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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Mikroskop gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Ein Mikroskop mit Makro-Objektiv ist beispielsweise aus der
DE 32 05 305 A1 bekannt. Das Makro-Objektiv ist dort als Übersichtsobjektiv bezeichnet. Das Übersichtsobjektiv soll mit einer Vergrößerung zwischen 1x und 1,6x für die Übersichtsbeobachtung großer Objektfelder dienen. Problematisch ist die Integration solcher Übersichtsobjektive in herkömmliche Objektivrevolver, die Objektive üblicher Vergrößerung für die mikroskopische Betrachtung tragen. Die Problematik liegt darin begründet, dass die Abgleichlänge eines Übersichtsobjektivs oder Makro-Objektivs größer ist als diejenige von Mikroskopobjektiven üblicher Vergrößerung. Abgleichlänge (auch „optisch-mechanische Baulänge“) ist definiert als der Abstand zwischen der Objektebene im Präparat und der dem Objekt abgewandten Anlagefläche des Objektivs am Objektivrevolver. Wechselt man bei der mikroskopischen Beobachtung mittels eines Objektivrevolvers zwischen zwei Objektiven, so ist bei abgeglichenen Objektiven kein erneutes Scharfstellen erforderlich. Eine typische Abgleichlänge für Objektive beträgt 45 mm. Die Verwendung eines nicht abgeglichenen Makro-Objektivs würde beim Wechsel von bzw. zu der Übersichtsbeobachtung erhebliche Veränderungen der Einstellung des Mikroskops erforderlich machen. In der genannten Schrift ist als Möglichkeit der Integration eines Übersichtsobjektivs in einen herkömmlichen Objektivrevolver eine Anordnung geschildert, bei der eine sogenannte Bertrandlinse in den Tubus des Mikroskops einschiebbar und dort axial verschiebbar ist oder eine solche Bertrandlinse in den Mikroskoptubus einbringbar ist und eine weitere Zusatzlinse verwendet wird. Diese Anordnungen sind jedoch nachteilig für den für die Abbildung vorteilhaften telezentrischen Strahlengang im Objektraum.
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Die
DE 32 05 305 A1 schlägt daher vor, das Übersichtsobjektiv aus zwei Teilsystemen zu fertigen, von denen eines an dem Objektivrevolver in den Strahlengang des Mikroskops einschaltbar angeordnet ist, und das andere optische Teilsystem zwischen Objektivrevolver und Mikroskoptubus in den Strahlengang einschaltbar angeordnet ist. Die Abgleichlänge des erst genannten Teilsystems entspricht dabei derjenigen der anderen einschaltbaren Objektive. Weiterhin kann das zweite genannte optische Teilsystem zur Akkomodationsanpassung an den Beobachter axial verschiebbar sein.
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Das entsprechende Durchlicht-Forschungsmikroskop „JENA VAL“ der Jenaoptik Jena GmbH erzieht einen maximalen Objektfeld-Durchmesser von 25 mm.
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Die Firma Nikon bietet Makro-Objektive 0,5x („Ultra-Low Mag 0.5x Objektiv“) mit einer Zusatzoptik innerhalb des Objektivraums und einer Zusatzoptik außerhalb des Objektivraums im Bereich des Vergrößerungswechslers des Mikroskops an.
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Die Anmelderin bot ein Baukastensystem für Forschungsmikroskope („Leica DM R“) an, wobei ein Makro-Objektiv mittels einer Zusatzoptik, die außerhalb des Objektivraums im Bereich des Vergrößerungswechslers angeordnet ist, in einen Objektivrevolver integriert ist.
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Die oben geschilderten Lösungen der Integration eines Makro-Objektivs in einen Objektivrevolver mit Mikroskopobjektiven üblicher Vergrößerung sind nur für die Durchlichtbeleuchtung ausgelegt.
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Für eine Auflichtbeleuchtung ist aus der
DE 10 2008 032 337 A1 eine Möglichkeit der Integration eines Makro-Objektivs in einem Objektivrevolver mit Mikroskopobjektiven üblicher Vergrößerung (hier: „Mikro-Objektiv“) bekannt. Hier wird ein Objektiv mit kleiner Vergrößerung (hier: „Makro-Objektiv“) zur Realisierung eines Abbildungs- und Auflichtbeleuchtungsstrahlenganges vorgeschlagen, das aus insgesamt drei Linsengruppen besteht. Eine erste Linsengruppe ist innerhalb der üblichen Objektivabgleichlänge angeordnet, während eine zweite Linsengruppe an der Position der Austrittspupille des Makro-Objektivs angeordnet ist. Eine dritte Linsengruppe ist im Auflichtbeleuchtungsstrahlengang zwischen einer Auflichttubuslinse und einem Spiegel einer Spiegelanordnung angeordnet, wobei besagter Spiegel den Auflichtbeleuchtungsstrahlengang in die erste Linsengruppe des Makro-Objektivs und von dort zum Objekt lenkt. Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform des dort vorgeschlagenen Makro-Objektivs sind die zweite und dritte Linsengruppe Bestandteil dieser Spiegelanordnung, die der ersten Linsengruppe des Objektivs in Richtung des Abbildungsstrahlengangs nachgeordnet ist. Die zweite Linsengruppe ist mit positiver Brechkraft im Abbildungsstrahlengang nach dem Spiegel angeordnet, während die dritte Linsengruppe die bereits genannte Position im Auflichtbeleuchtungsstrahlengang innehat. Die dritte Linsengruppe besitzt eine negative Brechkraft und ist an der eigentlichen Abbildung des Objektes in die Okularzwischenbildebene nicht beteiligt. Sie tritt nur bei der Auflichtbeleuchtung in Erscheinung und bewirkt, dass die virtuelle Abbildung des Auflichtes in die Position der zweiten Linsengruppe, bei welcher die Austrittspupille des Makro-Objektivs liegt, erfolgt. Auf diese Weise wird also die (virtuelle) Beleuchtungspupille in die hintere Austrittspupille des Makro-Objektivs gelegt.
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Ein gattungsgemäßes Mikroskop mit einem Objektivrevolver zur Befestigung von mindestens einem Mikro-Objektiv und einem Makro-Objektiv, das in eine Arbeitsstellung auf eine optische Achse einschwenkbar ist, sowie mit einer Beobachtungsoptik in einem Abbildungsstrahlengang sowie einem Makro-Objektiv bestehend aus einem ersten am Objektivrevolver befestigbaren optischen Teilsystem und einem zweiten optischen Teilsystem, das zwischen Objektivrevolver und Beobachtungsoptik in den Abbildungsstrahlengang einfügbar ist, wenn das erste optische Teilsystem in seine Arbeitsstellung auf der optischen Achse geschwenkt ist, ist aus der
US 6 366 398 B1 bekannt. Das dort behandelte Mikroskop weist eine Durchlichtbeleuchtungseinrichtung auf.
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Die
DD 2 37 915 A1 behandelt die Kompensation sphärischer und chromatischer Aberrationen bei einem Interferenzmikroskop. Dort wird in einen Köhlerschen Auflichtbeleuchtungsstrahlengang eine Zusatzlinse zwischen einer ersten Kondensorlinse und einer Leuchtfeldblende eingebracht, um sphärische und chromatische Pupillenaberrationen in der Bildebene zu kompensieren.
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Schließlich ist aus der
US 2009/0091822 A1 ein Zoommikroskop mit einem Beobachtungs- und einem Beleuchtungszoomsystem für die Fluoreszenzbeobachtung vorgeschlagen. Da bei den dort vorgeschlagenen Zoommikroskopen die Beleuchtungspupille im niedrigeren Vergrößerungsbereich weit von der Objektivpupille entfernt liege, ergebe sich das Problem der Abschattung des Auflichtbeleuchtungslichtes. Zur Abhilfe wird hier ein zuschaltbares optisches System vorgeschlagen, das in der Nähe der Pupille des Objektivs ein Bild der Lichtquelle erzeugt. Dieses optische System ist auch hier im Auflichtbeleuchtungsstrahlengang angeordnet.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Mikroskop mit einem in einen Objektivrevolver mit Mikroskopobjektiven üblicher Vergrößerung integrierten Makro-Objektiv für Auflichtuntersuchungen anzugeben, bei dem ein einfaches Umschalten zwischen einer mikroskopischen Betrachtung und einer Übersichtsbetrachtung mit homogener Ausleuchtung möglich ist. Zusätzlich soll eine Reflexunterdrückung auf einfache Weise realisierbar sein.
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Diese Aufgabe wird durch ein Mikroskop gemäß Anspruch 1 gelöst.
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Ein Mikroskop mit einem Objektivrevolver zur Befestigung von mindestens einem Mikro-Objektiv, das in eine Arbeitsstellung auf eine optische Achse einschwenkbar ist, mit weiterhin einer Beobachtungsoptik in einem Abbildungsstrahlengang des Mikroskops und mit einem Makro-Objektiv bestehend aus mehreren optischen Teilsystemen, wobei ein erstes optisches Teilsystem am Objektivrevolver befestigbar ist und ein zweites optisches Teilsystem zwischen dem Objektivrevolver und der Beobachtungsoptik in den Abbildungsstrahlengang einfügbar ist, wenn das erste optische Teilsystem in seine Arbeitsstellung auf der optischen Achse des Mikroskops geschwenkt ist, ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass eine einen Beleuchtungsstrahlengang erzeugende Auflichtbeleuchtungseinrichtung mit einem Strahlteiler zur Einkopplung des Beleuchtungsstrahlengangs in den Abbildungsstrahlengang vorgesehen ist. Dabei ist mit dieser Auflichtbeleuchtungseinrichtung sowohl durch ein in seiner Arbeitsstellung befindliches Mikro-Objektiv als auch alternativ durch das in seiner Arbeitsstellung befindliche erste optische Teilsystem des Makro-Objektivs jeweils ein telezentrischer Beleuchtungsstrahlengang mit einer objektivseitigen Beleuchtungspupille erzeugbar. Dazu ist bei dem in seiner Arbeitsstellung befindlichen Makro-Objektiv, in der die optischen Teilsysteme des Makro-Objektivs auf die optische Achse des Mikroskops eingeschwenkt sind, eine Anpassungsoptik in den Beleuchtungsstrahlengang einbringbar, welche die Beleuchtungspupille an die hintere Austrittspupille des Makro-Objektivs verlagert, die zwischen dem ersten optischen Teilsystem und dem Strahlteiler liegt. Es hat sich gezeigt, dass dieses mit einer Anpassungsoptik mit positiver Brechkraft zu realisieren ist.
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Durch diesen Aufbau wird in den jeweiligen Arbeitsstellungen der Mikro-Objektive sowie in der Arbeitsstellung des Makro-Objektivs eine objektivseitige Beleuchtungspupille erzeugt, also eine Beleuchtungspupille, deren Position vom Strahlteiler aus gesehen in Richtung des Mikro-Objektivs bzw. des ersten optischen Teilsystems des Makro-Objektivs liegt. Des weiteren wird ein Makro-Objektiv eingesetzt, dessen hintere Austrittspupille zwischen dem ersten optischen Teilsystem des Makro-Objektivs und dem Strahlteiler liegt. Schließlich stellt die Anpassungsoptik durch ihre positive Brechkraft sicher, dass die Beleuchtungspupille an die hintere Austrittspupille des Makro-Objektivs verlagert wird, wenn sich dieses in seiner Arbeitsstellung befindet. Durch diese Maßnahmen ist sichergestellt, dass bei einer Umschaltung zwischen mikroskopischer Betrachtung und Übersichtsbetrachtung mit dem Makro-Objektiv keine Abschattung oder Lichtverlust auftritt und zugleich durch die telezentrische Beleuchtung ein Durchfokussieren, also Variieren des Abstandes zwischen Objekt und Frontlinse des jeweiligen Objektivs, möglich ist.
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Diese Maßnahmen sind insbesondere bei einem zweigeteilten Makro-Objektiv zweckmäßig, das objektseitig für eine telezentrische Beleuchtung sorgt („telezentrisches Objektiv“). Insbesondere bei solchen Objektiven liegt die hintere Austrittspupille deutlich in Richtung des vom Objekt weiter entfernten zweiten optischen Teilsystems. Bei Mikro-Objektiven üblicher Vergrößerung liegt hingegen die hintere Austrittspupille in der Regel im Objektiv selbst. Die erfindungsgemäßen Maßnahmen stellen sicher, dass die Beleuchtungspupille in die hintere Austrittspupille des Makro-Objektivs gezogen wird, so dass der Objektbereich optimal und telezentrisch ausgeleuchtet wird.
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Die Auflichtbeleuchtungseinrichtung erzeugt - unabhängig vom verwendeten Objektiv - einen Beleuchtungsstrahlengang mit objektivseitiger Beleuchtungspupille.
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Der erfindungsgemäße Mikroskopaufbau eignet sich insbesondere für die Realisierung einer zusätzlichen Reflexunterdrückung.
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Bei Auflichtbeleuchtung kommt es durch Reflexionen des Beleuchtungsstrahlengangs an optischen Grenzflächen zu störenden Reflexen (Reflexe erster Ordnung). Dieses Problem besteht prinzipiell bei allen Objektiven, d.h. auch bei den Mikroskopobjektiven üblicher Vergrößerung. Durch die deutlich größere numerische Apertur der Mikroskopobjektive im Vergleich zu derjenigen von Makro-Objektiven können dort die Reflexe jedoch effektiver durch ein entsprechendes Objektivdesign unterdrückt werden. Bei einem Umschalten von mikroskopischer Betrachtung zu einer Übersichtsbetrachtung mit einem Makro-Objektiv kann bei einem erfindungsgemäßen Mikroskop zusätzlich auf einfache Weise eine Reflexunterdrückung beim eingeschwenkten Makro-Objektiv realisiert werden.
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Bei einem erfindungsgemäßen Mikroskop ist es besonders vorteilhaft, wenn zur Unterdrückung von Reflexen ein Polarisator in den Beleuchtungsstrahlengang und ein Analysator in den Abbildungsstrahlengang des Makro-Objektivs einbringbar ist, wenn sich das Makro-Objektiv in seiner Arbeitsstellung befindet.
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Durch diese Maßnahmen werden die genannten störenden Reflexe stark unterdrückt, insbesondere werden die sogenannten Reflexe erster Ordnung, die von an dem ersten optischen Teilsystem des Makro-Objektivs reflektierten Beleuchtungsstrahlen verursacht werden, (fast) vollständig eliminiert. Nach Durchtritt durch den Polarisator, der zu diesem Zweck in Ausbreitungsrichtung des Beleuchtungsstrahlengangs vor zumindest dem ersten optischen Teilsystem des Makro-Objektivs positionierbar ist, trifft polarisiertes Beleuchtungslicht auf das erste optische Teilsystem des Makro-Objektivs und tritt durch dieses hindurch. An den Grenzflächen dieses optischen Teilsystems des Makro-Objektivs reflektiertes Licht behält seine Polarisationsrichtung bei und gelangt zumindest zum Teil in den Abbildungsstrahlengang des Makro-Objektivs bzw. des Mikroskops. Durch einen in Ausbreitungsrichtung des Abbildungsstrahlengangs hinter dem ersten optischen Teilsystem des Makro-Objektivs angebrachten Analysator kann das entsprechend polarisierte Licht ausgefiltert werden, so dass Reflexe erster Ordnung vollständig eliminiert werden können. Es hat sich gezeigt, dass die Eliminierung der störenden Reflexe den Nachteil der verringerten Lichtintensität aufwiegt.
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Der mehrteilige Aufbau des Makro-Objektivs erlaubt, dieses in einen Objektivrevolver zur Aufnahme von Mikro-Objektiven üblicher Vergrößerung zu integrieren. Hierzu wird die Abgleichlänge des in den Objektivrevolver adaptierbaren optischen Teilsystems des Makro-Objektivs entsprechend der Abgleichlänge der anderen einschaltbaren Mikro-Objektive gewählt. Es ist insbesondere vorteilhaft, wenn das Makro-Objektiv aus zwei optischen Teilsystemen besteht. Das erste am Objektivrevolver adaptierbare optische Teilsystem (auch Feldlinsenteil des Makro-Objektivs genannt) kann hierbei insbesondere zur objektseitigen telezentrische Beleuchtung ausgelegt sein. Das zweite optische Teilsystem des Makro-Objektivs ist dann mit Vorteil zwischen dem Objektivrevolver und dem Tubus des Mikroskops angeordnet.
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In dieser Anmeldung wird unter dem Begriff „Mikro-Objektiv“ ein Mikroskopobjektiv zur mikroskopischen Untersuchung von Objekten mit üblicher Vergrößerung von mehr als 1x bis zu etwa 100x, insbesondere 1,6x oder 5x bis 100x, weiter insbesondere 50x bis 100x und höher verstanden, während unter dem Begriff „Makro-Objektiv“ solche Objektive verstanden werden sollen, deren Vergrößerung zwischen 0,5x bis 2x liegt, insbesondere zwischen 0,5x bis 1x, weiter insbesondere bei 0,7x.
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Um den Beleuchtungsstrahlengang über das jeweilige Objektiv führen zu können, weist die Auflichtbeleuchtungseinrichtung einen Strahlteiler zur Einkopplung des Beleuchtungsstrahlengangs in den Abbildungsstrahlengang des Mikroskops auf. Der Strahlteiler ist zweckmäßigerweise im Abbildungsstrahlengang des Mikroskops angeordnet. Hierbei ist es vorteilhaft, wenn der genannte Polarisator in Ausbreitungsrichtung des Beleuchtungsstrahlengangs vor dem Strahlteiler angeordnet ist, während der Analysator in Ausbreitungsrichtung des Abbildungsstrahlengangs hinter dem Strahlteiler angeordnet ist.
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Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn der Polarisator, der Analysator und der genannte Strahlteiler in Kombination mit einander als ein Polteilerprisma (auch Polarisationsstrahlteiler genannt) realisiert sind. Das Polteilerprisma lenkt den Beleuchtungsstrahlengang unter gleichzeitiger Polarisierung in Richtung des ersten Teilsystems (Feldlinsenteils) des Makro-Objektivs und filtert ebenso polarisiertes Licht aus dem Abbildungsstrahlengang des Mikroskops.
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Da beim erfindungsgemäßen Mikroskop die Beleuchtungspupille an die hintere Austrittspupille des Makro-Objektivs verlagert ist, die ihrerseits zwischen dem ersten optischen Teilsystem des Makro-Objektivs und dem Strahlteiler liegt, können die Maßnahmen zur Reflexunterdrückung bequem realisiert werden, ohne mit anderen optischen Komponenten zu kollidieren. Beispielsweise kann das erwähnte Polteilerprisma in Ausbreitungsrichtung des Abbildungsstrahlengangs vor das zweite optische Teilsystem des Makroobjektivs gebracht werden. Als besonders vorteilhaft erweist es sich, wenn das Polteilerprisma und die Anpassungsoptik in einer gemeinsam in den Strahlengang einfügbaren Baugruppe zusammen angeordnet werden.
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Je nach zu untersuchendem Objekt kann es in diesem Zusammenhang vorteilhaft sein, einen Depolarisator in dem ersten optischen Teilsystem des Makro-Objektivs oder zwischen dem ersten optischen Teilsystem des Makro-Objektivs und dem Objekt anzuordnen. Der Depolarisator bewirkt dann, dass durch das erste optische Teilsystem des Makro-Objektivs hindurch getretenes Licht vor Auftreffen auf das Objekt depolarisiert wird. An den Objektstrukturen reflektiertes, gestreutes und gebeugtes Licht gelangt dann in den Abbildungsstrahlengang und kann in der Folge den Analysator bzw. das Polteilerprisma passieren. Sofern jedoch das zu untersuchende bzw. abzubildende Objekt selbst für eine ausreichende Depolarisation des Beleuchtungslichts sorgen kann, ist ein solcher Depolarisator nicht notwendig.
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Der genannte Depolarisator ist vorteilhaft als 1/4-Platte und/oder als Quarzplatte ausgebildet. Er wird vorzugsweise schräg zur optischen Achse angeordnet.
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In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist der Depolarisator in dem ersten optischen Teilsystem des Makro-Objektivs integriert ausgebildet, in dem er innerhalb des optischen Teilsystems des Makro-Objektivs integriert angeordnet wird. Alternativ kann die Integration insbesondere durch Verkittung des Depolarisators mit der objektseitigen Frontlinse des Makro-Objektivs realisiert werden. Wird beispielsweise bei der üblichen Form der Frontlinse der Depolarisator mit der innerhalb des Objektivs liegenden Planfläche der Frontlinse verkittet, bleibt als einzige Fläche, die reflexwirksam ist, die außenliegende Fläche der Frontlinse übrig. Da diese in der Regel bei Makro-Objektiven stark gewölbt ist, ist deren Reflexanteil sehr gering. Insgesamt hat man dadurch eine sehr kompakte Bauweise dieses Objektivteils und kann auf eine Anordnung mit Verkippung des Depolarisators vor dem Objektivteil verzichten.
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In diesem Zusammenhang ist zweckmäßig, wenn das genannte Polteilerprisma (zur Reflexvermeidung) und die Pupillenanpassungsoptik (zur Beleuchtungsoptimierung) in einem Makromodul integriert sind. Hierdurch kann sichergestellt werden, dass beim Einsatz des Makromoduls beide Aspekte der Erfindung realisiert werden. Hierbei ist es weiter vorteilhaft, wenn auch zumindest das zweite optische Teilsystem des Makro-Objektivs in das Makromodul integriert ist, so dass die für die Makro-Beobachtung benötigten Komponenten gleichzeitig verfügbar sind. Um sicher zu stellen, dass alle Komponenten für die Makro-Beobachtung gleichzeitig zur Verfügung stehen, ist es überdies sinnvoll, eine Zwangskopplung des Makromoduls und des ersten, am Objektivrevolver befestigten optischen Teilsystems des Makro-Objektivs vorzusehen.
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Insbesondere ist es auch sinnvoll, wenn die Auflichtbeleuchtungseinrichtung des Mikroskops ein Auflichtturret aufweist, in dem das Makromodul angeordnet ist. Für Mikro-Objektive kann das Auflichtturret andere Module beinhalten, beispielsweise einen Reflektorwürfel mit einem Strahlteiler oder Strahlumlenker für die gewünschte Auflichtbeleuchtung. Die genannte Zwangskopplung kann rein mechanisch oder auch elektromechanisch erfolgen. Sobald eine Übersichtsbetrachtung mit dem Makro-Objektiv (manuell oder automatisch gesteuert) gewählt wird, wird das erste optische Teilsystems des Makro-Objektivs am Objektivrevolver in den Abbildungsstrahlengang (optische Achse) des Mikroskops geschwenkt und gleichzeitig das genannte Makromodul in den Abbildungsstrahlengang eingebracht. Ist das Makromodul in einem Auflichtturret angeordnet, so erfolgt dessen Einbringung in den Abbildungsstrahlengang durch Drehen des Turrets. Beim Übergang zur mikroskopischen Betrachtung wird ein entsprechendes Mikro-Objektiv in den Abbildungsstrahlengang eingebracht und hiermit zwangsgekoppelt das Makromodul aus dem Beobachtungsstrahlengang entfernt und evtl. ein anderes geeignetes Modul (Reflektorwürfel) in den Strahlengang eingebracht. Bei einem automatischen Mikroskop kann dieser Vorgang rechnergestützt motorisiert erfolgen.
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Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Die Erfindung und deren Vorteile sind anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
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Figurenliste
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- 1a zeigt in schematischer Weise die für die Erfindung relevanten Teile eines erfindungsgemäßen Mikroskops in einer besonderen Ausführungsform;
- 1b zeigt einen Ausschnitt aus 1a betreffend das Polteilerprisma 1, hier in anderer Ausführungsform;
- 1c zeigt einen Ausschnitt aus 1a betreffend Teilsystem 5a des Makro-Objektivs und Depolarisator, hier in einer anderen Ausführungsform;
- 2 zeigt in schematischer Weise den üblichen Beleuchtungsstrahlengang bei der Verwendung eines Mikro-Objektivs üblicher Vergrößerung;
- 3 zeigt in schematischer Weise den Beleuchtungsstrahlengang bei Verwendung eines einfachen Makro-Objektivs;
- 4 zeigt in schematischer Weise den Beleuchtungsstrahlengang beim Einsatz eines Makro-Objektivs mit einer Anpassungsoptik für die Beleuchtungspupille.
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1a zeigt die zum Verständnis der Erfindung wesentlichen Komponenten eines Mikroskops in sehr schematischer Ansicht. Da der Fachmann den prinzipiellen Aufbau eines Mikroskops kennt, kann die folgende Beschreibung auf die für die Erfindung wesentlichen Zusammenhänge beschränkt bleiben. Die bekannten Bestandteile eines Mikroskops wie Tubus, Okular, Vergrößerungswechsler, Zoom, angeschlossene Kamera etc., sind in 1a und den nachfolgenden Figuren nicht gesondert dargestellt, sondern lediglich als Beobachtungsoptik 9 bezeichnet. Bei dem vorliegenden Mikroskop 18 handelt sich insbesondere um ein Mikroskop für den Einsatz bei der Waferdetektion. Üblicherweise sind solche Mikroskope mit herkömmlichen Mikro-Objektiven ausgestattet. Besondere Vorteile bietet die telezentrische Beleuchtung, bei der jeder Objektpunkt mit gleicher Apertur und Beleuchtungsstärke beleuchtet wird. Telezentrische Mikro-Objektive sind bisher nur bis 1,6x bekannt, bei einem Bildfeld von FOV = 16 mm (FOV = field of view). Es ist jedoch wünschenswert, ein Übersichtsbild bei kleinerer Vergrößerung oder sogar Verkleinerung des Objektfeldes zu erhalten, wobei ein größeres Bildfeld überblickt werden soll.
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Zu diesem Zweck zeigt die Ausführungsform gemäß 1a die Integration eines Makro-Objektivs 5 in einen Objektivrevolver 14, der ansonsten in üblicher Weise mit Mikro-Objektiven 15 bestückt ist. Das Makro-Objektiv 5 ist in dieser Ausführungsform zweigeteilt und weist demnach ein erstes optisches Teilsystem 5a (Feldlinsenteil) und ein zweites optisches Teilsystem 5b (Objektivteil) auf. Diese Zweiteilung erlaubt zum Einen eine einfache Realisierung der telezentrischen Beleuchtung und zum Anderen die Einhaltung der typischen Abgleichlänge (beispielsweise 45 mm). Durch Drehen des Objektivrevolvers 14 um die Revolver-Drehachse 19 können verschiedene Makro- und Mikro-Objektive in den Abbildungsstrahlengang eingeschwenkt werden. Das Einschwenken des Makro-Objektivs 5 erfordert auf Grund der gleichen Abgleichlänge kein erneutes Scharfstellen. Außerdem kann der zur Verfügung stehende Bauraum eingehalten werden.
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Das abzubildende oder mikroskopisch zu untersuchende Objekt ist mit 6 bezeichnet. Es befindet sich auf einem Mikroskoptisch 17.
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Das Mikroskop 18 besitzt eine Auflichtbeleuchtungseinrichtung 20, auf die im Einzelnen noch eingegangen werden wird. In 1a sind der besseren Übersichtlichkeit halber nur die Lichtquelle 8 und die Auflichtbeleuchtungsachse 7 dargestellt, entlang derer der Beleuchtungsstrahlengang 28 verläuft. Zur Beleuchtungsoptimierung weist die Auflichtbeleuchtungseinrichtung 20 eine Pupillenanpassungsoptik 2 auf, die bewirkt, dass die Beleuchtungspupille in der hinteren Austrittspupille des Makro-Objektivs 5 liegt. Dies wird weiter unten noch ausführlich erläutert werden.
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Die Auflichtbeleuchtungseinrichtung 20 weist weiterhin ein Polarisationsstrahlteiler oder Polarisationsteilerprisma, abgekürzt Polteilerprisma 1 auf, das die folgenden Funktionen in sich vereinigt: Zum einen wird der Beleuchtungsstrahlengang 28 in den Abbildungsstrahlengang 29 des Mikroskops 18 eingekoppelt, indem eine Umlenkung der Auflichtbeleuchtungsachse 7 auf die optische Achse 3 des Mikroskops erfolgt. Hierbei wird das Beleuchtungslicht polarisiert. Durch das Polteilerprisma 1 hindurch tretendes Beleuchtungslicht kann mittels einer auf der Verlängerung der Auflichtbeleuchtungsachse 7 angeordneten Lichtfalle (nicht dargestellt) absorbiert werden. Betrachtet man nun den Abbildungsstrahlengang 29, so sorgt das Polteilerprisma 1 dafür, dass das erwähne polarisierte Licht zurück in Richtung Auflichtbeleuchtungsachse 7 reflektiert wird, während entsprechend anders polarisiertes Licht (Licht mit einer anderen Polarisationskomponente) das Polteilerprisma 1 passieren kann und nach Durchtritt durch das zweite optische Teilsystem 5b des Makro-Objektivs in die Beobachtungsoptik 9 eintreten kann. Das Polteilerprisma 1 vereinigt somit in Kombination die in der Beschreibung geschilderten Komponenten Polarisator, Strahlteiler und Analysator in einem Bauteil. Diese Anordnung stellt sicher, dass unter Beibehaltung der ursprünglichen Polarisationsrichtung reflektiertes Licht nicht in die Beobachtungsoptik 9 gelangt. Solches Licht stellt überwiegend Reflexe erster Ordnung dar, die durch Reflexion an Grenzflächen des ersten optischen Teilsystems 5a des Makro-Objektivs 5 erzeugt sind. Diese störenden Reflexe erster Ordnung können bei dem dargestellten Aufbau somit eliminiert werden.
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Um zu vermeiden, dass am Objekt 6 unter Beibehaltung der ursprünglichen Polarisation reflektiertes Licht ebenfalls nicht in die Beobachtungsoptik 9 gelangt, kann mit Vorteil zwischen dem ersten optischen Teilsystem 5a und dem Objekt 6 ein Depolarisator 16 angeordnet sein. Als Depolarisator 16 kann ein λ/4-Plättchen eingesetzt werden, das vorteilhafterweise gleich mit der Frontlinse des ersten Teilsystems 5a des Makro-Objektivs 5 verkittet ist (vgl. 1c) . Der Depolarisator 16 sorgt dafür, dass das Objekt 6 mit nicht polarisiertem Beleuchtungslicht beleuchtet wird. An den Objektstrukturen des Objekts 6 reflektiertes, gebeugtes und gestreutes Licht gelangt dann über den Feldlinsenteil 5a in das Polteilerprisma 1 und von dort nach Ausfilterung der besagten Polarisationskomponente in das zweite optische Teilsystem 5b des Makro-Objektivs 5 und in die Beobachtungsoptik 9. Der hiermit verbundene Lichtverlust kann leicht hingenommen werden, da der Vorteil der Reflexminderung deutlich überwiegt.
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Wie in 1a weiter dargestellt, weist die Auflichtbeleuchtungseinrichtung 20 in diesem Ausführungsbeispiel ein Auflichtturret 4 auf, das zwei oder mehr einzelne Module 10, 11 trägt, die jeweils durch Drehen des Auflichtturrets 4 um die Drehachse 13 in den Abbildungsstrahlengang eingebracht werden können. Das Modul für das Makro-Objektiv 5 wird hier als Makromodul 10 bezeichnet. In diesem Ausführungsbeispiel sind neben dem Polteilerprisma 1 auch die Pupillenanpassungsoptik 2 und das zweite optische Teilsystem 5b des Makro-Objektivs 5 dort in einer Einheit untergebracht. Durch entsprechende Kopplung mit dem ersten optischen Teilsystem 5a des Makroobjektivs und besagtem Makromodul 10 kann sichergestellt werden, dass immer alle Komponenten für die Makro-beobachtung gleichzeitig in Arbeitsstellung sind. Für die übrigen Mikro-Objektive 15 des Mikroskops 18 sind hier zumindest ein weiterer Reflektorwürfel 11 (oder jeweils ein weiterer Reflektorwürfel 11) mit einem Strahlteiler 12 vorgesehen.
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1b zeigt einen Ausschnitt aus Figur la betreffend das dort gezeigte Makromodul 10. Gleiche Komponenten tragen gleiche Bezugszeichen und sollen hier nicht weiter erläutert werden. In 1b ist anstelle eines Polteilerprismas 1 ein Teilermodul 30 gezeigt. Polarisationsteilerprismen oder Polarisationsstrahlenteiler gibt es in verschiedenen Ausführungsformen. Alternativ kann der in 1b dargestellte klassische Aufbau verwendet werden, bei dem das Teilermodul 30 beleuchtungsseitig ein Polarisator 31 und abbildungsseitig einen Analysator 32 aufweist. Ein Strahlteiler 12 teilt das Teilermodul 30 diagonal, um die Auflichtbeleuchtungsachse 7 in Richtung optischer Achse 3 umzulenken. Dem Fachmann sind Polarisator 31, Analysator 32 und Strahlteiler 12 an sich bekannt, sodass auf weitere Erläuterungen hier verzichtet werden kann. Es sei weiter daraufhingewiesen, dass vorliegend der Begriff Polteilerprisma das in 1b dargestellte Teilermodul 30 umfassen kann.
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1c zeigt einen weiteren Ausschnitt aus Figur la hinsichtlich des objektseitigen optischen Teilsystems 5a des Makro-Objektivs 5. 1c zeigt hier eine Variante, wonach der Depolarisator 16, anders als in Figur la mit der innerhalb des Teilsystems 5a liegenden Planfläche der Frontlinse 35 verkittet ist. Die Frontlinse 35 ist diejenige Linse des objektseitigen optischen Teilsystems 5a des Makro-Objektivs 5, die dem Objekt 6 zugewandt ist. Man erkennt aus 1c die kompakte Bauweise des Objektivteils 5a. Etwaige Reflexe an der außen liegenden, dem Objekt 6 zugewandte Flächen der Frontlinse 35 sind aufgrund der starken Wölbung dieser Fläche sehr gering.
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2 zeigt schematisch die Beleuchtungsverhältnisse bei Verwendung klassischer Mikro-Objektive. Das Standard-Mikro-Objektiv ist mit 25 bezeichnet. Die Auflichtbeleuchtungseinrichtung 20 enthält eine Beleuchtungsoptik 21, 22, eine Aperturblende 23 sowie ein Umlenkelement 12 für den Beleuchtungsstrahlengang 28, das beispielsweise in dem bereits beschriebenen Reflektorwürfel 11 angeordnet sein kann. Die Beleuchtungsoptik 21 bildet die Lichtquelle 8 an den Ort der Aperturblende 23 ab, während die weitere Beleuchtungsoptik 22 eine weitere Abbildung an den Ort der Objektivaustrittspupille 24 vornimmt. Standardobjektiv 25 sowie die Beleuchtungsoptiken 21 und 22 sind sehr schematisch dargestellt - in der Regel handelt es sich um Systeme mit mehreren Linsen und optionalen Komponenten, wie Filter, Blenden etc.. Wenn die Beleuchtungspupille in der Objektivaustrittspupille 24 liegt, kann das Objekt 6 telezentrisch beleuchtet werden. Diese Art der Beleuchtung ist hier die für Mikro-Objektive von 5x bis 100x bevorzugt realisierte Auflichtbeleuchtung.
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3 zeigt die Beleuchtungsverhältnisse bei Einsatz eines Makro-Objektivs 5, wobei dieses für telezentrische Beleuchtung 2-teilig gewählt ist und demnach in ein Feldlinsenteil 5a und in ein Objektivteil 5b aufgeteilt werden kann. Die übrigen Komponenten und Elemente der 3 entsprechen denjenigen der 2, so dass auf eine gesonderte Erläuterung hier verzichtet wird. Während die Beleuchtungspupille 26 weiterhin an dem Ort liegt, wie in der Anordnung gemäß 2, liegt die hintere Austrittspupille 27 des Makro-Objektivs 5 deutlich entfernt von der Beleuchtungspupille 26 und zwar in Richtung des zweiten Teilsystems 5b des Makro-Objektivs 5 hin verschoben; das heißt, die Austrittspupille 27 des Makro-Objektivs 5 liegt zwischen dem ersten optischen Teilsystem 5a des Makro-Objektivs und dem Strahlteiler 12. Dieses starke Auseinanderfallen von Austrittspupille 27 und Beleuchtungspupille 26 führt dazu, dass die hintere Austrittspupille 27 des Makro-Objektivs unzureichend ausgeleuchtet ist, so dass nur ein geringer Teil des Objektfeldes ausgeleuchtet werden kann, während das Gesichtsfeld deutlich größer ist, und insbesondere das Objekt nicht mehr telezentrisch beleuchtet wird. (In 3 ist der Strahlengang zwischen Objektivteil 5a und dem Objekt 6 tatsächlich leicht divergent).
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Eine Lösung dieser Problematik zeigt 4. Durch Einfügen einer Pupillenanpassungsoptik 2 in den Beleuchtungsstrahlengang 28 der Auflichtbeleuchtungseinrichtung 20 gelingt es, den Ort der Beleuchtungspupille 26 zu dem Ort der Austrittspupille 27 des Makro-Objektivs 5 zu verlagern, idealer Weise beide Orte zur Deckung zu bringen. Dadurch liegt die „verschobene“ Beleuchtungspupille 26 zwischen dem ersten optischen Teilsystem 5a des Makro-Objektivs 5 und dem Strahlteiler 12. Vorzugsweise liegt diese Position dicht unterhalb des Makromoduls 10. Ein Vergleich der 3 und 4 zeigt, dass dieses Verschieben der Beleuchtungspupille 26 dazu führt, dass ein weitaus größerer Teil des Objektfeldes ausgeleuchtet werden kann, und dass das Objekt 6 nunmehr telezentrisch beleuchtet wird. Da diese Art der Beleuchtungsanpassung nur für Makro-Objektive sinnvoll ist, ist es vorteilhaft, die Pupillenanpassungsoptik 2 und das zweite optische Teilsystem 5b (Objektivteil) des Makro-Objektivs (und etwaige weitere Teilsysteme) in einem Reflektorwürfel 10, der auch als Makromodul 10 bezeichnet werden kann, zusammenzufassen. Das Makromodul 10 kann dann immer gemeinsam mit dem ersten optischen Teilsystem 5a (Feldlinsenteil) des Makro-Objektivs in den Strahlengang gebracht werden. Die entsprechende Bewegung des Objektivrevolvers 14 (vgl. 1a) und des Auflichtturrets 4 (vgl. 1a) können hierzu softwarebasiert und elektromechanisch, elektronisch oder ausschließlich mechanisch zwangsgekoppelt werden. Die Beleuchtungsanpassung bewirkt, dass das zur Verfügung stehende Gesichtsfeld vollständig ausgeleuchtet wird, wobei die Beleuchtung im dargestellten Ausführungsbeispiel telezentrisch erfolgt.
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Durch die beschriebene Anordnung ist ein Makro-Objektiv 0,7x mit einem Bildfeld (FOV) von 36 mm in einem Standardobjektivrevolver realisierbar.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Polteilerprisma
- 2
- (Pupillen-) Anpassungsoptik
- 3
- optische Achse
- 4
- Auflichtturret
- 5
- Makro-Objektiv
- 5a, 5b
- optisches Teilsystem des Makro-Objektivs
- 6
- Objekt
- 7
- Auflichtbeleuchtungsachse
- 8
- Lichtquelle
- 9
- Beobachtungsoptik
- 10
- Makromodul
- 11
- Reflektorwürfel
- 12
- Strahlteiler, Strahlumlenker
- 13
- Drehachse für Auflichtturret
- 14
- Objektivrevolver
- 15
- Mikro-Objektiv
- 16
- Depolarisator
- 17
- Mikroskoptisch
- 18
- Mikroskop
- 19
- Objektivrevolver-Drehachse
- 20
- Auflichtbeleuchtungseinrichtung
- 21,
- 22 Auflichtbeleuchtungsoptik
- 23
- Aperturblende
- 24
- Mikro-Objektivaustrittspupille
- 25
- Standard-Mikro-Objektiv
- 26
- Beleuchtungspupille
- 27
- Makro-Objektivaustrittspupille
- 28
- Beleuchtungsstrahlengang
- 29
- Abbildungsstrahlengang
- 30
- Teilermodul
- 31
- Polarisator
- 32
- Analysator
- 35
- Frontlinse