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Patent Searching and Data


Title:
HIGH APERTURE OBJECTIVE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2002/067038
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a high aperture objective, consisting of a first lens (L1) with positive refractive power (f1) and a second lens (L2) with negative refractive power (f2), wherein the focal depth ratio between both lenses lies in the range of -0.4<(f1/f2)<-0.1 and the total refractive power 1/f1+1/f2 is larger than zero. Said objective also comprises two positive lenses (L3, L4) whose ratio diameter (d3, d4) to focal depth (f3, f4) fulfills the requirement of being greater 0.3 and smaller 0.6: 0,3f5/f6> -2.

Inventors:
MATTHAE MANFRED
SCHREIBER LOTHAR
FAULSTICH ANDREAS
KLEINSCHMIDT WERNER
Application Number:
PCT/EP2002/001676
Publication Date:
August 29, 2002
Filing Date:
February 16, 2002
Export Citation:
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Assignee:
ZEISS CARL JENA GMBH (DE)
International Classes:
G02B9/62; G02B9/64; G02B21/02; (IPC1-7): G02B21/02; G02B9/62; G02B9/64
Foreign References:
US5502596A1996-03-26
US5805346A1998-09-08
US5659425A1997-08-19
US4537472A1985-08-27
Attorney, Agent or Firm:
CARL-ZEISS-JENA GMBH (Carl-Zeiss-Promenade 10 Jena, DE)
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Claims:
Patentansprüche
1. Hochaperturiges Objektiv, bestehend aus einer ersten Linse L1 mit positiver Brechkraft f1 und einer zweiten Linse L2 mit negativer Brechkraft f2 wobei das Brennweitenverhältnis zwischen beiden Linsen im Bereich0,4< (f1/f2) <0,1 liegt und und die Gesamtbrechkraft 1/f1+1/f2 größer Null ist, zwei positiven Linsen L3, L4 deren Verhältnis"Durchmesser d3, d4 zu Brennweite f3, f4 jeweils der Forderung genügt, größer 0,3 und kleiner 0,6 zu sein : 0,3< d3/f3<0, 6,0,3< d4/f4<0, 6, einer Negativlinse L5 und einer Sammellinse L6, wobei die Negativlinse der Frontgruppe zugewandt ist und das Brennweitenverhältnis von L5 und L6 f5/f6 zwischen0,5 und2 liegt : 0, 5 <f5/f6<2.
2. Objektiv nach Anspruch 1, mit einer weiteren Gruppe bestehend aus vorzugsweise 3 verkitteten Linsen L7, L8, L9 mit positiver Gesamtbrechkraft und einer Einzelbrechkraftfolge PositivNegativPositiv denen sich vorzugsweise 5 weitere zum Teil verkittete Linsen L10, L11, L12, L13, L14 anschließen, welche überwiegend zum Ausgleich von Feldfehlern wirken.
3. Objektiv nach Anspruch 2, wobei sich zwischen L11 und L12 sowie L12 und L13 ein Luftabstand befindet.
Description:
Hochaperturiges Objektiv Die Apertur ist ein wesentliches Kriterium zur Kennzeichnung der Leistungsfähigkeit von Mikroobjektiven. Sie ist das Produkt aus dem Sinus des halben Öffnungswinkels und der Brechzahl der Immersionsflüssigkeit bei Immersionsanwendungen..

Insbesondere bei sogenannten TIRF-Anwendungen (Totel Internal Reflection Fluorescence), wo die Totalreflexion ausgenutzt wird, um Fluoreszenzen in einer Grenzschicht zu beobachten, ist derÖffnungswinkel von Bedeutung.

Bei der Fluoreszenzanregung durch Totalreflektion (TIRF) wird das Objektiv in wäßriger Probenumgebung benutzt. Es wird kollimiertes Licht an einer Stelle in der Pupille des Objektives eingekoppelt, die einer Apertur von > 1,38 entspricht.

Diese Apertur liegt über dem Grenzwinkel der Totalreflektion des Deckglas- Wasser Übergangs, d. h. das eingestrahlte Licht wird durch Totalreflektion an der Grenzfläche zurückgeworfen ; unmittelbar über der Grenzschicht entsteht dabei eine sog. evaneszente Lichtwelle, deren Eindringtiefe im Wasser nur in der Grössenordnung der Lichtwellenlänge liegt. Damit ist tiefenselektive Fluoreszenzanregung von Objekten in unmittelbarer Nähe der Grenzschicht möglich.

Bisherige Patentveröffentlichungen zu Mikroskopobjektiven mit Normalimmersionen überschreiten nicht wesentlich Aperturen von mehr als 1,4.

Die in der Patentliteratur beschriebenen höheraperturigen Systeme (>1,4) realisieren diese über die Brechzahl der Immersionsflüssigkeit (n ca. 1,78) (US Patent 5,659,425).

Immersionsflüssigkeiten dieser Art haben aber erhebliche Nachteile, so daß sie in der Praxis nur selten angewendet werden (giftig, inhomogen u. a.).

Zudem muss auch das Deckglasmaterial im Brechungsindex angepaßt sein, was zusätzliche Kosten verursacht.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Objektiv mit hoher Apertur und einfachem Aufbau zu realisieren.

Die vorliegende Erfindung realisiert einen überraschend großen Öffnungswinkel bei einfachem Aufbau, d. h. gegenüber anderen Mikroobjektiven gilt, daß der Quotient aus der numerischen Apertur und dem Brechungsindex des Immersionsöls (normale Immersionsöle ca. 1,5) nicht übertroffen wird.

Mit normalen Immersionsölen (n [546nm] =1,52) hat die Apertur in der Achse einen Wert von etwa 1,45 und am Feldrand (2y'=20mm) immer noch einen Wert von etwa 1,43. Durch die hohe Öffnung erhält man wesentliche Vorteile, wie bessere Detailauflösung und höhere Lichtstärke.

Ausführungsbeispiel Erreicht werden die o. g. extremen Leistungsmerkmale durch einen optischen Aufbau, der wie folgt gekennzeichnet ist : Hochaperturiges Objektiv, gekennzeichnet durch die Bedingung A/n>0,938, wobei A die Apertur und n die Brechzahl des Immersionsmittels bei 546nm ist.

In Fig. 1 ist ein erfindungsgemäßes Objektiv schematisch dargestellt, in Fig. 2 sind die vorderen Linsengruppen (Frontgruppe) vergrößert dargestellt.

Die Frontgruppe besteht aus einer Linse L1 mit positiver Brechkraft f1 und niedrigem Brechungsindex (n [546nm] <1,6), welche in eine Linse mit negativer Brechkraft f2 und hohem Brechungsindex (n [546nm] >1,7, eingebettet verkittet ist. Das Brennweitenverhältnis zwischen beiden Linsen liegt im Bereich - 0, 4< (Brennweite f1"+"geteilt durch Brennweite f2"-") <-0,1. Die Gesamtbrechkraft der Gruppe ist positiv.

Zur Minderung des Öffnungswinkels folgen der Frontgruppe zwei Sammellinsen L3, L4 deren Verhältnis"Durchmesser d3, d4 zu Brennweite f3, f4 jeweils der Forderung genügt, größer 0,3 und kleiner 0,6 zu sein.

Die nachfolgende Gruppe besteht aus einer Negativlinse L5 und einer Sammellinse L6, wobei die Negativlinse der Frontgruppe zugewandt ist. Das Brennweitenverhältnis beider Linsen f5 : f6 liegt zwischen-0,5 und-2.. Die Gesamtbrechkraft dieser Gruppe ist positiv.

Die nächste Gruppe besteht aus 3 verkitteten Linsen L7, L8, L9 mit positiver Gesamtbrechkraft und Einzelbrennweiten f7>0, f8<0 und f9>0 denen sich 5 weitere zum Teil verkittete Linsen L10, L11, L12, L13, L14 anschließen, welche überwiegend zum Ausgleich von Feldfehlern wirken. Zwischen L11 und L12 sowie L12 uns L13 befindet sich ein Luftabstand.

Das unten beschriebene Beispiel der Daten eines Tubuslinsenbeispiels kann durch andere Beispiele ersetzt werden, es dient dem Ausgleich von Restfehlern (z. B. Farbdifferenzen) im auf unendlich korrigierten Objektiv, andere Tubuslinsen können vom Anwender mit dem beschriebenen Objektiv kombiniert werden, wenn deren Korrektion nicht konträr den Korrektionsanforderungen des beschriebenen Objektivs entgegengerichtet ist." Das beschriebene Objektiv realisiert in der Achse und bis zum Bildfeld von 2y'=20mm eine excellente optische Korrektur. Die Apertur beträgt 1,45 bei einer 100-fachen Vergrößerung.

Achromasie besteht zwischen den Wellenlängen C'und F', wobei das verbleibende sekundäre Spektrum innerhalb des Tiefenschärfenbereiches liegt.

Die Verzeichnung ist minimal.

Systemdaten eines Designbeispiels Das vorgestellte Mikroobjektiv wurde mit einem Deckglas der Dicke 0,17mm korrigiert. Der Abstand Deckglas 1. Linsenfläche beträgt 0,12mm.

Fläche Radien Distanzen Medium 1 Unendlich 0,17 Deckglas 2 Unendlich 0,12 Immersionsoel 3 Unendlich 0,6 N-BK7 4-1,2579 2,5 N-LASF31 5-2,778 0,1 Luft 6-6,5423 3,64 N-FK51 7-4,9407 0,1 Luft 8-44,666 3,09 N-PK51 9-11,14 0,103 Luft 10-139,25 1,11 N-KzFS4 11 12,23 7,76 N-PK51 12-13,925 0,1 Luft 13 21, 754 4,87 Flußspat 14-15,961 1,16 N-KzFS4 15 9,8584 4,87 N-PK51 16-51,958 0,205 Luft 17 6,7777 5,83 N-PK51 18-93,056 1,1 N-KzFS4 19 3,5485 1,306 Luft 20 4,5281 4,85 N-PK51 21 3,759 1,907 Luft 22-3,1612 1,92 SF2 23-2,8175 0,73 N-FK51 24-8,1748 96,419 Luft mit Tubuslinse 25 147,49 6 BaF3 26-273,84 1,93 Luft 27 Unendlich 161,2 BK7 28 Unendlich 54 Luft Durchmesser : Fläche Freier Durchmesser 1 0, 2 2 1,35 3 2 4 2,16 5 5,54 6 8,69 7 9,88 8 14,30 9 14,90 10 15,84 11 17,06 12 17,54 13 16,50 14 16,07 15 14,73 16 14,63 17 13,00 18 11,83 19 6,74 20 6,85 21 4,51 22 4,47 23 5,20 24 5,83 Toleranzen : Radientoleranzen (Passe) < 4 Newtonringe Abweichungen bei Dicken und Abständen < 0,06mm Maximale Brechzahlabweichungen +/-0, 0005 In Fig. 3 ist die Modulationsübertragungsfunktion (Achspunkt, Wellenlänge 546nm) : dargestellt.

Die Modulationsübertragungsfunktion (MÜF) ist ein international anerkanntes Kriterium zur Analyse und Darstellung der Leistungsfähigkeit von optischen Systemen. Sie beschreibt mit welchem Kontrast eine Menge von Linienpaaren noch aufgelöst wird. Die Anzahl der Linienpaare pro mm steht in der Abszissenachse, während die Ordinatenachse den Kontrast von 0 (kein Kontrast) bis 1 (voller Kontrast) anzeigt. Da die Auflösung stark von der Apertur abhängt, belegt die angegebene MÜF die extrem große Öffnung des Erfindungsobjektivs. Die Angaben beziehen sich auf den Achspunkt im Zwischenbild. Im Objektraum ist die Zahl der aufgelösten Linienpaare um den Faktor 100 (Abbildungsmaßstab) größer.