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Die Erfindung bezieht sich auf ein variables Mikroskopsystem, das, von der Objektebene beginnend, ein Hauptobjektiv, ein aus mehreren Linsengruppen bestehendes Zoomobjektiv und ein dem Zoomobjektiv nachgeordnetes Relaissystem umfaßt. Der Vorteil des erfindungsgemäßen Mikroskopsystems gegenüber dem Stand der Technik besteht vor allem in einer verbesserten Pupillenanpassung an die Beleuchtung sowie an die Beobachtung von Proben im Kontrastverfahren, wie Phasenkontrast und Differentieller Interferenzkontrast (DIC).
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Mikroskopsysteme dieser Gattung sind prinzipiell bekannt. Dabei ist die Anpassung des Zooms an die Objektiv- und Tubusschnittstelle von entscheidender Bedeutung und für jedes neu zu entwickelnde System dieser Art immer wieder schöpferisch zu lösen (siehe SPIE Vol. 3482 XP009013507).
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Soll auch eine Beleuchtung über das Zoomsystem eingekoppelt werden – was den Vorteil einer automatisch angepassten Feld- und Aperturausleuchtung hat –, so müssen die Eintritts- und Austrittspupillen der einzelnen Komponenten möglichst genau aufeinander abgestimmt sein. Dies betrifft sowohl die Lage der Pupillen als auch deren Durchmesser.
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Für den Abbildungsstrahlengang definiert die Pupillenanpassung den Aperturverlauf über den Zoombereich hinweg sowie die damit meist verbundene, je nach Zoomstellung unterschiedlich hohe Vignettierung. Diesbezüglich treten insbesondere bei der Koaxialbeleuchtung Probleme auf, da hier das Objekt als zusätzlich spiegelndes Element fungiert, so dass für das Beleuchtungslicht und das rückreflektierte Licht eine gesonderte Pupillenanpassung erforderlich ist.
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Während in der Compound-Mikroskopie ein Vergrößerungswechsel notwendigerweise mit einem Objektivwechsel verbunden ist, werden in der Stereomikroskopie aufgrund der geringeren Vergrößerungen und kleineren Aperturen traditionell Zoomsysteme eingesetzt. Ausgehend von schaltbaren Galilei-Systemen erfolgte im Verlaufe der Weiterentwicklungen der Übergang auf kontinuierlich arbeitende afokale Zoomsysteme mit positiver Winkelvergrößerung, wie sie beispielsweise beschrieben sind in
DE 202 07 780 U1 ,
DE 198 37 135 A1 und
DE 103 59 733 A1 .
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Solche Systeme werden in den parallelen Strahlengang zwischen Objektiv und Tubuslinse eingesetzt. Sie sind gekennzeichnet durch eine verhältnismäßig kurze Übertragungslänge und eine meist im System befindliche Blende.
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Diese Blende wird durch den jeweiligen Bewegungsablauf der Zoomkomponenten auf bewegte Pupillenbilder abgebildet. Dies trifft auch auf das in
US 2006/0092504 beschriebene System zu, wobei hier jedoch die Abbildung der Blende in Richtung Tubuslinse, also in die Austrittspupille, durch die zusätzliche Verwendung einer dritten beweglichen Gruppe kompensiert wird.
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Das kommt zwar der Lösung des Problems der Einkopplung einer Beleuchtung über das Zoomsystem näher, jedoch ist aufgrund der stark wandernden Eintrittspupillenlage immer noch keine problemlose Koaxialbeleuchtung möglich.
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In
US 2006/0114554A1 wird mittels einer vor dem afokalen Zoom angeordneten körperlichen Blende eine feste Eintritts pupillenlage erzwungen. Nachteilig ist hier jedoch, dass die Austrittspupillenlage des afokalen Zoomsystems sehr stark variiert.
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Davon ausgehend besteht die Aufgabe der Erfindung darin, ein variables Mikroskopsystem zu schaffen, bei dem im Vergleich zum Stand der Technik eine verbesserte Pupillenanpassung in Bezug auf die Beleuchtung sowie hinsichtlich der Anwendung von Kontrastverfahren möglich ist.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst mit einem Mikroskopsystem der eingangs beschriebenen Art, bei dem
- – mindestens ein Hauptobjektiv zur Abbildung eines Objektes ins Unendliche vorgesehen ist, und
- – das Zoomobjektiv so ausgebildet ist, dass der vom Objektiv kommende Unendlichstrahlengang in ein festes Zwischenbild abgebildet wird, wobei
- – eine Aperturbegrenzung in einem nachgeordneten Relaissystem vorgesehen ist.
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Die Begriffe variables Vergrößerungssystem, Zoomobjektiv und Zoomsystem werden in der nachfolgenden Beschreibung als Synonyme verwendet. Sind dem erfindungsgemäßen Mikroskopsystem mehrere Hauptobjektive zugeordnet, sind diese gegeneinander austauschbar. Unabhängig vom eingewechselten Hauptobjektiv und von der eingestellten Vergrößerung hat das Zwischenbild erfindungsgemäß stets nicht nur eine feste Position, sondern auch eine feste Bildgröße.
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Das Relaissystem ist zur Abbildung des Zwischenbildes in eine Okularbildebene oder auf eine Kamera ausgeführt.
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Im Zusammenhang mit der Abbildung in eine Okularbildebene kann das optische Relaissystem als Abbildungssystem mit Binokulartubus ausgeführt sein.
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Im Rahmen der Erfindung liegt weiterhin die Ausstattung des erfindungsgemäßen Mikroskopsystems mit einer Einrichtung zur Einspiegelung eines Beleuchtungsstrahlengangs. In diesem Fall ist es vorteilhaft, in der Zwischenbildebene eine Leuchtfeldblende vorzusehen.
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Mit der Abbildung des Objektes über das feststehende Zwischenbild ist die Möglichkeit geschaffen, sowohl die Eintrittspupille als auch die Austrittspupille des Mikroskopsystems an die gewünschten Bedingungen, insbesondere an eine einzukoppelnde Beleuchtung, anzupassen.
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Aus dieser Möglichkeit der Pupillenanpassung ergibt sich vor allem eine verbesserte Bildqualität bei der Anwendung von mikroskopischen Kontrastmethoden im Auf- und Durchlichtverfahren. Die Leuchtfeldblende trägt zur weiteren Kontrastverbesserung bei. Außerdem werden hohe Sauberkeitstoleranzen hinsichtlich der nahe dem Zwischenbild befindlichen optischen Baugruppen vermieden, denn aufgrund der relativ hohen bildseitigen Apertur nimmt der Einfluß von kleinen Unsauberkeiten hinsichtlich der Wellenfrontdeformation ab.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:
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1 ein erstes Ausführungsbeispiel mit einem aus drei Linsengruppen bestehenden variablen Vergrößerungssystem, einem aus zwei Linsengruppen bestehenden Relaissystem mit zwischen diesen beiden Linsengruppen befindlicher Aperturblende, und mit einer ersten Variante der Einkopplung des Beleuchtungslichtes über eine Faser,
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2 ein zweites Ausführungsbeispiel mit einem aus vier Linsengruppen bestehenden variablen Vergrößerungssystem, einem ebenso wie in 1 aus zwei Linsengruppen bestehenden Relaissystem, zwischen denen sich wiederum die Aperturblende befindet, und mit einer zweiten Variante der Einkopplung des Beleuchtungslichtes über eine Faser.
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Die Konstruktionsdaten des in
1 gezeigten ersten Ausführungsbeispieles sind in der nachfolgenden Tabelle angegeben. Darunter gelten für das Hauptobjektiv:
Fläche FL | Krümmungsradius r | Dicke d | Brechzahl ne | Abbezahl νe |
0 | | 63.860 | | |
1 | –44.931 | 6.765 | 1.72341 | 50.4 |
2 | 70.783 | 10.087 | 1.4398 | 94.6 |
3 | –40.742 | 0.100 | | |
4 | 103.148 | 12.000 | 1.43985 | 94.6 |
5 | –50.977 | 0.150 | | |
6 | 38.280 | 9.000 | 1.74791 | 44.6 |
7 | 64.674 | 5.000 | 1.51045 | 61.0 |
8 | 37.660 | 7.500 | | |
9 | 166.541 | 4.500 | 1.73739 | 51.2 |
10 | 26.500 | 12.500 | 1.48794 | 84.1 |
11 | –370.371 | 2.000 | | |
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Das Zoomobjektiv ist mit drei Linsengruppen LG1 bis LG3 und folgenden Daten ausgeführt, wobei Z1 bis Z3 die variablen Abstände zwischen den Linsengruppen bezeichnen:
12 | 84.234 | 4.000 | 1.61664 | 44.3 |
13 | 33.122 | 10.000 | 1.53019 | 76.6 |
14 | 6565.176 | 0.150 | | |
15 | 37.819 | 6.000 | 1.53019 | 76.6 |
16 | 84.405 | 28.099 | | |
17 | –37.135 | 3.000 | 1.88815 | 40.5 |
18 | –13.938 | 2.000 | 1.53430 | 48.5 |
19 | 11.327 | 4.842 | | |
20 | –10.799 | 2.000 | 1.57098 | 70.9 |
21 | 26.066 | 4.300 | 1.74791 | 44.6 |
22 | –12.366 | 2.000 | 1.75737 | 52.0 |
23 | –30.461 | 17.976 | | |
24 | –189.820 | 2.500 | 1.80650 | 34.7 |
25 | 18.443 | 6.000 | 1.43985 | 94.6 |
26 | –23.746 | 0.100 | | |
27 | 28.103 | 6.000 | 1.52679 | 70.1 |
28 | –26.743 | 44.507 | | |
ZWB1 | | | | |
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Durch Variation der Abstände Z1 bis Z3 zwischen den Linsengruppen des Zoomobjektivs lassen sich beispielhaft Brennweiten wie folgt einstellen:
f' in mm | 11.4 mm | 13.8 mm | 22.2 mm | 34.8 mm | 70 mm | 140 mm |
Z1 | 4.940 | 9.905 | 20.255 | 28.015 | 39.195 | 53.420 |
Z2 | 47.196 | 41.250 | 28.280 | 17.900 | 5.013 | 11.995 |
Z3 | 38.279 | 39.260 | 41.880 | 44.500 | 46.207 | 25.000 |
SEP | 44.9 | 55.4 | 81.3 | 100.8 | 85.1 | 313.1 |
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In der obigen Tabelle bezeichnet SEP die Eintrittspupillelage bezüglich des Zoomobjektivs, bei der ein telezentrischer Strahlengang bei großen Objektfeldern sicher gestellt ist.
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An das Zoomobjektiv schließt ein Relaissystem mit Binokularausgang an, das folgende Daten aufweist:
30 | –26.440 | 2.000 | 1.61664 | 44.3 |
31 | 24.321 | 4.000 | 1.43985 | 94.6 |
32 | –13.294 | 0.100 | | |
33 | 515.475 | 4.000 | 1.62286 | 60.1 |
34 | –32.383 | 20.864 | | |
AB 36 | 0.000 | 60.000 | | |
37 | 102.461 | 5.000 | 1.76859 | 26.3 |
38 | –16.156 | 4.000 | 1.58212 | 53.6 |
39 | 17.509 | 11.642 | | |
40 | 24.792 | 7.000 | 1.53019 | 76.6 |
41 | –18.547 | 3.000 | 1.76859 | 26.3 |
42 | –107.112 | 61.500 | | |
43 | 0.000 | 162.000 | 1.51872 | 64.0 |
44 | 0.000 | 38.130 | | |
ZWB2 | | | | |
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Der Zoomfaktor ZF beträgt hier 12.5x. Mit AB ist in vorstehender Tabelle die Aperturblende bezeichnet, ZWB2 bezeichnet die zweite Zwischenbildebene.
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In 1 sind die optischen Baugruppen dieses Ausführungsbeispiels dargestellt, gegliedert nach Hauptobjektiv, Zoomobjektiv und Relaissystem mit Binokularausgang.
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Die Objektebene ist mit O bezeichnet. Das Objektiv besteht aus sieben Linsen mit den in obiger Tabelle angegebenen optisch wirksamen Flächen 1 bis 11. Es weist hier beispielsweise eine Brennweite f' = 80 mm auf.
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Das Zoomobjektiv umfaßt die Linsengruppen LG1 mit positiver Brechkraft, LG2 mit negativer Brechkraft und LG3 mit positiver Brechkraft.
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Die Linsengruppe LG1 besteht aus drei Linsen mit den optisch wirksamen Flächen 12 bis 16 und ist im Strahlengang fest positioniert. Die Linsengruppe LG2 besteht aus fünf Linsen mit den optisch wirksamen Flächen 17 bis 23 und ist relativ zur Linsengruppe LG1 verschiebbar.
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Die Linsengruppe LG3 besteht aus drei Linsen mit den optisch wirksamen Flächen 24 bis 28 und ist relativ zu den Linsengruppen LG1 und LG2 verschiebbar.
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Mit der Verschiebung der Linsengruppen LG2 bis LG4 werden die Abstände Z1 bis Z3 verändert und dadurch die Vergrößerung der Objektabbildung variiert.
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Das Zwischenbild ZWB1 hat eine von den jeweiligen Positionen der Linsengruppen LG2 bis LG3 und damit von der eingestellten Vergrößerung unabhängige, feste Position.
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Das Abbildungssystem besteht aus den Linsengruppen LG4 und LG5, zwischen denen die Aperturblende AB positioniert ist. Die Bildebene trägt die Bezeichnung B.
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Im diesem Ausführungsbeispiel wurde zugunsten einer einfacheren Zoombewegung von festen Auslegung der Pupillenabbildung abgewichen. Die Eintrittspupillenlage ist infolge nicht mehr für alle Zoomstellungen konstant, sondern ändert ihre Position je nach Zoomstellung. Da für die Beleuchtung großer Objektfelder jedoch wie oben beschrieben die Anpassung von Austritts- und Eintrittspupillenlage entscheidend ist, ist in diesen Zoomstellungen die Eintrittspupillenlage des Zoomobjektivs auf die Austrittspupillenlage des Hauptobjektivs angeglichen und weicht für größere Vergrößerungen und damit kleineren Objektfelder von dieser idealen Lage ab.
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Das dem Zoomobjektiv nachgeschaltete Relaisystem realisiert die Bildumkehr, so dass am Okularausgang ein seitenrichtiges aufrechtes Bild entsteht. Durch die im Relaissystem befindliche Aperturblende AB das Gesamtsystem ergeben sich Vorteile sowohl für die Beleuchtung als auch für die Umsetzung einfacher Tuben. Die hinsichtlich Position und Durchmesser feste Aperturblende AB ermöglicht eine einfache Anpassung an eine vorgegebene Lichtquelle, insbesondere hinsichtlich der Einkopplung des Beleuchtungslichtes über eine Faser.
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Beispielsweise erfolgt, wie aus 1 ersichtlich, die Abbildung des Faserendes mit einer Zusatzoptik LG6 und LG7 über einen Spiegel S1, einen Teilerspiegel T1 und einen Spiegel S2 in die nahe der ersten Linsengruppe LG4 des Relaissystems befindliche Aperturblende AB. Die Heranführung des Beleuchtungslichtes erfolgt mit einem aus dem Stand der Technik bekannten Lichtleitkabel oder Flüssiglichtleiter LWL.
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Die Vorteile, die sich mit der im Relaissystem befindlichen Blende ergeben, liegen sowohl in der Zugänglichkeit der Blende als auch im sich durch die Blende ergebenden Strahlverlauf. So sind aufgrund der engsten Einschnürung der Strahlbündel hier die Durchmesser für Teilerspiegel T1 und nachfolgende Beleuchtung bzw. den nachfolgenden Tubus minimal.
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Bevorzugt ist das erfindungsgemäße Mikroskopsystem mit einem Relaissystem ausgestattet, welches einen Unendlichstrahlengang aufweist. Über diesen Unendlichstrahlengang kann eine universelle Mikroskopbeleuchtung beispielsweise eine Halogen- oder HBO-Lampe eingekoppelt werden. Eine besonders einfache Variante ergibt sich aus der Zugänglichkeit der Aperturblendenebene, da ein an dieser Stelle positionierter Faserausgang mit einer Leuchtfeldblende am ersten Zwischenbild ZWB1 eine vollständige Köhlerbeleuchtung darstellt.
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2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel. Hier besteht das Zoomobjektiv aus vier Linsengruppen LG1 bis LG4, das Relaissystem besteht wiederum aus zwei Linsengruppen LG5 und LG6, zwischen denen sich die Aperturblende AB befindet.
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Betrachtet man die Abbildung dieser festen Aperturblende rückwärtig, also vom Relaissystem in Richtung Objekt, so erhält man in diesem Ausführungsbeispiel eine feste Eintrittspupillenlage für das Zoomobjektiv über den kompletten Zoombereich. Das Zoomobjektiv ist in diesem Fall so ausgelegt, dass erstens aus dem vom Objektiv kommenden Unendlichstrahlengang ein festes Zwischenbild erzeugt wird und zweitens eine feste Eintrittspupille des Zoomobjektivs in eine feste Austrittspupille außerhalb des Zoomobjektivs abgebildet wird. Durch diese feste Eintrittspupillenlage des Gesamtsystems ist es möglich, bei entsprechender Wahl der Austrittspupillenlage des Hauptobjektivs ein objektseitig telezentrisches Zoom zu realisieren.
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Abweichend vom ersten, anhand 1 erläuterten Ausführungsbeispiel lässt sich, wie in 2 gezeigt, über den im Relaissystem enthaltenen Unendlich-Strahlengang sowohl am Ort der Aperturblende AB direkt eine Faser einkoppeln als auch ein Verschiebebereich für den nachfolgenden Binokularausgang einrichten.
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Das Zoomobjektiv ist hier beispielsweise wie folgt ausgeführt:
Fläche FL | Krümmungsradius r | Dicke D | Brechzahl ne | Abbezahl νe |
1 | 99.3139 | 8.000 | 1.48794 | 84.1 |
2 | –49.6449 | 4.000 | 1.70055 | 36.1 |
3 | –144.3994 | 0.150 | | |
4 | 50.0155 | 6.000 | 1.49845 | 81.0 |
5 | 1615.6495 | 40.580 | | |
6 | –47.8934 | 3.000 | 1.74791 | 44.6 |
7 | –17.8663 | 2.000 | 1.48915 | 70.1 |
8 | 13.3100 | 38.186 | | |
9 | –14.0449 | 3.000 | 1.49845 | 81.0 |
10 | 12.3340 | 2.000 | 1.67719 | 37.9 |
11 | 45.7264 | 6.393 | | |
12 | –127.7170 | 2.500 | 1.72539 | 34.5 |
13 | 18.6138 | 6.000 | 1.49845 | 81.0 |
14 | –26.4559 | 25.000 | | |
15 | 28.7094 | 4.000 | 1.52880 | 65.92 |
16 | –39.6605 | 25.000 | | |
ZWB1 | | | | |
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Der Zoomfaktor ZF beträgt hier 25x.
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Durch Variation der Abstände Z1 bis Z4 zwischen den Linsengruppen dieses Zoomobjektivs lassen sich beispielhaft Brennweiten f' wie folgt einstellen:
f' in mm | 10 mm | 16 mm | 25 mm | 50 mm | 100 mm | 250 mm |
Z1 (D5) | 42.320 | 56.507 | 64.379 | 68.253 | 56.360 | 25.000 |
Z2 (D8) | 54.010 | 24.513 | 18.600 | 15.407 | 12.082 | 6.390 |
Z3 (D11) | 8.000 | 24.130 | 18.552 | 5.000 | 5.392 | 38.180 |
Z4 (16) | 5.820 | 5.000 | 8.619 | 21.490 | 36.316 | 40.580 |
SEP | 50 | 50 | 50 | 50 | 50 | 50 |
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Mit SEP ist in obiger Tabelle die Eintrittspupille bezeichnet, auf die hier nicht näher beschriebene Hauptobjektive auszulegen sind.
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An das Zoomobjektiv schließt ein Relaissystem an, das bei dem Zwischenbild ZWB1 beginnend folgende Daten aufweist:
Fläche FL | Krümmungsradius r | Dicke D | Brechzahl ne | Abbezahl νe |
ZWB1 | | 38.996 | | |
18 | –14.9315 | 2.000 | 1.51045 | 61.0 |
19 | 10.7947 | 6.393 | 1.49845 | 81.0 |
20 | –17.4114 | 0.100 | | |
21 | 94.6144 | 4.000 | 1.49845 | 81.0 |
22 | –34.1390 | 40.000 | | |
AB | Unendlich | 5.000 | | |
| 51.2072 | 3.000 | 1.53019 | 76.6 |
| –153.8027 | 2.000 | 1.66883 | 35.7 |
| Unendlich | 15.020 | | |
| 55.3108 | 7.500 | 1.62286 | 60.1 |
| 33.4284 | 70.000 | | |
| Unendlich | 80.000 | 1.51872 | 64.0 |
| Unendlich | 25.000 | | |
ZWB2 | | | | |
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Sollte die Aperturblendenebene aus Platzgründen nicht direkt erreichbar sein, so kann, wie beispielhaft mit der Ausgestaltung nach 1 ausgeführt, mittels einer Anpaßoptik der Faserausgang auch an diese Stelle abgebildet werden.
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Ein weiterer Vorzug des Unendlichraums im Relaissystem ist die Verschiebbarkeit der zweiten Gruppe im Relaissystem und die damit einfache Umsetzbarkeit von Ergonomietuben. Zusätzlich kann die zweite Spiegelung die Bildorientierung erhaltend – winkelverstellbar ausgeführt werden. Somit sind weitere Anpassungen hinsichtlich Ergonomie ermöglichen.
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Ist ein Kameraausgang gewünscht, so kann beispielsweise der Teilerspiegel T1 mittels einer Verschiebung gegen einen anderen Teilerspiegel T1 mit abweichendem Ablenkwinkel ausgewechselt werden.
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Mit der Abbildung des Objektes über ein Zwischenbild umgeht man die nach Stand der Technik meist im Zoomsystem untergebrachte Blende und schafft damit für die Pupillenabbildung eine reale Abbildung. Da die Aperturblende im Relaissystem eine konjugierte Ebene zur Austrittspupille des Hauptobjektivs darstellt, ist hiermit die Möglichkeit geschaffen an dieser Stelle Pupilleneingriffe für Kontrastverfahren vorzunehmen. Der Umstand, daß an der Aperturblendenebene nach dem Zoomobjektiv sowohl der Durchmesser der Blende als auch der Feldwinkel über den kompletten Zoom konstant ist, bringt für die Auslegung der Kontrasteinrichtungen deutliche Vorteile. Beispielsweise lässt sich wie im Ausführungsbeispiel nach 2 dargestellt, ein Auflicht-Phasenkontrastverfahren realisieren. Durch die über den Teilerspiegel T1 aufgeteilte Blendenebene, kann beleuchtungsseitig mit einem Ring fester Größe beleuchtet werden. Der dazu konjugierte Phasenring ist nach dem Spiegel in den Abbildungsstrahlengang einzubringen.
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Das im Auflicht häufiger verwendete DIC-Verfahren, bei dem ein doppelbrechendes Prisma im Beleuchtung- und Abbildungsstrahlengang gleichermaßen wirkt, kann aufgrund des konstanten Feldwinkels ebenfalls realisiert werden. Der konstante Feldwinkel bildseitig entspricht objektseitig unterschiedlich großer Bildaufspaltung je nach Zoom. Da mit dem Zoom sich auch die objektseitige Numerische Apertur ändert, ist hier eine automatische Anpassung von Bildaufspaltung und Numerischer Apertur gewährleistet.
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Mit Kontrastverfahren, wie Phasenkontrast und Differentieller Interferenzkontrast (DIC), wird durch Pupilleneingriff das Sichtbarmachen bestimmter Objektdetails erreicht. Aufgrund der über den gesamten Zoombereich in Ort und Größe fixierte Blende kann sowohl ein Wollaston-Prisma zur differentiellen Winkelaufspaltung eingebracht werden als auch ein Auflicht-Phasenkonstrast realisiert werden.
- LG1 bis LG8
- Linsengruppen
- O
- Objektebene
- B
- Bildebene
- ZWB1
- erstes Zwischenbild
- ZWB2
- zweites Zwischenbild
- AB
- Aperturblende
- S1, S2
- Spiegel
- T1
- Teilerspiegel
- Z1 bis Z4
- Abstände
- LB
- Leuchtfeldblende
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 20207780 U1 [0005]
- DE 19837135 A1 [0005]
- DE 10359733 A1 [0005]
- US 2006/0092504 [0007]
- US 2006/0114554 A1 [0009]