DE3812745A1

DE3812745A1 - Mikroskopobjektiv zur einstellung auf unterschiedliche deckglasdicken

Info

Publication number: DE3812745A1
Application number: DE3812745A
Authority: DE
Inventors: Karlheinz Esswein; Ludwig Kummer
Original assignee: Carl Zeiss SMT GmbH; Carl Zeiss AG
Current assignee: Carl Zeiss SMT GmbH; Carl Zeiss AG
Priority date: 1988-04-16
Filing date: 1988-04-16
Publication date: 1989-10-26
Anticipated expiration: 2008-04-17
Also published as: US4953962A; AT398855B; JPH01307717A; JP3053818B2; ATA89489A; DE3812745C2; CH678664A5

Description

Die Erfindung betrifft ein Mikroskopobjektiv mit einem Abbildungsmaßstab zwischen 32× und 60×, einer Apertur von mindestens 0.5 und einer Einrichtung zur Einstellung auf unterschiedliche Deckglasdicke.

Die Berechnung von Mikroskopobjektiven erfordert ab einer be stimmten Apertur die Einbeziehung des Deckglases, bzw. eines Deckglases mit vorgegebener Dicke in die Korrektur des Gesamt objektivs. Denn das Deckglas bzw. die Abweichung von der vorge gebenen Dicke beeinflußt den Öffnungsfehler (sphärische Aberration) des Objektivs.

Da sich bei höheraperturigen Objektiven auch kleine Deckglas differenzen bereits merkbar als Verschlechterung des mikros kopischen Bildes auswirken, sind schon seit längerer Zeit Korrektionsfassungen bekannt, die eine Einstellung auf unter schiedliche Deckglasdicken erlauben. Solche Korrektions fassungen, wie sie beispielsweise in der AT-PS 1 70 000 sowie der DE-OS 26 02 730 beschrieben sind, ändern den Luftabstand des in zwei Linsengruppen aufgeteilten Objektivs. In der Regel wird hierbei die hintere Linsengruppe verschoben, während die vordere Linsengruppe feststeht. Durch diesen Eingriff wird auf die sphärische Aberration des Objektivs eingewirkt und somit der Einfluß einer abweichenden Deckglasdicke kompensiert.

Es sind auch Objektive mit Korrektionsfassungen bekannt, die eine Einstellung über einen relativ großen Bereich der Deckglasdicke von 1 bis 2 mm erlauben. Solche Objektive werden beispielsweise in der Zellforschung benötigt, wo die Objekte auf inversen Mikroskopen plaziert und durch den Boden des Kulturgefäßes hindurch beobachtet werden. Objektive für diesen Anwendungszweck sind beispielsweise in der DE-OS 31 13 802 sowie der gleichlautenden US-PS 44 03 835 und der US-PS 46 66 256 beschrieben. Diese Objektive sehen ebenso wie das in der DE-PS 10 37 719 beschriebene Objektiv eine zwischen zwei feststehenden Linsengruppen verschiebbare Linse bzw. Linsengruppe vor. Hierbei ändern sich zwei Luftabstände gleichzeitig: Während die Änderung des einen Luftabstandes zur Korrektur des durch das Deckglas eingeführten sphärischen Fehlers dient, soll einer durch diese Verschiebung herbeigeführten Verschlechterung der Feldkorrektion (Astigmatismus) durch die gleichzeitig stattfindende zweite Abstandsänderung entgegengewirkt werden.

Aus der genannten DE-PS 10 37 719 ist es außerdem bekannt, gleichzeitig mit der Korrekturbewegung das gesamte Objektiv zum Zwecke der Fokusnachstellung zu bewegen.

Mit den bekannten Maßnahmen lassen sich in dem interessierenden Leistungsbereich, d.h. einem Abbildungsmaßstab zwischen 32-fach und 60-fach und einer Apertur zwischen 0.5 und 0.7, jedoch nur geringe Deckglasdickendifferenzen von ca. 1 mm korrigieren. Das für eine Deckglasdickendifferenz von 2 mm angegebene Objektiv 40/0.55 in der DE-OS 31 13 802 hingegen weist Bildfehler, insbesondere Astigmatismus auf, wie sie für ein Planobjektiv mit geebnetem Bildfeld eigentlich nicht tolerierbar sind.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Mikroskopobjektiv mit einer Einrichtung zur Einstellung auf unterschiedliche Deckglasdicken zu schaffen, das bei gleichbleibend guter Korrektion der Bildfehler eine Einstellung auf stark unterschiedliche Deckglasdicken erlaubt.

Ausgehend von einem Mikroskopobjektiv in dem im Oberbegriff von Anspruch 1 genannten Leistungsbereich und einer zwischen einer feststehenden ersten Linsengruppe und einer dritten, ebenfalls feststehenden Linsengruppe angeordneten verschiebbaren zweiten Linsengruppe, wird diese Aufgabe gemäß den im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen dadurch gelöst, daß eine weitere Linse bzw. Linsengruppe zur Einstellung der Deckglas dicke gleichzeitig gegenläufig zur zweiten Linsengruppe ver schiebbar ist.

Diese weitere Linsengruppe ist zweckmäßig ein auf das dritte, feststehende Linsenglied folgendes Kittglied mit negativer Brechkraft. Da sich eine Änderung des Luftabstandes zwischen dem feststehenden dritten Linsenglied und diesem negativen Kittglied auf die Feldkorrektion des Objektivs, insbesondere den Astigmatismus auswirkt und den sphärischen Fehler im wesentlichen ungeändert läßt, können die beiden Fehleranteile durch Verschieben der beiden Linsenglieder unabhängig voneinander optimiert werden, so daß sich eine gute Korrektion über einen weiten Bereich von Deckglasdickenänderungen ergibt.

Es hat sich gezeigt, daß keine komplizierten Bewegungsabläufe zwischen den beiden Linsengliedern erforderlich sind, sondern daß beide Linsengruppen im Zuge der Einstellbewegung linear verschoben werden können. Dies läßt sich beispielsweise durch Gewinde unterschiedlicher Steigung bewerkstelligen, oder durch Nocken, die in entsprechende Nuten mit konstanter aber unterschiedlicher Steigung in einem drehbaren Zwischenring der Linsenfassung eingreifen.

Da zwischen den beiden verschiebbaren Linsengruppen eine feststehende Linse bzw. Linsengruppe angeordnet ist, kann diese als Zentrierlinse zum Ausgleich von Fertigungstoleranzen bei der Montage des Objektivs verwendet werden und ist deshalb zweckmäßig in einer Zentrierfassung aufgenommen. Außerdem kann diese Linse als Träger für einen Phasenring benutzt werden. Beim Phasenkontrastfahren ist es wichtig, die Stellung des Phasenringes im Objektiv konstant zu halten, damit die Abbildungsbedingung zwischen der Blende im Kondensor und dem Phasenring im Objektiv auch bei unterschiedlichen Deckglasdicken gut eingehalten bleibt.

Es ist weiterhin vorteilhaft, wenn die Fokusnachstellung für das gesamte Objektiv mit der Einstellung auf unterschiedliche Deckglasdicke gekoppelt ist und mit dem gleichen Verstellring vorgenommen wird. Durch diese Maßnahme läßt sich das Objektiv besonders leicht handhaben.

Da die Frontlinse des Objektivs an der Einstellbewegung auf Deckglasdicke nicht teilnimmt sondern feststeht, kann das Objektiv außerdem gut abgedichtet werden.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteran sprüchen und der nachstehenden Beschreibung von Ausführungs beispielen anhand der Fig. 1-3c der beigefügten Zeichnungen.

Fig. 1 zeigt ein Objektiv gemäß der Erfindung mit seiner Fassung im Schnitt im Maßstab 1:3;

Fig. 2a, 2b u. 2c zeigen Linsenschnitte des Objektivs aus Fig. 1 bei Einstellung auf Deckglasdicke D =0 (Fig. 2a), Deckglasdicke D =1 mm (Fig. 2b) und Deckglasdicke D =2 mm (Fig. 2c);

Fig. 3a, 3b u. 3c stellen die Korrektionskurven für die Bildfehler des Objektivs bei Einstellung auf die drei genannten Deckglasdicken dar.

Das in Fig. 1 und 2 dargestellte Objektiv ist ein Planachromat mit einem Abbildungsmaßstab von 40× und einer Apertur von 0.6. Es besitzt eine feststehende Frontlinse (L 1). Diese ist wie für Objektive im angegebenen Leistungsbereich üblich als konkav- konvexe Sammellinse ausgebildet. Auf die Frontlinse (L 1) folgt eine konkav-konvexe Einzellinse (L 2) sowie ein aus drei Linsen bestehendes Kittglied (L 3). Das Kittglied (L 3) besteht aus einer bikonvexen Sammellinse zwischen je einer konvex-konkaven und einer konkav-konvexen Negativlinse. Die aus den beiden Linsengliedern (L 2) und (L 3) bestehende Linsengruppe ist wie noch beschrieben wird entlang der optischen Achse verschiebbar.

An das Linsenglied (L 3) schließt sich eine feststehende bikonvexe Einzellinse (L 4) an. Dieses Linsenglied (L 4) ist ebenso wie die Frontlinse (L 1) feststehend. Den bildseitigen Abschluß des Objektivs bildet ein weiteres, ebenfalls längs der optischen Achse verschiebbares Linsenglied (L 5). Das Linsenglied (L 5) ist ein Kittglied und besteht aus einer bikonvexen Positivlinse und einer bikonkaven Negativlinse. Es besitzt insgesamt eine negative Brennweite und dient zur Feldkorrektion des Objektivs, d.h. es beseitigt insbesondere den Astigmatismus, der auftritt, wenn die aus den beiden Linsengliedern (L 2) und (L 3) bestehende Linsengruppe axial verschoben wird.

Die Fassung des in Fig. 1 dargestellten Objektivs besitzt einen äußeren, gehäusefesten Ring (1), der mit dem Anschraubgewinde (2) des Objektivs versehen ist. In diesen Ring (1) ist ein weiterer feststehender Ring (3) eingeschraubt. Dieser Ring (3) trägt das Innengewinde (5) für einen dort drehbar angeschraubten Zwischenring (4). Der Zwischenring (4) ist mit einem Nocken (7) versehen, der in einer Ausnehmung eines um den Ring (3) gelegten Betätigungsringes (6) eingreift.

Der drehbare Zwischenring (4) trägt außerdem zwei spiralförmige Nuten mit gegenläufiger und unterschiedlich steiler Steigung. In diese Nuten greifen einmal der an der Fassung (16) für das Linsenglied (L 5) befestigte Nocken (17) sowie der an der Schiebefassung (12) für die Abschlagsfassungen (13) und (14) der beiden Linsenglieder (L 3) und (L 2) angeschraubte Nocken (15) ein. Die Nocken (17) und (15) greifen außerdem durch axiale Schlitze im Fassungsring (12) und die darum gelegte Trägerhülse (11) hindurch. Die Trägerhülse (11) nimmt neben der Fassung (10) für die Frontlinsengruppe auch alle anderen Linsenfassungen (9, 12, 16) auf und ist mit Hilfe eines daran angebrachten Nockens (18), der in einen Schlitz im fest stehenden Ring (3) eingreift, gegen Verdrehung gesichert. Somit ist sichergestellt, daß sich die Linsenglieder des Objektivs bei einer Drehung des Betätigungsringes (6) zwar axial ver schieben, jedoch nicht mitdrehen.

Wenn der Ring (6) zur Einstellung auf unterschiedliche Deckglasdicken gedreht wird, dann führen die beiden Linsenglieder (L 2/L 3 und L 5) eine gegenläufige Bewegung längs der optischen Achse aus, wobei der Hub des Linsengliedes (L 5) etwa dreimal so groß wie der Hub der Linsengruppe (L 1/L 2) ist. Gleichzeitig bewegt sich die Schiebefassung (11) mit dem gesamten Objektiv entlang der optischen Achse. Dies wird in der Darstellung nach Fig. 2a, 2b und 2c deutlich, in denen die Verhältnisse bei Einstellung auf Deckglasdicke 0 (Fig. 2a) auf eine mittlere Deckglasdicke von D =1 mm (Fig. 2b) und Einstellung auf eine Deckglasdicke von D =2 mm (Fig. 2c) dargestellt sind. Hierbei ändern sich neben dem Arbeitsabstand des Objektivs drei weitere Luftabstände, nämlich d₂, d₈ und d₁₀. Mit Hilfe dieser Parameter läßt sich eine gleichbleibend gute Bildfehlerkorrektur über den gesamten Bereich der Deckglasdickenschwankung von 2 mm erzielen.

In der Tabelle I des Anspruchs 15 sind die Parameter des Objektivs mit einem Abbildungsmaßstab von 40× und einer Apertur von 0,6 aufgeführt, wie es in Fig. 1 bzw. Fig. 2 dargestellt ist. In der Tabelle sind mit d die Dicken der Linsen und die Luftabstände und mit r die Krümmungsradien der Linsenflächen bezeichnet und wie in Fig. 2a bzw. 2b fortlaufend numeriert. nd bezeichnet die Brechungsindices und ν d die Abbezahlen der Gläser.

In den Fig. 3a bis 3c sind die Bildfehler dieses Objektivs, nämlich sphärische Aberration, Astigmatismus und Verzeichnung für die drei genannten Deckglasdicken D =0, D =1 mm und D =2 mm dargestellt. Die sphärische Aberration und der Astigmatismus sind in mm angegeben, während die Verzeichnung in Prozent angegeben ist. Astigmatismus und Verzeichnung sind über den gesamten Bildfelddurchmesser von 25 mm dargestellt.

Wie man erkennt besitzt das Objektiv für alle drei Deckglasdicken sehr gut korrigierte Werte, die über das gesamte Bildfeld unter der Sichtbarkeitsgrenze liegen. Das Objektiv kann deshalb mit Recht als Planachromat bezeichnet werden.

Es soll an dieser Stelle noch hervorgehoben werden, daß die Beibehaltung der guten Korrektionseigenschaften über den gesamten Bereich der Deckglasdicke keinen übermäßigen fertigungstechnischen Aufwand erfordert hat, denn alle Bewegungsabläufe in der Fassung erfolgen linear, so daß keine komplizierten Kurvenkörper gefertigt und justiert werden müssen.

In der Tabelle II des Anspruchs 15 sind die Parameter eines Objektivs mit einem Abbildungsmaßstab von 32× und einer Apertur von 0.55 und in der Tabelle III die Parameter für ein drittes Objektiv mit einem Abbildungsmaßstab von 50× und einer Apertur von 0.65 angegeben. Diese beiden Objektive sind ebenfalls Planachromaten und zeichnen sich durch eine ähnlich gute Bildfehlerkorrektion aus wie das mit Linsenschnitt und Korrektionskurven dargestellte Objektiv 40/0.60. Auch den beiden Objektiven nach Tabelle II und Tabelle III liegt der in Anspruch 14 angegebene prinzipielle Aufbau zugrunde, d.h. sie bestehen ebenfalls aus acht Linsen in vier Gruppen, wobei die aus der Einzellinse (L 2) und dem Kittglied (L 3) bestehende zweite Linsengruppe und die aus dem Kittglied (L 4) bestehende vierte Linsengruppe gegenläufig zueinander verschiebbar sind. Der Linsenschnitt dieser beiden Objektive entspricht deshalb im wesentlichen dem nach Fig. 2a-c, so daß auf eine nochmalige Darstellung an dieser Stelle verzichtet werden kann.

Claims

1. Mikroskopobjektiv mit einem Abbildungsmaßstab zwischen 32× und 60×, einer Apertur von mindestens 0.5 und einer Einrichtung zur Einstellung auf unterschiedliche Deckglasdicken, wobei eine zwischen einer feststehenden ersten Linse (L 1) bzw. Linsengruppe und einer dritten ebenfalls feststehenden Linse (L 4) bzw. Linsengruppe eine zweite Linse bzw. Linsengruppe (L 2/L 3) verschiebbar angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine weitere Linse bzw. Linsengruppe (L 5) gegenläufig zur zweiten Linse bzw. Linsengruppe (L 2/ L 3) verschiebbar ist.

2. Mikroskopobjektiv nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegungen der beiden verschiebbaren Linsengruppen (L 2/L 3; L 5) linear sind.

3. Mikroskopobjektiv nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Bewegungshub der weiteren Linsengruppe (L 5) größer als der Hub der zweiten Linsengruppe (L 2/L 3) ist.

4. Mikroskopobjektiv nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegungshübe mindestens um einen Faktor drei unterschiedlich sind.

5. Mikroskopobjektiv nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Linsengruppe (L 4) in einer Zentrierfassung (9) aufgenommen ist.

6. Mikroskopobjektiv nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Einstellung auf unterschiedliche Deckglasdicke mit einer Einrichtung zur Fokusnachstellung des gesamten Objektivs gekoppelt ist.

7. Mikroskopobjektiv nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein einziger Betätigungsring (6) vorgesehen ist, der gleichzeitig die gegenläufige Bewegung der beiden Linsenglieder (L 2/L 3; L 5) zur Deckglasdickenkorrektur und die Bewegung des Gesamtobjektivs zur Fokusnachstellung bewirkt.

8. Mikroskopobjektiv nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Fokusnachstellung ein Feingewinde (5) an einem mit dem Betätigungsring (6) gekoppelten Zwischenring (4) dient.

9. Mikroskopobjektiv nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Einstellung auf unterschiedliche Deckglasdicke aus zwei mit den jeweiligen Linsenfassungen verbundenen Nocken (15, 17) besteht, die in zwei Nuten mit konstanter aber unterschiedlicher Steigung im Zwischenring (4) eingreifen.

10. Mikroskopobjektiv nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Änderung des Luftabstandes (d₁₀) zwischen dem feststehenden dritten Linsenglied (L 4) und dem verschiebbaren weiteren Linsenglied (L 5) auf die Feldkorrektion des Objektivs, insbesondere den Astigmatismus wirkt.

11. Mikroskopobjektiv nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden feststehenden Linsenglieder (L 1, L 4) positive Einzellinsen sind.

12. Mikroskopobjektiv nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die verschiebbare, zweite Linsengruppe eine positive Brechkraft besitzt.

13. Mikroskopobjektiv nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gleichzeitig verschiebbare weitere Linsengruppe (L 5) ein Kittglied mit negativer Brechkraft ist.

14. Mikroskopobjektiv nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Objektiv ein Planachromat ist, acht Linsen in vier Gruppen enthält und in Lichtrichtung gesehen folgenden Aufbau besitzt:

- eine Frontlinse in Form einer konkav-konvexen Sammel linse,
- eine weitere konkav-konvexe Einzellinse (L 2) im Abstand (d₂) zur Frontlinse,
- ein Kittglied (L 3) aus drei Linsen, wobei die mittlere Linse eine bikonvexe Sammellinse ist, die von einer konvex-konkaven und einer konkav-konvexen Zerstreuungs linse eingeschlossen ist,
- eine bikonvexe Einzellinse (L 4) im Abstand (d₈) zum Kittglied (L 3),
- ein aus einer bikonvexen Sammellinse und einer bikonkaven Zerstreuungslinse bestehendes Kittglied im Abstand (d₁₀) zur bikonvexen Sammellinse (L 4),

und daß die drei Abstände (d₂, d₈ und d₁₀) zur Einstellung auf unterschiedliche Deckglasdicke variabel sind.

15. Objektiv nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Objektiv die in einer der drei nachstehenden Tabellen ange gebenen Daten für die Linsenradien r, Linsendicke und Ab stände d, Brechungsindizes nd und Abbezahlen ν d der ver wendeten Gläser besitzt oder Werte, die ausgehend von einem dieser Datensätze durch Variation einzelner Parameter zu einem Objektiv mit gleichem Abbildungsmaßstab β und gleicher numerischer Apertur A sowie einem vergleichbar guten Korrektionszustand führen:

Tabelle I

Tabelle II Tabelle III