Objektiv zu Stereomikroskop
Die vorliegende Erfindung betrifft Stereomikroskop Objektive, die auf Unendlich korrigiert sind, deren relative Öffnung mindestens 1:1,8 beträgt, und deren gegenstandsseitige Schnittweite gleich oder grösser als 3/4 der Brennweite ist. Mit der Entwicklung von solchen Objektiven wurde das Zielverfolgt, ein hohesAuflösungsvermögen bei starken Vergrösserungen zu erreichen.
Gleichzeitig wurde auch die Erzielung eines grossen Arbeitsabstandes, d. h. eines grossen Verhältnisses zwischen der gegenstandsseitigen Schnittweite und der Brennweite, angestrebt.
Es sind zwei Konstruktionsarten von Stereomikroskopen bekannt, deren Unterschied vorwiegend im optischen Aufbau liegt. Beim Greenough-System (Fig. 1) konvergieren die beiden Objektivachsen auf den zentralen Gegenstandspunkt hin. Dieses System ist aus zwei Gründen für starke Vergrösserungen ungeeignet. Durch die Neigung der optischen Achsen gegenüber der Normalen zur Gegenstandsebene ergeben sich geneigte Bildebenen Bj und B2. Die Tiefenvergrösserung wächst dabei mit dem Quadrat der seitlichen Vergrösserung, und es entstehen dadurch räumliche Verzerrungen, die sich mit zunehmendem Abbildungsmassstab vergrössern.
Ferner liegen, bedingt durch die Konvergenzgeometrie, die beiden Objektive sehr nahe beieinander. Dadurch ist bei einem normalen Konvergenzwinkel von 160 die numerische Apertur NA=sin a auf einem maximalen Wert von 0,12 begrenzt. Nach der theoretisch begründeten Regel, dass zur Erreichung einer optimalen Bildauflösung die förderliche Vergrösserung innerhalb eines Bereiches von 500- und 1000mal der numerischen Apertur liegen soll, bringen somit beim Greenough-System Vergrösserungen, welche über 120fach liegen, keine Verbesserung der Bilddefinition.
Bei der zweiten Bauart sind die konstruktionsbedingten Nachteile des Greenough-Systems behoben. Die Konvergenz zur Erreichung eines Stereoeffektes wird hier mittels eines auf Unendlich korrigierten grossen Frontobjektives erreicht, auf das zwei getrennte und parallel zueinander stehende Bildübertragungssysteme folgen (Fig. 2). Sowohl die Gegenstandsebene G als auch die beiden Bildebenen Ba und B4 liegen senkrecht zu den optischen Achsen der zugeordneten Systeme. Eine Bildverzerrung in der Art, wie sie beim Greenough-System entsteht, fällt somit dahin. Nach rein geometrischen Gesichtspunkten liegt keine Begrenzung der numerischen Apertur vor. Letztere ist indessen durch den Grad der Bildfehlerkorrektion des grossen Hauptobjektives gegeben.
Die nicht achssymmetrische Beanspruchung des Objektivs erfordert eine sehr gute Zonenkorrektion des Öffnungsfehlers und eine Behebung des Gaussfehlers (chromatische Differenz des Öffnungsfehlers). Es sind Stereomikroskop-Objektive bekannt, bei welchen diese Abbildungsfehler für kleinere Aperturen behoben sind. Zur Erhöhung der numerischen Apertur werden sie durch Vorsatzsysteme ergänzt.
Untersuchungen haben ergeben, dass auf diese Art der Gaussfehler für grosse Öffnungsverhältnisse nur ungenügend korrigiert werden kann. Dadurch ist das Bildfeld, einschliesslich der Bildmitte, mit unsymmetrischen Farbsäumen behaftet. Ausserdem ist die gegenstandsseitige Schnittweite, in der Praxis Arbeitsabstand genannt, sehr kurz. Im Anwendungsbereich von Stereomiskroskopen wird aber ein grosser Abstand zwischen Gegenstand und Objektivscheitel gefordert, damit Manipulationen am Gegenstand ungehindert ausgeführt werden können.
Mit der vorliegenden Erfindung sollen die vorgenannten Nachteile weitgehend behoben werden. Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert:
In Fig. 3 ist ein vierlinsiges Objektiv dargestellt. Der Meniskus M3 von negativer Brechkraft wird durch einen Luftabstand 12 von der annähernd plankovexen Linse Lj getrennt. Dieser Luftabstand ist erfindungsgemäss grösser als 5 O/o der Objektiv-Brennweite.
Dadurch wird nach dem Prinzip des umgekehrten Teleobjektivs eine grosse gegenstandsseitige Schnittweite SA erreicht. Ferner werden mit dem Luftabstand und einer geeigneten Durchbiegung der Linsen, durch welche die Hohlung des Meniskus M3 nach der Seite des Gegenstandes A gerichtet wird, zusätzlich die Zone und die chromatische Differenz des Öffnungsfehlers überkorrigiert. Man erreicht damit eine Kompensation der Unterkorrektion des Kittgliedes K. Dieses setzt sich aus einem Meniskus M1 von positiver Brechkraft und einem Meniskus M2 von negativer Brechkraft zusammen. Es wird zur Erhöhung des Öffnungsverhältnisses der beiden Einzellinsen L1 und M3 auf der Gegenstands seite vorgesetzt.
Die Entwicklung hat gezeigt, dass die HohIung der Kittfläche ebenfalls nach der Seite des Gegenstandes A gerichtet sein muss, damit die bei einem derart grossen Öffnungsverhältnis auftretenden Komakoeffizienten höherer Ordnung beseitigt werden können. Erfindungsgemäss liegen dann die 3 Krümmungszentren Ct, C2 und C3 der sphärischen Flächen des Kittgliedes und die Krümmungszentren C6 und C7 der sphärischen Flächen des negativen Meniskus M3 auf der Seite des Gegenstandes A.
Dem in Fig. 3 dargestellten Beispiel entsprechen für die Brennweite f=100 die nachfolgenden Zahlenwerte: nd v rj = - 91,57 M1 d1 = 12,5 1,61765 55,14 r2 = - 35,83 M2 d2 = 6,05 1,7552 27,58 r3 = - 53,71 11= 1,75 r4 = +701,99 L1 d3 = 12 1,6779 55,20 r5 - 78,55 12 = 8,58 = = - 70,93 M3 d4= 5,4 1,7847 26,08 r7 = -127,1 S1 = - 79,885
Im Beispiel der Fig. 4 ist im Sinne der vorliegenden Erfindung ein fünflinsiges Objektiv dargestellt. Die Entwicklung hat gezeigt, dass durch bildseitiges Anfügen einer Linse L2 von schwacher positiver Brechkraft das Öffnungsverhältnis stark vergrössert werden kann.
Die nachfolgenden Zahlenwerte gelten für eine Objektiv Brennweite f=100.
1, r1 = - 89,68
M1 d1 = 13,0 1,62014 60,31 r2 = - 35,41 M2 d2= 6,1 1,75693 31,8 r3 = - 52,85 l1 = 0,8 r4 = -1340 L1 d3= 12,2 1,6779 55,20 r5 = - 77,52 12 = 8,96 r6 = - 73,24 d4 = 7,0 1,7847 26,08 r7 = - 139,1 13 = 0,2 r8 = -1612,2 L2 d5= 9,0 1,6779 55,20 r9 = - 325 st = - 75,60
Lens to stereo microscope
The present invention relates to stereomicroscope objectives which are corrected to infinity, the relative aperture of which is at least 1: 1.8, and the back focus on the subject is equal to or greater than 3/4 of the focal length. With the development of such lenses, the aim was to achieve a high resolution with high magnifications.
At the same time, the achievement of a large working distance, i.e. H. A large ratio between the back focus on the object and the focal length is sought.
Two types of stereomicroscope construction are known, the difference between which is primarily in the optical structure. In the Greenough system (Fig. 1) the two objective axes converge towards the central object point. This system is unsuitable for high magnifications for two reasons. The inclination of the optical axes with respect to the normal to the plane of the object results in inclined image planes Bj and B2. The depth enlargement grows with the square of the lateral enlargement, and spatial distortions arise as a result, which enlarge with increasing image scale.
Furthermore, due to the convergence geometry, the two objectives are very close to one another. As a result, with a normal convergence angle of 160, the numerical aperture NA = sin a is limited to a maximum value of 0.12. According to the theoretically based rule that the necessary magnification should be within a range of 500 and 1000 times the numerical aperture in order to achieve an optimal image resolution, magnifications in the Greenough system that are over 120 times do not improve the image definition.
The second design eliminates the design-related disadvantages of the Greenough system. The convergence to achieve a stereo effect is achieved here by means of a large front lens corrected to infinity, followed by two separate image transmission systems that are parallel to one another (FIG. 2). Both the object plane G and the two image planes Ba and B4 are perpendicular to the optical axes of the associated systems. Image distortion of the kind that occurs in the Greenough system is thus eliminated. From a purely geometric point of view, there is no limit to the numerical aperture. The latter, however, is given by the degree of aberration correction of the large main objective.
The non-axisymmetric stress on the lens requires very good zone correction of the aperture error and elimination of the Gaussian error (chromatic difference of the aperture error). Stereomicroscope objectives are known in which these imaging errors are eliminated for smaller apertures. To increase the numerical aperture, they are supplemented by attachment systems.
Investigations have shown that this type of Gaussian error can only be insufficiently corrected for large aperture ratios. As a result, the image field, including the center of the image, is afflicted with asymmetrical color fringes. In addition, the back focal length on the subject, called the working distance in practice, is very short. In the field of application of stereo microscopes, however, a large distance between the object and the apex of the lens is required so that manipulations on the object can be carried out unhindered.
The present invention is intended to largely eliminate the aforementioned disadvantages. The invention is explained in more detail below with the aid of exemplary embodiments:
In Fig. 3 a four-lens objective is shown. The meniscus M3 of negative refractive power is separated from the approximately plankovex lens Lj by an air gap 12. According to the invention, this air gap is greater than 50 / o of the objective focal length.
As a result, according to the principle of the inverted telephoto lens, a large back focus SA on the object side is achieved. Furthermore, with the air gap and a suitable deflection of the lenses, through which the hollow of the meniscus M3 is directed towards the side of the object A, the zone and the chromatic difference of the aperture error are additionally overcorrected. This achieves a compensation for the undercorrection of the cemented limb K. This is composed of a meniscus M1 of positive refractive power and a meniscus M2 of negative refractive power. It is used to increase the aperture ratio of the two individual lenses L1 and M3 on the object side.
The development has shown that the hollow of the cement surface must also be directed towards the side of the object A, so that the higher order coma coefficients that occur with such a large aperture ratio can be eliminated. According to the invention, the 3 centers of curvature Ct, C2 and C3 of the spherical surfaces of the cemented member and the centers of curvature C6 and C7 of the spherical surfaces of the negative meniscus M3 then lie on the side of the object A.
The example shown in FIG. 3 corresponds to the following numerical values for the focal length f = 100: nd v rj = -91.57 M1 d1 = 12.5 1.61765 55.14 r2 = -35.83 M2 d2 = 6.05 1.7552 27.58 r3 = - 53.71 11 = 1.75 r4 = +701.99 L1 d3 = 12 1.6779 55.20 r5 - 78.55 12 = 8.58 = = - 70.93 M3 d4 = 5.4 1.7847 26.08 r7 = -127.1 S1 = - 79.885
In the example in FIG. 4, a five-lens objective is shown within the meaning of the present invention. The development has shown that by attaching a lens L2 with a weak positive refractive power to the image side, the aperture ratio can be greatly increased.
The following numerical values apply to a lens focal length f = 100.
1, r1 = -89.68
M1 d1 = 13.0 1.62014 60.31 r2 = - 35.41 M2 d2 = 6.1 1.75693 31.8 r3 = - 52.85 l1 = 0.8 r4 = -1340 L1 d3 = 12, 2 1.6779 55.20 r5 = - 77.52 12 = 8.96 r6 = - 73.24 d4 = 7.0 1.7847 26.08 r7 = - 139.1 13 = 0.2 r8 = -1612 , 2 L2 d5 = 9.0 1.6779 55.20 r9 = - 325 st = - 75.60