DE10038133A1 - Optische Anordnung zur Erzeugung stereoskopischer Bilder - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine optische Anordnung zur stereoskopischen Betrachtung von Objekten (8), ausgestattet mit einem Abbildungssystem und mit mindestens einer zwischen dem Abbildungssystem und einem betrachteten Objekt (8) angeordneten Linsengruppe (1) fester Brennweite zur Veränderung des Abbildungsmaßstabes. DOLLAR A Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst, indem eine Stelleinrichtung zur Veränderung der Position der Linsengruppe (1) in Richtung der optischen Achse und damit zur Veränderung des Abstandes c zwischen Linsengruppe (1) und einer Bezugskante (4) des Abbildungssystems vorgesehen ist. DOLLAR A Auf diese Weise ist es möglich, mit der Betätigung der Stelleinrichtung bzw. der Veränderung des Abstandes c unterschiedliche Vergrößerungen ß' einzustellen und damit virtuelle Zwischenbilder von Objekten (8), die sich in unterschiedlichen Abständen innerhalb eines Arbeitsbereiches befinden, in der Abbildungsebene des feststehenden Abbildungssystems zu erzeugen. So sind sehr vorteilhaft Anwendungen bei Restaurations-Arbeiten, in der Dentaltechnik sowie weitere denkbar, bei denen der mit der Erfindung erzielte höhere Gebrauchswert gewünscht wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine optische Anordnung zur stereoskopischen Betrachtung von Objekten, ausgestattet mit einem Abbildungssystem und mit mindestens einer zwischen dem Abbildungssystem und einem betrachteten Objekt angeord­ neten Linsengruppe fester Brennweite zur Veränderung des Abbildungsmaßstabes.

Optische Anordnungen, die zur Abbildung von Objekten die­ nen, sind mit der Möglichkeit zur Fokussierung auf diese Objekte bzw. zur Scharfeinstellung der Abbildung ausgestat­ tet, wobei sich die dafür vorgesehenen Mittel nach drei Grundprinzipien ordnen lassen:
Nach einem ersten Prinzip werden zur Scharfeinstellung das Objekt und das Abbildungssystem relativ aufeinander zu be­ wegt, das heißt es wird entweder das Abbildungssystem in Richtung zum Objekt oder umgekehrt das Objekt in Richtung zum Abbildungssystem verschoben, wie beispielsweise bei Mikroskopen, bei denen nach dem Prinzip der Objektivfokus­ sierung das Objektiv verschoben oder nach dem Prinzip der Tischfokussierung der Objektträger mit dem Objekt bewegt wird.

Abweichend davon wird bei einem zweiten Prinzip die Scharf­ einstellung bei gleichbleibendem Abstand zwischen Objekt und Abbildungssystem vorgenommen, indem eine optische Kom­ ponente des Abbildungssystems relativ zu anderen Komponen­ ten des Abbildungssystems axial verschoben und so das Ab­ bildungssystem auf das Objekt fokussiert wird. Nach diesem Prinzip arbeiten beispielsweise Feldstecher, Fotoobjektive und Videokameras.

Bei optischen Anordnungen nach einem dritten Prinzip wird mit einem optischen Zusatzsystem, das zwischen dem abzubil­ denden Objekt und der Abbildungsebene des Abbildungssystems angeordnet ist die Übertragungslänge verändert. Auf diese Weise wird ohne Eingriff in den inneren Aufbau des Abbil­ dungssystems und ohne Positionsänderung des Abbildungssy­ stems relativ zum Objekt eine Anpassung an die Objektlage erzielt. In dieses Sachgebiet ist auch die nachfolgend be­ schriebene Erfindung einzuordnen.

Im Stand der Technik sind optische Anordnungen zur stereos­ kopischen Abbildung von Objekten bekannt, bei denen nach dem vorgenannten dritten Prinzip zwischen einem unverändert bleibenden Abbildungssystem und dem Objekt ein optisches Vorsatzsysteme in Form einer Linsengruppe positioniert ist, die zur Veränderung des Abbildungsmaßstabes dient.

Je nach Anwendungsfall haben derartige Vorsatzsysteme eine positive oder eine negative Brennweite. Mit solchen Vor­ satzsystemen sind insbesondere Mikroskope vom Greenough-Typ ausgestattet. So sind z. B. Stereomikroskope "DV 4" und "Stemi 2000" der Carl Zeiss Jena GmbH bekannt, bei denen mit dem Vorsatzsystem ein fest vorgegebener Vergrößerungs­ faktor erzielt wird.

Auch für Stereomikroskope vom Fernrohrtyp ist die Verwen­ dung von Vorsatzsystemen bekannt, so beispielsweise bei den Stereomikroskopen "TECHNIVAL" und "CITOVAL", beschrieben in Beyer/Riesenberg "Handbuch der Mikroskopie", Verlag Technik Berlin, 3. Auflage 1988, Seite 348 ff. Auch hier ist mit der Wahl des Vergrößerungsbereiches die Übertragungslänge definiert und eine Änderung lediglich durch Wechsel des Vorsatzsystems oder Austausch des Grundobjektivs möglich.

Dies ist nachteilig für Anwendungen, bei denen mit einer ortsfesten optischen Anordnung ein variabler Abstand zu dem zu betrachtenden Objekt überbrückt werden soll, was z. B. bei Restaurationsarbeiten erforderlich ist. Hierbei ist ein aufrechtes und seitenrichtiges Bild notwendig, was nur mit einem Abbildungsmaßstab größer "Null" erreicht werden kann.

Bekanntermaßen wird dazu entweder ein reelles Zwischenbild oder ein virtuelles Zwischenbild in der Objektebene des Stereomikroskops erzeugt. Die nachfolgend beschriebene Er­ findung bezieht sich auf die Erzeugung virtueller Zwischen­ bilder.

Von dem dargestellten Stand der Technik ausgehend besteht die Aufgabe der Erfindung darin, Anordnungen zur stereosko­ pischen Abbildung von Objekten der vorbeschriebenen Art derart weiterzubilden, daß auf einfache Weise der Arbeits­ abstand zu den zu beobachteten Objekten variiert werden kann und dadurch eine ermüdungsfreie Beobachtung von Objek­ ten in verschiedenen Entfernungen möglich ist.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst, indem eine Stell­ einrichtung zur Veränderung der Position der Linsengruppe in Richtung der optischen Achse und damit zur Veränderung des Abstandes c zwischen Linsengruppe und einer Bezugskante des Abbildungssystems vorgesehen ist.

Auf diese Weise ist es möglich, mit der Betätigung der Stelleinrichtung bzw. der Veränderung des Abstandes c un­ terschiedliche Vergrößerungen β' einzustellen und damit virtuelle Zwischenbilder von Objekten, die sich in unter­ schiedlichen Abständen innerhalb eines Arbeitsbereiches be­ finden, in der Abbildungsebene des feststehenden Systems zu erzeugen. So sind sehr vorteilhaft Anwendungen bei Restau­ rations-Arbeiten, in der Dentaltechnik sowie weitere denk­ bar, bei denen der mit der Erfindung erzielte höhere Ge­ brauchswert gewünscht wird.

Die mit einer Veränderung des Abstandes c um einen Be­ trag Δc bewirkte Änderung der Übertragungslänge ist von der Brennweite des Linsensystems und damit von der Ausgangsver­ größerung β' abhängig und bewirkt eine Vergrößerungsände­ rung zu β' = 1 hin. Eine besonders vorteilhafte Wirkung er­ gibt sich bei verhältnismäßig kleiner Ausgangsvergröße­ rung β'.

Eine Veränderung der Vergrößerung β' bzw. Fokusverschiebung tritt für alle Brennweiten f'_Gruppe ein, wenn die Linsengrup­ pe zwischen dem Abbildungssystem und der Fokusebene des Ab­ bildungssystems positioniert wird. Dabei tritt die größte Dynamik durch Veränderung der Bildschnittweite a bei maxi­ malem Abstand c ein.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfin­ dung besteht die Linsengruppe aus zwei Linsen mit folgenden Kennwerten:

• - Radien der optisch wirksamen Grenzflächen: R₁ = -67,722 mm; R₂ = 56,249 mm; R₃ = -3867 mm;
• - Scheitelabstände der optisch wirksamen Grenzflächen auf der optischen Achse: D₁ = 2,8 mm; D₂ = 5,75 mm;
• - Hauptwellenlänge λ = 546 nm;
• - Brechzahlen für die Hauptwellenlänge: Ne₁ = 1,60629; Ne₂ = 1,65285;
• - Dispersion (Abbezahl): νe₁ = 53,35; νe₂ = 33,59.

Wird eine solche Linsengruppe dem Abbildungssystem vorge­ setzt, lassen sich mit der Variation des Abstandes c Ände­ rungen der Vergrößerung β' bzw. der Schnittweiten a und b wie folgt erzielen:

Besonders bevorzugt ist vorgesehen, die erfindungsgemäße optische Anordnung als Stereomikroskop vom Greenough-Typ auszubilden und dabei die Linsengruppe einschließlich der Stelleinrichtung an den Grundkörper des Stereomikroskops zu adaptieren.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbei­ spieles näher erläutert werden. Die zugehörigen Zeichnungen zeigen in

Fig. 1 das Beispiel einer Linsengruppe aus zwei Linsen, ausgelegt für ein Greenough-Stereomikroskop,

Fig. 2 eine Prinzipdarstellung zur Positionierung der Linsengruppe zwischen Abbildungssystem und Objekt eines Greenough-Stereomikroskops.

Aus Fig. 1 ist die Linsengruppe 1, bestehend aus zwei Lin­ sen 2 und 3, erkennbar. Die Linsengruppe 1 besitzt eine ne­ gative Brennweite und ist für die Hauptwellenlänge λ = 546 nm ausgelegt und achromatisiert. Die optisch wirksamen Grenz­ flächen der Linse 2 haben die Radien R₁ = -67,722 mm und R₂ = 56,249 mm. Die Linse 3 ist ausgeführt mit den Radien R₂ = 56,249 mm und R₃ = -3867 mm. Die Scheitelabstände der op­ tisch wirksamen Grenzflächen betragen auf der optischen Achse für die Linse 2 D₁ = 2,8 mm und für die Linse 3 D₂ = 5,75 mm.

Weiterhin hat das Material der Linse 2 eine Brechzahl von Ne₁ = 1,60629 und eine Dispersion von νe₁ = 53,35. Diese Kenn­ werte sind bei der Linse 3 mit Ne₂ = 1,65285 und νe₂ = 33,59 ausgelegt.

Aus Fig. 2 ist ersichtlich, wie die Linsengruppe 1 relativ zum Objekt 8 und den Mikroskopstrahlengängen 5 und 6 posi­ tioniert ist. Die Position einer am Abbildungssytem vorhan­ denen Bezugskante 4 ist hier in Form einer Wirklinie ange­ deutet.

Die Summe c + a ist konstant und durch den freien Arbeitsab­ stand des Abbildungssystems bestimmt. Der Abstand c zwi­ schen der Bezugskante 4 und der Linsengruppe 1 ist varia­ bel, wobei zur Positionsänderung der Linsengruppe 1 eine Stelleinrichtung dient, die zeichnerisch nicht dargestellt ist. Derartige Stelleinrichtungen und auch deren Ankopplung an positionsveränderliche optische Baugruppen sind hinrei­ chend bekannt, so daß eine nähere Beschreibung an dieser Stelle entfallen kann.

Zur Erläuterung der Funktionsweise ist weiterhin einge­ zeichnet der axiale Abstand a zwischen der Scheitelebene der Linsengruppe 1 und der Bildebene 7, in der das optische System die Abbildung eines zu beobachtenden Objektes 8 er­ zeugt. Als Abstand b ist die Distanz zwischen der Linsen­ gruppe 1 und dem Objekt 8 bezeichnet. Hierbei entspricht der Abstand a der Bildschnittweite, der Abstand b ent­ spricht der Objektschnittweite.

Die Größen für die Abstände a und b sind über die Beziehun­ gen

|1/(-a₁ -k₁) -1/(b₁ - k₂) -1/f'_Gruppe| < 0,02 (I)

|-(-a - k₁)/(b - k₂) - β| < 0,02 (II)

mit Konstanten k₁ und k₂ und der Brennweite f'_Gruppe ähnlich den paraxialen Beziehungen verknüpft. Die Beziehung (I) be­ grenzt den Fangbereich, die Beziehung (II) formuliert die Dynamik der Vergrößerung bei Änderung der Übertragungslän­ ge. Für das hier angegebene Beispiel gilt k₁ = -2,52, k₂ = -3,29 und f'_Gruppe = -126,01.

Der Abstand A zwischen der Bezugskante 4 und dem Objekt 8 ist definiert mit A = c + b + D₁ + D₂ (vergl. Fig. 2). Werden nun beispielsweise Objekte beobachtet, die sich in den ver­ schiedenen Abständen A₂ oder A₃ befinden, so kann erfin­ dungsgemäß die optische Abbildung durch Betätigung der Stelleinrichtung, d. h. durch Variation des Abstandes c, den verschiedenen Abständen A angepaßt werden.

Beispielsweise wird bei Einstellung auf den Abstand c₁ ein Objekt mit der Vergrößerung β' = 0,3 scharf abgebildet. Soll nun ein Objekt betrachtet werden, das sich beispielsweise in einer um den Betrag A₂ = 92,7 geringeren Entfernung von der Bezugskante 4 befindet, so wird dieses mit einer Ver­ größerung β' = 0,4 scharf abgebildet, wie aus der folgenden, auch im Anspruch 3 enthaltenen Tabelle ersichtlich ist:

Damit ist je nach gegebenem Arbeitsabstand zwischen dem Beobachter und dem Objekt bzw. je nach Objektschnittweite b der Abstand c innerhalb eines Bereiches veränderbar, der bei b₁ eine Veränderung des Abbildungsmaßstabes um das 0,3- fache, bei b₂ um das 0,4-fache und bei b₃ um das 0,5-fache bewirkt.

Die Bezeichnung Abbildungsmaßstab wird in der vorstehenden Erfindungsbeschreibung im Sinne des Größenverhältnisses von Zwischenbild und Objekt verwendet.

Mit der erfindungsgemäßen Anordnung ist eine Beobachtung auch dann möglich, wenn die an sich bei Stereomikroskopen üblichen Fokussierprinzipien (Veränderung des Abstandes zwischen Abbildungssystem und Objekt) nicht anwendbar sind, wie dies beispielsweise bei Restaurationsarbeiten häufig der Fall ist.

Deshalb ist die Anwendung eines variablen Vorsatzsystems zur Überbrückung variabler Übertragungslängen, wie vorste­ hend anhand eines Ausführungsbeispieles der Erfindung be­ schrieben, bevorzugt für die Arbeit von Restaurateuren oder auch bei der Prozeßüberwachung mit festen Geräteaufbauten interessant. Weiterhin ist die Verwendung bei der zeitlich aufeinander folgenden Beobachtung und Dokumentation von Ob­ jekten unterschiedlicher Größe auf den Gebieten Qualitäts­ sicherung, Botanik, Kriminalistik und ähnlich von Vorteil.

Bezugszeichenliste

1

Linsengruppe

2

,

3

Linse

4

Bezugskante

5

,

6

Mikroskopstrahlengang

7

Bildebene

8

Objekt
a, b, c Abstand
R₁

, R₂

, R₃

Radius
D₁

, D₂

Scheitelabstand
N₁

, N₂

Brechzahl
ν₁

, ν₂

Dispersion

Claims (5)

1. Optische Anordnung zur stereoskopischen Betrachtung von Objekten, ausgestattet mit einem Abbildungssystem und mit mindestens einer zwischen dem Abbildungssystem und einem betrachteten Objekt angeordneten Linsengruppe (1) fester Brennweite zur Veränderung des Abbildungsmaßsta­ bes, wobei eine Stelleinrichtung zur Veränderung der Position der Linsengruppe (1) in Richtung der optischen Achse und damit zur Veränderung des Abstandes c zwi­ schen dem Abbildungssystem und der Linsengruppe (1) vorgesehen ist.

2. Optische Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Linsengruppe (1) ausgelegt ist für einen Brennweitenbereich f'_Gruppe von
bei größtmöglicher Bildschnittweite a₁.

3. Optische Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß mit der Änderung des Abstandes c Än­ derungen der Vergrößerung und der Schnittweiten wie folgt eintreten:

4. Optische Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Linsengruppe (1) aus zwei Linsen (2, 3) mit folgenden Kennwerten besteht:

• - Radien der optisch wirksamen Grenzflächen: R₁ = -67,722 mm; R₂ = 56,249 mm; R₃ = -3867 mm;
• - Scheitelabstände der optisch wirksamen Grenzflächen auf der optischen Achse: D₁ = 2,8 mm; D₂ = 5,75 mm;
• - Hauptwellenlänge λ = 546 nm;
• - Brechzahlen für die Hauptwellenlänge: Ne₁ = 1,60629; Ne₂ = 1,65285;
• - Dispersion (Abbezahl): νe₁ = 53,35; νe₂ = 33,59.

5. Optische Anordnung nach einem der vorgenannten Ansprü­ che, ausgebildet als Stereomikroskop, wobei die Linsen­ gruppe (1) einschließlich der Stelleinrichtung zur Ver­ änderung des Abstandes c an den Grundkörper des Stereo­ mikroskops adaptiert ist.