DE102010018123A1

DE102010018123A1 - Optisches System zur Beeinflussung der Richtung oder der Farbeigenschaften eines Abbildungsstrahlengangs

Info

Publication number: DE102010018123A1
Application number: DE201010018123
Authority: DE
Inventors: Johannes Winterot
Original assignee: Carl Zeiss MicroImaging GmbH
Current assignee: Carl Zeiss Microscopy GmbH
Priority date: 2010-04-24
Filing date: 2010-04-24
Publication date: 2011-10-27

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein optisches System zur Beeinflussung der Richtung des Abbildungsstrahlenganges oder zur Beeinflussung der Farbeigenschaften des Abbildungslichtes in einem optischen Gerät zum Beobachten oder Vermessen von Objekten. Das erfindungsgemäße optische System ist insbesondere für den Einsatz in Mikroskopen geeignet. Dabei sind erfindungsgemäß im Abbildungsstrahlengang zwei aufeinander folgende, optisch brechende Keile (K1, K2) vorhanden, wobei jeder Keil (K1, K2) aus einer plankonvexen und einer plankonkaven Linse (L1, L2; L3, L4) mit gleichen Brechungseigenschaften besteht. Bevorzugt weisen die konvexen und konkaven Flächen innerhalb eines jeden Keiles (K1, K2) die gleiche Krümmung auf, stehen sich einander konzentrisch gegenüber und sind um ihren gemeinsamen Krümmungsmittelpunkt gegeneinander verschwenkbar, wobei mit einer vorgebenden Verschwenkung eine Ablenkung des Strahlengangs um einen definierten Ablenkwinkel Δδ oder eine definierte Beeinflussung der Farbeigenschaften des Lichtes im Abbildungsstrahlengang erfolgt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein optisches System zur Beeinflussung der Richtung des Abbildungsstrahlenganges oder zur Beeinflussung der Farbeigenschaften des Abbildungslichtes in einem optischen Gerät zum Beobachten oder Vermessen von Objekten, beispielsweise einem Mikroskop.
In abbildenden optischen Geräten ist es in der Regel erforderlich, den vom Objekt kommenden und zu einem Okular oder einer Kamera führenden Abbildungsstrahlengang in Richtungen umzulenken, die konstruktiv bedingt oder aus ergonomischen Gründen wünschenswert sind.
So läßt sich zum Beispiel bei einem Mikroskop die Neigung des Tubus verändern und damit die Einblickrichtung variieren, um verschiedenen Nutzern mit unterschiedlichen körperlichen Konstitutionen jeweils ergonomisch günstige Bedingungen zur Beobachtung von Proben zu ermöglichen. Die Änderung der Tubusneigung bedingt dabei eine Richtungsänderung bzw. Ablenkung des Abbildungsstrahlengangs innerhalb der Tubuseinheit oder im Bereich des Übergangs vom Mikroskopgrundkörper in den Tubus.
Zur Richtungsänderung von Abbildungsstrahlengängen dienen im Stand der Technik optische und mechanische Mittel, wie sie beispielsweise in WO 98/21616 A1 anhand eines Mikroskopstrahlengangs beschrieben sind. Hier sind zur Richtungsänderung zwei Planspiegel vorgesehen, wobei der senkrecht aus dem Mikroskopgrundkörper austretende Strahlengang zunächst auf den einen, danach auf den zweiten Spiegel trifft und infolge der jeweiligen Reflexion so abgelenkt wird, daß er in der gewünschten, durch Neigungsänderung vorgegebenen Einblickrichtung in den Mikroskoptubus eintritt.
Nachteil bei dieser Anordnung, die in einem nachrüstbaren Tubuszwischenstück untergebracht ist, ist die verhältnismäßig große optische Weglänge zwischen den Spiegeln, da wegen des erforderlichen Platzbedarfs die Möglichkeiten für den Einsatz weiterer Zwischentuben eingeschränkt sind.
Außer der Notwendigkeit, die Richtung eines Abbildungsstrahlengangs zu ändern, ist es häufig auch erforderlich, die optischen Eigenschaften des Lichtes im Abbildungsstrahlengang zu beeinflussen, insbesondere um Farbquerfehler zu korrigieren, die beispielsweise bei Stereomikroskopen vom Fernrohrtyp aufgrund des exzentrischen Durchgangs der beiden Teillichtbündel durch ein gemeinsames Objektiv entstehen.
Diesbezüglich ist es aus DE 32 17 776 A1 bekannt, in jedem der beiden parallelen Strahlengänge eines Stereomikroskops im Bereich zwischen dem Objektiv und dem nachfolgenden Zoomsystem ein geradsichtiges, dispersives Keilprismenpaar anzuordnen. Die Keilprismenpaare dienen in diesem Fall dazu, die Strahlrichtung für verschiedene Wellenlängen unterschiedlich zu beeinflussen und durch Kompensation der systematischen Fehler, die aus der asymmetrischen Nutzung des Objektivs resultieren, eine für das Gesamtsystem verbesserte Korrektion des Farbquerfehlers zu erzielen. Nachteilig an dieser Anordnung ist, dass sie für jeden Objektivtyp verschieden ausgeführt werden muß und auch Exemplarschwankungen pro Objektivtyp nicht berücksichtigt werden können.
Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein optisches System der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, welches die Nachteile des Standes der Technik hinsichtlich der Richtungsänderung eines Abbildungsstrahlengangs oder der Beeinflussung der Farbeigenschaften des Abbildungslichtes nicht mehr aufweist oder diese zumindest reduziert.
Erfindungsgemäß sind in einem Abbildungsstrahlengang zwei aufeinander folgende, optisch brechende Keile vorhanden, wobei

– jeder Keil aus einer plankonvexen und einer plankonkaven Linse besteht,
– die konvexen und konkaven Flächen innerhalb eines jeden Keiles a. die gleiche Krümmung aufweisen, b. sich einander konzentrisch gegenüberstehen und c. um ihren gemeinsamen Krümmungsmittelpunkt gegeneinander verschwenkbar sind, wobei
– mit einer Verschwenkung um einen bestimmten Schwenkwinkel – eine Ablenkung des Abbildungsstrahlengangs um einen definierten Ablenkwinkel, oder – eine definierte Beeinflussung der Farbeigenschaften des Lichtes im Abbildungsstrahlengang erfolgt.

Unter Ablenkwinkel im Sinne der Erfindung wird der Winkel verstanden, um den die Richtung, in der ein Strahlengang aus dem erfindungsgemäßen optischen. System austritt, von seiner Eintrittsrichtung abweicht.
Optische Keile, bei denen sich eine plankonvexe Linse in der Kugelfläche einer plankonkaven Linse dreht, sind für sich betrachtet auch als veränderliche Keile oder Schwenkkeile bekannt. Im Stand der Technik werden diese Keile zur Ablenkung von Strahlengängen um kleine Ablenkwinkel verwendet, die zwar ausreichend groß sind, um beispielsweise im Zusammenhang mit Justierhilfen Herstellungsfehler in Präzisionsinstrumenten auszugleichen, jedoch eine Ablenkung um größere Winkel nicht zulassen.
Um größere Ablenkwinkel zu erzielen, ist erfindungsgemäß ein Keilpaar vorgesehen, bestehend aus zwei aufeinander folgenden und miteinander funktionell verbundenen optischen Keilen, wobei sich die optischen Wirkungen der beiden Keile dieses Keilpaares insofern voneinander unterscheiden, als jeder Keil bei einer vorgegebenen Ablenkung eine gesonderte, definierte Farbaufspaltung oder umgekehrt bei einer vorgegebenen Farbaufspaltung eine gesonderte, definierte Ablenkung bewirkt.
Die Erläuterung der Erfindung ist zwar darauf gerichtet, eine gewünschte Ablenkung oder eine erforderliche Beeinflussung der Farbeigenschaften mit zwei Keilen bzw. einem Keilpaar zu erzeugen, ist es jedoch auch denkbar, mehr als zwei aufeinander folgende Keile vorzusehen, um entsprechend größere Ablenkwinkel oder wirkungsvollere Farbbeeinflussungen zu erzielen.
Erfindungsgemäß ist also jeder der vorgesehenen Keile mit einer bestimmten Charakteristik bezüglich Ablenkung und Farbaufspaltung ausgebildet, sodass durch jeden Keil eine der jeweiligen Charakteristik entsprechende Einflußnahme auf Richtung oder Farbeigenschaft erfolgt.
Um einerseits eine farbkorrigierte, das heißt eine die Farbeigenschaften nicht verändernde variable Ablenkung des Abbildungsstrahlengangs zu erzielen, ist in einer ersten Ausgestaltungsvariante der Erfindung das Keilpaar so ausgelegt, dass in jeder möglichen Schwenkposition der plankonvexen Linse relativ zu der plankonkaven Linse eines jeden Keiles die von den Planflächen der beiden Linsen eingeschlossenen Winkel, im Rahmen der Erfindung als Keilwinkel bezeichnet, die Gesetze für achromatische Prismen erfüllen.
Um andererseits eine variable Farbaufspaltung in einem Abbildungsstrahlengang zu erzielen, ohne dabei dessen Richtung zu verändern, ist in einer zweiten Ausgestaltungsvariante der Erfindung das Keilpaar für eine mittlere Wellenlänge des Abbildungslichtes so ausgelegt, dass sich in allen möglichen Schwenkposition der plankonvexen relativ zu den plankonkaven Linsen die Ablenkwirkungen beider Keile auf den Abbildungsstrahlengang kompensieren, während sich jedoch die farbaufspaltenden Wirkungen ergänzen bzw. summieren.
Die Linsen innerhalb eines jeden Keiles bestehen in beiden Ausgestaltungsvarianten aus identischen Medien und weisen auch die gleichen Brechungseigenschaften auf, wogegen die Brechungseigenschaften von Keil zu Keil verschieden sind.
Das erfindungsgemäße optische System ist einerseits anwendbar zum Zweck einer Einmaljustierung hinsichtlich Richtung oder Farbeigenschaft des Abbildungsstrahlengangs eines optischen Gerätes vor dessen Übergabe an den Nutzer, andererseits aber auch, insbesondere bei Mikroskopen, zur Variation der Richtung des Abbildungsstrahlengangs, wie beispielsweise zur Variation der Einblickrichtung, oder zur Veränderung der Farbeigenschaft im Abbildungsstrahlengangs durch den Nutzer selbst.
Insbesondere für den letztgenannten Anwendungsfall sind Mittel zum Auslösen und Synchronisieren der Schwenkbewegungen der schwenkbaren Linsen des Keilpaares in Abhängigkeit von einem für die Ablenkung des Strahlengangs vergebenen Ablenkwinkel oder von einem vorgegebenen Farbkorrektionswert vorgesehen. Das Auslösen der Schwenkbewegungen erfolgt über eine Ansteuereinheit für Stell- und Getriebeglieder, die mit den schwenkbaren Baugruppen gekoppelt sind, wobei die Ansteuereinheit zugleich eine die Bewegungsabläufe koordinierende und synchronisierende Funktion hat.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen optischen Systems

– tritt ein Abbildungsstrahlengang aus parallelem Licht in die Planfläche der ersten Linse des ersten Keiles des Keilpaares ein,
– ist die gekrümmte Lichteintrittsfläche der zweiten Linse des ersten Keiles gegen die gekrümmte Lichtaustrittsfläche der ersten Linse des ersten Keiles verschwenkbar,
– ist die Planfläche dieser zweiten Linse mit der Planfläche der ersten Linse des zweiten Keiles verkittet,
– ist die gekrümmte Lichteintrittsfläche der zweiten Linse des zweiten Keiles gegen die gekrümmte Lichtaustrittsfläche der ersten Linse des zweiten Keiles verschwenkbar, und
– es entspricht die Richtung des aus der Planfläche der zweiten Linse des zweiten Keiles austretenden Abbildungsstrahlengangs der Richtung der optischen Achse einer nachfolgenden optischen Baugruppe, wie beispielsweise eines Mikroskoptubus oder eines Kameraobjektivs, sodass der abgelenkte Strahlengang in Richtung der optischen Achse in diese Baugruppe eintritt.

Die Flächenkrümmungen an den Linsen des ersten Keiles können dabei gleichsinnig oder gegensinnig zu den Flächenkrümmungen an den Linsen des zweiten Keiles ausgeführt sein.
In wiederum verschiedenen Ausführungsvarianten sind die Flächenkrümmungen an den Linsen des ersten Keiles und/oder die Flächenkrümmungen an den Linsen des zweiten Keiles sphärisch oder zylindrisch ausgeführt.
In einer bevorzugten Ausführung sind diese Flächenkrümmungen sphärisch als Kugelflächen geformt, wobei die Radien der Flächenkrümmungen an den Linsen des ersten Keiles und die Radien der Flächenkrümmungen an den Linsen des zweiten Keiles gleich oder verschieden groß sein können.
Der letztgenannte Fall schließt ausdrücklich eine Ausführungsvariante ein, bei der die Krümmungen konzentrisch verlaufen und der gemeinsame Krümmungsmittelpunkt, bezogen auf den Abbildungsstrahlengang, entweder eintrittseitig vor dem Keilpaar oder austrittseitig hinter dem Keilpaar liegt.
Im Rahmen der Erfindung liegt des weiteren die Verwendung des optischem Systems in einem Compound- oder Stereomikroskop, wobei das Keilpaar innerhalb eines Tubuszwischenstükkes angeordnet ist, das den Mikroskopgrundkörper und den Mikroskoptubus optisch und mechanisch so miteinander verbindet, daß der aus dem Mikroskopgrundkörper austretende Abbildungsstrahlengang zentrisch in die optische Achse des Mikroskoptubus eintritt und dann in Richtung der optischen Achse des Mikroskoptubus verläuft. Soll die Ablenkung des Abbildungsstrahlengangs dabei farbfehlerfrei sein, ist das Keilpaar achromatisch ausgelegt.
Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nachstehend erläuterten Merkmale nicht nur in den angegebenen Ausgestaltungen, sondern auch in anderen Variationen oder in Alleinstellung einsetzbar sind, ohne daß der Rahmen des Erfindungsgedankens verlassen wird.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:
1 eine Prinzipdarstellung des erfindungsgemäßen optischen Systems, bei dem sich optisch brechende Keile eines Keilpaares mit gegensinnig gekrümmten Linsenflächen in einer Grundposition zueinander befinden, in der keine Ablenkung des Abbildungsstrahlengangs erfolgt,
2 das System nach 1, bei dem zwecks Ablenkung des Abbildungsstrahlengangs die optisch brechenden Keile gegeneinander verschwenkt sind,
3 eine Prinzipdarstellung des erfindungsgemäßen optischen Systems, bei dem sich optisch brechende Keile eines Keilpaares mit gleichsinnig gekrümmten Linsenflächen in einer Grundposition zueinander befinden, in der keine Ablenkung des Abbildungsstrahlengangs erfolgt,
4 das System nach 3, bei dem zwecks Ablenkung des Abbildungsstrahlengangs die optisch brechenden Keile um die Krümmungsradien gegeneinander verschwenkt sind,
5 ein Anwendungsbeispiel des optischen Systems in einem Mikroskop zur Farbkorrektion bei gegeneinander verschwenkten gekrümmten Linsenflächen und gleichbleibender Richtung des Abbildungsstrahlengangs,
6 die erzielbare Farbvergrößerungsdifferenz in Abhängigkeit von den Keilwinkeln bei dem Anwendungsbeispiel nach 5 und den in Tabelle 1 angenommenen Parametern anhand eines Diagramms,
7 ein Anwendungsbeispiel für das erfindungsgemäße optische System in einem Stereomikroskop zum Zweck der Ablenkung des Abbildungsstrahlengangs ohne Veränderung der Farbeigenschaften des Abbildungslichtes,
8 die für den Abbildungsstrahlengang erzielbaren Ablenkwinkel in Abhängigkeit von den Keilwinkeln im Anwendungsbeispiel nach 7 und den in Tabelle 2 angenommenen Parametern anhand eines Diagramms.
Aus 1 ist das Prinzip des erfindungsgemäßen optischen Systems in einer ersten Ausgestaltungsvariante ersichtlich, bei der im Abbildungsstrahlengang aufeinander folgend zwei Keile K1, K2 vorgesehen sind, wovon ein erster Keil K1 aus einer plankonkaven Linse L1 und einer plankonvexen Linse L2 gebildet ist, und ein zweiter Keil K2 aus einer plankonvexen Linse L3 und einer plankonkaven Linse L4 besteht. Die Flächenkrümmungen im Keil K1 verlaufen hier beispielhaft gegensinnig zu den Flächenkrümmungen im Keil K2.
Die Keile K1, K2 sind in 1 in ihrer Grundstellung zueinander dargestellt. Die konvexen und konkaven Flächen der Linsen L1 und L2 des Keiles K1 sind mit gleichen Radien R1 gekrümmt, stehen sich konzentrisch gegenüber und sind in der Zeichenebene um ihren gemeinsamen Krümmungsmittelpunkt gegeneinander verschwenkbar gelagert. Ebenso sind die konvexen und konkaven Flächen der Linsen L3 und L4 des Keiles K2 mit einem Radius R2 identisch gekrümmt. Auch hier stehen sich die gekrümmten Flächen konzentrisch gegenüber und sind in der Zeichenebene um ihren gemeinsamen Krümmungsmittelpunkt gegeneinander verschwenkbar gelagert. Die Linsen L2 und L3 sind an ihren Planflächen miteinander verkittet. Beide Keile K1, K2 verschmelzen im Sinne der Erfindung zu einem Keilpaar, dessen Wirkungsweise über die Einzelwirkungen der Keile K1 und K2 hinausgeht.
Die Linsen L1 und L2 des Keiles K1 sind aus demselben optischen Material gefertigt, ebenso bestehen die Linsen L3 und L4 des Keiles K2 aus demselben optischen Material. Dagegen unterscheidet sich das Material der Linsen L1 und L2 von dem Material, aus dem die Linsen L3 und L4 gefertigt sind, wobei sich die Charakteristik der durch die Linsen L1 und L2 bewirkten Farbaufspaltung von der Farbaufspaltung unterscheidet, die von den Linsen L3 und L4 hervorgerufen wird.
Für optische Gläser wird dies durch die Abbezahl und durch die Benennung innerhalb der Glasfamilie charakterisiert. So sind beispielsweise Krongläser Medien mit hohen Werten der Abbezahl und geringer Farbaufspaltung, wohingegen Flintgläser verhältnismäßig kleine Abbezahlen aufweisen und eine große Farbaufspaltung bewirken.
Die Abbezahl ist definiert durch ν_e = (n_e – 1)/(n_F' – n_C'), wobei n_e für die Brechzahl bei der Spektrallinie e = 546 nm, n_F' für die Brechzahl bei der Spektrallinie e = 480 nm, und n_C' für die Brechzahl bei der Spektrallinie e = 644 nm stehen. Mittels der Brechzahl und der Abbezahl ist die Ablenk- und Farbaufspaltwirkung eines Keils in Abhängigkeit von der Verschwenkung der beiden Linsen des Keiles relativ zueinander definierbar.
Die Schwenkung dient je nach optischem Design der Ablenkung des Strahlengangs, beispielsweise im Tubuszwischenstück eines Mikroskops, oder einer Beeinflussung der Farbeigenschaften des Lichtes im Abbildungsstrahlengang, insbesondere der Korrektur von Farbquerfehler, die bei Stereomikroskopen vom Fernrohrtyp aufgrund des exzentrischen Durchgangs der Teillichtbündel durch ein gemeinsames Objektiv entstehen.
So dient beispielsweise die Ausführung nach 2 der Ablenkung des Strahlengangs. Hierbei ist das Kittglied aus Linse L2 und Linse L3 um den Schwenkwinkel β1 um den Krümmungsmittelpunkt des Radius R1 gegen die Linse L1 in der Zeichenebene soweit verschwenkt, dass die Planfläche der Linse L1 und die verkitteten Planflächen der Linsen L2 und L3 den Keilwinkel α1 einschließen, wodurch zunächst eine erste Ablenkung des Strahlengangs erfolgt. Sinngemäß ist die Linse L4 um den Schwenkwinkel β2 um den Krümmungsmittelpunkt des Radius R2 gegen den Verbund aus Linse L2 und Linse L3 in der Zeichenebene soweit verschwenkt, dass die verkitteten Planflächen der Linsen L2 und L3 mit der Planfläche der Linse L4 den Keilwinkel α2 einschließen, wodurch eine zweite Ablenkung des bereits abgelenkten Strahlengangs erfolgt, sodass der aus der Linse L4 austretende Abbildungsstrahlengang um einen resultierenden Ablenkwinkel Δδ (siehe 7b) gegenüber seiner Eintrittsrichtung in die Linse L1 abgelenkt ist.
Von den Ausgestaltungsvarianten nach 1 oder 2 abweichende Ausgestaltungsvarianten sind in 3 und 4 dargestellt. Hier verlaufen die Flächenkrümmungen der Linsen L1 und L2 des Keiles K1 gleichsinnig zu den Flächenkrümmungen der Linsen L3 und L4 des Keiles K2. Außerdem haben hier die Radien R1 und R2 denselben Krümmungsmittelpunkt, d. h. die Krümmungen der Linsen L1, L2, L3, L4 verlaufen konzentrisch.
Auch hierbei sind die Linsen L1 und L2 des Keiles K1 um den Mittelpunkt ihrer gekrümmten Flächen gegeneinander verschwenkbar gelagert, ebenso wie die Linsen L3, L4 im Keil K2 um den Mittelpunkt ihrer gekrümmten Flächen gegeneinander verschwenkbar gelagert sind. Die Linsen L2 und L3 sind wiederum an ihren Planflächen miteinander verkittet.
Die Schwenkung dient je nach optischem Design auch hier entweder der Ablenkung des Strahlengangs oder einer Beeinflussung der Farbeigenschaften des Lichtes im Abbildungsstrahlengang.
Ein Beispiel für eine Anwendung zur Ablenkung eines Strahlengangs ist in 4 dargestellt. Das Kittglied aus Linse L2 und Linse L3 ist um den Schwenkwinkel β1 um den Krümmungsmittelpunkt des Radius R1 gegen die Linse L1 in der Zeichenebene soweit verschwenkt, dass die Planfläche der Linse L1 und die verkitteten Planflächen der Linsen L2 und L3 den Keilwinkel α1 einschließen, wodurch zunächst eine erste Ablenkung des Strahlengangs erfolgt. Die Linse L4 ist um den Schwenkwinkel β2 soweit verschwenkt, dass die verkitteten Planflächen der Linsen L2 und L3 mit der Planfläche der Linse L4 den Keilwinkel α2 einschließen, wodurch eine weitere Ablenkung des bereits abgelenkten Strahlengangs erfolgt und der aus der Linse L4 austretende Abbildungsstrahlengang um einen resultierenden Ablenkwinkel Δδ (siehe 7b) gegenüber seiner Eintrittsrichtung in die Linse L1 abgelenkt ist.
5 zeigt ein Beispiel für die Anwendung des erfindungsgemäßen optischen Systems zum Zweck der Farbkorrektion bei gleichbleibender Richtung des Abbildungsstrahlengangs. Das erfindungsgemäße optische System, das auch hier wie bereits beschrieben aus einem ersten Keil K1 mit den Linsen L1, L2 und einem zweiten Keil K2 mit den Linsen L3, L4 besteht, sei dabei in ein Zwischenstück zwischen dem Mikroskopgrundkörper G und dem Mikroskoptubus T eines Mikroskops eingeordnet. Die Flächenkrümmungen der Linsen L1 und L2 des Keiles K1 verlaufen wie in der o. g. Ausgestaltungsvariante gleichsinnig zu den Flächenkrümmungen der Linsen L3 und L4 des Keiles K2. Alle Krümmungen haben einen gemeinsamen Krümmungsmittelpunkt.
Wie aus 5 ersichtlich, ist das Kittglied aus Linse L2 und Linse L3 um den Krümmungsmittelpunkt des Radius R1 gegen die Linse L1 verschwenkt. Die Linse L4 ist verschwenkt. Die Schwenkungen sind in der Zeichenebene erfolgt.
Im Unterschied zu den Ausführungen in 2 und 4 ist hier jedoch keine Ablenkung des Strahlengangs vorgesehen, sondern das optische Design des Keilpaares ist so ausgelegt, daß eine Beeinflussung der Farbeigenschaften im Sinne einer Farbkorrektion im Abbildungsstrahlengang erfolgt, während die Richtung des Abbildungsstrahlengangs beibehalten wird.
Für eine bestimmte zu erzielende Farbvergrößerungsdifferenz sind Werte der zugehörigen Keilwinkel α1 und α2 aus der nachfolgenden Tabelle 1 zu entnehmen. Darin ist der Schwenkwinkel β1 das Maß der Verschwenkung des aus den Linsen L2 und L3 bestehenden Kittgliedes um den gemeinsamen Mittelpunkt der beiden Radien R1 und R2, wodurch die Planfläche der Linse L1 und die verkitteten Planflächen der Linsen L2 und L3 den Keilwinkel α1 einschließen. Durch Schwenken der Linse L4 um einen vorgegebenen Schwenkwinkel β2 um den gleichen Mittelpunkt wird der von den Planflächen der Linsen L3 und Linse L4 eingeschlossene Keilwinkel α2 eingestellt. CVD steht für die Farbvergrößerungsdifferenz: Tabelle 1:

CVD α1 α2

0,00 0,000 0,000

–0,13 5,192 –5,980

–0,25 10,285 –11,858

–0,38 15,189 –17,545

–0,50 19,833 –22,967
Die Farbvergrößerungsdifferenz ist hier für die Abbildung eines unendlich fernen Achspunktes durch eine Tubuslinse mit der Brennweite f' = 200 gebildet und bezieht sich auf die Differenz der beiden monochromatischen Bildpunkte in der Bildebene für die Farben F' = 480 nm und C' = 644 nm nach der Funktion CVD = _defy' (480 nm) – y' (644 nm)
Das Beispiel nach 5 wurde für aus dem optischen Glas N-F2 bestehende Linsen L1 und L2 und für aus dem optischen Glas N-BAK2 bestehende Linsen L3 und L4 berechnet, der Ablenkung durch das erfindungsgemäße optische System wurde die Wellenlänge 546 nm zugrunde gelegt. Das Glas N-F2 ist ein Flintglas mit den Parametern n_e = 1,62408 und ν_e = 36,16, das Glas N-BAK2 ist ein Kronglas mit den Parametern n_e = 1,54212 und ν_e = 59,44.
Die Abhängigkeit zwischen dem Wert CVD der Farbvergrößerungsdifferenz einerseits und den Schwenkwinkeln β1 und β2 andererseits und damit auch von den Keilwinkeln α1 und α2 ist aus dem Diagramm in 6 ersichtlich.
Die Ausführung des erfindungsgemäßen optischen Systems nach 5 und 6 ist zwar lediglich für die angegebenen Farbkorrektion ausgelegt, jedoch liegt es im Rahmen der Erfindung, mit anderen Keil- bzw. Schwenkwinkeln und anderen optischen Gläsern für die Linsen auch weitere Korrektionen zu erzielen.
7 zeigt ebenfalls ein Anwendungsbeispiel für das erfindungsgemäße optische System, hier zum Zweck der Ablenkung des Abbildungsstrahlengangs eines Stereomikroskops. Dabei ist das optische System in einem Zwischenstück untergebracht, das zwischen dem Mikroskopgrundkörper G und einem Mikroskoptubus T eingeordnet ist. Wird die Neigung des Mikroskoptubus T gegen den Mikroskopgrundkörper G zwecks ergonomischer Anpassung der Einblickrichtung verändert, muß die Ablenkung des Abbildungsstrahlengangs dieser Neigungsänderung angepaßt werden.
Erfindungsgemäß wird dies beispielsweise wiederum mit einem ersten Keil K1, bestehend aus den Linsen L1 und L2, und einem zweiten Keil K2, bestehend aus den Linsen L3 und L4, erreicht, wobei die Flächenkrümmungen der Linsen L1, L2 des Keiles K1 konzentrisch zu den Flächenkrümmungen der Linsen L3 und L4 des Keiles K2 verlaufen.
In 7a befinden sich die Linsen L1 und L2 bzw. L3 und L4 der beiden Keile K1, K2 in einer Ausgangsstellung zueinander, in der keine Ablenkung des Strahlengangs erfolgt. Auf die genaue Darstellung des Strahlengangs im nachfolgenden Mikroskoptubus wurde aus Gründen der Übersichtlichkeit verzichtet. Es ist bekannt, dass zwischen Tubuslinse und Bildebene bei visuellem Gebrauch meist plane reflektive Umlenkelement zur Bildaufrichtung und zur Definition der Einblickrichtung vorgesehen sind.
7b zeigt die Anordnung gemäß 7a in der Konstellation nach einer Schwenkbewegung. Hier ist das Kittglied aus Linse L2 und L3 um den Schwenkwinkel β1 um den Krümmungsmittelpunkt des Radius R1 gegen die Linse L1 soweit verschwenkt, dass die Planfläche der Linse L1 mit den verkitteten Planflächen der Linsen L2 und L3 den Keilwinkel α1 einschließen, wodurch zunächst eine erste Ablenkung des Strahlengangs erfolgt. Die Linse L4 ist um den Schwenkwinkel β2 soweit verschwenkt, dass die Planflächen der Linsen L3 und L4 den Keilwinkel α2 einschließen und dadurch eine weitere Ablenkung des bereits abgelenkten Strahlengangs erfolgt. Die Schwenkwinkel β1 und β2 sind der Übersichtlichkeit wegen in 7b nicht eingezeichnet, prinzipiell aber aus 4 ersichtlich.
Der aus der Linse L4 austretende Abbildungsstrahlengang ist nun um einen resultierenden Ablenkwinkel Δδ gegenüber seiner Eintrittsrichtung in die Linse L1 abgelenkt. Diese Schwenkbewegungen werden in Abhängigkeit von einer Neigungsänderung des Mikroskoptubus T zwangsgeführt ausgelöst, sodass der Lichteintritt relativ zur Optik des Mikroskoptubus T unverändert bleibt, das Bild aber im Raum an einer anderen Stelle entsteht und damit den Wünschen des Anwenders angepaßt werden kann.
Zur Zwangskopplung einer Neigungsänderung des Mikroskoptubus T mit der Verschwenkungen des Kittgliedes aus den Linsen L2 und L3 gegen die Linse L1 und der Verschwenkung der Linse L4 gegen dieses Kittglied sind Stellantriebe und Getriebeglieder vorgesehen, die mit einer Ansteuereinheit zur definierten Vorgabe der Schwenkwinkel β1 und β2 in Abhängigkeit von der Neigungsänderung des Mikroskoptubus T in Verbindung stehen (zeichnerisch nicht dargestellt).
Der Ablenkwinkel Δδ bezeichnet den Winkel zwischen dem Mittenstrahl M und der geänderten Richtung des Abbildungsstrahlengangs nach Durchgang durch die Keile K1 und K2 für einen unendlich fernen Achspunkt. Ausgewählte Winkelwerte für eine solche Ausführung sind der nachstehenden Tabelle 2 entnehmbar. Tabelle 2:

Ablenkwinkel Δδ α1 α2

6,842770867 14,31957833 –28,63316483

5,14276295 10,93644292 –21,87034523

3,433629283 7,389204117 –14,77766148

1,71835745 3,725057917 –7,45002295

0 0 0
Der Zusammenhang zwischen den in Tabelle 2 angegebenen Keilwinkeln α1 und α2 einerseits und dem damit erzielbaren Ablenkwinkel Δδ andererseits ist aus dem in 8 dargestellten Diagramm ersichtlich. Für die in 3 und 4 gezeigte Anordnung ergibt sich β1 = α1 und β2 = α1 + α2. Die Keilwinkel α1 und α2 stehen in einem Verhältnis α2 = c·α1, wobei der Wert c über die Auswahl der Medien bestimmt wird, aus denen die Keile K1 und K2 bestehen.
Die Ausführung des erfindungsgemäßen optischen Systems nach 7a, 7b und 8 ist für ein Winkelverhältnis α2 = – 2·α1 bei Ablenkung des Abbildungsstrahlengangs ausgelegt. Damit ergibt sich die technisch einfache Lösung für die Schwenkbewegung der Linse L4 mit β2 = α1 + α2 = –α1. Die Schwenkbewegung des Kittgliedes aus L2 und L3 ist mit einer betragsgleichen, gegensinnigen Bewegung der Linse L4 gekoppelt.
Bei einer solchen Ausführung des erfindungsgemäßen optischen Systems zum Zweck einer Richtungsänderung des Strahlengangs kann es unter Umständen schwierig sein, in allen Schwenkpositionen des Mikroskoptubus T den Strahlengang mittig in die Tubusoptik eintreten zu lassen. Diesbezüglich gestattet jedoch der parallele Strahlengang zwischen Mikroskopgrundkörper G und Mikroskoptubus T geringe Abweichungen vom axialen Lichtweg und vom zentrischen Eintritt in den Mikroskoptubus T, wenn die Durchmesser der Optikteile mit Reserve dimensioniert sind und so kein Beschnitt auftritt.
Mit anderen optischen Gläsern und/oder veränderter geometrischer Gestaltung der Linsen sind auch andere, insbesondere größere Ablenkwinkel erreichbar.
Bezugszeichenliste

G

Mikroskopgrundkörper

K1, K2

Keile

L1 bis L4

Linsen

M

Mittenstrahl

R1, R2

Radien

T

Mikroskoptubus T

α

Keilwinkel – von den Planflächen der beiden Linsen eines Keiles jeweils eingeschlossener Winkel

β

Schwenkwinkel – Winkel um den die beiden Linsen eines Keiles um den Mittelpunkt ihrer gekrümmten Flächen verschwenkt werden

Δδ

Ablenkwinkel – Differenzwinkel zwischen Ein- und Austrittsrichtung des Strahlengangs

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 98/21616 A1 [0004]
DE 3217776 A1 [0007]

Claims

Optisches System zur Beeinflussung der Richtung oder der Farbeigenschaften des Abbildungsstrahlengangs in optischen Geräten zum Messen, Abbilden oder Beobachten von Objekten, dadurch gekennzeichnet, daß – im Abbildungsstrahlengang zwei aufeinander folgende, optisch brechende Keile (K1, K2) vorhanden sind, wobei – jeder Keil (K1, K2) aus einer plankonvexen und einer plankonkaven Linse besteht, – die konvexen und konkaven Flächen innerhalb eines jeden Keiles (K1, K2) a. die gleiche Krümmung aufweisen, b. sich einander konzentrisch gegenüberstehen und c. um ihren gemeinsamen Krümmungsmittelpunkt gegeneinander verschwenkbar sind, wobei – mit einer Verschwenkung um vorgegebene Schwenkwinkel β1 und β2 – eine Ablenkung des Abbildungsstrahlengangs um einen definierten Ablenkwinkel Δδ, oder – eine definierte Beeinflussung der Farbeigenschaften des Lichtes im Abbildungsstrahlengang erfolgt.
Optisches System nach Anspruch 1, wobei – ein von einem Objekt kommender Abbildungsstrahlengang in die Planfläche der ersten Linse (L1) des ersten Keiles (K1) eintritt, – die gekrümmte Lichteintrittsfläche der zweiten Linse (L2) des ersten Keiles (K1) gegen die gekrümmte Lichtaustrittsfläche der Linse (L1) verschwenkbar ist, – die Planfläche der Linse (L2) mit der Planfläche der ersten Linse (L3) des zweiten Keiles (K2) verkittet ist, – die gekrümmte Lichteintrittsfläche der zweiten Linse (L4) des zweiten Keiles (K2) gegen die gekrümmte Lichtaustrittsfläche der Linse (L3) verschwenkbar ist, und wobei – die Richtung des aus der Planfläche der zweiten Linse (L4) des zweiten Keiles (K2) austretenden Abbildungsstrahlengangs der Richtung der optischen Achse einer nachfolgenden optischen Baugruppe entspricht.
Optisches System nach Anspruch 2, bei dem die Flächenkrümmungen der Linsen (L1, L2) des ersten Keiles (K1) gleichsinnig oder gegensinnig zur Flächenkrümmungen der Linsen (L3, L4) des zweiten Keiles (K2) ausgeführt sind.
Optisches System nach Anspruch 3, bei dem – die Lichtaustrittsfläche der Linse (L1) konkav, – die Lichteintrittsfläche der Linse (L2) konvex, – die Lichtaustrittsfläche der Linse (L3) konvex, und – die Lichteintrittsfläche der Linse (L4) konkav gekrümmt ist.
Optisches System nach Anspruch 4, bei dem die Flächenkrümmungen der Linsen (L1, L2) des ersten Keiles (K1) und/oder die Flächenkrümmungen der Linsen (L3, L4) des zweiten Keiles (K2) sphärisch oder zylindrisch ausgeführt sind.
Optisches System nach Anspruch 5, bei dem der Radius R1 der Flächenkrümmung der Linsen (L1) und (L2) des ersten Keiles (K1) genau so groß ist wie der Radius R2 der Flächenkrümmung der Linsen (L3) und (L4) des zweiten Keiles (K2).
Optisches System nach Anspruch 5, bei dem der Radius R1 der Flächenkrümmung der Linsen (L1) und (L2) des ersten Keiles (K1) und der Radius R2 der Flächenkrümmung der Linsen (L3) und (L4) unterschiedlich groß sind, jedoch die Krümmungen konzentrisch verlaufen und der gemeinsame Krümmungsmittelpunkt, vom Keilpaar aus den Keilen (K1, K2) her betrachtet, auf der Eintrittseite oder der Austrittseite des Abbildungsstrahlengangs liegt.
Optisches System nach einem der Ansprüche 6 oder 7, mit einer zur Vorgabe der Schwenkwinkel β1, β2 ausgebildeten und zu diesem Zweck mit dem Kittglied aus den Linsen (L2, L3) und/oder der Linse (L4) verbundenen Schwenkeinrichtung, wobei mit der Verschwenkung die Ablenkung des Abbildungsstrahlengangs oder eine Farbkorrektion vorgesehen ist, jedoch der Abbildungsstrahlengang sowohl als paralleles Licht in die Linse (L1) eintritt als auch als paralleles Licht wieder aus der Linse (L4) austritt.
Optisches System nach Anspruch 8, bei dem das Kittglied aus den Linsen (L2, L3) und/oder der Linse (L4) mit Antrieben zu ihrer Schwenkung verbunden sind.
Optisches System nach Anspruch 9, bei dem das Kittglied aus den Linsen (L2, L3) und/oder die Linse (L4) – über Getriebeglieder mit einer zentralen Antriebseinheit, oder – direkt mit einzelnen Antriebseinheiten gekoppelt sind, und – die Antriebseinheiten mit einer Ansteuereinheit verbunden sind.
Optisches System nach einem der Ansprüche 8 bis 10, ausgestattet mit Mitteln zum Synchronisieren der Verdrehbewegungen der Linsen (L2, L3) und/oder der Linse (L4) in Abhängigkeit von einem für die Ablenkung des Abbildungsstrahlengangs vergebenen Ablenkwinkel Δδ oder von einem vorgegebenen Farbkorrektionswert vorhanden sind.
Verwendung des optischem Systems nach einem der vorgenannten Ansprüche in einem Compound- oder Stereomikroskop, wobei – die beiden Keile (K1, K2) innerhalb eines Tubuszwischenstückes angeordnet sind, welches den Mikroskopgrundkörper (G) und den Mikroskoptubus (T) optisch und mechanisch verbindet, – der aus dem Mikroskopgrundkörper (G) austretende und mittels der Keile (K1, K2) abgelenkte oder bezüglich der Farbeigenschaften beeinflußte Abbildungsstrahlengang in Richtung der optische Achsen des Mikroskoptubus (T) in den Mikroskoptubus (T) eintritt, und – die Linsen (L1, L2, L3, L4) der Keile (K1, K2) und der Mikroskoptubus (T) über Schwenkantriebe mit einer Ansteuerschaltung für die Schwenkbewegung verbunden sind.