CH619791A5

CH619791A5 - Optical device

Info

Publication number: CH619791A5
Application number: CH16978A
Authority: CH
Inventors: Robin John Freeman
Original assignee: Vision Eng
Priority date: 1977-01-20
Filing date: 1978-01-09
Publication date: 1980-10-15
Also published as: GB1586701A; SE425579B; SE7714278L; CA1098352A; JPS5393024A; FR2378293A1; DE2801262A1; FR2378293B3; DE2801262C2

Description

Die Erfindung betrifft ein optisches System zum Betrachten eines Objektes, bestehend aus optischen Mitteln, welche so angeordnet sind, dass sie in einer Brennebene ein vergrössertes Bild des Objektes liefern, einer im wesentlichen ebenen Vorrichtung zum Erzielen einer vergrösserten Ausgangspupille, so welche in oder nahe bei der Brennebene drehbar angeordnet ist, und einem Feldlinsen-System, welches zwischen der ebenen Vorrichtung und der Ausgangspupille angeordnet ist und Licht aus der Vorrichtung erhält.

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Es ist bekannt, dass die Ausgangspupille eines normalen Mikroskops einen begrenzten Durchmesser hat, so dass sich das Auge des Betrachters in einer genau definierten Lage befinden muss. Wenn der Kopf quer bewegt wird, geht das Bild verloren.

In bekannten Geräten ist das Problem dadurch überwunden 60 worden, dass die übliche Ausgangspupille über bewegliche Elemente zum Erzielen einer vergrösserten Ausgangspupille, die sich an der Bildbrennebene des Instruments befinden, betrachtet wird. In allen bekannten Anordnungen tritt, wenn die beweglichen Elemente stationär sind, keine Pupillenvergrösse- (,5 rung auf und unter dieser Bedingung wird, wenn das Auge des Betrachters mit dieser ortsfesten Pupille koinzident ist, ein volles Feld beobachtet.

In der eigenen Schweizer Patentschrift 507 525 ist ein optisches System beschrieben, das an der Bildbrennebene des optischen Geräts ein bewegliches mehrlinsiges Element enthält, d.h. ein im wesentlichen ebenes Element, das aus einer Vielzahl sehr dünner, kreisförmiger Linsen besteht. Dies unterscheidet sich von den anderen bekannten Vorrichtungen insofern, als mit dem viellinsigen Element in einem statischen Zustand eine vergrösserte Ausgangspupille aufrechterhalten wird, aber ein unvollständiges Feld vom Betrachter beobachtet wird. Drehung dieses Elementes ergibt das Betrachten eines vollständigen Feldes und die Beibehaltung der vergrösserten Pupille. Es ist immer eine Vielzahl von kleinen Linsen im Sichtfeld vorhanden.

Wenn"die kleinen Linsen kreisförmig sind, kann eine gewisse Verschlechterung an der Bildmitte auftreten, die durch ebene Flächenbereiche auf dem Element zwischen den kleinen Linsen verursacht wird. Dies kann in einem stereoskopischen Gerät besonders nachteilig sein.

Die vorstehend genannten Nachteile werden erfindungsge-mäss dadurch vermieden, dass die Vorrichtung zwei etwa parallele Oberflächen aufweist, von denen jede mit nebeneinander liegenden Reihen von Rillen versehen ist, welche im Querschnitt etwa bogenförmig sind, und dass die Rillen der einen Oberfläche rechtwinklig zu den Rillen in der gegenüberliegenden Oberfläche angeordnet sind.

Das Feldlinsensystem ist im allgemeinen so angeordnet, dass es beim Fehlen der mit Rillen versehenen Vorrichtung eine solche Ausgangspupille erzeugen würde, dass ein volles Feld gesehen würde, wenn das Auge des Betrachters mit dieser Ausgangspupille koinzident wäre.

Die Wirkung der mit Rillen versehenen Vorrichtung besteht in der Schaffung einer vergrösserten Pupille und zwar sowohl im Ruhezustand als auch während Drehung der Vorrichtung.

Vorzugsweise besteht die mit Rillen versehene Vorrichtung aus zwei flachen Scheiben, von denen jede auf einer Oberfläche mit Rillen versehen ist, wobei die mit Rillen versehenen Oberflächen in Berühung sind und sich in der Brennebene befinden. Jedoch können diese Scheiben in anderer Weise auch geringfügig gekrümmt sein, so dass sie die Feldkrümmung kompensieren, die durch andere Teile des optischen Systems bedingt ist.

Die Rillen können auch so angeordnet sein, dass jede mit Rillen versehene Oberfläche aus einer Vielzahl halbzylindrischer Vorsprünge oder Vertiefungen besteht. In anderer Weise können abwechselnd Vorsprünge und Vertiefungen vorhanden sein, indem die Vorsprünge und Vertiefungen im Querschnitt eine etwa sinusförmige Kurve bilden. In keiner Anordnung sind effektiv ebene Flächenbereiche auf der mit Rillen versehenen Oberfläche vorhanden. Das System kann so ausgebildet sein, dass beide Scheiben transparent sind, oder es kann eine Scheibe transparent sein, während die andere eine reflektierende Oberfläche haben kann.

Die Scheiben werden so angeordnet, dass die Rillen in einer Oberfläche senkrecht zu den Rillen in der anderen Oberfläche verlaufen.

Zu diesem Zweck können die Rillen auf beiden Scheiben parallel verlaufen und durch entsprechende Lage der Scheiben quer zueinander gestellt werden. In bestimmten Fällen ist es aber auch möglich, die Rillen in einer Scheibe konzentrisch und in der anderen Scheibe radial anzuordnen. Im letzten Fall spielt die relative Lage der Scheiben zueinander keine Rolle, da die Rillen in jedem Fall quer zueinander verlaufen.

In der Zeichnung wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 Eine herkömmliche Okularlinse,

Fig. 2 als Schnitt Teile von zwei drehbaren, mit Rillen versehenen Scheiben,

Fig. 3 in schematischer Weise die optische Wirkung eines Teils von einer der Scheiben der Fig. 2,

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Fig. 4 u. 5 in schematischerWeise reflektierende und übertragende Mikroskope nach der Erfindung,

Fig. 6 eine Anordnung zum Teilen eines optischen Strahls,

Fig. 7 u. 8 in schematischer Weise reflektierende und übertragende stereoskopische Mikroskope nach der Erfindung, und

Fig. 9 ein Scheibenpaar mit abgewandelter Rillenanordnung.

In Fig. 1 erhält ein Okularlinsensystem 10 Licht von der begrenzenden Öffnung 12 eines Objektivs 13 und bildet an einem Brennpunkt 14 eine übliche Ausgangspupille, die in einem System mit hoher Vergrösserung, wie einem Mikroskop, etwa 2 mm Durchmesser oder kleineren Durchmesser hat. Das Auge eines Betrachters, der das Okular direkt verwendet, muss eine solche Lage haben, dass die Pupille des Auges mit der Ausgangspupille bei 14 zusammenfällt.

Fig. 2 zeigt Teile der zwei kreisförmigen, flachen Scheiben 16,18, die um eine gemeinsame Achse 20 drehbar sind. Die Oberfläche der Scheibe 16 ist mit Rillen versehen, so dass sie abwechselnd Vorsprünge 22 und Vertiefungen 24 von im wesentlichen teilzylindrischer Form hat und ein Schnitt durch die Oberfläche eine kontinuierliche, angenähert sinusförmige Kurve, wie dargestellt, ist, die typischerweise eine Teilung oder Ganghöhe von weniger als 1 mm hat. Die Scheibe 18 hat identische Rillen, die parallel zu der Ebene der Figur, d.h. senkrecht zu den Rillen in der Scheibe 16, angeordnet sind. Die mit Rillen versehenen Oberflächen sind miteinander in Berührung.

Fig. 3 veranschaulicht einen teilzylindrischen Vorsprung 22 in der Scheibe 16. Die Bezugsziffer 14 bezeichnet die Position der herkömmlichen Ausgangspupille, die von dem Okularlinsensystem 10 in Fig. 1 gebildet wird. Das Okularlinsensystem bildet ein reelles Bild an der Ebene der Scheibe 16. Der Vorsprung 22 wirkt als eine zylindrische Linse und liefert in der mit dem Bezugszeichen 34 bezeichneten Position ein Bild der üblichen Ausgangspupille bei 14. Licht von dem Bild bei 34 ist an einer vergrösserten Pupille 26 sichtbar, die in der Zeichnungsebene längs einer Linie ausgebreitet ist, wie durch die Doppelpfeile angezeigt ist und eine Breite hat, die mit dem Durchmesser der herkömmlichen Ausgangspupille bei 14 vergleichbar ist. Das Auge 28 eines Betrachters kann in jeder Position längs der Linienpupille 26 ein schmales Strahlenbündel wie das Strahlenbündel 30, mit einer Länge in der Zeichnungsebene aufnehmen, die durch die Öffnung des Auges bestimmt ist. Der Bereich der zylindrischen Oberfläche, auf dem dieses Bild fokussiert ist, ist mit 32 bezeichnet. Wenn sich das Auge längs der Linienpupille 26 bewegt, werden unterschiedliche Strahlenbündel von verschiedenen Teilen der zylindrischen Oberfläche und daher von verschiedenen Teilen des Bildes auf dieser Oberfläche erhalten. Es wird aber in keiner Augenposition möglich sein, die gesamte Fläche des von der zylindrischen Linse 22 erhaltenen Bildes zu betrachten. Ein ähnliches Ergebnis wird erhalten, wenn das Auge ortsfest ist und die Linse 22 parallel zu der Linienpupille 26 bewegt wird.

Wenn eine Feldlinse mit der oben definierten Eigenschaft zwischen die Position 34 und das Auge 28 des Betrachters eingesetzt wird und die Linse 22 eine Linse aus einer Vielzahl zylindrischer Linsen auf der Oberfläche der Scheibe 16 ist, dann würde eine Betrachtung in irgendeiner Position längs der Linienpupille 26 das Ergebnis haben, einen kleinen Teil des auf der Oberfläche jeder zylindrischen Linse fokussierten Bildes zu sehen. Jedoch ist die Pupille 26 nur noch in der Zeichnungsebene vergrössert, so dass auch mit einer Vielzahl zylindrischer Linsen eine Linienpupille noch wesentlich ist.

Wenn jedoch zwei orthogonale Sätze zylindrischer Linsen verwendet werden, wie in Fig. 2 gezeigt ist, wird die Pupille in zwei orthogonalen Richtungen vergrössert und die insgesamt vergrösserte Pupille hat eine rechteckige Form. Dies liefert jedoch, wie zuvor erklärt wurde, noch ein unvollständiges Feld, weil der Bereich an jeder zylindrischen Linse, von dem ein Bild durch das Auge erhalten wird, noch kleiner als der gesamte Linsenflächenbereich ist.

Wenn die Scheiben 16,18 in Fig. 2 um die Achse 20 in derselben Richtung und mit der gleichen Geschwindigkeit gedreht werden, bewegen sich die dem Auge durch elementare Flächenbereiche der Scheiben hindurch sichtbaren Flächenbereiche des Bildes kontinuierlich, so dass bei einer vollen Umdrehung der Scheibe im wesentlichen der volle Feldflächenbereich für einen gewissen Verhältnisanteil der Abtastung sichtbar ist. Wenn die Scheiben schnell genug gedreht werden, ergibt andauernde Betrachtung ein effektiv volles Sichtfeld an der vergrösserten Pupille, das nun infolge der Drehung kreisförmig ist.

In'Fig. 2 sind beide Scheiben 16,18 transparent und ein zwei solche Scheiben enthaltendes optisches System wird als ein Übertragungssystem bezeichnet. Es ist auch möglich, eine Scheibe transparent zu verwenden, während die andere eine reflektierende Schicht auf der mit Rillen versehenen Oberfläche oder der ebenen Fläche hat.

Die optischen Systeme, die solche Scheibenpaare aufweisen, gehören dann zu dem Reflektionstyp, der in Fig. 4 gezeigt ist.

In Fig. 4 verläuft Licht von einem vergrössernden optischen System 36 längs einer optischen Achse 38 durch eine transparente, mit Rillen versehenen Scheibe 42 und wird von einer zweiten mit Rillen versehenen Scheibe 44 reflektiert, die auf der Vorderseite eine versilberte, mit Rillen versehene Oberfläche hat. Das Licht verläuft wiederum durch die Scheibe 42 und ein Feldlinsensystem 48 zu einem Betrachter 50. Die Scheiben können um eine Achse 46 gedreht werden. Das optische System ist so angeordnet, dass ein reelles Bild auf der Berührungsebene der Scheiben fokussiert wird.

Der Betrachter 50 sieht ein vergrössertes Bild, das durch andauernde Betrachtung eine vollständige Feldsicht liefert. Das Bild kann aus einer Vielzahl Kopfstellungen mit Bezug auf das Gerät betrachtet werden, weil die Ausgangspupille vergrössert ist. Beispielsweise kann es in der Grössenordnung von 15,24 cm Durchmesser sein.

Fig. 5 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines Mikroskops nach der Erfindung. Licht aus einem Objekt 52 verläuft durch ein Objektivlinsensystem 54 zu einer Projektionsokular-linse 56, wird von einem festen, ebenen Spiegel 58 zu einem festen, ebenen Spiel 60 reflektiert und verläuft durch ein Paar drehbare, mit Rillen versehene Scheiben 62,64 und ein Feldlinsensystem 66 zu einem Betrachter 68. Das System ist so eingerichtet, dass ein reelles Bild des Gegenstands an der Berührungsebene des Scheibenpaares 62,64 fokussiert wird.

Die Scheiben 62,64 sind an einer drehbaren, zylindrischen Trommel 70 montiert, die von einer drehbaren, hohlen Welle 74 getragen wird, die von einem Motor (nicht gezeigt) angetrieben wird. Die Trommel hat eine Mehrzahl Schlitze 72 in ihrer Oberfläche, um den Durchgang von Licht zwischen den Spiegeln 58 und 60 zu erlauben. Der Spiegel 60 wird von einer festen Tragspindel 78 getragen, die durch die drehbare, hohle Welle 74 verläuft.

Die Ausführungsform nach Fig. 5 erzeugt eine einzelne vergrösserte Ausgangspupille, die beide Augen erfassen kann. Es ist auch möglich, zwei vergrösserte Ausgangspupillen mit einem durchschnittlichen interpupillaren Abstand dadurch herzustellen, dass die Linsen 54 und 56, d.h. das Gerät unterhalb der Linie A-A in Fig. 5, durch eine Strahlteilungsanordnung ersetzt wird, wie in Fig. 6 gezeigt ist. Licht von dem Gegenstand 52 verläuft dann durch ein Objektivlinsensystem 80 zu einem üblichen"Strahteilungskomplex 82, der zwei Teilstrahlen 84,86 liefert, die von entsprechenden ebenen Spiegeln, 88,90 zu zwei Okularprojektionssystemen 92,94 reflektiert werden. Ein Strahl von jedem System 92,94 verläuft dann in den übrigen

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Teil des Geräts, wie in Fig. 5 gezeigt ist und durch die Scheiben 62,64 zu einem Betrachter. Die Schaffung von zwei vergrösserten Ausgangspupillen kann höhere Bildbrillianz ohne wesentlichen Verlust an Kofpbewegungsfreiheit ergeben.

Es ist auch möglich, ein stereoskopisches Bild mit einer vergrösserten Pupille herzustellen. In Fig. 7 verläuft Licht von einem Gegenstand 96 durch ein herkömmliches stereoskopisches Objektivlinsensystem 98 zu einem Spiegelkomplex 100, der genaue Rechts- und Linksseitigkeit in dem endgültigen Bild liefert. Licht verläuft dann durch ein Paar Projektionslinsensysteme 102, welche Bilder des Gegenstands 96 auf der Berührungsebene eines Paares transparenter, mit Rillen versehener Scheiben 104,106 fokussiert, und zwei vergrösserte Ausgangspupillen 108,110 mit durchschnittlichem interpupillarem Abstand nach dem Durchgang durch ein einzelnes Feldlinsensystem .112 herstellt.

Eine Modifizierung des in Fig. 4 gezeigten reflektierenden Systems ist in Fig. 8 dargestellt. Die Modifizierung ermöglicht die Erzeugung einer vergrösserten Ausgangspupille ausreichender Grösse, um ein binokulares Bild zu erzeugen. Identische Teile sind mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet. Licht von einem Gegenstand 114 verläuft durch ein Objektivlinsensystem 116 und ein Projektionslinsensystem 118 zu einem ebenen Spiegel 120, der Licht durch ein primäres Feldlinsensystem 122 zu den zwei mit Rillen versehenen Scheiben 42,44 reflektiert.

Licht wird von der Scheibe 44 zurück durch die Linse 122 und durch ein sekundäres Feldlinsensystem 48 zu dem Betrachter 50 reflektiert.

Es ist erforderlich, das zusätzliche System 122 zu verwenden, um die Vergrösserung des Feldlinsensystems zu erhöhen, so dass es seine normalen Anforderungen erfüllen kann, d.h. ein volles Sichtfeld beim Fehlen der mit Rillen versehenen Scheiben liefert. Licht trifft vorzugsweise so nahe wie möglich orthogonal zu den Scheibenoberflächen auf, um Verzerrung zu vermindern, und die geometrischen Beschränkungen dieser Ausführungsform sind derart, dass die Feldlinse 48 nicht ausreichend nahe an den Scheiben angeordnet werden kann, um genügend kurze s Brennweite zur Erfüllung der Bedingungen des Feldlinsensystems zu haben. Daher wird das zusätzliche Linsensystem 122 verwendet. Seine Vergrösserung ist effektiv verdoppelt, weil das Licht zweimal durch dieses System verläuft.

Das Gerät in Fig. 8 unterhalb der Linie B-B kann durch die io in Fig. 6 gezeigte Anordnung ersetzt werden, falls zwei vergrösserte Ausgangspupillen erforderlich sind. In einer anderen abgeänderten Ausführungsform können dadurch, dass das Gerät unterhalb der Linie durch die Bauteile 98,100 und 102 der Fig. 7 ersetzt wird, zwei stereoskopische vergrösserte Pupil-15 len vorgesehen werden.

Das abgewandelte Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 9 zeigt ein Scheibenpaar 116 und 118, wobei auf der Scheibe 116 eine Schar konzentrischer Rillen 124 und auf der Scheibe 118 eine Schar radialer Rillen 125 angeordnet sind. Die beiden Scheiben 2(i 116und 118 werden mit den Rillen gegeneinander zusammengelegt und bilden so eine optische Vorrichtung gemäss der Erfindung. Ersichtlicherweise kreuzen dabei die radialen Rillen 125 die konzentrischen Rillen 124 in einem Winkel von 90°.

Es ist ersichtlich, dass die Anwendung der Erfindung nicht 25 auf Mikroskope beschränkt ist. Es können auch in anderen Formen von optischen Instrumenten vergrösserte Pupillen vorgesehen werden. Mögliche Abänderungen an Geräten nach der Erfindung verwenden anstatt flacher Scheiben geringfügig gekrümmte Scheiben, die so angeordnet werden könnten, dass .To Feldkrümmungseffekten entgegengewirkt wird. Ausserdem ist es nicht wesentlich, dass die Brennebene genau mit der Berührungsebene der zwei mit Rillen versehenen Scheiben zusammenfällt, obgleich dies immer der bevorzugte Zustand ist.

5 Blatt Zeichnungen

Claims

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PATENTANSPRÜCHE

1. Optisches System zum Betrachten eines Objektes, bestehend aus optischen Mitteln, welche so angeordnet sind, dass sie in einer Brennebene ein vergrössertes Bild des Objekts liefern, einer im wesentlichen ebenen Vorrichtung zum Erzielen einer vergrösserten Ausgangspupille, welche in oder nahe bei der Brennebene drehbar angeordnet ist, und einem Feldlinsen-System, welches zwischen der ebenen Vorrichtung und der Ausgangspupille angeordnet ist und Licht aus der Vorrichtung erhält, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zwei etwa 1(1 parallele Oberflächen (42,44) aufweist, von denen jede mit nebeneinander liegenden Reihen von Rillen (24) versehen ist, welche im Querschnitt etwa bogenförmig sind, und dass die Rillen der einen Oberfläche rechtwinklig zu den Rillen in der gegenüberliegenden Oberfläche angeordnet sind.
2. Optisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf jeder der beiden parallelen Oberflächen die Rillen parallel zueinander verlaufen.
3. Optisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zwei flache Scheiben aufweist, von denen jede auf einer Oberfläche gerillt ist.
4. Optisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Rillen derart ausgebildet sind, dass jede gerillte Oberfläche eine Mehrzahl von abwechselnden teilzylindrischen Vertiefungen und Vorsprüngen aufweist.
5. Optisches System nach einem der Ansprüche 1-3,

dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächen im Querschnitt eine sinusartige Kurve bilden.
6. Optisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zwei einander berührende transparente Scheiben aufweist.
7. Optisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zwei einander berührende Scheiben aufweist, von denen die eine transparent ist und die andere eine refektierende Oberfläche aufweist.
8. Optisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung für stereoskopische Betrachtungen vorgesehen ist.
9. Optisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Rillen auf der einen Scheibe konzentrisch und auf der anderen Scheibe radial verlaufen.

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