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Gebiet der Erfindung
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Diese Erfindung betrifft eine optische Abbildungsvorrichtung, und insbesondere eine Vorrichtung, welche dazu geeignet ist, eine einzelne optische Abbildung in weitere Abbildungen aufzuteilen.
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Hintergrund zu der Erfindung
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Die Patentschrift
GB 2416043 A des Anmelders offenbart eine optische Abbildungsvorrichtung zur Aufteilung einer anfänglichen Abbildung in mindestens zwei Abbildungen, wie mit Bezug auf
1 der begleitenden Zeichnungen beschrieben ist. Bei dieser bekannten Vorrichtung wird Licht von der Primärabbildung in zwei oder mehr optische Pfade aufgetrennt, zum Beispiel durch Verwendung eines oder mehrerer Strahlteiler. Diese Pfade werden dann refokussiert, entweder zu individuellen Kameras oder (aus Kosten- und praktischen Anwendungsgründen) zu separaten Bereichen einer einzelnen Kamera. Auf diese Weise können zwei oder mehr Ebenen an dem Objekt in scharfem Brennpunkt zur gleichen Zeit betrachtet werden, und es wird nur notwendig das Objektiv zu refokussieren, wenn eine größere Anzahl von Brennebenen erforderlich ist.
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Auch die
US 2002/0089741 A1 offenbart eine optische Abbildungsvorrichtung, bei der ein Strahlteiler, zwei optische Pfade und zwei Reflexionsmittel in einem Mikroskop vorgesehen sind. In dem Mikroskop wird eine Probe beleuchtet, um mit der optischen Abbildungsvorrichtung erfasst zu werden.
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Ein mögliches Problem mit einem Erhalt von mehrfachen Abbildungen auf diese Weise besteht darin, dass die Lateral- bzw. Quervergrößerung der Abbildungen mit der Brennpunktverschiebung variiert. Die (laterale) Vergrößerung eines optischen Systems, welches sich annähernd als eine einzelne Linse verhält (wie es der Fall bei einem Mikroskopobjektiv ist), ist durch das Verhältnis der Objektentfernung zu der Abbildungsentfernung gegeben. Unter Berücksichtigung eines 40x-Objektivs bei einer Abbildungsentfernung von 160 mm ist die effektive Entfernung des Objekts 1/40 davon, das heißt 4 mm. Wenn die Objektentfernung um 1 μm auf 3,999 mm reduziert wird, dann erhöht die Beziehung des quadratischen Entfernungsgesetzes für die Tiefenvergrößerung bzw. axiale Vergrößerung den Abbildungsabstand um 1,6 mm derart, dass die Vergrößerung der Abbildung nun 161,6/3,999 beträgt, das heißt ungefähr 40,41. Wenn die Objektentfernung alternativ um 1 μm vergrößert wird, beträgt die Vergrößerung nun 158,4/4,001, das heißt ungefähr 39,59. Obwohl diese unterschiedlichen Vergrößerungen im Prinzip in einer Software, die einer Kameraaufnahme folgt, korrigiert werden können, würde es für dies viel günstiger sein, wenn es anstelle dessen innerhalb des optischen Übertragungssystems erfolgt, und diese Erfindung zielt auf Bereitstellung einer derartigen Vorrichtung.
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Zusammenfassung der Erfindung
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In Übereinstimmung mit der Erfindung wird eine optische Abbildungsvorrichtung zur Aufteilung einer anfänglichen Abbildung in mindestens zwei Abbildungen mit unterschiedlichen optischen Eigenschaften bereitgestellt, wobei die Vorrichtung einen Strahlteiler zur Erzeugung erster und zweiter optischer Pfade aufweist, welche jeweils auf erste und zweite Reflexionsmittel eintreffen, dadurch gekennzeichnet, dass ein Licht konvergierendes Element oder ein Licht divergierendes Element in einen der ersten und zweiten optischen Pfade in einer Position so eingebracht ist, dass es den Brennpunkt ändert, während es gleichzeitig die Vergrößerungsänderungen in diesem optischen Pfad kompensiert.
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Vorzugsweise weist die Vorrichtung ein Licht konvergierendes Element und ein Licht divergierendes Element auf, welches jeweils in den ersten und zweiten optischen Pfaden eingebracht ist, um diese Pfade in einem gleichen und entgegengesetzten Ausmaß zu beeinflussen.
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Die ersten und zweiten Reflexionsmittel können in festen Positionen in der optischen Abbildungsvorrichtung angebracht sein. Alternativ können die ersten und zweiten Reflexionsmittel auf einem zentral schwenk- bzw. drehbar angebrachten rotierbaren Arm getragen sein, wobei die ersten und zweiten Reflexionsmittel längs des Arms verschiebbar sind, während sie in einer festen Beziehung zueinander gehalten sind, um auf diese Weise eine Trennung der ersten und zweiten optischen Pfade einzustellen.
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Vorzugsweise weist die Vorrichtung einen weiteren Strahlteiler zur Erzeugung eines dritten optischen Pfades auf, wobei die Licht konvergierenden und Licht divergierenden Elemente die Brennpunktpositionen der in den ersten und zweiten optischen Pfaden übertragenen beiden Abbildungen durch gleiche und entgegengesetzte Beträge im Vergleich mit der Brennpunktposition der in dem dritten optischen Pfades übertragenen Abbildung verschieben.
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Vorzugsweise ist das Licht konvergierende Element eine konvergierende Linse, und das Licht divergierende Element ist eine Licht divergierende Linse, wobei die beiden Linsen gleiche Leistungsfähigkeit aufweisen und in dem Sinne gegenseitig austauschbar sind, dass die konvergierende Linse entweder in einem der ersten oder zweiten optischen Pfade platzierbar ist, wobei die divergierende Linse in dem anderen der ersten oder zweiten optischen Pfade platzierbar ist.
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Die konvergierende Linse und die divergierende Linse weisen somit die Funktion von Korrekturlinsen auf, und es ist günstig, diese Korrekturlinsen nach den ersten und zweiten Reflexionsmitteln anzuordnen, obwohl die Position dieser Linsen in den ersten und zweiten optischen Pfaden von den optischen Eigenschaften der Vorrichtung abhängig ist.
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Der weitere Strahlteiler ist in günstiger Weise nach dem erstgenannten Strahlteiler angeordnet, und jeder dieser Strahlteiler kann durch einen dichroitischen Spiegel gebildet sein, wenn eine spektrale Trennung erforderlich ist. Alternativ wird ein polarisierender Strahlteiler in jeder Lokalisierung verwendet, wenn eine Abbildungstrennung auf der Grundlage optischer Polarisation gefordert ist.
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Jede der Korrekturlinsen weist vorzugsweise eine Brennweite auf, die viel größer ist als die einer Kollimatorlinse, welche paralleles Licht auf den erstgenannten Strahlteiler richtet, und auch als einer Fokussierlinse, welche Licht in den drei optischen Pfaden in einen Brennpunkt bringt.
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Der dritte optische Pfad beinhaltet vorzugsweise ein viertes Reflexionsmittel, zum Beispiel einen 45-Grad-Spiegel, um Licht in dem dritten optischen Pfad durch das Zentrum der Fokussierlinse zu richten.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die Erfindung wird nun weiter auf beispielhafte Weise mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschreiben, von denen:
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1 ein schematisches Diagramm der optischen Abbildungsvorrichtung ist, die in
GB 2416043 A offenbart ist; und
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2 ein schematisches Diagramm einer optischen Abbildungsvorrichtung ist, welche eine bevorzugte Ausführung der vorliegenden Erfindung bildet.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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In dem Abbildungsteiler 40 nach dem Stand der Technik in 1 sind Spiegel 41 und 41' auf einem Arm oder einer Nabe 42 drehbar um einen Drehpunkt oder eine zentrale Achse 44 getragen. Der Arm 42 weist eine zentrale Schiene bzw. Führung oder einen zentralen Schlitz 43 auf, welche/welcher längs seiner Länge verläuft, und in welcher/welchem ein Schlitten 45, der beide 45°-Spiegel 41 und 41' trägt, verschiebbar ist. Spiegel 41 und 41' sind auf demselben rechtwinkligen Schlitten so getragen, dass sie in einer festen Beziehung zueinander gehalten sind. Eine Gleitbewegung des Schlittens 45 längs des Arms 42 um eine Entfernung x verschiebt Spiegel 41 näher an den Achsenpunkt 44 um x heran und verschiebt Spiegel 41' um x von dem Achsenpunkt 44 hinweg. Auf diese Weise verbleiben die Spiegel 41 und 41' immer in dem gleichen Abstand zueinander, aber ihre Entfernung zum Punkt 44 kann eingestellt werden. Typischerweise wird der Schlitten von Hand verstellt und dann in Position mit einer Verriegelungsschraube arretiert.
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Zwei Stellungen der Spiegel 41 und 41' sind in 1 dargestellt. In der Stellung, die mit durchgezogenen Linien gezeigt ist, befinden sich die Spiegel 41 und 41' in einer äquidistanten Entfernung von Punkt 44. In der mit gestrichelten Linien dargestellten Position sind die Spiegel 41 und 41' auf ihrem gemeinsamen Schlitten 45 längs der Nut 43 so verschoben worden, dass Spiegel 41 um denselben Betrag auf Punkt 44 verschoben ist, um den sich Spiegel 41' von Punkt 44 entfernt hat. Dies vergrößert eine Trennung der beiden Strahlen am Spiegel 46, wobei die Einstellung so erfolgt, dass, gemäß ihren aktuellen Durchmessern in diesem Punkt, der dem Pfad 33 folgende Strahl von Spiegel 46 vollständig unbehindert ist, während der dem Pfad 34 folgende Strahl vollständig von ihm reflektiert wird. Diese Einstellung, welche in einem unendlichen Raum für das Abbildungslicht gemacht wird, beeinflusst die Trennung der von Linse 36 erzeugten Abbildungen nicht, aber sie beeinflusst den kombinierten Durchmesser der beiden Strahlen bei Linse 36, und auch die ab hier von dieser Linse eingeführten Aberrationen. Die Verschiebung bzw. Verstellung der auf dem Schlitten befestigten Spiegel längs des Arms gestattet es einem Benutzer, die Geometrie des reflektierenden Raums zur Anpassung an die vorausgehenden Optiken anzupassen. Während der Teiler typischerweise in einer quadratischen Geometrie aufgebaut ist, wie durch die durchgezogenen Linien dargestellt ist, so verändert eine Verschiebung des Schlittens die Stellen, wo die optischen Pfade auf die Spiegel 41, 41' und 46 eintreffen, um eine rechtwinklige Geometrie festzulegen, wobei sich insbesondere die Punkte ändern, in welchen optische Pfade 33 und 34 auf Spiegel 46 eintreffen.
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Da die Stellung des Schlittens einstellbar ist, um es zu ermöglichen, dass die optischen Pfade des Teilers zur Anpassung der vorausgehenden Optik, deren Charakteristika immer zum Zeitpunkt des Verkaufs unbekannt sind, angepasst werden können, ist der dichroitische Spiegel 32 exakt auf 45° positioniert.
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Idealerweise sind die beiden Strahlen nur um den minimalen Abstand getrennt, welcher notwendig ist, um eine Überlappung zu verhindern, was bei der gegebenen leichten Verschiebung des Schlittens relativ zu der Achse 44 einfach ausführbar ist. Auch Spiegel 46 kann an dem Rand nahe am Strahl 33 mit seiner reflektierenden Oberfläche auf 45° zurück verstellt werden, um jegliche Behinderung des Strahls 33 zu vermeiden. Eine zu große Trennung wird erfordern, dass Linse 36 in einem schnelleren fokalen Verhältnisse arbeitet, wobei sich somit Aberrationen von der Linse vergrößern, was nicht wünschenswert ist.
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Der Teiler von 1 stellt so einen Weg zur Einstellung der Strahltrennung am Spiegel 46 unabhängig von der Trennung der beiden Abbildungen bereit, das heißt unabhängig von der ursprünglichen Abbildungsapertur.
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Die bevorzugte Ausführung eines Abbildungsteilers gemäß der Erfindung wird in 2 schematisch dargestellt, wobei Teile, die zu denjenigen von 1 korrespondieren, die gleichen Bezugszeichen besitzen. Aus Gründen der Übersichtlichkeit wurde der Arm oder die Nabe 42 (zusammen mit seiner/ihrer Schiene 43 und Drehpunkt 44) in 2 ausgelassen, aber es ist selbstverständlich, dass die beiden Spiegel 41, 41' in 2, wie zuvor mit Bezug auf 1 beschrieben worden ist, angebracht sind.
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Der Abbildungsteiler nach 2 unterscheidet sich von demjenigen nach 1 in den folgenden bedeutenden Punkten: ein weiterer Strahlteiler 47 (zum Beispiel ein dichroitischer Spiegel) ist in dem Pfad 34 eingefügt, um einen weiteren optischen Pfad 48 zu erzeugen, welcher um 90 Grad durch einen 45-Grad-Spiegel 49 abgelenkt wird. Dieser Strahlteiler richtet Licht in dem optischen Pfad 48 auf die Linse 36 und fokussiert es auf die Abbildungsebene 37; auch eine konvergierende Linse 50 ist in dem Pfad 34 zwischen die Spiegel 41 und 46 eingefügt, und eine divergierende Linse 51 ist in dem Pfad 33 zwischen dem Spiegel 41' und der Linse 36 angeordnet. Die Linsen 50 und 51 korrigieren Vergrößerungsänderungen in den optischen Pfaden 34 und 33.
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Durch den Strahlteiler 47 übertragenes Licht setzt sich längs des optischen Pfades 34 fort. Die durch den Strahlteiler 47 reflektierte Komponente verläuft längs des Pfades 48, um von dem Spiegel 49 reflektiert und von der Linse 36 fokussiert zu werden. Damit die Abbildungen auf den drei optischen Pfaden 33, 34 und 48 von der gleichen Intensität sind (ein wünschenswertes, aber nicht wesentliches Merkmal), müsste der Strahlteiler 32 ein Drittel des einfallenden Lichtes reflektieren, und der Strahlteiler 47 müsste eine Hälfte des einfallenden Lichtes reflektieren und eine Hälfte übertragen. Einer oder ein weiterer dieser Strahlteiler kann ein polarisierender Strahlteiler sein.
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Jede der beiden Linsen 50 und 51 weist eine Brennweite auf, die viel größer ist als die Brennweite entweder von Linse 30 oder 36, und jede der Linsen 50 und 51 ist in dem Pfad 34 oder 33 an der optimalen Position zur Kompensation der Vergrößerungsänderung auf Grund der Verschiebung der Brennpunktposition der primären Abbildung angeordnet, wohingegen die Brennpunktverschiebung durch die Position der Linsen 50 oder 51 nur leicht beeinflusst wird. Für ein Mikroskop mit Ojektiven mit einer Brennweite von 160 mm ist die Linse 50 in einem Abstand zwischen den Linsen 30 und 36 angeordnet, welcher ungefähr 69 Prozent der gesamten Entfernung zwischen den Linsen 30 und 36 beträgt. In ähnlicher Weise ist die Linse 51 in einem Abstand platziert, welcher ungefähr 69 Prozent der gesamten Entfernung zwischen den Linsen 30 und 36 beträgt. Die von dem Pfad 48 stammende Abbildung ist unverschoben, und die von den Pfaden 33 und 34 hergeleiteten Abbildungen sind durch die Verwendung der konvergierenden und divergierenden Linsen, welche gleiche Leistungsfähigkeit aufweisen, in gleichen und entgegengesetzten Richtungen so verschoben, dass drei Abbildungen gleichzeitig auf Ebene 37 erhalten werden. Die Positionen der Linsen 50 und 51 können untereinander ausgetauscht werden, das heißt, dass die konvergierende Linse 50 in dem optischen Pfad 33 angeordnet sein kann, und dass die divergierende Linse 51 in dem optischen Pfad 34 platziert sein kann, ohne dass sich der resultierende Fokus in 37 verändert.
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Jede der Linsen 50 und 51 kann in dem korrespondierenden optischen Pfad in Position einstellbar sein, nicht nur zum Zweck einer Feineinstellung zur Erlangung optimaler Ergebnisse, sondern auch zur Ermöglichung eines Austausches der Linse 30 und der Linse 36 mit einer anderen Linse mit unterschiedlicher Brennweite.
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Die Vorrichtung aus 2 setzt voraus, dass die primäre Abbildung von der Mikroskopobjektivlinse direkt in Position 31 gebildet ist. In dem Fall eines Mikroskops (ein so genanntes „Unendlichkeits-Mikroskop”), welches einen kollimierten Strahl erzeugt, der anschließend fokussiert wird, um eine primäre Abbildung durch eine Röhrenlinse, die in einer gewissen Entfernung von dem Objektiv beabstandet ist, zu erzeugen, werden die optimalen Positionen für die Linse 50 und 51 unterschiedlich sein, dichter an der halben Weglänge längs der Längen der jeweiligen Pfade 34 und 33.
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Die Vorrichtung nach 2 ist mit Spiegeln 41, 41' beschrieben worden, welche auf einem/einer dreh- bzw. schwenkbar angebrachten Arm oder Nabe 42 verschiebbar angeordnet sind. Die Spiegel 41, 41' können alternativ in festen Positionen in der Vorrichtung angebracht sein, in diesem Fall führen die Linsen 50 und 51 die gleiche Funktion einer Korrektur von Vergrößerungsänderungen in den optischen Pfaden 34, 33 durch. Ungeachtet dessen, ob die Spiegel 41 und 41' verstellbar oder fest sind, kann der Pfad 34 horizontal nach rechts erweitert und der Spiegel 46 an anderer Stelle angeordnet werden, um den Pfad 34 durch die rechte Seite der Linse 36 zu richten, wobei der Pfad 33 durch die linke Seite der Linse 36 übertragen wird. Für eine Vorrichtung mit dieser Konfiguration mit verschiebbaren Spiegeln 41, 41' würde die Verschiebung der Spiegel 41, 41' in der entgegengesetzten Richtung zu derjenigen ausgebildet sein, welche für die in 2 illustrierte Vorrichtung angewendet wird.
