DE1447207A1

DE1447207A1 - Catadioptric microscope objective

Info

Publication number: DE1447207A1
Application number: DE19631447207
Authority: DE
Inventors: Riesenberg Dr Horst
Original assignee: Jenaoptik Jena GmbH
Current assignee: Jenaoptik Jena GmbH
Priority date: 1963-12-21
Filing date: 1963-12-21
Publication date: 1968-12-05

Description

Katadioptrisches Mikroskop-Objektiv Die Erfindung bezieht sich auf ein aus spiegelnden und brechenden Flächen bestehendes katadioptrisches Mikroskop-Objektiv. Die bekannten katadioptrischen Mikro- skop-Objektive haben gegenüber vergleichbaren Linsenob- jektiven den Vorteil der besseren Parbkorrektion und/oder des größeren Objektabstandes. Ein verhältnismäßig großer Objektabstand kann vor allem bei katadioptrischen Objek-tiven erzielt werden, die eine konkave und eine konvexe Spiegelfläche vom gleichen Krümmungssinn enthalten. Am geringsten ist die Einbuße an freiem Objektabstand bei katadioptrischen Objektiven, die so aufgebaut sind, daß der Strahlengang zwischen den beiden Spiegeln in einem festen Körper aus Glas oder ähnlichem verläuft. Bei sol- chen Blocksystemen ist im einfachsten Falle eire Strahlen- eintritts- und -austrittsfläche jeweils konzentrisch zum Objekt- und Bildpunkt an den Glasblock angeschliffen.Catadioptric microscope objective The invention relates to a catadioptric microscope objective consisting of reflective and refractive surfaces. The known catadioptric microscope micro-lenses have over comparable Linsenob- jective the advantage of better Parbkorrektion and / or the larger object distance. A relatively large object distance can be achieved above all with catadioptric lenses which contain a concave and a convex mirror surface with the same sense of curvature . The loss of free object distance is lowest with catadioptric objectives, which are constructed in such a way that the beam path between the two mirrors runs in a solid body made of glass or the like. In such block systems, in the simplest case, a beam entry and exit surface is grinded on the glass block concentrically to the object and image point.

Die Fassung dieses Glasblocks kann so geschehen, daß der freie Objektabstand - gegeben als Abstand zwischen Objekt und Rand der Strahleneintrittsfläche - nur unbedeutend verkürzt wird. The setting of this glass block can be done in such a way that the free object distance - given as the distance between the object and the edge of the radiation entrance surface - is only insignificantly shortened .

Diese Art von katadioptrischen Objektiven hat aber einen Nachteil. Jede Herstellung von Linsen und anderen optischen Elementen ist mit Fertigungsfehlern behaftet, von denen hier nur die Abweichungen von einer vorgeschriebenen Dicke und die Zentrierfehler genannt seien. Das wirksamste Mittel zur Kompensation derartiger fertigungsmäßig bedingter Fehler ist eine Änderung des Abstandes zwischen den beiden Spiegeln und eine seitliche Verschiebung der Spiegel zueinander. Katadioptrische Objektive, bei denen der Strahlengang zwischen den beiden Spiegeln in Luft verläuft, bieten die Möglichkeit, diese Fehler während der Justierung zu kompensieren.. Demgegenüber sind katadioptrische Objektive nach dem Blocksystem benachteiligt, weil bei ihnen diese Möglichkeit nicht besteht. However, this type of catadioptric lens has a disadvantage. Every production of lenses and other optical elements is afflicted with manufacturing defects, of which only the deviations from a prescribed thickness and the centering errors are mentioned here. The most effective means of compensating for such manufacturing-related errors is a change in the distance between the two mirrors and a lateral displacement of the mirrors with respect to one another. Catadioptric objectives, in which the beam path between the two mirrors runs in air, offer the possibility of compensating for these errors during the adjustment.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Vorteile der Blocksysteme hinsichtlich des großen Objektabstandes mit den Vorteilen solcher katadioptrischer Objektive zu verbinden, die eine Kompensation der fertigungsmäßig bedingten Fehler erlauben, während die Nachteile beider Systeme vermieden werden. Eine weitere Aufgabe besteht darin, den freien Objektabstand im Verhältnis zur Brennweite des Objektivs weiter zu vergrößern, als dies bisher üblich war und die Petzvalsumme bei einem katadioptrischen Objektiv herabzusetzen, um damit einen günstigen Einfluß auf die Bildwölbung auszuüben. Dies wird bei einem katadioptrischen Mikroskop-Objektiv, welches eine konkave und eine konvexe Spiegelfläche vom gleichen Krümmungssinn und eine zwischen ihnen angeordnete brechende Fläche enthält, erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die brechende Fläche und die konvexe Spiegelfläche zwei äußere begrenzende Flächen eines Glasblocks oder eines anderen optischen Mediums bilden und daß der Radius der brechenden Fläche größer als der Radius des konvexen Spiegels ist, während die konkave Spiegelfläche von diesem Glasblock durch einen Luftabstand getrennt ist. Dieses Merkmal trägt dazu bei, daß die Petzvalsumme den den Konvexspiegel enthaltenden optischen Elemen- tes kleiner wird als der Petzvalkoeffizient des in Luft stehenden Konvexspiegele vom gleichen Radius. Die Begren- zung des Glasblockes auf der Seite des konvexen Spiegels kann auf verschiedene Weise erfolgen. Entweder bildet der konvexe Spiegel den mittleren Teil einer optischen Fläche, die im äußeren ringförmigen, den gleichen Krümmungsradius wie der Spiegel aufweisenden Teil unverspiegelt ist und als brechende Fläche wirkt oder der Glasblock ist außer von der konvexen Spiegelfläche in gleicher Weise von einer ringförmigen Fläche begrenzt, deren Radius aber vom Radius der konvexen Spiegelfläche verschieden ist. Das erfindungsgemäße Objektiv läßt sich auch für Mikromaterialbearbeitungen und für Mikrospektralanalysen mit Laserstrahlen anwenden, weil für diese Zwecke ein großer Abstand zwischen Objekt und Mikroskop gefordert wird. In diesem Fall dient die senkrecht zur optischen Achse angeordnete auswechsel- bare Planparallelplatte gleichzeitig auch als Schutz für das Objektiv gegenüber Ereignissen im Objektraum. The invention is based on the object of combining the advantages of the block systems with regard to the large object distance with the advantages of such catadioptric lenses which allow the errors caused by the manufacturing process to be compensated, while the disadvantages of both systems are avoided. Another object is to increase the free object distance in relation to the focal length of the lens further than was previously customary and to reduce the Petzval sum in the case of a catadioptric lens in order to exert a favorable influence on the image curvature. In a catadioptric microscope objective which contains a concave and a convex mirror surface with the same sense of curvature and a refractive surface arranged between them, this is achieved according to the invention in that the refractive surface and the convex mirror surface have two outer delimiting surfaces of a glass block or another optical Form medium and that the radius of the refractive surface is greater than the radius of the convex mirror, while the concave mirror surface is separated from this glass block by an air gap . This feature contributes to the fact that the Petzval sum of the optical element containing the convex mirror becomes smaller than the Petzval coefficient of the convex mirror standing in the air of the same radius. The delimitation of the glass block on the side of the convex mirror can be done in various ways. Either the convex mirror forms the central part of an optical surface which is non-reflecting in the outer annular, the same radius of curvature as the mirror having part and acts as a refractive surface or the glass block is limited not only on the convex mirror surface in the same manner of an annular surface, but whose radius is different from the radius of the convex mirror surface. The objective according to the invention can also be used for machining micromaterials and for microspectral analyzes with laser beams , because for these purposes a large distance between the object and the microscope is required. In this case arranged perpendicular to the optical axis replaceable bare plane-parallel plate at the same time also serves as a protection for the lens against events in the object space.

Eine weitere Herabsetzuhg der Petzvalsumme läßt sich erreichen, wenn die der konvexen Spiegelfläche gegenüber- liegende Fläche des gleichen Gliedes von einer weiteren brechenden konkaven Fläche begrenzt ist, deren konvexe Krümmung der konvexen Spiegelfläche zugekehrt ist. A further reduction in the Petzval sum can be achieved if the surface of the same member opposite the convex mirror surface is delimited by a further refracting concave surface, the convex curvature of which faces the convex mirror surface .

Gelegentlich kann es vorteilhaft sein, wenn mit dem Glasblock eine Linse verbunden ist, deren dem Objekt zuge- kehrte konkave Fläche konzentrisch oder nahezu konzen- trisch zum axialen Objektpunkt ist. Auf diese Weise ist es möglich, den Spiegelbelag unzugänglich zu machen und dadurch vor Beschädigung zu schützen und zum anderen die entstehende Kittfläche als Korrektionsmittel zu benutzen. Die mit dieser Maßnahme verbundene geringfügige Verkürzung des Objektabstandes kann in Kauf genommen werden, weil mit dem optischen System gemäß der Erfindung ein besondere großer Objektabstand zu erzielen ist, insbesondere dann, wenn die vom Objekt ausgehenden Strahlen nach Reflexion am Konveaspiegel und Austritt aus dem Glasblock noch zu- sätzliche geeignete Zinsen durchlaufen. Occasionally it may be advantageous if a lens is connected to the glass block, the object returned conces- concave surface is concentric, or nearly concentric with the axial object point. In this way it is possible to make the mirror coating inaccessible and thereby protect against damage and on the other to use the resulting cemented surface as correction means. The associated with this measure slight shortening of the object distance can be accepted, because with the optical system of the invention is to achieve a particular large object distance in accordance with, especially if emanating from the object beam after reflection on Konveaspiegel and exit from the glass block yet undergo additional to-adequate interest.

Objektive mit großem Objektabstand finden z. B. bei der Hochtemperaturmikroskopie Verwendung, bei der sich das zu untersuchende Präparat in einem Vakuumheiztisch befindet. Falls die Apertur des Mikroskop-Objektivs eine gewisse Grüße überschreitet, muß das Abachlußglas eines solchen Vakuumheiztisches in die optische Korrektion des Objektivs einbezogen werden. Steht ein genügend großer Objektabstand zur Verfügung, so ist es vorteilhaft, wenn im Objektraum eine senkrecht zur optischen Achse stehende Planparallelplatte angeordnet ist, die entweder an der Fassung des Objektivs angeschraubt ist oder als Abschlußglas und Einblickfenster, beispielsweise einer Kühl-, Heiz- oder Vakuumkammer dient. Auf diese Weise erhält man ein Objektiv, das auch für mikroskopische Untersuchungen unbedeckter Objekte geeignet ist. Lenses with a large object distance can be found e.g. B. in the high temperature use of microscopy, the is at the to be examined preparation in a Vakuumheiztisch. If the aperture of the microscope objective exceeds a certain size, the closure glass of such a vacuum heating table must be included in the optical correction of the objective. If a sufficiently large object distance is available, it is advantageous if a plane-parallel plate perpendicular to the optical axis is arranged in the object space, which is either screwed to the mount of the objective or as a cover glass and viewing window, for example a cooling, heating or vacuum chamber serves. In this way, an objective is obtained that is also suitable for microscopic examinations of uncovered objects.

Der mit dem erfindungsgemäßen Objektiv erzielbare große Abstand zwischen Objekt und Konvexspiegel kann aber auch dazu benutzt werden, um mit Hilfe zusätzlicher optischer Zinsen, die zwischen dem Objekt und dem den Konvexspiegel enthaltenden optischen Element anzuordnen sind, große numerische Aperturen bei-gleichzeitig relativ grossem Objektabstand zu erhalten.The large distance that can be achieved with the objective according to the invention between Object and convex mirror can also be used to with the help of additional optical interest between the object and the one containing the convex mirror optical element are to be arranged, large numerical apertures at-the same time relatively large object distance.

Die nachstehende Tabelle enthält als Beispiel die auf die Fig. bezogenen Konstruktionsmerkmale für ein katadioptrisches Objektiv gemäß Anspruch 2 der Erfindung, dessen freier Objektabstand - gemessen zwischen Objekt und objektnächstem Fassungsrand - mindestens das 3-fache der Brennweite des Objektivs beträgt. Die Petzvalsumme hat das Vorzeichen einer Zinse mit negativer Brechkraft und den Betrag 0,017. Seine Zentralabschattung beträgt 32 %. Auf Grund seines Korrektionszustandes ist das Objektiv als, planapochromatisc$ zu bezeichnen. Die in die Korrektion einbezogene Planparallelplatte kann an beliebiger Stelle im Objektraum angeordnet sein. Tabelle Flächen- Krümmungs- Abstand Brechungszahl Abbesche Nr.: radius: bzw. Dicke: f.die d-Linie: Zahl: r d - n ." d p _ - 15 - - 1 äo 2 1,4586 67,8 2 . ao 8 - - 3 - 22,32 2 1,5232 50,9 4 aD 8e95 195490 5394 5 - 25,33 21,11 - - 6 - 44,08 - - - 7 - 16,71 7,75 - - 8 + 13205 8 - - 9 - 7,27 1 1,6204 60,4 10 + 49,88 2,31 - - . . 11 - 13,40 1,9 1,6218 49,7 12 - 7,04 - - The table below contains, as an example, the design features related to the figure for a catadioptric lens according to claim 2 of the invention, the free object distance - measured between the object and the frame edge closest to the object - is at least 3 times the focal length of the lens. The Petzval sum has the sign of an interest rate with negative refractive power and the amount 0.017. Its central obscuration is 32%. Due to its state of correction, the objective can be described as "planapochromatic". The plane-parallel plate included in the correction can be arranged at any point in the object space. Tabel Surface Curvature Distance Refractive Index Abbe No .: radius: or thickness: for the d-line: number: rd - n. "d p _ - 15 - - 1 ao 2 1.4586 67.8 2. ao 8 - - 3 to 22.32 1.5232 2 5 0 9 4 aD 8e95 195 490 5394 5 - 25.33 21.11 - - 6 - 44.08 - - - 7 - 16.71 7.75 - - 8 + 13205 8 - - 9 - 7.27 1 1.6204 60.4 10 + 49.88 2.31 - -. . 11 - 13.40 1.9 1.6218 49.7 12 - 7.04 - -

Claims

1. A catadioptric Nikroskop object @ v, containing a concave and a convex mirror surface from the same ärümmungesinn and, disposed between them refractive surface, characterized in that the refractive surface and the convex mirror surface (7), two outer limiting faces of a glass block or other optical medium form and that the radius of refractive surface is greater than the radius of the convex Reflect (7), while the concave mirror surface (6) is separated overall of this glass block by an air space and wherein the convex mirror (7 forming) the medium-sized part of an optical surface, the annular outer, the same radius of curvature as the mirror-gel having straight part is reflected and acts as a refracting surface. 2. Microscope objective according to claim 1, characterized in that the radius of the outer annular surface (4) differs from the radius of the convex mirror surface (7) and / or the surface opposite the convex mirror surface differs from a further refracting surface concave surface (8) is limited, the con- vexe curvature of the convex mirror surface (7) conces- versa i st. 3. microscope objective according to claim 1 or 2, characterized in that a lens (3; 4) is connected to the glass block (4; 5; 8) whose concave surface (3) facing the object is concentric or almost concentric to the axial object point (o). 4. microscope lens according to claim 1 to 3, characterized in that a perpendicular to the optical axis standing plane parallel plate (1s 2) is arranged in the object space, which is either screwed to the mount of the lens or as a cover glass and viewing window, for example a cooling -, stimulus or vacuum chamber is used. 5. microscope objective according to claim 1 to 4, characterized by the design features cited in the example.