CN104516097A - 光学成像系统 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及一种用于产生物平面的像的光学成像系统(1),其具有透镜系统,所述透镜系统包括主物镜(20)和处于主物镜(20)之前的缩小光学单元。所述缩小光学单元具有折射力为正的第一透镜(22)和折射力为负的第二透镜(21)。所述第一透镜(22)由具有第一阿贝数的第一种材料制造,并且所述第二透镜(21)由具有第二阿贝数的第二种材料制造,其中,第一阿贝数大于第二阿贝数。所述透镜系统设计为对于λ为480nm≤λ≤660nm的波长范围和主波长e=546nm的情况满足特定关系。根据本公开,在整个波长范围内保持了高成像对比度和高成像质量。

Description

光学成像系统
技术领域
本发明涉及一种用于产生物平面的像的光学成像系统,尤其是显微镜,其包括透镜系统,所述透镜系统包括主物镜和处于主物镜与物平面之间的缩小光学单元并且所述透镜系统沿光轴定向。所述缩小光学单元包括折射力为正的第一透镜和折射力为负的第二透镜。通过所述透镜系统限定出物侧的第一主平面和像侧的第二主平面。所述光学成像系统限定出观察光路,所述观察光路被引导通过所述透镜系统,使得所述观察光路在第一主平面和第二主平面中分别与所述透镜系统的光轴间隔一距离。
背景技术
在通过光学成像系统尤其是立体手术显微镜观察物体时,可以在光学成像系统的主物镜与待观察物体(例如眼睛)之间将广角光学单元置入光路中。这能够观察眼底。除了该广角光学单元,还可以将缩小光学单元旋转到广角光学单元与光学成像系统的主物镜之间的光路中,以便使广角光学单元能够与光学成像系统(例如手术显微镜)适配。
由EP 1 227 355 B1已知一种用于眼科手术的广角观察的显微镜,所述显微镜能够通过可选择地连接的光学单元产生眼底的像。所述显微镜包括透镜系统,所述透镜系统包括主物镜和布置在主物镜之前的透镜。
这种显微镜的缺点在于,广角观察时的成像质量不是最佳的。由于主物镜与待观察物体的距离较小,可连接在光路中的广角光学单元的焦距非常小。通过另一个可置入光路中的缩小光学单元,能够使广角光学单元与显微镜适配,但缺点是成像质量降低。
除了光学方面的缺点,按照EP 1 227 355 B1的光学成像系统还具有相对较大的结构长度。为了使使用者(例如外科医生)在其通过光学成像系统对物体(例如患者眼睛)的工作中不会不必要地受到妨碍,缩小光学单元应只具有较小的结构长度并且为此尽可能靠近主物镜布置。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于,提供一种光学成像系统,其中当使用处于主物镜之前的缩小光学单元时实现非常好的成像质量。本发明所要解决的技术问题还在于,提供一种具有较小结构长度的成像系统。
该技术问题按本发明如下解决,缩小光学单元的第一透镜由具有第一阿贝数的第一材料制造,并且缩小光学单元的第二透镜由具有第二阿贝数的第二材料制造,其中,所述第一阿贝数大于所述第二阿贝数。在此,所述透镜系统设计为,使得对于λ为480nm≤λ≤660nm的波长范围和主波长e=546nm的情况满足以下关系:
| arctan ( B f e &prime; + ( f e &CenterDot; f e &prime; / ( f &lambda; - f e ) ) ) | < 0.5 &prime; ,
其中:
B=第一主平面H内观察光路与光轴的距离;
fe=主波长e关于第一主平面H的物侧焦距;
fλ=波长λ关于第一主平面H的物侧焦距;
fe′=主波长e关于第二主平面H′的像侧焦距。
项“0.5′”的单位是弧分。
如果透镜系统实现为使得对于λ为480nm≤λ≤660nm的波长范围和主波长e=546nm的情况满足以下关系:
| arctan ( B f e &prime; + ( f e &CenterDot; f e &prime; / ( f &lambda; - f e ) ) ) | < 0.5 &prime; ,
则观察光路的成像质量好到能够校正降低对比度和扰人的像差,从而在整个波长范围λ内获得了未变化的高成像对比度和未变化的高成像质量。
在本发明的一个实施例中,所述第一材料和第二材料选择为使得所述第一阿贝数与第二阿贝数的差在16至22之间。
在设计透镜系统时,已证明特别有利的是,选择折射力为正的透镜的第一种材料和折射力为负的透镜的第二种材料,使得两种材料的阿贝数的差在16至22之间。由此可以很好地满足所述条件,并且有利地在色角差(chromatic angle deviation)较小的同时在整个波长范围内形成非常好的对比度。特别有利的是,折射力为正的透镜由具有较大阿贝数的材料构成,而折射力为负的透镜由具有较小阿贝数的材料构成,其中,阿贝数的差在16至22之间。
在本发明的另一实施例中,所述第一材料和第二材料选择为,使得所述第一材料的第一折射率大于1.6,并且所述第二材料的第二折射率大于1.6。
通过为缩小光学单元的第一和第二透镜使用折射率较高(即大于1.6)的材料,可以很好地满足上述条件。由此有利地形成具有非常好对比度和较小色角差的良好校正的像。
在本发明的另一实施例中,所述第一透镜固定地布置,而所述第二透镜沿所述光轴的方向可移动地布置。
待观察的物平面与主物镜的距离可能变化。由此,可能需要使光学观察装置的焦点与改变的物平面适配。为了使显微镜的焦点设置能够保持不变,有利的是,所述缩小光学单元提供聚焦的可能性。这种聚焦可能性能够通过以下方式相对简单地实现,即缩小光学单元的第一透镜固定地布置,而第二透镜能够沿光轴进行相对运动。通过满足本发明权利要求1的条件,在整个聚焦范围内确保了对色角差的良好校正。
在本发明的另一实施例中,所述第二透镜固定地布置,而所述第一透镜沿所述光轴的方向可移动地布置。
如果缩小光学单元的第二透镜固定地布置,而缩小光学单元的第一透镜沿光轴方向可移动地布置,则可以实现在前述实施例中描述的相同优点。
在本发明的另一实施例中,所述缩小光学单元能够旋转到所述主物镜之前的光路中。
为了使显微镜的使用者能够可变地在使用或者不使用缩小光学单元的情况下工作,有利的是,缩小光学单元能够简单地置入光路中或者从光路中移除。由此,使用者可以快速而简单地在两个焦平面之间来回切换,而不需要改变显微镜的焦点设置。有利地,缩小光学单元能够通过旋转装置非常简单而快速地旋转到主物镜之前的光路中并且从所述光路中旋转出来。
在本发明的另一实施例中,在所述缩小光学单元之前的所述观察光路中设有用于产生中间像的另一光学元件,并且所述光学成像系统聚焦到所述中间像上。
在缩小光学单元之前可以将另一光学元件置入光路中。所观察的物平面可以构成中间像平面,该中间像平面在空间上出现在所述另一光学元件与缩小光学单元之间的光路中。由于置入所述另一光学元件而产生的成像质量的缺陷可以特别有利地通过缩小光学单元在颜色上(chromatically)进行校正,因此可以观察到非常好的对比度的像,而没有像偏移。
在本发明的另一实施例中,所述光学成像系统设计为立体显微镜,其包括第一观察光路和第二观察光路,其中,所述第一和第二观察光路在第一主平面H和第二主平面H′中分别与所述透镜系统的光轴间隔距离B。
缩小光学单元的透镜通常设计为相对于光轴旋转对称。由于主物镜的光轴和缩小光学单元的光轴相同,所以光学颜色校正对于关于两个主平面H和H′与光轴间隔距离B的所有观察光路来说同样好。由此,对于立体显微镜产生这样的优点,即通过单个缩小光学单元能够同样好地在颜色上校正两个观察光路。所述优点同样适用于关于两个主平面H和H′与光轴间隔距离B的每个其它的观察光路。
附图说明
参照以下附图阐述本发明的其它优点和特征。在附图中:
图1示出按照本发明的光学成像系统的第一示例实施例,其包括设置在主物镜之前的缩小光学单元;
图2示出按照图1的光学成像系统中的光路的示意图;
图3示出针对按照图1的光学成像系统的三个不同焦距、关于480nm至660nm之间的波长的像侧色角差。
具体实施方式
图1示出按照本发明的光学成像系统1的一个示例实施例,其包括设置在主物镜20之前的缩小光学单元。
所述示例实施例示出了用于观察眼睛2的光学成像系统1。所述光学成像系统1设计为具有右侧观察光路30和左侧观察光路40的立体观察系统,并且包括具有光轴23的主物镜20、右侧的管状透镜34、左侧的管状透镜44以及右侧目镜36和左侧目镜46。所述光学成像系统还可以包括其它未示出的光学元件。
在主物镜20与眼睛2之间将形式为检眼透镜(ophthalmic lens)3的另一光学元件和形式为两个透镜的缩小光学单元置入光路中。缩小光学单元的直接布置在主物镜20之前的第一透镜设计为正透镜22并且折射力为正。缩小光学单元的第二透镜设计为折射力为负的透镜,即负透镜21。
右侧观察光路30和左侧观察光路40穿过检眼透镜3并且可在像平面10内相交。从像平面10出发的右侧观察光路30穿过负透镜21、正透镜22、主物镜20、右侧的管状透镜34并且到达右侧目镜36。在此,在右侧观察光路30中在右侧目镜中间像平面35中产生目镜中间像,观察者可通过右侧目镜36观察所述目镜中间像。从像平面10出发的左侧观察光路40穿过负透镜21、正透镜22、主物镜20、左侧的管状透镜44到达左侧目镜46。在此,在左侧观察光路中在左侧目镜中间像平面45中产生目镜中间像,观察者可通过左侧目镜46观察所述目镜中间像。
右侧观察光路30在主物镜20之后平行于光轴23延伸。该平行距离用B表示。左侧观察光路40相应地在主物镜20之后同样以距离B平行于光轴23延伸。两个观察光路30、40在主物镜20之后的平行距离也可以称为立体基础(stereo base)SB,其中,立体基础SB的值是距离B的两倍。立体基础SB的典型数值可以是25mm。
检眼透镜3的焦距的典型值为60屈光度、90屈光度或者120屈光度。检眼透镜3的较短焦距可能是出现像差的原因,所述像差称为光轴的光谱倾斜或者称为色角差CWA。
在图1中示意性地示出了色角差CWA的影响。所述色角差CWA理解为目镜中间像之间的垂直于光轴23的与颜色相关的颜色像偏移。
对于右侧观察光路30和左侧观察光路40,由于对称的结构,可以预期色角差CWA的幅度值相同。对于单独的观察光路也可能出现色角差。对于右侧观察光路30示出了针对三个波长范围的三个子光束形式的色角差:右侧的红色子光束31、右侧的绿色子光束32和右侧的蓝色子光束33。对于左侧观察光路40示出了针对三个波长范围的色角差,其形式为左侧的红色子光束41、左侧的绿色子光束42和左侧的蓝色子光束43。在右侧目镜中间像平面35中可以通过右侧目镜36看到右侧观察光路30中的右侧子光束31、32、33的像偏移。在左侧目镜中间像平面45中可以通过左侧目镜46看到左侧观察光路40中的左侧子光束41、42、43的像偏移。
由于色角差CWA产生的像偏移在没有进行颜色校正的情况下会让人产生对比度降低和迷惑的感觉。如果该颜色像偏移超过眼睛的分辨率极限,则观察者感觉到彩色双像。形式为绿色子光束32、42的绿色波长范围显示在目镜中心。在两个目镜中心之间的区域内可以看到形式为蓝色子光束33、43的蓝色波长范围。在目镜中心之间的区域外可以看到形式为红色子光束31、41的红色波长范围。
在所述示例实施例中,包括正透镜22和负透镜21的缩小光学单元非常靠近主物镜20地布置。所述主物镜20具有结构长度LHO。所述结构长度LHO表示主物镜20沿光轴23的厚度或者延伸长度。总结构长度Lges表示主物镜20和包括正透镜22和负透镜21的缩小光学单元关于光轴23的最大延伸长度。如果主物镜20例如具有LHO=1cm的结构长度,则总结构长度Lges<3.2cm。
由于缩小光学单元非常靠近地布置在主物镜20之前,所以提供高对比度的经过颜色校正的具有非常好成像质量的像区是一个特殊的挑战。
还需要说明的是,在所述示例实施例中示出的像平面10被表示为中间像平面,右侧观察光路30和左侧观察光路相交于所述中间像平面。像平面10也可以构成不同的待观察物平面。同样可将负透镜21的位置和正透镜22的位置交换地布置。
图2示出按照图1的光学成像系统的光路的示意图。
光轴A表示为粗的水平线。垂直于光轴A,第一主平面H用作用于物空间中的距离描述或焦距的参考平面,第二主平面H′用作用于像空间的参考平面。两个主平面H和H′允许通过针对薄透镜适用的方程描述复杂光学透镜系统的效果。第一主平面H和第二主平面H′均限定为垂直于透镜系统的光轴并且因此彼此平行地延伸。两个主平面H、H′代替主物镜20以及包括负透镜21和正透镜22的缩小光学单元。
物点O通过光学透镜系统成像为像点O′。第一光束101从物点O以相对于光轴A的角度NA朝第一主平面H延伸。角度NA也称为物侧的数值孔径。第二光束102在第一主平面H与第二主平面H′之间平行于光轴A延伸。第二光束102在第一主平面H和第二主平面H′中分别与光轴A间隔距离B。对于立体成像系统,B的值的幅度可以对应于立体基础SB的一半的数值。第三光束103从第二主平面H′射出时指向像点O′。第三光束103相对于光轴A形成角CWA。所述角CWA表示像侧的色角差。如果像侧的色角差CWA等于零,则像点O′处于无穷远处。
对于物空间,物侧的焦点Fe对于主波长e具有物侧焦距fe。在像空间中,像侧的焦点Fe′对于主波长e具有像侧焦距fe′。因此对于波长λ,相应地产生针对物侧焦点O=Fλ的物侧焦距fλ,以及针对像侧焦点O′=Fλ′的像侧焦距fλ′。
为了解决所述问题,已发现色角差CWA的测量提供了非常好的评估优化像质量的措施的可能性。在计算光学单元时合理的是设定主波长e=546nm。主波长e也称为夫琅和费线(Fraunhofer Line)e,并且定义出太阳的绿色光谱范围内的主波长。为了以高对比度和非常好的成像质量对物点O(例如像平面10)进行成像,需要提供在可见光波长范围λ(480nm至660nm之间)上经过颜色校正的光学单元。
在主物镜20之前布置有缩小光学单元,所述缩小光学单元包括由不同材料制成的负透镜21和正透镜22。为了实现良好的像质量,为负透镜21选择色散较高(即阿贝数较小)的材料。正透镜22具有色散较低(即阿贝数较大)的材料。在此,两个阿贝数的差优选在16至22之间。负透镜21和正透镜22优选均由折射率较高(折射率优选大于或者等于1.6)的材料制成。通过使用折射率较高的透镜,同时还能够对单色像差(如球差、彗差或者像散)进行必要的校正。如果正透镜22和负透镜21的焦距接近相等但符号不同,则可以附加地实现对单色像差的校正。
如果右侧观察光路30的右侧子光束31、32、33的色彩范围以及左侧观察光路的左侧子光束41、42、43的色彩范围分别在目镜中间像平面35、45呈叠合状,则可以实现非常好的高对比度像质量。为此,480nm至660nm之间的所有可见光波长范围均需要达到小于0.5′的色角差。
如图2所示,光学系统相对于两个主平面H和H′的物侧焦距和像侧焦距分别取决于波长λ。在此,以下三个焦距比较重要:
fe=主波长e关于第一主平面H的物侧焦距;
fλ=波长λ关于第一主平面H的物侧焦距;
fe′=主波长e关于第二主平面H′的像侧焦距。
如果透镜系统设计为,即,如果包括负透镜21和正透镜22的缩小光学单元以及主物镜20彼此匹配为,使得对于λ为480nm≤λ≤660nm的波长范围和主波长e=546nm的情况满足以下关系:
| arctan ( B f e &prime; + ( f e &CenterDot; f e &prime; / ( f &lambda; - f e ) ) ) | < 0.5 &prime;
则观察光路的成像质量可以被良好地校正,从而在整个波长范围λ内保持良好的成像对比度并且保持非常好的像质量。由此,右侧观察光路30的右侧子光束31、32、33的色彩范围以及左侧观察光路的左侧子光束41、42、43的色彩范围分别在目镜中间像平面35、45呈叠合状。由此达到了小于0.5′的色角差。
例如,可以如下地计算所述示例实施例中针对波长λ=660nm的色角差CWA:
Fe=-175.102mm(针对e=546nm)
Fe′=+175.102mm(针对e=546nm)
Fλ=-175.033mm(针对λ=660nm)
B=12mm
由此,对于CWA(单位为弧分)形成以下关系:
CWA = | arctan ( B fe &prime; + ( fe &CenterDot; fe &prime; / ( f&lambda; - fe ) ) ) | = | arctan ( 12 mm 175.102 mm + ( - 175.102 mm &CenterDot; 175.102 mm / ( - 175.033 mm - ( - 175.102 mm ) ) ) ) | = 0 . 093 &prime;
因为0.093′<0.5′,所以针对波长λ=660nm和主波长e=546nm满足了色角差CWA较小时的良好像质量的条件。
如果针对所有480nm至660nm之间的波长λ满足的条件,则为缩小光学单元的负透镜21和正透镜22选择的材料和形状组合适合解决所述技术问题。
期望在将缩小光学单元置入观察光路30、40中时不必改变显微镜的焦点设置。为此,有利的是,缩小光学单元可以改变焦距,即聚焦到像平面10上。在图1的实施例中,包括主物镜20和缩小光学单元的光学系统的总焦距Fges选择为使得所述总焦距处于主物镜焦距FHO的0.7倍至1.1倍之间的范围内。该值足够用于通过缩小光学单元聚焦到像平面10上。为此,负透镜21固定地布置并且正透镜22沿光轴23可移动地布置,如在图1中通过正透镜22上方的双向箭头表示的那样。在一种备选实施例中,也可将正透镜22固定地布置并且将负透镜21沿光轴23可移动地布置。图1示出焦距Fges=0.87*FHO的中间焦点设置。
图3中的图表示出在为负透镜21和正透镜22选择适当的材料和形状组合时的结果,其针对可见光波长和不同的焦点设置提供经过颜色校正的高对比度的像。
在图3中示出了相对于可见光范围内(480nm至660nm之间)的波长λ的针对第一示例实施例的三个不同焦距的像侧色角差CWA。
图表200在Y轴上示出-0.5′至+0.5′范围内的色角差CWA(单位为弧分)。在X轴上示出480nm至660nm之间的波长范围λ。主波长e=546nm通过虚线204突出显示。色角差CWA针对三个焦距进行显示:第一焦距Fges=0.80*FHO在第一曲线201中示出;第二焦距Fges=0.87*FHO在第二曲线202中示出并且第三焦距Fges=0.96FHO在第三曲线203中示出。第一曲线201和第三曲线203分别示出处于可能的最终位置中的焦点设置。
对于具有焦距Fges=0.87*FHO的中间焦点设置,针对480nm至660nm之间的整个波长范围λ特别好地校正像侧色角差CWA,并且所述色角差处于0.1′至0之间的范围内,参见第二曲线202。对于主波长e=546nm,色角差CWA等于0。
对于具有焦距Fges=0.80*FHO的焦点设置,针对480nm至660nm之间的整个波长范围λ,色角差CWA在+0.28′至-0.45′的范围内,参见第一曲线201。在这种焦点设置中,对于主波长e=546nm,色角差CWA也等于0。
对于具有焦距Fges=0.97*FHO的焦点设置,针对480nm至660nm之间的整个波长范围λ,像侧的色角差CWA在-0.39′至+0.24′的范围内,参见第三曲线203。在这种焦点设置中,对于主波长e=546nm,像侧的色角差CWA也等于0。
曲线201、202和203清楚地示出,针对整个聚焦范围上的所有焦距,像侧的色角差CWA处于+/-0.5′的范围内。
由此提供了一种光学成像系统1,其通过使用可置入光路30、40中的、可聚焦的、包括负透镜21和正透镜22的缩小光学单元实现了主物镜之前非常小的结构长度。这种光学成像系统能够在色角差很小的同时在整个聚焦范围中实现非常好的成像质量。
附图标记清单
1     光学成像系统
2     眼睛
3     检眼透镜
10    像平面
20    主物镜
21    负透镜
22    正透镜
23    光轴
30    右侧观察光路
31    右侧的红色子光束
32    右侧的绿色子光束
33    右侧的蓝色子光束
34    右侧的管状透镜
35    右侧的目镜中间像平面
40    左侧观察光路
41    左侧的红色子光束
42    左侧的绿色子光束
43    左侧的蓝色子光束
44    左侧的管状透镜
45    左侧的目镜中间像平面
101   物空间中从物点O到主平面H的光路的第一光线
102   主平面H与H′之间的光路的第二光线
103   像空间中从主平面H′到像点O′的光路的第三光线
200   色角差CWA的图表
201   Fges=0.80FHO时的CWA第一曲线
202   Fges=0.87FHO时的CWA第二曲线
203   Fges=0.96FHO时的CWA第三曲线

Claims (8)

1.一种用于产生物平面的像的光学成像系统(1),包括透镜系统,所述透镜系统包括主物镜(20)和处于所述主物镜(20)与所述物平面之间的缩小光学单元,并且所述透镜系统沿光轴(23)定向,
其中,所述缩小光学单元包括折射力为正的第一透镜(22)和折射力为负的第二透镜(21),
其中,通过所述透镜系统限定物侧的第一主平面(H)和像侧的第二主平面(H′),
其中,所述光学成像系统(1)限定出观察光路(30、40),所述观察光路被引导通过所述透镜系统,使得所述观察光路(30、40)在所述第一主平面(H)和所述第二主平面(H′)中分别与所述透镜系统的光轴(23)间隔距离(B),
其特征在于,所述第一透镜(22)由具有第一阿贝数的第一材料制造,并且所述第二透镜(21)由具有第二阿贝数的第二材料制造,其中,所述第一阿贝数大于所述第二阿贝数,
并且所述透镜系统设计为使得对于λ为480nm≤λ≤660nm的波长范围和主波长e=546nm的情况满足以下关系:
| arctan ( B f e &prime; + ( f e &CenterDot; f e &prime; / ( f &lambda; - f e ) ) ) | < 0.5 &prime;
其中:
fe=主波长e关于所述第一主平面(H)的物侧焦距;
fλ=波长λ关于所述第一主平面(H)的物侧焦距;
fe′=主波长e关于所述第二主平面(H′)的像侧焦距。
2.如权利要求1所述的光学成像系统,其特征在于,所述第一材料和第二材料选择为使得所述第一阿贝数与第二阿贝数的差在16至22之间。
3.如权利要求1或2所述的光学成像系统,其特征在于,所述第一材料和第二材料选择为使得所述第一材料的第一折射率大于1.6,并且所述第二材料的第二折射率大于1.6。
4.如权利要求1至3之一所述的光学成像系统,其特征在于,所述第一透镜(22)固定地布置,而所述第二透镜(21)布置为能够沿所述光轴的方向移动。
5.如权利要求1至3之一所述的光学成像系统,其特征在于,所述第二透镜(21)固定地布置,而所述第一透镜(22)布置为能够沿所述光轴的方向移动。
6.如前述权利要求之一所述的光学成像系统,其特征在于,所述缩小光学单元能够被旋转到所述主物镜(20)之前的光路中。
7.如前述权利要求之一所述的光学成像系统,其特征在于,在所述观察光路中,在所述缩小光学单元之前设有用于产生中间像(10)的另一光学元件(3),并且所述光学成像系统(1)聚焦到所述中间像(10)上。
8.如前述权利要求之一所述的光学成像系统,其特征在于,所述光学成像系统(1)设计为立体显微镜,并且包括第一观察光路(30)和第二观察光路(40),其中,所述第一和第二观察光路(30、40)在所述第一主平面(H)和所述第二主平面(H′)中分别与所述透镜系统的光轴间隔距离(B)。
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