Systematic Design of Microscope Objectives Dissertation for the acquisition of the academic title Doktor Rerum Naturalium (Dr. rer. nat.) submitted to the Council of the Faculty of Physics and Astronomy of the Friedrich-Schiller-Universität Jena by M.Sc. Yueqian Zhang born on 15.08.1991 in Tianjin Reviewers: 1. Prof. Dr. Herbert Gross 2. Prof. Dr. Alois Herkommer 3. Prof. Dr. Julie Bentley Date of the Disputation: 13.12.2019 Abstract Abstract The modern microscope objective is the most sophisticated optical component in light microscopes, providing high contrast images with diffraction-limited resolution. The design of microscope objectives has been developed for over a hundred of years. However, after 1970s, the review of advanced application-oriented systems is limited, and the design principles are not clear to most optical designers who are not the specialist from a few microscope manufacturers. To subtract off the hidden assumptions during the historical development and turn back to the intrinsic building blocks of the high numerical aperture (NA) systems, in this work, a systematic analysis and synthesis approach for microscope objectives is worked out, which is not found in available literature. The microscope objective patents are collected worldwide. Concentrating on the standardized objectives with color correction at least in the visible spectrum, a large system database is built up within Zemax/OpticStudioTM. According to a systematic review of the historical development, new classifications of the modern microscope objectives are proposed to understand the system complexity. Thereby, systematic analysis of the systems can be conducted to decouple the impact of aberration correction, application and manufacturing requests. Based on the decoupled results, the building blocks and design principles of the modern microscope objectives are systematically analyzed and summarized. Lens modules are sorted with respect to the general optical power distribution and individual structural lens groups. The reasons for many commonly used complicated structures are explained. Utilizing the lens modules, the microscope objective design can be more systematic. Both the modification of existing systems and the synthesis of new structures are realized, which give optical designers new ideas or possible opportunities to keep away from the restriction of other patents. This work provides a new point of view on the conventional microscope objectives, which can be applied to other classical optical systems as well. This point of view may help optical designers respond to the increasing demand for systems with extended etendue and follow the recent trend of AI-aided optical design. I Abstract This page is left blank intentionally. II Zusammenfassung Zusammenfassung Das Objektiv ist die wichtigste optische Komponente eines Lichtmikroskops, da dessen Qualität den Bildkontrast und die Auflösung vordergründig bestimmt. Am Design des Mikroskop-Objektives wird über einem Jahrhundert gearbeitet. Seit den 1970er Jahren findet sich jedoch nur noch wenig Literatur, die sich der Entwicklung von „Advanced application-oriented Systems“ widmet. Die Prinzipien des Designs sind daher selbst für die meisten Designer nicht übersichtlich. Diese Arbeit handelt der systematischen Analyse- und dem Syntheseansatz für Mikroskop-Objektive. Dies wurde bis jetzt nicht in der Literatur erwähnt. Für diese Arbeit wurden die Patente im Sektor vom Mikroskop-Objektiven weltweit gesammelt. Eine systematische Datenbank ist basierend auf Zemax/OpticStudioTM aufgebaut, welche sich auf standardisierte Objektive mit einer Farbkorrektur zumindest für den sichtbaren Bereich konzentriert. Eine neue Klassifikation der modernen Mikroskop- Objektive wird vorgeschlagen, basierend auf einem systematischen Rückblick der historischen Entwicklung. Dies ziehet darauf ab, deren Komplexität zu verstehen. Eine systematische Analyse der Systeme kann verwendet werden, um den Einfluss der Abbildungsfehlerskorrektur, der Anwendung und der Herstellungsanforderungen zu entkoppeln. Diese Ergebnisse sind der Grundstein, um die Designprinzipien der modernen Mikroskop-Objektive in dieser Arbeit systematisch zu analysieren und zusammenzufassen. Die Linsenmodule werden nach der allgemeinen optischen Brechkraftverteilung und den einzelnen konstruktionsbedingten Linsengruppen sortiert. Etliche komplizierte Strukturen werden begründet. Angesichts der Anwendung der Linsenmodule wird das Design des Mikroskop-Objektives strukturierter. Sowohl die Veränderung bekannter Systeme als auch die Synthese neuer Strukturen wurden realisiert. Hierdurch bieten sich dem Optikdesigner neuen Ideen und Chancen, um die Einschränkung bestehender Patente zu vermeiden. Diese Arbeit vermittelt eine neue Betrachtungsweise im Hinblick auf konventionelle Mikroskop-Objektive, welche aber auch bei anderen klassischen optischen Systemen angewendet werden kann. Sie hilft möglicherweise auch den Optikdesignern der III Zusammenfassung steigenden Nachfrage nach Systemen mit erhöhtem Leitwert geredet zu werden und folgt dem Trend „AI“-gestütztem Design. IV Contents Contents Abstract ................................................................................................................................................... I Zusammenfassung ............................................................................................................................... III Contents .................................................................................................................................................. 1 1. Introduction ........................................................................................................................................ 3 2. Fundamentals ..................................................................................................................................... 7 2.1 Optical System in Light Microscopes .................................................................................... 7 2.2 Aberration Theory of High NA Systems .............................................................................. 10 2.2.1 Primary and Higher-order Monochromatic Aberrations ............................................... 10 2.2.2 Chromatic Aberrations and Spherochromatism............................................................. 14 2.2.3 Sine Condition and Modified Raytracing Method ........................................................ 17 2.3 Diffraction Theory of Resolution ......................................................................................... 19 3. Historical Development and State of the Art ................................................................................. 22 3.1 Overview of the Patents........................................................................................................ 22 3.2 Well-described Correction Schemes .................................................................................... 24 4. Objective Database and Classifications ......................................................................................... 28 4.1 Microscope Objective Database ........................................................................................... 28 4.2 Classification of Microscope Objectives .............................................................................. 29 4.2.1 Performance-based Classification ................................................................................. 30 4.2.2 Etendue-based Classification ......................................................................................... 35 4.2.3 Other Important Parameters........................................................................................... 36 4.3 Complexity Analysis Example ............................................................................................. 41 5. Addressing Application and Manufacturing Requests ................................................................. 43 5.1 Impact of Applications ......................................................................................................... 43 5.2 Impact of Manufacturing and Technology ........................................................................... 51 6. Design Principles and Lens Modules .............................................................................................. 54 6.1 Aberration Correction Strategies .......................................................................................... 54 6.2 Optical Power Distributions ................................................................................................. 59 6.3 Material Selection Strategies ................................................................................................ 67 6.4 Lens Modules in the Three Groups ...................................................................................... 70 6.4.1 Front Group ................................................................................................................... 71 6.4.2 Middle Group ................................................................................................................ 74 6.4.3 Rear Group .................................................................................................................... 83 1 Contents 6.5 CORR Objectives ................................................................................................................. 88 7. Microscope Objective Synthesis ....................................................................................................