DE2655041A1

DE2655041A1 - Immersionsobjektiv

Info

Publication number: DE2655041A1
Application number: DE19762655041
Authority: DE
Inventors: Rudolf Conradi; Lothar Dr Rer Nat Trapp
Original assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Current assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Priority date: 1976-12-04
Filing date: 1976-12-04
Publication date: 1978-06-08
Also published as: JPS5370837A; GB1567707A; AT355832B; DE2655041C2; JPS6238688B2; BR7708036A; US4208101A; CH625056A5; ATA787977A

Description

FIRMA CARL ZEISS, 7920 HEIDENHEIM CBRENZ) £ O O ü U 4 I

Immersionsobjektiv

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Immersionsobjektiv für Mikroskope.

ALs Immersionsobjektiv bezeichnet man ein Mikroskopobjektiv, das zur Beobachtung eines Objektes so in eine Flüssigkeit, das sogenannte Immersionsmittel eingetaucht wird, daß diese Flüssigkeit den Raum zwischen der Front-Linse des Objektivs und bei bedeckten Objekten dem Deckglas bzw. bei unbedeckten Objekten dem Objekt selbst volLständig ausfüllt. Unter Verwendung von Immersionsmitteln lassen sich Mikroskopobjektive errechnen, die eine hohe numerische Apertur mit Werten > 1 haben.

Es gibt verschiedene Immersionsmittel, von denen die bekanntesten Wasser, Glyzerin und Zedernöl sind. Jedes dieser Mittel hat einen anderen Brechungsindex. Bei Objektiven höherer Apertur ist die Bildqualität in hohem Maße abhängig von dem optischen Medium zwischen Objekt und Objektiv. Aus diesem Grunde sind Immersionsobjektive für ein ganz bestimmtes Immersionsmittel korrigiert, d.h. ein bestimmter Objekttyp ist in mehreren Ausführungen zur Verwendung mit jeweils einem Immersionsmittel vorgesehen. Wenn man ein solches für ein bestimmtes Immersionsmittel," z.B. öl Cn = 1,52) korrigiertes Objektiv mit einem Immersionsmittel niedriger Brechzahl/ z.B. Wasser Cn = 1,33) benutzt, so entstehen Bildfehler, insbesondere sphärische Aberration, die bereits bei mittelstarken Objektiven zu einer untragbaren Verschlechterung der Bildgüte führen.

Auch bei Trockenobjektiven, d.h. Mikroskopobjektiven die ohne Immersionsmittel bentzt werden, sind Objektive höherer Apertur in ihrer Bildqualität

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stark von der Dicke des verwendeten Objekt-Deckglases abhängig. Die Deckglasdicke ist auf 0,17 mm genormt und unter Zugrundelegung genau dieses Wertes sind die Objektive berechnet und korrigiert. Um nun bei Trockenobjektiven höherer Apertur die Deckglasdicke der Präparate nicht auf allzu kleine, in der Regel nicht einhaltbare Maßabweichungen beschränken zu müssen, sind sogenannte Korrektionsfassungen bekannt, die durch Abstandsänderung von optischen Gliedern innerhalb des Objektivs eine Anpassung an größere Abweichungen der Deckglasdicke gestatten.

Bei solchen Korrektionsfassungen ist üblicherweise die Frontlinsengruppe sowie eine nachgeordnete Linsengruppe gegeneinander verschiebbar angeordnet. Die Verschiebung dieser Linsengruppen gegeneinander wirkt auf die sphärische Korrektion ein, so daß sich eine durch die Abweichung der Deckglasdicke von der Norm verursachte sphärische Aberration korrigieren läßt. Dabei entstehen jdoch andere Bildfehler, wie z.B. Koma, Farbfehler, Astigmatismus, die in Kauf genommen werden müssen.

Solche Korrektionsfassungen wurden bisher nur zur Einstellung auf die tatsächliche Deckglasdicke verwendet.

Es ist ein mikroskopisches Objektiv für AufIichtbeleuchtung bekannt, bei dem das abbildende System ringförmig von einem Kondensor umgeben ist, durch den Licht auf das Präparat gelenkt wird. Um störende Reflexe zu vermeiden, ist vor der Frontlinse des Objektivs eine planparallele, 'konisch begrenzte Glasplatte angeordnet, deren Dicke mindestens derjenigen der Frontlinse entspricht. Diese Platte wird mit dem Präparat in Kontakt gebracht und lenkt damit den Beleuchtungsstrahlengang so auf das Präparat, daß nur die zu beobachtende Stelle beleuchtet wird, ohne daß störende, den Bildkontrast verschlechternde Reflexionen entstehen. Außerdem erlaubt die Frontplatte auch die Beleuchtung und Beobachtung von Objekten, die mit einer dicken Flüssigkeitsschicht bedeckt sind, indem die Platte in die Flüssigkeit eintaucht und den Beleuchtungsstrahlengang damit unmittelbar und ohne störende Oberflächenreflexe auf das Objekt lenkt.

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Der vorLiegenden Erfindung Liegt nun die Aufgabe zugrunde, die für den Benutzer und dem Hersteller lästige Vielzahl von auf spezielle Immersionsmittel zugeschnittenen, jedoch in ihrer Bauart ähnlichen Mikroskopobjektiven, ohne Einschränkung der Anwendungsbreite der Immersionsobjektive zu vermindern.

Dies wird nach der Erfindung erreicht durch die Ausbildung eines Immersionsobjektivs zum Gebrauch mit mehreren, optisch verschiedenen Immersionsmitteln durch Verwendung mindestens eines, zum Ausgleich der bei Verwendung verschiedener Immersionsmittel auftretenden Bildfehler in Richtung der optischen Achse verschiebbaren optischen Gliedes.

Das zwischen Objekt und der Front linse des Objektivs, d.h. im sogenannten Immersionsraum vorhandene Immersionsmittel kann im wesentlichen als eine Platte angesehen werden. Vergrößert man den Brechungsindex η einer solchen Platte gegenüber dem Sollwert, so entsteht eine sphärische Überkorrektion, macht man den Brechungsindex kleiner, so entsteht eine sphärische Unterkoi— rektion. Bei einer Änderung der Dicke d einer solchen Platte, nimmt bei Zunahme des d-Wertes die sphärische Überkorrektion zu und entsprechend bei einer Abnahme des d-Wertes ab.

Wenn ein beispielsweise für öl korrigiertes Objektiv der bisherigen Bauart mit einem Immersionsmittel niedriger Brechzahl (z.B. Wasser) benutzt werden soll, so verringert sich bei der Scharfstellung des Objekts die Dicke des Immersionsraumes im Verhältnis der Brechzahlen. Die vorstehenden Betrachtungen zeigen, daß daraus sphärische Aberration resultiert. Es kommt deshalb darauf an, durch Einwirkung auf die sphärische Korrektion, die beim Wechsel des Immersionsmittels entstehenden Bildfehler zu kompensieren.

Im einfachsten Fall wird dazu das Objektiv an einer Stelle aufgetrennt, die genügend auf die sphärische Korrektion einwirkt, ohne bei einer an dieser Stelle bewirkten Abstandsänderung der Objektiv-Teile andere Bildfehler in störendem Umfang entstehen zu lassen.

Von ganz besonderem Vorteil ist es, auf der dem Objekt benachbarten Seite der Objektiv-Frontlinse eine Platte aus optisch durchsichtigem Werkstoff

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verschiebbar anzuordnen und ihren Abstand von der Front linse in Abhängigkeit vom Brechungsindex des verwendeten Immersionsmittels so einstellbar zu machen, daß beim Fokussieren des Mikroskops die Dicke des vom Immersionsmittel erfüllten Raumes bei abnehmendem Brechungsindex des Immersionsmittels zunimmt und umgekehrt.

Damit gelingt es beim übergang von einem Immersionsmittel auf ein anderes,die durch die veränderte Brechzahl η entstehende sphärische Aberration durch diejenige zu kompensieren, die durch die geänderte Dicke d des Immersionsraums verursacht wird. Die durch das Objektiv selbst erreichte Bildfeldkorrektion bleibt bei dieser Lösung völlig unabhängig vom verwendeten Immersionsmittel stets gleich, da das Objektiv immer in gleicher Weise benutzt wird.

Die vor der Objektiv-Front linse angeordnete Platte ist vorteilhaft als planparallele Glasplatte ausgebildet, deren Dicke für ihre Wirksamkeit ohne Bedeutung ist.

Das neue Immersionsobjektiv ist zweckmäßig so ausgebildet, daß ein mit Markierungen für gebräuchliche Immersionsmittel versehenes Betätigungsglied zum Einstellen des Abstandes zwischen Frontlinse und Frontplatte vorgesehen ist. Dieses Betätigungsglied ist vorzugsweise als Einstellring ausgebildet, dessen Drehung den Abstand zwischen Front linse und Frontplatte entsprechend dem Brechungsindex η des zu verwendenden Immersionsmittels einstellt.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren 1 bis 3 der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Im einzelnen zeigen:

Fig. 1 einen Teilschnitt durch ein Ausführungsbeispiel des neuen Immersionsobjektivs;

Fig. 2 den Raum zwischen der Front linse eines neuen Immersionsobjektivs und dem Deckglas eines Objektes in vergrößerter . Schnittdarstellung;

Fig. 3 den in Fig. 2 gezeigten Raum bei Verwendung eines Immersionsmittels mit niedrigerem Brechungsindex.

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In Fig. 1 ist mit 1 ein mikroskopisches Immersionsobjektiv bezeichnet, das eine Front Linse 2, zwei weitere Linsengruppen 3 und 4 sowie weitere, hier nicht sichtbare Linsengruppen enthäLt. SämtLiche Linsengruppen sind in einem zylindrischen Rohr 5 gefaßt, das entgegen der Wirkung einer hier nicht dargesteUten Feder in Richtung der optischen Achse nach oben bewegbar ist.

Vor der FrontLinse 2 des Objektivs ist eine pLanparaLLeLe GLaspLatte 6 in einer Fassung 7 angeordnet. Mit 8 ist ein drehbarer EinsteLLring bezeichnet, der mit einer Indexmarke 9 versehen ist. Hit dem EinsteLLring 8 ist ein weiterer Ring 10 fest verbunden, weLcher eine schlitzförmige Ausnehmung 11 in Form einer Kurvenscheibe enthäLt. Ein Stift 12, der fest mit der Zylindei— fassung 5 verbunden ist, gleitet auf der Kurvenscheibe im Ring 10.

Beim Drehen des EinsteLLringes 8 wird über die Kurvenscheibe 11 und den Stift 12 die ZyLinderfassung 5 in Richtung der optischen Achse bewegt und zwar gegenüber der feststehenden Fassung 7 und dem feststehenden Ring 13. Der Ring trägt Markierungen 14 für Brechungsindices verschiedener ImmersionsmitteL.

Beim Drehen des EinsteLLringes 8 wird aLso der Abstand zwischen der FrontLinse 2 und der PLatte 6 verändert und zwar so, daß der Brechungsindex für das gewählte ImmersionsmitteL dem Ableseindex 9 gegenüber steht. Anschließend wird das gewählte ImmersionsmitteL in den Raum zwischen der Frontplatte 6 und dem zu beobachtenden Objekt gebracht und es wird, beispielsweise durch Verschieben des Objekttisches fokussiert.

Die Wirkungsweise des neuen Immersionsobjektivs wird im folgenden anhand der Figuren 2 und 3 näher erläutert. In Fig. 2 ist mit 15 das Deckglas eines zu beobachtenden Präparates bezeichnet. Zwischen die Frontplatte 6 des Objektivs 1 und das Deckglas 15 ist ein ImmersionsmitteL 16 eingebracht, welches im dargestellten BeispieL öl mit einem Brechungsindex η = 1,52 sein soll. Durch Drehen des EinstelLringes 8 am Objektiv 1 ist der Ableseindex 9 der Markierung 1,52 auf dem Ring 13 gegenübergestellt, was in dem in Fig. 2 dargestellten Ab-

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stand zwischen der Frontlinse 2 und der Frontplatte 6 resultiert. Bei dem anschließenden Fokussierungsvorgang wird auf das Präparat scharf eingestellt, wobei sich eine Dicke d^ des Ifiimersionsraumes ergibt. Sobald dies erreicht ist, hat ein beispielsweise eingezeichneter Lichtstrahl 18 den aus Fig. 2 ersichtlichen Verlauf.

Soll nun unter Verwendung desselben Objektivs 1 ein anderes Immersionsmittel 17, beispielsweise Wasser Cn = 1,33) verwendet werden, so wird zunächst der Einstellring 8 so lange gedreht, bis der Ableseindex 9 der entsprechenden Markierung 14 gegenübersteht. Dabei verändert sich der Abstand zwischen der Frontlinse 2 und der Frontplatte 6 so, wie dies in Fig. 3 dargestellt ist, d.h. er wird um die Strecke s verkleinert. Beim anschließenden Fokussierungsvorgang wird, wie ein Vergleich der Figuren 2 und 3 zeigt, das Präparat mit dem Deckglas 16 leicht angehoben, so daß eine Dicke d-, des Immersionsraumes zwischen Frontplatte 6 und Deckglas 15 entsteht. Die Dicke d_ ist etwas größer als die Dicke d. des Immersionsraumes im Beispiel der Fig. 2. Damit ist die durch die verringerte Brechzahl η des Immersionsmittels 17 entstehende sphärische Aberration durch diejenige kompensiert, welche durch die Änderung der Dicke d^ in die Dicke d_? des Immersionsraumes verursacht wird.

Man erkennt, daß im Falle der optimalen Fokussierung der beispielsweise eingezeichnete Lichtstrahl 18 in den Figuren 2 und 3 für das eigentliche Objektiv genau denselben Verlauf hat. Damit wird deutlich, daß die Bildfeldkorrektion des Mikroskopobjektivs bei einem Wechsel des Immersionsmittels vollständig erhalten bleibt.

Das neue Immersionsobjektiv ermöglicht zusätzlich eine Korrektion der Deckglasdicke. Dazu ist lediglich der Einstellring 8 geringfügig anders zu vei— drehen als dies durch die Skala 14 und den Index 9 angezeigt ist.

Mit dem neuen Mikroskopobjektiv ist auch die Deckglasdicke Null korrigierbar, so daß sich dieses Objektiv zur Beobachtung von Präparaten mit oder ohne Deckglas verwenden läßt. Bei der in Fig. 2 dargestellten Immersion mit der ölschicht 16 macht es praktisch keinen Unterschied, ob ein Deckglas 15 vei—

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wendet wird oder nicht, da beide Medien 15 und 16 eine nahezu gleiche Brechzahl, besitzen. Im FaLLe der Fig. 3 mit dem niedriger brechenden Mittel 17 muß die Dicke dp des Immersionsraumes etwas vergrößert werden, wenn von der Beobachtung eines Präparates mit Deckglas zu ein^r Beobachtung ohne Deckglas übergegangen wird.

Die in den Figuren 1 bis 3 dargestellte Lösung ist verwendbar für Objektive mit einer numerischen Apertur, die zwischen 0,5 und 1 liegt. Bei Objektiven mit einer numerischen Apertur < 0,5 stört praktisch der beim Wechsel des Immersionsmittels auftretende Fehler nicht.

Das neue Immersionsobjektiv hat einen sehr großen Korrektionsbereich, der alle bekannten Immersionsmittel umfaßt und der praktisch von η = 1,33 bis zu einer nicht näher bestimmten oberen Grenze reicht.

Immersionsobjektive nach der Erfindung finden vorzugsweise Anwendung in der Fluoreszenzmikroskopie. Dort kommt es darauf an, Immersionsmittel ohne störende Eigenfluoreszehz zu verwenden. Bei Verwendung des neuen Objektives lassen sich geeignete Flüssigkeiten ohne Rücksicht auf ihren Brechungsindex auswählen und als Immersionsmittel verwenden. So ist beispielsweise die Verwendung von flüssigem Paraffin als Immersionsmittel möglich. Ganz allgemein machen die neuen Immersionsobjektive den Benutzer völlig unabhängig vom Immersionsmittel, d.h. der Anwendungsbereich eines Immersionsobjektives wird gegenüber den bisher üblichen, auf ein ganz bestimmtes Immersionsmittel zugeschnittenen Objektiven ganz wesentlich erweitert, so daß auch die Zahl der verschiedenen Immersionsobjektive verringert werden kann.

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eerseite

Claims

— 8*'— Patentansprüche

1. Immersionsobjektiv für Mikroskope, gekennzeichnet durch seine Ausbildung " zum Gebrauch mit mehreren, optisch verschiedenen Immersionsmitteln C16,17) durch Verwendung mindestens eines, zum Ausgleich der bei Verwendung verschiedener Immersionsmitte!, auftretenden Bildfehler in Richtung der optischen Achse verschiebbaren optischen Gliedes (6).

2. Immersionsobjektiv nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf der dem Objekt benachbarten Seite seiner Frontlinse (2) eine Platte (6) aus optisch durchsichtigem Werkstoff verschiebbar angeordnet und ihr Abstand von der Front linse in Abhängigkeit vom Brechungsindex Cn) des verwendeten Immersionsmittels C16,17) so einstellbar ist, daß beim Fokussieren des Mikroskops die Dicke Cd) des vom Immersionsmittel erfüllten Raumes bei abnehmendem Brechungsindex Cn) des Immersionsmittels zunimmt und umgekehrt.

3. Immersionsobjektiv nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die vor der Frontlinse C2) angeordnete Frontplatte C6) als planparallele Glasplatte ausgebildet ist.

4. Immersionsobjektiv nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß beim übergang von einem Immersionsmittel C16) mit hohem zu einem solchen C17) mit niedrigerem Brechungsindex der Abstand zwischen Frontlinse C2) und Frontplatte C6) verkleinert wird.

5. Immersionsobjektiv nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein mit Markierungen C14) für gebräuchliche Immersionsmittel versehenes Betätigungsglied C8) zum Einstellen des Abstandes zwischen Frontlinse C2) und Frontptatte C6) vorgesehen ist.

6. Immq- si onsobjektiv nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch einen. Markierungen für Brechungsindices verschiedener Immersionsmittel tragenden Einstellring C8),

USh/Hgs
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