Die Sammlung, Verarbeitung, Handhabung und Speicherung von aus vielen Quellen stammenden Informationen hat in Verwaltung und Industrie einen Umfang angenommen, der die Möglichkeiten der bekannten Mittel zum Speichern, Ablegen und Suchen von gespeicherten und abgelegten Informationen übersteigt. Es wurden bereits verschiedene Vorschläge zur Lösung dieses Problems gemacht. Einer dieser bekannten Vorschläge betrifft das Aufzeichnen von Informationen in stark verkleinerter Form auf einem photographischen Film, Mikrofilm genannt, wobei eine ganze Seite an Informationen auf einem sehr kleinen Oberflächenbereich des Films aufgezeichnet werden kann. Bei dieser Art der Informationsspeicherung ist jedoch eine Vorrichtung notwendig, die den raschen Zugriff zur gewünschten gespeicherten Information und das bequeme Lesen dieser Information erlaubt.
Bekannte vorgeschlagene Vorrichtungen für die Wiedergabe eines auf einem Mikrofilm befindlichen Bildes sind gewöhnlich als Leseprojektoren oder Direktbetrachter ausgebildet. Leseprojektoren erzeugen auf einem Projektionsschirm ein vergrössertes reelles Bild der auf dem Mikrofilm befindlichen Information. Solche Leseprojektoren sind jedoch relativ teuer, gross und schwer, nehmen viel Platz ein und benötigen Präzisionslinsen und einen Präzisionsaufbau. Ferner benötigen solche Projektoren Lichtquellen mit hoher Lichtstärke, die entsprechend viel abzuführende Wärme erzeugen, und sind trotzdem nur in relativ dunkler Umgebung verwendbar.
Bekannte Direktbetrachter zum direkten Betrachten von Mikrofilmen besitzen eine vergrössernde Linsenanordnung, durch welche das Objekt vom Betrachter direkt mit einem Auge betrachtet wird. Solche Direktbetrachter sind relativ klein, billig, tragbar, leicht anwendbar und können auch bei heller Umgebung verwendet werden. Jedoch sind bei den bekannten Direktbetrachtern die Bildvergrösserung und der Gesichtfeldwinkel zum Erzielen eines befriedigenden, unverzerrten Bildes relativ klein. Ferner muss die betrachtende Person bei den bekannten Direktbetrachtern das eine Auge nahe an die Linsenanordnung bringen, um das maximale Gesichtsfeld zu erhalten, wodurch das Auge rasch ermüdet.
Zudem ist der Betrachtungsbereich, d.h. der Bereich, über den das Auge von der Linsenanordnung weg und zu dieser hin bewegt werden kann, ohne dass eine wesentliche Verschlechterung des betrachteten Bildes auftritt, bei den bekannten Direktbetrachtern klein. Aus diesen Gründen werden die bekannten Direktbetrachter nicht gerne gekauft und sind nur für kurze Lese- und Betrachtungszeiten nützlich.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein neues optisches System, das die Schaffung eines Direktbetrachters ermöglicht, mit dem wie mit den bekannten Direktbetrachtern direkt ein virtuelles Bild betrachtet werden kann, der jedoch zusätzlich noch einen sehr grossen Bildwinkel und einen sehr grossen Beobachtungsbereich besitzt. Das optische System nach der vorliegenden Erfindung ist nicht nur bei Lesegeräten vorteilhaft, sondern kann allgemein als stark vergrösserndes Weitwinkel-Linsensystem entweder für sich allein oder als Okular in anderen optischen Instrumenten, die nicht zum Lesen von Mikrofilmen dienen, verwendet werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines kompakten, optischen Systems, das ein sehr kleines Bild derart vergrössert, dass das vergrösserte Bild bequem betrachtet werden kann und der Betrachtungsbereich so gross ist, dass das Auge auch bei längerem Betrachten des vergrösserten Bildes nicht wesentlich ermüdet.
Das erfindungsgemässe optische System zur Erzeugung eines vergrösserten virtuellen Bildes eines praktisch zweidimensionalen Objektes ist gekennzeichnet durch einen Konkavspiegel, einen halbdurchlässigen ebenen Spiegel, dessen einer Rand an einen Rand des Konkavspiegels grenzt und der in einem Winkel kleiner als 900 zur Tangentialebene an das Konkavspiegelzentrum geneigt ist, und durch eine Eintrittsfläche zur Aufnahme des vom Objekt kommenden Lichtes mit einem Objektrahmen zur optischen Begrenzung des Objektes von der ein Rand an den dem genannten Konkavspiegelrand gegenüberliegenden Rand des Konkavspiegels grenzt, deren zentrale Tangentialebene in einem Winkel grösser als 900 zur genannten Tangentialebene des Konkavspiegels geneigt ist und deren Zentrumsnormale die optische Achse des Konkavspiegels schneidet, wobei der von den beiden Achsen eingeschlossene,
dem Konkavspiegel zugekehrte Winkel kleiner als 900 ist.
Das optische System nach der Erfindung kann zum Vergrössern von Mikrofilmbildern verwendet werden. Gemäss einer Ausführungsform der Erfindung weist das System einen Körper aus klarem Material mit einem Brechungsindex grösser als 1 und optischen Oberflächen auf.
Das optische System nach der Erfindung kann für die Betrachtung von undurchsichtigen und durchsichtigen Objekten und von von Miniaturkathodenstrahlröhren erzeugten Darstellungen sowie für die Verwendung in binokularen oder monokularen Betrachtungsgeräten, Mikroskopen oder Fernrohren oder als Okular für verschiedene Arten von optischen Instrumenten dienen.
Das optische System nach der Erfindung kann in einem Betrachtungsgerät angeordnet sein, das so ausgebildet ist, dass ein Mikrofilmstreifen oder eine Mikrofilmkarte intermittierend in die Objektivebene des Betrachtungsgerätes gebracht werden kann und die auf dem Mikrofilm befindliche Information bequem und ohne Ermüdung des Auges betrachtet und gelesen werden kann.
Nachfolgend werden anhand der beiliegenden Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben.
In den Zeichnungen zeigt:
Fig. 1 eine Draufsicht auf ein erfindungsgemässes optisches System,
Fig. la eine schematische perspektivische Ansicht des optischen Systems der Fig. 1,
Fig. 2 eine Draufsicht auf ein dem optischen System der Fig. 1 entsprechendes, in einem Körper aus Material mit einem Brechungsindex > 1, ausgebildetes optisches System,
Fig. 3 eine perspektivische Ansicht des in der Fig. 2 dargestellten festen Körpers aus Material mit einem Brechungsindex > 1,
Fig. 4 eine Draufsicht auf ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, ähnlich dem der Fig. 2, jedoch mit einer abge änderten Austrittsfläche,
Fig. 5 bis Fig. 9 schematisch dargestellte Abänderungen der optischen Systeme nach Fig. 1 und 2, wobei die Fig.
5 ein Objekt mit einer konkav gekrümmten Oberfläche und einen Vergrösserungskörper mit einer zur Korrektur der durch seine konkave Spiegelfläche hervorgerufenen Bildfeldwölbung konkav gekrümmten Eintrittsfläche, die Fig. 6 ein Objekt mit einer konkaven Oberfläche und einen Verstärkungskörper mit einer ebenen Eintrittsfläche, die Fig. 7 ein Objekt mit einer ebenen Oberfläche und einen Verstärkungskörper mit einer konvexen Eintrittsfläche, Fig. 8 eine teilweise geschnittene perspektivische Ansicht einer Einrichtung zur Erzielung einer gewünschten Krümmung der Oberfläche des Objektes und die Fig. 9 eine Abänderung der Oberfläche der konkaven Spiegelfläche zur Erzeugung eines ebenen Bildes von einem ebenen Objekt zeigt,
Fig. 10 eine zur Beleuchtung eines undurchsichtigen Objekts ausgebildete Abwandlung des Vergrösserungskörpers nach der Fig. 2,
Fig.
11 eine zur Beleuchtung eines durchsichtigen Objekts ausgebildete Abwandlung des Vergrösserungskörpers nach der Fig. 2,
Fig. 12 eine schematische Ansicht von zwei in einem Binokular eines Mikroskops verwendeten optischen Systeme nach der Fig. 2,
Fig. 13 eine schematische Ansicht des optischen Systems nach der Fig. 2 mit einem Hilfssystem zur zusätzlichen Erweiterung des Betrachtungsbereichs,
Fig. 14 eine perspektivische Ansicht eines Betrachtungsgerätes mit dem optischen System der Fig. 2 zum Betrachten von Mikrofilmkarten,
Fig. 15 eine perspektivische Ansicht eines Betrachtungsgerätes mit dem optischen System der Fig. 2 zum Betrachten eines Mikrofilmstreifens oder einer Mikrofilmkarte,
Fig. 16 eine Draufsicht auf eine zu einem Zylinder gerollte Mikrofilmkarte für die Verwendung in der Vorrichtung nach der Fig. 15, und
Fig.
17 einen Längsschnitt durch das Gerät nach der Fig. 15, der in einer durch die Linie XVII-XVII in der Fig. 15 gehenden Ebene liegt.
In den vorstehend angeführten Figuren sind erfindungsgemässe optische Systeme dargestellt, wobei die Fig. 1 bis 3 das grundlegende optische System, die Fig. 4 bis 13 Abwandlungen und Ausbildungsbeispiele des grundlegenden optischen Systems und die Fig. 14 bis 17 Beispiele von erfindungsgemässe optische Systeme enthaltenden Geräten für das Betrachten eines Mikrofilmstreifens oder einer Mikrofilmkarte zeigen.
Das in der Fig. 1 schematisch dargestellte optische System hat eine beispielsweise sphärische, konkave Spiegelfläche 20 mit einer optischen Achse 21, die zugleich die Betrachtungsachse ist. Von einem Rand der Spiegelfläche 20 aus erstreckt sich eine halbdurchlässige Spiegelfläche 22 diagonal quer durch die optische Achse. Die einander benachbarten Ränder der Flächen 20 und 22 liegen nahe beieinander oder berühren einander. Die Ebene der Fläche 22 bildet mit der zentralen Tangentialebene der konkaven Fläche 20 einen spitzen Winkel. Auf der gegenüberliegenden Seite der konkaven Oberfläche 20 ist in deren Nähe oder in Berührung mit dieser Seite ein Rand eines zu vergrössernden und betrachtenden Objekts 23 angeordnet, das ein Mikrofilmstreifen oder eine Mikrofilmkarte sein kann.
In der Fig. 1 ist das Objekt 23 in einer Ebene angeordnet, welche einen stumpfen Winkel mit der zentralen Tangentialebene der Spiegelfläche 20 bildet. Die halbdurchlässige Spiegelfläche 22 sieht das Objekt 23 in Richtung der optischen Achse 24. Daher reflektiert die halbdurchlässige Spiegelfläche 22 die vom Objekt 23 kommenden Strahlen derart auf die konkave Spiegelfläche 20, dass diese ein virtuelles Bild 25 sieht, das senkrecht zur optischen Achse 21 steht und innerhalb der Brennweite nahe dem Brennpunkt der konkaven Spiegelfläche 20 liegt. Dieses virtuelle Zwischenbild 25 wird von der konkaven Spiegelfläche 20 vergrössert, wobei das endgültige virtuelle Bild durch die halbdurchlässige Spiegelfläche 22 hindurch in Richtung der optischen Achse 21 sichtbar ist.
In der Fig. la ist das vorstehend beschriebene optische System perspektivisch dargestellt, um die Berührungsbeziehung des Randes 23a des Objekts 23 mit dem Rand 20a der konkaven Spiegelfläche und diejenige des Randes 22a der halbdurchlässigen Spiegelfläche mit dem Rand 20b der konkaven Spiegelfläche 20 besser zu zeigen. Das virtuelle Bild 25 ist in Richtung der Betrachtungsachse 21 sichtbar. Aus dieser perspektivischen Darstellung ist auch die durch die Achsen 21 und 24 bestimmte horizontale Faltebene ersichtlich. Das Objekt 23 ist in bezug zur Achse 24 symmetrisch angeordnet und kann bei diesem Beispiel die Form eines Rechtecks mit einem Verhältnis von Höhe zu Breite von 1,5 besitzen.
Es sei darauf hingewiesen, dass im optischen Übertragungsweg des Objekts 23 maximale Aperturen verwendet sind, wodurch der maximale Betrachtungsraum erhalten wird. Die rechtwinkelige Begrenzung des Objekts 23 und der Punkt 26, von dem aus das vergrösserte Bild betrachtet wird,¯bestimmen die Randstrahlen, welche ihrerseits die auf den optischen Flächen 22 und 20 verwendeten Aperturen bestimmen. Es sei darauf hingewiesen, dass die halbdurchlässige Spiegelfläche 22 zweimal von Randstrahlen getroffen wird und dass die auf der halbdurchlässigen Spiegelfläche 22 verwendete Apertur entweder von den reflektierten oder den durchgelassenen Randstrahlen bestimmt wird, je nachdem, welche Strahlen auf der Fläche 22 den grösseren Bereich umschreiben.
Damit ein vergrössertes Bild vom Betrachtungspunkt 26 aus voll sichtbar ist, darf keine der optischen Flächen 20 und 22 eine auf einer anderen Fläche verwendete Apertur schneiden. Da die auf diesen optischen Flächen verwendeten Aperturen die Tendenz haben, grösser zu werden, wenn der Abstand zwischen dem vergrössernden System und dem Betrachtungspunkt 26 grösser wird, hat die Bedingung der Nichtinterferenz der Aperturen den Effekt einer Einschränkung des verfügbaren Betrachtungsraums oder der Orte längs der optischen Achse 21, von denen aus das vergrösserte Bild betrachtet werden kann.
Die vorstehend genannte Einschränkung des Betrachtungsbereiches auf der Betrachtungsachse 21 kann weitgehend beseitigt werden, wenn die optischen Flächen 20 und 22 und das Objekt 23 so angeordnet werden, dass maximale Aperturen verwendet werden können. Maximale Aperturen werden erhalten, wenn jede optische Fläche, die auf den benachbarten Flächen verwendeten Aperturen gerade berührt. Dies ist bei dem optischen System nach den Fig. 1 und la der Fall, da der Rand 22a der halbdurchlässigen Spiegelfläche 22 den Rand 20b der konkaven Spiegelfläche 20 und der Rand 23a des Objekts den Rand 20a der konkaven Spiegelfläche 20 berührt.
Dadurch wird die grösstmögliche Vergrösserungsapertur und der durch den Punkt 27 angezeigte grösstmögliche Abstand des Betrachtungspunktes vom Vergrösserungssystem erhalten.
Diese Anordnung mit maximaler Apertur und maximalem Betrachtungsbereich lässt sich im einzelnen anhand von Randstrahlen beschreiben, die vom Objekt 23 durch das optische System bis zum äussersten Betrachtungspunkt 27 verlaufen.
Die von den Seiten 23a und 23b des Objekts 23 ausgehenden Randstrahlen definieren die horizontale Apertur der konkaven Spiegelfläche 20, während die von der oberen und unteren Seite 23c des Objekts ausgehenden Randstrahlen die vertikale Apertur der Fläche 20 bestimmen, wobei der untere und obere Rand dieser Apertur durch je einen Bogen 30 gebildet ist. Die von den beiden Seiten 23a und 23b ausgehenden Randstrahlen nehmen eine im wesentlichen vertikale aber leicht gekrümmte fächerförmige Oberfläche ein, deren Projektion in die durch die Achsen 21 und 24 definierte Faltebene eine Linie mit variierender Breite ist.
Die von der Seite 23a ausgehenden Randstrahlen sind in der Fig. 2 durch die sich von der optischen Achse 24 entfernende Linie 35 vom Objekt 23 zur halbdurchlässigen Spiegelfläche 22, durch die sich ebenfalls von der optischen Achse 21 entfernende Linie 36 von der Fläche 22 zur Fläche 20, durch die sich der optischen Achse 21 nähernden Linie 37 von der Fläche 20 zu einer Austrittsebene 34 und eine weitere, sich ebenfalls der optischen Achse 21 nähernde Linie von der Austrittsebene 34 zum Punkt 27 angegeben.
Die von der Seite 23b ausgehenden Randstrahlen sind in der Fig. 2 durch die sich von der optischen Achse 24 entfernende Linie 31 vom Objekt zur halbdurchlässigen Spiegelfläche 22, die sich von der optischen Achse 21 entfernende Linie 32 von der Fläche 22 zur Fläche 20, die sich der optischen Achse 21 nähernde Linie 33 von der Fläche 20 zur Austrittsebene 34 und eine weitere, sich ebenfalls der optischen Achse 21 nähernde Linie von der Austrittsebene 34 zum Punkt 27 angezeigt. Daraus ist ersichtlich, dass, wenn das Objekt, die konkave Spiegelfläche 20 und die halbdurchlässige Spiegelfläche 22 so angeordnet werden, dass sich ihre benachbarten Ränder berühren, die maximalen Aperturen der optischen Flächen verwendet werden können.
Die Austrittsebene 34 berührt die Apertur der halbdurchlässigen Spiegelfläche 22, welche im in der Fig. 2 dargestellten Fall durch die Randstrahlen 33 bestimmt ist. Die Austrittsebene 34 bildet die Basis einer Pyramide mit der Spitze 27, welche Pyramide den Betrachtungsraum des optischen Systems definiert, d.h. die Stellen, von welchen aus ein Auge das reflektierte Bild des Objekts 23 betrachten kann.
Die das oben beschriebene optische System bildenden optischen Flächen können auf verschiedene Arten gebildet sein.
Bevorzugt wird eine kompakte, präzise Anordnung dieser Flächen, wie sie in den Fig. 2 und 3 dargestellt ist, die einen festen Körper 40 aus klarem, durchsichtigen Material aus Glas oder Kunststoff, z.B. einer Acrylverbindung, zeigen, der die optischen Flächen aufweist. Auf dem festen Körper 40 können die optischen Flächen genau hergestellt und dann mit geeigneten, reflektierenden Belägen versehen werden. Der Körper 40 besitzt eine konkave, insbesondere sphärische Oberfläche 20, eine Fläche 22, welche die Zwischenfläche zwischen zwei Teilen 41 und 42 bildet, aus welchen Teilen der Körper 40 zusammengesetzt ist und die in bekannter Weise für den optischen Kontakt miteinander verbunden sind.
Der Körper 40 besitzt ferner eine Oberfläche 43, auf der das Objekt 23 angeordnet werden kann und eine Oberfläche 34, welche die Austrittsebene darstellt, die, wie oben beschrieben, die Ebene der halbdurchlässigen Fläche 22 schneidet. Die anderen Oberflächen des klaren, durchsichtigen Vergrösserungskörpers 40 werden nicht zur Erzeugung des vergrösserten Bildes verwendet und können von beliebiger Form und Grösse sein, so lange sie nicht den Durchgang der Randstrahlen stören. In der Fig. 3 ist der Betrachtungsraum wieder der Raum zwischen der Austrittsebene 34 und der Spitze 27 der Pyramide, deren Basis die Austrittsebene 34 bildet.
Es ist ersichtlich, dass, obwohl das vergrössernde optische System der Fig. 2 für die gleiche Objektgrösse und Vergrösserung ausgebildet ist, wie das optische System der Fig. 1, das vergrössernde System der Fig. 2 einen wesentlich grösseren Betrachtungsraum liefert (die beiden Figuren sind für den Vergleich im gleichen optischen Masstab gezeichnet). Durch die Ausbildung der aktiven optischen Flächen auf bzw. in einem brechenden Körper wird eine Vergrösserung der linearen Abmessungen des Betrachtungsraums um einen den Brechungsindex n des Körpers übersteigenden Faktor gehalten, welcher Brechungsindex beispielsweise n = 1,5 sein kann.
Das vergrössernde optische System der Fig. 2 kann mit einer idealen dünnen Linse verglichen werden, die eine positive Vergrösserung besitzt, die n-mal grösser ist als diejenige der konkaven Spiegelfläche und einen Durchmesser, der gleich der Diagonalen der Apertur auf der Austrittsfläche 34 ist. Zur Erzielung eines Betrachtungsraumes, der gleich dem des vergrössernden optischen Systems der Fig. 2 ist, müsste eine dünne Linse eine relative Öffnung von 1/0,53 besitzen, welcher Wert nahe der theoretischen Grenze von 1/0,5 liegt. Es sei noch bemerkt, dass eine wirkliche Linse mit zunehmender relativer Apertur relativ dicker wird, mit dem Ergebnis, dass ihr Betrachtungsraum kürzer ist als derjenige einer idealen dünnen Linse mit der gleichen relativen Offnung.
Aus dem Vorstehenden sind die Vorteile ersichtlich, die sich im Hinblick auf den Beobachtungsraum durch das Ausfüllen des reflektierenden, verstärkenden optischen Systems mit einem brechenden Material ergeben.
Das in den Fig. 1 bis 3 dargestellte, erfindungsgemässe optische System ist im wesentlichen frei von die Schärfe des vergrössernden Bildes beeinträchtigenden Abbildungsfehlern, jedoch können von einer Bildfeldwölbung herrührende Verzerrungen vorhanden sein, welche korrigiert werden müssen.
In der Fig. 4 ist ein vergrösserndes optisches System dargestellt, das dem der Fig. 2 entspricht, jedoch mit der Ausnahme, dass es eine konkave Austrittsfläche 34 anstelle der ebenen Austrittsfläche 34 der Fig. 2 besitzt. Die eine ausgewählte Krümmung aufweisende konkave Austrittsfläche 34 vergrössert die Toleranz des Systems für die Betrachtung von nicht auf der optischen Achse 21 liegenden Punkten aus durch Verringerung des Astigmatismus. Zur Erläuterung dieses Effektes sei angenommen, dass das Zentrum des vergrösserten virtuellen Bildes von einem nicht auf der optischen Achse 21 liegenden Punkt 28 aus betrachtet wird, so dass die Sehlinie schräg auf die konkave Spiegelfläche 20 fällt.
Ein schräger Einfall auf eine konkave Spiegelfläche von sphärischer Form bewirkt einen Astigmatismus mit negativem Vorzeichen, während ein schräger Einfall auf die Grenzfläche zwischen einem brechenden Medium und Luft einen Astigmatismus mit positivem Vorzeichen erzeugt, d.h. der durch die Fläche 20 erzeugte Astigmatismus kann durch schrägen Einfall auf die Austrittsfläche 34 kompensiert werden. Da die Sehlinie parallel zur Achse 21 verläuft, trifft diese senkrecht auf eine ebene Austrittsfläche auf, so dass kein Astigmatismus auftritt. Die Krümmung der Austrittsfläche 34/ bewirkt jedoch die notwendige Neigung zur Erzeugung von Astigmatismus und die Konkavität vergrössert die Grösse des Astigmatismus gegenüber einer gleich geneigten ebenen Fläche.
Obgleich diese vorteilhaften Effekte teilweise durch den stärker negativen Astigmatismus der konkaven Spiegelfläche 20 aufgehoben werden, deren Krümmung grösser sein muss, um den verkleinernden Effekt der konkaven Austrittsfläche 34 auszugleichen, wird trotzdem durch eine ausgewählte Krümmung der Oberfläche 34 die Toleranz des optischen Systems bezüglich einer Betrachtung von nicht auf der optischen Achse liegenden Punkten aus verbessert.
Der von der konkaven Spiegelfläche 20 bewirkte negative Astigmatismus kann auch durch eine asphärische Krümmung verringert werden, bei der die meridionale Krümmung mit zunehmendem Abstand von der Achse 21 etwas abnimmt. Je nachdem, für welchen Zweck das optische System bestimmt ist, kann eine asphärische Oberfläche 20 oder eine konkave Austrittsfläche 34/ oder beides verwendet werden.
Die Kombination des Astigmatismus der Eintrittsfläche 43, der Spiegelfläche 20 und der Austrittsfläche 34' begrenzt den sogenannten stigmatischen Betrachtungsraum, der alle Betrachtungspunkte umfasst, von denen aus kein Teil des vergrösserten Bildes einen Astigmatismus aufweist, der grösser ist als ein bestimmter tolerierbarer Wert. Dieser stigmatische Betrachtungsraum hat im allgemeinen die Form einer Doppelpyramide, deren Spitzen auf der optischen Achse 21 und deren Basis in der Nähe des Punktes 39 liegt, in dem die Austrittsfläche 34' das paraxiale Krümmungszentrum 38 der Spiegelfläche 20 abbildet. Der stigmatische Betrachtungsraum kann eine bevorzugte Lage längs der Betrachtungsachse 21 einnehmen oder es kann ein grösserer Raum, in dem der Astigmatismus tolerierbar ist, erhalten werden.
Obgleich die vorstehende Astigmatismuskorrektur beschrieben wurde, ist es für den Fachmann klar, dass das in der Fig. 2 dargestellte grundlegende optische System in den meisten Fällen zum direkten Betrachten von sehr kleinen Objekten geeignet ist.
Die Fig. 5 bis 9 zeigen in schematischer Darstellung verschiedene Möglichkeiten zur Kompensation einer Bildkrümmung entweder durch Krümmen des von der Spiegelfläche 20 gesehenen virtuellen Bildes oder durch Änderung der Spiegelfläche 20 zur Erzielung eines ebenen Bildes von einem ebenen Objekt. Das Auge eines Betrachters kann sich kurzzeitig einer Bildkrümmung anpassen, jedoch bewirkt ein längeres Betrachten, wobei eine kontinuierliche Änderung der Anpassung des Auges notwendig ist, eine Ermüdung des Auges. Unter idealen Verhältnissen sollte das Zentrum des Auges des Betrachters im Punkt 39 auf der optischen Achse 21 liegen, welcher Punkt 39 das von der Austrittsfläche 34 erzeugte virtuelle Bild des Krümmungsmittelpunktes 38 der Spiegelfläche 20 ist.
In diesem Fall wird der vom Zentrum des Auges ausgehende Sehstrahl ungeachtet einer Augendrehung an der Spiegelfläche 20 normal reflektiert. Das vergrösserte Bild ist praktisch frei von Abbildungsfehlern und besitzt auch keine laterale Verzerrung, so dass dem Auge das Bild unverzerrt erscheint. In Längsrichtung kann die Oberfläche des Bildes noch immer stark verzerrl sein. Sofern nicht das virtuelle Bild des Objekts 23, wie es von der konkaven Spiegelfläche 20 nach dem Durchgang durch die Eintrittsfläche 43 und Reflexion an der halbdurchlässigen Spiegelschicht 22 gesehen wird, eine mit der Krümmung der Spiegelfläche 20 konzentrische Krümmung hat, variiert der Abstand vom Zentrum 39 des Auges zum vergrösserten Bild über das Gesichtsfeld.
Einige Möglichkeiten zur Kompensation der Bildkrümmung sind in den Fig. 5 bis 7 dargestellt, in welchen das die reflektierende Spiegelfläche 20 und die Eintrittsfläche 43 aufweisende optische System ungefaltet dargestellt, d.h. die halbdurchlässige Fläche 22 weggelassen ist. Die konkave Spiegelfläche 2C und das virtuelle Bild 25 sind als sphärisch angenommen und besitzen den gleichen Krümmungsmittelpunkt 38. Die Oberfläche des vergrösserten Bildes ist demgemäss ebenfalls sphärisch und hat ebenfalls den Krümmungsmittelpunkt 38, wodurch die zum Betrachten des vergrösserten Bildes notwendige Anpassung des Auges im gesamten Gesichtsfeld festbleibt. In der Fig. 5 sind alle Oberflächen zueinander konzentrisch, d.h. die Spiegelfläche 20, die Eintrittsfläche 43, die Objektoberfläche 23 und das virtuelle Bild 25.
In der Fig. 6 ist die Eintrittsfläche 43 eben und die Objektoberfläche 23 hat eine kleinere Krümmung als in der Fig. 5. Da die Brechung an der Eintrittsfläche den Spalt zwischen dieser Fläche und dem Objekt um den Brechungsindex vergrössert, wird auch die Objektkrümmung um den gleichen Faktor vergrössert. In der Fig. 7 ist die Objektoberfläche 23 eben und die Eintrittsfläche 43 konvex.
Es sei bemerkt, dass bei den in den Fig. 5, 6 und 7 dargestellten Beispielen die Krümmung bestimmter Flächen eine Krümmung des Objekts weniger notwendig macht, jedoch unterwünschte Einflüsse auf die Bildqualität haben kann. Da ein schräger Einfall aus Luft auf ein brechendes Medium negativen Astigmatismus bewirkt, dessen Grösse mit zunehmender Schräge und im Verhältnis zur Breite des Spaltes zwischen dem Objekt 23 und der Eintrittsfläche 43 zunimmt, tritt eine Verschlechterung der Bildqualität besonders in den Randbereichen des Bildes auf. Daher ist es in speziellen Fällen erwünscht, den Bereich eines Films, der die Objektoberfläche 23 bildet, zu biegen. Die Fig. 8 zeigt, wie der die Objektoberfläche 23 bildende Bereich eines Filmes gebogen werden kann.
Der das Objekt 23 darstellende Bereich des Filmes wird durch Pressen des Filmes gegen die konvexe Oberfläche einer durchsichtigen Linse 46, die in einen hohlen Ring 47 passt, zeitweise deformiert. Im Fall, dass die Eintrittsfläche 43 wie in der Fig. 5 sphärisch konkav ist, wird der Film direkt gegen die hohle Eintrittsfläche gepresst. Zum Deformieren des Filmes kann Druckluft oder ein anderes, eine Druckdifferenz erzeugendes Mittel verwendet werden.
In der Fig. 9 ist eine andere Art der Kompensation der Bildkrümmung gezeigt, wobei das optische System wieder ungefaltet dargestellt ist und die Objektoberfläche 23 der Spiegelfläche 20' gegenüberliegt. Die Spiegelfläche 20' ist körperlich gesehen praktisch eben, jedoch in optischer Hinsicht konkav, was durch konzentrische, ringförmige und abgestufte Zonen 48 mit gemeinsamem Krümmungsmittelpunkt erzielt wird. Vom Krümmungsmittelpunkt 38 der Zonen 48 aus gesehen erscheint das Bild des Objekts 23 kreisförmig gewellt, aber sonst eben und frei von Verzerrungen. Das Bilc eines bestimmten Objektpunktes 49 wird im Schnittpunkt des durch den Objektpunkt gehenden Krümmungsradius mit der Bildebene erzeugt. Es sei bemerkt, dass eine Kompensation der Krümmung nur in bestimmten Anwendungsfällen notwen digest.
In den Fig. 10 bis 13 sind verschiedene Abwandlungen und Anwendungen des grundlegenden optischen Systems dargestellt. In Fig. 10 ist das grundlegende optische System in einem Körper aus klarem, brechenden Material ausgebildet, wie oben anhand der Fig. 2 und 3 beschrieben, wobei ähnliche Oberflächen mit gleichen Hinweiszahlen bezeichnet sind. In Fig. 10 besitzt der Körper 40 optisch nicht verwendete Oberflächen, die matt geschliffen und mit einem lichtabsorbierenden Material, wie schwarzer Gummi oder schwarze Farbe, beschichtet oder bemalt sein können. Diese schwarzen Oberflächen sind mit 52 bezeichnet. Die Eintrittsfläche 43 ist unterhalb eines Objekts 23 unbedeckt.
Bei dem Beispiel der Fig. 10 ist das Objekt 23 undurchsichtig und seine Oberfläche wird durch eine Lichtquelle 54 beleuchtet, von welcher Licht durch die Oberfläche 55 zwischen den einander berührenden Kanten der konkaven Spiegelfläche 20 und der halbdurchlässigen Fläche 22 geht. Die Gestalt dieser Oberfläche ist aus der Fig. 3 ersichtlich.
Fig. 11 zeigt eine Möglichkeit der Belichtung eines durchsichtigen Objekts 23, dessen Oberfläche an der Eintrittsfläche 43 durch die Oberfläche eines Prismas 57 konvex gekrümmt ist, welches Prisma ein lichtstreuendes Mittel 58 besitzt, durch welches das durchsichtige Objekt 23 beleuchtet wird. Es sei bemerkt, dass durch Einfügen des Prismas 57 zwischen dem Lichtdiffusor 58 und dem Objekt 23 ein System geschaffen ist, bei dem Totalreflexion des Beleuchtungslichtes an der Austrittsfläche 34 auftritt, wie durch den Strahl 59 angezeigt ist, so dass das Beleuchtungslicht am Verlassen des Körpers 40 verhindert wird. Ohne das Prisma 57 wäre das Objekt 23 vom Raum S zwischen dem Randstrahl 59m und der Austrittsfläche 34 sichtbar.
Die Fig. 12 zeigt die Verwendung von zwei optischen Systemen nach der Fig. 2 in einem binokularen Okular eines Mikroskops. Ein beleuchtetes Objekt 60 wird von einer Objektivlinse 61 vergrössert und das bilderzeugende Strahlenbündel 62 durch einen halbdurchlässigen Spiegel 63 aufgeteilt, welcher Licht vom Strahlenbündel 62 zu einem Spiegel 64 reflektiert, der seinerseits Licht zur Eintrittsfläche 43 eines Vergrösserungskörpers 40 reflektiert. Das durch den halbdurchlässigen Spiegel 63 gehende Licht wird von einem Spiegel 65 zu einem weiteren Spiegel 66 und von diesem zur Eintrittsfläche 43 eines zweiten Vergrösserungskörpers 40 reflektiert. Die optischen Wege vom Objekt 60 zu den Eintrittsflächen 43 der Vergrösserungskörper 40 sind so gewählt, dass die beiden reellen Bilder in der Nähe der Eintrittsflächen 43 fokussiert werden und dort die Stelle des Objekts 23 einnehmen.
Zur Erhaltung des Betrachtungsraumes der Vergrösserungskörper 40 sind vor den Eintrittsflächen 43 lichtdurchlässige Streuscheiben 68 angeordnet, welche zur Kompensation einer Krümmung der vergrösserten virtuellen Bilder gekrümmt sein können, wie es anhand der Fig. 5 und 6 beschrieben wurde.
Im Falle eines monokularen Mikroskops kann die Objektivlinse 61 mit einem einzelnen Vergrösserungskörper 40 kombiniert werden. Der das grundlegende optische System enthaltende Vergrösserungskörper 40 kann auch als Okular in anderen optischen Instrumenten verwendet werden, die ein reelles Bild von ausreichender Helligkeit erzeugen.
Fig. 13 zeigt ein optisches System, das aus dem in der Fig. 2 dargestellten optischen System, d.h. aus einem Block aus brechendem Material besteht und aus einer vergrösserten Ausführung des in der Fig. 1 dargestellten grundlegenden optischen Systems, um einen vergrösserten Betrachtungsbereich zu erzielen.
Das mit 70 bezeichnete optische System umfasst eine halb durchlässige Spiegelfläche 71 und eine konkave Spiegelfläche 72. Das System 70 erzeugt in der Nähe des Auges eines Betrachters ein reelles Bild des idealen Betrachtungspunktes 39 des mit 77 bezeichneten optischen Systems. Wenn das optische System 70 mit der Vergrösserung 1 verwendet wird, so dass, wie in der Fig. 13 dargestellt, der ideale Betrachtungspunkt 39 im Krümmungsmittelpunkt 78 der konkaven Spiegelfläche 72 abgebildet wird, ist ersichtlich, dass der Bildwinkel des Vergrösserungssystems erhalten bleibt. Jedoch kann der Bildwinkel durch Verwendung des Systems 70 mit schwächerer oder stärkerer Vergrösserung als 1 vergrössert oder verkleinert werden.
Das vergrössernde optische System 77 unterscheidet sich vom optischen System der Fig. 2 dadurch, dass das virtuelle Bild 25 ausserhalb der Brennweite der konkaven Spiegelfläche 20 liegt. so dass die konkave Spiegelfläche ein vergrössertes reelles Bild anstelle eines virtuellen Bildes des Objekts 23 erzeugen kann. Wenn dieses reelle Zwischenbild, wie in der Fig. 13 dargestellt, auf die konkave Spiegelfläche 72 fokussiert wird, ist die optische Genauigkeit der Spiegelfläche 72 nicht kritisch und es tritt keine Parallaxe zwischen dem vergrösserten Bild und dem Rand der Spiegelfläche 72 auf. Es sei darauf hingewiesen, dass das reelle Zwischenbild auch etwas vor der Spiegelfläche 72 fokussiert werden kann, um das endgültige virtuelle Bild irgendwo zwischen der Spiegelfläche 72 und unendlich zu erzeugen.
Bei der Anordnung nach der Fig. 13 hängt die Grösse des Beobachtungsabstandes zwischen dem optischen System 70 und dem Beobachtungsbereich von der Grösse der konkaven Spiegelfläche ab und kann beliebig gross gemacht werden.
Durch Entfernen des vergrössernden Systems 77 vom Auge des Beobachters wird die Länge des geometrischen Betrachtungsraumes verdoppelt, der nun die Form einer Doppelpyramide 79 annehmen kann. Zum binokularen Betrachten können bei der Anordnung nach der Fig. 13 zwei vergrössernde Systeme 77 verwendet werden.
In den Fig. 14 bis 17 sind für das Halten von Hand oder zum Montieren an einem Tisch ausgebildete, tragbare, kompakte, leichte und billig herstellbare optische Geräte dargestellt, die erfindungsgemässe optische Systeme enthalten. Das in der Fig. 14 dargestellte Betrachtungsgerät 82 besitzt ein Gehäuse 83, in dem ein Vergrösserungskörper 84 von der anhand der Fig. 2 beschriebenen Art untergebracht ist. Der Vergrösserungskörper 84 besitzt eine Austrittsfläche 85, von welcher die Betrachtungsachse 86 ausgeht. Ein zu betrachtendes Objekt 87 ist in einer rechteckigen Öffnung 88 angeordnet, die in einer vertikal angeordneten, U-förmigen Klammer 89 mit einem äusseren Arm 90 und einem inneren Arm 91, die nahe beieinanderliegende, parallele Oberflächen besitzen, ausgebildet ist. Der innere Arm 91 ist am Gehäuse 83 befestigt.
Die rechteckige Öffnung 88 befindet sich vor der Eintrittsfläche (entsprechend der Fläche 43 des Körpers 40 der Fig. 2) des Vergrösserungskörpers 84. Das Objekt 87 kann durch Umgebungslicht oder eine Lichtquelle zur Erzeugung eines vergrösserten Bildes durch den Vergrösserungskörper 84 beleuchtet werden. Das Auge des Betrachters befindet sich, wie bereits anhand der Fig. 1 und 2 beschrieben, auf der Betrachtungsachse 86.
Die U-förmige Klammer 89 dient zum Halten eines Mikrofilmstreifens, einer Mikrofilmkarte oder eines anderen kleinen Objekts. Das Objekt 87 kann auf einem Träger, beispielsweise in Form der Karte 92, angeordnet sein, die im vertikalen Schlitz 93 der U-förmigen Klammer 89 einführbar ist. Der Schlitz 93 hat auch eine obere Öffnung 94, so dass die Karte 92 im Schlitz nach oben, nach unten, vorwärts oder rückwärts bewegt werden kann, um das gewünschte Objekt in die Öffnung 88 zu bringen.
Zur Erleichterung des Betrachtens mit einem Auge kann auf einer Seite des Gehäuses 83 ein faltbares Abdeckmittel 95 vorgesehen sein. Das Abdeckmittel 95 kann mit Faltrillen 96, 97, 98 und 99 versehen sein, die Abdeckflächen 100, 101, 102 und 103 begrenzen, welche bestimmten Seitenwänden des Gehäuses 83 entsprechen, so dass das Abdeckmittel 95 über die Seitenwände des Gehäuses sowie die Austrittsfläche 85 und die Eintrittsfläche des Vergrösserungskörpers zum Schutz des Gerätes während der Aufbewahrung und des Nichtgebrauches gefaltet werden kann. Wenn das Abdeckmittel 95 aufgeklappt ist, wird das nicht in der Betrachtungsachse 86 befindliche Auge durch das Abdeckmittel abgeschirmt.
In den Fig. 15 bis 17 ist ein mit 110 bezeichnetes anderes optisches Gerät mit einem erfindungsgemässen optischen Vergrösserungssystem dargestellt, welches Gerät ein Gehäuse 83, einen Vergrösserungskörper 84, eine Austrittsfläche 85, eine Betrachtungsachse 86 und ein Abdeckmittel 95 besitzt.
Bei diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird ein von dem der Fig. 14 verschiedenes Transportmittel für das zu betrachtende Objekt verwendet. Wie in der Fig. 15 dargestellt, ist ein zylindrisches Gehäuse 112 mittels eines an seinem unteren Teil befestigten Verbindungsteils 114 so am Boden des Gehäuses 84 befestigt, dass ein Ausschnitt des Gehäuses 112 der Eintrittsfläche des Vergrösserungskörpers 84 gegen überliegt. Das zylindrische Gehäuse 112 enthält einen Schraubkern 115, dessen Aussenseite mit einem Gewinde 116 versehen ist, dessen Steigung der Steigung einer schraubenlinienförmig angeordneten Reihe von Mikrofilmstücken entspricht, wie in der Fig. 16 dargestellt.
Die in der Fig. 16 dargestellte Mikrofilmkarte 118 trägt eine Mehrzahl von Mikrofilmstücken, die horizontale Zeilen 119 und vertikale Spalten 120 bilden. Durch Verdrehen des einen Endes der Karte gegenüber dem gegenüberliegenden Ende der Karte wird aus dieser ein Zylinder erhalten, bei dem das erste Mikrofilmstück 121 der ersten untersten Zeile 1 19a dem letzten Mikrofilmstück 122 der zweituntersten Zeile 1 19b gegenüberliegt. Dadurch können alle Mikrofilmstücke der zu einem Zylinder geformten Karte 118 der Reihe nach betrachtet werden, wenn die zylindrische Karte 118 im Gehäuse 112 mittels des Schraubkerns 115 gedreht wird.
Die Mittel zum Führen der Karte 118 während einer solchen Drehung umfassen ein Führungsstück 123, das auf der Innenwand eines Trägers 124 für die Karte 118 angeordnet ist.
Das Führungsstück 123 besitzt eine Oberseite 125 und eine Unterseite 125, welche die gleiche Steigung besitzen wie das Gewinde 116 und ist mit diesen Seiten im Gewinde 116 gleitbar angeordnet, wie in der Fig. 17 dargestellt. Der Träger 124 kann eine durchsichtige Wand besitzen, die sich mit der Mikrofilmkarte 118 bewegt, oder kann einen Zylinder umfassen mit einem Fenster, derart, dass die Mikrofilmstücke sichtbar werden, wenn die Karte 118 im Zylinder gedreht wird.
Das Gerät 110 kann am Gehäuse 112 mit der linken Hand gehalten und die zylindrische Mikrofilmkarte mit der rechten Hand um ihre Achse gedreht werden, so dass die Mikrofilmstücke auf der Karte nacheinander vor die Eintrittsfläche des Vergrösserungskörpers 84 gelangen und längs der Betrachtungsachse 86 betrachtet werden können.
Bei diesem Gerät kann das Umgebungslicht zum Beleuchten des Objekts auf der Karte 118 benutzt werden, wenn der Träger 124 durchsichtig ist. Es kann jedoch auch eine Lichtquelle innerhalb des Schraubkerns zum Beleuchten der Mikrofilmstücke an der Eintrittsfläche des Vergrösserungskörpers angeordnet werden, wenn dies erwünscht oder notwendig ist.
Das grundlegende optische System nach der vorliegenden Erfindung, das in einem Körper aus klarem, brechenden optischen Material ausgebildet ist und wie beschrieben die konkave Spiegelfläche, die halbdurchlässige Spiegelfläche und die Eintriittsfläche umfasst, erlaubt die Verwendung der grösstmöglichen Apertur und besitzt einen so grossen Betrachtungs raum längs der Betrachtungsachse, dass das betrachtende Auge auch bei längeren Betrachtungszeiten nicht ermüdet.
Die in der Fig. 2 dargestellte, als fester Körper ausgebildete Vergrösserungsvorrichtung kann in zahlreichen optischen Geräten zur Betrachtung von kleinen Objekten, von Miniaturkathodenstrahlröhren erzeugten Darstellungen, auf photographischem Film oder Papier erzeugten Mikrobildern und überall dort verwendet werden, wo die Betrachtung eines vergrösserten Bildes erwünscht wird, ohne dass eine komplizierte, teuere optische Einrichtung verwendet werden soll.
The collection, processing, handling and storage of information originating from many sources has reached an extent in administration and industry which exceeds the possibilities of the known means for storing, filing and searching for stored and filed information. Various proposals have been made to solve this problem. One of these prior art proposals relates to the recording of information in greatly reduced form on photographic film, called microfilm, whereby a full page of information can be recorded on a very small surface area of the film. With this type of information storage, however, a device is necessary which allows quick access to the desired stored information and convenient reading of this information.
Known proposed devices for reproducing an image located on a microfilm are usually designed as reading projectors or direct viewers. Reading projectors generate an enlarged real image of the information on the microfilm on a projection screen. However, such reading projectors are relatively expensive, large and heavy, take up a lot of space and require precision lenses and a precision structure. Furthermore, such projectors require light sources with high luminous intensity, which generate a correspondingly large amount of heat to be dissipated, and can nevertheless only be used in relatively dark surroundings.
Known direct viewers for direct viewing of microfilms have a magnifying lens arrangement through which the object is viewed directly by the viewer with one eye. Such direct viewers are relatively small, cheap, portable, easy to use and can also be used in bright surroundings. However, with the known direct viewers, the image magnification and the angle of field of view are relatively small in order to achieve a satisfactory, undistorted image. Furthermore, with the known direct viewers, the viewer has to bring one eye close to the lens arrangement in order to obtain the maximum field of view, which quickly tires the eye.
In addition, the viewing area, i.e. the area over which the eye can be moved away from and towards the lens arrangement without significant deterioration of the viewed image occurring is small with the known direct viewers. For these reasons, the well-known direct viewers are not popularly bought and are only useful for short reading and viewing times.
The present invention relates to a new optical system which enables the creation of a direct viewer with which, as with the known direct viewer, a virtual image can be viewed directly, but which also has a very large angle of view and a very large observation area. The optical system of the present invention is not only advantageous in reading devices, but can generally be used as a highly magnifying wide-angle lens system either on its own or as an eyepiece in other optical instruments other than microfilm reading.
The object of the present invention is to create a compact optical system which enlarges a very small image in such a way that the enlarged image can be viewed comfortably and the viewing area is so large that the eye does not become significantly tired even when viewing the enlarged image for a long time.
The optical system according to the invention for generating an enlarged virtual image of a practically two-dimensional object is characterized by a concave mirror, a semitransparent plane mirror, one edge of which is adjacent to an edge of the concave mirror and which is inclined at an angle less than 900 to the tangential plane to the center of the concave mirror, and through an entrance surface for receiving the light coming from the object with an object frame for the optical delimitation of the object, one edge of which borders the edge of the concave mirror opposite the said concave mirror edge, the central tangential plane of which is inclined at an angle greater than 900 to the said tangential plane of the concave mirror and the center normal of which intersects the optical axis of the concave mirror, where the enclosed by the two axes,
the angle facing the concave mirror is less than 900.
The optical system according to the invention can be used to enlarge microfilm images. According to one embodiment of the invention, the system has a body made of clear material with a refractive index greater than 1 and optical surfaces.
The optical system according to the invention can be used for viewing opaque and transparent objects and representations produced by miniature cathode ray tubes and for use in binocular or monocular viewing devices, microscopes or telescopes or as an eyepiece for various types of optical instruments.
The optical system according to the invention can be arranged in a viewing device which is designed such that a microfilm strip or a microfilm card can be brought intermittently into the objective plane of the viewing device and the information on the microfilm can be viewed and read comfortably and without tiring the eyes can.
Exemplary embodiments of the invention are described below with reference to the accompanying drawings.
In the drawings shows:
1 shows a plan view of an optical system according to the invention,
FIG. 1 a is a schematic perspective view of the optical system of FIG. 1,
FIG. 2 shows a plan view of an optical system corresponding to the optical system of FIG. 1 and embodied in a body made of material with a refractive index> 1,
3 shows a perspective view of the solid body shown in FIG. 2 made of material with a refractive index> 1,
Fig. 4 is a plan view of a further embodiment of the invention, similar to that of Fig. 2, but with a abge changed exit surface.
FIGS. 5 to 9 schematically show modifications of the optical systems according to FIGS. 1 and 2, FIG.
5 shows an object with a concave curved surface and a magnifying body with an entry surface which is concavely curved to correct the image field curvature caused by its concave mirror surface, FIG. 6 shows an object with a concave surface and a reinforcing body with a flat entry surface, FIG. 7 shows an object with a flat surface and a reinforcing body with a convex entry surface, Fig. 8 is a partially sectioned perspective view of a device for achieving a desired curvature of the surface of the object and Fig. 9 is a modification of the surface of the concave mirror surface to generate a flat image of a flat object shows
FIG. 10 shows a modification of the enlarging body according to FIG. 2 designed for illuminating an opaque object,
Fig.
11 shows a modification of the enlarging body according to FIG. 2 designed to illuminate a transparent object,
FIG. 12 is a schematic view of two optical systems used in a binocular microscope according to FIG. 2;
13 shows a schematic view of the optical system according to FIG. 2 with an auxiliary system for the additional expansion of the viewing area,
14 is a perspective view of a viewing device with the optical system of FIG. 2 for viewing microfilm cards;
15 is a perspective view of a viewing device with the optical system of FIG. 2 for viewing a microfilm strip or a microfilm card;
16 is a plan view of a microfilm card rolled into a cylinder for use in the apparatus of FIG. 15, and FIG
Fig.
17 shows a longitudinal section through the device according to FIG. 15, which lies in a plane passing through the line XVII-XVII in FIG.
In the above figures, optical systems according to the invention are shown, with FIGS. 1 to 3 showing the basic optical system, FIGS. 4 to 13 modifications and exemplary embodiments of the basic optical system and FIGS. 14 to 17 examples of devices containing optical systems according to the invention for viewing a strip of microfilm or a microfilm card.
The optical system shown schematically in FIG. 1 has a, for example, spherical, concave mirror surface 20 with an optical axis 21 which is at the same time the viewing axis. A semitransparent mirror surface 22 extends diagonally across the optical axis from one edge of the mirror surface 20. The adjacent edges of surfaces 20 and 22 are close to or in contact with one another. The plane of the surface 22 forms an acute angle with the central tangential plane of the concave surface 20. On the opposite side of the concave surface 20, in the vicinity thereof or in contact with this side, an edge of an object 23 to be enlarged and viewed is arranged, which can be a microfilm strip or a microfilm card.
In FIG. 1, the object 23 is arranged in a plane which forms an obtuse angle with the central tangential plane of the mirror surface 20. The semitransparent mirror surface 22 sees the object 23 in the direction of the optical axis 24. Therefore, the semitransparent mirror surface 22 reflects the rays coming from the object 23 onto the concave mirror surface 20 in such a way that it sees a virtual image 25 that is perpendicular to the optical axis 21 and is within the focal length near the focal point of the concave mirror surface 20. This virtual intermediate image 25 is enlarged by the concave mirror surface 20, the final virtual image being visible through the semitransparent mirror surface 22 in the direction of the optical axis 21.
The above-described optical system is shown in perspective in FIG. 1 a in order to better show the contact relationship of the edge 23a of the object 23 with the edge 20a of the concave mirror surface and that of the edge 22a of the semitransparent mirror surface with the edge 20b of the concave mirror surface 20. The virtual image 25 is visible in the direction of the viewing axis 21. This perspective illustration also shows the horizontal folding plane determined by the axes 21 and 24. The object 23 is arranged symmetrically with respect to the axis 24 and in this example can have the shape of a rectangle with a ratio of height to width of 1.5.
It should be noted that maximum apertures are used in the optical transmission path of the object 23, as a result of which the maximum viewing space is obtained. The right-angled delimitation of the object 23 and the point 26 from which the enlarged image is viewed define the marginal rays, which in turn determine the apertures used on the optical surfaces 22 and 20. It should be noted that the semitransparent mirror surface 22 is hit twice by marginal rays and that the aperture used on the semitransparent mirror surface 22 is determined either by the reflected or transmitted marginal rays, depending on which rays on the surface 22 circumscribe the larger area.
So that an enlarged image is fully visible from the viewing point 26, none of the optical surfaces 20 and 22 must intersect an aperture used on another surface. Since the apertures used on these optical surfaces tend to increase as the distance between the magnifying system and the viewing point 26 increases, the non-interference condition of the apertures has the effect of restricting the available viewing space or locations along the optical Axis 21 from which the enlarged image can be viewed.
The above-mentioned restriction of the viewing area on the viewing axis 21 can largely be eliminated if the optical surfaces 20 and 22 and the object 23 are arranged such that maximum apertures can be used. Maximum apertures are obtained when each optical surface just touches the apertures used on the adjacent surfaces. This is the case with the optical system according to FIGS. 1 and la, since the edge 22a of the semitransparent mirror surface 22 contacts the edge 20b of the concave mirror surface 20 and the edge 23a of the object contacts the edge 20a of the concave mirror surface 20.
As a result, the largest possible magnification aperture and the largest possible distance of the viewing point from the magnification system indicated by point 27 are obtained.
This arrangement with maximum aperture and maximum viewing area can be described in detail using marginal rays which run from object 23 through the optical system to the outermost viewing point 27.
The marginal rays emanating from the sides 23a and 23b of the object 23 define the horizontal aperture of the concave mirror surface 20, while the marginal rays emanating from the upper and lower side 23c of the object determine the vertical aperture of the surface 20, the lower and upper edges of this aperture is formed by an arc 30 each. The marginal rays emanating from the two sides 23a and 23b occupy a substantially vertical but slightly curved fan-shaped surface, the projection of which into the folding plane defined by the axes 21 and 24 is a line of varying width.
The marginal rays emanating from the side 23a are shown in FIG. 2 by the line 35 moving away from the optical axis 24 from the object 23 to the semitransparent mirror surface 22, by the line 36 also moving away from the optical axis 21 from the surface 22 to the surface 20, indicated by the line 37 approaching the optical axis 21 from the surface 20 to an exit plane 34 and a further line, likewise approaching the optical axis 21, from the exit plane 34 to the point 27.
The marginal rays emanating from the side 23b are shown in FIG. 2 by the line 31 moving away from the optical axis 24 from the object to the semitransparent mirror surface 22, the line 32 moving away from the optical axis 21 from the surface 22 to the surface 20, the line 33 approaching the optical axis 21 from the surface 20 to the exit plane 34 and another line, likewise approaching the optical axis 21, from the exit plane 34 to the point 27. From this it can be seen that if the object, the concave mirror surface 20 and the semitransparent mirror surface 22 are arranged so that their adjacent edges touch, the maximum apertures of the optical surfaces can be used.
The exit plane 34 touches the aperture of the semitransparent mirror surface 22, which in the case shown in FIG. 2 is determined by the marginal rays 33. The exit plane 34 forms the base of a pyramid with the apex 27, which pyramid defines the viewing space of the optical system, i. the points from which an eye can view the reflected image of the object 23.
The optical surfaces constituting the optical system described above can be formed in various ways.
It is preferred to have a compact, precise arrangement of these surfaces, as shown in Figures 2 and 3, comprising a solid body 40 of clear, translucent glass or plastic material, e.g. an acrylic compound, which has the optical surfaces. The optical surfaces can be produced precisely on the solid body 40 and then provided with suitable, reflective coatings. The body 40 has a concave, in particular spherical surface 20, a surface 22 which forms the intermediate surface between two parts 41 and 42, from which parts the body 40 is composed and which are connected to one another in a known manner for optical contact.
The body 40 also has a surface 43 on which the object 23 can be arranged and a surface 34 which represents the exit plane which, as described above, intersects the plane of the semipermeable surface 22. The other surfaces of the clear, transparent magnifying body 40 are not used to generate the enlarged image and can be of any shape and size as long as they do not interfere with the passage of the marginal rays. In FIG. 3, the viewing space is again the space between the exit plane 34 and the tip 27 of the pyramid, the base of which is the exit plane 34.
It can be seen that although the magnifying optical system of FIG. 2 is designed for the same object size and magnification as the optical system of FIG. 1, the magnifying system of FIG. 2 provides a significantly larger viewing space (the two figures are drawn to the same optical scale for comparison). The formation of the active optical surfaces on or in a refractive body increases the linear dimensions of the viewing area by a factor exceeding the refractive index n of the body, which refractive index can be n = 1.5, for example.
The magnifying optical system of FIG. 2 can be compared with an ideal thin lens which has a positive magnification which is n times greater than that of the concave mirror surface and a diameter which is equal to the diagonal of the aperture on the exit surface 34. To achieve a viewing space which is the same as that of the magnifying optical system of FIG. 2, a thin lens would have to have a relative aperture of 1 / 0.53, which value is close to the theoretical limit of 1 / 0.5. It should also be noted that a real lens becomes relatively thicker as the relative aperture increases, with the result that its viewing space is shorter than that of an ideal thin lens with the same relative aperture.
From the above, the advantages with regard to the observation space can be seen which result from filling the reflective, amplifying optical system with a refractive material.
The optical system according to the invention shown in FIGS. 1 to 3 is essentially free of imaging errors which impair the sharpness of the magnifying image, but distortions resulting from a curvature of the field may be present which must be corrected.
4 shows an enlarging optical system which corresponds to that of FIG. 2, but with the exception that it has a concave exit surface 34 instead of the flat exit surface 34 of FIG. 2. The concave exit surface 34, which has a selected curvature, increases the tolerance of the system for viewing points not lying on the optical axis 21 by reducing the astigmatism. To explain this effect, it is assumed that the center of the enlarged virtual image is viewed from a point 28 that is not on the optical axis 21, so that the line of sight falls obliquely onto the concave mirror surface 20.
An oblique incidence on a concave mirror surface of spherical shape produces an astigmatism with a negative sign, while an oblique incidence on the interface between a refractive medium and air produces an astigmatism with a positive sign, i.e. the astigmatism generated by the surface 20 can be compensated for by oblique incidence on the exit surface 34. Since the line of sight runs parallel to the axis 21, it strikes a flat exit surface perpendicularly so that no astigmatism occurs. However, the curvature of the exit surface 34 / causes the necessary tendency to generate astigmatism and the concavity increases the size of the astigmatism compared to a flat surface with the same inclination.
Although these advantageous effects are partially canceled out by the more negative astigmatism of the concave mirror surface 20, the curvature of which must be greater in order to compensate for the reducing effect of the concave exit surface 34, a selected curvature of the surface 34 nevertheless reduces the tolerance of the optical system with regard to viewing improved from points not lying on the optical axis.
The negative astigmatism caused by the concave mirror surface 20 can also be reduced by an aspherical curvature, in which the meridional curvature decreases somewhat with increasing distance from the axis 21. Depending on the purpose for which the optical system is intended, an aspherical surface 20 or a concave exit surface 34 / or both can be used.
The combination of the astigmatism of the entry surface 43, the mirror surface 20 and the exit surface 34 'delimits the so-called stigmatic viewing space, which includes all viewing points from which no part of the enlarged image has an astigmatism that is greater than a certain tolerable value. This stigmatic viewing space generally has the shape of a double pyramid, the tips of which lie on the optical axis 21 and the base of which lies in the vicinity of the point 39 at which the exit surface 34 ′ images the paraxial center of curvature 38 of the mirror surface 20. The stigmatic viewing space can assume a preferred position along the viewing axis 21 or a larger space in which the astigmatism can be tolerated can be obtained.
Although the above astigmatism correction has been described, it will be clear to those skilled in the art that the basic optical system illustrated in FIG. 2 is suitable in most cases for directly viewing very small objects.
5 to 9 show, in a schematic representation, various possibilities for compensating for an image curvature either by curving the virtual image seen by the mirror surface 20 or by changing the mirror surface 20 to achieve a flat image of a flat object. The eye of a viewer can briefly adapt to an image curvature, but prolonged viewing, with a continuous change in the adaptation of the eye being necessary, causes the eye to become tired. Under ideal conditions, the center of the observer's eye should lie at point 39 on the optical axis 21, which point 39 is the virtual image of the center of curvature 38 of the mirror surface 20 generated by the exit surface 34.
In this case, the visual ray emanating from the center of the eye is normally reflected on the mirror surface 20 regardless of an eye rotation. The enlarged image is practically free of aberrations and also has no lateral distortion, so that the image appears undistorted to the eye. In the longitudinal direction, the surface of the image can still be heavily distorted. Unless the virtual image of the object 23, as seen from the concave mirror surface 20 after passing through the entry surface 43 and reflection on the semitransparent mirror layer 22, has a curvature concentric with the curvature of the mirror surface 20, the distance from the center 39 varies of the eye to the enlarged image over the field of view.
Some possibilities for compensating for the image curvature are shown in Figs. 5 to 7, in which the optical system comprising the reflecting mirror surface 20 and the entrance surface 43 are shown unfolded, i. the semi-transparent surface 22 is omitted. The concave mirror surface 2C and the virtual image 25 are assumed to be spherical and have the same center of curvature 38. The surface of the enlarged image is accordingly also spherical and also has the center of curvature 38, which enables the eye to adapt to the entire field of view for viewing the enlarged image remains fixed. In Fig. 5 all surfaces are concentric with one another, i.e. the mirror surface 20, the entry surface 43, the object surface 23 and the virtual image 25.
In FIG. 6 the entry surface 43 is flat and the object surface 23 has a smaller curvature than in FIG. 5. Since the refraction at the entry surface increases the gap between this surface and the object by the refractive index, the object curvature is also around the by the same factor. In FIG. 7, the object surface 23 is flat and the entry surface 43 is convex.
It should be noted that in the examples shown in FIGS. 5, 6 and 7, the curvature of certain surfaces makes a curvature of the object less necessary, but can have undesirable effects on the image quality. Since an oblique incidence of air on a refractive medium causes negative astigmatism, the size of which increases with increasing inclination and in relation to the width of the gap between the object 23 and the entrance surface 43, a deterioration in the image quality occurs especially in the edge areas of the image. Therefore, in special cases, it is desirable to bend the portion of a film that forms the object surface 23. FIG. 8 shows how the region of a film forming the object surface 23 can be bent.
The area of the film representing the object 23 is temporarily deformed by pressing the film against the convex surface of a transparent lens 46 which fits into a hollow ring 47. In the event that the entry surface 43 is spherically concave as in FIG. 5, the film is pressed directly against the hollow entry surface. Compressed air or some other means generating a pressure difference can be used to deform the film.
Another type of compensation for the image curvature is shown in FIG. 9, the optical system again being shown unfolded and the object surface 23 lying opposite the mirror surface 20 '. The mirror surface 20 'is physically practically flat, but optically concave, which is achieved by concentric, annular and stepped zones 48 with a common center of curvature. Viewed from the center of curvature 38 of the zones 48, the image of the object 23 appears to be corrugated in a circular manner, but otherwise flat and free of distortions. The image of a specific object point 49 is generated at the intersection of the radius of curvature passing through the object point with the image plane. It should be noted that compensation for the curvature is only necessary in certain applications.
Various modifications and applications of the basic optical system are illustrated in FIGS. 10-13. In Fig. 10, the basic optical system is formed in a body of clear, refractive material, as described above with reference to Figs. 2 and 3, with similar surfaces having the same reference numerals. In FIG. 10, the body 40 has optically unused surfaces which can be ground matt and coated or painted with a light-absorbing material such as black rubber or black paint. These black surfaces are labeled 52. The entry surface 43 is uncovered below an object 23.
In the example of FIG. 10, the object 23 is opaque and its surface is illuminated by a light source 54 from which light passes through the surface 55 between the touching edges of the concave mirror surface 20 and the semi-transparent surface 22. The shape of this surface can be seen from FIG.
11 shows a possibility of exposing a transparent object 23, the surface of which at the entrance surface 43 is convexly curved by the surface of a prism 57, which prism has a light-scattering means 58 through which the transparent object 23 is illuminated. It should be noted that by inserting the prism 57 between the light diffuser 58 and the object 23, a system is created in which total reflection of the illuminating light occurs at the exit surface 34, as indicated by the beam 59, so that the illuminating light leaves the body 40 is prevented. Without the prism 57, the object 23 would be visible from the space S between the marginal ray 59m and the exit surface 34.
FIG. 12 shows the use of two optical systems according to FIG. 2 in a binocular eyepiece of a microscope. An illuminated object 60 is enlarged by an objective lens 61 and the image-generating beam 62 is divided by a semi-transparent mirror 63, which reflects light from the beam 62 to a mirror 64, which in turn reflects light to the entrance surface 43 of a magnifying body 40. The light passing through the semitransparent mirror 63 is reflected by a mirror 65 to a further mirror 66 and from this to the entry surface 43 of a second magnifying body 40. The optical paths from the object 60 to the entry surfaces 43 of the magnifying bodies 40 are selected in such a way that the two real images are focused near the entry surfaces 43 and take the place of the object 23 there.
In order to maintain the viewing area of the enlargement bodies 40, transparent diffusing screens 68 are arranged in front of the entry surfaces 43, which can be curved to compensate for a curvature of the enlarged virtual images, as was described with reference to FIGS. 5 and 6.
In the case of a monocular microscope, the objective lens 61 can be combined with a single magnifying body 40. The magnifying body 40 containing the basic optical system can also be used as an eyepiece in other optical instruments which produce a real image of sufficient brightness.
Fig. 13 shows an optical system consisting of the optical system shown in Fig. 2, i. consists of a block of refractive material and an enlarged version of the basic optical system shown in FIG. 1 in order to achieve an enlarged viewing area.
The optical system designated by 70 comprises a semitransparent mirror surface 71 and a concave mirror surface 72. The system 70 generates a real image of the ideal viewing point 39 of the optical system designated 77 in the vicinity of the eye of a viewer. If the optical system 70 is used with the magnification 1, so that, as shown in FIG. 13, the ideal viewing point 39 is imaged in the center of curvature 78 of the concave mirror surface 72, it can be seen that the image angle of the magnification system is maintained. However, by using the system 70, the angle of view can be increased or decreased with magnification less or greater than 1.
The magnifying optical system 77 differs from the optical system of FIG. 2 in that the virtual image 25 lies outside the focal length of the concave mirror surface 20. so that the concave mirror surface can generate an enlarged real image instead of a virtual image of the object 23. If this real intermediate image, as shown in FIG. 13, is focused on the concave mirror surface 72, the optical accuracy of the mirror surface 72 is not critical and there is no parallax between the enlarged image and the edge of the mirror surface 72. It should be noted that the real intermediate image can also be focused somewhat in front of the mirror surface 72 in order to generate the final virtual image somewhere between the mirror surface 72 and infinity.
In the arrangement according to FIG. 13, the size of the observation distance between the optical system 70 and the observation area depends on the size of the concave mirror surface and can be made as large as desired.
By removing the magnifying system 77 from the observer's eye, the length of the geometric viewing space is doubled, which can now assume the shape of a double pyramid 79. For binocular viewing, two magnifying systems 77 can be used in the arrangement according to FIG.
In FIGS. 14 to 17, portable, compact, light and inexpensive to manufacture optical devices are shown which are designed to be held by hand or to be mounted on a table and which contain optical systems according to the invention. The viewing device 82 shown in FIG. 14 has a housing 83 in which a magnifying body 84 of the type described with reference to FIG. 2 is accommodated. The enlarging body 84 has an exit surface 85 from which the viewing axis 86 starts. An object 87 to be viewed is placed in a rectangular opening 88 formed in a vertically arranged U-shaped bracket 89 with an outer arm 90 and an inner arm 91 having closely spaced, parallel surfaces. The inner arm 91 is attached to the housing 83.
The rectangular opening 88 is located in front of the entry surface (corresponding to the surface 43 of the body 40 in FIG. 2) of the enlarging body 84. The object 87 can be illuminated by ambient light or a light source for generating an enlarged image through the enlarging body 84. As already described with reference to FIGS. 1 and 2, the viewer's eye is located on the viewing axis 86.
The U-shaped bracket 89 is used to hold a strip of microfilm, a microfilm card, or other small object. The object 87 can be arranged on a carrier, for example in the form of the card 92, which can be inserted in the vertical slot 93 of the U-shaped bracket 89. The slot 93 also has a top opening 94 so that the card 92 can be moved up, down, forward, or backward in the slot to bring the desired object into the opening 88.
To facilitate viewing with one eye, a foldable cover means 95 can be provided on one side of the housing 83. The cover means 95 can be provided with folding grooves 96, 97, 98 and 99, which delimit the cover surfaces 100, 101, 102 and 103 which correspond to certain side walls of the housing 83, so that the cover means 95 over the side walls of the housing and the exit surface 85 and the entry surface of the magnifying device can be folded to protect the device during storage and when not in use. When the cover means 95 is unfolded, the eye which is not located in the viewing axis 86 is shielded by the cover means.
15 to 17 show another optical device designated 110 with an optical magnification system according to the invention, which device has a housing 83, a magnification body 84, an exit surface 85, a viewing axis 86 and a cover means 95.
In this embodiment of the invention, a means of transport different from that of FIG. 14 is used for the object to be viewed. As shown in FIG. 15, a cylindrical housing 112 is fastened to the bottom of the housing 84 by means of a connecting part 114 fastened to its lower part in such a way that a section of the housing 112 lies opposite the entry surface of the enlarging body 84. The cylindrical housing 112 contains a screw core 115, the outside of which is provided with a thread 116, the pitch of which corresponds to the pitch of a helically arranged row of microfilm pieces, as shown in FIG.
The microfilm card 118 shown in FIG. 16 carries a plurality of microfilm pieces which form horizontal rows 119 and vertical columns 120. By rotating one end of the card with respect to the opposite end of the card, a cylinder is obtained therefrom, in which the first microfilm piece 121 of the first bottom line 119a is opposite the last microfilm piece 122 of the second bottom line 119b. As a result, all of the microfilm pieces of the cylinder-shaped card 118 can be viewed in sequence when the cylindrical card 118 is rotated in the housing 112 by means of the screw core 115.
The means for guiding the card 118 during such a rotation comprise a guide piece 123 which is arranged on the inner wall of a carrier 124 for the card 118.
The guide piece 123 has an upper side 125 and a lower side 125, which have the same pitch as the thread 116 and is arranged with these sides in the thread 116 so as to be slidable, as shown in FIG. The carrier 124 may have a clear wall that moves with the microfilm card 118 or may comprise a cylinder with a window such that the pieces of microfilm become visible when the card 118 is rotated in the cylinder.
The device 110 can be held on the housing 112 with the left hand and the cylindrical microfilm card can be rotated around its axis with the right hand, so that the microfilm pieces on the card successively reach the entry surface of the enlarging body 84 and can be viewed along the viewing axis 86.
In this device, the ambient light can be used to illuminate the object on the card 118 when the carrier 124 is transparent. However, a light source can also be arranged within the screw core for illuminating the microfilm pieces at the entrance surface of the enlarging body, if this is desired or necessary.
The basic optical system according to the present invention, which is formed in a body of clear, refractive optical material and, as described, comprises the concave mirror surface, the semi-transparent mirror surface and the entrance surface, allows the use of the largest possible aperture and has such a large viewing space lengthways the viewing axis so that the viewing eye does not tire even when viewing for longer
The enlarging device shown in FIG. 2, designed as a solid body, can be used in numerous optical devices for viewing small objects, representations produced by miniature cathode ray tubes, micro-images produced on photographic film or paper and wherever viewing an enlarged image is desired without using a complicated, expensive optical device.