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Die
Erfindung betrifft eine Beobachtungsvorrichtung nach dem Oberbegriff
von Anspruch 1.
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Eine
Beobachtungsvorrichtung der eingangs genannten Art ist aus der
DE 195 23 712 A1 bekannt. Dort
ist ein Operationsmikroskop mit einer Beleuchtungseinrichtung beschrieben,
das den Beobachtungsbereich mit einem Leuchtfeld ausleuchtet, das
durch einen abschnittsweise quer zum Beobachtungsstrahlengang verlaufenden
Beleuchtungsstrahlengang bewirkt wird. Das Operationsmikroskop umfasst
eine varioskopische Beobachtungsoptik, die ermöglicht, den Arbeitsabstand
des Systems zum Beobachtungsbereich zu variieren. Um bei variieren
des Arbeitsabstands das Leuchtfeld der Beleuchtungseinrichtung an
den veränderten
Beobachtungsbereich anzupassen, ist bei dem Operationsmikroskop
eine Kopplung von Beleuchtungseinrichtung und Beobachtungsoptik
vorgesehen.
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Die
DE 88 02 996 U1 offenbart
eine Beleuchtungseinrichtung für
ein Operationsmikroskop, bei der zur Steuerung von Lichtintensität und Leuchtfeld
eine Blendenscheibe mit lichtdurchlässigen Flächenanteilen vorgesehen ist.
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In
der
DE 40 28 605 C2 ist
ein stereoskopisches Operationsmikroskop beschrieben, dessen Beobachtungsvorrichtung
ein Hauptobjektiv umfasst, welches von den beiden Stereoteilstrahlengängen des
Beobachtungsstrahlengangs durchsetzt wird. Das Operationsmikroskop
weist für
jeden der beiden Stereoteilstrahlengänge ein gesondertes Zoomsystem
auf. Das Operationsmikroskop enthält eine Beleuchtungsanordnung
mit zwei zueinander zentrierten Linsenelementen, deren optische
Achse quer zum Beobachtungsstrahlengang verläuft. Der Beleuchtungsstrahlengang
dieses Stereomikroskops durchsetzt diese beiden Linsenelemente und
nach seiner Umlenkung durch ein Umlenkelement das Hauptobjektiv,
wodurch sehr günstige
Beleuchtungswinkel erzielt werden können.
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Die
DE 197 28 035 A1 offenbart
eine Beobachtungsvorrichtung, welche ein Stereomikroskop mit einem
Objektiv variabler Schnittweite ist. Durch das Objektiv mit variabler
Schnittweite bzw. variablem Arbeitsabstand können unterschiedlich weit entfernte
Objekte bzw. Objektbereiche fokussiert werden. Bei diesem Stereomikroskop
verläuft
der Beleuchtungsstrahlengang außerhalb
des Objektives variabler Schnittweite, um Reflektionen des Beleuchtungslichts
an der Beobachtungsoptik in den Beobachtungsstrahlengang zu vermeiden.
Die Beleuchtungsanordnung umfasst verschwenkbare Umlenkelemente,
deren jeweilige Neigung abhängig
von der jeweiligen Schnittweite des Objektivs ist, um für jede Schnittweite
eine möglichst
optimale Beleuchtung zu erzielen. Diese bekannte gattungsgemäße Beobachtungsvorrichtung
ist deshalb konstruktiv sehr aufwendig.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, eine gattungsgemäße Beobachtungsvorrichtung
mit verbesserter Beleuchtungsanordnung zu schaffen, bei der insbesondere
Leuchtfelddurchmesser und Beleuchtungswinkel abhängig oder auch unabhängig von
der Beobachtungsoptik gezielt verändert werden können.
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Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale in Anspruch 1 gelöst. Dadurch
kann die Beleuchtungsstrahlung in einer ihrem Durchtritt durch den
Randbereich eines optischen Elements der Beobachtungsoptik entsprechenden
Weise geformt werden, was für
die optimale Anpassung des Beleuchtungsstrahlengangs an den Beobachtungsstrahlengang
grundsätzlich
günstig
ist. Dies verringert die Gefahr von Beleuchtungslichtreflexen im
Beobachtungsstrahlengang, welche den Beobachtungskontrast herabsetzen
würden.
Indem das unsymmetrische Beleuchtungselement entlang des Beleuchtungsstrahlengangs
verschiebbar ist, können
zum Beispiel Leuchtfelddurchmesser und Beleuchtungswinkel abhängig oder
auch unabhängig
von der Beobachtungsoptik gezielt verändert werden.
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Das
strahlformende Beleuchtungselement im Beleuchtungsstrahlengang ist
relativ zum Beleuchtungsstrahlengang unsymmetrisch. Unsymmetrisch
zum Beleuchtungsstrahlengang im Sinne der Erfindung soll bedeuten,
dass das unsymmetrische strahlformende Beleuchtungselement unsymmetrisch
zur quer zum Beobachtungsstrahlengang verlaufenden optischen Achse
von Beleuchtungselementen ist, welche auf diese Achse zentriert
sind. Derartige Beleuchtungselemente können eine Lichtquelle, z. B.
die Endfläche
einer Beleuchtungsfaser, und/oder eine Leuchtfeldblende und/oder
ein Kollektor etc. sein.
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Wenn
das unsymmetrische Beleuchtungselement einen außermittigen Bereich eines Linsenglieds
umfasst bzw. diesem entspricht, kann es ausgehend von dem entsprechenden
Linsenglied in einfacher Weise dadurch hergestellt werden, dass
aus dem i. a. rotationssymmetrischen Linsenglied mehrere unsymmetrische Beleuchtungselemente
herausgeschnitten werden. Dadurch können ferner Material, Gewicht,
Bauraum und Herstellungskosten der Beleuchtungsanordnung verringert
werden.
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Besonders
vorteilhaft aber ist es, wenn ein verschiebbares unsymmetrisches
Beleuchtungselement mit einem entlang des Beobachtungsstrahlengangs
verschiebbaren Verschiebungslinsenglied der Beobachtungsoptik kombiniert
wird und die Verschiebung des unsymmetrischen Beleuchtungselements
an die Verschiebung des Verschiebungslinsenglieds gekoppelt ist.
Auf diese Weise kann ohne Durchtritt des Beleuchtungsstrahlengangs
durch das Verschiebungslinsenglied die Beleuchtung stets optimal
an die jeweiligen Beobachtungsbedingungen angepasst sein.
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Insbesondere
dann, wenn das Verschiebungslinsenglied ein Linsenglied eines Objektives
mit variabler Schnittweite ist, kann ein zum Objekt- bzw. Bildfeld
zentriertes Leuchtfeld, dessen Durchmesser gleich dem Durchmesser
des Objektfelds ist, ohne Bildfeldbeschneidung erreicht werden,
wobei auf Grund der Erfindung störende
Aufhellungen und Reflexe im Bildfeld weitgehend vermieden werden.
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Erfindungsgemäß ist es
also möglich,
die Beleuchtungstrahlung so zu formen, als ob die Beleuchtungsstrahlung
das Verschiebungslinsenglied durchsetzt hätte, wodurch die Beleuchtung
stets optimal auf das jeweilige Bildfeld angepaßt ist. Die für Beleuchtungsreflexfreiheit
im Beobachtungsstrahlengang erforderliche Trennung der Beleuchtungszone
von der Beobachtungszone, bzw. von den beiden stereoskopischen Beobachtungszonen,
wird ja erfindungsgemäß durch
das im quer zum Beobachtungsstrahlengang verlaufenden Abschnitt
des Beleuchtungsstrahlengangs angeordnete unsymmetrische Beleuchtungselement
erfüllt.
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Insbesondere
bei einem Objektiv variabler Schnittweite kann die von den Beobachtungsbüscheln durchsetzte
Beobachtungszone im Verschiebungslinsenglied relativ groß werden.
Ohne die Erfindung müßte die
für die
Beleuchtungsreflexfreiheit erforderliche Trennung der Beleuchtungszone
von der Beobachtungszone durch einen relativen großen Abstand
des Beleuchtungsstrahlengangs von der optischen Achse bzw. Symmetrieachse
des Verschiebungslinsenglieds gewährleistet werden. Dadurch würden entweder
die Beleuchtungsstrahlenbüschel
beschnitten oder es würde
ein Verschiebungslinsenglied mit außergewöhnlich großem Durchmesser notwendig sein,
was wiederum zu einer Vergrößerung des
Beleuchtungswinkels und damit zu verstärkter Abschattung im Objektfeld
führen
würde.
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Bei
einer weiteren Ausführungsform
lenkt ein Umlenkelement den Beleuchtungsstrahlengang zum Objekt
hin um. Insbesondere bei einer stereoskopischen Beobachtungsvorrichtung
kann dieses Umlenkelement ohne spürbare Beschneidung des Objektfeldes
zwischen den beiden stereoskopischen Beobachtungskanälen relativ
nahe an der optischen Achse der Beobachtungsoptik angeordnet sein,
wodurch ein optimaler Beleuchtungswinkel erzielt werden kann. Dieser
optimale Beleuchtungswinkel bildet einen Kompromiß zwischen
einer möglichst
schiefen Beleuchtung zur Erhöhung
des stereoskopischen Eindrucks und einer möglichst steilen, d. h. zur
optischen Achse der Beobachtungsoptik koaxialen Beleuchtung zur
vollständigen
Ausleuchtung tiefer Objektdetails.
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Wenn
das Umlenkelement als Konvexspiegel ausgebildet ist, wirkt das Umlenkelement
als strahlformendes Element negativer Brechkraft. Bei einem aus
einem feststehenden Linsenglied mit negativer Brechkraft und einem
Verschiebungslinsenglied mit positiver Brechkraft bestehenden Objektiv
variabler Schnittweite kann aufgrund des Konvexspiegels deshalb
darauf verzichtet werden, daß der
Beleuchtungsstrahlengang das Linsenglied mit negativer Brechkraft
durchsetzt.
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Bei
einem unter 45° zum
Beleuchtungsstrahlengang angeordneten Umlenkelement mit torischer
Spiegelfläche
wird dabei die Objektebene kreisförmig ausgeleuchtet.
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Eine
verhältnismäßig einfach
aufgebaute Beleuchtungsanordnung gewährleistet eine Ausführungsform,
bei der zwischen Umlenkelement und Objekt ein zum Beleuchtungsstrahlengang
unsymmetrisches Linsenelement vorgesehen ist. Für ein derartiges Linsenelement
eignet sich insbesondere ein Randbereich eines Brillenglases negativer
Brechkraft. Dabei kann durch geeignete Glasauswahl die chromatische
Korrektion und durch geeignete Durchbiegung der Linse die sphärische Aberration
für Beleuchtungszwecke
hinreichend gut korrigiert werden.
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Nach
einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung durchsetzt der Beleuchtungsstrahlengang einen außermittigen
Bereich eines Objektivlinsenglieds der Beobachtungsoptik. Bei dieser
Ausführungsform
erfült der
außermittige
Bereich des Objektivlinsenglieds eine den Beleuchtungsstrahl formende
Funktion. Für
diese Funktion kann dann auf ein gesondertes optisches Element der
Beleuchtungsanordung verzichtet werden.
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Wenn
das unsymmetrische Beleuchtungselement und das Verschiebungslinsenglied
der Beobachtungsoptik positive Brechkraft haben, können die
optische Wirkung des unsymmetrischen Beleuchtungselements auf das
Beleuchtungsfeld und die optische Wirkung des Verschiebungslinsenglieds
auf das Bildfeld optimal aufeinander abgestimmt werden.
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Günstige Abbildungsverhältnisse
erhält
man dabei insbesondere dann, wenn ein zwischen einem Umlenkelement
und dem Objekt angeordnetes Linsenelement oder aber ein von dem
Beleuchtungsstrahlengang in seinem Randbereich durchsetztes Objektivlinsenglied
der Beobachtungsoptik eine negative Brechkraft hat.
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Im
Hinblick auf einen modularen Aufbau der Beleuchtungsanordnung ist
es günstig,
wenn im Beleuchtungsstrahlengang vor dem unsymmetrischen Beleuchtungselement
parallele Beleuchtungsstrahlenbüschel vorliegen.
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Die
Erfindung wird im folgenden anhand dreier Ausführungsbeispiele und gestützt auf
die beiliegenden Figuren beispielhaft erläutert. Es zeigen:
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1 ein
erstes Ausführungsbeipiel
einer erfindungsgemäßen Beobachtungsvorrichtung
in einer schematischen Schnittdarstellung;
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2 eine
Schnittdarstellung der Beobachtungsvorrichtung von 1 gemäß der Pfeile
II in 1;
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3 eine
zweite Ausführungform
der erfindungsgemäßen Beobachtungsvorrichtung
in einer 1 entsprechenden Darstellung
und
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4 eine
dritte Ausführungsform
in einer 1 entsprechenden Darstellung.
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In 1 ist
eine als Stereomikroskop 1 ausgebildete erfindungsgemäße Beobachtungsvorrichtung
in einer schematischen Schnittdarstellung zu erkennen. Das Stereomikroskop 1 umfaßt eine
Beobachtungsoptik 3 zur Beobachtung eines Objekts 5.
Der Beobachtungsstrahlengang der Beobachtungsoptik 3 verläuft entlang einer
optischen Achse 7 der Beobachtungsoptik 3.
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Eine
Beleuchtungsanordnung 9 der Beobachtungsvorrichtung 1 ist
für die
Beleuchtung des Objekts 5 vorgesehen. Die Beleuchtungsanordnung 9 weist
einen abschnittsweise quer zum Beobachtungsstrahlengang und damit
zur optischen Achse 7 der Beobachtungsoptik 3 verlaufenden
Beleuchtungsstrahlengang auf. Dabei ist der zum Beobachtungsstrahlengang
quer verlaufende Beleuchtungsstrahlengang durch die optische Achse 11 eines
Kollektors 13 gekennzeichnet. Die Beleuchtungsanordnung 9 umfaßt ein strahlformendes
Beleuchtungselement 15, welches unsymmetrisch zu dem quer
zum Beobachtungsstrahlengang verlaufenden Abschnitt des Beleuchtungsstrahlengangs
ist.
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Der
Beleuchtungsstrahlengang ist in 1 ferner
anhand der Randstrahlen 17 und 19 eines axialen Beleuchtungsstrahlenbüschels zu
erkennen.
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Das
unsymmetrische Beleuchtungselement 15 umfaßt den außermittigen
Bereich eines aus zwei Einzellinsen 21 und 23 gebildeten
Kittglieds.
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Die
Beobachtungsoptik 3 weist ein aus einem Negativlinsenglied 25 und
einem Verschiebungsglied 27 mit positiver Brechkraft gebildetes
Objektiv mit variabler Schnittweite auf. Zum Verändern der Schnittweite wird das
Verschiebungslinsenglied 27 entlang der optischen Achse 7 der
Beobachtungsoptik 3 verschoben, wie es durch den Doppelpfeil
A in 1 symbolisch dargestellt ist.
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Bei
der Beobachtungsvorrichtung 1 wird zusammen mit einer Verschiebung
des Verschiebungslinsenglieds 27 auch das unsymmetrische
Beleuchtungselement 15 verschoben, und zwar entlang der
optischen Achse 11, wie es durch den Doppelpfeil B in 1 symbolisch
dargestellt ist.
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Die
Beleuchtungsanordnung 9 umfaßt ferner einen Lichtleiter 29,
der eine Leuchtfeldblende 31 ausleuchte, die sich in der
vorderen Brennebene des Kollektors 13 befindet. Deshalb
liegen im Beleuchtungsstrahlengang zwischen dem Kollektor 13 und
dem unsymmetrischen Beleuchtungselement 15 parallele Beleuchtungsstrahlenbüschel vor.
Nach dem unsymmetrischen Beleuchtungselement 15 wird der
Beleuchtungsstrahlengang durch ein als Planspiegel ausgebildetes
Umlenkelement 33 zum Objekt 5 hin umgelenkt. Dabei
durchsetzt der Beleuchtungsstrahlengang einen außermittigen Bereich des Negativlinsenglieds 25 der
Beobachtungsoptik 3.
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In
der geschnittenen Draufsicht nach 2 sind die
beiden stereoskopischen Teilbeobachtungszonen 35 und 37 der
Beobachtungsoptik 3 mit dem Durchmesser dargestellt, den
Sie beim Durchtritt durch das Negativglied 25 der Beobachtungsoptik 3 haben.
Es ist zu erkennen, daß die
durch das Umlenkelement 33 festgelegte Beleuchtungszone
von den beiden Beobachtungszonen 35 und 37 im
Hinblick auf eine Vermeidung von Beleuchtungslichtreflexen in den
Beobachtungsstrahlengang getrennt ist.
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Bei
der Beobachtungsvorrichtung 1 ist zu beachten, daß der Beleuchtungsstrahlengang
in den Beobachtungsstrahlengang zwischen dem verschiebbaren Positivglied 27 und
dem feststehenden Negativglied 25 des Objektivs variabler
Schnittweite eingekoppelt wird, wobei das Leuchtfeld auf dem Objekt 5 genauso
groß ist
wie das durch die Beobachtungsoptik 3 abgebildete Objektfeld
und das Leuchtfeld zentriert zur Objektfeldmitte ist. Der Beleuchtungswinkel
kann durch Dezentrierung des Kollektors 13, das heißt durch
eine Querverschiebung der optischen Achse 11 in einfacher
Weise variiert werden.
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Beachtenswert
an der Beobachtungsvorrichtung 1 ist ferner, daß dann,
wenn der Verschiebeweg des Verschiebungslinsenglieds 27 zur
Variation der Schnittweite gleich dem Verschiebeweg des unsymmetrischen Beleuchtungselements 15 ist,
bei jeder Schnittweite Leuchtfeld und Objektfeld stets gleich groß und zueinander
zentriert sind. Und dies trotz unterschiedlich langer Lichtwege
zwischen unsymmetrischem Beleuchtungselements 15 und Negativglied 25 einerseits
sowie zwischen Positivglied 27 und Negativglied 25 andererseits und
trotz unterschiedlicher Brennweiten von unsymmetrischem Beleuchtungselement 15 und
Positivglied 27.
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Diese
optimale Abstimmung von Leuchtfeld und Objektfeld sowie ihre Invarianz
gegenüber
betragsmäßig gleicher
Verschiebung von Verschiebungslinsenglied 27 und unsymmetrischem
Beleuchtungselement 15 geht auch bei einem Austausch des
Negativglieds 25 nicht verloren. Deshalb ist es ohne Veränderung
der Beleuchtungsanordnung 9 möglich, den Variationsbereich
der Schnittweite lediglich durch Austausch des Negativglieds 25 gegen
ein anderes Negativglied mit unterschiedlicher Brennweite zu modifizieren.
Wenn z. B. bei einem Negativglied mit der Brennweite –149 mm
die Schnittweite in einem Bereich von 170 mm bis 217 mm variierbar
ist, kann durch ein Negativglied mit der Brennweite –119 mm
der Variationsbereich der Schnittweite auf 240 mm bis 345 mm modifiziert
werden.
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Das
Negativglied 25 könnte
entlang des in 2 gestrichelt dargestellten
Umfangsabschnitts des Umlenkelements 33 eine sich parallel
zur optischen Achse 7 der Beobachtungsoptik 3 erstreckende
lichtundurchlässige
Trennfläche
zur weiteren Reflexverminderung aufweisen.
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Der
folgenden Tabelle lassen sich die optischen Daten einer konkreten
Ausführung
der Beleuchtungsanordnung 9 entnehmen.
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Dabei
sind die einzelnen Flächen
der Beleuchtungsanordnung 9 ausgehend von der Endfläche des Lichtleiters 29 der
Reihe nach mit römischen
Ziffern durchnumeriert. Das heißt
also, daß die
Leuchtfeldblende 31 die Nummer I trägt, die einzelnen Linsenflächen des
Kollektors 13 die Nummern II bis VIII tragen, wobei mit VII
die Trennfläche
des Kollektorkittglieds bezeichnet ist, die Linsenflächen des
unsymmetrischen Beleuchtungselement 15 die Nummern IX bis
XI tragen, wobei mit X die Trennfläche der Linsen 21 und 23 bezeichnet ist,
das Umlenkelement 33 die Nummer XII trägt und die Flächennummern
XIII bis XV dem Negativglied 25 zugeordnet sind.
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Dabei
liegen die Krümmungskreismittelpunkte
der Linsenflächen
II bis VIII auf der optischen Achse 11 und die Krümmungskreismittelpunkte
der Linsenflächen
XIII bis XV auf der optischen Achse 7 der Beobachtungsoptik 3.
Die Krümmungskreismittelpunkte
der Linsenflächen
IX, X und XI des unsymmetrischen Beleuchtungselements 15 liegen
auf einer Geraden, welche in der Zeichenebene von 1 zwischen
der optischen Achse 11 und dem Objekt 5 liegt,
parallel zur optischen Achse 11 ist und von der optischen
Achse 11 einen Abstand von 22 mm aufweist.
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Die
Glassorten N-SK2, N-SK5, N-SF6, N-LAK10, SF57 und N-SSK8 können unter
dieser Bezeichnung von der Firma Schott Glas in Mainz, Deutschland,
bezogen werden.
| Flächennummern | Krümmungsradius
in mm | Dicke
bzw. Luftabstand in mm | Medium |
| | | Faser 29 | |
| | | 2.9 | Luft |
| I | Plan | | Leuchtfeldblende 31 |
| | | 2.0 | Luft |
| II | –18.836 | | |
| | | 7.0 | N-SK2 |
| III | –15.289 | | |
| | | 11.0 | Luft |
| IV | –38.681 | | |
| | | 5.0 | N-SK2 |
| V | –15.963 | | |
| | | 0.1 | Luft |
| VI | 202.42 | | |
| | | 8.0 | N-SK5 |
| VII | –15.622 | | |
| | | 3.0 | N-SF6 |
| VIII | –30.505 | | |
| | | 2.0...17.94 | Luft |
| IX | 102.92 | | |
| | | 16.0 | N-LAK10 |
| X | –73.388 | | |
| | | 4.0 | SF57 |
| XI | –302.87 | | |
| | | 27.311...11.37 | Luft |
| XII | Plan | | Spiegel 33 |
| | | 10.0 | Luft |
| XIII | Plan | | |
| | | 3.0 | N-SSK8 |
| XIV | 37.584 | | |
| | | 5.0 | N-SF6 |
| XV | 57.049 | | |
| | | 207...422 | Luft |
| | | Objektebene | |
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3 zeigt
eine weitere erfindungsgemäße Beobachtungsvorrichtung 101.
Die den Elementen der Beobachtungsvorrichtung 1 der 1 und 2 entsprechenden
Elemente der Beobachtungsvorrichtung 101 tragen die gleichen
Bezugszeichen vermehrt um die Zahl 100. Für eine Beschreibung
dieser Elemente wird auf die Beschreibung zu den 1 und 2 verwiesen.
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Das
unsymmetrische Beleuchtungselement 115 der Beobachtungsvorrichtung 101 ist
als Randbereich einer Einzellinse ausgebildet. Ferner durchsetzt
der Beleuchtungsstrahlengang der Beobachtungsvorrichtung 101 nach
seiner Umlenkung durch das Umlenkelement 133 einen Randbereich
einer Linse 139 mit negativer Brechkraft. Bei dieser im
Hinblick auf die optische Konstruktion der Beleuchtungsanordnung 109 verhältnismäßig einfachen
Beleuchtungsanordnung 109 kann durch geeignete Glaswahl
und geeignete Wahl der Krümmungsradien
der Linsenelemente 115 und 139 die chromatische
und sphärische
Aberration für
Beleuchtungszwecke hinreichend gut korrigiert werden.
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In 4 ist
eine weitere erfindungsgemäße Beobachtungsvorrichtung 201 dargestellt.
Die den Elementen der Beobachtungsvorrichtung 1 von 1 entsprechenden
Elemente der Beobachtungvorrichtung 201 tragen die gleiche
Bezugsziffern wie die Element in 1 vermehrt
die Zahl 200. Für
eine Beschreibung dieser Elemente wird auf die Beschreibung zu den 1 und 2 verwiesen.
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Die
Beobachtungsvorrichtung 201 weist einen konvex gekrümmten Umlenkspiegel 241 auf.
Bei der Beobachtungsvorrichtung ist das Negativglied 225 der
Beobachtungsoptik 203 ferner so gestaltet, daß der Beleuchtungsstrahlengang
nach seiner Umlenkung durch das Umlenkelement 241 das Negativglied 225 nicht durchsetzt.
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Bei
der Beobachtungsvorrichtung 201 ist also die Brechkraft
einer Negativlinse auf das Umlenkelement 241 gelegt. Dadurch
ist eine Beleuchtungsanordung 209 mit verringerter Linsenzahl
und entsprechend verringertem Gewicht geschaffen.