Grundlagen zu Spiegelobjektiven

Typen | Vorteile

Mikroskopobjektive sind eine der auffälligsten Komponenten eines Mikroskopaufbaus. Mikroskopobjektive vergrößern Bilder so, dass sie vom menschlichen Auge über ein Okular betrachtet oder von einem abbildenden System (z. B. Objektiv und Kamera) aufgenommen werden können. Herkömmliche Objektive arbeiten mit Lichtbrechung und bestehen aus einer Reihe von optischen Linsen. Der Bedarf an hochvergrößernden Fokussieroptiken, die vom tiefen Ultraviolett bis ins ferne Infrarot chromatisch korrigiert sind, hat zur Entwicklung von kostengünstigen Standard-Mikroskopobjektiven für diese Wellenlängen geführt - möglich war dies über reflektierende oder spiegelbasierte Objektive. Diese Objektive verwenden ein reflektierendes Design aus zwei oder mehr Spiegeln, um Licht zu fokussieren oder ein Bild zu erzeugen. Weitere Informationen zu Mikroskopobjektiven im Allgemeinen finden Sie unter Grundlagen zu Mikroskopen und Mikroskopobjektiven.

Der bekannteste Typ eines Spiegelobjektivs ist ein Schwarzschild-Objektiv mit zwei Spiegeln (Abbildung 1). Diese Objektive bestehen aus einem sekundären Spiegel mit geringem Durchmesser, der durch eine kreuzförmige Spiegelhalterung in Position gehalten wird, und einem großen primären Spiegel mit mittiger Apertur. Die Primär- und Sekundärspiegel sind in der Zeichnung mit Goldbeschichtung dargestellt, um ihre Position innerhalb des Objektivgehäuses besser zu verdeutlichen. Die spiegelbasierten Objektive sind in zwei Konfigurationen erhältlich: unendlich korrigiert für Fokussieranwendungen und endlich korrigiert für Abbildungsanwendungen.

Abbildung 1: Aufbau eines Spiegelobjektivs

Verschiedene Typen von Spiegelobjektiven

Unendlich korrigierte Spiegelobjektive

Unendlich korrigierte Spiegelobjektive (Abbildung 2) sind ideal für Fokussieranwendungen. Kollimiertes Licht (z. B. eine Laserquelle) tritt durch die mittige Öffnung im Primärspiegel in das Objektiv ein und wird im spezifizierten Arbeitsabstand fokussiert. Diese Konfiguration bietet eine effektive Möglichkeit, breitbandige oder mehrere Laserquellen auf einen einzigen Punkt zu fokussieren. Eine häufige Anwendung ist die Fokussierung eines infraroten (IR) oder ultravioletten (UV) Lasers (z. B. eines Nd:YAG-Lasers), der einen sichtbaren Referenzstrahl enthält.

Abbildung 2: Strahlengang eines unendlich korrigierten Spiegelobjektivs

Endlich korrigierte Spiegelobjektive

Endlich korrigierte Spiegelobjektive (Abbildung 3) sind ideal für bildgebende Anwendungen. Sie sind eine unkomplizierte Lösung, die keine zusätzliche Fokussieroptik erfordert. Der auf Spiegeln basierende endlich korrigierte Aufbau bietet eine hervorragende Auflösung und kann in der Regel anstelle von herkömmlichen refraktiven Mikroskopobjektiven verwendet werden. Unendlich korrigierte Spiegelobjektive können in Kombination mit Tubuslinsen auch in bildgebenden Anwendungen verwendet werden und bieten die zusätzliche Flexibilität, weitere Optiken zur Strahlformung in den Strahlengang einzubauen.

Abbildung 3: Strahlengang eines endlich korrigierten Spiegelobjektivs

Die Vorteile von reflektierenden gegenüber refraktiven Mikroskopobjektiven

Der Hauptvorteil von reflektierenden Objektiven gegenüber brechenden Objektiven ist ihre chromatische Korrektur über weite Spektralbereiche. Refraktive Objektive bieten eine vergleichbare Leistung nur über begrenzte Bereiche, z. B. über das sichtbare Spektrum. Sobald jedoch der Wellenlängenbereich außerhalb des Designbereichs liegt, leiden die Transmission und die Bildqualität. Für Spiegelobjektive sind außerdem zahlreiche reflektierende Beschichtungsoptionen verfügbar, die eine unübertroffene Leistung im tiefen UV, IR und bei bestimmten Laserwellenlängen ermöglichen.

Wichtige Spezifikationen von Spiegelobjektiven

Beim Vergleich von Spiegelobjektiven gibt es zwei Parameter, die bei diesen spiegelbasierten Systemen einzigartig sind und berücksichtigt werden müssen: Abschattung und transmittierte Wellenfront. Bei reflektierenden Systemen gibt es einen mittigen Teil des Primärspiegels, der die Strahlen nicht auf den Sekundärspiegel überträgt, sondern sie durch die Streulichtblende wieder nach außen reflektiert. Um dies zu vermeiden, wird von vielen Herstellern eine absorbierende Beschichtung im mittigen Teil des Primärspiegels aufgetragen. Es gibt zwei weitere Stellen, an denen eine Abschattung auftritt, nämlich der Durchmesser des Primärspiegels und die Breite der Halterungsarme. Idealerweise wird der gesamte Beitrag der Abschattung in den angegebenen Wert einbezogen, einige Hersteller geben allerdings nur den Beitrag der mittigen Abschattung an. Edmund Optics^® bezieht alle Beiträge zur Abschattung in die Spezifikationen für seine Spiegelobjektive ein.

Der übertragene Wellenfrontfehler ist vielleicht der wichtigste Parameter für viele Anwendungen, die ein reflektierendes Objektiv erfordern: Er ist der Unterschied zwischen der Wellenfront beim Eintritt und beim Austritt aus dem System. Jüngste Fortschritte in der Spiegelherstellung ermöglichen die Produktion und Prüfung von hochgenauen Oberflächen, wodurch besser korrigierte Systeme entstehen. So sind mittlerweile Spiegel mit Werten in der Größenordnung von λ/20 Peak-to-Valley (P-V) erreichbar und diese ermöglichen die Herstellung von Spiegelobjektiven, die einen transmittierten Wellenfrontfehler ≤λ/4 P-V aufweisen. Edmund Optics baut bei allen TECHSPEC^® ReflX™ Objektiven mit fixer Vergrößerung die Spiegel fest ein und garantiert damit eine übertragene Wellenfront von λ/10 RMS bei der Standardserie und λ/4 P-V bei der hochqualitativen Serie. Die Serie der TECHSPEC^® ReflX™ Objektive mit fester Vergrößerung wird aktiv auf einem Zygo GPI-XP-Interferometer ausgerichtet und getestet, um sicherzustellen, dass jedes Objektiv innerhalb der Spezifikationen liegt.

Der niedrige Wellenfrontfehler ermöglicht Spiegelobjektive mit beugungsbegrenzter oder nahezu beugungsbegrenzter Leistung. Beugungsbegrenzte Objektive erzeugen eine minimale fokussierte Punktgröße, die durch das Airy-Scheibchen bestimmt wird, das mithilfe der numerischen Apertur (NA) des Objektivs und der Wellenlänge berechnet werden kann:

Um mehr über das Airy-Scheibchen zu erfahren, lesen Sie bitte unseren Anwendungshinweis Das Airy-Scheibchen und die Beugungsgrenze.

Während herkömmliche refraktive Objektive ideal für eine Reihe von Anwendungen innerhalb eines bestimmten Wellenlängenbereichs sind, können reflektierende Objektive eingesetzt werden, um die Leistung und Bildqualität in breitbandigen Anwendungen vom tiefen UV bis zum fernen IR zu erhöhen. Spiegelobjektive sind ideal für FTIR-, Laserfokussierungs- und Ellipsometrie-Anwendungen, bei denen beugungsbegrenzte Leistung und chromatische Korrektur entscheidend sind.