DE102005040830A1

DE102005040830A1 - Optische Anordnung und Verfahren zur Abbildung tiefenstrukturierter Objekte

Info

Publication number: DE102005040830A1
Application number: DE102005040830A
Authority: DE
Inventors: Johannes Winterot; Tobias Kaufhold
Original assignee: Carl Zeiss Jena GmbH
Current assignee: Carl Zeiss Microscopy GmbH
Priority date: 2005-08-25
Filing date: 2005-08-25
Publication date: 2007-03-15
Also published as: US20070047094A1; US7564620B2

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung und ein Verfahren zur Abbildung tiefenstrukturierter Objekte sowie zur diesbezüglichen Abbildungskalibrierung, bevorzugt zur Erzeugung stereoskopischer Abbildung aus verschiedenen, in der Tiefe eines Objektes gestaffelten Beobachtungsebenen. DOLLAR A Erfindungsgemäß ist bei einer optischen Anordnung zur Abbildung tiefenstrukturierter Objekte, umfassend eine Eintrittspupille, eine Öffnungsblende und eine im Abbildungsstrahlengang positionierte Empfängerfläche, zwischen der Öffnungsblende und der Empfängerfläche mindestens eine in axialer Richtung verschiebbare optische Baugruppe vorhanden, deren Verschiebung innerhalb eines vorgegebenen Längenbereichs eine Veränderung der Fokusposition bei gleichbleibender Vergrößerung bewirkt. DOLLAR A Die Idee der Erfindung besteht demnach darin, zwischen Öffnungsblende und Empfängerfläche ein optisches Element einzufügen oder ein vorhandenes optisches Element derart zu benutzen, daß mit seiner Wirkung die Defokussierung kompensiert wird, ohne dabei eine Verlagerung des Bildortes zu verursachen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung und ein Verfahren zur Abbildung tiefenstrukturierter Objekte sowie zur diesbezüglichen Abbildungskalibrierung, bevorzugt zur Erzeugung stereoskopischer Abbildungen aus verschiedenen, in der Tiefe eines Objektes gestaffelten Beobachtungsebenen.
Insbesondere bei der Abbildung tiefenstrukturierter Objekte mit nichttelezentrischer Eintrittspupillenlage werden verschiedene Tiefen mit unterschiedlichem Abbildungsmaßstab abgebildet. Asymmetrische Pupillenlagen können darüber hinaus zu seitlichen Effekten führen. Spezielle Meßsysteme benutzen zur Vermeidung dieses Effekts telezentrische Strahlführungen. Zur Bewältigung von Meßaufgaben und zur Bildüberlagerung von Bildern aus unterschiedlichen Tiefen ist die Kenntnis der Verzerrungs- und Verschiebecharakteristik in solchen Systemen mit nichttelezentrischer Eintrittspupillenlage notwendig. Durch Testaufnahmen bekannter Strukturen sind diese Informationen zu gewinnen.
Ein Problem dabei ist die mit der unterschiedlichen Objektebenenentfernung unmittelbar verbundene Unschärfe der Bilder durch Defokussierung. Bildortverlagerung und Verzerrung sind durch die Bündelformung der von einem Objektpunkt ausgehenden Abbildungsstrahlen durch die Öffnungsblende definiert. Die Vereinigung der Abbildungsstrahlen in der Bildebene ist durch die Defokussierung gestört, und die unscharfen Bilder erschweren die Bestimmung der Bildorte und damit der Parameter zu einer Kalibrierung.

Es ist bekannt, Stereomikroskope zur Gewinnung dreidimensionaler Bildinformationen von einem zu beobachtenden Objekt zu nutzen. Dazu werden schrittweise aus unterschiedlichen Fokusebenen zweidimensionale Bilder aufgenommen. Der so entstehende Stapel aus zweidimensionalen Bildern enthält die dreidimensionalen Bildinformationen des Objektes.

Allerdings werden die Bilder beim Durchgang durch die optischen Systeme aus den vorgenannten Gründen in unerwünschter Weise verzerrt. Der Grad dieser Verzerrung hängt von den geometrisch optischen Abbildungseigenschaften des Objektivs und dem nachgeschalteten Abbildungssystem, von der Größe des seitlichen Versatzes zwischen der optischen Achse des Objektivs und dem nachgeschalteten Abbildungssystem und von Fertigungsfehlern ab.

Die designbedingte systematische Verzerrung kann auf mathematischem Wege nahezu vollständig rückgängig gemacht werden. Die Verzerrung kann dadurch charakterisiert werden, daß die Änderungen der lateralen Bildkoordinaten von Objekten mit in der Tiefe benachbarten, das heißt mit unterschiedlichen Objektfokussierungen aufgenommenen Bildern ausgewertet werden. Die Genauigkeit dieser Auswertung wird allerdings durch die mit der Umfokussierung zwangsläufig verbundene Unschärfe beeinträchtigt und limitiert.

Es ist weiterhin bekannt, das Problem der Vermeidung der bei stereomikroskopischen Aufnahmen von Floureszensbildern durch Farbkameras verursachten Energieverluste zu lösen, indem eine Serie von Bildern mit einer Monochromkamera aufgenommen und die Bilder dieser Serie additiv und coloriert überlagert werden. Allerdings wirken sich dabei die Rest fehler der chromatischen Längsaberration in einzelnen Bildern als Unschärfe infolge Defokussierung aus.

Der Ausgleich der Unschärfe durch Neufokussierung des Stereomikroskops führt bei Geräten bekannter Bauart zwangsläufig zu einem seitlichen Shift und zur Änderung der lateralen Bildabstände. Wird dieser Einfluß per Bildverarbeitung korrigiert, gehen durch den seitlichen Shift Teile des Bildes für die Überlagerung verloren. Die mechanische Kompensation durch Verschieben des Objektes und Anpassung des Abbildungsmaßstabes ist aufwendig.

Es ist wünschenswert, diese negativen Effekte durch geeignete Möglichkeiten zur Fokuskorrektur zu beseitigen.

Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde eine optische Anordnung zu schaffen, die insbesondere zur Aufnahme einer Serie von Bildern eines Objektes bei verschiedenen Objektabständen geeignet ist und bei der die Korrektur von Defokussierungen bei der Einstellung unterschiedlicher Objektabstände sowie deren Folgen in einer einfachen Weise möglich sind.

Diese Aufgabe wird für eine optische Anordnung zur Abbildung tiefenstrukturierter Objekte, umfassend eine Eintrittspupille, eine Öffnungsblende und eine im Abbildungsstrahlengang positionierte Empfängerfläche, dadurch gelöst, daß zwischen der Öffnungsblende und der Empfängerfläche mindestens eine in axialer Richtung verschiebbare optische Baugruppe vorhanden ist, deren Verschiebung innerhalb eines vorgegebenen Längenbereichs eine Veränderung der Fokusposition bei gleichbleibender Vergrößerung bewirkt.

Dabei kann sich die Eintrittspupille in nichttelezentrischer Lage befinden.

Die Idee der Erfindung besteht demnach darin, zwischen Öffnungsblende und Empfängerfläche ein optisches Element einzufügen oder ein vorhandenes optisches Element derart zu benutzen, daß mit seiner Wirkung die Defokussierung kompensiert wird, ohne dabei eine Verlagerung des Bildortes zu verursachen.

Dieses optische Element kann erfindungsgemäß weiterhin dazu genutzt werden, Bilder von einundderselben Objektebene, die infolge chromatischer Längsaberration in die Empfängerfläche unscharf abgebildet werden, zeitlich nacheinander auf die in ihrer Position unveränderte Empfängerfläche scharf abzubilden. Effekte, wie sie aus einer objektseitigen Fokussierung bekannt sind, entfallen dabei.

Anwendbar ist die erfindungsgemäße optische Anordnung beispielsweise zur Fokuskorrektur in telezentrischen Meßaufbauten, in nichttelezentrischen symmetrischen Beobachtungseinrichtungen, etwa Makroskopen, sowie in nichttelezentrischen asymmetrischen Strahlführungen in Stereomikroskopen.

Ein typischer Anwendungsfall einer Abbildung mit nichttelezentrischer und asymmetrischer Eintrittspupillenlage ist die Bildaufnahme in einem Kanal eines Stereomikroskops vom Teleskoptyp. Deshalb erfolgt die weitere Offenlegung der erfindungsgemäßen Lösung und auch die Beschreibung der Ausführungsbeispiele, obwohl allgemeingültig, am Beispiel eines solchen Stereomikroskops.

Demzufolge ist die erfindungsgemäße optische Anordnung bevorzugt als Stereomikroskop ausgebildet, bei dem zwischen der Öffnungsblende und der Empfängerfläche in axialer Richtung verschiebbare optische Baugruppen vorhanden sind, deren Verschiebung innerhalb eines vorgegebenen Längenbereichs eine Veränderung der Fokusposition bei gleichbleibender Vergrößerung bewirkt.

In einer ersten Ausgestaltung sind zum Einstellen der gewünschten Vergrößerung afokale Vergrößerungswechsler vorhanden, und die verschiebbaren optischen Baugruppen sind Linsen oder Linsengruppen dieser Vergrößerungswechsler.

So ist es zum Beispiel denkbar, einen aus vier Linsengruppen LG11, LG12, LG13 und LG14 bestehende afokale Vergrößerungswechsler zu nutzen, wobei die Linsengruppe LG11 an den Unendlichraum zum Mikroskopobjektiv angrenzt und die Linsengruppe LG14 an den Unendlichraum zur Tubuslinse angrenzt, die Öffnungsblende zwischen diesen beiden liegt und wobei die Linsengruppe LG14 innerhalb eines in axialer Richtung sich erstreckenden Längenbereichs von etwa ± 1mm verschiebbar ist, ohne dabei eine Veränderung der mit diesem Vergrößerungswechsler vorgewählten Vergrößerung zu verursachen.

Auf diese Weise ist es möglich, mit der Verschiebung der Linsengruppe LG14 eine Korrektur der Fokusposition im Objekt vorzunehmen. Die Änderung der Fokusposition ist mit der Verschiebung der Linsengruppe LG14 über folgende Beziehung verknüpft: ΔZ = Δa·[(f'LG14·Vergrößerung·Objektivvergrößerung)/Objektivbrennweite bei Objektivvergrößerung 1x]2

Hierin bedeuten

– ΔZ: Änderung der Fokusposition in Z-Richtung,
– Δa: Abstand zwischen den Linsengruppen LG13 und LG14 in axialer Richtung,
– f'_LG14 die Brennweite der Linsengruppe LG14,
– Vergrößerung: die mit dem Vergrößerungswechsler vorgewählte Fernrohrvergrößerung.

Um die Unabhängigkeit der Vergrößerung von der Lageänderung der Linsengruppe LG14 zu veranschaulichen, denke man sich die fokussierte Gesamtabbildung von Objekt bis Bild in dem Raum optisch vor der Linsengruppe LG14 unterbrochen. Das Objekt wird in den objektseitigen Brennpunkt der Linsengruppe LG14 abgebildet. Linsengruppe LG14 und Tubuslinse entsprechen gemeinsam einem optischen Endlich-Endlich-System, und sie bilden den objektseitigen Brennpunkt der Linsengruppe LG14 in den bildseitigen Brennpunkt der Tubuslinse ab. Zwischen beiden Systemen (Linsengruppe LG14 und Tubuslinse) ist die Schnittweite unendlich. Für die Vergrößerungen gilt die folgende Beziehung: β' = Brennweite Tubuslinse/Objektivbrennweite mit Objektivvergrößerung 1x·Vergrößerung·Objektivvergrößerung

Für das Endlich-Endlich-System aus Linsengruppe LG14 und Tubuslinse gilt die Teilvergrößerung: β'2 = – Brennweite Tubuslinse/Brennweite LG14

Dabei ist die Vergrößerung bzw. der Abbildungsmaßstab unabhängig von der Entfernung von Linsengruppe LG14 und Tubuslinse zueinander.

Das Abbildungssystem von Objekt bis zum Raum optisch vor der Linsengruppe LG14 besteht aus zwei Teilen, nämlich dem Objektiv und jeweils dem Teil eines afokalen Vergrößerungswechslers vor der Linsengruppe LG14; es hat eine vergrößerungsabhängige Brennweite. Die Vergrößerung bzw. der Abbildungsmaßstab ergeben sich aus: β'3 = – Vergrößerung·Objektivvergrößerung/Objektivbrennweite mit Objektivvergrößerung 1x·Brennweite LG14

Die Brennweite des Objektivs ergibt sich aus: f'Objektiv = Objektivbrennweite mit Objektivvergrößerung 1x/Objektivvergrößerung

Die Brennweite des Teiles des afokalen Vergrößerungswechslers vor der Linsengruppe LG14 hat die Brennweite: f'4 = –Vergrößerung·Brennweite LG14.

Wird der Abstand des Objektes zum Objektiv geändert, entsteht ein vom Objektiv und dem Teil des afokalen Vergrößerungswechslers vor der Linsengruppe LG14 entworfenes Bild in dem optischen Raum vor der Linsengruppe LG14, das sich in Lage und Größe von dem ursprünglichen, fokussierten Bild unterscheidet.

Erfindungsgemäß kann nun durch axiales Verschieben der Linsengruppe LG14 dieses Bild in den objektseitigen Brennpunkt der Linsengruppe LG14 gebracht werden und erscheint dadurch scharf in der ursprünglichen Bildebene. Die Vergrößerungsänderung und seitliche Bildlageänderung werden in dem scharfen Bild meßbar und einer Auswertung zugänglich.

In analoger Weise ist die Fokussierfunktion für die Aufnahme mehrerer Bilder einer Objektebene mit unterschiedlichen Wellenlängen und Farblängsaberrationen zu erklären. Das Bild einer Wellenlänge mit Defokusfehler wird im Raum vor der LG14 nicht in deren objektseitigen Brennpunkt abgebildet. Durch Verschieben der LG14 wird diese Differenz ausgeglichen und das Bild entsteht in der gewünschten Empfängerebene.

Ein Ausführungsbeispiel für einen solchen Vergrößerungswechsler wird weiter unten ausführlich beschrieben. Damit kann erreicht werden, daß je nach eingestellter Vergrößerung zwischen 10 und 30 wellenoptische Tiefenschärfeneinheiten innerhalb des Objektes überdeckt werden, was für die Kalibrierung der Dynamik der Bildpunkte und auch für eine Kompensation von Farblängsfehlern ausreichend ist.

Diese Ausgestaltung der Erfindung läßt sich beispielsweise auch realisieren mit afokalen Vergrößerungswechslern, die aus fünf Linsengruppen LG21 bis LG25 bestehen, wobei die Linsengruppe LG21 an den Unendlichraum zum Mikroskopobjektiv und die Linsengruppe LG25 an den Unendlichraum zur Tubuslinse grenzt. Dabei ist die Linsengruppe LG25 um einen Betrag von etwa ±1 mm in axialer Richtung verschiebbar, wie weiter unten anhand eines Ausführungsbeispiels noch näher erläutert wird.

In einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung sind anstelle der afokalen Vergrößerungswechsler für eine bestimmte, an sich unveränderliche Vergrößerung ausgelegte afokale Vergrößerungssysteme vorhanden, wobei die zwecks Änderung der Fokusposition verschiebbaren optischen Baugruppen Linsen oder Linsengruppen dieser Vergrößerungssysteme sind. Die Öffnunggsblende des Systems liegt vor der verschieblichen optischen Baugruppen.

Dabei ist jeweils die an den Unendlichraum zum Objektiv angrenzende Linsengruppe gestellfest positioniert, während die zweite, an den Unendlichraum zu einer ersten Tubuslinse angrenzende Linsengruppe in axialer Richtung verschiebbar ist, ohne daß dabei eine Veränderung der mit diesem Vergrößerungssystem vorgegebenen Vergrößerung verursacht wird.

Der Längenbereich, in dem die Verschiebung möglich ist, läßt sich mit ±0,5 mm realisieren, wie weiter unten noch anhand mehrerer Ausführungsbeispiele ausführlich dargelegt wird. Die Änderung der Fokusposition innerhalb des Objektes ist durch den Zusammenhang ΔZ = Δa·(f'Tubuslinse/f'LG)2/β'2 gegeben.

Dabei bedeuten

– ΔZ: Änderung der Fokusposition in Z-Richtung,
– θa: Abstand zwischen den beiden Linsengruppen in axialer Richtung,
– f'_Tubuslinse: die Brennweite des Tubus,
– f'_LG: die Brennweite der verschiebbaren Linsengruppe,
– β': die Vergrößerung von Objekt bis Tubuszwischenbild

Wird der Abstand des Objektes zum Objektiv geändert, entsteht auch in diesem Fall ein vom Objektiv und dem Teil des Abbildungssystems vor der verschiebbaren Linsengruppe LG entworfenes Bild in dem optischen Raum vor der Gruppe LG, das sich in Lage und Größe von dem ursprünglichen, fokussierten Bild unterscheidet. Durch axiales Verschieben der Linsengruppe LG kann dieses Bild in den objektseitigen Brennpunkt der Linsengruppe LG gebracht werden und erscheint scharf in der ursprünglichen Bildebene. Die Vergrößerungsänderung und seitliche Bildlageänderung wird in dem scharfen Bild meßbar und einer Auswertung zugänglich.

In einer dritten Ausgestaltung der Erfindung sind zur Beeinflussung der Vergrößerung der in die Tubuszwischenbildebene abgebildeten Objektebene Tubuslinsensysteme mit veränderbarer Übertragungslänge vorgesehen, und die verschiebbaren optischen Baugruppen sind Linsen oder Linsengruppen dieser Tubuslinsensysteme.

So kann beispielsweise ein Tubuslinsensystem drei einzelne Linsen umfassen, von denen eine zweite Linse zwischen einer ortsfesten ersten und einer in Okularnähe fest angeordneten dritten Linse axial verschiebbar ist, ohne daß durch diese Verschiebung eine merkliche Änderung der Brennweite des Tubuslinsensystems eintritt.

Wie weiter unten an einem konkreten Ausführungsbeispiel gezeigt wird, sind dabei Verschiebeweiten von ±9 mm erreichbar. Die Änderung der Fokusposition innerhalb des Objektes beträgt dabei ΔZ = Δa/β'2.

Dabei bedeuten

– ΔZ: Änderung der Fokusposition in Z-Richtung,
– Δa: Änderung der Schnittweite des Tubuslinsensystems,
– β': Vergrößerung von Objekt bis Tubuslinsenzwischenbild

Die Erfindung soll nachfolgend anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen
1 den Grundaufbau eines Stereomikroskops vom Teleskoptyp,
2 einen afokalen Vergrößerungswechsler, bestehend aus vier Linsengruppen LG11 bis LG14 mit axial verschiebbarer Linsengruppe LG14,
3 einen afokalen Vergrößerungswechsler, bestehend aus fünf Linsengruppen LG21 bis LG25 mit axial verschiebbarer Linsengruppe LG25,
4 ein afokales Vergrößerungssystem, bestehend aus zwei Linsengruppen LG31 und LG32 mit axial verschiebbarer Linsengruppe LG32,
5 ein afokales Vergrößerungssystem, bestehend aus zwei Linsengruppen LG41 und LG42 mit axial verschiebbarer Linsengruppe LG42,
6 ein afokales Vergrößerungssystem, bestehend aus zwei Linsengruppen LG51 und LG52 mit axial verschiebbarer Linsengruppe LG52,
7 ein Tubuslinsensystem mit veränderbarer Übertragungslänge, bestehend aus drei Linsen L1 bis L3 mit axial verschiebbarer Linse L2.
8 ein Diagramm zur Darstellung der Relation von Brennweite zur Mittelstellung des Bewegungsbereiches der verschiebbaren Linse L2 aus 7.
9 ein Diagramm zur Darstellung der erforderlichen Einstellung des Abstandes der Linse L1 zur Linse L2 aus 7, um die Schnittweite der Linse L3 zur Empfängerfläche zu erzielen.
In 1 ist der prinzipielle Aufbau eines Stereomikroskops 1 dargestellt, das beispielsweise dazu genutzt wird, von einem Objekt 2 zweidimensionale Bilder aus unterschiedlichen Fokusebenen zu gewinnen, die dann als sogenannter Bildstapel eine dreidimensionale Bildinformation vom Objekt 2 liefern.
Das Stereomikroskop 1 ist vom Teleskoptyp und umfaßt ein Objektiv 3, durch welches hindurch das vom Objekt 2 kommende Licht in zwei Abbildungsstrahlengängen 4.1, 4.2 hindurchtritt. Auf der dem Objekt 2 abgewandten Seite des Objektivs 3 verläuft die Abbildung durch Vergrößerungswechsler 5.1, 5.2 hindurch.
Die Vergrößerungswechsler dienen dazu, bei der Bildgewinnung unterschiedliche Vergrößerungen bzw. Abbildungsmaßstäbe vorwählen zu können.
Den Vergrößerungswechslern 5.1, 5.2 in den Abbildungsstrahlengängen 4.1, 4.2 nachgeordnet sind jeweils Linsen von Tubuslinsensystemen 6.1, 6.2 sowie die Empfängerfläche 7 einer Bildaufnahmeeinrichtung.
Um bei der Aufnahme einer Beobachtungsebene im Objekt 2 die Fokusposition justieren zu können bzw. beim Übergang der Fokusposition von einer ersten in eine zweite Beobachtungsebene eine Defokussierung ausgleichen zu können, weist das erfindungsgemäße Stereomikroskop 1 in mindestens einem der beiden Abbildungsstrahlengänge 4.1, 4.2 eine in axialer Richtung, d.h. in Richtung der optischen Achsen der Abbildungsstrahlengänge 4.1, 4.2 verschiebbare optische Baugruppe auf, deren Verschiebung zwar eine Veränderung der Fokusposition bewirkt, jedoch die vorgegebene Vergrößerung unverändert läßt.
Die Ausführung dieser verschiebbaren optischen Baugruppe ist auf verschiedene Weise möglich, wie nachfolgend gezeigt wird.
So kann vorgesehen sein, daß eine Linse oder Linsengruppe innerhalb eines oder beider Vergrößerungswechsler 5.1, 5.2 um einen vorgegebenen Betrag in axialer Richtung relativ zu den übrigen Linsen oder Linsengruppen verschiebbar ist.
In 2 ist eine erste Variante eines solchen Vergrößerungswechslers dargestellt. Es handelt sich dabei um einen afokalen Vergrößerungswechsel für einen Vergrößerungsbereich von 12,5x, bestehend aus vier Linsengruppen LG11 bis LG14 mit Radien r, Dicken d, Abständen a zueinander, Brechzahlen n_e, Abbezahlen ν_e, bezogen auf die Wellenlänge von 546,07 nm, nach folgender Tabelle:
Den ausgewählten Vergrößerungen 4.0x, 1.0x und 0.32x sind dabei variable Abstände a1, a2 a3 und a4 zwischen den einzelnen Linsengruppen LG11 bis LG14 wie folgt zugeordnet:
Mit den Angaben für die Abstände a3 und a4 ist bereits deutlich gemacht, daß hier jeweils eine Abstandsänderung der Linsengruppe LG14 relativ zu den übrigen Linsengruppen LG11 bis LG13 um einen Betrag von ±1 mm vorgenommen werden kann – ohne Einfluß auf die jeweils vorgewählte Vergrößerung. Die Vorwahl der Vergrößerung dagegen erfolgt durch axiales Verschieben der Linsengruppen LG12 und LG14 gemeinsam relativ zu den beiden übrigen Linsengruppen LG11 und LG13.
3 zeigt eine weitere Variante eines afokalen Vergrößerungswechslers, in diesem Fall mit einer Baulänge von 130 mm und einem Vergrößerungsbereich von 20x, bestehend aus fünf Linsengruppen LG21 bis LG25 mit Radien r, Dicken d, Abständen a zueinander, Brechzahlen n_e, Abbezahlen ν_e, bezogen auf die Wellenlänge von 546,07 nm, nach folgender Tabelle:
Bei diesem Vergrößerungswechsler sind Vergrößerungen 6.0x, 2.0x und 0.3x den variablen Abständen a1 bis a4 zugeordnet, wie der nachfolgenden Tabelle zu entnehmen ist:
Hieraus ist ersichtlich, daß die Linsengruppe LG25 um einen Betrag von ±1 mm in axialer Richtung verschiebbar ist, wodurch sich zwar die Fokusposition variieren läßt, jedoch die jeweils vorgegebene Vergrößerung konstant bleibt.
Mit diesem Vergrößerungswechsler ist bei demselben Verstellweg von ± 1 mm eine im Vergleich zu dem vorhergehend beschriebenen Beispiel um den Faktor 16 geringere Änderung der Fokusposition erzielbar. Die Vorwahl der Vergrößerung dagegen erfolgt durch axiales Verschieben der Linsengruppen LG22 und LG24 gemeinsam relativ zu den drei übrigen Linsengruppen LG21, LG23 und LG25.
Es ist weiterhin denkbar, daß das erfindungsgemäße Stereomikroskop 1 anstelle von Vergrößerungswechslern mit Vergrößerungssystemen ausgestattet ist, die jeweils für eine fest vorgegebene, an sich unveränderbare Vergrößerung ausgelegt sind, wobei die verschiebbare optische Baugruppe zur Korrektur der Fokusposition eine Linse oder Linsengruppe eines solchen Vergrößerungssystems ist.
Eine erste Variante eines solchen afokalen Vergrößerungssystems zeigt 4. Dieses ist ausgelegt für eine Vergrößerung von –1x und besteht aus zwei Linsengruppen LG31 und LG32 mit Radien r, Dicken d, Abständen a zueinander, Brechzahlen n_e, Abbezahlen ν_e und Brennweiten f', bezogen auf die Wellenlänge von 546,07 nm, nach folgender Tabelle:
Hierbei ist die Linsengruppe LG32 innerhalb eines in axialer Richtung sich erstreckenden Längenbereichs von ±0,5 mm relativ zur Linsengruppe LG31 verschiebbar, wobei sich zwar wiederum die Lage der Fokusposition verändern läßt, diese Veränderung jedoch ohne Einfluß auf die mit diesem Vergrößerungssystem vorgegebene Vergrößerung bleibt.
Eine weitere Variante eines derartigen afokalen Vergrößerungssystems, das in diesem Fall für eine Vergrößerung von 1x ausgelegt ist, zeigt 5. Es besteht wiederum aus zwei Linsengruppen LG41 und LG42, hier jedoch mit den Radien r, Dicken d, Abständen a zueinander, Brechzahlen n_e, Abbezahlen ν_e und Brennweiten f', bezogen auf die Wellenlänge von 546,07 nm, nach folgender Tabelle:
Hierbei ist die Linsengruppe LG42 innerhalb eines in axialer Richtung sich erstreckenden Längenbereichs von wiederum ±0,5 mm relativ zur Linsengruppe LG41 verschiebbar, wobei sich zwar die Fokusposition, nicht jedoch die mit diesem Vergrößerungssystem vorgegebene Vergrößerung ändert.
Eine dritte Variante eines afokalen Vergrößerungssystems fester Vergrößerung mit einer verschiebbaren Baugruppe ist in 6 dargestellt. Die Vergrößerung beträgt hier 0,87x, die beiden Linsengruppen LG51 und LG52 weisen die Radien r, Dicken d, Abständen a zueinander, Brechzahlen n_e, Abbezahlen ν_e und Brennweiten f', bezogen auf die Wellenlänge von 546,07 nm, nach folgender Tabelle:
Mit der Verschiebung der Linsengruppe LG52 um einen Betrag von ±0,5 mm in axialer Richtung relativ zur Linsengruppe LG51 läßt sich zwar der Fokuspunkt variieren, die vorgegebene Vergrößerung bleibt jedoch gleich.
Eine weitere Möglichkeit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Stereomikroskops 1 zeigt 7. In diesem Fall ist das Stereomikroskops 1 in jedem Abbildungsstrahlengang 4.1, 4.2 mit einem Tubuslinsensystem 6.1, 6.2 mit veränderbarer Übertragungslänge ausgestattet, und die verschiebbaren optischen Baugruppen sind Linsen oder Linsengruppen dieses Tubuslinsensystems. Beispielsweise besteht das Tubuslinsensystem 6.1, 6.2 aus den Linsen L1 bis L3 mit den Radien r, Dicken d, Abständen a zueinander, Brechzahlen n_e, Abbezah len ν_e und Brennweiten f', bezogen auf die Wellenlänge von 546,07 nm, nach folgender Tabelle:
Hier sind die Linsen L1 und L3 fest miteinander verbunden und relativ zur Linse L2 verschiebbar.
Zur Erläuterung zeigt das Diagramm in 8 die relative Brennweite zur Mittelstellung des Bewegungsbereiches. Aus dem Diagramm in 9 ist die Einstellung des Abstandes von L1 zu L2 ersichtlich, der zum Erzielen der Schnittweite von L3 zur Empfängerfläche notwendig ist. Ein gegenüber der Objektebene des Systems um ΔZ verschobenes Objekt entwirft im optischen Raum vor der Tubuslinse ein nahe Unendlich liegendes Bild mit der Schnittweite s'₁. Dabei kann die Tubuslinse so eingestellt werden, daß dieses Bild in die Empfängerfläche abgebildet wird.
Der Längenbereich, in dem die Linsen L1, L3 und die Linse L2 relativ zueinander verschiebbar sind, beträgt ±9 mm. Dabei ist es unerheblich, ob die beiden Linsen L1 und L2 gestellfest angeordnet sind und die Linse L2 verschoben wird oder umgekehrt.
In dem angegebenen Ausführungsbeispiel beträgt die Tubusvergrößerung etwa 1+0,00002·Δs'. Der Fehler ist gegenüber den Meßgrößen vernachlässigbar klein und läßt sich gegebenenfalls aus den Meßwerten herauskalibrieren.

1: Stereomikroskop
2: Objekt
3: Objektiv
4.1, 4.2: Abbildungsstrahlengänge
5.1, 5.2: Vergrößerungswechsler
6.1, 6.2: Tubuslinsensysteme
7: Empfängerfläche
L: Linsen
LG: Linsengruppen

Claims

Optische Anordnung zur Abbildung tiefenstrukturierter Objekte, umfassend eine Eintrittspupille, eine Öffnungsblende und eine im Abbildungsstrahlengang positionierte Empfängerfläche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Öffnungsblende und der Empfängerebene mindestens eine in axialer Richtung verschiebbare optische Baugruppe vorhanden ist, deren Verschiebung innerhalb eines vorgegebenen Längenbereichs eine Veränderung der Fokusposition bei gleichbleibender Vergrößerung bewirkt.
Optische Anordnung nach Anspruch 1, bei der sich die Eintrittspupille in nichttelezentrischer Lage befindet.
Optische Anordnung nach Anspruch 2, ausgebildet als Stereomikroskop (1) zur Erzeugung von Abbildungen aus verschiedenen, in der Tiefe eines Objektes (2) gestaffelten Beobachtungsebenen, bei dem zwischen der Öffnungsblende und der Empfängerfläche in axialer Richtung verschiebbare optische Baugruppen vorhanden sind, deren Verschiebung innerhalb eines vorgegebenen Längenbereichs eine Veränderung der Fokusposition bei gleichbleibender Vergrößerung bewirkt.
Optische Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, mit afokalen Vergrößerungswechslern (5.1, 5.2) zum Einstellen der gewünschten Vergrößerung, wobei die verschiebbaren optischen Baugruppen Linsen oder Linsengruppen der Vergrößerungswechsler (5.1, 5.2) sind.
Optische Anordnung nach Anspruch 4 mit afokalen Vergrößerungswechslern (5.1, 5.2) für einen Vergrößerungsbe reich von 12,5x, jeweils bestehend aus vier Linsengruppen LG11 bis LG14 mit Radien r, Dicken d, Abständen a zueinander, Brechzahlen n_e, Abbezahlen ν_e, bezogen auf die Wellenlänge von 546,07 nm:
bei folgenden Vergrößerungen in Zuordnung zu den variablen Abständen:
wobei die Linsengruppe LG14 innerhalb eines in axialer Richtung sich erstreckenden Längenbereichs von etwa ±1 mm verschiebbar ist, ohne dadurch eine Veränderung der mit diesem Vergrößerungswechsler (5.1, 5.2) vorgegebenen Vergrößerung zu verursachen.
Optische Anordnung nach Anspruch 4 mit afokalen Vergrößerungswechslern (5.1, 5.2) mit einer Baulänge von 130 mm und einem Vergrößerungsbereich von 20x, jeweils bestehend aus fünf Linsengruppen LG21 bis LG25 mit Radien r, Dicken d, Abständen a zueinander, Brechzahlen n_e, Abbezahlen ν_e, bezogen auf die Wellenlänge von 546,07 nm:

bei folgenden Vergrößerungen in Zuordnung zu den variablen Abständen:
wobei die Linsengruppe LG25 innerhalb eines in axialer Richtung sich erstreckenden Längenbereichs von etwa ±1 mm verschiebbar ist, ohne dadurch eine Veränderung der mit diesem Vergrößerungswechsler (5.1, 5.2) vorgegebenen Vergrößerung zu verursachen.
Optische Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, bei der afokale Vergrößerungssysteme für eine bestimmte Vergrößerung vorhanden sind und die verschiebbaren optischen Baugruppen Linsen oder Linsengruppen dieser Vergrößerungssysteme sind.
Optische Anordnung nach Anspruch 7 mit afokalen Vergrößerungssystemen für eine Vergrößerung von –1x, jeweils bestehend aus zwei Linsengruppen LG31 und LG32 mit Radien r, Dicken d, Abständen a zueinander, Brechzahlen n_e, Abbezahlen ν_e und Brennweiten f', bezogen auf die Wellenlänge von 546,07 nm:
wobei die Linsengruppe LG32 innerhalb eines in axialer Richtung sich erstreckenden Längenbereichs von etwa ±0,5 mm relativ zur Linsengruppe LG31 verschiebbar ist, ohne dabei eine Veränderung der mit diesem Vergrößerungssystem vorgegebenen Vergrößerung zu verursachen.
Optische Anordnung nach Anspruch 7 mit afokalen Vergrößerungssystemen für eine Vergrößerung von 1x, jeweils bestehend aus zwei Linsengruppen LG41 und LG42 mit Radien r, Dicken d, Abständen a zueinander, Brechzahlen n_e, Abbezahlen ν_e und Brennweiten f', bezogen auf die Wellenlänge von 546,07 nm:
wobei die Linsengruppe LG42 innerhalb eines in axialer Richtung sich erstreckenden Längenbereichs von etwa ±0,5 mm relativ zur Linsengruppe LG41 verschiebbar ist, ohne dabei eine Veränderung der mit diesem Vergrößerungssystem vorgegebenen Vergrößerung zu verursachen.
Optische Anordnung nach Anspruch 7 mit afokalen Vergrößerungssystemen für eine Vergrößerung von 0,87x, jeweils bestehend aus zwei Linsengruppen LG51 und LG52 mit Radien r, Dicken d, Abständen a zueinander, Brechzahlen n_e, Abbezahlen ν_e und Brennweiten f', bezogen auf die Wellenlänge von 546,07 nm:
wobei die Linsengruppe LG52 innerhalb eines in axialer Richtung sich erstreckenden Längenbereichs von etwa ±0,5 mm relativ zur Linsengruppe LG51 verschiebbar ist, ohne dabei eine Veränderung der mit diesem Vergrößerungssystem vorgegebenen Vergrößerung zu verursachen.
Optische Anordnung nach Anspruch 1 oder 2 mit Tubuslinsensystemen mit veränderbarer Übertragungslänge, wobei die verschiebbaren optischen Baugruppen Linsen oder Linsengruppen dieser Tubuslinsensysteme sind.
Optische Anordnung nach Anspruch 11 mit Tubuslinsensystemen, bestehend aus den Linsen L1 bis L3 mit den Radien r, Dicken d, Abständen a zueinander, Brechzahlen n_e und Abbezahlen ν_e, bezogen auf die Wellenlänge von 546,07 nm:
wobei sich die Gesamtübertragungslänge des Tubuslinsensystems und damit die Fokusposition bzw. die Fokussierung auf die Empfängerfläche ändert, wenn der Verbund aus den Linsen L1 und L3 einerseits und die Linse L2 andererseits in axialer Richtung innerhalb eines Längenbereichs von ±9 mm relativ zueinander verschoben werden, ohne daß dadurch eine Veränderung der vorgegebenen Vergrößerung verursacht wird.
Verfahren zur Kalibrierung der Abbildung tiefenstrukturierter Objekte unter Verwendung der in einem der Anspruch 1 bis 12 genannten optischen Anordnung, dadurch gekennzeichnet, daß – eine Serie von Abbildungen aus unterschiedlichen Objektabständen zur Bestimmung der Änderung der Bildgeometrie aufgenommen und – dazu das Objekt in unterschiedliche Abstände zur optischen Anordnung gestellt wird, – wobei eine nach Einstellung eines von einer vorhergehenden Einstellung abweichenden Objektabstandes vorhandene Defokussierung durch Verschieben der optischen Baugruppen kompensiert wird.
Verfahren zur Aufnahme einer Folge von farblängsfehlerbehafteten Bildern von Objekten einer Objektebene unter Verwendung der in einer der in Anspruch 1 bis 12 benannten Anordnung, dadurch gekennzeichnet, daß – eine Serie von Abbildungen bei gleichem Objektabstand zeitlich nacheinander und wellenlängenselektiv aufgenommen wird, – wobei zwecks Kompensation einer auf eine bestimmte Wellenlänge bezogenen Defokussierung die optischen Baugruppen verschoben werden.