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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein optisches Vergrößerungsänderungssystem
zur Bereitstellung von optischen Abbildungsvergrößerungen und ein Mikroskop,
insbesondere ein Stereo-Operationsmikroskop mit einem solchen.
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Derartige
Vergrößerungsänderungssysteme
sind aus dem Stand der Technik insbesondere im Zusammenhang mit
Stereomikroskopen bekannt, um insbesondere zwischen einer ersten
optischen Abbildungsvergrößerung,
welche beispielsweise eine Übersicht über eine
betrachtete Objektebene erlaubt, und einer zweiten Abbildungsvergrößerung,
welche beispielsweise einen vergrößerten Ausschnitt dieser Objektebene
mit entsprechend erhöhter
Detailerkennbarkeit zeigt, umzuschalten. Dabei ist es für eine hohe
Benutzerakzeptanz des Vergrößerungsänderungssystems
erforderlich, daß die
Umschaltung einfach und schnell erfolgt.
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Hierfür ist es
bei einem Stereomikroskop zum einen bekannt, einen Objektiv- oder
Okularwechsel durchzuführen,
um zwischen zwei Vergrößerungen
umzuschalten. So erhöht
sich beispielsweise bei einem Austausch eines Okulars 10× durch
ein Okular 12.5× die
Gesamtvergrößerung durch
die so bewirkte Nachvergrößerung im
gesamten Vergrößerungsbereich
linear um 25%.
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Alternativ
ist es bekannt, zwischen einem Zoomsystem und einem Tubus eines
Okularsystems eines Stereomikroskops ein Galilei-System vorzusehen.
Dies ist in den 4A, 4B und 4C schematisch gezeigt.
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Dabei
sind in 4A zwei von einer Objektebene
P ausgehende Abbildungsstrahlengänge
B1 und B2, welche in der Objektebene P einen Stereowinkel α einschließen, getrennt
dargestellt.
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Wie
in 4A gezeigt, weist das aus dem Stand der Technik
bekannte Stereomikroskop entlang der von der Objektebene P ausgehenden
Abbildungsstrahlengänge
B1 und B2 zunächst
ein Objektivsystem C auf, welches von den Abbildungsstrahlengängen B1
und B2 gemeinsam durchlaufen wird. Nach dem Durchlaufen des Objektivsystems
C werden die beiden Abbildungsstrahlengänge B1 und B2 getrennt in einem
optischen Zoomsystem E' geführt. Zwischen
dem Zoomsystem E' und
einem für
die beiden Abbildungsstrahlengänge
B1 und B2 getrennt vorgesehenen Tubus L ist ein Galilei-System D*
in Form zweier Galilei-Wechsler D1*, D2* angeordnet.
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Die 4B und 4C zeigen
Seitenansichten der in 4A in Aufsicht gezeigten Galilei-Wechsler D1*,
D2*. Dabei zeigt 4B eine Seitenansicht in Richtung
der Abbildungsstrahlengänge
B1, B2 und 4C eine Seitenansicht quer zu
den Abbildungsstrahlengängen
B1, B2.
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Die
Galilei-Wechsler D1*, D2* weisen für die beiden Abbildungsstrahlengänge B1 und
B2 jeweils zwei getrennte einstufige Vergrößerungssysteme mit paarweise
unterschiedlicher Vergrößerung auf.
Die beiden Paare einstufiger Vergrößerungssysteme sind in den
Galilei-Wechslern D1*, D2* jeweils paarweise um 90° verdreht
angeordnet. Durch mechanische Drehung der Galilei-Wechsler D1*,
D2* um 90° um
eine zu den Abbildungsstrahlengängen
B1 und B2 im wesentlichen senkrechte Drehachse R wird ein Paar der
einstufigen Vergrößerungssysteme
wahlweise in die Ab bildungsstrahlengänge B1 und B2 eingeschwenkt.
Dieses wahlweise Einschwenken eines Paars der zwei Paare von einstufigen
Vergrößerungssystemen
in die beiden Abbildungsstrahlengänge B1 und B2 bewirkt eine
Umschaltung zwischen genau zwei optischen Abbildungsvergrößerungen.
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Der
aus dem Stand der Technik bekannte Aufbau weist die folgenden Nachteile
auf:
Zum einen ist das aus dem Stand der Technik bekannte Galilei-System
(und auch ein Austausch von Okularen) in einer dem Objektiv C und
dem Zoomsystem E' des
Stereomikroskops nachgelagerten Abbildungsstufe angeordnet, welche
aufgrund der vorangegangenen Vergrößerung durch das Zoomsystem
E' jeweils eine
gegenüber
dem Objektivsystem C verkleinerte Apertur und damit einen verkleinerten Öffnungswinkel β1 bzw. β2 der Abbildungsstrahlengänge aufweist.
Bei einer Nachvergrößerung durch
das Galilei-System
(oder einem Austausch von Okularen) besteht nun die Gefahr, daß der jeweilige Öffnungswinkel
der Abbildungsstrahlengänge nach
der Nachvergrößerung das
Auflösungsvermögen eines
Auges eines Betrachters oder einer verwendeten Digitalkamera unterschreitet.
In diesem Fall spricht man von einer "leeren Vergrößerung", da die erzielte Abbildungsvergrößerung keine
Erhöhung
der Detailerkennbarkeit und damit der Objektauflösung bewirkt. Weiter kommt
es bei einer Nachvergrößerung an
dieser Stelle aufgrund der bereits gegenüber dem Objektiv C verkleinerten
Apertur zu einem hohen Helligkeitsabfall.
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Ein
weiterer Nachteil des vorbekannten Aufbaues ist, daß während eines
Umschaltens ein Teil der optisch wirksamen Bauelemente des Galilei-Systems
D* aus dem jeweiligen Abbildungsstrahlengang B1 bzw. B2 herausgeschwenkt
wird. In der Folge findet während
des Umschaltens keine Abbildung statt. Weiter wird ein Bauvolumen
des Stereomikroskops bei Verwendung eines Galilei-Systems nach dem
Stand der Technik erheblich vergrößert, da außerhalb der Abbildungsstrahlengänge B1 und
B2 zusätzlicher
Raum für
die aus den Abbildungsstrahlengängen
B1 und B2 herausgeschwenkten Bauelemente des Galilei-Systems bereitgestellt werden
muß.
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Aus
der deutschen Auslegeschrift
DE 1 282 314 A5 ist ein pankratisches Objektiv
hoher Lichtstärke bekannt,
welches insbesondere für
Projektionszwecke geeignet ist. Das Objektiv besteht aus einem Grundobjektiv
fester Brennweite und einem Vorsatz variabler Vergrößerung.
Für eine
weitgehende Korrektur von Bildfehlern bei dem aus zwei positiven
und ortsfesten Gliedern und einem zwischen diesen Gliedern verschiebbaren
negativen Glied gebildeten Zoom-Vorsatz sind hinsichtlich der Brennweiten
der Glieder des Vorsatzes und der Brennweiten von Linsen des Grundobjektivs
bestimmte vorgegebene Beziehungen einzuhalten.
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Aus
dem
US-Patent US 6,239,920
B1 ist ein Zoomlinsensystem bekannt. In einem Zoom-Modus
zur Änderung
der Abbildungsvergrößerung wird
ein aus vier Linsengruppen bestehendes System offenbart, bei dem
die erste und dritte Linsengruppe positive Brechkraft aufweisen
und ortsfest sind, und für
eine Änderung der
Abbildungsvergrößerung die
zweite und vierte Linsegruppe verlagert werden. Die Verlagerung
von lediglich der zweiten Linsengruppe wird lediglich in Verbindung
mit einer Makro-Fokussierung und damit einer Änderung des Arbeitsabstandes,
nicht jedoch mit einer Änderung
der Abbildungsvergrößerung gelehrt.
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Aus
dem
US-Patent US 6,392,816
B1 ist ein optisches System zur Bewirkung einer variablen
Abbildungsvergrößerung bekannt,
welches dem aus dem
US-Patent
US 6,239,920 B1 beschriebenen System im wesentlichen entspricht.
Dabei ist zusätzlich
eine verlagerbare fünfte
Linsengruppe vorgesehen.
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Es
ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein optisches Vergrößerungsänderungssystem
zur Bereitstellung von genau zwei optischen Abbildungsvergrößerungen
zur Verfügung
zu stellen, welches einen einfachen und kompakten Aufbau aufweist.
Weiter ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Mikroskop bereitzustellen,
welches ein optisches Vergrößerungsänderungssystem
zur Bereitstellung von genau zwei optischen Abbildungsvergrößerungen
aufweist.
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Die
vorstehende Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein optisches Vergrößerungsänderungssystem mit
den Merkmalen des unabhängigen
Anspruchs 1 gelöst.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen finden sich in den Unteransprüchen.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird ein optisches Vergrößerungsänderungssystem zur Bereitstellung
von genau zwei optischen Abbildungsvergrößerungen offenbart, wobei das
Vergrößerungsänderungssystem
drei von einem Abbildungsstrahlengang nacheinander durchsetzte optische
Baugruppen umfaßt.
Dabei ist eine erste Baugruppe der drei Baugruppen mit einem festen
Abstand von einer zweiten Baugruppe der drei Baugruppen angeordnet,
und eine dritte Baugruppe der drei Baugruppen ist zwischen der ersten
und der zweiten Baugruppe angeordnet. Weiter umfaßt das erfindungsgemäße Vergrößerungsänderungssystem
eine Positioniereinrichtung für
die dritte Baugruppe, welche genau zwei vorbestimmte Betriebszustände aufweist.
Dabei ist die dritte Baugruppe in einem ersten der beiden Betriebszustände mit
einem vorbestimmten ersten Abstand von der ersten Baugruppe angeordnet
und in einem zweiten der beiden Betriebszustände mit einem vorbestimmten
zweiten Abstand von der ersten Baugruppe angeordnet. Um die Einbindung
des Objektivsystems zu erleichtern, weist das Objektivsystem eine
Objektebene auf, welche von dem Objektivsystem zur Realisierung
einer afokalen Schnittstelle nach Unendlich abgebildet wird.
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Wie
sich bereits aus der unterschiedlichen Bezeichnung "erster Abstand" und "zweiter Abstand" ergibt, ist der
erste Abstand der mittleren dritten Baugruppe von der äußeren ersten
Baugruppe unterschiedlich zu dem zweiten Abstand der mittleren dritten
Baugruppe von der äußeren ersten
Baugruppe. Dies ist auch zwingend erforderlich, da sonst keine zwei
unterschiedlichen und damit deutlich unterscheidbaren Abbildungsvergrößerungen
bewirkt werden können.
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Da
die beiden im Strahlengang angeordneten äußeren ersten und zweiten Baugruppen
des erfindungsgemäßen dreigliedrigen
optischen Systems zueinander einen konstanten Abstand aufweisen,
legen sie die äußeren Abmessungen
des Systems dauerhaft fest. Diese Festlegung bleibt auch während einer
Verlagerung der mittleren dritten Baugruppe relativ zu den beiden
feststehenden äußeren ersten
und zweiten Baugruppen bestehen. Die feststehende äußere Begrenzung
erlaubt eine leichte, kompakte und modulare Integration des Systems
in einen optischen Aufbau wie beispielsweise ein Mikroskop oder
Fernrohr.
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Weiter
weist das erfindungsgemäße optische
System einen besonders einfachen Aufbau auf, da lediglich die mittlere
dritte Baugruppe verlagerbar ist und die übrigen äußeren ersten und zweiten Baugruppen ortsfest
sind. Der Aufbau wird weiter dadurch vereinfacht, daß eine genaue
Positionierung der dritten Baugruppe im Strahlengang lediglich an
zwei vorgegebenen Abständen
von der äußeren ersten
Baugruppe und damit an zwei vorgegebenen Positionen erforderlich
ist.
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Eine
durch einen Fachmann anhand seines Fachwissens ohne weiteres vorzunehmende
Wahl der verwendeten optischen Baugruppen und Abstände ermöglicht es,
daß das
System in beiden vorgegebenen Abständen für die mittlere dritte Baugruppe
jeweils eine von zwei gewünschten
vorgegebenen Abbildungsvergrößerungen
mit einer gewünschten
Abbildungsqualität
aufweist.
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Es
kann vorteilhaft sein, wenn das optische Vergrößerungsänderungssystem ferner ein von
dem Abbildungsstrahlengang durchsetztes Objektivsystem umfaßt, wobei
die erste Baugruppe zwischen der zweiten Baugruppe und dem Objektivsystem
angeordnet ist und wobei das Objektivsystem eine positive Brechkraft aufweist.
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Diese
Anordnung des erfindungsgemäßen Vergrößerungssystems
direkt nach dem Objektivsystem erlaubt eine direkte Vergrößerung des
vom Objektivsystem bereitgestellten Strahlenganges. Da am Objektivsystem
die Apertur und damit der Öffnungswinkel
des optischen Aufbaus in der Regel maximal ist, ist bei einer derartigen
Anordnung die Gefahr einer "leeren
Vergrößerung", das heißt einer
Vergrößerung,
welche zu einem nicht mehr auflösbaren Öffnungswinkel
führt,
gering. Weiter ist bei einer derartigen Anordnung der mit der Vergrößerung durch
das Vergrößerungssystem
verbundene Helligkeitsabfall minimal.
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Gemäß einer
Ausführungsform
kann das Objektivsystem wenigstens zwei optische Objektiv-Baugruppen
umfassen, welche relativ zueinander verlagerbar sind, um einen Abstand
einer Objektebene des Objektivsystems von dem Objektivsystem zu ändern.
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Die
so realisierte Varioskop-Funktion erlaubt eine Anpassung eines Arbeitsabstandes
zwischen Objektivsystem und einem betrachteten Objekt.
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Weiter
kann es vorteilhaft sein, wenn ein aus den drei Baugruppen gebildeter
optischer Vergrößerungsschalter
eine Bildebene aufweist, welche von dem Vergrößerungsschalter nach Unendlich
abgebildet wird und so eine afokale Schnittstelle bildet.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
kann der Abbildungsstrahlengang alle drei Baugruppen auch während einer Änderung
der Anordnung der dritten Baugruppe zwischen den beiden vorbestimmten
ersten und zweiten Abständen
von der ersten Baugruppe nacheinander durchsetzen.
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Somit
sind alle drei Baugruppen gemäß dieser
Ausführungsform
auch während
einer Verlagerung der mittleren dritten Baugruppe immer im Abbildungsstrahlengang
angeordnet. Hierdurch weist das System insgesamt eine kompakte Bauform
auf, da außerhalb
des Abbildungsstrahlenganges kein Raum für eine Verlagerung der mittleren
dritten Baugruppe bereitgestellt werden muß. Weiter wird so auch während einer
Verlagerung der mittleren dritten Baugruppe immer eine Abbildung
erhalten.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausführungsform
kann die Positioniereinrichtung einen Verlagerer aufweisen, der
die dritte Baugruppe in Abhängigkeit
von einem jeweiligen Betriebszustand der Positioniereinrichtung
zwischen den beiden vorbestimmten ersten und zweiten Abständen von
der ersten Baugruppe verlagert.
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Dabei
kann es Vorteile bringen, wenn der Verlagerer die dritte Baugruppe
durch translatorische Schiebebewegung entlang des Abbildungsstrahlenganges
relativ zu der ersten und zweiten Baugruppe verlagert.
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Der
Grund ist, dass eine derartige translatorische Schiebebewegung konstruktiv
einfach und mit kleinem Bauvolumen realisiert werden kann. Weiter
erlaubt eine translatorische Schiebebewegung eine besonders schnelle
Verlagerung der mittleren dritten Baugruppe zwischen den vorbestimmten
ersten und zweiten Abständen.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
kann das Vergrößerungsänderungssystem
ferner ein von dem Abbildungsstrahlengang durchsetztes Zoomsystem
mit variabler Abbildungsvergrößerung umfassen,
wobei das Zoomsystem wenigstens zwei optische Zoom-Baugruppen umfaßt, welche
relativ zueinander verlagerbar sind, um die Abbildungsvergrößerung des
Zoomsystems variabel zu ändern.
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Somit
sind die ersten bis vierten optischen Baugruppen und die optischen
Zoom-Baugruppen in Reihe geschaltet. Dabei kann wahlweise die zweite
Baugruppe zwischen der ersten Baugruppe und dem Zoomsystem oder
die erste Baugruppe zwischen der zweiten Baugruppe und dem Zoomsystem
angeordnet sein.
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Da
gemäß dieser
Ausführungsform
die drei die beiden optischen Abbildungsvergrößerungen bewirkenden optischen
Baugruppen des Vergrößerungsänderungssystems
dem Zoomsystem vorgeschaltet sind und die Abbildungsvergrößerungen
entlang des Abbildungsstrahlenganges multiplikativ zusammenwirken, kann
das Zoomsystem zur Erzielung einer vorgegebenen Gesamtvergrößerung des
Systems entsprechend einfacher, das heißt mit einem kleineren Vergrößerungsbereich
ausgestaltet sein.
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In
diesem Fall kann die variable Abbildungsvergrößerung des Zoomsystems vorzugsweise
maximal sechsfach, vorzugsweise maximal fünffach, bevorzugt maximal vierfach
und besonders bevorzugt dreifach sei.
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Gemäß einer
besonders bevorzugten Ausführungsform
können
die erste Baugruppe und die zweite Baugruppe jeweils eine gleiche
Brechkraft aufweisen, und kann die dritte Baugruppe eine Brechkraft
aufweisen, die unterschiedlich zu der Brechkraft der ersten und
zweiten Baugruppe ist.
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In
diesem Fall kann es besonders vorteilhaft sein, wenn die Brechkraft
der ersten und zweiten Baugruppe positiv und die Brechkraft der
dritten Baugruppe negativ ist.
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Bevorzugt
kann dann die erste und zweite Baugruppe jeweils eine Konvexlinse
sein.
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Vorzugsweise
kann dann die dritte Baugruppe zwei identische Konkavlinsen aufweisen,
die voneinander mit einem vorgegebenen gleichbleibenden Abstand
beabstandet sind.
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Es
ist dem Fachmann ohne weiteres bekannt, dass für alle drei Baugruppen je nach
Anforderung wahlweise normale Linsen oder auch Kittglieder verwendet
werden können.
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Gemäß einer
Ausführungsform
sind die erste und zweite Baugruppe jeweils identische Linsen, und weist
die dritte Baugruppe zwei identische Linsen auf.
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Durch
Verwendung identischer Linsen können
der Aufbau und die Herstellung des erfindungsgemäßen Vergrößerungs änderungssystems erheblich vereinfacht
werden. Dabei können
die identischen Linsen der ersten und zweiten Baugruppe beispielsweise
optische Konvexlinsen und die identischen Linsen der dritten Baugruppe
beispielsweise optische Konkavlinsen sein.
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Gemäß einer
Ausführungsform
kann der vorbestimmte zweite Abstand der dritten Baugruppe von der ersten
Baugruppe gleich einer Differenz zwischen dem festen Abstand zwischen
der ersten Baugruppe und der zweiten Baugruppe und dem vorbestimmten
ersten Abstand der dritten Baugruppe von der ersten Baugruppe sein.
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Dies
hat zur Folge, dass eine Anordnung der drei Baugruppen des Vergrößerungsänderungssystems im
ersten Betriebszustand symmetrisch zu der Anordnung der drei Baugruppen
im zweiten Betriebszustand ist.
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Gemäß einer
Ausführungsform
kann eine erste optische Abbildungsvergrößerung des Vergrößerungsänderungssystem
gleich dem Kehrwert einer zweiten optischen Abbildungsvergrößerung des
Vergrößerungsänderungssystem
sein.
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Ein
derartiger Aufbau führt
dazu, daß sich
das erfindungsgemäße optische
Vergrößerungssystem
trotz konstruktiv anderen Aufbaus optisch wie ein Galilei-Wechsler
verhält.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
können
freie Durchmesser von die erste Baugruppe, die zweite Baugruppe
und die dritte Baugruppe jeweils bildenden optischen Linsen jeweils
größer sein,
als ein maximaler Strahlbündeldurchmesser
des die Linsen in beiden Betriebszuständen durchsetzenden Abbildungsstrahlengangs.
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Dabei
sollen unter freien Durchmessern die Durchmesser der Linsen ohne
die jeweilige Fassung der Linse verstanden werden. Dieser freie
Durchmesser der jeweiligen Linse kann beispielsweise 5%, bevorzugt jedoch
1% größer als
der maximale Strahlbündeldurchmesser
des die jeweilige Linse durchsetzenden Abbildungsstrahlengangs sein.
Bei einer derartigen Dimensionierung der Linsen begrenzen die drei
Baugruppen die Apertur des sie durchsetzenden Abbildungsstrahlengangs
nicht und vermeiden so eine "leere" Vergrößerung.
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Gemäß einer
Ausführungsform
kann das Vergrößerungsänderungssystem
in ein Stereomikroskop und bevorzugt ein Operationsmikroskop und
besonders bevorzugt ein digitales Operationsmikroskop integriert sein.
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Derartige
Operationsmikroskope finden beispielsweise in der Dentalmedizin
Verwendung, wo eine häufige
Umschaltung zwischen zwei deutlich unterscheidbaren Abbildungsvergrößerungen
erforderlich ist.
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Die
vorstehende Aufgabe wird auch durch ein Mikroskop gelöst, das
wenigstens ein von einem Abbildungsstrahlengang durchsetztes Objektivsystem,
ein bildgebendes System, welches vorzugsweise wenigstens ein Paar
von Okularen und/oder eine Stereokamera umfasst, sowie ein optisches
Vergrößerungsänderungssystem
nach einem der Ansprüche
1 bis 19 aufweist.
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Im
Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen
des erfindungsgemäßen optischen
Vergrößerungsänderungssystems
detailliert beschrieben. Soweit möglich sind in den Figuren gleiche
oder ähnliche
Elemente mit den gleichen oder ähnlichen
Bezugszeichen versehen. Dabei zeigen
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1A, 1B einen
Abbildungsstrahlengang durch zentrale Baugruppen des erfindungsgemäßen optischen
Vergrößerungsänderungssystems
gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform,
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2A, 2B, 2C, 2D einen
Abbildungsstrahlengang durch eine Ausführungsform, in welcher der
in den 1A und 1B gezeigte
Aufbau Verwendung findet,
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3A, 3B einen
Abbildungsstrahlengang durch zwei Ausführungsformen, in denen das
erfindungsgemäße optische
Vergrößerungsänderungssystem
in ein Stereomikroskop integriert ist,
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4A,
einen Abbildungsstrahlengang durch ein Stereomikroskop, welches
ein Vergrößerungsänderungssystem
nach dem Stand der Technik aufweist, und
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4B, 4C Seitenansichten
des in 4A in Aufsicht gezeigten Vergrößerungsänderungssystems.
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Die 1A und 1B zeigen
einen Abbildungsstrahlengang B durch zentrale Baugruppen des erfindungsgemäßen optischen
Vergrößerungsänderungssystems
gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform.
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Die
gezeigte Ausführungsform
des erfindungsgemäßen optischen
Vergrößerungsänderungssystems zur
Bereitstellung von genau zwei unterschiedlichen optischen Abbildungsvergrößerungen
setzt sich aus drei optischen Baugruppen D1, D5 und D4 zusammen.
Die drei optischen Baugruppen D1, D5 und D4 werden von einem von
einer Objektebene P ausgehenden Abbildungsstrahlengang B nacheinander
durchsetzt und bilden zusammen einen optischen Vergrößerungsschalter
D.
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Dabei
handelt es sich bei einer äußeren ersten
Baugruppe D1 und einer äußeren zweiten
Baugruppe D5 um zwei identische Konvexlinsen mit gleicher positiver
Brechkraft, die voneinander mit einem festen Abstand K beabstandet
sind. In den 1A und 1B wird
der feste Abstand K zwischen den beiden äußeren ersten und zweiten Baugruppen
D1 und D5 durch eine gemeinsame Fassung H festgelegt.
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Die
zwischen den äußeren ersten
und zweiten Baugruppen D1 und D5 angeordnete mittlere dritte Baugruppe
D4 wird in der gezeigten Ausführungsform
von zwei identischen Konkavlinsen D2 und D3, die voneinander mit
einem vorgegebenen gleichbleibenden Abstand K3 beabstandet sind,
gebildet. Somit weist die mittlere dritte Baugruppe D4 insgesamt
eine negative Brechkraft auf.
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Dabei
sind jeweilige freie Durchmesser der die erste, zweite und dritte
Baugruppe D1, D4, D5 jeweils bildenden Linsen D1, D2, D3, D5 1%
größer als
ein maximaler Strahlbündeldurchmesser
des die Linsen jeweils durchsetzenden Abbildungsstrahlengangs sein.
Somit begrenzen die drei Baugruppen D1, D4, D5 die Apertur des sie
durchsetzenden Abbildungsstrahlengangs nicht.
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Wie
sich aus einer Zusammenschau der 1A und 1B ergibt,
ist die mittlere dritte Baugruppe D4 wahlweise mit einem ersten
Abstand K1 oder einem zweiten Abstand K2 von der ersten Baugruppe
beabstandet. Ersichtlich ist der erste Abstand K1 dabei unterschiedlich
zu dem zweiten Abstand K2. Die beiden Abstände K1 und K2 sind in Abhängigkeit
von den optischen Eigenschaften der drei Baugruppen D1, D5 und D4 so
vorbestimmt, daß der
erfindungsgemäße Vergrößerungsschalter
D in den beiden vorgegebenen Positionen für die mittlere dritte Baugruppe
D4 jeweils eine vorgegebene, vorzugsweise deutlich unterscheidbare
Abbildungsvergrößerung aufweist,
bei der gleichzeitig die Vergrößerung und
ein Arbeitsabstand des Systems angepaßt sind.
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Für die Anordnung
der mittleren dritten Baugruppe D4 zwischen den beiden äußeren Baugruppen
D1 und D5 ist eine Positioniereinrichtung G vorgesehen. Diese Positioniereinrichtung
G weist zwei Betriebszustände
auf. In einem ersten Betriebszustand ist die mittlere dritte Baugruppe
D4 mit dem ersten Abstand K1 und in dem zweiten Betriebszustand
mit dem zweiten Abstand K2 von der äußeren ersten Baugruppe D1 beabstandet
angeordnet.
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Die
Verlagerung der mittleren dritten Baugruppe D4 erfolgt in der gezeigten
Ausführungsform
mittels eines Verlagerers G1 der Positioniereinrichtung G. Der Verlagerer
G1 dient als gemeinsame Fassung für die beiden die mittlere dritte
Baugruppe D4 bildenden Konkavlinsen D2 und D3 und legt so den vorgegebenen gleichbleibenden
Abstand K3 zwischen den beiden Konkavlinsen D2 und D3 fest.
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In
den 1A und 1B ist
der vorbestimmte zweite Abstand K2 der dritten Baugruppe D4 von
der ersten Baugruppe D1 gleich einer Differenz zwischen dem festen
Abstand K und dem vorbestimmten ersten Abstand K1.
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Dies
hat zur Folge, dass eine Anordnung der drei Baugruppen D1, D5, D4
des Vergrößerungsschalters D
im ersten Betriebszustand der Positioniereinrichtung G symmetrisch
zu der Anordnung der drei Baugruppen D1, D5, D4 im zweiten Betriebszustand
der Positioniereinrichtung G ist.
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Entsprechend
ist eine erste optische Abbildungsvergrößerung γ1 in dem Fall, in dem die mittlere
dritte Baugruppe D4 mit dem ersten Abstand K1 von der ersten Baugruppe
D1 beabstandet ist, gleich dem Kehrwert einer zweiten optischen
Abbildungsvergrößerung γ2 für den Fall,
in dem die mittlere dritte Baugruppe D4 mit dem zweiten Abstand
K2 von der ersten Baugruppe D1 beabstandet ist.
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Die
in den 1A und 1B gezeigte
Anordnung der äußeren ersten
und zweiten Baugruppen D1 und D5 mit konstantem Abstand K voneinander
erlaubt es, das erfindungsgemäße optische
Vergrößerungsänderungssystem
leicht in bestehende optische Aufbauten zu integrieren. Weiter weist
das System einen besonders einfachen Aufbau auf, da lediglich eine
optische Baugruppe verlagerbar ist.
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Die
in den
1A,
1B gezeigte
Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Vergrößerungsschalters
D weist die folgenden Systemdaten auf: Tabelle 1
| Oberfläche Nr. | Radius
[mm] | Dicke
[mm] | Medium | Freier
Durchmesser [mm] |
| | | Tubus
L/Zoomsystem E | | |
| 1 | 52,771 | | | 32,0 |
| | | 4,0 | NBAF51 | |
| 2 | 781,49 | | | 32,0 |
| | | K-K1
bzw. K-K2 (2 mm bzw. 25 mm) | Luft | |
| 3 | -120,88 | | | 30,0 |
| | | 3,0 | LAFN7 | |
| 4 | 88,004 | | | 30,0 |
| | | 3,0 | Luft | |
| 5 | -88,004 | | | 30,0 |
| | | 3,0 | LAFN7 | |
| 6 | 120,88 | | | 30,0 |
| | | K1
bzw. K2 (25 mm bzw. 2 mm) | Luft | |
| 7 | -781,49 | | | 32,0 |
| | | 4,0 | NBAF51 | |
| 8 | -52,771 | | | 32,0 |
| | | Objektivsystem C/Objektebene
P | | |
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Für K = 27
mm, K1 = 25 mm und K2 = 2 mm ergibt sich bei dieser Ausführungsform
für den
in 1A gezeigten ersten Betriebszustand, in dem die
mittlere dritte Baugruppe D4 von der ersten Baugruppe D1 um den
ersten Abstand K1 beabstandet ist, ein Vergrößerungsfaktor γ1 = 1,4.
Für den
in 1B gezeigten zweiten Betriebszustand, in dem die
mittlere dritte Baugruppe D4 von der ersten Baugruppe D1 um den
zweiten Abstand K2 beabstandet ist, ergibt sich ein Vergrößerungsfaktor γ2 = 0,7.
Die wählbaren
Vergrößerungsfaktoren
sind somit deutlich unterscheidbar.
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Es
wird betont, dass die vorstehenden Systemdaten nur beispielhaft
sind und geeignet variiert werden können. Auch wenn vorstehend
für alle
drei Baugruppen D1, D5 und D4 des optischen Vergrößerungsschalters
D normale Linsen verwendet worden sind, können die beiden äußeren Baugruppen
D1 und D5 und/oder die mittlere dritte Baugruppe D4 auch durch Kittglieder
o.ä. realisiert
sein.
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Die 2A bis 2D zeigen
jeweils einen Abbildungsstrahlengang durch verschiedene Ausführungsformen,
in denen der in den 1A und 1B gezeigte
erfindungsgemäße optische
Vergrößerungsschalter
D Verwendung findet. Dabei ist zur Erhöhung der Übersicht die Fassung H nicht
eigens dargestellt. Auch die Positioniereinrichtung G' ist lediglich in 2C eigens
gezeigt.
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Die 2A und 2C zeigen
Betriebszustände,
in denen die mittlere dritte Baugruppe D4 mit dem Abstand K1 von
der äußeren ersten
Baugruppe D1 des optischen Vergrößerungsschalters
D beabstandet ist. Entsprechend zeigen die 2B und 2D Betriebszustände, in
denen die mittlere dritte Baugruppe D4 mit dem Abstand K2 von der äußeren ersten
Baugruppe D1 beabstandet ist.
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Wie
in 2A gezeigt, kann das optische Vergrößerungsänderungssystem
neben dem Vergrößerungsschalter
D ein von dem Abbildungsstrahlengang B durchsetztes Objektivsystem
C mit positiver Brechkraft aufweisen. Dabei ist das Objektivsystem
C auf der Seite der Objektebene des in den 1A und 1B gezeigten
Vergrößerungsschalters
D angeordnet, so daß die
erste Baugruppe D1 zwischen der zweiten Baugruppe D5 und dem Objektivsystem
C angeordnet ist.
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Eine
derartige Anordnung bewirkt, daß die
Vergrößerung durch
den Vergrößerungsschalter
D an einer Stelle des optischen Aufbaues erfolgt, an dem die Apertur
und damit auch der Öffnungswinkel
maximal ist. Hierdurch wird die Gefahr einer leeren Vergrößerung und
ein Helligkeitsabfall gering gehalten.
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Wie
sich aus der Zusammenschau der 2A und 2C bzw. 2B und 2D ergibt,
sind die drei optischen Objektiv-Baugruppen
C1, C2 und C3 des Objektivsystems C so relativ zueinander verlagerbar, daß ein Arbeitsabstand
A1, A2 der Objektivebene P des Objektivsystems C einstellbar. Weiter
erfolgt in der in den 2A bis 2D gezeigten
Ausführungsform
eine Abbildung der Objektebene P durch das Objektivsystem C nach
Unendlich, so daß das
Objektivsystem C an einer dem Vergrößerungsschalter D zugewandten
Seite eine afokale Schnittstelle aufweist.
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Der
Vergrößerungsschalter
D und das Objektivsystem C sind in 2A zusätzlich vergrößert dargestellt,
so dass die optisch Wirksamen Oberflächen 1 bis 16 besser
unterscheidbar sind. Hieraus wird deutlich, dass es sich bei den
Objektiv-Baugruppen C1 und C3 jeweils um Kittglieder handelt.
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Wie
in 2A gezeigt, kann auf einer der Objektebene P abgewandten
Seite des in 1A und 1B gezeigten
Vergrößerungsschalters
D weiter ein von dem Abbildungsstrahlengang B durchsetztes Zoomsystem
E vorgesehen sein. Dieses weist durch Verwendung mehrerer relativ
zueinander verlagerbarer optischer Zoom-Baugruppen E1, E2 und E3
eine variabel veränderbare
Abbildungsvergrößerung Γ auf.
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Aufgrund
des vorgeschalteten Vergrößerungsschalters
kann die variable Abbildungsvergrößerung Γ des Zoomsystems gering gehalten
werden und beträgt
in dem in 2A gezeigten Beispiel maximal Γ ≤ 3. Eine derart
geringe variable Zoomvergrößerung ist
ausreichend, da sich entlang des Abbildungsstrahlenganges B1, B2
die Abbildungsvergrößerungen
multiplikativ ergänzen.
Die variable Abbildungsvergrößerung des Zoomsystems
kann jedoch alternativ auch beispielsweise Γ ≤ 4, Γ ≤ 5 oder Γ ≤ 6 sein.
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Wie
in 2A angedeutet, weist auch der Vergrößerungsschalter
D bevorzugt eine Bildebene auf, die nach Unendlich abgebildet wird.
Somit verfügt
auch der Vergrößerungsschalter
D über
eine afokale Schnittstelle, was seine Integration in modular aufgebaute
optische Systeme erleichtert.
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In
den 2C und 2D ist
die Positioniereinrichtung G' schematisch
gezeigt. Dabei weist die Positioniereinrichtung G den Verlagerer
G'1 auf, der die
mittlere dritte Baugruppe D4 in Abhängigkeit von einem jeweiligen
Betriebszustand der Positioniereinrichtung G' durch translatorische Schiebebewegung
entlang des Abbildungsstrahlenganges B relativ zu den äußeren ersten
und zweiten Baugruppen D1 und D5 zwischen den beiden vorbestimmten
ersten und zweiten Abständen
K1 und K2 von der ersten Baugruppe D1 verlagert. Zur Betätigung des
Verlagerers G'1
weist die in 2C gezeigte Positioniereinrichtung
G' einen manuell
betätigbaren
Umschalthebel G'2
auf. Alternativ kann die Positioniereinrichtung G' zur Betätigung des
Verlagerers G'1 beispielsweise
auch einen Elektromotor oder ähnliches
aufweisen.
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Eine
derartige translatorische Schiebebewegung kann konstruktiv besonders
einfach und mit kleinem Bauvolumen realisiert werden. Weiter erlaubt
eine translatorische Schiebebewegung eine besonders schnelle Verlagerung
der mittleren dritten Baugruppe D4 zwischen den vorbestimmten ersten
und zweiten Abständen K1
und K2 und damit ein besonders schnelles Umschalten zwischen den
beiden optischen Abbildungsvergrößerungen.
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Wie
aus einer Zusammenschau der 2A bis 2D ersichtlich,
durchsetzt der Abbildungsstrahlengang B alle drei Baugruppen D1,
D5 und D4 auch während
einer Änderung
der Anordnung der mittleren dritten Baugruppe D4 zwischen den beiden
vorbestimmten ersten und zweiten Abständen K1 und K2 von der ersten äußeren Baugruppe
D1. Da es somit bei einer Verlagerung der mittleren dritten Baugruppe
D4 nicht zu einem Herausschwenken der mittleren dritten Baugruppe
D4 aus dem Abbildungsstrahlengang B kommt, ist der erfindungsgemäße Aufbau
besonders kompakt. Weiter wird auch während einer Verlagerung der
dritten mittleren Baugruppe D4 immer eine Abbildung erhalten. Dabei
ist diese Abbildung jedoch in der Regel unscharf, solange die mittlere
dritte Baugruppe D4 nicht mit dem ersten oder zweiten Abstand K1
oder K2 von der äußeren ersten
Baugruppe D1 beabstandet ist.
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Bezeichnet
man die Brennweite des Objektivsystems C mit f, so kann für die in
den 2A bis 2D gezeigte
Ausführungsform
eine effektive Brennweite F1, F2, F3, F4 des aus dem Vergrößerungsschalter
D und dem Objektivsystem C gebildeten Aufbaus wie folgt berechnet
werden: F = f/γ.
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Hieraus
läßt sich
die entsprechende Vergrößerung VO1
des aus dem Vergrößerungsschalter
D und dem Objektivsystem C gebildeten Aufbaus wie folgt berechnen:
VO1 = 250/F = (250/f)γ.
Der Wert 250 entspricht dabei der normierten Sehweite einer Lupe
in Millimetern mm.
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In
der gezeigten Ausführungsform
ist das Objektivsystem für
eine Variation des Arbeitsabstandes A1, A2 von A1 = 200 mm bis A2
= 400 mm ausgelegt und weist eine sich zwischen f = 271 mm und f
= 452 mm verändernde
Brennweite f auf.
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Somit
kann mittels des Vergrößerungsschalters
D die effektive Brennweite F1, F2, F3, F4 des aus dem Vergrößerungsschalter
D und dem Objektivsystem C gebildeten Aufbaus beispielsweise für den Arbeitsabstand
A1 = 200 mm zwischen F1 = 192 mm und F2 = 384 mm und entsprechenden
Vergrößerungen
umgeschaltet werden. Hierdurch kann sowohl die Vergrößerung VO1
als auch ein entsprechender Sehfelddurchmesser in der Objektebene
P um den Faktor zwei umgeschaltet werden.
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Die
in den
2A bis
2D gezeigte
Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Vergrößerungsänderungssystems
weist ohne das in
2A zusätzlich gezeigte Zoomsystem
E die folgenden Systemdaten auf: Tabelle 2
| Oberfläche Nr. | Radius
[mm] | Dicke
[mm] | Medium | Freier
Durchmesser [mm] |
| | | Zoomsystem
E | | |
| 1 | 52,771 | | | 32,0 |
| | | 4,0 | NBAF51 | |
| 2 | 781,49 | | | 32,0 |
| | | K-K1
bzw. K-K2 (2 mm bzw. 25 mm) | Luft | |
| 3 | -120,88 | | | 30,0 |
| | | 3,0 | LAFN7 | |
| 4 | 88,004 | | | 30,0 |
| | | 3,0 | Luft | |
| Oberfläche Nr. | Radius
[mm] | Dicke
[mm] | Medium | Freier
Durchmesser [mm] |
| 5 | -88,004 | | | 30,0 |
| | | 3,0 | LAFN7 | |
| 6 | 120,88 | | | 30,0 |
| | | K1
bzw. K2 (25 mm bzw. 2 mm) | Luft | |
| 7 | -781,49 | | | 32,0 |
| | | 4,0 | NBAF51 | |
| 8 | -52,771 | | | 32,0 |
| | | 2,0-13,5 | Luft | |
| 9 | 105,26 | | | 32,0 |
| | | 4,0 | NPSK53 | |
| 10 | -70,005 | | | 32,0 |
| | | 3,0 | SF56A | |
| 11 | -344,27 | | | 32,0 |
| | | 0,1 | Luft | |
| 12 | 99,174 | | | 32,0 |
| | | 3,0 | NSSK8 | |
| 13 | Plan | | | 32,0 |
| | | 12,0-0,5 | Luft | |
| 14 | Plan | | | 31,0 |
| | | 3,0 | NSSK8 | |
| 15 | 30,178 | | | 30,0 |
| | | 3,0 | NSF6 | |
| 16 | 46,827 | | | 28,0 |
| | | A1,
A2 = 200-400 | Luft | |
| | | Objektebene
P | | |
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Die
sich für
K = 27 mm, K1 = 25 mm und K2 = 2 mm ergebenden zugehörigen Brennweiten,
Vergrößerungen
und Sehfelder sind in den folgenden Tabellen angegeben: Tabelle 3
| Arbeitsabstand
A1, A2 [mm] | Objektivsystem
Brennweite f [mm] | Abstand
zwischen dritter und erster Baugruppe | Effektive Brennweite F1,
F2, F3, F4 [mm] | Vergrößerung Objektivsystem
+ Vergrößerungsschalter
V01 | Gesamtvergrößerung V | Sehfeld
SF [mm] |
| 200 | 271 | | | 0,92 | 2,5-15 | 14-84 |
| | | K1 | 192 | 1,30 | 3,5-21 | 10-60 |
| | | K2 | 384 | 0,65 | 1,8-11 | 19-115 |
| 400 | 452 | | | 0,55 | 1,5-9 | 23-140 |
| | | K1 | 320 | 0,78 | 2,1-13 | 16-97 |
| | | K2 | 640 | 0,39 | 1,1-6 | 35-210 |
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Bei
der Berechnung der Gesamtvergrößerung und
der Sehfelder wurde von einem Zoomsystem Γ = 0,4 bis Γ = 2,4, einem Tubus L mit einer
Brennweite fT = 170 und Okularen 10×/21 ausgegangen.
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Bei
der vorstehend beschriebenen Ausführungsform bewirkt eine Änderung
der Vergrößerung des Vergrößerungsschalters
D weiter eine automatische Anpassung der Objektauflösung und
des Stereowinkels α an
die neue Größe des Sehfeldes.
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Auch
wenn das vorstehend beschriebene Objektivsystem C und das vorstehend
beschriebene Zoomsystem E jeweils verlagerbare optische Linsen bzw.
Kittglieder aufweisen, um eine Varioskop-Funktion bzw. eine variable
Abbildungsvergrößerung zu
bewirken, ist es alternativ oder zusätzlich auch möglich, anstelle
verlagerbarer Linsen bzw. Kittglieder optische Elemente variabler
Brechkraft zu verwenden.
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Die 3A und 3B zeigen
beispielhaft einen Abbildungsstrahlengang durch zwei Ausführungsformen,
in welchen der in den 1A und 1B gezeigte
Vergrößerungsschalter
D in ein Stereomikroskop integriert ist.
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Das
gezeigte Stereomikroskop weist ein Objektivsystem C, einen Vergrößerungsschalter
D, ein Zoomsystem E' und
einen Tubus L mit einem Okularsystem auf. Dabei weisen das Objektivsystem
C und der Vergrößerungsschalter
D den in den 2A bis 2D gezeigten
Aufbau auf.
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In
dem in den 3A und 3B gezeigten
Zoomsystem E' werden
Strahlengänge
B1 und B2 des Abbildungsstrahlengangs B, welche in der Objektebene
P den Stereowinkel α einschließen, anders
als von dem in 2A gezeigten Zoomsystem E von
separaten optischen Elementen geführt.
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Das
Zoomsystem E' weist
Zoom-Baugruppen E'1,
E'2, E'3 und E'4 bzw. E'5, E'6, E'7 und E'8 auf. Dabei sind
die Zoom-Baugruppen
E'2, E'3 bzw. E'6, E'7 relativ zu den
Zoom-Baugruppen
E'1, E'4 bzw. E'5, E'8 verlagerbar, um
eine variable Abbildungsvergrößerung der
Strahlengänge
B1 und B2 zu bewirken.
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Auch
in dem Tubus L des in den 3A und 3B gezeigten
Stereomikroskops werden die Strahlengänge B1 und B2 des Abbildungsstrahlengangs
B getrennt geführt.
Hierfür
weist der Tubus L inklusive Okular geeignete Linsen L1, L4, L5,
L6, L7, L10, L11, L12 und Prismen L2, L3, L8, L9 auf.
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Die
in den 3A und 3B gezeigten
Stereomikroskope unterscheiden sich voneinander lediglich dadurch,
dass in 3A für beide Strahlengänge B1 und
B2 des Abbildungsstrahlengangs B ein gemeinsamer Vergrößerungsschalter
D vorgesehen ist, wohingegen die Strahlengänge B1 und B2 des Abbildungsstrahlengangs
B in 3B in dem Vergrößerungsschalter D' getrennt geführt werden.
Hierfür
weist der Vergrößerungsschalter
D' in jedem Strahlengang
B1 bzw. B2 paarweise identische optische Baugruppen D'1 bis D'10 auf. Der Aufbau
des Vergrößerungsschalters
D' für jeden
Strahlengang B1 und B2 entspricht jeweils dem Aufbau des in 1A und 1B gezeigten
Vergrößerungsschalters
D. Dabei entsprechen die identischen optischen Baugruppen D'1 und D'6 der äußeren ersten
Baugruppe, die identischen optischen Baugruppen D'5 und D'10 der äußeren zweiten
Baugruppe und die identischen optischen Baugruppen D'2, D'3 und D'7, D'8 der mittleren dritten
Baugruppe des Vergrößerungsschalters
D'. Weiter sind
die optischen Baugruppen D'2,
D'3 und D'7, D'8 in der gezeigten
Ausführungsform
mechanisch gekoppelt, so dass eine Verlagerung dieser optischen
Baugruppen D'2,
D'3 und D'7, D'8 gemeinsam erfolgt.
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Wie
aus den 3A und 3B ersichtlich,
sind der Vergrößerungsschalter
D, D' und das jeweilige Zoomsystem
E' vorzugsweise
in Reihe geschaltet, so dass sich die bewirkten Abbildungsvergrößerungen
multiplikativ ergänzen.
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Auch
wenn der Vergrößerungsschalter
D, D' in den 3A und 3B jeweils
zwischen dem Objektivsystem C und dem Zoomsystem E' angeordnet ist,
ist die vorliegende Erfindung nicht auf diese Reihenfolge der Anordnung
beschränkt.
Vielmehr kann das Zoomsystem E' auch
zwischen dem Vergrößerungsschalter
D, D' und dem Objektivsystem
C angeordnet sein (nicht eigens gezeigt). Weiter können in
dem Zoomsystem (wie auch in dem in 3A gezeigten
Vergrößerungsschalter
D) wahlweise beide Strahlengänge
des Abbildungsstrahlengangs gemeinsam geführt werden. In diesem Fall
weist das Zoomsystem Zoom-Baugruppen mit entsprechend großen Durchmessern
auf (nicht eigens gezeigt).
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Derartige
Stereomikroskope finden beispielsweise in der Dentalmedizin als
Operationsmikroskope Verwendung. Gerade bei einer Verwendung als
Operationsmikroskop bringt die mit dem erfindungsgemäßen optischen
Vergrößerungsänderungssystem
realisierte schnelle Umschaltung zwischen zwei deutlich unterscheidbaren
optischen Abbildungsvergrößerungen
erhebliche Vorteile, da so ein Arzt schnell zwischen einer Ansicht
eines Operationsumfeldes und einem vergrößerten Operationsbereich umschalten
kann.
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Selbstverständlich kann
es sich wahlweise auch um ein digitales Operationsmikroskop handeln,
bei dem die betrachtete Objektebene auf einen oder mehrere Bildsensoren
abgebildet wird.