DE102007024757B4 - Microscope with a micro lens and a zoom system - Google Patents
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Abstract
Mikroskop mit einem Mikroobjektiv und mit einem Zoomsystem zur Nachvergrößerung eines Mikroskopbildes, wobei das Zoomsystem mindestens vier optische Baugruppen (G1, G2, G3, G4, G5, G6) umfasst, vom denen mindestens eine Baugruppe axial beweglich angeordnet ist, und wobei mindestens drei Baugruppen in Abbildungsrichtung alternierende Vorzeichen der Brechkräfte aufweisen;dadurch gekennzeichnet, dass zum Zweck der Pupillenlagenanpassung zwischen dem Zoomsystem und dem Mikroobjektiv die erste optische Baugruppe (G1) als Feldlinse oder Feldlinsengruppe ausgebildet ist.Microscope with a micro lens and with a zoom system for post-magnification of a microscope image, the zoom system comprising at least four optical assemblies (G1, G2, G3, G4, G5, G6), of which at least one assembly is arranged to be axially movable, and wherein at least three assemblies have alternating signs of the refractive powers in the imaging direction; characterized in that the first optical assembly (G1) is designed as a field lens or field lens group for the purpose of adjusting the pupil position between the zoom system and the micro objective.
Description
Die Erfindung betrifft ein Mikroskop gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a microscope according to the preamble of
Konventionelle Objektive mit einer hohen Vergrößerung weisen auch hohe numerische Aperturen auf, wie beispielsweise ein in
Aus der
Der Trend geht dahin, dass eine visuelle Beobachtung in vielen Anwendungen an Bedeutung verliert und andere Kanäle der Bildaufzeichnung immer mehr an Bedeutung gewinnen. In diesen Kanälen kann man durch eine zusätzliche Nachvergrößerung das Auflösungsvermögen der Objektive voll ausschöpfen. Dabei ist es sinnvoll, mit Objektiven zu arbeiten, die eine hohe Apertur und eine kleine Vergrößerung miteinander verbinden. Die Nachvergrößerung erfolgt dabei üblicherweise über Adapter. Es sind Videoadapter bekannt, die aber nur geringe Zoomfaktoren besitzen. Da die Adapter positive Vergrößerungen aufweisen und virtuelle Zwischenbilder abbilden, kommt es oft zur Vignettierung und zu Reflexbildern. Dabei ist die bildseitige numerische Apertur selten konstant, so dass die Nyquistfrequenz einer Kamera nur selten getroffen werden kann. Beim Einsatz an einem Mikroskop müssten erhebliche Aufbauten vorgenommen werden, die viel Platz beanspruchen und nur geringe Stabilitäten besitzen.The trend is that visual observation is losing importance in many applications and other channels of image recording are becoming increasingly important. In these channels, the resolving power of the lenses can be fully exploited with additional post-magnification. It makes sense to work with lenses that combine a high aperture and low magnification. The re-enlargement usually takes place via an adapter. Video adapters are known, but they only have low zoom factors. Since the adapters have positive magnifications and depict virtual intermediate images, vignetting and reflected images often occur. The image-side numerical aperture is rarely constant, so that the Nyquist frequency of a camera can only rarely be met. When used on a microscope, considerable structures would have to be made, which take up a lot of space and only have low stability.
Bekannt sind ferner sogenannte „Video-Zoom-Systeme“, die aber nur kleine Zoomfaktoren (bis maximal 5x) haben. Obwohl die Bildfehler minimal sind dienen sie lediglich zur Anpassung des Bildfeldes an die Größe eines Kamera-Chips oder einer Video-Kamera.So-called "video zoom systems" are also known, but they only have small zoom factors (up to a maximum of 5x). Although the image errors are minimal, they only serve to adapt the field of view to the size of a camera chip or a video camera.
Ausgehend von den Nachteilen des beschriebenen Standes der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Zoomsystem zur Anwendung in Mikroskopen zur Verfügung zu stellen, mit welchem bei einer relativ einfachen Anordnung unter nahezu vollständiger Vermeidung von Reflexbildern ein größerer Zoomfaktor erreicht wird und dabei die bildseitige Apertur bei hinreichend großer numerischer Apertur des Objektivs nahezu konstant ist.Proceeding from the disadvantages of the prior art described, the object of the invention is to provide a zoom system for use in microscopes, with which a larger zoom factor can be achieved in a relatively simple arrangement with almost complete avoidance of reflected images and the image-side aperture is almost constant with a sufficiently large numerical aperture of the lens.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Zoomsystem der eingangs beschriebenen Art durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst, wobei durch einen telezentrischen oder leicht divergenten Hauptstrahlverlauf bezüglich eines hochreflektiven Kamerachips Reflexe nahezu vollständig vermieden werden. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen 2 bis 17 angegeben.According to the invention, this object is achieved with a zoom system of the type described above by the features of
Die einzelnen optischen Baugruppen befinden sich direkt im Mikroskopgehäuse, so dass kein zusätzlicher, meist instabiler und störender Aufbau erforderlich ist. Zweckmäßigerweise wird dabei der Bauraum hinter dem Binokulareinblick genutzt.The individual optical assemblies are located directly in the microscope housing, so that no additional, mostly unstable and disruptive structure is required. The space behind the binocular viewer is expediently used in this case.
Ferner besitzen die Brechkräfte von mindestens drei optischen Baugruppen in Abbildungsrichtung alternierende Vorzeichen, positiv oder negativ beginnend. Hierdurch ist überhaupt nur die große Brennweitenänderung des optischen Systems möglich, die den großen Zoombereich erlaubt.Furthermore, the refractive powers of at least three optical assemblies have alternating signs in the imaging direction, beginning positive or negative. As a result, only the large change in focal length of the optical system is possible at all, which allows the large zoom range.
Zum Zwecke der Pupillenlagenanpassung zwischen dem Zoomsystem und dem Mikroobjektiv ist die erste optische Baugruppe als Feldlinse oder Feldlinsengruppe modifiziert und besitzt eine positive Brennweite. Liegen die Pupillen optischer Systeme nicht angepasst zueinander bzw. idealerweise am selben Ort treten zum Feldrand Vignette oder gar Feldbeschnitt ein. Da Mikroobjektive üblicherweise sehr kurze Brennweiten besitzen liegt die Pupille bezüglich des Zwischenbildes im Negativen. Durch die Feldlinse oder Feldlinsengruppe wird die Pupille ins Positive, das heißt in das Zoomsystem hineinverlagert.For the purpose of adjusting the pupil position between the zoom system and the micro objective, the first optical assembly is modified as a field lens or field lens group and has a positive focal length. If the pupils of optical systems are not aligned with each other or ideally in the same place, vignettes or even field clipping occur at the edge of the field. Since micro lenses usually have very short focal lengths, the pupil is in the negative with respect to the intermediate image. The field lens or field lens group shifts the pupil into the positive, that is, into the zoom system.
Es wird eine moderate Schwankung der Eintrittspupillenlage in den verschiedenen Zoomstellungen und damit eine konstante Feldhomogenität (kein Feldbeschnitt) erreicht.A moderate fluctuation of the position of the entrance pupil in the different zoom positions and thus a constant field homogeneity (no field trimming) is achieved.
Darüber hinaus besitzt wenigstens eine Zoomstellung eine wirksame Begrenzung im Zoomsystem, wobei ein Zoomfaktor von wenigstens 6,5 erreichbar ist. Die wirksame Begrenzung im Zoomsystem bei mindestens einer Zoomstellung ist nötig, weil sonst die bildseitige Apertur nicht näherungsweise konstant gehalten werden kann und damit die Auflösung des optischen Systems nicht in jeder Zoomstellung an die Kameraauflösung angepasst ist.In addition, at least one zoom position has an effective limitation in the zoom system, with a zoom factor of at least 6.5 being achievable. The effective limitation in the zoom system at at least one zoom position is necessary because otherwise the image-side aperture cannot be kept approximately constant and the resolution of the optical system is therefore not adapted to the camera resolution in every zoom position.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Zoomsystems ist durch einen gestreckten Strahlengang gekennzeichnet, wobei alle optischen Baugruppen auf der gleichen optischen Achse liegen.An advantageous embodiment of the zoom system according to the invention is characterized by a stretched beam path, with all optical assemblies lying on the same optical axis.
In Abhängigkeit vom verfügbaren Bauraum im Mikroskopgehäuse kann es sich als sinnvoll erweisen, einen gefalteten Strahlengang zu verwenden, wobei die Strahlen 2 mal um 90 Grad umgelenkt werden. Die Umlenkung kann dabei mit an sich bekannten Mitteln, wie beispielsweise mit Spiegelelementen oder Prismen vorgenommen werden.Depending on the space available in the microscope housing, it can be useful to use a folded beam path, with the beams being deflected twice by 90 degrees. The deflection can be carried out using means known per se, such as, for example, using mirror elements or prisms.
Denkbar ist auch, dass das Zoomsystem in den Tubus des Mikroskops integriert ist und beispielsweise nur auf einen vorgesehenen Kameraausgang wirkt. Die bildseitige Apertur wäre dabei auf die Pixelgröße der verwendeten Kamera abzustimmen und ist bedingt durch die erfindungsgemäße Modifizierung des Zoomsystems nahezu konstant.It is also conceivable that the zoom system is integrated into the tube of the microscope and, for example, only acts on a provided camera output. The image-side aperture would have to be matched to the pixel size of the camera used and is almost constant due to the modification of the zoom system according to the invention.
Das erfindungsgemäße Zoomsystem wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Dabei zeigen:
-
1 : Linsenschnittdarstellungen des Zoomsystems mit gestrecktem Strahlengang in einer ersten und in einer zweiten Zoomstellung und -
2 : Linsenschnittdarstellungen des Zoomsystems mit gefaltetem Strahlengang in einer ersten und einer zweiten Zoomstellung.
-
1 : Lens section representations of the zoom system with an extended beam path in a first and in a second zoom position and -
2 : Lens section representations of the zoom system with a folded beam path in a first and a second zoom position.
Für die Zoomstellung Z1 mit der Zwischenbildebene ZBE gelten dabei folgende Systemdaten:
Unter folgenden Systemdaten verändert sich die Zoomstellung Z1 in die Zoomstellung Z2:
In der Zoomstellung Z1 beträgt der Abbildungsmaßstab -0.5, das heißt das Bild wird halb so klein. In der Zoomstellung Z2 ist der Abbildungsmaßstab -4.0, so dass sich insgesamt ein Zoomfaktor von 8 fach ergibt.In the zoom position Z1, the magnification is -0.5, which means the image is half as small. In the zoom position Z2, the image scale is -4.0, resulting in a total zoom factor of 8x.
Für die Zoomstellung Z1 mit der Zwischenbildebene ZBE gelten dabei folgende Systemdaten:
Unter folgenden Systemdaten verändert sich die Zoomstellung Z1 in die Zoomstellung Z2:
Hier gelten für den Zoombereich und die erreichten Abbildungsmaßstäbe die gleichen Angaben wie im Ausführungsbeispiel nach
In einen nachfolgenden Ausführungsbeispiel mit sechs optischen Baugruppen G1, G2, G3, G4, G5, und G6 ist das erfindungsgemäße Zoomsystem durch folgende Systemdaten charakterisiert:
Unter folgenden Systemdaten verändert sich die Zoomstellung Z1 in die Zoomstellung Z2:
In der Zoomstellung Z1 beträgt der Abbildungsfaktor -0.63, das heißt das Bild wird verkleinert. In der Zoomstellung Z2 beträgt der Abbildungsmaßstab -5.12, so dass sich insgesamt ein Zoomfaktor von 8.1 fach ergibt.In the zoom position Z1, the imaging factor is -0.63, ie the image is reduced. In the zoom position Z2, the imaging scale is -5.12, resulting in a total zoom factor of 8.1x.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel zeigt das erfindungsgemäße Zoomsystem bei Verwendung von ebenfalls sechs optischen Baugruppen G1,G2,G3,G4,G5 und G6 mit folgenden Systemdaten:
Mit den folgenden Systemdaten verändert sich die Zoomstellung Z1 in die Zoomstellung Z2:
In der Zoomstellung Z1 beträgt der Abbildungsfaktor -0.6, d.h. das Bild wird verkleinert. In der Zoomstellung Z2 beträgt der Abbildungsmaßstab -4.12, so dass sich insgesamt ein Zoomfaktor von 6.9 fach ergibt.In the zoom position Z1, the imaging factor is -0.6, i.e. the image is reduced. In the zoom position Z2, the magnification is -4.12, resulting in a total zoom factor of 6.9x.
Eine weitere Variante eines des erfindungsgemäßen Zoomsystems unter Verwendung von vier optischen Baugruppen G1,G2,G3 und G4 ist in durch folgende Systemdaten charakterisiert:
Mit den folgenden Systemdaten verändert sich die Zoomstellung Z1 in die Zoomstellung Z2:
In der Zoomstellung Z1 beträgt der Abbildungsfaktor -0.6, das heißt das Bild wird verkleinert. In der Zoomstellung Z2 beträgt der Abbildungsmaßstab -4.02, so dass sich insgesamt ein Zoomfaktor von 6.7 fach ergibt.In the zoom position Z1, the imaging factor is -0.6, ie the image is reduced. In the zoom position Z2, the imaging scale is -4.02, resulting in a total zoom factor of 6.7x.
Eine letzte Variante der Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Zoomsystems mit fünf optischen Baugruppen G1,G2,G3,G4 und G5 ist in der nachfolgenden Tabelle beschrieben:
Mit den folgenden Systemdaten verändert sich die Zoomstellung Z1 in die Zoomstellung Z2:
In der Zoomstellung Z1 beträgt der Abbildungsfaktor -0.63, d.h. das Bild wird verkleinert. In der Zoomstellung Z2 beträgt der Abbildungsmaßstab -5.04, so dass sich insgesamt ein Zoomfaktor von 8 fach ergibt.In the zoom position Z1, the imaging factor is -0.63, i.e. the image is reduced. In the zoom position Z2, the imaging scale is -5.04, resulting in a total zoom factor of 8x.
BezugszeichenlisteReference List
- 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 131, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13
- FlächeSurface
- G1, G2, G3, G4, G5, G6G1, G2, G3, G4, G5, G6
- optische Baugruppeoptical assembly
- ZBEZBE
- Zwischenbildebeneintermediate image level
- Z1, Z2Z1, Z2
- Zoomstellungzoom position
- S1, S2, S3,S1, S2, S3,
- Spiegelmirror
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