DE3831950A1

DE3831950A1 - Mikroskop mit spiegelobjektiv und abbildungsverfahren

Info

Publication number: DE3831950A1
Application number: DE3831950A
Authority: DE
Inventors: David R Shafer; Carmelo J Aresco
Original assignee: Spectra Tech Inc
Current assignee: Spectra Tech Inc
Priority date: 1987-09-25
Filing date: 1988-09-20
Publication date: 1989-06-08
Also published as: GB2210471A; JPH01108515A; GB8821479D0; US4863253A; GB2210471B

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Mikroskop mit einem Mikroskop-Spiegelobjektiv, das nur zwei Spiegel verwendet, um eine große Vergrößerung zu erhalten und die Erfindung betrifft außerdem ein Spiegelmikroskop, das ein Mikroskop-Objektiv mit veränderlicher Vergrößerung aufweist, sowie ein Abbildungsverfahren.

Das am weitesten verbreitete Spiegelmikroskop-Objektiv ist ein Schwarzschild-Cassegrainian Spiegelobjektiv. Diese Gestaltung des Objektivs bietet über einen weiten Wellenlängenbereich der Strahlungsenergie eine gute Bildqualität. Die Reflexionsfähigkeit der Spiegelflächen ändert sich nicht signifikant mit der Wellenlänge. Im Gegensatz hierzu enthält eine Linse brechendes Material, das Strahlungsenergie mit unterschiedlichen Wellenlängen in unterschiedlichen Brennpunkten fokussiert, überträgt eine Linse unterschiedliche Wellenlängen der Strahlungsenergie mit unterschiedlicher Effektivität und kann bestimmte Wellenlängen überhaupt nicht übertragen. Die Fähigkeit, Strahlungsenergie von unterschiedlicher Wellenlänge abzubilden, ist wichtig für die moderne Mikroskopie, da eine Probe häufig mit Strahlungsenergie untersucht wird, die Wellenlängen aufweist, die vom Vakuum-Ultraviolett bis in den weiten Infrarotbereich bzw. Infrarotdunkelstrahlbereich reichen.

Das herkömmliche Schwarzschild-Cassegrainian Mikroskopobjektiv ist jedoch nur bei verhältnismäßig niedrigen Vergrößerungen verwendbar, da der Arbeitsabstand zwischen der Probe und dem zweiten Spiegel bei hoher Vergrößerung und hoher numerischer Apertur zu klein wird. Hohe Vergrößerungen erfordern die Verwendung kleiner Spiegel. Eine abnehmende Größe der Spiegel führt jedoch zu Herstellungsproblemen infolge der extrem geringen Größe des zweiten Spiegels. Bekannte Auslegungen von Spiegelmikroskop-Objektiven zeigen Schwierigkeiten, eine praktische Vergrößerung von 100-fach zu erhalten.

Eine hohe Verstärkung kann unter Verwendung von Fernfeldoptiken bzw. Bildfeldoptiken erhalten werden, um den Brennpunkt eines Spiegelobjektives zu verlängern. Fernfeldoptiken sind jedoch unhandlich und neigen dazu, die Bildqualität zu vermindern. Es gibt kein bekanntes Spiegelmikroskop-Objektiv von praktischer optischer Konfiguration, das eine gute Bildqualität mit hoher Vergrößerung verbindet.

Es ist lange bekannt, daß Strahlungsenergie in einem Cassegrainian-Spiegeloptiksystem eine Mehrzahl unterschiedlicher optischer Wege einnehmen kann. Zum Beispiel zeigt die US-PS 35 27 526 (Silvertooth) ein Spiegelobjektiv-Bilderzeugungssystem, bei dem der Primärspiegel die Strahlungsenergie doppelt reflektiert. Der Sekundärspiegel reflektiert die elektromagnetischen Wellen einmal oder zweimal, ehe er sie zu einem Brennpunkt nahe dem zweiten Spiegel bündelt. Die verschiedenen Bildgebungssysteme sind Telephoto- oder Fernaufnahmelinsen, die ein Bild eines Objektes, das im oder nahezu im Unendlichen angeordnet ist, in einer Brennpunktebene abbilden, die verhältnismäßig nahe an dem zweiten bzw. Sekundärspiegel angeordnet ist. Die Spiegel, die in der vorgenannten US-Patentschrift dargestellt sind, sind vorzugsweise asphärisch und nicht konzentrisch.

Eine bekannt Gestaltung für ein Fernrohrobjektiv verwendet konzentrische sphärische Spiegel in einem Vier-Reflexions-Cassegrainian-Spiegeloptiksystem. Der Sekundärspiegel nimmt Licht aus dem Unendlichen auf. Der Primärspiegel fokussiert das Licht verhältnismäßig nahe der Rückseite des Sekundärspiegels. Der Sekundärspiegel muß bei diesem Fernrohrobjektiv im Verhältnis zum Primärspiegel groß sein. Die Durchmesserverdunkelung dieses Fernrohrobjektives beträgt ungefähr 0,71. Die große Verdunkelung, die durch den Sekundärspiegel verursacht wird, macht dieses Vier-Reflexions-Fernrohrobjektiv unpraktisch.

Im Stand der Technik wurde auch erkannt, daß ein Cassegrainian-Mikroskopobjektiv einen optischen Vier-Reflexionspfad bilden kann. Das Bild, das durch einen derartigen unbeabsichtigten Vier-Reflexionspfad erzeugt wird, ist jedoch schlecht und vollkommen ungeeignet für die Arbeit mit hoher Vergrößerung. In der Tat wurde die Vierweg-Reflexion, wenn sie erkannt wurde, als ein Problem angesehen, das beseitigt werden muß.

Ein Ziel der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, ein Spiegelmikroskop-Objektiv zu schaffen, das bei hoher Vergrößerung variable Vergrößerungsmaßstäbe gestattet.

Die vorliegende Erfindung betrifft einen neuen optischen Aufbau für das herkömmliche Schwarzschild-Cassegrainian- Mikroskop-Objektiv, das einen optischen Pfad mit vier Reflexionen bildet. Sowohl der Primär- als auch der Sekundärspiegel haben eine sphärische Krümmung. Die Spiegel sind jedoch bei der Vier-Reflexions-Betriebsart nicht konzentrisch. Der Krümmungsmittelpunkt des Sekundärspiegels ist in Richtung des Primärspiegels verschoben. Diese Abweichung von der Konzentrizität vermindert signifikant die Größe des Sekundärspiegels und seiner resultierenden Verdunkelung der Apertur des Objektives. Diese Abweichung von der Konzentrizität führt jedoch nicht zu Distorsionen in der Abbildung, die durch das Objektiv gebildet wird. Der Abstand, der die Bildebene des Objektes vom Primärspiegel trennt, ist kleiner als der Abstand der Bildfeldblende von dem Sekundärspiegel. Die vier optischen Reflexionswege erhöhen die Vergrößerung des Objektives, ohne daß sie den Arbeitsabstand, der den Sekundärspiegel von der Probe trennt, unvertretbar klein machen. Die vier optischen Reflexionswege halten eine gute Bildqualität bei hoher numerischer Apertur aufrecht, und zwar, zumindest teilweise, infolge der verhältnismäßig geringen Größe des Bildfeldes (Gesichtsfeld) in einem Mikroskop. Die sphärische Krümmung sowohl des Primär- als auch des Sekundärspiegels macht das Spiegelmikroskop-Objektiv nach der vorliegenden Erfindung praktisch geeignet für die Massenproduktion.

Das Spiegelmikroskop-Objektiv nach der vorliegenden Erfindung hat verschiedene weitere optische Eigenschaften zusätzlich zu der hohen Vergrößerung und der guten Bildqualität bei hoher numerischer Apertur. Es wurde gefunden, daß der optische Pfad der Vierfach-Reflexion entlang der optischen Achse an der Bildfeldblende nahezu kollimiert ist. Das Spiegelmikroskop-Objektiv funktioniert somit durch Änderung der Lage der Bildfeldblende entlang der optischen Achse als Zoom-Objektiv, um somit die Vergrößerung des Objektives zu erhöhen oder zu vermindern. Der relative Abstand der Probe vom Primärspiegel muß sich ebenfalls ändern, um den richtigen Brennpunkt beizubehalten.

Das Spiegelmikroskop-Objektiv nach der vorliegenden Erfindung kann seine Vergrößerung ebenfalls durch Übergang zwischen der zweimaligen und viermaligen Reflexion verändern. Das Erhöhen des Abstandes, der Sekundär- und Primärspiegel voneinander trennt und des Abstandes, der Sekundärspiegel und Probe voneinander trennt, veranlaßt das Objektiv, nur noch Wellen abzubilden, die durch Reflexion entlang eines optischen zweifachen Reflexionspfades erhalten wurden. Diese Betriebsart der zweimaligen Reflexion hat eine niedrigere Vergrößerung zur Folge als sie bei der viermaligen Reflexion auftritt. Beim Übergang zwischen Zweiweg- und Vierwegreflexion, d.h. einer Anwendung zweimaliger oder viermaliger Reflexion muß die Lage der Bildfeldblende nicht verändert werden, wenn der Abstand, der die Bildebene der Probe von der Bildfeldblende trennt, zunimmt.

Das Spiegelmikroskop-Objektiv nach der vorliegenden Erfindung funktioniert somit als hochvergrößerndes Spiegelmikroskop-Objektiv und als ein Doppel-Vergrößerungs-Spiegelmikroskop-Objektiv. Allgemeiner ausgedrückt, ist die vorliegende Erfindung als Objektiv eines Spiegelmikroskopes mit variabler Vergrößerung wirksam, bei der die Spiegeloptik aktiv Strahlungsenergie bzw. elektromagnetische Wellen von der Bildebene der Probe in der Bildfeldblende fokussiert und aktiv die Vergrößerung der Probenbildebene in die Bildfeldblende verändert. Vorzugsweise besteht die Spiegeloptik vollständig aus verspiegelten Vorderflächen, so daß das Objektiv des Spiegelmikroskopes keine chromatische Aberration zeigt.

Die Betriebsart mit viermaliger Reflexion schafft einen größeren Arbeitsabstand bei höherer Vergrößerung als dies bei einem herkömmlichen Schwarzschild-Cassegrainian-Objektiv mit zweimaliger Reflexion, das mit gleicher Vergrößerung arbeitet, der Fall ist. Außerdem führen die Möglichkeiten der Doppelt-Vergößerung und der Zoom-Vergrößerung nach der vorliegenden Erfindung zu beträchtlichen Vorteilen in der Mikroskopie. Zum Beispiel verwendet ein Infrarotmikroskop üblicherweise eine variable Öffnungsmaske an einer festen Bildfeldblende, um räumlich eine Beleuchtungsfläche an der Bildebene der Probe zu begrenzen, von der Infrarotstrahlung einen Detektor erreicht. Es ist häufig schwierig, daß räumliche Ausmaß der Beleuchtungsfläche an der Probenbildebene unter Anwendung nur einer niedrigen Vergrößerung richtig zu begrenzen oder eine Zielfläche zu erkennen, wenn nur eine hohe Vergrößerung angewandt wird. Vor der vorliegenden Erfindung konnte eine zweifache oder Doppelt-Vergrößerungs-Betriebsart nur durch Wechsel der Objektive erhalten werden. Die räumliche Ausdehnung und die ausladende Bauweise eines Spiegelmikroskop-Objektives kann davon abhalten, zwei Objektive an einem Objektivrevolver zu montiern. Überdies können zumindest bei einem herkömmlich verfügbaren Infrarotmikroskop die Objektive nicht gewechselt werden.

Die vorliegende Erfindung beseitigt die Nachteile bekannter optischer Systeme, da die duale Vergrößerungsweise es ermöglicht, mit dem gleichen Objektiv sowohl niedrige Vergrößerungszielwerte als auch hohe Vergrößerungsmuster bei einer fixen Bildfeldblende zu erreichen. Der Übergang bzw. die Umschaltung zwischen den beiden Reflexionsarten der zweimaligen und der viermaligen Reflexion impliziert die Veränderung des Abstandes von Primär- und Sekundärspiegel und anschließendem Neufokussieren des Objektives. Beim Betrieb mit niedriger Vergrößerung und Zweifachreflexion kann eine Beleuchtungsfläche ausgewählt werden, die räumlich bei hoher Verstärkung und Vierfachreflexion begrenzt wird. Das Objektiv kann dann zurück auf den Betrieb mit niedriger Vergrößerung und Zweifachreflexion umgeschaltet werden, um die nächste Beleuchtungsfläche auszuwählen, so daß der Vorgang wiederholt werden kann.

Die Fähigkeit der Zoom-Vergrößerung gestattet es dem Spiegelmikroskop als Zoom-Objektiv zu arbeiten. Der Betrieb mit viermaliger Reflexion bietet einen weiten Bereich unterschiedlicher Vergrößerungen durch Veränderung der Lage der Bildfeldblende entlang der optischen Achse und anschließendem Re-Fokussieren durch Bewegung der Probenbildebene. Die vorliegende Erfindung unterscheidet sich von herkömmlichen Zoom-Mikroskopen dadurch, daß es bei gleicher Probenbildebene und gleicher Bildfeldblende in der Lage ist, Strahlungsenergie bzw. elektromagnetische Wellen zu fokussieren, die in ihrer Wellenlänge um mehr als drei Größenordnungen voneinander differieren. Es ist unwahrscheinlich, daß irgendein Refraktions-Zoommikroskop-Objektiv jemals eine vergleichbare Leistung über den gleichen Bereich von Wellenlängen erreichen kann.

Bevorzugte Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes sind in den Unteransprüchen dargelegt.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispieles und zugehöriger Zeichnungen näher erläutert. In diesen zeigen:

Fig. 1 ein Objektiv eines Spiegelmikroskopes nach der vorliegender Erfindung in schematischer Darstellung, und

Fig. 2 den Brennpunkt, der an einer Bildfeldblende durch das Spiegelmikroskop-Objektiv, das in Fig. 1 gezeigt ist, gebildet wird.

Bezug nehmend auf Fig. 1 sind ein Primärspiegel 25 und ein Sekundärspiegel 20 zueinander ausgerichtet und zentriert entlang einer optischen Achse 1 angeordnet, um ein Cassegrainian-Mikroskopobjektiv zu bilden. Der Primärspiegel 25 hat eine Spiegelfrontfläche 23 und eine runde Ausnehmung 22. Ein Primärspiegelhalter 26 mit Gewindegängen 27 zum Eingriff mit einem mit Gewinde versehenen Objektivhalter (nicht gezeigt), kann den Primärspiegel 25 entlang der optischen Achse 1 in die Position verschieben, die mit 25′ angedeutet ist. Die Verlagerung des Primärspiegels 25 verlagert die verspiegelte Vorderfläche 23 an die Stelle, die mit 23′ bezeichnet ist.

Eine erste Probenbildebene 30 entspricht dem Brennpunkt bzw. der Brennweite des Mikroskop-Objektives, wenn es im vierfach-Reflexionsbetrieb betrieben wird. Ein Strahl Strahlungsenergie bzw. elektromagnetischer Wellen 31 wird an der Spiegelfrontfläche 21 des Sekundärspiegels 20 auf die Spiegelfrontfläche 23, zurück auf den Sekundärspiegel 20 und zurück auf die Frontspiegelfläche 23 reflektiert, um einen Brennpunkt in der ersten Probenbildebene 30 zu bilden. Der Energie- bzw. Wellenstrahl 31 bildet eine Bildfeldblende 10, wie dies in Fig. 2 gezeigt ist. Der Strahl der Strahlungsenergie 31 wird nahezu entlang der optischen Achse kollimiert, nachdem er den Sekundärspiegel 20 verlassen hat.

Eine Verlagerung des Primärspiegels 25 in die Lage 25′ führt dazu, daß der Energie- bzw. Wellenstrahl 41 nur einmal vom Sekundärspiegel 20 und vom Primärspiegel 25 reflektiert wird, um einen Brennpunkt in der zweiten Probenbildebene 40 zu bilden. Der Strahlungsenergie- oder Wellenstrahl 41 ist bei der Probenbildebene 40 in diesem Betrieb mit Zweifachreflexion weitaus weniger kollimiert, wie dies auch aus der stark vergrößerten bzw. übertrieben dargestellten Einzelheit gemäß Fig. 2 ersichtlich ist. Das Objektiv des Spiegelmikroskopes, das in Fig. 1 gezeigt ist, hält den Leucht- oder Bildfeldblendenabstand konstant, unter Beabstandung des Sekundärspiegels 20 und der Bildfeldblende 10.

Viele Gestaltungen können unter Verwendung des Spiegelmikroskopobjektives, das in Fig. 1 gezeigt ist, ausgeführt werden, um eine gute Bildqualität bei gewünschter Vergrößerung zu erzeugen. Die Gestaltungen unterscheiden sich in der Größe des Primärspiegels und in dem Beabstandungsabstand.

Ein arbeitsfähiges Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend dargestellt, mit einem Spiegelmikroskop-Objektiv, das eine Nominalvergrößerung von 100 im Vierreflexionsbetrieb und eine Normalvergrößerung von 50 beim Zweireflexionsbetrieb aufweist:

Krümmungsradius, Primärspiegel\|17,981 mm
Durchmesser des Primärspiegels	29,090 mm
Durchmesser der Ausnehmung im Primärspiegel	3,589 mm
Krümmungsradius des Sekundärspiegels	5,2872 mm
Durchmesser des Sekundärspiegels	6,8381 mm
Bildfeldblendenabstand (Abstand zwischen der Bildfeldblende und dem Scheitel des Sekundärspiegels)	185,12 mm

Nominal 100fach
Entfernung zwischen Primär- und Sekundärspiegel (von Scheitel zu Scheitel)\|11,901 mm
Arbeitsabstand (Abstand zwischen der Probe und dem Scheitel des Sekundärspiegels)	9,881 mm
Numerische Apertur	0,71

Nominal 50fach
Abstand zwischen dem Primär- und Sekundärspiegel (von Scheitel zu Scheitel)\|12,651 mm
Arbeitsabstand (Abstand zwischen der Probe und dem Scheitel des Sekundärspiegels)	11,581 mm
Numerische Apertur	0,71

Das Spiegelmikroskop-Objektiv der vorerläuterten Ausführung kann mit irgendeinem Bildfeldblendenabstand durch Mutliplikation aller Angaben mit einem geeigneten Verhältnis des gewünschten Bildfeldabstandes mit dem oben angegebenen erreicht werden. Mit den obigen Angaben kann ein Fachmann ein Spiegelmikroskop-Objektiv ausführen, das unterschiedliche Vergrößerungen aufweist.

Die Gestaltung des Objektives des Spiegelmikroskopes, das in Fig. 1 gezeigt ist, hat verschiedene weitere Anforderungen und Bedingungen zur Folge. Die Rückseite des Sekundärspiegels 20 behindert die Öffnung bzw. Apertur des Spiegelmikroskop-Objektives, wenn es in der Betriebsart mit vierfacher Reflexion benutzt wird. Der Sekundärspiegel 20 sollte daher so dünn (schmal) als praktisch möglich oder mit abgeschrägten Kanten an seiner Rückseite versehen sein, um die Öffnung bzw. Apertur des Objektives zu maximieren.

Die Größe des Sekundärspiegels 20 wird vorzugsweise für den Betrieb mit hoher Vergrößerung und der Betriebsart Vierfachreflexion ausgelegt. Der Sekundärspiegel 20 ist dann größer als optimal für den Betrieb in der Betriebsart mit Zweifachreflexion. Diese zusätzliche Beeinträchtigung der Öffnung bzw. Apertur verschlechtert jedoch nicht ernsthaft die Bildqualität, die bei der Betrtiebsart Zweifachreflexion erhalten wird.

Die Größe der Ausnehmung bzw. Bohrung 22 in dem Primärspiegel 25 schafft eine einfache Möglichkeit und Einrichtung zur Beseitigung jedweder unerwünschten Sechsfachreflexion des optischen Pfades. Der Durchmesser der Bohrung bzw. Ausnehmung 22 sollte groß genug sein, um weder die Zweifach- von die Vierfachreflexion des optischen Pfades zu behindern.

Das Spiegelmikroskop-Objektiv, das in Fig. 1 gezeigt ist, kann als Zoom-Objektiv funktionieren, wenn es in dem Betriebszustand mit viermaliger Reflexion betrieben wird, da der Strahlungsenergiestrahl 31 im Bereich der Bildfeldblende 10 weitgehend an einen kollimierten Strahlenverlauf entlang der optischen Achse angenähert ist.

Es wird angenommen, daß für das 100-fach vergrößernde Objektiv, das oben beschrieben wurde, der Leuchtfeld- bzw. Bildfeldblendenabstand, der die Leucht- bzw. Bildfeldblende 10 von dem Sekundärspiegel 20 trennt, zunehmen kann, so daß eine Vergrößerung von 150-fach oder mehr erreicht werden kann. Entsprechend kann eine Verringerung des Bildfeldblendenabstandes die Vergrößerung des Spiegelmikroskop-Objektives auf das 75-fache oder weniger vermindern. Der Sekundärspiegel 20 und der Primärspiegel 25 sind ungefähr konzentrisch zu einem Krümmungsmittelpunkt angeordnet, der mit C in Fig. 1 bezeichnet ist. Die angenäherte Konzentrizität vermindert Feldfehler bzw. -aberrationen auf ein vertretbares Niveau. Die Konzentrizität ist jedoch beim Betrieb mit vierfacher Reflexion nicht vollkommen. Der Krümmungsmittelpunkt C′ des Sekundärspiegels 20 liegt zwischen dem Primärspiegel 20 und seinem Krümmungsmittelpunkt C. Die verhältnismäßig kleine Abweichung von der Konzentrizität verbessert die Auflösung des Objektives durch Verminderung der Größe des Sekundärspiegels und der Mittelabdeckung, die er verursacht. Die kleine Abweichung von der Konzentrizität muß keine anderen signifikanten optischen Distorsionen nach sich ziehen und verbessert somit die optische Leistungsfähigkeit des Objektives. Ein Fachmann kann leicht die geeignete Verlagerung des Krümmungsmittelpunktes für ein bestimmtes Spiegelmikroskop-Objektiv bestimmen.

Die Abdunkelung in dem Spiegelmikroskop-Objektiv der vorerläuterten Art ist im Vergleich zu Schwarzschild-Spiegelobjektiven mit Vierfachreflexion beträchtlich vermindert. Die Verdunkelung, die durch den Sekundärspiegel eines Spiegelmikroskop-Objektives verursacht wird, kann in Einheiten der Durchmesserverdunklung ausgedrückt werden. Durchmesserverdunklung bzw. abdunklung ist definiert als numerische Apertur des Sekundärspiegels geteilt durch die numerische Apertur des Primärspiegels, was das gleiche ist, wie der Sinus des halben Winkels der maximalen Abdeckung, veranlaßt durch den Sekundärspiegel, geteilt durch den Sinus des halben Winkels der maximalen Öffnung bzw. Apertur des Primärspiegels. Die Durchmesserverdunkelung für das Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, das in der obigen Tabelle gegeben wurde, beträgt 0,518 für die Betriebsart mit vierfacher Reflexion.

Das Spiegelmikroskop-Objektiv, das in Fig. 1 gezeigt ist, erzeugt ein Hochqualitätsbild sowohl beim Durchlicht-Reflexionsbetrieb als auch beim Dunkelfeld-Reflexionsbetrieb, bei dem das Objektiv nur die Probe abbildet. Die Bildqualität ist auch gut im Hellfeld-Reflexionsbetrieb, in dem das Objektiv sowohl die Strahlungsenergie in der Probenbildebene fokussiert als auch die gespiegelt reflektierte Strahlungsenergie bzw. die elektromagnetischen Wellen im Bereich der Leucht- bzw. Bildfeldblende abbildet. Das Bild, das beim Betrieb mit zweifacher Reflexion erzeugt wird, ist vollständig mit dem Bild vergleichbar, das durch ein herkömmliches Schwarzschild-Cassegrainian-Mikroskop- Objektiv erzeugt wird, mit Ausnahme eines minimalen Verlustes an Auflösung, der aus der zusätzlichen Abdeckung der Öffnung bzw. Beeinträchtigung der Apertur resultiert, veranlaßt durch den über das notwendige Maß hinaus vergrößerten Sekundärspiegel. Das Bild, das beim Betrieb mit Vierfachreflexion erzeugt wird, ist doppelt so gekrümmt, wie das Bild, das bei dem Betrieb mit zweifacher Reflexion erzeugt wird. Die Feldkrümmung und jedwede andere optische Distorsionen sind ausreichend klein, so daß das resultierende Bild vollständig für die herkömmliche Mikroskopie akzeptabel ist, insbesondere für die Mikrospektrophotometrie, teilweise infolge des kleinen Gesichtsfeldes des Mikroskopes.

Zusätzlich zu seiner Verwendung als Spiegelmikroskop-Objektiv mit hoher Vergrößerung, schafft die vorliegende Erfindung eine Einrichtung zur Veränderung der verwendeten Vergrößerung, um eine Probe zu beobachten bzw. zu untersuchen, wobei diese Einrichtung die Spiegeloptiken als die aktiven optischen Elemente verwendet. Der Begriff aktive optische Elemente bezieht sich auf diejenigen optischen Elemente, die Strahlungsenergie bzw. die elektromagnetischen Wellen fokussieren, im Gegensatz zu den anderen optischen Elementen, wie z.B. Korrekturplatten und Filter, die nur das Bild, das durch die aktiven Elemente erzeugt wurde, ändern können oder im Gegensatz zu Übertragungsoptiken, die nur Licht von einer Stelle an die anderen bringen können. Spiegeloptiken haben den Vorteil über den Arbeitsbereich der Reflexionsflächen frei von chromatischen Aberrationen bzw. Farbfehlern zu sein. Spiegelvorderflächen sind besonders unempfindlich gegenüber chromatischen Effekten. Die vorliegende Erfindung schafft somit ein Mikroskop mit einem Objektiv, bei dem die Vergrößerung einer Probe verändert werden kann, unter Verwendung von Strahlungsenergie bzw. elektromagnetischen Wellen, die Wellenlängen beliebiger Art im Spektrum zwischen Vakuum-Ultraviolett bis in den fernen Infrarotbereich bzw. Infrarotdunkelbereich aufweisen.

Die Prinzipien, ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel und die Betriebsarten nach der vorliegenden Erfindung sind in dem voranstehenden Ausführungsbeispiel erläutert worden. Die Erfindung, die hierdurch offenbart ist und geschützt werden soll, ist jedoch nicht als durch die besondere Form, in der sie beschrieben wurde, begrenzt anzusehen, sondern sollte durch das Ausführungsbeispiel lediglich erläutert werden. Veränderungen und Abweichungen sind für den Fachmann offensichtlich, ohne daß von dem Wesen der Erfindung, wie es nachfolgend in den Ansprüchen dargelegt ist, abgewichen wird.

Die Erfindung betrifft ein modifiziertes Schwarzschild-Cassegrainian-Objektiv, das in der Lage ist, Strahlungsenergie zwischen dem Primär- und Sekundärspiegel zweimal zu reflektieren, um einen optischen Weg mit vierfacher Reflexion zu schaffen. Der optische Pfad mit Vierfachreflexion erhöht die Vergrößerung des Objektives, ohne daß der Arbeitsabstand, der den Sekundärspiegel von der Probe trennt, unvertretbar klein wird. Der optische Weg unter Vierfachreflexion führt zur Aufrechterhaltung einer guten Bildqualität bei hoher numerischer Apertur, infolge zumindest teilweise der verhältnismäßig kleinen Größe des mikroskopischen Objektes. Das Objektiv funktioniert außerdem als Zoom-Objektiv, und zwar durch Veränderung der Lokalisierung der Bildfeldblende entlang der optischen Achse des Objektives und anschließender Re-Fokussierung, da der austretende Strahl der Strahlungsenergie bzw. der elektromagnetischen Wellen entlang der optischen Achse im Bereich der Bildfeldblende nahezu kollimiert ist. Das Spiegelobjektiv ermöglicht auch eine variable Vergrößerung durch Übergang zu einem Betriebszustand mit zweifacher Reflexion durch Erhöhung des Abstandes des Primärspiegels vom Sekundärspiegel und Vergrößern des Arbeitsabstandes, der den Sekundärspiegel von der Probenbildebene trennt. Die Betriebsweise mit Zweifachreflexion führt zu einer niedrigeren Vergößerung als sie erhalten wird, wenn der Betrieb mit Vierfach-Reflexion erfolgt.

Claims

1. Mikroskop mit einem Spiegelobjektiv, gekennzeichnet durch:
eine Fern- bzw. Bildfeldblende (10), die entlang einer optischen Achse angeordnet ist,
einen Primärspiegel (25), der eine konkave sphärische Krümmung aufweist und entlang der optischen Achse verlagerbar angeordnet ist, wobei der Primärspiegel (25) eine koaxiale Ausnehmung (22) und einen Krümmungsmittelpunkt (C) aufweist,
eine erste Probenbildebene (30), die in einem endlichen Abstand entlang der optischen Achse entfernt von dem Primärspiegel (25) angeordnet ist, und
einen Sekundärspiegel (20), der eine konvexe sphärische Krümmung bezüglich der optischen Achse aufweist, wobei der Sekundärspiegel (20) von der ersten Probenbildebene (30) durch einen ersten Arbeitsabstand und von dem Primärspiegel (25) durch einen ersten Trennabstand getrennt ist, die erste Probenbildebene (30) näher an dem Primärspiegel (25) liegt als die Bildfeldblende (10) von dem Sekundärspiegel (10) entfernt ist, wobei der Sekundärspiegel (20) einen Krümmungsmittelpunkt (C′) aufweist, der geringfügig zu dem Primärspiegel (20) hin in Bezug auf den Krümmungsmittelpunkt (C) des Primärspiegels (25) verlagert ist,
wodurch der erste Trennabstand und der erste Arbeitsabstand so ausgebildet sind, daß ein optischer Pfad mit vier Reflexionen gebildet wird, der sich von der ersten Probenbildebene (30) zu dem Primärspiegel (25), von dem Primärspiegel (25) zu dem Sekundärspiegel (20), von dem Sekundärspiegel (20) zu dem Primärspiegel (25), von dem Primärspiegel (25) zu dem Sekundärspiegel (20) und von dem Sekundärspiegel (20) durch die Ausnehmung (22) zu der Fern- bzw. Bildfeldblende (10) erstreckt.

2. Mikroskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Primärspiegel (25) und der Sekundärspiegel (20) verspiegelte Vorderflächen (23, 21) aufweisen.

3. Mikroskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Pfad mit vier Reflexionen entlang der optischen Achse im Bereich der Bildfeldblende (10) nahezu kollimiert ist.

4. Mikroskop nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch:
eine zweite Probenbildebene (40), die von dem Sekundärspiegel (20) durch einen zweiten Arbeitsabstand getrennt ist, und
eine Einrichtung zur Veränderung des ersten Trennabstandes zwischen dem Primärspiegel (25) und dem Sekundärspiegel (20) auf einen zweiten Trennabstand,
wodurch der zweite Arbeitsabstand und der zweite Trennabstand so ausgebildet werden, daß ein optischer Pfad mit zweit Reflexionen gebildet wird, der sich von der zweiten Probenbildebene (40) zu dem Primärspiegel (25), von dem Primärspiegel (25) zu dem Sekundärspiegel (20) und von dem Sekundärspiegel (20) durch die Ausnehmung (22) zu der Bildfeldblende (10) erstreckt.

5. Mikroskop nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
daß der zweite Arbeitsabstand größer ist als der erste Arbeitsabstand, und
daß der zweite Trennabstand größer ist als der erste Trennabstand.

6. Mikroskop nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Bildfeldblendenabstand konstant ist.

7. Mikroskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
der Sekundärspiegel (20) eine Größe hat, die optimal für den optischen Pfad mit vier Reflexionen ist, und
der Sekundärspiegel so dünn als möglich ist oder abgeschrägte Kanten aufweist, um so wenig als praktisch möglich von dem optischen Weg zwischen Primärspiegel (25) und der ersten Probenbildebene (30) zu blockieren.

8. Mikroskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung (22) in dem Primärspiegel (25) eine Größe aufweist, derart, daß ein optischer Pfad mit sechs Reflexionen zwischen der ersten Probenbildebene (30) und der ersten Bildfeldblende vermieden ist, ohne daß der optische Pfad mit zwei Reflexionen oder der optische Pfad mit vier Reflexionen behindert wird.

9. Verfahren zum Herstellen von Abbildungen in einem Mikroskop mit einem Spiegelmikroskop-Objektiv, gekennzeichnet durch die Schritte:
Richten eines optischen Weges von einem Brennpunkt in einen ersten Probenbildebene (30) zu einem Primärspiegel (25),
Richten des optischen Pfades von dem Primärspiegel (25) zu einem Sekundärspiegel (20), der unter einem ersten Trennabstand von dem Primärspiegel (25) angeordnet ist,
Richten des optischen Pfades von dem Sekundärspiegel (20) wieder zu dem Primärspiegel (25),
Richten des optischen Pfades von dem Primärspiegel (25) wieder zu dem Sekundärspiegel (20),
Richten des optischen Pfades von dem Sekundärspiegel zu einer Bildfeldblende, die sich unter einem Bildfeldblendenabstand von dem Sekundärspiegel (20) entfernt befindet,
wobei die erste Probenbildebene (30) bei dem Brennpunkt von dem Sekundärspiegel (20) um einen ersten Arbeitsabstand, der kleiner als unendlich ist, getrennt ist, und
das Objektiv eine Vergrößerung der ersten Probenbildebene bei der Bildfeldblende (10) erzeugt.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Richtens des optischen Pfades von dem Sekundärspiegel (20) zu der Bildfeldblende den optischen Pfad nahezu kollimiert, so daß, unter Re-Fokussierung, eine Vergrößerung des Bildfeldblendenabstandes die Vergrößerung des Objektives erhöht und bei einer Verringerung des Bildfeldblendenabstandes die Vergrößerng des Objektives vermindert wird.

11. Verfahren nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch die weiteren Schritte:
Erhöhen des Trennabstandes auf einen zweiten Trennabstand,
Erhöhen des Arbeitsabstandes zwischen dem Sekundärspiegel (20) und dem Brennpunkt auf einen zweiten Arbeitsabstand,
Richten des optischen Pfades von einer zweiten Probenbildebene (40) mit dem Brennpunkt zu dem Primärspiegel (25),
Richten des optischen Pfades von dem Primärspiegel (25) zu dem Sekundärspiegel (20), und
Richten des optischen Pfades von dem Sekundärspiegel (20) zu der Bildfeldblende (10).

12. Verfahren zur Ausbildung von Abbildungen in einem Spiegelmikroskop-Objektiv, gekennzeichnet durch die Schritte:
Richten eines optischen Pfades von einem Brennpunkt (40) in einer zweiten Probenbildebene zu einem Primärspiegel (25),
Richten des optischen Pfades von dem Primärspiegel (25) zu einem Sekundärspiegel (20), der unter einem zweiten Brennabstand von dem Primärspiegel (25) getrennt angeordnet ist,
Richten des optischen Pfades von dem Sekundärspiegel (20) zu eine Bildfeldblende, die entsprechend einem Bildfeldblendenabstand von dem Sekundärspiegel (20) entfernt angeordnet ist,
Verringern des Brennabstandes auf einen ersten Brennabstand,
Verringern eines Arbeitsabstandes zwischen dem Sekundärspiegel (20) und dem Brennpunkt auf einen ersten Arbeitsabstand,
Richten des optischen Pfades von einer ersten Bildfeldebene mit dem Brennpunkt (30) zu dem Primärspiegel (25),
Richten des optischen Pfades von dem Primärspiegel (25) zu dem Sekundärspiegel (20),
Richten des optischen Pfades von dem Sekundärspiegel (20) wieder zu dem Primärspiegel (25),
Richten des optischen Pfades von dem Primärspiegel (25) wieder zu dem Sekundärspiegel (20), und
Richten des optischen Pfades von dem Sekundärspiegel (20) zu der Bildfeldblende,
wobei der erste und zweite Arbeitsabstand jeweils kleiner als unendlich ist.

13. Mikroskop mit Spiegelmikroskop-Objektiv, gekennzeichnet durch:
Spiegeloptiken (25, 20) zur aktiven Fokussierung von Strahlungsenergie von einer Probe bei einer Bildfeldblende, um eine Vergrößerung zu erzeugen, und
eine Einrichtung zur Veränderung der Vergrößerung der Probe mit den Spiegeloptiken (25, 20).

14. Mikroskop nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die die Vergrößerung verändernde Einrichtung eine Einrichtung zur Erhöhung eines Bildfeldblendenabstandes umfaßt, der die Spiegeloptiken (25, 20) von der Bildfeldblende (10) trennt.

15. Mikroskop nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Bildfeldblende (10) in Bezug auf die Spiegeloptiken (25, 20) fixiert ist.

16. Mikroskop nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiegeloptiken (25, 20) verspiegelte Vorderflächen (23, 21) umfassen.

17. Mikroskop nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiegeloptiken ein Cassegrainian-Objektiv bilden, mit:
einer Bildfeldblende (10), die entlang einer optischen Achse angeordnet ist,
einem Primärspiegel (25), der eine konkave sphärische Krümmung aufweist, angeordnet entlang der optischen Achse, wobei der Primärspiegel (25) eine koaxiale Ausnehmung (22) und eine Krümmungsmittelpunkt (C) besitzt,
einer ersten Probenbildebene (30), die entlang der optischen Achse unter einem endlichen Abstand von dem Primärspiegel (25) angeordnet ist, und
einen Sekundärspiegel (20), der eine konvexe sphärische Krümmung besitzt, angeordnet entlang der optischen Achse, wobei der Sekundärspiegel (20) von der ersten Probenbildebene (30) und einem ersten Arbeitsabstand angeordnet ist, und von dem Primärspiegel (25) unter einem ersten Trennabstand getrennt ist, wobei die ersten Probenbildebene (30) näher an dem Primärspiegel (25) angeordnet ist, als die Bildfeldblende (10) zu dem Sekundärspiegel (20) beabstandet ist, wobei der Sekundärspiegel (20) einen Krümmungsmittelpunkt (C′) besitzt, der geringfügig zu dem ersten Primärspiegel (25) hin verlagert in Bezug auf den Krümmungmittelpunkt (C) des Primärspiegels (25) angeordnet ist,
wodurch der erste Trennabstand und der erste Arbeitsabstand so ausgebildet werden, daß ein optischer Pfad mit vier Reflexionen ausgebildet wird, der von der ersten Probenbildebene (30) zu dem Primärspiegel (25), von dem Primärspiegel (25) zu dem Sekundärspiegel (20), von dem Sekundärspiegel (20) zu dem Primärspiegel (25), von dem Primärspiegel (25) zu dem Sekundärspiegel (20) und von dem Sekundärspiegel (20) durch die Ausnehmung (22) zu der Bildfeldblende (10) hin ausgebildet ist.

18. Mikroskop nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß
der optische Pfad mit vier Reflexionen entlang der optischen Achse nahezu kollimiert ist, und
der Sekundärspiegel (20) und die Bildfeldblende (10) voneinander durch einen ersten Bildfeldblendenabstand getrennt sind,
wodurch, unter Re-Fokussierung, eine Zunahme des Bildfeldblendenabstandes einer Zunahme in der Vergrößerung für das Objektiv entspricht und eine Abnahme des Bildfeldblendenabstandes mit einer Abnahme in der Vergrößerung für das Objektiv einhergeht.

19. Mikroskop nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß
der optische Pfad mit vier Reflexionen entlang der optischen Achse nahezu kollimiert ist, und
der Sekundärspiegel (20) und die Trennfeldblende voneinander durch einen Trennfeldblendenabstand getrennt sind, wodurch, unter Re-Fokussierung, eine Zunahme des Bildfeldblendenabstandes einer Zunahme der Vergrößerung des Objektives entspricht und eine Abnahme des Bildfeldblendenabstandes einer Abnahme der Vergrößerung des Objektives entspricht.

20. Mikroskop nach Anspruch 19, gekennzeichnet durch:
eine zweite Probenbildebene (40), die von dem Sekundärspiegel (20) durch einen zweiten Arbeitsabstand getrennt ist, und
eine Einrichtung zur Veränderung des ersten Trennabstandes zwischen dem Primärspiegel (25) und dem Sekundärspiegel (20) auf einen zweiten Trennabstand,
wodurch der zweite Arbeitsabstand und der zweite Trennabstand so ausgebildet sind, daß ein optischer Pfad mit zweimaliger Reflexion gebildet wird, der sich von der zweiten Probenbildebene (40) zu dem Primärspiegel (25), von dem Primärspiegel (25) zu dem Sekundärspiegel (20) und von dem Sekundärspiegel (20) durch die Ausnehmung zu der Bildfeldblende (10) erstreckt, wobei der optische Pfad mit zweimaliger Reflexion die Vergrößerung im Vergleich zu dem optischen Pfad mit viermaliger Reflexion verringert.

21. Mikroskop nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Bildfeldblendenabstand konstant ist.

22. Mikroskop nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Primärspiegel (25) und der Sekundärspiegel (20) verspiegelte Frontflächen (23, 21) aufweisen.