unabhängig von der bildseitigen Apertur voll ausgeschöpft werden. Bei diesen Anwendungen ist es daher sinnvoll, mit Objektiven zu arbeiten, die neben der hohen Apertur eine kleinere Vergrößerung besitzen, weil eine kleine Vergrößerung gleichbedeutend ist mit einem großen Objektfeld und demzufolge auf einen lästigen Objektivwechsel verzichtet werden kann.
US 6,501,603 B2 betrifft eine Mikroskopobjektivlinse mit einer großen Apertur. Die Mikroskopobjektivlinse umfasst dabei in der Reihenfolge von der Objektseite eine erste Linsengruppe mit einer gesamten positiven Brechkraft und eine zweite Linsengruppe. Die zweite Linsengruppe umfasst mehrere Gaußlinsensätze.
In US 7,268,953 B2 wird ein Mikroskopobjektiv mit hoher Apertur, großem Objektfeld und apochromatischer Korrektur im Wellenlängenbereich von Ultraviolett bis Infrarot gezeigt. Das Mikroskopobjektiv umfasst hier fünf Linsengruppen.
US 5,982,559 A offenbart ein Immersions-Mikroskop-Objektivlinsensystem mit einer numerischen Apertur von 1,3, eine Vergrößerung von 40 x, ein planes Bildfeld und kompensiert in geeigneter Weise Aberrationen. Das Immersionsmikroskop-Objektivlinsensystem umfasst eine Struktur mit einer Vielzahl von Linsengruppen G1 bis G8.
In DE 10 2005 051 025 A1 wird ein hochaperturiges, optisches Abbildungssystem, insbesondere für Mikroskope, beschrieben, bei welchem ein Immersionsobjektiv, bestehend aus drei optischen Teilsystemen eine Vergrößerung kleiner oder gleich 40 fach und eine numerische Apertur größer oder gleich 1.0 aufweist und bis in das nahe Infrarot chromatisch korrigiert ist.
Derartigen Lösungen weisen den Nachteil auf, dass die oft erwünschte numerische Apertur von 1.4 nicht erreicht wird.
Ausgehend von diesen Nachteilen liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein semiapochromatisches Mikroobjektiv für normale Ölimmersionen, insbesondere für TIRF-Mikroskopieanwendungen, dahingehend weiter zu bilden, dass bei einer hochauflösenden numerischen Apertur von 1.49 ein relativ großes Objektfeld von 0.25 mm vorhanden ist und darüber hinaus bis zu einer Wellenlänge von 340 nm eine verbesserte Transparenz möglich wird.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem hochaperturigen Immersionsobjektiv der eingangs beschriebenen Art mit drei Teilsystemen durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Ausgehend von der Objektseite umfasst das erste Teilsystem ein Zweifachkittglied mit einer hohen positiven Brechkraft und daran anschließend drei Sammellinsen, wobei das Zweifachkittglied zur Objektseite hin eine Planfläche aufweist und mit einer Sammellinse versehen ist, der ein durchgebogener Meniskus mit negativer Brechkraft folgt. Das Zweifachkittglied selbst besitzt eine stark positive Brechkraft.
Das zweite Teilsystem besteht aus einem Zweifachkittglied mit einer geringen, positiven Brechkraft und einem Dreifachkittglied mit einer geringen, positiven Brechkraft. Das dritte Teilsystem besitzt zwei Menisken mit einer geringen positiven Brechkraft, die ein Dreifachkittglied mit einer sehr großen negativer Brechkraft umschließen. Der erste der beiden Menisken hat eine Brechkraft, welche ca. 12 mal geringer ist als die Brechkraft des Objektivs.
Vorteilhafterweise sind die drei Sammellinsen des ersten Teilsystems aus Fluorkronglas gefertigt, wobei die erste Sammellinse aus einem Glas mit einer Brechzahl höher als 1.59 besteht und die der Objektseite abgewandte Seite eine Überhalbkugelfläche ist.
Weiterhin ist es von Vorteil, wenn das Zweifachkittglied des zweiten Teilsystems aus einer Zerstreuungslinse aus einem Kurzflintglas und einer Sammellinse aus Fluorkronglas oder Calziumfluorid (CaF2) besteht.
Ebenso vorteilhaft ist es, dass das Dreifachkittglied des zweiten Teilsystems aus einer Zerstreunungslinse aus einem Kurzflintglas besteht, die von zwei Sammellinsen, aus Fluorkronglas oder Calziumfluorid (CaF2) eingefasst ist.
Zweckmäßigerweise besitzt mindestens eine Zerstreuungslinse des dritten Teilsystems eine Abbe-Zahl kleiner 34.
Das erfindungsgemäße Immersionsobjektiv ermöglicht es, ein semiapochromatisches Mikroobjektiv für Öl-Immersionen mit einer numerischen Apertur von 1.49 und einem Objektfeld von 0.25 mm zu beschreiben. Das Objektiv weist bis zu einer Wellenlänge von 340 nm eine hinreichend gute Transparenz auf.
Die Erfindung soll nachstehend anhand von zwei Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Dazu zeigen:

1 eine Darstellung der Teilsysteme des erfindungsgemäßen Objektivs und
2 eine Darstellung des erfindungsgemäßen Objektivs mit Konstruktionsdatenbezugszeichen.

1 zeigt die Linsenanordnung der drei optischen Teilsysteme, von der Objektseite aus betrachtet mit T1, T2 und T3 bezeichnet. Das Teilsystem T1 umfasst ein Zweifachkittglied, bestehend aus einer Sammellinse S1, die zur Objektseite hin eine plane Fläche FL aufweist, und einem zur Objektseite hin durchgebogenen Meniskus M1 mit positiver Brechkraft. Hinter diesem Zweifachkittglied befinden sich drei Sammellinsen S2, S3 und S4 aus einem Fluorkronglas.
Das sich daran anschließende zweite Teilsystem T2 umfasst ein Zweifachkittlied und ein Dreifachfachkittglied. Das Zweifachkittglied besteht aus einer Sammlellinse S5 aus einem Fluorkronglas oder aus Calziumfluorid (CaF2) und einer Zerstreuungslinse Z1 aus einem Kurzflintglas.
Das Dreifachkittglied umfasst eine Zerstreuungslinse Z2 aus einem Kurzflintglas, die von zwei aus Fluorkronglas oder Calziumfluorid (CaF2) gefertigten Sammellinsen S6 und S7 eingefasst ist.
Das dritte Teilsystem T3 besitzt zwei Menisken M2 und M5, mit einer geringen positiven Brechkraft, die ein Dreifachkittglied mit sehr großer negativer Brechkraft, bestehend aus zwei Menisken M3 und M4 sowie einer Zerstreuungslinse Z3, umschließen. Der erste der beiden Menisken M3 hat eine Brechkraft, welche ca. 12 mal geringer ist als die Brechkraft des Objektivs.
2 zeigt die gleiche Linsenanordnung mit Angabe der einzelnen Krümmungsradien r1 bis r24 und Dicken d1 bis d23 unter Bezugnahme auf die in den folgenden Ausführungsbeispielen angegebenen Konstruktionsdaten.

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

Fläche FL	Krümmungsradius r	Dicke d	Brechzahl n_e	Abbezahl ν_e
			Ölimmersion
1	unendlich	1.000	1.525	59.2
2	-1.413	1.900	1.888	40.5
3	-3.026	0.100
4	-4.038	2.700	1.594	68.0
5	-4.004	0.100
6	-62.194	4.300	1.440	94.5
7	-9.567	0.100
8	28.800	5.240	1.440	94.5
9	-18.700	0.100
10	15.962	6.700	1.440	94.5
11	-13.143	1.090	1.617	44.3
12	70.796	0.100
13	8.1756	4.319	1.440	94.5
14	52.334	1.000	1.725	34.5
15	5.332	5.292	1.440	94.5
16	-12.320	0.300
17	8.5343	1.365	1.594	68.0
18	29.639	0.992
19	-6.451	3.487	1.723	29.3
20	-4.340	2.205	1.839	42.5
21	-3.301	1.675	1.737	51.2
22	4.598	1.491
23	-3.078	2.323	1.743	32.0
24	-3.9243

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

Fläche FL	Krümmungsradius r	Dicke d	Brechzahl n_e	Abbezahl ν_e
			Ölimmersion
1	unendlich	1.024	1.525	59.2
2	-1.402	1.220	1.888	40.5
3	-2.548	0.100
4	-3.924	2.750	1.635	63.5
5	-3.704	0.216
6	-110.60	5.000	1.440	94.5
7	-9.858	0.100
8	39.809	5.540	1.440	94.5
9	-18.303	0.100
10	20.834	7.000	1.440	94.5
11	-12.230	1.100	1.617	44.3
12	-44.344	0.100
13	8.913	5.400	1.440	94.5
14	-30.506	0.900	1.725	34.5
15	5.870	6.670	1.440	94.5
16	-10.146	0.219
17	7.802	1.800	1.594	68.0
18	19.670	1.150
19	-4.433	1.080	1.725	34.5
20	-21.287	1.800	1.839	42.5
21	-2.820	0.700	1.737	51.2
22	4.279	1.600
23	-2.820	2.401	1.762	27.4
24	-3.704

Bezugszeichenliste

T1, T2, T3: Teilsystem
S1 bis S7: Sammellinse
Z1, Z2, Z3: Zerstreuungslinse
M1, M2, M3, M4, M5: Meniskus
d1 bis d23: Dicke
r1 bis r24: Krümmungsradius
FL: Planfläche
n_e: Brechzahl
ν_e: Abbezahl

Claims

Hochaperturiges Immersionsobjektiv, insbesondere für konfokale Anwendungen in der Fluoreszenzmikroskopie sowie für TIRF-Anwendungen, welches aus drei Linsen und/oder Linsengruppen umfassenden Teilsystemen (T1,T2,T3) zusammengesetzt ist, gekennzeichnet dadurch, dass ausgehend von der Objektseite das - erste Teilsystem (T1) ein Zweifachkittglied mit hoher positiver Brechkraft und daran anschließend drei Sammellinsen (S2,S3,S4) umfasst, wobei das Zweifachkittglied zur Objektseite hin eine Planfläche (F1) aufweist und mit einer Sammellinse (S1) versehen ist, der ein zum Objekt hin durchgebogener Meniskus (M1) mit negativer Brechkraft folgt, - das zweite Teilsystem (T2) aus einem Zweifachkittglied mit einer geringen positiven Brechkraft und einem Dreifachkittglied mit einer geringen positiven Brechkraft besteht, wobei das Zweifachkittglied eine Sammellinse (S5) und eine Zerstreuungslinse (Z1) umfasst und das Dreifachkittglied eine Zerstreuungslinse (Z2) besitzt, die von zwei Sammellinsen (S6,S7) eingeschlossen ist und - das dritte Teilsystem (T3) zwei Menisken (M2, M5) mit schwacher positiver Brechkraft umfasst, die ein Dreifachkittglied mit sehr großer negativer Brechkraft umschließen, welches aus zwei Menisken (M3,M4) und einer Zerstreuungslinse (Z3) besteht.
Hochaperturiges Immersionsobjektiv nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die drei Sammellinsen (S2,S3,S4) des ersten Teilsystems (T1) aus Fluorkronglas gefertigt sind, wobei die erste Sammellinse (S2) aus einem Glas mit einer Brechzahl höher als 1.59 besteht und die der Objektseite abgewandte Seite eine Überhalbkugelfläche ist.
Hochaperturiges Immersionsobjektiv nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Zweifachkittglied des zweiten Teilsystems (T2) aus einer Sammellinse (S5) aus Fluorkronglas oder aus CaF₂ und einer Zerstreunungslinse (Z1) aus Kurzflintglas besteht.
Hochaperturiges Immersionsobjektiv nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Dreifachkittglied des zweiten Teilsystems (T2) aus einer Zerstreuungslinse (Z2) aus einem Kurzflintglas besteht, die von zwei, aus Fluorkronglas oder Calziumfluorid (CaF2) gefertigten Sammellinsen (S6,S7) eingefasst ist.
Hochaperturiges Immersionsobjektiv nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Meniskus (M3,M4) und/oder die Zerstreuungslinse (Z3) des Dreifachkittgliedes vom dritten Teilsystem (T3) eine Abbe-Zahl kleiner 29.5 besitzt.
Hochaperturiges Immersionsobjektiv nach den Ansprüchen 1 bis 5, gekennzeichnet durch folgende Konstruktionsdaten mit Krümmungsradien r in mm, Dicken d in mm, Brechzahlen n_e, Abbezahlen ν_e und der Verwendung einer Ölimmersion bei einer Vergrößerung von 100, einer numerischen Apertur von 1,49, einer Deckglasdicke von 0,17 mm und einem Arbeitsabstand von 0,12 mm: Fläche FL Krümmungsradius r Dicke d Brechzahl n_e Abbezahl ν_e Olimmersion 1 unendlich 1.000 1.525 59.2 2 -1.413 1.900 1.888 40.5 3 -3.026 0.100 4 -4.038 2.700 1.594 68.0 5 -4.004 0.100 6 -62.194 4.300 1.440 94.5 7 -9.567 0.100 8 28.800 5.240 1.440 94.5 9 -18.700 0.100 10 15.962 6.700 1.440 94.5 11 -13.143 1.090 1.617 44.3 12 70.796 0.100 13 8.1756 4.319 1.440 94.5 14 52.334 1.000 1.725 34.5 15 5.332 5.292 1.440 94.5 16 -12.320 0.300 17 8.5343 1.365 1.594 68.0 18 29.639 0.992 19 -6.451 3.487 1.723 29.3 20 -4.340 2.205 1.839 42.5 21 -3.301 1.675 1.737 51.2 22 4.598 1.491 23 -3.078 2.323 1.743 32.0 24 -3.9243
Hochaperturiges Immersionsobjektiv nach den Ansprüchen 1 bis 5, gekennzeichnet durch folgende Konstruktionsdaten mit Krümmungsradien r in mm, Dicken d in mm, Brechzahlen n_e, Abbezahlen ν_e und der Verwendung einer Ölimmersion bei einer Vergrößerung von 100, einer numerischen Apertur von 1,49, einer Deckglasdicke von 0,17 mm und einem Arbeitsabstand von 0,11 mm: Fläche FL Krümmungsradius r Dicke d Brechzahl n_e Abbezahl ν_e Olimmersion 1 unendlich 1.024 1.525 59.2 2 -1.402 1.220 1.888 40.5 3 -2.548 0.100

4 -3.924 2.750 1.635 63.5 5 -3.704 0.216 6 -110.60 5.000 1.440 94.5 7 -9.858 0.100 8 39.809 5.540 1.440 94.5 9 -18.303 0.100 10 20.834 7.000 1.440 94.5 11 -12.230 1.100 1.617 44.3 12 -44.344 0.100 13 8.913 5.400 1.440 94.5 14 -30.506 0.900 1.725 34.5 15 5.870 6.670 1.440 94.5 16 -10.146 0.219 17 7.802 1.800 1.594 68.0 18 19.670 1.150 19 -4.433 1.080 1.725 34.5 20 -21.287 1.800 1.839 42.5 21 -2.820 0.700 1.737 51.2 22 4.279 1.600 23 -2.820 2.401 1.762 27.4 24 -3.704