Objektiv-Reihe CFI Plan Apochromat Lambda D

Die Objektiv-Reihe CFI Plan Apochromat Lambda D steht für „Big Data Acquisition“, „Digital Analysis“ und „Makro-Übersichten“, alles unverzichtbare Themen für Medizin und Biowissenschaften der Zukunft.

Das große, verzeichnungsfreie Sehfeld mit nun verbesserter Lichtausbeute auch an seiner Peripherie ermöglicht ein schnelleres Screening, nahtloses Zusammenfügen von Teil- zu großen Bildern und ein effizienteres Durchmikroskopieren von größeren Proben. Darüber hinaus ist die Korrektur chromatischer Aberration im UV-Bereich ideal für die Mehrfarb-Mikroskopie schon ab 405 nm.

Frau Chiba: Der aktuelle Mainstream der Mikroskopie besteht darin, eine Probe als digitales Bild zu erfassen und basierend auf diesen Daten verschiedene Analysen durchzuführen. Natürlich werden für die verwendeten Objektive Merkmale und Leistungsparameter benötigt, die mit dieser Digitalisierung kompatibel sind. Der Name des CFI Plan Apochromat Lambda D hat „λ“ (Lambda) von der gleichnamigen konventionellen Objektivserie geerbt, der Buchstaben „D“ steht für Nikons zukünftige digitale Mikroskoplösungen.

Herr Sato: Die wichtigsten Inhalte bei der Entwicklung von Objektiven für die digitale Bildgebung sind ein großes Sehfeld, erforderlich für die Aufnahme von Bildern mit größerem Format, eine exzellente Korrektur der chromatischen Aberration, die Verläufe und Versatz der verschiedenen Wellenlängen des Lichts reduziert und eine hohe NA (numerische Apertur), die in direktem Zusammenhang mit der Helligkeit und der Auflösung des Objektivs steht. Diese Faktoren sind natürlich grundlegende Elemente eines jeden Objektivs, aber für ein Objektiv, das eine möglichst effektive und naturgetreue Digitalisierung der Probe unterstützen soll, sind viel strengere Spezifikationen erforderlich.

Frau Chiba: Diese Objektive richten sich an ein breites Spektrum von Anwendern im Bereich der Biowissenschaften, von der Klinik/Pathologie und Arzneimittelforschung bis hin zu hochmodernen Forschungsgebieten. Zunächst wollten wir die Basisparameter der Objektive steigern, indem wir die Vorteile der konventionellen Objektive Lambda, Lambda S^*1) und VC^*2) bündeln. Dann haben wir daran gearbeitet, die speziellen Leistungsmerkmale gezielt für die digitale Bildgebung zu verbessern. Dies ermöglicht die Realisierung von „Big Data Acquisition“, „Digital Analysis“ und „Makro Übersichten“, die für die Life Sciences in Zukunft unverzichtbar werden.

Herr Sato: Um den Anforderungen der digitalen Bildgebung gerecht zu werden, ist es notwendig, das Sehfeld bei niedrigen und mittleren Vergrößerungen zu vergrößern, wobei gleichzeitig ein schnelleres Screening bei höherer Auflösung zu realisieren ist. Dazu mussten wir es schaffen, für die großen Bildsensoren moderner Digitalkameras auch im mittleren und niedrigen Vergrößerungsbereich eine passende Blickfeldabdeckung mit dem optischen Bild herzustellen. Für die Verbesserung der chromatischen Aberrationskorrektur galt der Anspruch, komplexere biologische Prozesse auch in tieferen Schichten räumlicher Proben (3D) und zusätzlich mehrfach-fluoreszenztechnisch (4D) mit hoher Klarheit und ohne Versatz der verschiedenen Farbsignale zu erfassen.

*1) Die Objektive Lambda und Lambda S realisieren eine Korrektur der chromatischen Aberration vom sichtbaren Bereich bis zum nahen Infrarotbereich.
*2) Die Objektive VC realisieren eine Korrektur der chromatischen Aberration im ultravioletten Bereich.

Nikon Hochleistungs-Objektiv-Reihe

CFI Plan Apochromat Lambda D

Herr Sato: Bei der Entwicklung der Objektiv-Reihe Lambda D ist der Schwierigkeitsgrad der optischen Konzeption aufgrund der vielfältigen zu erfüllenden Anforderungen gestiegen. Gleichzeitig ist die erforderliche Präzision der Feinmechanik der Objektivhülle mit ihren Linsenfassungen höher als bisher. Daher haben wir erst einmal die Sorten und Eigenschaften der optischen Gläser und die Anordnung von Kombinationen von Konkav- und Konvexlinsen ausgewählt und bestimmt. Auch schon deshalb stellt die Reihe "Lambda D" die Erste einer neuen Generation von Objektiven dar, die über traditionelle Entwicklungskonzepte hinausgeht.

Frau Chiba: Neben der Überwindung technischer Hürden haben wir uns bemüht, die Kosten so weit wie möglich zu senken und gleichzeitig die Qualität, Leistung und Wertbeständigkeit sicherzustellen. Dies war wichtig, um das Ziel zu erreichen, einen Beitrag zu allen Bereichen der Medizin und Life Sciences zu leisten.

Herr Sato: Bezogen auf ein großes Sehfeld, eines der drei bereits genannten, wichtigsten Entwicklungsziele neben hervorragender Korrektur der chromatischen Aberration und hoher hohe NA, haben wir die sehr große Sehfeldzahl von 25 erreicht, indem wir ein Glasmaterial mit hohem Brechungsindex für die Objektive verwendet haben. Für die exzellente Korrektur der chromatischen Aberration wird Glas mit anomaler Dispersion ("extra-low-dispersion"-ED-Glas) verwendet. Dadurch wird die chromatische Aberration, nämlich der Versatz der Bildebenen der verschiedenen Farben aufgrund ihrer Wellenlängenunterschiede nahezu vollständig kompensiert. Für jeweils eine sehr hohe NA haben wir die Edge-Thinning-Technologie angewendet, die den Linsenrand so dünn wie möglich macht. Dadurch wird die numerische Apertur des Objektivs effektiv erhöht, wodurch hellere und höher aufgelöste mikroskopische Bilder möglich sind.

Die drei technologischen Innovationen von Nikon für neue Objektive

Frau Chiba: Für die Beobachtung mit bloßem Auge ist die Auflösung und Qualität in der Sehfeldmitte wichtig. Dies liegt daran, dass Benutzer den Kreuztisch bedienen, um den Bereich der Probe, den sie genau betrachten möchten, in die Mitte des Sehfeldes zu bewegen. Demgegenüber sind bei der digitalen Bildgebung nach der Bildaufnahme alle Bildbereiche von der Mitte bis zur Peripherie qualitativ von gleicher Bedeutung für die Betrachtung, die Analyse und die Quantifizierung. Das gilt auch, wenn Dutzende von Bildern ("tiles") zu einem großformatigen Gesamtbild einer großen Probe für Übersichtsdarstellungen zusammengesetzt werden. Daher ist es erforderlich, das digitale Bild von einem optischen Bild zu erzeugen, das bis zum Rand des Sehfeldes geebnet ist, eine hohe Auflösung erreicht und nicht durch Farbversätze beeinträchtigt wird. Die Reihe "Lambda D" erfüllt effektiv all diese Anforderungen: großes Sehfeld, hervorragende Korrektur der chromatischen Aberration und hohe NA.

Als ich erfahrene Kolleginnen und Kollegen von überall in der Welt bat, sich die Prototypen anzuschauen, war ich sehr froh, ihre Bewertung zu hören, dass es sich um wunderbare Objektive mit hoher Lichtstärke und hoher Auflösung handelt.

Herr Sato: Die höchste Herausforderung bei den Entwicklungsarbeiten bestand darin, die Abbildungsqualität in der Peripherie bei 405 nm zu verbessern und gleichzeitig das große Sehfeld und eine hohe NA zu erreichen. Wir haben uns mehrmals beraten und eine optimale Lösung gefunden, bei der ein exzentrisches Verhalten, das zu Fehlern bei der Bilderzeugung führen könnte, nahezu ausgeschlossen ist. Da Nikon das optische Glas für seine Optiken im eigenen Haus entwickelt und herstellt, ist es darüber hinaus möglich, die Meinungen von Experten bereits bei der Auswahl des Rohmaterials für die zu verwendenden Glassorten einfließen zu lassen. Diese enge Verbundenheit der Glasentwicklung und -herstellung mit der Objektiventwicklung ist ein extrem wichtiges Element bei Nikon-Technologien, weil sie den Horizont bei der Entwicklung neuer Spitzenoptik enorm erweitert. Durch die gewünschten Leistungsanforderungen war es auch erforderlich, neue, schwierige Verarbeitungsprozesse für die Formung von Linsen einzubeziehen. Die optimale Form konnten wir auch durch die enge Zusammenarbeit mit den Fachleuten in der Produktion für unser optisches Glas erreichen. In Bezug auf die Glasmaterialien konnten wir die Auswahl, Besorgung und die Verarbeitbarkeit unmittelbar bewerten und das Nutzungspotenzial sowohl für die Entwicklung als auch für die Herstellung der Optik schnell einschätzen.

Herr Chiba: Es wird immer üblicher - vor allem für junge Forscher -, die Präparate über das Lifebild auf einem Monitor zu mikroskopieren. Dieses Verhalten fühlt sich ähnlich an wie der Übergang beim Umgang mit der Fotokamera mit Film zur Digitalkamera. Mit diesen Objektiven für die digitale Bildgebung bieten wir jungen Forschern und Anfängern größere Möglichkeiten, leichter hochaufgelöste Bilder zu erhalten. Das gilt auch für erfahrene Benutzer, die bereits seit Jahren mit vielen Mikroskopen arbeiten. Ich hoffe aufrichtig, dass dies allen Benutzern hilft, ihre Arbeiten weiter zu entwickeln.

Herr Sato: Das Objektiv ist das Auge eines Mikroskops. Seine optische Leistung bestimmt, mit welcher Qualität und Präzision wir die Proben betrachten und Daten aus den Bildern erfassen und analysieren können.

Wir haben immer wieder viele Gespräche mit den entsprechenden Kolleginnen und Kollegen der beteiligten Abteilungen darüber geführt, wofür welche Spezifikationen wirklich attraktiv sind, haben einige Jahre für die notwendige sorgfältige Abwägung gebraucht und schließlich das ideale Produkt fertiggestellt.

Deshalb möchten wir, dass diese Objektive von einem möglichst breiten Anwenderkreis eingesetzt werden. Beim optischen Design wurde besonderes Augenmerk auf den kurzwelligen Bereich des Lichtspektrums ab 405 nm gelegt, und ich wünsche mir, dass jeder, der mit diesen Objektiven mikroskopiert das große, helle und exzellent korrigierte Sehfeld erlebt.