WO2012025349A1 - Aberration-corrected microscope - Google Patents

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WO2012025349A1
WO2012025349A1 PCT/EP2011/063320 EP2011063320W WO2012025349A1 WO 2012025349 A1 WO2012025349 A1 WO 2012025349A1 EP 2011063320 W EP2011063320 W EP 2011063320W WO 2012025349 A1 WO2012025349 A1 WO 2012025349A1
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microscope
objective
plate
correction element
aberration
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PCT/EP2011/063320
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Carsten Glasenapp
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Carl Zeiss Ag
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    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/0025Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00 for optical correction, e.g. distorsion, aberration
    • G02B27/0068Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00 for optical correction, e.g. distorsion, aberration having means for controlling the degree of correction, e.g. using phase modulators, movable elements
    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B21/00Microscopes
    • G02B21/02Objectives

Definitions

  • the invention relates to an aberration-corrected microscope having a microscope objective for imaging an objective in a microscope beam path along an optical axis and an aberration correcting correction element.
  • Spherical aberrations are known to occur in microscopes, among other things due to varying refractive indices of the objects or varying thicknesses of a coverslip covering the object. It is known to manually correct spherical aberrations by interfering with the objective. However, these procedures are usually not suitable for automatic operation of the microscope. Although one could think of equipping the mechanical intervention on the lens with a corresponding drive, highly accurate mechanisms must be accommodated in the smallest possible space inside the microscope objective. In addition, then every lens would have to be corrected, which in turn brings effort.
  • EP 0859259 A2 describes a zoom group consisting of a plurality of spherical surfaces, which is arranged between the microscope objective and the tube lens of the microscope.
  • this causes long light paths through the zoom group, which leads to further field errors.
  • DE 19782060 B4 shows an interferometer with catadioptric imaging system with extended numerical aperture range.
  • DE 10049296 A1 discloses an optical arrangement and a method for deflecting light rays.
  • the invention is therefore based on the object of specifying a microscope which can be corrected with little expense, in particular with respect to aberrations of higher orders.
  • the correction should be adjustable depending on the application in order to be able to correct aberrations caused by the sample or its cover glass.
  • the object is achieved by an aberration-corrected microscope having a microscope objective for imaging an object in a microscope beam path along an optical axis and an aberration correcting correction element.
  • the correction element is the Subsequent to the microscope objective in the imaging direction and is located near an exit pupil of the microscope objective.
  • the correction element comprises a first and a second plate, each having two plate surfaces.
  • One of the disk surfaces of the first disk has the surface topography of an at least 5th order odd polynomial.
  • a plate surface of the second plate is designed to be complementary. These surfaces are therefore aspheres of a certain shape.
  • the arrangement near the pupil makes it possible to keep field errors small.
  • Particularly preferred is an arrangement between the pupil and the exit lens of the microscope objective.
  • the term "close to the pupil” is understood in the sense defined in DE 10200701 9812, and there in paragraph [0010].
  • high order aberrations are meant wavefront distortions with at least r 4 dependence or corresponding Zernike polynomials.
  • the microscope according to the invention can be adjusted for aberration correction particularly easy depending on the application, if both plates are equipped with an adjustment drive, which shifts the plates relative to each other and is controlled by a control unit for setting the aberration correction.
  • a control unit for setting the aberration correction When moving, make sure that the center of gravity of both plates remains on the optical axis. This is preferably achieved in that the shift vectors are different only in sign, d. H. same amount and opposite direction.
  • the quality of the correction in particular the desired correction of higher aberration orders, it is preferable to form the quality of the surfaces of the aspheric Platen vom better than lambda / 10, preferably equal to or better than lambda / 20, where lambda is the shortest wavelength used in the microscope input.
  • the microscope according to the invention is independent of the currently used microscope objective with a single correction element.
  • Such microscopes are usually provided with objective changers, which penetrate one of several microscope objectives in the microscope beam path. If the correction element is assigned to the objective changers, then it can be brought into the microscope beam path by anyone with the objective changer Microscope lenses for aberration correction. Combining this design with the already mentioned Versteilantrieb for the plates, can be in the control of a control unit automatically adjust the required for the currently placed in the microscope beam microscope objective aberration correction without the user has to act for this purpose.
  • the microscope can also be equipped with an aperature to determine the image quality. This can be an additional sensor, such. As a wavefront sensor, his or (better) are obtained from the microscope image itself. With the image quality evaluation criterion, the aberration correction can preferably independently adjust the state of best focus on the microscope in a feedback loop.
  • 1 is a schematic representation of a microscope objective with subordinate correction element
  • Fig. 2 is a schematic representation of the input of a microscope, in which the structure of
  • Fig. 1 is used, and
  • Fig. 3 is a schematic representation of a correction element used in the microscope of Fig. 2.
  • FIG. 1 shows a microscope objective 1 of a microscope M, which is shown schematically in FIG.
  • the microscope objective 1 comprises a plurality of individual lenses, as is known for such microscope objectives.
  • the microscope objective 1 images a sample 2, which is located under a cover glass 3.
  • a tube 4 coincides with the microscope objective 1, which tube comprises a tube lens 5 and with which the microscope objective 1 images the sample 2 onto a detector 6.
  • the mapping to a detector is of course only optional, of course, a conventional tube insight can be used.
  • a correction element 7 is arranged near the exit lens of the microscope objective 1. It is located, in particular, near the exit pupil P of the microscope objective 1, and preferably between the plane of the pupil P and the exit lens of the microscope objective.
  • the correction element 7 consists of two plates 9 and 10, which are equipped with a drive 8.
  • the drive 8 is like the detector 6 connected to a control unit C of the microscope M via unspecified and shown in dashed lines in Figure 2 lines.
  • FIG. 3 shows enlarged the correction element 7.
  • the plates 9 and 1 0 are curved aspherically at their mutually associated surfaces.
  • the curvature of the aspherical surface 10 corresponds to the curvature of an odd polynomial, and the aspherical surface 12 is designed to be complementary thereto.
  • the plates 9 and 1 0 are shifted relative to each other, as shown in Figure 3 by double arrows, which illustrate a relative displacement 13, is located.
  • a displacement along an axis perpendicular to the optical axis A causes an optical correction in an axis perpendicular to the direction of displacement.
  • a shift in the x-axis is shown by way of example, and a correction denoted by 14 in FIG. 3 then takes place in the axis y perpendicular thereto.
  • the measure of the relative shift 13 determines only the height of the polynomial function a and b, but not their shape.
  • the correction element 7 has a more complex surface topography and manipulates the wave front, which is emitted in the imaging of the lens 1 to the tube lens 5.
  • the surface polynomial with at least 5th order and setting the relative displacement 13 can now for higher aberrations wavefront error, which z. B. caused by a misplacement of the refractive index of the sample 2 or a different thickness of the cover glass 3, be compensated.
  • the surface topography not only satisfies a simple cubic form, ie a polynomial of exclusively third order, but that the polynomial also takes into account other odd orders in the surface topography, in particular the fifth order, and preferably also the first order and mixed orders in which one of the two parameters (x or y) occurs in an odd power.
  • an odd fifth-order surface polynomial of the form f (x, y) cx 5 ⁇ 5 + cy 5 y 5 + cx 3 ⁇ 3 + cy 3 y 3 + cxi x + cy y y + cx 4 ix 4 + cy y 4 + iy 4 x 32 x 3 y cx 2 + cy y 32 3 x 2 + cx 2 + cy 2 2 y ix iy 2 x is used.
  • the parameters cx n and cy n determine the shape of the wavefront, which is generated by the correction element 7. The exact values of the parameters are determined by a numerical adaptation. Also, even higher order odd polynomials can be used.
  • the aspherical surfaces 1 1 and 12 are preferably formed with the surface quality lambda / 20, wherein sometimes lambda / 10 may suffice.
  • the microscope M further comprises an objective changer 15, which may be formed, for example, as a known objective revolver.
  • the correction element 7 is located between the objective changer 15 and the tube lens 5. Thus, it can perform an aberration correction for all objectives, which can be introduced into the microscope beam path of the microscope M by the objective changer.
  • the objective changer 15 is provided with a drive 8 and is also controlled by the control unit C.
  • a data memory is then provided, in which the control state of the correction element 7 is stored for different microscope objectives.
  • the controller C can then automatically control the correction element 7 so that its position matches the currently effective microscope objective 1.
  • an image quality value can be determined and optimized by controlled adjustment of the correction element.
  • a regulation that is to say an iteration, can be used.
  • the aspheric surfaces 1 1 and 12 generate a rotationally symmetric wavefront with an r 2 dependence - ie the shape of a parabola. This is achieved when the above function, which describes the surface shape of the surfaces 1 1 and 12, contains only the powers 1 and 3. Since the effect of the aspheres equals the derivative of the function, an action follows in the powers 0 and 2. (1 and r 2 ) - this is the effect of a parabola or Zernike coefficient Z4 which describes a focus or defocusing.
  • the design of the surface shape is done in two steps: 1 . Analytical predetermination and
  • the purpose of the correction element 7 is the correction of a wavefront error, which in high-NA lenses z. B. is induced by a mismatch of the object (eg, wrong cover glass thickness or incorrect refractive index of the sample).
  • the wavefront error induced by this mismatch can be analytically determined by the sine condition
  • the root can be developed as a series
  • ⁇ ( ⁇ , ⁇ , s) nk Az (l - ⁇ s 2 p 2 ⁇ - S p - s 6 p 6
  • the refocusing can be described by subtracting the Zernike coefficient Z 4 from the wavefront. From a coefficient comparison of the last two equations, the factor Z 4 can be determined analytically.
  • This phase function must be realized by the correction element 7.
  • the phase deviation of 5 ⁇ is significantly lower than the total phase error - that comes the fertility clearly contrary.

Abstract

The invention relates to an aberration-corrected microscope (M), comprising a microscope objective (1) for imaging an object (2) in a microscope optical path along an optical axis A and an aberration-correcting correction element (7), wherein the correction element (7) is arranged downstream of the microscope objective (1) in the imaging direction and lies close to an aperture diaphragm (P) of the microscope objective (1), wherein the correction element (7) has a first and a second plate (9, 10) each having two plate surfaces, wherein a first of the plate surfaces (11) of the first plate (9) has the surface topography of an at least fifth-order odd polynomial and a first of the plate surfaces (12) of the second plate (10) is designed to be complementary thereto.

Description

Aberrationskorriqiertes Mikroskop  Aberration-corrected microscope
Die Erfindung bezieht sich auf aberrationskorrigiertes Mikroskop, das ein Mikroskopobjektiv zum Abbilden eines Objektives in einem Mikroskopstrahlengang längs einer optischen Achse und ein Aberrationen korrigierendes Korrekturelement aufweist. The invention relates to an aberration-corrected microscope having a microscope objective for imaging an objective in a microscope beam path along an optical axis and an aberration correcting correction element.
In Mikroskopen treten bekannterweise sphärische Aberrationen auf, unter anderem durch variierende Brechzahlen der Objekte oder variierende Dicken eines das Objekt abdeckenden Deckglases. Es ist bekannt, sphärische Aberrationen durch Eingriffe im Objektiv manuell zu korrigieren. Diese Eingriffe sind jedoch für einen automatischen Betrieb des Mikroskops in der Regel nicht geeignet. Zwar könnte man daran denken, den mechanischen Eingriff am Objektiv mit einem entsprechenden Antrieb auszurüsten, jedoch müssen dabei hochgenaue Mechaniken auf engstem Raum innerhalb des Mikroskopobjektives untergebracht werden. Darüber hinaus müßte dann jedes Objektiv korrigiert werden, was wiederum Aufwand mit sich bringt. Spherical aberrations are known to occur in microscopes, among other things due to varying refractive indices of the objects or varying thicknesses of a coverslip covering the object. It is known to manually correct spherical aberrations by interfering with the objective. However, these procedures are usually not suitable for automatic operation of the microscope. Although one could think of equipping the mechanical intervention on the lens with a corresponding drive, highly accurate mechanisms must be accommodated in the smallest possible space inside the microscope objective. In addition, then every lens would have to be corrected, which in turn brings effort.
Es sind deshalb im Stand der Technik Ansätze bekannt, die Korrektur außerhalb des Objektives vorzunehmen. So beschreibt beispielweise die EP 0859259 A2 eine Zoomgruppe aus mehreren sphärischen Flächen, die zwischen dem Mikroskopobjektiv und der Tubuslinse des Mikroskops angeordnet ist. Hierbei treten jedoch lange Lichtwege durch die Zoomgruppe auf, was zu weiteren Bildfeldfehlern führt. There are therefore known in the art approaches to make the correction outside of the lens. For example, EP 0859259 A2 describes a zoom group consisting of a plurality of spherical surfaces, which is arranged between the microscope objective and the tube lens of the microscope. However, this causes long light paths through the zoom group, which leads to further field errors.
Die DE 19782060 B4 zeigt ein Interferometer mit katadioptrischem Abbildungssystem mit erweitertem numerischem Aperturbereich. Die DE 10049296 A1 offenbart eine optische Anordnung und ein Verfahren zur Ablenkung von Lichtstrahlen. DE 19782060 B4 shows an interferometer with catadioptric imaging system with extended numerical aperture range. DE 10049296 A1 discloses an optical arrangement and a method for deflecting light rays.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Mikroskop anzugeben, das insbesondere hinsichtlich Aberrationen höherer Ordnungen aufwandsgering korrigiert werden kann. Darüber hinaus sollte die Korrektur applikationsabhängig einstellbar sein, um Aberrationen, welche durch die Probe oder deren Deckglas verursacht werden, korrigieren zu können. The invention is therefore based on the object of specifying a microscope which can be corrected with little expense, in particular with respect to aberrations of higher orders. In addition, the correction should be adjustable depending on the application in order to be able to correct aberrations caused by the sample or its cover glass.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein aberrationskorrigiertes Mikroskop, das ein Mikroskopobjektiv zum Abbilden eines Objektes in einen Mikroskopstrahlengang längs einer optischen Achse und ein Aberrationen korrigierendes Korrekturelement aufweist. Das Korrekturelement ist dem Mikroskopobjektiv in Abbildungsrichtung nachgeordnet und liegt nahe einer Austrittspupille des Mikroskopobjektivs. Das Korrekturelement umfaßt eine erste und eine zweite Platte, die jeweils zwei Platteflächen haben. Eine der Plattenflächen der ersten Platte hat die Oberflächentopographie eines ungeraden Polynoms mindestens 5. Ordnung. Eine Plattenfläche der zweiten Platte ist dazu komplementär ausgebildet. Diese Flächen sind also Asphären bestimmter Form. The object is achieved by an aberration-corrected microscope having a microscope objective for imaging an object in a microscope beam path along an optical axis and an aberration correcting correction element. The correction element is the Subsequent to the microscope objective in the imaging direction and is located near an exit pupil of the microscope objective. The correction element comprises a first and a second plate, each having two plate surfaces. One of the disk surfaces of the first disk has the surface topography of an at least 5th order odd polynomial. A plate surface of the second plate is designed to be complementary. These surfaces are therefore aspheres of a certain shape.
Die Anordnung in Nähe der Pupille erlaubt es, Bildfeldfehler klein zu halten. Besonders bevorzugt ist dazu eine Anordnung zwischen der Pupille und der Austrittslinse des Mikroskopobjektivs. Generell wird der Begriff „pupillennah" in dem Sinne verstanden, wie er in der DE 10200701 9812, und dort in Absatz [0010], definiert ist. The arrangement near the pupil makes it possible to keep field errors small. Particularly preferred is an arrangement between the pupil and the exit lens of the microscope objective. In general, the term "close to the pupil" is understood in the sense defined in DE 10200701 9812, and there in paragraph [0010].
Unter„Aberrationen höherer Ordnung" werden dabei Wellenfrontverzerrungen mit mindestens r4-Abhängigkeit oder entsprechenden Zernike-Polynomen verstanden. By "higher order aberrations" are meant wavefront distortions with at least r 4 dependence or corresponding Zernike polynomials.
Um eine einfachere Fertigung zu erreichen, ist es zweckmäßig, die den asphärisch geformten Plattenflächen gegenüberliegenden Plattenflächen plan auszubilden. Um Mehrfachreflexionen im Strahlengang gering zu halten, ist es zweckmäßig die Planflächen in einem Winkel, also nicht senkrecht, sondern schräg (jedoch nicht parallel) zur optischen Achse auszulegen. In order to achieve a simpler manufacturing, it is expedient to form the flat opposite the aspherical plate surfaces plate surfaces. In order to keep multiple reflections in the beam path low, it is expedient to design the plane surfaces at an angle, that is not perpendicular, but obliquely (but not parallel) to the optical axis.
Das erfindungsgemäße Mikroskop kann besonders einfach applikationsabhängig zur Aberrationskorrektur eingestellt werden, wenn beide Platten mit einem Versteilantrieb ausgerüstet sind, der die Platten relativ zueinander verschiebt und von einem Steuergerät zum Einstellen der Aberrationskorrektur angesteuert ist. Beim Verschieben ist besonders darauf zu achten, daß der Schwerpunkt beider Platten auf der optischen Achse bleibt. Dies ist vorzugsweise dadurch zu erreichen, daß die Verschiebevektoren nur im Vorzeichen verschieden sind, d. h. gleicher Betrag und entgegengesetzte Richtung. The microscope according to the invention can be adjusted for aberration correction particularly easy depending on the application, if both plates are equipped with an adjustment drive, which shifts the plates relative to each other and is controlled by a control unit for setting the aberration correction. When moving, make sure that the center of gravity of both plates remains on the optical axis. This is preferably achieved in that the shift vectors are different only in sign, d. H. same amount and opposite direction.
Der Güte der Korrektur, insbesondere der angestrebten Korrektur höherer Aberrationsordnungen ist es zu bevorzugen, die Güte der Oberflächen der asphärischen Platenflächen besser als Lambda/10, bevorzugt gleich oder besser als Lambda/20 auszubilden, wobei Lambda die kürzeste im Mikroskopeingang verwendete Wellenlänge ist. The quality of the correction, in particular the desired correction of higher aberration orders, it is preferable to form the quality of the surfaces of the aspheric Platenflächen better than lambda / 10, preferably equal to or better than lambda / 20, where lambda is the shortest wavelength used in the microscope input.
Das erfindungsgemäße Mikroskop kommt mit einem einzigen Korrekturelement unabhängig vom aktuell verwendeten Mikroskopobjektiv aus. Solche Mikroskope sind üblicherweise mit Objektivwechslern versehen, die ein von mehreren Mikroskopobjektiven in den Mikroskopstrahlengang dringen. Ordnet man das Korrekturelement den Objektivwechslern nach, so wird es für alle mit dem Objektivwechsler in den Mikroskopstrahlengang bringbaren Mikroskopobjektive hinsichtlich der Aberrationskorrektur. Kombiniert man diese Ausgestaltung mit dem bereits erwähnten Versteilantrieb für die Platten, läßt sich in der Steuerung eines Steuergerätes automatisch die für das aktuell in den Mikroskopstrahlengang gebrachte Mikroskopobjektiv erforderliche Aberrationskorrektur einstellen, ohne daß der Benutzer hierzu tätig werden muß. Das Mikroskop kann zusätzlich mit einer Aperatur zur Bestimmung der Bildgüte ausgestattet werden. Dieses kann ein zusätzlicher Sensor, wie z. B. ein Wellenfrontsensor, sein oder auch (besser) aus dem Mikroskopbild selbst gewonnen werden. Mit dem Bewertungskriterium der Bildgüte kann die Aberrationskorrektur vorzugsweise in einer Rückkopplungsschleife selbstständig den Zustand der besten Schärfe am Mikroskop einstellen. The microscope according to the invention is independent of the currently used microscope objective with a single correction element. Such microscopes are usually provided with objective changers, which penetrate one of several microscope objectives in the microscope beam path. If the correction element is assigned to the objective changers, then it can be brought into the microscope beam path by anyone with the objective changer Microscope lenses for aberration correction. Combining this design with the already mentioned Versteilantrieb for the plates, can be in the control of a control unit automatically adjust the required for the currently placed in the microscope beam microscope objective aberration correction without the user has to act for this purpose. The microscope can also be equipped with an aperature to determine the image quality. This can be an additional sensor, such. As a wavefront sensor, his or (better) are obtained from the microscope image itself. With the image quality evaluation criterion, the aberration correction can preferably independently adjust the state of best focus on the microscope in a feedback loop.
Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in den angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung einsetzbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen. It is understood that the features mentioned above and those yet to be explained below can be used not only in the specified combinations but also in other combinations or alone, without departing from the scope of the present invention.
Nachfolgend wird die Erfindung beispielsweise anhand der beigefügten Zeichnungen, die auch erfindungswesentliche Merkmale offenbaren, noch näher erläutert. Es zeigen: The invention will be explained in more detail for example with reference to the accompanying drawings, which also disclose characteristics essential to the invention. Show it:
Fig. 1 eine Schemadarstellung eines Mikroskopobjektives mit nachgeordnetem Korrekturelement, 1 is a schematic representation of a microscope objective with subordinate correction element,
Fig. 2 eine Schemadarstellung des Eingangs eines Mikroskops, in dem der Aufbau der Fig. 2 is a schematic representation of the input of a microscope, in which the structure of
Fig. 1 zur Anwendung kommt, und Fig. 1 is used, and
Fig. 3 eine Schemadarstellung eines Korrekturelementes, das im Mikroskop der Fig. 2 verwendet ist. Fig. 3 is a schematic representation of a correction element used in the microscope of Fig. 2.
In Figur 1 ist ein Mikroskopobjektiv 1 eines Mikroskops M gezeigt, das schematisch in Figur 2 dargestellt ist. Das Mikroskopobjektiv 1 umfaßt eine Vielzahl von einzelnen Linsen, wie dies für solche Mikroskopobjektive bekannt ist. Im Mikroskop M bildet das Mikroskopobjektiv 1 eine Probe 2 ab, die sich unter einem Deckglas 3 befindet. Dabei trifft mit dem Mikroskopobjektiv 1 ein Tubus 4 zusammen, der eine Tubuslinse 5 umfaßt und mit der das Mikroskopobjektiv 1 die Probe 2 auf einen Detektor 6 abbildet. Die Abbildung auf einen Detektor ist dabei natürlich nur optional, selbstverständlich kann auch ein herkömmlicher Tubuseinblick verwendet werden. FIG. 1 shows a microscope objective 1 of a microscope M, which is shown schematically in FIG. The microscope objective 1 comprises a plurality of individual lenses, as is known for such microscope objectives. In the microscope M, the microscope objective 1 images a sample 2, which is located under a cover glass 3. In this case, a tube 4 coincides with the microscope objective 1, which tube comprises a tube lens 5 and with which the microscope objective 1 images the sample 2 onto a detector 6. The mapping to a detector is of course only optional, of course, a conventional tube insight can be used.
Nahe der Austrittslinse des Mikroskopobjektivs 1 ist ein Korrekturelement 7 angeordnet. Es befindet sich insbesondere nahe der Austrittspupille P des Mikroskopobjektivs 1 , und bevorzugt zwischen der Ebene der Pupille P und der Austrittslinse des Mikroskopobjektivs. Das Korrekturelement 7 besteht aus zwei Platten 9 und 10, die mit einem Antrieb 8 ausgerüstet sind. Der Antrieb 8 ist wie der Detektor 6 mit einem Steuergerät C des Mikroskops M über nicht näher bezeichnete und in Figur 2 gestrichelt eingezeichnete Leitungen verbunden. Near the exit lens of the microscope objective 1, a correction element 7 is arranged. It is located, in particular, near the exit pupil P of the microscope objective 1, and preferably between the plane of the pupil P and the exit lens of the microscope objective. The correction element 7 consists of two plates 9 and 10, which are equipped with a drive 8. The drive 8 is like the detector 6 connected to a control unit C of the microscope M via unspecified and shown in dashed lines in Figure 2 lines.
Figur 3 zeigt vergrößert das Korrekturelement 7. Dort ist zu erkennen, daß die Platten 9 und 1 0 an ihren einander zugeordneten Flächen asphärisch gekrümmt sind. Die Krümmung der asphärischen Oberfläche 1 0 entspricht dabei der Krümmung eines ungeraden Polynoms, und die asphärische Oberfläche 12 ist komplementär dazu ausgebildet. Figure 3 shows enlarged the correction element 7. There it can be seen that the plates 9 and 1 0 are curved aspherically at their mutually associated surfaces. The curvature of the aspherical surface 10 corresponds to the curvature of an odd polynomial, and the aspherical surface 12 is designed to be complementary thereto.
Zur Aberrationskorrektur werden die Platten 9 und 1 0 relativ zueinander verschoben, wie dies in Figur 3 durch Doppelpfeile, welche eine Relativverschiebung 13 veranschaulichen, eingezeichnet ist. Dabei bewirkt eine Verschiebung längs einer Achse senkrecht zur optischen Achse A eine optische Korrektur in einer senkrecht zur Verschiebungsrichtung stehenden Achse. In Figur 3 ist exemplarische eine Verschiebung in der x-Achse eingezeichnet und eine in Figur 3 mit 14 bezeichnete Korrektur erfolgt dann in der senkrecht dazu stehenden Achse y. For aberration correction, the plates 9 and 1 0 are shifted relative to each other, as shown in Figure 3 by double arrows, which illustrate a relative displacement 13, is located. A displacement along an axis perpendicular to the optical axis A causes an optical correction in an axis perpendicular to the direction of displacement. In FIG. 3, a shift in the x-axis is shown by way of example, and a correction denoted by 14 in FIG. 3 then takes place in the axis y perpendicular thereto.
Sieht man vereinfacht die Polymerfunktion, der die Asphäre 1 1 und komplementär dazu auch die Asphäre 12 genügt, durch die Gleichung W (x, y) = ax3 + by3 als gegeben an, bestimmt das Maß der Relatiwerschiebung 13 nur die Höhe der Polynomfunktion a und b, nicht jedoch deren Form. If one considers the polymer function, which satisfies the asphere 1 1 and the asphere 12 complementarily, by the equation W (x, y) = ax 3 + by 3 , the measure of the relative shift 13 determines only the height of the polynomial function a and b, but not their shape.
Das Korrekturelement 7 hat jedoch eine komplexere Oberflächentopographie und manipuliert die Wellenfront, welche bei der Abbildung vom Objektiv 1 zur Tubuslinse 5 abgegeben wird. Durch entsprechende Wahl des Oberflächenpolynoms mit mindestens 5. Ordnung und Einstellung der Relativverschiebung 13 können nun für höhere Aberrationen Wellenfrontfehler, welche z. B. durch eine Fehlanordnung der Brechzahl der Probe 2 oder eine abweichende Dicke des Deckglases 3 entstehen, kompensiert werden. Zur Korrektur höherer Aberrationsordnungen ist es vorgesehen, daß die Oberflächentopographie nicht nur einer einfachen kubischen Form, d. h. einem Polynom ausschließlich dritter Ordnung, genügt, sondern daß das Polynom auch weitere ungerade Ordnungen bei der Oberflächentopographie berücksichtigt, insbesondere die fünfte Ordnung und vorzugsweise auch die erste Ordnung sowie gemischte Ordnungen, in denen einer der beiden Parameter (x oder y) in ungerader Potenz vorkommt. Besonders zweckmäßig kann dies dann erfolgen, wenn ein ungerades Oberflächenpolynom fünften Grades mit der Form f(x,y) = cx5 x5 + cy5 y5 + cx3 x3 + cy3 y3 + cxi x + cyi y + cx4i x4 y + cy4i y4 x + cx32 x3 y2 + cy32 y3 x2+ cx2i x2 y + cy2i y2 x verwendet wird. Die Parameter cxn und cyn bestimmen die Form der Wellenfront, welche durch das Korrekturelement 7 generiert wird. Die genauen Werte der Parameter werden durch eine numerische Anpassung bestimmt. Auch können noch höhergradige ungerade Polynome verwendet werden. However, the correction element 7 has a more complex surface topography and manipulates the wave front, which is emitted in the imaging of the lens 1 to the tube lens 5. By appropriate choice of the surface polynomial with at least 5th order and setting the relative displacement 13 can now for higher aberrations wavefront error, which z. B. caused by a misplacement of the refractive index of the sample 2 or a different thickness of the cover glass 3, be compensated. In order to correct higher orders of aberrations, it is provided that the surface topography not only satisfies a simple cubic form, ie a polynomial of exclusively third order, but that the polynomial also takes into account other odd orders in the surface topography, in particular the fifth order, and preferably also the first order and mixed orders in which one of the two parameters (x or y) occurs in an odd power. This can be done particularly expediently if an odd fifth-order surface polynomial of the form f (x, y) = cx 5 × 5 + cy 5 y 5 + cx 3 × 3 + cy 3 y 3 + cxi x + cy y y + cx 4 ix 4 + cy y 4 + iy 4 x 32 x 3 y cx 2 + cy y 32 3 x 2 + cx 2 + cy 2 2 y ix iy 2 x is used. The parameters cx n and cy n determine the shape of the wavefront, which is generated by the correction element 7. The exact values of the parameters are determined by a numerical adaptation. Also, even higher order odd polynomials can be used.
Die asphärischen Flächen 1 1 und 12 sind vorzugsweise mit der Oberflächengüte lambda/20 ausgebildet, wobei mitunter auch lambda/10 genügen kann. Das Mikroskop M weist weiter einen Objektivwechsler 15 auf, der beispielsweise als bekannter Objektivrevolver ausgebildet sein kann. Wie der Figur 2 zu entnehmen ist, befindet sich das Korrekturelement 7 zwischen dem Objektivwechsler 15 und der Tubuslinse 5. Damit kann es eine Aberrationskorrektur für alle Objektive leisten, welche vom Objektivwechsler in den Mikroskopstrahlengang des Mikroskops M eingebracht werden können. The aspherical surfaces 1 1 and 12 are preferably formed with the surface quality lambda / 20, wherein sometimes lambda / 10 may suffice. The microscope M further comprises an objective changer 15, which may be formed, for example, as a known objective revolver. As can be seen from FIG. 2, the correction element 7 is located between the objective changer 15 and the tube lens 5. Thus, it can perform an aberration correction for all objectives, which can be introduced into the microscope beam path of the microscope M by the objective changer.
Bevorzugt ist der Objektivwechsler 15 mit einem Antrieb 8 versehen und wird ebenfalls vom Steuergerät C angesteuert. Preferably, the objective changer 15 is provided with a drive 8 and is also controlled by the control unit C.
Im Steuergerät C ist dann ein Datenspeicher vorgesehen, in dem der Ansteuerzustand des Korrekturelementes 7 für verschiedene Mikroskopobjektive abgelegt ist. Das Steuergerät C kann dann automatisch das Korrekturelement 7 so ansteuern, daß seine Stellung zum aktuell wirksamen Mikroskopobjektiv 1 paßt. Optional kann ein Bildgütewert ermittelt und durch angesteuerte Verstellung des Korrekturelementes optimiert werden. Dazu kann eine Regelung, also eine Iteration verwendet werden. In the control unit C, a data memory is then provided, in which the control state of the correction element 7 is stored for different microscope objectives. The controller C can then automatically control the correction element 7 so that its position matches the currently effective microscope objective 1. Optionally, an image quality value can be determined and optimized by controlled adjustment of the correction element. For this purpose, a regulation, that is to say an iteration, can be used.
Die asphärischen Flächen 1 1 und 12 generieren eine rotationssymmetrische Wellenfront mit einer r2 Abhängigkeit - d. h. der Form einer Parabel. Dies wird erreicht, wenn die oben genannte Funktion, welche die Oberflächenform der Flächen 1 1 und 12 beschreibt, nur die Potenzen 1 und 3 enthält. Da die Wirkung der Asphären gleich der Ableitung der Funktion entspricht, folgt eine Wirkung in den Potenzen 0 und 2. (1 und r2) - dies ist die Wirkung einer Parabel oder des Zernike Koeffizienten Z4 welcher eine Fokussierung bzw. Defokussierung beschreibt. The aspheric surfaces 1 1 and 12 generate a rotationally symmetric wavefront with an r 2 dependence - ie the shape of a parabola. This is achieved when the above function, which describes the surface shape of the surfaces 1 1 and 12, contains only the powers 1 and 3. Since the effect of the aspheres equals the derivative of the function, an action follows in the powers 0 and 2. (1 and r 2 ) - this is the effect of a parabola or Zernike coefficient Z4 which describes a focus or defocusing.
Die beschriebene Gestaltung der Asphären mit höheren ungeraden Potenzen als 3, 5 und 7 erreicht zur Korrektur rotationsymmetrischer Wellenfrontfehler höherer Ordnung, d. h. es werden Zernike - Koeffizienten Z9, Z1 6, Z25 (entsprechend der Wirkung r4, r6, ...) generiert. The described configuration of the aspheres with higher odd powers than 3, 5 and 7 achieves the correction of rotationally symmetric wavefront errors of higher order, ie Zernike coefficients Z9, Z1 6, Z25 (corresponding to the effect r 4 , r 6 ,...) Are generated ,
Die Auslegung der Oberflächenform geschieht in zwei Schritten: 1 . Analytische Vorbestimmung und The design of the surface shape is done in two steps: 1 . Analytical predetermination and
2. Numerische Feinabstimmung  2. Numerical fine-tuning
Der Zweck des Korrekturelementes 7 ist die Korrektur eines Wellenfrontfehlers, welcher bei Hoch-NA-Objektiven z. B. durch eine Fehlanpassung des Objektes induziert wird (z. B. falsche Deckglasdicke oder falscher Brechungsindex der Probe). Der durch diese Fehlanpassung induzierte Wellenfrontfehler läßt sich analytisch durch die Sinus-Bedingung
Figure imgf000007_0001
The purpose of the correction element 7 is the correction of a wavefront error, which in high-NA lenses z. B. is induced by a mismatch of the object (eg, wrong cover glass thickness or incorrect refractive index of the sample). The wavefront error induced by this mismatch can be analytically determined by the sine condition
Figure imgf000007_0001
p : relativer Pupillenradius  p: relative pupil radius
Az : Defokus  Az: Defocus
n : Brechzahl  n: refractive index
k : Wellenzahl  k: wavenumber
beschreiben. describe.
Die Wurzel läßt sich als Reihe entwickeln zu The root can be developed as a series
_ NA _ N / A
n  n
1 4 4  1 4 4
Φ(Αζ, ρ, s) = n k Az (l -^ s2 p2■ — S p - s6p6 Φ (Αζ, ρ, s) = nk Az (l - ^ s 2 p 2 ■ - S p - s 6 p 6
16 Hierbei beschreiben die einzelnen Terme der Reihenentwicklungen bekannte rotationssymmetrische Wellenfrontfehler: i. Exponent 0: Offset  Here, the individual terms of the series developments describe known rotationally symmetric wavefront errors: i. Exponent 0: offset
ii. Exponent 2: Defokus  ii. Exponent 2: Defocus
iii. Exponent 4: Sphärische Aberrationen  iii. Exponent 4: Spherical aberrations
iv. Exponent >4: Sphärische Aberrationen höherer Ordnung  iv. Exponent> 4: Spherical aberrations of higher order
Diese Terme sind ähnlich den bekannten Zernike-Polynomen w(p, s) = Z1 + Z4 + Z9 + Z16 + .... =(Zl - l+ z4 (lp2 -l)+ ζ9 (όρ4 - 6p2 + l)+ z16 (20p6 - 30p4 + I2p2 These terms are similar to the well-known Zernike polynomials w (p, s) = Z 1 + Z 4 + Z 9 + Z 16 + .... = ( Zl - l + z 4 (lp 2 -l) + ζ 9 (όρ 4 - 6p 2 + l) + z 16 (20p 6 - 30p 4 + I2p 2
- sie weichen nur im Vorfaktor ab. Folglich können diese in Beziehung gestellt werden. Dies ist hilfreich, weil optische Systeme üblicherweise mit Zernike-Polynomen beschrieben werden. Da das Korrekturelement 7 nur sphärische Wellenfrontfehler beheben soll, nicht jedoch eine Defokussierung, muß der Defokusterm nicht korrigiert werden - dies kann über eine Nachfokussierung im Mikroskop erfolgen. Im einfachsten Fall heißt das, daß der durch die letzte Gleichung beschriebene Wellenfrontfehler - they differ only in the preliminary factor. Consequently, these can be related. This is helpful because optical systems are usually described with Zernike polynomials. There the correction element 7 should only correct spherical wavefront errors, but not defocusing, the defocus pattern need not be corrected - this can be done by refocusing in the microscope. In the simplest case, this means that the wavefront error described by the last equation
a. durch Nachfokussieren hinsichtlich des Terms mit dem Exponenten 2 und  a. by refocusing the term with the exponent 2 and
b. mit dem Korrekturelement 7 hinsichtlich aller höheren Terme korrigiert wird.  b. is corrected with the correction element 7 with respect to all higher terms.
Folglich kann die Form der zu korrigierenden Wellenfront folgendermaßen beschrieben werden: Consequently, the shape of the wavefront to be corrected can be described as follows:
NA
Figure imgf000008_0001
N / A
Figure imgf000008_0001
Am folgenden Beispiel wird der Effekt nochmals erläutert. Der Phasenfehler eines Objektives vom Typ Zeiss Plan APO 63x NA = 1 .2 beträgt bei einer Defokussierung um 50 μιτι in Wasser bis zu 40 μιτι. Das Nachfokussieren kann durch eine Subtraktion des Zernike-Koeffizienten Z4 von der Wellenfront beschrieben werden. Aus einem Koeffizientenvergleich der letzten beiden Gleichungen läßt sich der Faktor Z4 analytisch bestimmen. Diese Phasenfunktion muß durch das Korrekturelement 7 realisiert werden. Der Phasenhub von 5 μιτι ist deutlich geringer als der Gesamtphasenfehler - das kommt der Fertigbarkeit deutlich entgegen. The following example explains the effect again. The phase error of an objective of the type Zeiss Plan APO 63x NA = 1 .2 is μιτι in defocus by 50 μιτι in water up to 40 μιτι. The refocusing can be described by subtracting the Zernike coefficient Z 4 from the wavefront. From a coefficient comparison of the last two equations, the factor Z 4 can be determined analytically. This phase function must be realized by the correction element 7. The phase deviation of 5 μιτι is significantly lower than the total phase error - that comes the fertility clearly contrary.
Derart berücksichtigt man Such are considered
1 . den Einfluß höherer Ordnungen der Phasenfront durch Nachfokussieren,  1 . the influence of higher orders of the phase front by refocusing,
2. eine Erhaltung der Symmetrie der Phasenfront bei Polynomen der Ordnungen >3 durch entsprechende Optimierung der Mischterme (z. B. x3y2), 2. preservation of the symmetry of the phase front in polynomials of orders> 3 by appropriate optimization of the mixed terms (eg x 3 y 2 ),
3. einen Farblängs- und Farbquerfehler und  3. a color longitudinal and lateral chromatic aberration and
4. einen Bildfeldfehler.  4. a field error.
Eine Optimierung gibt für die erstgenannte Gleichung, welche die Asphäre beschreibt, z. B. die folgenden Parameter: An optimization gives for the former equation which describes the asphere, e.g. For example, the following parameters:
• cx1 = -1 .64e-6;  • cx1 = -1 .64e-6;
• cy1 = cx1 ;  • cy1 = cx1;
• cx3 = 7.86e-4; • cx21 = -4.93e-7; • cx3 = 7.86e-4; • cx21 = -4.93e-7;
• cy21 = cx21 ;  • cy21 = cx21;
• cy3 = cx3;  • cy3 = cx3;
• cx5 = 2.92Θ-7;  • cx5 = 2.92Θ-7;
· cx41 = -4.18e-8;  · Cx41 = -4.18e-8;
• cx32 = 2.66e-7;  • cx32 = 2.66e-7;
• cy32 = cx32;  • cy32 = cx32;
• cy41 = cx41 ;  • cy41 = cx41;
• cy5 = cx5  • cy5 = cx5
Mit diesem Design wird eine Performance (PSF) von 80 % eines theoretisch idealen Objektives erreicht. Ohne eine Korrektur fällt der Wert bei einer Defokussierung um 50 μιη auf -30 % ab. With this design, a performance (PSF) of 80% of a theoretically ideal lens is achieved. Without a correction, the value drops by 50 μιη to -30% at a defocusing.

Claims

Patentansprüche claims
1 . Aberrationskorrigiertes Mikroskop, das ein Mikroskopobjektiv (1 ) zum Abbilden eines Objektes (2) in einen Mikroskopstrahlengang längs einer optischen Achse (A) ausgebildet ist und das ein Aberrationen korrigierendes Korrekturelement (7) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das Korrekturelement (7) dem Mikroskopobjektiv (1 ) in Abbildungsrichtung nachgeordnet ist und nahe einer Pupille (P) des Mikroskopobjektives (1 ) liegt, wobei das Korrekturelement (7) eine erste und eine zweite Platte (9, 10) mit jeweils zwei Plattenflächen aufweist, wobei eine erste der Plattenflächen (1 1 ) der ersten Platte (9) die Oberflächentopographie eines ungeraden Polynoms mindestens 5. Ordnung aufweist und eine erste der Plattenflächen (12) der zweiten Platte (10) dazu komplementär ausgebildet ist. 1 . An aberration-corrected microscope comprising a microscope objective (1) for imaging an object (2) in a microscope beam path along an optical axis (A) and having an aberration correcting element (7), characterized in that the correction element (7) is the microscope objective (1) is downstream in the imaging direction and near a pupil (P) of the microscope objective (1), wherein the correction element (7) has a first and a second plate (9, 10) each having two plate surfaces, wherein a first of the plate surfaces ( 1 1) of the first plate (9) has the surface topography of an odd polynomial of at least 5th order and a first of the plate surfaces (12) of the second plate (10) is complementary thereto.
2. Mikroskop nach Anspruchl , dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Plattenflächen (1 1 , 12) der Platten (9, 1 0) plan ausgebildet sind und schräg zur optischen Achse (A) stehen. 2. A microscope according to Anspruchl, characterized in that the second plate surfaces (1 1, 12) of the plates (9, 1 0) are flat and are inclined to the optical axis (A).
3. Mikroskop nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß beide Platten (9, 10) mit einem Versteilantrieb (8) verbunden sind, der der gegenseitigen Verschiebung der Platten quer zur optischen Achse (A) ausgebildet und von einem Steuergerät (C) zum Einstellen der Aberrationskorrektur angesteuert ist. 3. Microscope according to one of the above claims, characterized in that both plates (9, 10) are connected to a Versteilantrieb (8), the mutual displacement of the plates transverse to the optical axis (A) and formed by a control unit (C) is set to adjust the aberration correction.
4. Mikroskop nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Güte der Oberflächen der ersten Plattenflächen (1 1 , 12) besser als Lambda/10, bevorzugt gleich oder besser als Lambda/20 ist, wobei Lambda die kürzeste der im Mikroskopstrahlengang verwendete Wellenlänge ist. 4. Microscope according to one of the above claims, characterized in that the quality of the surfaces of the first plate surfaces (1 1, 12) is better than lambda / 10, preferably equal to or better than lambda / 20, wherein lambda is the shortest used in the microscope beam path Wavelength is.
5. Mikroskop nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Objektivwechsler (15) vorgesehen ist, mit dem mehrere Mikroskopobjektive in den Mikroskopstrahlengang bringbar sind, wobei das Korrekturelement (7) dem Objektivwechsler (15) auf der optischen Achse (A) nachgeordnet ist, so daß es für alle mit dem Objektivwechsler (15) in den Mikroskopstrahlengang gebrachten Mikroskopobjektive (1 ) hinsichtlich Aberrationen korrigiert. 5. Microscope according to one of the above claims, characterized in that an objective changer (15) is provided, with which a plurality of microscope objectives can be brought into the microscope beam path, wherein the correction element (7) downstream of the objective changer (15) on the optical axis (A) so it's for everyone with the lens changer (15) corrected in the microscope beam microscope lenses (1) corrected for aberrations.
6. Mikroskop nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Korrekturelement (7) zwischen der Pupillenebene (P) und einer Austrittsfläche einer letzten Linse des Mikroskopobjektives (1 ) liegt. 6. Microscope according to one of the above claims, characterized in that the correction element (7) between the pupil plane (P) and an exit surface of a last lens of the microscope objective (1).
7. Mikroskop nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuergerät (C) einen Gütewert für ein im Mikroskopstrahlengang erzeugtes Bild ermittelt und den Versteilantriebs (8) zur Optimierung des Gütewertes ansteuert, vorzugsweise einer Regelung. 7. A microscope according to claim 3, characterized in that the control unit (C) determines a quality value for an image generated in the microscope beam path and the Versteilantriebs (8) controls to optimize the quality value, preferably a control.
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