DE102010018500A1

DE102010018500A1 - Optische Anordnung

Info

Publication number: DE102010018500A1
Application number: DE102010018500A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-04-22
Filing date: 2010-04-22
Publication date: 2011-10-27
Anticipated expiration: 2030-04-23
Also published as: DE102010018500B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine optische Anordnung zur Änderung einer Vergrößerung in einem Strahlengang, wobei diese optische Anordnung mindestens zwei verschiedene mögliche Vergrößerungen bereit stellt, enthaltend eine Rotationsachse und mindestens ein erstes optisches Element mit einer Brechkraft und ein zweites optisches Element mit einer Brechkraft, wobei die mindestens zwei optischen Elemente rotierbar um die Rotationsachse angeordnet sind und wobei die lichte Öffnung der optischen Anordnung für alle Vergrößerungen im Wesentlichen gleich ist, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der optischen Elemente nur aus einem Teil eines rotationssymmetrischen optischen Elements besteht und selbst nicht rotationssymmetrisch ist und dieser Teil näher an der Rotationsachse angeordnet ist, als das unter Aufrechterhaltung der Gleichheit der lichten Öffnung der optischen Anordnung für alle Vergrößerungen möglich wäre, wenn dieser Teil wieder um den entfernten Teil ergänzt worden wäre.

Description

Gegenstand der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen diskreten optischen Vergrößerungswechsler und eine optische Vorrichtung oder ein Gerät enthaltend einen solchen Wechsler.
Motivation
Wunsch nach einem schnellen, reproduzierbaren und kleinen diskreten optischen Vergrößerungswechsler insbesondere für mobile und wissenschaftliche Anwendungen.
Stand der Technik:
Es gibt im Wesentlichen eine Familie an diskreten Vergrößerungswechslern, in der Teleskopanordnungen oder Teile davon in den Strahlengang eingeschwenkt werden, bevorzugt mit Hilfe einer rotierender Trommel. Die klassischen diskreten Vergrößerungswechsler sind der Dreifach- und der Fünffachvergrößerungswechsler mit jeweils einer bzw. zwei Galilei-Teleskop-Anordnungen und einem freien Durchgang (1). Eine Verwendung von Kepler-Teleskop-Anordnungen ist im Prinzip möglich aber unüblich. In den letzten Jahren sind neuere Anordnungen hinzugekommen, die zum Einen einen gefalteten Strahlengang ( DE 10 2007 039 851 A1 ), zum Anderen einzeln einschwenkbare optische Elemente benutzen ( DE 10 2009 011 681.8 und PCT/DE 2010/000215 ) oder den optischen Strahlengang schalten (parallele Anmeldung des Erfinders vom heutigen Tage). Auch wenn bereits Fortschritte erzielt worden sind, ist die Geschwindigkeit der Anordnungen für manche Anwendungen zu gering und die Abmessungen zu groß.
Aufgabe
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Geschwindigkeit der diskreten Vergrößerungswechsler noch erheblich zu steigern und die Abmessungen weiter zu verringern. Diese Aufgabe wird durch die erfindungsgemäßen optische Anordnung nach den unabhängigen Ansprüchen 1, 2 und 16 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen finden sich in den Unteransprüchen.
Beschreibung
Die Erfindung sieht eine optische Anordnung zur Änderung einer Vergrößerung oder einer Brechkraft in einem Strahlengang vor, wobei diese optische Anordnung mindestens zwei verschiedene mögliche Vergrößerungen oder Brechkräfte bereit stellt. Die Anordnung weist eine Rotationsachse und mindestens ein erstes optisches Element mit einer Brechkraft und ein zweites optisches Element mit einer Brechkraft auf, wobei die mindestens zwei optischen Elemente rotierbar um die Rotationsachse angeordnet sind. Als Randbedingung gilt, dass die lichte Öffnung der optischen Anordnung für alle Vergrößerungen im Wesentlichen gleich ist. In diesem Zusammenhang im Wesentlichen gleich bedeutet, dass die linearen Abmessungen sich um weniger als 10%, bevorzugt um weniger als 5%, weiter bevorzugt um weniger als 3% unterscheiden. Verglichen werden Dimensionen der optischen Elemente für den Fall, dass sie nicht in der Größe an die variierende Ausdehnung des optischen Strahlenganges entlang dessen Verlaufs angepasst sind, also in einer Vergrößerungsstufe jeweils gleich groß sind. Für den Fall der Vergrößerung 1 soll der freie Durchgang ebenfalls als optisches Element aufgefasst werden (Brechkraft gleich Null) mit Abmessungen einer Form, die geometrische Ähnlichkeit mit der Form der optischen Elemente aufweist. Die eigentliche Erfindung sieht die Verwendung eines optischen Elementes, das nur aus einem Teil eines rotationssymmetrischen optischen Elements besteht und selbst nicht rotationssymmetrisch ist, vor und zwar für mindestens eines der vorgesehenen optischen Elemente. Der andere komplementäre Teil des Elementes wurde entfernt. Dabei wird der verbleibende Teil dieses optischen Elements näher an der Rotationsachse angeordnet sein, als das unter Aufrechterhaltung der Gleichheit der lichten Öffnung der optischen Anordnung für alle Vergrößerungen möglich wäre, wenn dieses optische Element wieder um den entfernten Teil ergänzt worden wäre. Es wird also z. B. von einer kreisrunden Linse entlang einer geraden Linie, oder entlang eines anderen Kreisbogens oder anders geeignet gestalteten Linie, ein Teil abgeschnitten. Der verbleibende Teil wird dann geeignet neu angeordnet, so dass er sich näher an der Rotationsachse befindet. Es kann dabei notwendig sein, dass die Brechkraft des optischen Elements an die neue Lage oder die Lage der übrigen Elemente der Anordnung relativ zu dem neu angeordneten Element angepasst werden muss. Damit sich der Aufwand in Grenzen hält, wird bevorzugt nicht das optische Element, von dem Teile entfernt worden sind, in der Brechkraft angepasst, was technisch schwer zu realisieren ist, sondern es werden von vorn herein von einem optischen Element mit neuer geeigneter Brechkraft Teile entfernt. Es wird im weiteren Verlauf der Beschreibung nicht mehr jedes mal auf diese Tatsachen ausdrücklich hingewiesen. Daher ist die Anpassung der Brechkraft des optischen Elements an die neue Lage oder der Lage der übrigen Elemente der Anordnung relativ zu dem neu angeordneten Element zumindest als Option beim Ändern der Anordnung des mindestens einen optischen Elements, dessen Teile entfernt worden sind, vorzusehen.
Das ursprünglich rotationssymmetrische optische Element, von dem ein oder mehrere Teile entfernt werden, weist vorzugsweise eine der folgenden Flächenformen auf: eine Sphäre, eine Asphäre, ein Paraboloid, ein Hyperboloid oder eine rotationssymmetrische Fläche, die jeweils zwischen zwei von diesen Formen angeordnet werden kann.
Die mindestens zwei Vergrößerungen der erfindungsgemäßen Anordnung sind vorzugsweise diskret.
Da die Erfindung in einigen Fällen darauf hinausläuft, dass der verbleibende Teil des optischen Elementes quadratisch oder rechteckig ist, kann ein kreisrundes optisches Element von vornherein durch eine geeignete Anordnung von Zylinderlinsen oder -spiegeln ersetzt werden, die ohnehin rechteckig sind. Der Vorteil hierbei ist eine bessere Intensitätsverteilung auf dem meist rechteckigen Bildsensor bei Verwendung der Anordnung in einem Beobachtungsstrahlengang mit elektronischer Bildregistrierung.
Das Entfernen von Teilen der optischen Elemente ist zuerst mit dem Nachteil verbunden, dass ein Teil der Intensität oder Lichtstärke, entsprechend der entfernten Fläche, verloren geht. Die Vorteile in ihrer Gesamtheit überwiegen aber deutlich, insbesondere für einige Anwendungen. Betrachtet man die für die Bewegung der Anordnung notwendigen Momente, so stellt man fest, dass durch das Entfernen von Teilen der optischen Elemente deren Masse geringer geworden ist. Durch das Anordnen näher an der Rotationsachse wird die Hebelarmlänge kleiner. Da das Drehmoment linear von der Masse und ebenso von der Hebelarmlänge abhängt, fällt also die Drehmomentverkleinerung insgesamt deutlich stärker aus als die Intensitätsabnahme. Der Unterschied ist im Wesentlichen durch die Verkürzung der Hebelarmlänge gegeben, weil sowohl die Intensität als auch die Masse hier mit der Fläche des verbleibenden Teils des optischen Elementes korrelieren. Dieses auf den ersten Blick überraschende Ergebnis ist auf die Neuanordnung des optischen Elementes näher an der Rotationsachse zurückzuführen. Damit und durch die geringere Masse wird die Anordnung deutlich schneller. Da die Intensitätsabnahme mit der Fläche des optischen Elementes und somit mit dem Quadrat der Linearabmessungen einhergeht und die Hebelarmlänge eine Linearabmessung ist, fällt die Drehmomentverkleinerung deutlich stärker aus, als jede der Linearabmessungverkleinerung aus der gesamten Kombination. Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist die große Platzersparnis durch das z. T. über Faktor 8 geringere Volumen der Anordnung bei gerade ca. 50% Intensitätsverlust. Das eingesparte Volumen ist deutlich größer als das entfernte Volumen. Das auf den ersten Blick überraschende Ergebnis hängt mit der Rotation der optischen Elemente zusammen. Das vom verbleibenden Teil der optischen Elemente in der Anordnung beanspruchte Volumen ist zum Einem nicht nur um das Eigenvolumen der entfernten Teile, sondern um das eines Rotationskörpers, entstanden durch die Rotation der entfernten Teile um die Rotationsachse der Anordnung, kleiner. Zum Anderen wird durch die Anordnung des verbleibenden Teils des optischen Elements näher an der Rotationsachse ein weiteres Rotationsvolumen eingespart, das durch die Rotation der freigeworden Fläche entsteht, was ebenfalls nicht auf den ersten Blick zu erkennen ist. Das eingesparte Volumen ist um mindestens 100%, bevorzugt um mindestens 200%, weiter bevorzugt um mindestens 500%, optimal um mindestens 1000% größer als das vom optischen Element entfernte Volumen. Des Weiteren ist das Verhältnis vom verbleibenden Volumen zum ursprünglichen Volumen der Anordnung kleiner als das Verhältnis von der verbleibenden Lichtintensität zu der ursprünglichen Lichtintensität in der optischen Anordnung.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist die Tatsache, dass das Entfernen von Teilen optischer Elemente dazu genutzt werden kann, die Form der Anordnung an die Form des sie aufnehmenden Gerätes anpassen zu können. So werden die rechteckigen Formen z. B. eher für eine Kamera oder ein Kamerahandy geeignet sein, während eine runde Form sich eher für ein Mikroskop oder Fernglas eignet. Genauso wird für ein flaches Gehäuse die rechteckige Form eher geeignet sein, als eine quadratische. Damit wird beim Entfernen von Teilen der optischen Elemente eine Dimension stärker verkleinert als die andere. Dadurch kann die Form der optischen Elemente an die Sensorform angepasst werden. Noch besser klappt das mit der Auswahl der o. a. Zylinderlinsen bzw. -spiegel.
Des Weiteren sollte noch festgestellt werden, dass der Aufwand, optische Elemente zu schneiden keineswegs gering ist. Geht es alleine um Gewichts- oder Volumenersparnis in der Größenordnung des entfernten Materials, wird sich das Schneiden möglicherweise kaum lohnen. Erst die Vorteile der vorliegenden Erfindung machen das Zurechtschneiden der optischen Elemente zu einem lohnenden Unterfangen. Bei größeren Stückzahlen oder bei Prototypen kann allerdings von vornherein die Endversion des optischen Elementes z. B. durch Guss-, Spritzguss oder andere Verfahren gefertigt werden. Daher bezieht sich das Entfernen hier nicht nur auf das mechanische Entfernen von Teilen eines optischen Elementes, sondern bereits auch auf das Entfernen in der Planung. Wichtig ist, dass erfindungsgemäße optische Element ein Teil eines rotationssymmetrischen optischen Elementes ist.
Es ist anzumerken, dass unter dem Begriff optisches Element eine Linse, ein Spiegel, ein Prisma usw. aber auch eine Gruppe optischer Elemente gemeint ist, insbesondere wenn diese Gruppe ein einzelnes optisches Element bezüglich Brechkraft ersetzen kann, gegenüber diesem einzelnen optischen Element aber andere vorteilhafte Eigenschaften aufweist, wie z. B. geringere optische Fehler. So wären mit dem Begriff Linse auch aus zwei oder mehr Linsen zusammengesetzte Achromate und Apochromate, ausgeführt als Kontakt- oder Kittglieder, gemeint.
Die verwendeten Linsen weisen vorzugsweise sphärische oder Hyperboloidflächen auf. Die verwendeten Spiegel weisen vorzugsweise sphärische oder Hyperboloidflächen oder Paraboloidflächen auf. Die sphärischen Flächen sind einfach herzustellen und relativ billig, die Hyperboloidflächen und Paraboloidflächen bieten bessere optische Qualität (Ausbleiben sphärischer Abberrationen).
Der Begriff „optisch” betrifft jede Art elektromagnetischer Strahlung, also nicht nur sichtbares Licht sondern auch IR-, UV-, Terahertz-, Mikrowellen-, Radiowellenstrahlung usw.
Die vorzugsweise dargestellte Galilei-Anordnung kann selbstverständlich auch durch eine Kepler-Anordnung ersetzt werden.
Die Offenbarung der in dieser Anmeldung zitierten Schriften wird hiermit durch Bezugnahme vollumfänglich übernommen.
Einige bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen optischen Anordnung werden an Hand der nachfolgenden Zeichnungen näher beschrieben.
1 Ein Fünffach-Galilei-Wechsler nach Stand der Technik

a) Optische Anordnung
b) Strahlengang in einem Galilei-Teleskop
c) Strahlengang in einem Kepler-Teleskop

2 Eine erste erfindungsgemäße optische Anordnung im Vergleich mit einer herkömmlichen Anordnung am Beispiel eines Dreifach-Galilei-Wechslers.
3 Eine zweite erfindungsgemäße optische Anordnung im Vergleich mit einer herkömmlichen Anordnung am Beispiel eines Dreifach-Galilei-Wechslers.
4 Eine dritte erfindungsgemäße optische Anordnung im Vergleich mit einer herkömmlichen Anordnung am Beispiel eines neueren Wechslers nach DE 10 2007 039 851 A1 .

a) herkömmliche Anordnung für Vierfachwechsler mit angedeuteten Schnittlinien
b) erfindungsgemäße optische Anordnung für Vierfachwechsler
c) erfindungsgemäße optische Anordnung für Dreifachwechsler

5 Eine vierte erfindungsgemäße optische Anordnung im Vergleich mit einer herkömmlichen Anordnung am Beispiel eines neueren Wechslers nach PCT/DE 2010/000215 .

a) herkömmliche Anordnung für Vierfachwechsler mit angedeuteten Schnittlinien
b) erfindungsgemäße optische Anordnung für Vierfachwechsler, Ansicht von oben
c) erfindungsgemäße optische Anordnung für Vierfachwechsler, Ansicht von der Seite

6 Eine fünfte erfindungsgemäße optische Anordnung im Vergleich mit einer herkömmlichen Anordnung am Beispiel eines neueren Zweifachwechslers nach DE 10 2007 039 851 A1 oder eines neueren Wechslers nach PCT/DE 2010/000215 .

a) herkömmliche Anordnung mit angedeuteten Schnittlinien
b) erfindungsgemäße optische Anordnung

1a) zeigt einen herkömmlichen Fünffach-Galilei-Wechsler 10a. Die beiden Galilei-Teleskopanordnungen werden durch die Linsenpaare A und A' sowie B und B' gebildet, wobei die optischen Achsen OA und OA' der Linsen A und A' zusammenfallen und die optische Achse OAA' des Teleskops AA' bilden und die optischen Achsen OB und OB' der Linsen B und B' zusammenfallen und die optische Achse OBB' des Teleskops BB' bilden. Zusätzlich gibt es noch Platz für den freien Durchgang CC'. Die Linsen sind ringförmig, z. B. auf einem Ring R, um die Rotationsachse T rotierbar angeordnet. Fällt die optische Achse OAA' des Teleskops AA' mit der optischen Achse O des optischen Strahlenganges zusammen, so hat die Anordnung eine Vergrößerung a wenn die Linse A' zuerst, vor der Linse A, von Licht durchlaufen wird (der in der Abbildung dargestellte Fall) und die Vergrößerung 1/a, wenn zuerst die Linse A und dann die Linse A' durchlaufen wird (wenn der Ring R mit den Linsen um 180° gedreht worden ist). Ähnlich ist die Vergrößerung der Anordnung gleich b, wenn die optische Achse OBB' des Teleskops BB' mit der optischen Achse des optischen Strahlenganges zusammenfällt und die Linse B' zuerst vor der Linse B durchlaufen wird (der Ring in der Abbildung wurde um 60° im Uhrzeigersinn gedreht) und die Vergrößerung der Anordnung ist gleich 1/b, wenn die optische Achse OBB' des Teleskops BB' mit der optischen Achse des optischen Strahlenganges zusammenfällt und die Linse B zuerst vor der Linse B' durchlaufen wird (der Ring in der Abbildung wurde um 240° im Uhrzeigersinn oder 120° entgegen dem Uhrzeigersinn gedreht). Fällt die optische Achse OCC' des freien Durchganges CC' mit der optischen Achse des optischen Strahlenganges zusammen, so ist die Vergrößerung 1 wie erwartet unabhängig von Orientierung. Die Linsenpaare werden durch je eine Negativlinse und eine Positivlinse gebildet, es liegt also eine Galilei-Anordnung ohne Zwischenbild vor. Auch Linsenpaare aus je zwei Positivlinsen sind möglich. Hierbei würde es sich um die Kepler-Anordnung mit je einem Zwischenbild handeln. Die Kepler-Anordnung braucht aber zum Einen noch deutlich mehr an Platz, zum Anderen ist der optionale freie Durchgang nicht ohne Weiteres realisierbar, weil dieser genauso wie die Galilei-Anordnung keine Bildumkehr bewirkt, dagegen die Kepler-Anordnung schon. So bräuchte die Kepler-Anordnung mit einem freien Durchgang zusätzlich eine einschwenkbare Bildumkehrvorrichteung oder im Falle eines Kamerachipdetektors eine besondere Softwareoption für die fallweise Bildumkehr.
1b) zeigt den Strahlengang in einem Galilei-Teleskop 10b, wie er in einem Galilei-Wechsler, z. B. nach 1a), verwendet wird. Der afokale Strahlengang S1 wird durch die Negativlinse D zum Strahlengang S2 aufgeweitet und durch die Positivlinse E wieder in einen afokalen Strahlengang S3 mit einem (hier) größeren Durchmesser als der von S1 überführt. In 1c) wird der Strahlengang in einem Kepler-Teleskop 10c gezeigt. Der afokale Strahlengang S4 wird durch die Linse F im Strahlengang S5 fokusiert und durch die Linse G wieder in einen afokalen Strahlengang S6 überführt, wobei das Zwischenbild ZB entsteht.
2 zeigt eine erste erfindungsgemäße optische Anordnung 20' im Vergleich mit einer herkömmlichen Anordnung 20 am Beispiel eines Dreifach-Galilei-Wechslers. Links in der Anordnung 20 sieht man die Draufsicht auf die Strahlengangebene, rechts die Ansicht mit/gegen die Strahlengangrichtung, die korrespondierenden Punkte sind durch langgestrichelte Linien verbunden. Der Strahlengang soll ähnlich wie in 1b) gedacht werden. Die kreisrunde Positivlinse 1 bildet mit der kreisrunden Negativlinse 2 ein Galileiteleskop, das gemäß Pfeil um eine Rotationsachse 4 rotieren kann und damit vier verschiedene Stellungen einnehmen und damit drei verschiedene Vergrößerungen bereitstellen kann. Die Linsen sind derart rotierbar angeordnet, dass sie beim Rotieren den Kreis 3 beschreiben. Dargestellt im 2 ist eine erste Stellung mit Vergrößerung a. In einer weiteren Stellung wären die Linsen 1 und 2 vertauscht und die Vergrößerung wäre 1/a. Zwei weitere Stellungen wären mit den beiden Linsen angeordnet oben und unten möglich, einmal mit der Positivlinse oben und einmal mit der Positivlinse unten. Beide Stellungen weisen die Vergrößerung 1 auf, da sich dabei keine der Linsen im Strahlengang befindet. In der Anordnung rechts ist die Linse 1 mit angedeuteten Schnittlinien zu sehen.
Die Darstellung 20' zeigt die erfindungsgemäße optische Anordnung. Die runden Außenteile der Linsen 1 und 2 sind entfernt worden, es handelt sich hier allerdings vorzugsweise um Linsen mit anderen Brennweiten und Brennweitenunterschieden. Die so entstandenen Linsen 1' und 2' sind jetzt quadratisch. Sie sind jetzt derart rotierbar angeordnet, dass sie beim Rotieren den Kreis 3' beschreiben, der kleiner als der Kreis 3 ist. Die Linsen 1' und 2' sind näher an der Rotationsachse 4' angeordnet als die ursprünglichen Linsen 1 und 2. Die Wahl der neuen Brennweiten kann so sein, dass die Vergrößerungen a und 1/a beibehalten werden, wobei die Linsen wieder ein Galilei-Teleskop bilden.
Die Randbedingung für die Anordnung der Linsen ist bevorzugt der gleiche Durchmesser des freien Durchgangs mit Vergrößerung 1 und der Linsendurchmesser, so dass sich die Linsen im Wesentlichen auf zwei sich gegenüberliegenden Seiten eines Würfels (Quaders mit gleichen Seiten) befinden. Die lichte Öffnung bezogen auf den Strahlengang bleibt im Wesentlichen gleich bei allen Vergrößerungsstufen.
Durch das Entfernen der runden Außenteile geht unter der Voraussetzung gleichmäßiger Intensitätsverteilung im Strahlengang in diesem Fall etwa ein Drittel der Intensität verloren, denn die Intensität korreliert mit der Linsenfläche. Gleichzeitig sinkt die bewegte Masse ebenfalls um ca. ein Drittel. Gleichzeitig aber sinkt das für die Anordnung benötigte Volumen auf ca. ein Drittel, was einen großen Vorteil bedeutet. Der Hebel mit dem die Linsen bewegt werden sinkt um fast 30%, was angesichts der Tatsache, dass es sich hier um eine lineare Größe handelt, ebenfalls ein Vorteil ist. Damit ist das Drehmoment auf weniger als die Hälfte gesunken. Ist der Durchmesser des Kreises 3' die Einbauhöhe im Gerät, so sinkt sie im gleichen Maße. Das Verhältnis der nutzbaren Linsenfläche zu dem benötigten Volumen verbessert sich ca. um Faktor 1,8. Ein weiterer Fortschritt für kleine Einbauhöhe kann erreicht werden, in dem statt eines Quadrates ein Rechteck ausgeschnitten wird, was in der nächsten Abbildung behandelt wird.
3 zeigt eine zweite erfindungsgemäße optische Anordnung 30' im Vergleich mit einer herkömmlichen Anordnung 30 am Beispiel eines Dreifach-Galilei-Wechslers. Links in der Anordnung 30 sieht man die Draufsicht auf die Strahlengangebene, rechts die Ansicht mit/gegen die Strahlengangrichtung, die korrespondierenden Punkte sind durch langgestrichelte Linien verbunden. Der Strahlengang soll ähnlich wie in 1b) gedacht werden. Die kreisrunde Positivlinse 11 bildet mit der kreisrunden Negativlinse 12 ein Galileiteleskop, das gemäß Pfeil um eine Rotationsachse 14 rotieren kann und damit vier verschiedene Stellungen einnehmen und damit drei verschiedene Vergrößerungen bereitstellen kann. Die Linsen sind derart rotierbar angeordnet, dass sie beim Rotieren den Kreis 13 beschreiben. Dargestellt im 3 ist eine erste Stellung mit Vergrößerung a. In einer weiteren Stellung wären die Linsen 11 und 12 vertauscht und die Vergrößerung wäre 1/a. Zwei weitere Stellungen wären mit den beiden Linsen angeordnet oben und unten möglich, einmal mit der Positivlinse oben und einmal mit der Positivlinse unten. Beide Stellungen weisen die Vergrößerung 1 auf, da sich dabei keine der Linsen im Strahlengang befindet. In der Anordnung rechts ist die Linse 11 mit angedeuteten Schnittlinien zu sehen.
Die Darstellung 30' zeigt die erfindungsgemäße optische Anordnung. Die runden Außenteile der Linsen 11 und 12 sind entfernt worden, es handelt sich hier allerdings vorzugsweise um Linsen mit anderen Brennweiten und Brennweitenunterschieden. Die so entstandenen Linsen 11' und 12' sind jetzt rechteckig. Das Seitenverhältnis ist in diesem Beispiel 1,6, kann aber anders gewählt werden. Sie sind jetzt derart rotierbar angeordnet, dass sie beim Rotieren den Kreis 13' beschreiben, der deutlich kleiner als der Kreis 13 ist. Die Linsen 11' und 12' sind näher an der Rotationsachse 14' angeordnet als die ursprünglichen Linsen 11 und 12. Die Wahl der neuen Brennweiten kann so sein, dass die Vergrößerungen a und 1/a beibehalten werden, wobei die Linsen wieder ein Galilei-Teleskop bilden.
Die Randbedingung für die Anordnung der Linsen ist bevorzugt der gleiche Durchmesser des freien Durchgangs mit Vergrößerung 1 und der Linsendurchmesser, so dass sich die Linsen im Wesentlichen auf zwei sich gegenüberliegenden Seiten eines Würfels befinden. Die lichte Öffnung bezogen auf den Strahlengang bleibt im Wesentlichen gleich bei allen Vergrößerungsstufen.
Durch das Entfernen der runden Außenteile geht unter der Voraussetzung gleichmäßiger Intensitätsverteilung im Strahlengang in diesem Fall ca. die Hälfte der Intensität verloren, denn die Intensität korreliert mit der Linsenfläche. Gleichzeitig aber sinkt das für die Anordnung benötigte Volumen auf weniger als ein Viertel, was einen großen Vorteil bedeutet. Der Hebel, mit dem die Linsen bewegt werden, sinkt um fast 50%, was angesichts der Tatsache, dass es sich hier um eine lineare Größe handelt, ebenfalls ein Vorteil ist. Ist der Durchmesser des Kreises 3' die Einbauhöhe im Gerät, so sinkt sie im gleichen Maße. Das Verhältnis der nutzbaren Linsenfläche zu dem benötigten Volumen verbessert sich ca. um Faktor 2,4 bei einem Seitenverhätnis von 1,6 bei dem Rechteck. Das Drehmoment sinkt auf ca. ein Viertel.
Die erfindungsgemäßen Linsen können natürlich auch in anderen Wechslern verwendet werden, so z. B. in einem Fünffachwechsler (ebenfalls mit einem freien Durchgang), Zwei-, Vier- oder Sechsfachwechsler (ohne freien Durchgang).
Die Wahl eines Rechtecks als verbleibende Linsenform kann auch bei einem nichtquadratischen Bildsensor ein Vorteil sein.
Die Anordnung aus 3 eignet sich für ein Kamerahandy oder eine Kamera, ähnlich wie die Anordnung aus 2. Es mag vorteilhaft sein, nur die langen Seiten des Rechtecks zu schneiden, die kürzeren könnten rund bleiben. Die Auswirkungen sind je nach Auslegung geringer und man spart einen Arbeitsgang.
4 zeigt eine dritte erfindungsgemäße optische Anordnung im Vergleich mit einer herkömmlichen Anordnung am Beispiel eines neueren Vergrößerungswechslers nach DE 10 2007 039 851 A1 . Der neuere Wechsler nach DE 10 2007 039 851 A1 weist ebenfalls ein oder mehrere Galileiteleskope auf, wobei der Strahlengang zwischen den Teleskoplinsen gefaltet ist. Die Teleskoplinsen befinden sich auf einem Ring oder Trommel mit optischen Achsen parallel Rotationsachse, statt wie beim klassischen Wechsler (1a)) senkrecht dazu. Dazu sind die Linsen auf kleineren Radii angeordnet. Dadurch werden bereits kleinere Hebel und bessere Gewichtsverteilung als beim klassischen Wechsler erreicht. Eine solche Anordnung für einen Vierfachwechsler ist in 4a) zu sehen, allerdings wurde der Übersichtlichkeit halber auf die Darstellung der Faltungsspiegel verzichtet. Es wir auf die DE 10 2007 039 851 A1 verwiesen. Die Linsen 110, 120, 130 und 140 sind rotierbar um die Rotationsachse 101 angeordnet. Die einander gegenüber liegenden Linsenpaare 110, 130 und 120, 140 bilden jeweils ein Galileiteleskop, eine Linse innerhalb des Linsenpaares ist also jeweils eine Positivlinse und eine Linse innerhalb des Linsenpaares eine Negativlinse. Der um die Linsen umschriebene Kreis 103 deutet den Platzbedarf der Anordnung bei einer Rotation an. Der durch Linsen genutzte Anteil beträgt weniger als 70%. Innerhalb der Linsen sind mit gestrichelten Linien angedeutete Schnittlinien zu Linsen 110', 120', 130' und 140' zu sehen, die den erfindungsgemäßen Wechsler bilden sollen. Diese erfindungsgemäße optische Anordnung 100' in Ausführung als Vierfachwechsler ist in 4b) dargestellt. Die Linsen 110', 120', 130' und 140' wurden zusammengesetzt und bilden einen dicht gefüllten Kreis 103', der um die Achse 101' rotieren kann. Der durch Linsen genutzte Anteil beträgt praktisch 100%. Die Hebel sind bei ca. halber Intensität etwa halb so lang, was einen Vorteil bedeutet, weil die Hebel linear, die Intensität aber mit der Fläche (quadratisch) korreliert. Das Drehmoment in 4b) liegt bei etwa einem Viertel des Drehmoments aus 4a). Das Volumen in 4b) beträgt ca. ein Drittel des Volumens der Anordnung aus 4a), da die Linsendicke für diese Betrachtung nahezu konstant bleibt, nur die Fläche ändert sich. Die Linearabmessungen gehen auf etwas mehr als die Hälfte zurück. Die lichte Öffnung ist bei allen Vergrößerungen im Wesentlichen gleich. Die optischen Achsen sind näher an einander gerückt. Ein Ausgleich des optischen Weges kann durch geeignete Anpassung anderer Abstände, z. B. zu den Faltungsspiegeln, erfolgen. Wahlweise können auch die Brennweiten angepasst werden. Die letzten vier Sätze gelten ebenfalls für die Anordnungen nach 5 und 6.
Eine weitere erfindungsgemäße optische Anordnung 100'' in Ausführung als Dreifachwechsler ist in 4c) dargestellt. Die Linsen 120' und 140' wurden durch Platzhalter ersetzt. Man verliert eine Vergrößerungsstufe bei vorteilhafter Einsparung von zwei Linsen. Weitere Betrachtungen verlaufen entsprechend 4b). Die Linsen 110', 120', 130' und 140' weisen alle den Winkel 90° auf, der wegen Fertigungstoleranzen o. ä. um einige Grad abweichen kann, im Endeffekt also einen Winkel aus dem Bereich 90,0° +/– 5,0°, bevorzugt aus dem Bereich 90,0° +/– 3,0°, weiter bevorzugt aus dem Bereich 90,0° +/– 2,0°, optimal aus dem Bereich 90,0° +/– 1,0° ist. Durch die fehlende Rotationssymmetrie der optischen Elemente kann die Intensitätsverteilung auf dem Bildsensor in einem die Anordnung enthaltenden Beobachtungsstrahlengang ungleichmäßig ausfallen. Dem kann begegnet werden, in dem die Sensorempfindlichkeit und/oder die Verstärkung des intensitätsabhängigen Signals an die lokale Intensitätsverteilung auf dem Bildsensor angepasst wird. Dies gilt auch für andere hier vorgestellten Anordnungen.
5 zeigt eine vierte erfindungsgemäße optische Anordnung in den Ansichten 200', 200'' im Vergleich mit einer herkömmlichen Anordnung 200 am Beispiel eines neueren Wechslers nach PCT/DE 2010/000215 , 14 und 15. In 5a) ist diese Anordnung für einen Vierfachwechsler in der Ansicht 200' mit Blick in Richtung Rotationsachse dargestellt, wobei die Anordnung in eine Ebene senkrecht zu der Rotationsachse auseinandergefaltet worden ist, um bessere Übersicht zu haben. In der Originalanordnung schneidet die jeweilige Ebene jeder der Linsen die Rotationsachse unter 45°, wobei unter der Ebene der Linse eine Ebene durch die Linse gemeint ist, die senkrecht auf die optische Achse der Linse steht. Diese Art von Wechsler kann ein oder mehrere Galilei-Teleskope aufweisen, wobei der Strahlengang zwischen den Teleskoplinsen gefaltet ist. In 5a) haben wir zwei Galilei-Teleskope. Sie werden durch die Linsenpaare 210, 230 und 220, 240 gebildet. Die Linsen 210, 220, 230 und 240 können um die Rotationsachse 201 rotieren. Dabei beanspruchen sie ein Volumen in Form eines Kegelstumpfes, dessen Basis auf Grund der hier dargestellten „Auseinanderfaltung” ca. einen Faktor 1,4 kleiner ist als der Ring 203. Jeweils innerhalb der Linsen 210, 220, 230 und 240 angedeutet durch Schnittlinien erscheinen die erfindungsgemäßen Linsen 210', 220', 230' und 240'. Der der Rotationsachse jeweils zugewandte Winkel beträgt ca. 70,5°, wie der Fachmann mit Leichtigkeit berechnet. Der Winkel, der wegen Fertigungstoleranzen o. ä. um einige Grad abweichen kann, ist im Endeffekt ein Winkel aus dem Bereich 70,5° +/– 5,0° bevorzugt aus dem Bereich 70,5° +/– 3,0°, weiter bevorzugt aus dem Bereich 70,5° +/– 2,0°, optimal aus dem Bereich 70,5° +/– 1,0°. 5b) zeigt eine Projektion des erfindungsgemäßen Wechslers in eine Ebene senkrecht zu der Rotationsachse 201'.
Die Größe der Linsen 210', 220', 230' und 240' kann relativ zu den Linsen 210, 220, 230 und 240 durchaus variieren und auch die Form kann von den hier beispielhaften Dreiecken abweichen. Es ist bevorzugt, dass zwei Begrenzungsseiten in etwa den Winkel von 70,5° einschließen.
Das eingeschlossene Volumen der in 5b) gezeigten Anordnung ist in etwa ein Achtel der herkömmlichen Anordnung. Die nutzbare Intensität sinkt auf die Hälfte, der Hebel im Schnitt auf etwa die Hälfte. Das Drehmoment sinkt auf ca. ein Viertel. Bemerkenswert ist die Volumenersparnis. Die verbleibende Intensität und der Hebel sowie Volumen können je nach Ausführung variieren. 5b) stellt nur ein Beispiel dar.
5c) zeigt die erfindungsgemäße optische Anordnung 200' für Viererwechsler als Ansicht 200'' von der Seite. Angedeutet ist die Rotationsachse 201', die unter einem Winkel von 45° auf die möglichen optischen Strahlengänge 260 und 261 steht. Befindet sich unter der Anordnung der optionale Spiegel 270 wird der eine Strahlengang in den anderen reflektiert. Die Wölbung der Linsen wurde bei der Darstellung vernachlässigt.
6 zeigt eine fünfte erfindungsgemäße optische Anordnung 300' im Vergleich mit einer herkömmlichen Anordnung 300 am Beispiel eines neueren Zweifachwechslers nach DE 10 2007 039 851 A1 oder eines neueren Wechslers nach PCT/DE 2010/000215 , 17. In 6a) bilden die Linsen 310 und 320 ein Galilei-Teleskop in einer gefalteten Anordnung, wobei die zu der Anordnung gehörigen Umlenkspiegel nicht dargestellt worden sind. Die Linsen 310 und 320 können zu einem Zweifachwechsler nach DE 10 2007 039 851 A1 gehören oder zu einem Wechsler nach PCT/DE 2010/000215 , 17. Im ersten Falle befinden sie sich in einer Ebene und können nur eine Rotationsbewegung um die Rotationsachse 301 ausführen. Im zweiten Falle werden sie sich vorzugsweise in verschiedenen Ebenen entlang der Rotationsachse befinden und einschwenkbar sein, also zwei Linsen im eingeschwenkten Zustand von drei oder mehr einschwenkbaren Linsen. Die durch lang gestrichelten Linien angedeuteten Schnittlinien weisen auf den Verlauf der erfindungsgemäßen beschnittenen Linsen 310' und 320'. In 6b) ist die Anordnung aus erfindungsgemäßen Linsen 310' und 320' zu sehen. Im Falle des Zweifachwechslers können die beiden Linsen direkt miteinander verbunden werden, da sie sich in einer Ebene befinden. In dem anderen Fall sind sie nur mittelbar über den Träger der Anordnung verbunden. Die einschwenkbaren Linsen können in ausgeschwenkter Stellung den Platz einnehmen, der durch das Entfernen der Linsenteile frei geworden ist. Die Anordnung eignet sich wegen der kreisrunden Form z. B. für Mikroskope.
Die erfindungsgemäße Anordnungen können auch kaskadiert werden, d. h. es können zwei und mehr von den Anordnungen im Strahlengang angeordnet werden. Der Vorteil ist, dass die resultierende Anzahl der Vergrößerungsstufen das Produkt der Anzahlen von Vergrößerungsstufen der einzelnen Anordnungen ist. Sind also eine Anordnung nach 4c) und eine nach 5b) im Strahlengang nacheinander angeordnet worden, so haben wir zwölf Vergrößerungsstufen, wobei die Anordnung nach 4c) drei und die nach 5b) vier Vergrößerungsstufen beiträgt.
Die hier vorzugsweise vorgestellten Linsenanordnungen können auch durch Spiegelanordnungen ersetzt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102007039851 A1 [0003, 0021, 0023, 0037, 0037, 0037, 0043, 0043]
DE 102009011681 [0003]
DE 2010/000215 [0003, 0022, 0023, 0039, 0043, 0043]

Claims

Optische Anordnung zur Änderung einer Vergrößerung oder einer Brechkraft in einem Strahlengang, wobei diese optische Anordnung mindestens zwei verschiedene mögliche Vergrößerungen oder Brechkräfte bereit stellt, enthaltend eine Rotationsachse und mindestens ein erstes optisches Element mit einer Brechkraft und ein zweites optisches Element mit einer Brechkraft, wobei die mindestens zwei optischen Elemente rotierbar um die Rotationsachse angeordnet sind und wobei die lichte Öffnung der optischen Anordnung für alle Vergrößerungen im Wesentlichen gleich ist, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der optischen Elemente nur aus einem Teil eines rotationssymmetrischen optischen Elements besteht und selbst nicht rotationssymmetrisch ist und dieser Teil näher an der Rotationsachse angeordnet ist, als das unter Aufrechterhaltung der Gleichheit der lichten Öffnung der optischen Anordnung für alle Vergrößerungen möglich wäre, wenn dieser Teil wieder um den entfernten Teil ergänzt worden wäre.
Optische Anordnung nach nach Anspruch 1 oder dem Oberbegriff davon, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen des entfernten, komplementären Teils des mindestens einen der optischen Elemente, das nur aus einem Teil eines rotationssymmetrischen optischen Elements besteht und selbst nicht rotationssymmetrisch ist, kleiner ist als das Volumen, das bei der Verwendung dieses optischen Elements in dieser Anordnung eingespart werden kann.
Optische Anordnung nach nach Anspruch 1 oder 2 oder dem Oberbegriff von Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen, das durch die Verwendung des mindestens einen der optischen Elemente, das nur aus einem Teil eines rotationssymmetrischen optischen Elements besteht und selbst nicht rotationssymmetrisch ist, eingespart worden ist, größer ist als das Rotationsvolumen, das durch Rotation des entfernten Teils dieses optischen Elementes um die Rotationsachse entsteht.
Optische Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das eingesparte Volumen um mindestens 100%, bevorzugt um mindestens 200%, weiter bevorzugt um mindestens 500%, optimal um mindestens 1000% größer ist als das vom optischen Element entfernte Volumen.
Optische Anordnung nach nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das rotationssymmetrische optische Element eine der folgenden Flächenformen aufweist: eine Sphäre, eine Asphäre, ein Paraboloid, ein Hyperboloid oder eine rotationssymmetrische Fläche, die jeweils zwischen zwei von diesen Formen angeordnet werden kann.
Optische Anordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Vergrößerungen diskret sind.
Optische Anordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Entfernen von Teilen der optischen Elemente und eine Neuanordnung der optischen Elemente näher an der Rotationsachse das Verhältnis vom verbleibenden Volumen der Anordnung zum ursprünglichen Volumen der Anordnung kleiner ist als das Verhältnis von der verbleibenden Lichtintensität zu der ursprünglichen Lichtintensität in der optischen Anordnung.
Optische Anordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Entfernen von Teilen der optischen Elemente und eine Neuanordnung der optischen Elemente näher an der Rotationsachse die Drehmomente, die nötig sind um die Anordnung zu bewegen, stärker kleiner werden als die Lichtintensität in der optischen Anordnung.
Optische Anordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Entfernen von Teilen der optischen Elemente und eine Neuanordnung der optischen Elemente näher an der Rotationsachse die Drehmomente, um die Anordnung zu bewegen, stärker kleiner werden als die Linearabmessungen der Anordnung.
Optische Anordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Entfernen der Teile der optischen Elemente deren Form an die Form des begrenzenden Gehäuses angepasst wird.
Optische Anordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Entfernen von Teilen der optischen Elemente eine Dimension stärker verkleinert wird als die andere.
Optische Anordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Form der optischen Elemente an die Sensorform angepasst wird.
Optische Anordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der verbliebene Teil eines rotationssymmetrischen optischen Elements einen Winkel von 70,5° oder 90° mit einer maximalen Abweichung von +/–5°, bevorzugt von +/–3°, weiter bevorzugt von +/–2°, optimal von +/–1° enthält.
Optische Anordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorempfindlichkeit und/oder die Verstärkung des intensitätsabhängigen Signals an die lokale Intensitätsverteilung auf dem Bildsensor angepasst wird.
Optische Anordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass optische Elemente an die Stellen ausgeschwenkt werden, die durch das Entfernen von Teilen optischer Elemente frei geworden sind.
Optische Anordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche oder dem Oberbegriff von Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Elemente rechteckig sind.
Optische Anordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Elemente Zylindersymmetrie aufweisen.
Optische Anordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Elemente Linsen sind.
Gerät oder optische Vorrichtung enthaltend optische Anordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche.