DE102011054087A1

DE102011054087A1 - Optische Bildversatzvorrichtung, optische Bildstabilisierungsvorrichtung und optisches Beobachtungsgerät

Info

Publication number: DE102011054087A1
Application number: DE201110054087
Authority: DE
Inventors: Dr. Pretorius Marco; David Shafer
Original assignee: Carl Zeiss Microscopy GmbH
Current assignee: Carl Zeiss Microscopy GmbH
Priority date: 2011-09-30
Filing date: 2011-09-30
Publication date: 2013-04-04
Anticipated expiration: 2031-10-01
Also published as: US9684182B2; US20130083396A1; DE102011054087B4

Abstract

Es wird eine optische Bildversatzvorrichtung zum Ausgleichen oder Erzeugen eines lateralen Versatzes eines Bildes von einem Beobachtungsobjekt (41) in einer optischen Beobachtungsvorrichtung (33) zur Verfügung gestellt. Die optische Bildversatzvorrichtung weist wenigstens zwei optische Keile (1, 3) auf, die entlang einer optische Achse (OA) hintereinander angeordnet sind und jeweils aus wenigstens zwei optischen Elementen (5, 7, 9, 11) zusammengesetzt sind. Jeder optische Keil (1, 3) weist einen einstellbaren Keilwinkel (α, β) auf Außerdem weisen die optischen Keile (1, 3) unterschiedliche Brechungsindizes und unterschiedliche Dispersionen auf.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine optische Bildversatzvorrichtung zum Ausgleichen oder Erzeugen eines lateralen Versatzes eines Bildes von einem Beobachtungsobjekt bezüglich einer optischen Achse in einer optischen Beobachtungsvorrichtung, d. h. zum Ausgleichen eines Versatzes senkrecht zur optischen Achse des optischen Beobachtungsgeräts. Daneben betrifft die Erfindung eine optische Bildstabilisierungsvorrichtung sowie ein optisches Beobachtungsgerät.
Beim Beobachten von Beobachtungsobjekten mittels optischer Beobachtungsgeräte muss das Beobachtungsobjekt ruhig gehalten werden, um Unschärfe in den Bildern zu vermeiden. Dies gilt insbesondere, wenn mit dem optischen Beobachtungsgerät eine elektronische Bildaufnahme erfolgen soll. Bewegungen der Beobachtungsoptik, die rascher erfolgen als die Bildaufnahme führen zu Unscharfen im aufgenommenen Bild, die je nach Situation sehr störend sein können.
Unwillkürliche Bewegungen der Beobachtungsoptik können beispielsweise durch Handzittern bei handgehaltenen Beobachtungs- und/oder Aufnahmegeräten entstehen, was dazu führt, dass bei längeren Belichtungszeiten in der Regel ein Stativ verwendet wird. Aber auch Schwingungen in mechanischen Haltevorrichtungen eines optischen Beobachtungsgerätes können zu Unschärfen im Bild führen. So finden beispielsweise bei verschiedenen Arten von Operation Operationsmikroskope Verwendung, die an einem Stativ aufgehängt sind. Als mechanisches Gebilde ist das Stativ jedoch nur endlich steif und zeigt daher unter Belastung eine gewisse Verformung. Das Stativ unendlich steif zu bauen, ist technisch nicht möglich. Zudem bringt eine hohe Steifheit auch ein sehr hohes Eigengewicht mit sich. Die endliche Steifheit macht das Stativ jedoch zu einem schwingfähigen System. Mit anderen Worten, durch Anstoßen oder durch eine kleine äußere periodische Kraft kann das Stativ zu Schwingungen angeregt werden. Schwingt das Stativ, ist die Bildqualität des Operationsmikroskops erheblich beeinflusst, was insbesondere bei Operationen Nachteile mit sich bringt. Es wurde daher vorgeschlagen, Stative für Operationsmikroskope mit Schwingungsdämpfungssystemen auszustatten. Diese weisen typischerweise Elemente auf, die eine Kraft auf ein Element des Stativs ausüben können, um damit Stativschwingungen entgegen zu wirken. Ein Beispiel für ein derartiges Stativ in US 2009/002066 A1 beschrieben.
Außerdem sind optische Bildstabilisierungssysteme bekannt, bei denen seitliche Bewegungen oder Verkippungen der Beobachtungsoptik relativ zu einem zu betrachtenden oder aufzunehmenden Beobachtungsobjekt durch Verschieben einer Linse oder Linsengruppe in einer Richtung senkrecht zur optischen Achse kompensiert werden. Optische Beobachtungsgeräte mit derartigen Bildstabilisierungssystemen sind beispielsweise in US 5,270,857 und US 5,477,297 beschrieben. Ein laterales Verschieben von Linsen oder Linsengruppen, also ein Verschieben senkrecht zur optischen Achse, führt jedoch zu einer Verminderung in der Bildqualität, da in der Optik nichtrotationssymmetrische Abbildungsfehler aller Arten (monchromatisch und polychromatisch) entstehen. Die Verminderung der Bildqualität muss daher durch zusätzliche Linsen kompensiert werden. Daher weisen die stabilisierten Optiken im Vergleich zu nicht stabilisierten Optiken vier bis fünf zusätzliche Linsen auf und erreichen dennoch nicht die Abbildungsgüte der nicht stabilisierten Optiken. Zudem ist der laterale Verstellbereich der verschiebbaren Linsen relativ gering, so dass die Möglichkeiten zum Ausgleichen eines lateralen Bildversatzes in der Regel auf das Ausgleichen eines kleinen lateralen Bildversatzes beschränkt sind. Systeme mit verschiebbaren Linsen sind daher eher zum Ausgleichen von Schwingungen mit kleinen Amplituden geeignet.
Aus US 4,881,800 und US 6,653,611 sind Bildstabilisierungssysteme bekannt, die um eine oder zwei Achsen beweglich gelagerte Spiegel mit entsprechender Ansteuerungsaktorik aufweisen, mit denen sich Bildverschiebungen senkrecht zur optischen Achse und Verkippungen ausgleichen lassen.
Daneben gibt es Bildstabilisierungssysteme welche Bewegungen senkrecht zur optischen Achse statt durch verschiebbare Linsen durch variable Prismen oder variable keilförmige Elemente optisch ausgleichen. Beispiele für derartige Systeme sind aus US 5,140,462 , US 5,280,387 , US 3,475,074 und US 3,942,862 bekannt.
In US 3,942,862 ist beispielsweise ein variabel einstellbarer optischer Keil beschrieben, der von zwei Linsen mit je einer planen und einer Kugelfläche gebildet ist, wobei die Kugelflächen der einen Linse konvex und die Kugelfläche der anderen Linse konkav ausgebildet ist. Die eine der beiden Linsen ist mechanisch drehbar um einen im Krümmungsmittelpunkt der Kugelfläche liegenden Punkt gelagert. Ein derartiger optischer Keil weist jedoch eine stark wellenlängenabhängige Ablenkwirkung auf, sodass er einen chromatischen Querfehler bereits auf der optischen Achse des Optiksystems erzeugt. Der chromatische Querfehler, auch chromatische Vergrößerungsdifferenz genannt, führt zu Farbsäumen, also farbigen Linien entlang der Kanten eines Objekts, da das Beobachtungsobjekt in unterschiedlichen Wellenlängenbereichen unterschiedlich stark vergrößert wird.
Aus US 5,280,387 ist ein System mit zwei entlang der optischen Achse hintereinander angeordneten identischen, aus denselben Glassorten bestehenden Prismen bekannt, wobei die Prismen um die optische Achse gedreht werden können. Ein Bildversatz, der durch Verkippen der Optik relativ zum Beobachtungsobjekt entsteht, kann durch Drehen der beiden Prismen um die optische Achse kompensiert werden. Jedes der beiden identischen Prismen ist aus zwei Elementen mit unterschiedlichem Glasmaterial zusammengesetzt, wobei die beiden Prismen so relativ zueinander orientiert sind, dass sich Elemente aus gleichem Glasmaterial gegenüber liegen. Dadurch kann chromatische Aberration gering gehalten werden.
Gegenüber dem beschriebenen Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine vorteilhafte optische Bildversatzvorrichtung zum Ausgleichen oder Erzeugen eines lateralen Bildversatzes in einer optischen Beobachtungsvorrichtung zur Verfügung zu stellen. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine vorteilhafte optische Bildstabilisierungsvorrichtung zur Verfügung zu stellen. Noch eine weitere Aufgabe ist es, ein vorteilhaftes optisches Beobachtungsgerät zur Verfügung zu stellen. Als lateraler Bildversatz soll hierbei ein Bildversatz angesehen werden, der entweder auf einen Versatz des optischen Beobachtungsgerätes bzw. seiner Beobachtungsoptik senkrecht zur optischen Achse oder auf eine Verkippung des optischen Beobachtungsgerätes bzw. seiner Beobachtungsoptik zurückzuführen ist.
Die erste Aufgabe wird durch eine optische Bildversatzvorrichtung nach Anspruch 1 gelöst, die zweite Aufgabe durch eine optische Bildstabilisierungsvorrichtung nach Anspruch 13 und die dritte Aufgabe durch ein optisches Beobachtungsgerät nach Anspruch 16. Die abhängigen Ansprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
Gemäß der Erfindung wird eine optische Bildversatzvorrichtung zum Ausgleichen oder Erzeugen eines lateralen Versatzes eines Bildes von einem Beobachtungsobjekt in einer optischen Beobachtungsvorrichtung zur Verfügung gestellt. Die optische Bildversatzvorrichtung weist wenigstens zwei optische Keile auf, die entlang einer optischen Achse hintereinander angeordnet sind. Jeder optische Keil ist jeweils aus wenigstens zwei optischen Elementen zusammengesetzt und weist einen einstellbaren Keilwinkel auf. Die beiden optischen Keile besitzen unterschiedliche Brechungsindizes und unterschiedliche Dispersionen. Insbesondere kann die Bildversatzvorrichtung so ausgestaltet sein, dass die zwei optischen Elemente des ersten optischen Keiles jeweils dieselbe Abbe-Zahl V₁ und dieselbe Brechzahl n₁ aufweisen und die zwei optischen Elemente des zweiten optischen Keiles ebenfalls jeweils dieselbe Abbe-Zahl V₂ und dieselbe Brechzahl n₂ aufweisen. Die Brechzahl n₁ des ersten optischen Keils, die Brechzahl n₂ des zweiten optischen Keils, die Abbe-Zahl V₁ des ersten optischen Keils, die Abbe-Zahl V₂ des zweiten optischen Keils, der Keilwinkel α₁ des ersten optischen Keils und der Keilwinkel α₂ des zweiten optischen Keils erfüllen in dieser Ausgestaltung die Relation
Aufgrund der unterschiedlichen Brechungsindizes und Dispersionen der wenigstens zwei Keile mit einstellbaren Keilwinkeln lässt sich eine achromatische Strahlablenkwirkung erzielen. Dabei bietet ein Keil gegenüber um die optische Achse verdrehbaren Prismen den Vorteil, dass bereits geringe Stellwege zum Ausgleichen eines lateralen Bildversatzes ausreichen. Im Falle um die optische Achse drehbarer Prismen muss im ungünstigsten Fall eine Rotation um 180° erfolgen. Im Falle von Keilwinkeln ist dagegen eine Einstellbewegung im Bereich einstelliger Gradzahlen ausreichend. Typischerweise sind Stellbewegungen der Keilwinkel von maximal 5° zum Kompensieren oder Erzeugen des lateralen Bildversatzes ausreichend.
Die zwei optischen Elemente eines optischen Keils können insbesondere jeweils eine Plankonvexlinse mit einer planen und einer konvexen Linsenfläche sowie eine Plankonkavlinse mit einer planen und einer konkaven Linsenfläche sein. Die konvexe Linsenfläche der Plankonvexlinse und die konkave Linsenfläche der Plankonkavlinse weisen gleiche Krümmungsradien auf und liegen sich einander zugewandt gegenüber. Die Krümmungsradien können hierbei als gleich angesehen werden, wenn die Abweichung der Krümmungsradien voneinander nicht mehr als 3%, vorzugsweise nicht mehr als 1%, insbesondere nicht mehr als 0,2% beträgt. Die konkave Linsenfläche und die konvexe Linsenfläche können hierbei insbesondere sphärische Flächen (Kugelflächen) mit gemeinsamem Mittelpunkt sein. Diese erlauben auch bei einem minimalen Spalt ein Bewegen der Plankonvexfläche und der Plankonkavfläche relativ zueinander um den Mittelpunkt des Krümmungsradius. Bei einer Abweichung von der sphärischen Gestalt der Flächen ist die maximal mögliche Relativbewegung zwischen den beiden Flächen um den Krümmungsmittelpunkt von der Größe des Spaltes zwischen den beiden Flächen sowie vom Grad der Abweichung von der sphärischen Gestalt abhängig.
Außerdem erlaubt es die Ausgestaltung der konvexen und der konkaven Linsenflächen als Kugelflächen mit gemeinsamem Mittelpunkt die beiden einander zugewandten Linsen zweier optischer Keile starr miteinander zu verbinden. Eine zum Kompensieren oder Erzeugen eines lateralen Bildsversatzes in zwei Richtungen erforderliche Einstellung des Keilwinkels kann dann durch eine einzige, den beiden zugewandten Elementen gemeinsame Drehbewegung um zwei Achsen, die durch den gemeinsamen Mittelpunkt der beiden Elemente verlaufen, realisiert werden. Technisch ist eine Führung, die eine Drehung um einen entfernten Punkt ermöglicht, mit Hilfe von Festkörper-Biegegelenken, auch Pivot-Montierungen genannt, möglich. Eine Kombination von zwei derartigen Biegegelenken mit zueinander orthogonalen Achsen ist eine Bildversatzkombination in beliebiger lateraler Richtung möglich. Pivot-Montierungen sind aus dem Stand der Technik bekannt und werden daher hier nicht weiter erläutert. Alternativ ist eine Führung mit Hilfe einer Cardanische Aufhängung möglich, mit der ein Objekt um zwei zueinander senkrechte Achsen drehbar gelagert werden kann. Die Cardanische Aufhängung ist dem Fachmann grundsätzlich bekannt und wird daher an dieser Stelle nicht weiter erläutert.
Die Plankonvexlinsen der optischen Keile können insbesondere als Halbkugelabschnitte ausgebildet sein, wenn die konkaven und konvexen Linsenflächen als Kugelflächen ausgebildet sind. Eine derartige Ausgestaltung ermöglicht es, die Plankonvexlinsen zweier benachbarter optischer Keile mit ihren Planflächen einander zugewandt anzuordnen. In dieser Anordnung können die Plankonvexlinsen fest miteinander verbunden werden und insbesondere an ihren Planflächen miteinander verkittet werden, sodass eine Vollkugel oder zumindest näherungsweise eine Vollkugel entsteht. Das Kompensieren oder Erzeugen des lateralen Bildversatzes erfolgt dann durch Drehung dieser zusammengesetzten Kugel. Wenn die Kugel um zwei zueinander senkrechte Achsen gedreht werden kann, ist so eine Kompensation oder Erzeugung eines lateralen Bildversatzes in jeder Richtung senkrecht zur optischen Achse möglich. Die Ausgestaltung mit zwei miteinander verbundenen Halbkugeln zeichnet sich durch die größtmögliche Einfachheit hinsichtlich der für die Bewegung zum Einstellen der optischen Keile benötigten Mechanik und Aktorik aus.
Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass die Reihenfolge von Plankonvexlinse und Plankonkavlinse in den optischen Keilen grundsätzlich frei wählbar ist. Ebenso können die Planflächen der optischen Elemente eines optischen Keils grundsätzlich jeden beliebigen Winkel mit der optischen Achse einschließen. In der Regel wird der Winkel der Planflächen zur optischen Achse jedoch relativ nahe bei 90° (≥ 85°) liegen oder genau 90° betragen.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung befindet sich zwischen der konvexen Linsenfläche der Plankonvexlinse eines optischen Keils und der konkaven Linsenfläche der Plankonkavlinse des optischen Keils ein Film eines Immersionsmediums. Dieser kann eine Dicke von maximal 5 mm, insbesondere von maximal 3 mm, aufweisen. Das Immersionsmedium kann hierbei beispielsweise ein Immersionsöl, ein Sol-Gel oder eine geeignete Immersionslösung sein. Insbesondere kann die Bildversatzvorrichtung so ausgestaltet sein, dass die Brechzahl des Immersionsmediums im ersten optischen Keil der Brechzahl n₁ der optischen Elemente im ersten optischen Keil entspricht und die Brechzahl des Immersionsmediums im zweiten optischen Keil der Brechzahl n₂ der optischen Elemente im zweiten optischen Keil entspricht.
Wenn ein brechzahlangepasstes Immersionsöl als Immersionsmedium Verwendung findet, ist der Spalt zwischen der konvexen Linsenfläche der Plankonvexlinse eines optischen Keils und der konkaven Linsenfläche der Plankonkavlinse des optischen Keils kleiner als bei Verwendung eines optischen Feinkittes, da der Spalt der Dicke des Ölfilms entspricht. Der Ölfilm weist zumeist eine Dicke von weniger als 0,5 mm auf wobei die Dicke typischerweise zwischen ca. 0.05 bis 0,1 mm beträgt.
Wenn ein optischer Feinkitt als Immersionsmedium Verwendung findet, kann der optische Feinkitt insbesondere auf Epoxidharz oder Ketonharz basieren. Ein elastischer optischer Feinkitt auf Epoxidharz- oder Ketonharz-Basis weist bei Raumtemperatur einen besonders hohen Elastizitätsmodul > 1000 N/mm² auf. Dieser Elastizitätsmodul ist hoch genug, dass die zum Ausgleich eines lateralen Bildversatzes einzustellenden Keilwinkel nur Scherbewegungen verursachen, die innerhalb des reversiblen Elastizitätsbereichs der Kittschicht liegen. Dabei kann die Dicke der elastischen Kittschicht so gewählt werden, dass die zur Kompensation oder zum Erzeugen eines Bildversatzes benötigte Scherbewegung entlang der Kugelfläche im reversiblen Elastizitätsbereich der Kittschicht gewährleistet werden kann. In der Regel ist dies bei Dicken der Kittschichten von 1 bis 2 mm möglich. Durch Vergrößern der Dicke der Kittschicht auf maximal 3 mm bzw. maximal 5 mm können die zulässigen Scherbewegungen vergrößert werden, sodass sich ein größerer Einstellbereich für den Keilwinkel realisieren lässt. Wenn die Brechzahlen der optischen Elemente und der Kittschicht aneinander angepasst sind, entstehen auch keine Nachteile im Hinblick auf die Bildgüte der optischen Abbildung. Insbesondere lässt sich durch das brechzahlangepasste Immersionmedium im Spalt zwischen den optischen Elementen eines optischen Keils die unerwünschte optische Wirkung eines Luftspalts zwischen den Flächen eliminieren. Ein solcher Luftspalt ohne brechzahlangepasstes Immersionsmedium würde sehr starke optische Aberrationen erzeugen, was die Bildgüte drastisch herabsetzen würde.
Die wenigstens zwei optischen Keile der optischen Bildversatzvorrichtung können aus Glas oder Kunststoff bestehen, wobei die beiden optischen Elemente eines optischen Keils jeweils aus demselben Glas bzw. demselben Kunststoff bestehen. Mit anderen Worten, die Kompensation der chromatischen Aberration wird nicht innerhalb eines Keils herbeigeführt, sondern durch das Zusammenwirken der wenigstens zwei Keile.
In einer Ausgestaltung der optischen Bildversatzvorrichtung, die eine relativ einfache Mechanik ermöglicht, sind zwei optische Keile vorhanden, deren einstellbare Keilwinkel für jeden einzustellenden Keilwinkel betragsmäßig gleich sind, aber im Vorzeichen verschieden. Dies kann insbesondere durch die bereits beschriebene Ausgestaltung mit zwei zu einer Vollkugel zusammengesetzten Halbkugelelementen realisiert werden. Aber auch, wenn die einander zugewandten optischen Elemente zweier benachbarter Keile nicht miteinander verbunden sind, kann die beschriebene Ausgestaltung mit betragsmäßig gleichen, aber im Vorzeichen unterschiedlichen Keilwinkeln realisiert werden.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird eine optische Bildstabilisierungsvorrichtung zur Verfügung gestellt. Diese umfasst eine erfindungsgemäße optische Bildversatzvorrichtung, eine Aktorik zum Einstellen der Keilwinkel der optischen Keile in der optischen Bildversatzvorrichtung auf der Basis eines Stellsignals, das die einzustellenden Keilwinkel repräsentiert, eine Versatz-Ermittlungs-Einrichtung und eine Steuereinrichtung. Die Versatz-Ermittlungs-Einrichtung ist zum Ermitteln des Versatzes eines Bildes vom Beobachtungsobjekt bezüglich der optischen Achse eines optischen Beobachtungsgerätes sowie zum Ausgeben eines den ermittelten Versatz repräsentierenden Versatzsignals ausgebildet. Mit der Versatz-Ermittlungs-Einrichtung ist die Steuereinrichtung zum Empfang des Versatzsignals verbunden. Auf der Basis des empfangenen Versatzsignals ermittelt die Steuereinrichtung das Stellsignal. Zum Ausgeben des Stellsignals ist die Steuereinrichtung mit der Aktorik verbunden.
Die erfindungsgemäße Bildstabilisierungsvorrichtung ermöglicht es, ein mit einem optischen Beobachtungsgerät aufgenommenes Bild zu stabilisieren, indem laterale Abweichungen des Bildes in Bezug auf die optische Achse des Beobachtungsgerätes mit Hilfe geeigneter Einstellungen der Keilwinkel in der optischen Bildversatzvorrichtung ausgeglichen werden. Dadurch können beispielsweise Schwingungen eines Stativs oder Handzittern bei mit der Hand gehaltenen optischen Beobachtungsgeräten ausgeglichen werden. Die erfindungsgemäße optische Bildversatzvorrichtung ermöglicht es dabei der optischen Bildstabilisierungsvorrichtung die Bildstabilisierung mit geringen Bewegungen der kompensierenden Keile bei gleichzeitig hoher optischer Güte des generierten Bildes zu stabilisieren.
Die Versatz-Ermittlungs-Einrichtung in der optischen Bildstabilisierungsvorrichtung kann beispielsweise einen Bewegungssensor zum Detektieren einer Bewegung des optischen Beobachtungsgerätes umfassen, etwa einen Beschleunigungssensor oder einen Gyro-Sensor. Diese messen Trägheitskräfte und ermöglichen dadurch das Ermitteln von lateralen Beschleunigungen und von Winkelbeschleunigungen. Die zeitliche Abfolge von Beschleunigungssignalen kann in der Steuereinheit aufintegriert werden. Anhand der Brennweite der Beobachtungsoptik und der Objektentfernung kann daraus dann zunächst die Relativgeschwindigkeit ermittelt werden, mit der sich das Bild relativ zum optischen Beobachtungsgerät lateral, also senkrecht zur optischen Achse, bewegt. Aus der Relativgeschwindigkeit der Bewegung kann dann der aus der Bewegung resultierende laterale Versatz des Bildes in Bezug auf die optische Achse des Beobachtungsgerätes sowie die zu dessen Kompensation erforderlichen Stellbewegungen ermittelt werden. Sofern die Bewegung des Beobachtungsobjekts gegenüber dem optischen Beobachtungsgerät vernachlässigbar ist, stellt die mit den Beschleunigungssensoren bzw. Gyro-Sensoren ermittelte Absolutbewegung des optischen Beobachtungsgerätes eine gute Näherung für die Relativbewegung zwischen Beobachtungsobjekt und optischem Beobachtungsgerät dar. Diese Annahme ist in vielen Fällen in ausreichender Näherung erfüllt, bspw. bei optischen Beobachtungsgeräten, mit denen entfernte Objekte beobachtet werden oder aufgenommen werden, etwa Kameras oder Fernrohren.
Alternativ kann die Versatz-Ermittlungs-Einrichtung eine Vorrichtung zum Anvisieren oder Verfolgen eines Referenzpunktes in dem mit dem optischen Beobachtungsgerät generierten Bild umfassen. Solche Systeme sind als Tracking Systeme bekannt. Mit Hilfe der derartiger Systeme lässt sich direkt eine Relativbewegung zwischen Beobachtungsobjekt und dem optischen Beobachtungsgerät ermitteln.
Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird ein optisches Beobachtungsgerät mit einer optischen Achse zur Verfügung gestellt. Das optische Beobachtungsgerät ist mit einer erfindungsgemäßen optischen Bildversatzvorrichtung oder mit einer erfindungsgemäßen optischen Bildstabilisierungsvorrichtung ausgestattet. Die Keile der optischen Bildversatzvorrichtung sind dabei entlang der optischen Achse des optischen Beobachtungsgeräts angeordnet. Ein derartiges optisches Beobachtungsgerät erlaubt es, einen Bildversatz ohne Bewegen des optischen Beobachtungsgerätes selbst zu kompensieren oder zu erzeugen und, falls die Bildversatzvorrichtung Teil einer Bildstabilisierungsvorrichtung ist, Bewegungen wie etwa Schwingungen oder Handzittern zu kompensieren.
Ein optisches Beobachtungsgerät weist typischerweise ein Objektiv oder Hauptobjektiv auf. Die optische Bildversatzvorrichtung kann dabei vor dem Objektiv angeordnet sein, insbesondere wenn es sich bei dem optischen Beobachtungsgerät um ein Fernrohr, ein Fernglas oder eine Kamera handelt.
Wenn das optische Beobachtungsgerät eine Beobachtungsoptik aufweist, die einen kollimierten Strahlengang, also einen zumindest näherungsweise parallelen Strahlengang, umfasst, kann die optische Bildversatzvorrichtung statt vor dem Objektiv im kollimierten Strahlengang angeordnet sein. Optische Beobachtungsgeräte, die einen kollimierten Strahlengang in der Beobachtungsoptik aufweisen, sind beispielsweise Stereomikroskope wie etwa Operationsmikroskope. Aber auch bei Ferngläsern oder Fernrohren können Optiken mit kollimiertem Strahlengang vorhanden sein. Die erfindungsgemäße optische Bildversatzvorrichtung ist nämlich insbesondere für den Einsatz im parallelen Strahlengang geeignet, wie er beim Beobachten von entfernt angeordneten Beobachtungsobjekten vor dem Objektiv vorliegt oder im Falle einer Beobachtungsoptik mit kollimiertem Strahlengang in diesem kollimierten Strahlengang vorliegt. Durch die Anordnung im parallelen Strahlengang lässt sich das Generieren von Abbildungsfehlern durch die optischen Keile vermeiden. Wenn die Beobachtungsoptik einen kollimierten Strahlengang aufweist und die Bildversatzvorrichtung im kollimierten Strahlengang angeordnet ist, kann auch ein Bildversatz von Beobachtungsobjekten, die sich im Nahbereich der Beobachtungsoptik befinden, kompensiert oder erzeugt werden, wie dies beispielsweise bei Mikroskopen, insbesondere bei Operationsmikroskopen, von Bedeutung ist.
Wenn sich die optische Bildversatzvorrichtung im kollimierten Strahlengang befindet und die Beobachtungsoptik des optischen Beobachtungsgeräts wenigstens eine Aperturblendenebene aufweist, ist es vorteilhaft, die optische Bildversatzvorrichtung in der Aperturblendenebene oder unmittelbar benachbart davon anzuordnen. Eine Anordnung unmittelbar benachbart der Aperturblendenebene ist insbesondere dann notwendig und sinnvoll, wenn sich in der Aperturblendenebene selbst ein anderes optisches Element, etwa eine körperliche Blende befindet. Das Anordnen der optischen Bildversatzvorrichtung in der Aperturblendenebene oder unmittelbar benachbart zur Aperturblendenebene bietet den Vorteil, dass die benötigten freien Durchmesser der optischen Keile minimal gehalten werden können.
Das optische Beobachtungsgerät kann auch eine Beobachtungsoptik mit wenigstens zwei optischen Teilbildkanälen umfassen. In diesem Fall kann in jedem Teilbildkanal jeweils eine optische Bildversatzvorrichtung angeordnet sein. Insbesondere kann das optische Beobachtungsgerät genau zwei optische Teilbildkanäle umfassen, wie dies in der Regel bei Stereomikroskopen oder bei Ferngläsern der Fall ist. In einem optischen Beobachtungsgerät, das eine Beobachtungsoptik mit wenigstens zwei optischen Teilbildkanälen und jeweils einer optischen Bildversatzvorrichtung in jedem Teilbildkanal umfasst, ist eine Synchronisationseinrichtung vorhanden, die dafür sorgt, dass die optischen Bildversatvorrichtungen in allen Teilbildkanälen beim Einstellen der Keilwinkel synchronisiert sind und einem gemeinsamen Steuersignal folgen.
Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren.
1 zeigt eine optische Bildversatzvorrichtung in einer schematischen Darstellung.
2 zeigt ein optisches Beobachtungsgerät mit einer Bildstabilisierungsvorrichtung.
Die 3 bis 5 zeigen ein konkretes Beispiel für ein Operationsmikroskop mit einer optischen Bildversatzvorrichtung bei verschiedenen Keilwinkeln.
Die 6 bis 8 zeigen Bildfehlerkurven für die in den 3 bis 5 gezeigten Keilwinkel.
Die 9 bis 11 zeigen Bildfehlerkurven für eine Abwandlung des in den 3 bis 5 gezeigten Ausführungsbeispiels.
Die 12 bis 14 zeigen ein weiteres konkretes Beispiel für ein Operationsmikroskop mit einer optischen Bildversatzvorrichtung bei verschiedenen Keilwinkeln.
Die 15 bis 17 zeigen Bilderfehlerkurven für die Keilstellungen aus den 8 bis 10.
Die 18 bis 20 zeigen Bildfehlerkurven für eine Abwandlung des in den 12 bis 14 gezeigten Ausführungsbeispiels.
Ein Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Bildversatzvorrichtung ist in 1 dargestellt. Die Bildversatzvorrichtung umfasst zwei optische Keile 1, 3, die entlang einer optischen Achse OA in einem optischen Beobachtungsgerät anzuordnen sind. Unter dem Begriff optisches Beobachtungsgerät sollen hierbei alle optischen Vorrichtungen verstanden werden, mit denen ein Beobachtungsobjekt direkt beobachtet werden kann, wie etwa ein Fernrohr, ein Fernglas, ein Mikroskop, etc. oder mit denen ein Beobachtungsobjekt zur indirekten oder späteren Betrachtung aufgenommen werden kann, beispielsweise eine Foto- oder Videokamera, ein Mikroskop mit elektronischen Bildsensor oder ein Teleskop mit elektronischem Bildsensor.
Die nachfolgenden Ausführungsbeispiele werden mit Bezug auf das Kompensieren eines lateralen Bildversatzes beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass die in den Ausführungsbeispielen beschriebenen Bildversatzvorrichtungen ebenso zum Erzeugen eines lateralen Bildversatzes Verwendung finden können.
Jeder der beiden optischen Keile 1, 3 ist aus zwei optischen Elementen zusammengesetzt, nämlich einer Plankonkavlinse 5, 7 und einer Plankonvexlinse 9, 11. Die Plankonkavlinsen 5, 7 sowie die Plankonvexlinsen 9, 11 weisen jeweils eine plane Linsenfläche und eine gekrümmte Linsenfläche 21, 23, 25, 27 auf. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die gekrümmten Linsenflächen jeweils sphärische Linsenflächen (Kugelflächen). Außerdem sind die sphärischen Linsenflächen der beiden Elemente eines optischen Keils 1, 3 im vorliegenden Ausführungsbeispiel einander zugewandt, wobei sich zwischen den beiden sphärischen Linsenflächen ein brechzahlangepasstes Immersionsmedium befindet. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel kann bspw. ein brechzahlangepasstes Immersionsöl oder ein brechzahlangepasster optischer Feinkitt Verwendung finden.
Wenn ein brechzahlangepasster optischer Feinkitt Verwendung findet, sind die sphärischen Linsenflächen der beiden Elemente eines optischen Keils 1, 3 mittels des brechzahlangepassten elastischen optischen Feinkittes miteinander verkittet, wobei der Feinkitt gemäß dem Ausführungsbeispiel ein Feinkitt auf Epoxidharz- oder Ketonharz-Basis ist. Ein solcher elastischer optischer Feinkitt hat ein Elastizitätsmodul > 1000 N/mm². Die Dicke des zwischen den sphärischen Flächen befindlichen elastischen Feinkittes beträgt dann 1 bis 2 mm. Damit lassen sich die zum Ausgleichen eines Bildversatzes nötigen Keilwinkel einstellen, ohne dass die dabei entstehenden Scherbewegungen aus dem reversiblen Elastizitätsbereich der Kittschicht herausführen. Es versteht sich, dass im Falle großer Keilwinkel eine dickere Kittschicht Verwendung findet, um die im Kitt auftretenden Scherbewegungen gering zu halten. So können Kittschichten bis zu ca. 5 mm Dicke Verwendung finden. Bei typischen Anwendungen sind in der Regel aber Schichtdicken von maximal 3 mm ausreichend.
Wenn statt eines optischen Feinkitts ein brechzahlangepasstes Immersionsöl als Immersionsmedium Verwendung findet, ist der Spalt zwischen den sphärischen Linsenflächen der beiden Elemente eines optischen Keils 1, 3 sehr viel kleiner als bei Verwendung eines optischen Feinkittes, da die Dicke des Ölfilms nur ca. 0.05 bis 0,1 mm beträgt. Zudem ist der Spalt gegen den Austritt des flüssigen Immersionsmediums abgedichtet. Die Verwendung eines Immersionsöls bietet gegenüber der Verwendung eines optischen Feinkittes den Vorteil, dass Spannungsdopplebrechungen, wie sie unter Umständen bei optischen Finekitten auftreten können, bei Immersionsölen nicht zu befürchten sind. Außerdem sind Immersionsöle auch bei Brechzahlen über ca. n = 1,6 verfügbar, wohingegen optische Feinkitte nur bis Brechzahlen von ca. n = 1,6 verfügbar sind.
Der elastische optische Feinkitt zwischen den sphärischen Linsenflächen einer Plankonvexlinse 9, 11 und einer Plankonkavlinse 5, 7 in einem optischen Keil 1, 3 erlaubt eine Scherbewegung zwischen den beiden Kugelflächen, wobei der Feinkitt aufgrund von Adhäsionskräften dennoch fest mit den jeweiligen Linsenflächen verhaftet bleibt. Luftblasen, Schlieren oder sonstige Störeffekte können so vermieden werden. Außerdem weisen die elastischen optischen Feinkitte eine sehr gute Temperatur- und Alterungsbeständigkeit auf, sodass eine hohe Lichttransmission auch bei längerer intensiven Lichtdurchstrahlung erhalten bleibt.
Statt dem elastischen optischen Feinkitt kann zwischen den sphärischen Linsenflächen der Plankonvexlinse und der Plankonkavlinse eines optischen Keils 1, 3 auch ein anderes brechzahlangepasstes Immersionsmedium angeordnet sein. Als Immersionsmedium kann beispielsweise ein Immersionsöl, ein Sol-Gel oder eine Immersionslösung Verwendung finden. Gegenüber anderen brechzahlangepassten Immersionsmedien bietet der elastische optische Feinkitt jedoch den Vorteil, dass ein Auslaufen oder Verdunsten von Flüssigkeiten ausgeschlossen ist, ohne dass spezielle Abdichtmaßnahmen wie etwa Manschetten, Balgen oder ähnliches nötig sind.
Mittels einer geeigneten Aktorik kann die Plankonvexlinse 9, 11 eines optischen Keils 1, 3 um den gemeinsamen Mittelpunkt der sphärischen Flächen eines optischen Keils gedreht werden. Dadurch lässt sich der Keilwinkel α zwischen den Planflächen 13, 17 bzw. 15, 19 eines optischen Keils einstellen. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Aktorik derart ausgestaltet, dass die Keilwinkel α₁, α₂ der beiden optischen Keile 1, 3 betragsmäßig gleich, in ihrem Vorzeichen jedoch unterschiedlich sind. Als Aktorik zum Einstellen der Keilwinkel α kann beispielsweise eine Pivot-Montierung oder eine Cardanische Aufhängung, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind, Verwendung finden. Obwohl im beschriebenen Ausführungsbeispiel die Plankonvexlinse gedreht wird, kann grundsätzlich auch die Plankonkavlinse gedreht werden, sofern dabei die plane Linsenfläche vollständig im Strahlengang verbleibt.
In der Bildversatzvorrichtung ist es grundsätzlich möglich, für jeden optischen Keil 1, 3 eine eigene Aktorik vorzusehen. Insbesondere, wenn betragsmäßig gleiche Keilwinkel mit unterschiedlichem Vorzeichen Verwendung finden, besteht aber auch die Möglichkeit, eine gemeinsame Aktorik für beide Keile vorzusehen. In diesem Fall können die einander zugewandten optischen Elemente der beiden Keile 1, 3, im vorliegenden Ausführungsbeispiel also die Plankonvexlinsen 9, 11, starr miteinander gekoppelt sein. Hierbei ist es insbesondere auch möglich, die beiden Plankonvexlinsen 9, 11 der optischen Keile 1, 3 an ihren Planflächen 17, 19 miteinander zu verkitten, wie dies in 2 gezeigt ist. Wenn die beiden Plankonvexlinsen 9, 11 gleiche Abmessungen aufweisen, entsteht auf diese Weise ein Vollkugelabschnitt, wobei der Mittelpunkt der Vollkugel durch die Ebene verläuft, in der die beiden Plankonvexlinsen miteinander verbunden sind. Die Aktorik kann in diesem Fall besonders einfach ausgestaltet werden.
Die beiden optischen Keile 1, 3 können aus Glas oder Kunststoff gebildet sein, wobei die Plankonvexlinse und die Plankonkavlinse eines Keils jeweils aus demselben Glas bzw. Kunststoff hergestellt sind. Der elastische Feinkitt zwischen der Plankonkavlinse und der Plankonvexlinse eines optischen Keils ist dabei derart an das verwendete Glas bzw. den verwendeten Kunststoff angepasst, das seine Brechzahl weitgehend der Brechzahl des Glases bzw. Kunststoffes entspricht.
Das Material der optischen Keile 1, 3 ist so gewählt, dass die beiden optischen Keile 1, 3 eine unterschiedliche Dispersion und eine unterschiedliche Brechzahl aufweisen. Beispielsweise können die Plankonkavlinse 5 und die Plankonvexlinse 9 des ersten optischen Keils aus einem Glas oder Kunststoff mit hoher Brechzahl und niedriger Dispersion hergestellt sein, während die Plankonkavlinse 7 und die Plankonvexlinse 11 des zweiten optischen Keils 3 aus einem Glas oder Kunststoff mit niedrigerer Brechzahl und höherer Dispersion hergestellt sind. Auf diese Weise ist es möglich, einen achromatischen optischen Keil mit einer näherungsweise wellenlängenunabhängigen Strahlablenkung zu erzeugen. In einem konkreten Beispiel können die Linsen des ersten optischen Keils aus einem hochbrechenden Kronglas wie beispielsweise NLAK9 oder NLASF44 gebildet sein, während die Plankonkavlinse 7 und die Plankonvexlinse 11 des zweiten optischen Keils 3 aus einem niedrig brechenden Flintglas wie bspw. NF2 oder NF5 gebildet sind. Die jeweils verwendeten elastischen Feinkitte sind so gewählt, dass ihre Brechkraft der jeweils verwendeten Glasart entspricht. Da elastischen Feinkitte nur bis Brechzahlen von ca n = 1,6 erhältlich sind, kommen bei Verwendung von Glasarten mit einer Brechzahl größer als ca. 1,6 (bspw. NLASF44) Immersionsöle, die auch mit Brechzahlen über n = 1,6 erhältlich sind, als Immersionsmedium zwischen den sphärischen Linsenflächen einer Plankonvexlinse 9, 11 und einer Plankonkavlinse 5, 7 zur Anwendung.
Es ist aber nicht notwendig, dass die beiden optischen Keile 1, 3 beide aus Glas oder beide aus Kunststoff hergestellt sind. Es besteht auch die Möglichkeit, den einen optischen Keil aus Glas und den anderen optischen Keil aus Kunststoff herzustellen. So besteht im obigen Beispiel etwa die Möglichkeit, das niedrig brechende Flintglas durch einen optischen Kunststoff wie beispielsweise Polycarbonat zu ersetzen, sodass der erste optische Keil 1 aus Glas hergestellt ist und der zweite optische Keil 3 aus Kunststoff.
Obwohl in 1 lediglich zwei optische Keile dargestellt sind, kann die optische Bildversatzvorrichtung auch mehr als zwei optische Keile umfassen. Mindestens zwei optische Keile sind jedoch erforderlich, um eine hohe Bildqualität gewährleisten zu können.
Generell ist die Strahlablenkung durch die beiden optischen Keile 1, 3, von denen der erste einen Keilwinkel α₁ und der zweite einen Keilwinkel α₂ aufweist, genau dann unabhängig von der Wellenlänge, wenn die optischen Medien der beiden Keile, also das Glas oder Kunststoff, mit den Brechzahlen n₁ und n₂ und den Abbe-Zahlen V₁ und V₂ die folgende Relation erfüllen:
Wie bereits erwähnt, können die beiden Keilwinkel α₁ und α₂ betragsmäßig gleich sein und unterschiedliche Vorzeichen besitzen. In diesem Falle lassen sich die beiden Keile wie bereits beschrieben durch eine einzige, gemeinsame Drehbewegung einstellen. Außerdem vereinfacht sich die Relation (1) zu
Um eine gute Bildqualität, insbesondere mit sehr geringen chromatischen Fehlern zu erreichen, muss die obige Relation erfüllt sein.
2 zeigt als ein Ausführungsbeispiel für ein optisches Beobachtungsgerät mit einer erfindungsgemäßen optischen Bildstabilisierungsvorrichtung ein Operationsmikroskop 33 in einer stark schematisierten Darstellung. Das Operationsmikroskop umfasst als wesentliche Komponenten ein Hauptobjektiv 35, einen Vergrößerungswechsler 37a, 37b und eine Tubusoptik 39a, 39b. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist zwischen dem Hauptobjektiv 35 und dem Vergrößerungswechsler 37a, 37b die optische Bildversatzvorrichtung der optischen Bildstabilisierungsvorrichtung angeordnet.
Das Hauptobjektiv 35 des Operationsmikroskops 33 kann, wie im vorliegenden Ausführungsbeispiel dargestellt ist, als festbrennweitige Achromat- oder Apochromatlinse ausgebildet sein. Das Beobachtungsobjekt 41 wird in der Brennebene des Hauptobjektivs 35 angeordnet, sodass es vom Hauptobjektiv 35 nach unendlich abgebildet wird. Ein vom Beobachtungsobjekt 41 ausgehendes divergentes Strahlenbündel wird bei seinem Durchgang durch das Hauptobjektiv 35 also in ein paralleles Strahlenbündel (kollimiertes Strahlenbündel) umgewandelt. Statt lediglich einer Achromat- oder Apochromatlinse kann das Hauptobjektiv 35 auch ein Objektivlinsensystem aus mehreren Einzellinsen umfassen, etwa eine sogenannte Varioskopoptik, mit dem sich der Arbeitsabstand des Operationsmikroskops 33, also der Abstand der Brennebene vom Objektiv 35, variieren lässt. Auch in einem solchen Vario-System wird das in der Brennebene angeordnete Beobachtungsobjekt 41 nach unendlich abgebildet, sodass auch bei einem Vario-Objektiv nach dem Durchgang durch das Objektiv ein kollimierter Strahl vorliegt.
Der Vergrößerungswechsler 37a, 37b ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel als Zoom-System zur stufenlosen Änderung des Vergrößerungsfaktors ausgebildet. In einem Zoom-System, das beispielsweise aus einer Linsenkombination mit drei Linsen aufgebaut ist, können die beiden objektseitigen Linsen verschoben werden, um den Vergrößerungsfaktor zu variieren. Tatsächlich kann das Zoom-System aber auch mehr als drei Linsen, beispielsweise vier oder mehr Linsen, aufweisen, wobei die äußeren Linsen dann fest angeordnet sein können. Statt eines Zoomsystems kann auch ein Galilei-Wechsler als Vergrößerungswechsler zum Einsatz kommen. In einem solchen ist keine stufenlose Änderung des Vergrößerungsfaktors möglich. Stattdessen existieren mehrere feste Linsenkombinationen, die unterschiedliche Vergrößerungsfaktoren repräsentieren, und im Wechsel in den Strahlengang eingebracht werden können. Sowohl ein Zoom-System, als auch ein Galilei-Wechsler wandeln ein einfallendes paralleles Strahlenbündel in ein ausgehendes paralleles Strahlenbündel mit einem anderen Bündeldurchmesser um.
Der Vergrößerungswechsler 37a, 37b ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel Teil des binokularen Strahlengangs des Operationsmikroskops, das heißt er weist jeweils eine eigene Linsenkombination für die stereoskopischen Teilstrahlengänge des Operationsmikroskops 33 auf.
Die lediglich äußerst schematisch dargestellte Tubus-Optik 39a, 39b repräsentiert einen Binokulartubus, der je nach Anwendungsbereich entweder Okulare zur Beobachtung des Beobachtungsobjekts 41 oder Bildsensoren zur mittelbaren Beobachtung des Beobachtungsobjekts und zur Aufnahme des Beobachtungsobjekts aufweist.
Die optische Bildversatzvorrichtung ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel im kollimierten Strahlengang zwischen dem Hauptobjektiv 35 und dem Zoom-System 37a, 37b angeordnet. Dabei sind die planen Linsenflächen 13, 15 der beiden Plankonkavlinsen 5, 7 dem Hauptobjektiv 35 und dem Zoom-System 37a, 37b zugewandt. Die planen Linsenflächen 17, 19 der Plankonvexlinsen 9, 11 sind in der dargestellten Bildversatzvorrichtung miteinander verkittet, sodass sie gemeinsam einen Kugelausschnitt bilden. Die Plankonvexlinsen 9, 11 sind jeweils mittels eines elastischen optischen Feinkittes 29, 31 mit der zugehörigen Plankonkavlinse 5, 7 des entsprechenden optischen Keils 1, 3 verbunden.
Der von den beiden Plankonvexlinsen 9, 11 gebildete Kugelausschnitt kann mittels einer Aktorik, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel lediglich stark schematisiert durch Rotationsachsen 43, 45 dargestellt ist, um zwei zueinander senkrecht verlaufende Achsen gedreht werden. Die möglichen Drehwinkel sind dabei relativ klein und liegen im vorliegenden Ausführungsbeispiel im Bereich zwischen –5° und +5°. Die Drehung erfolgt mittels präzise einstellbarer Motoren 47, 49, welche die Drehstellung des aus den Plankonvexlinsen 9, 11 gebildeten Kugelelements auf der Basis eines empfangenen Stellsignals mit Hilfe von Festkörper-Biegegelenken im Rahmen einer Pivot-Montierung respektive einer Cardanischen Montierung einstellen. Das Stellsignal wird von einer Steuerung ermittelt, die außer mit den Motoren 47, 49 auch mit einem Beschleunigungssensor 53 zum Empfang eines die Beschleunigung des Operationsmikroskops 33 repräsentierenden Beschleunigungssignals verbunden ist.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel kann das Beobachtungsobjekt im Wesentlichen als unbeweglich angenommen werden. Bewegungen, die zu einem lateralen Bildversatz führen, beruhen dann ausschließlich auf einer Bewegung des Operationsmikroskops 33. Diese kann mit Hilfe des Beschleunigungssensors 53 ermittelt werden, indem die erfassten Beschleunigungen in der Steuereinheit 51 integriert werden. Auf der Basis der integrierten Beschleunigungen ermittelt die Steuereinheit 51 dann den zu kompensierenden Bildversatz und hieraus wiederum das Stellsignal für die Stellmotoren 43, 49. Wenn der zu kompensierende Bildversatz beispielsweise auf Schwingungen des Operationsmikroskops 33 zurückzuführen ist, besteht insbesondere die Möglichkeit, die Stellsignale anhand parametrisierter Schwingungsverläufe vorzuberechnen, sodass die Stellsignale so frühzeitig an die Motoren 43, 49 ausgegeben werden können, dass ein Delay zwischen der Ausgabe des Stellsignals und dem Einstellen des tatsächlichen Keilwinkels ausgeglichen werden kann. Außerdem kann die Einstellung der Keilwinkel mit geringeren Beschleunigungen erfolgen, wodurch sich das Generieren von Schwingungen durch den Einstellprozess weitgehend vermeiden lässt.
Wie zuvor erwähnt, wird das Beobachtungsobjekt 41 als ortsfest angenommen, sodass seine Bewegung relativ zum Operationsmikroskop 33 vernachlässigt werden kann. Falls dies nicht der Fall ist, besteht die Möglichkeit, die Relativbewegung zwischen dem Operationsmikroskop 33 und dem Beobachtungsobjekt 3 direkt zu messen, indem ein Referenzpunkt des Objekts im aufgenommenen Bild anvisiert oder verfolgt wird. Dies kann mit einem Tracking-System, wie es aus dem Stand der Technik grundsätzlich bekannt ist, bewerkstelligt werden.
Es ist vorteilhaft, wenn die optische Bildversatzvorrichtung in oder in der Nähe einer Aperturblendenebene der Operationsmikroskopoptik angeordnet ist, da dadurch die benötigten freien Durchmesser für die Linsen 5, 7, 9, 11 der optischen Keile 1, 3 minimiert werden können. Wenn sich in der gewählten Aperturblendenebene ein optisches Element wie etwa eine Aperturblende befindet, ist es zweckmäßig, die optischen Keile 1, 3 unmittelbar vor oder hinter der entsprechenden Aperturblendenebene anzuordnen. Wenn die Plankonvexlinsen der optischen Keile 1, 3 nicht miteinander verkittet sind, besteht auch die Möglichkeit, einen optischen Keil unmittelbar vor der Aperturblendenebene und einen optischen Keil unmittelbar hinter der Aperturblendenebene anzuordnen.
Das in 2 gezeigte Ausführungsbeispiel stellt nur eine mögliche Position für die Bildversatzvorrichtung im Strahlengang des Operationsmikroskops dar. Eine alternative Position wäre zwischen dem Vergrößerungswechsler und dem Binokulartubus vorhanden.
Die Kompensation eines lateralen Bildversatzes mit Hilfe einer erfindungsgemäßen Bildstabilisierungsvorrichtung wird nachfolgend mit Bezug auf die 3 bis 20 anhand konkreter Beispiele näher beschrieben.
1. konkretes Beispiel
In dem in den 3 bis 8 dargestellten Beispiel ist der Binokulartubus mit einer Kameraadapteroptik und einem Bildaufnahmesensor ausgestattet. Die Bildstabilisierungsvorrichtung kann aber in identischer Form auch bei einer visuellen Beobachtung des Beobachtungsobjekts zum Einsatz kommen. Das Objektfeld ist kreisförmig und hat einen Durchmesser von ca. 36 mm.
Den Darstellungen aus den 3 bis 8 liegt eine Bildversatzvorrichtung zugrunde, in der die Plankonkavlinse 5 und die Plankonvexlinse 9 des ersten optischen Keils 1 aus dem Glas KF9 mit dem Brechungsindex 1,523412 und der Abbeschen Zahl 51,4930 bei 546 nm hergestellt sind. Die Plankonkavlinse 9 und die Plankonvexlinse 11 des zweiten optischen Keils 3 sind aus dem Glas SK16 mit dem Brechungsindex 1,620410 und der Abbeschen Zahl 60,3236 hergestellt. In diesen Glasarten gilt V₂/V₁ = 1,17 und (n₂ – 1)/(n₁ – 1) = 1,18, sodass die zuvor beschriebene Bedingung (2) in guter Näherung erfüllt ist. Die optischen Keile 1 und 3 sind in den 3 bis 5 der Einfachheit halber stark schematisiert dargestellt. Die Figuren zeigen jeweils nur die planen Flächen 13, 15, 17, 19 der Plankonkavlinsen 5, 7 und der Plankonvexlinsen 9, 11, nicht aber die Grenzflächen 21, 23, 25, 27 zwischen den Plankonkavlinsen 5, 7 und den Plankonvexlinsen 9, 11 eines Keils 1, 3.
Der elastische optische Feinkitt 31 im ersten optischen Keil 1 kann dann beispielsweise der Kitt OK2066F sein, der einen Brechungsindex n = 1,529, also einen dem Brechungsindex des Glases KF9 sehr ähnlichen Brechungsindex, aufweist. Der elastische optische Feinkitt 29 des zweiten optischen Keils 3 kann ein Optokitt OK227 sein, der mit einem Brechungsindex von n = 1,625 einen sehr ähnlichen Brechungsindex wie das Glas SK16 auf.
Der den Figuren zugrundeliegende maximale Versatz des Operationsmikroskops 33 relativ zum Beobachtungsobjekt 41 beträgt 3 mm in jeder Richtung. Da positive und negative Richtungen aus Symmetriegründen äquivalent sind und beliebige Zwischenstellungen keine weiteren Informationen liefern, werden nachfolgend jeweils beispielhaft drei Stellungen gezeigt.
In der ersten Stellung (3) der Bildversatzvorrichtung, die als neutrale Stellung anzusehen ist, betragen die Keilwinkel bezogen auf jede der beiden Rotationsachsen 43, 45 (vgl. 2) 0°. Mit anderen Worten, die Planflächen der optischen Keile 1, 3 verlaufen alle parallel zueinander und senkrecht zur optischen Achse OA. Diese Stellung wird eingenommen, wenn kein lateraler Versatz des Operationsmikroskops 33 in Bezug auf das Beobachtungsobjekt 41 vorliegt, das heißt wenn Δx = 0 und Δy = 0 sind. Die y-Achse verläuft in den Figuren in der Blattebene von unten nach oben, die x-Achse in die Blattebene hinein und die z-Achse entlang der optischen Achse OA in der Blattebene von links nach rechts. Die Bildfehlerkurven für diese Stellung der optischen Keile 1, 3 sind in 6 dargestellt.
Die in 4 dargestellte Stellung entspricht einem lateralen Versatz zwischen dem Operationsmikroskop und dem Beobachtungsobjekt 41 in y-Richtung um –2 mm. Dieser Versatz wird durch eine Drehung der Plankonvexlinsen 9, 11 um die x-Achse (43 in 2) um einen Winkel von 3,926° kompensiert. Dabei weist der Teilwinkel α₁ des dem Hauptobjektiv 35 zugewandten optischen Keils 1 ein negatives Vorzeichen und der Keilwinkel des dem Zoom-System 37 zugewandten optischen Keils 3 ein positives Vorzeichen auf. Die entsprechenden Bildfehlerkurven sind in 7 dargestellt.
5 zeigt einen Versatz zwischen dem Operationsmikroskop 33 und dem Beobachtungsobjekt 41 sowohl in x-Richtung als auch in y-Richtung. In beiden Richtungen beträgt der Versatz +2 mm, das heißt Δx = +2 mm und Δy = +2 mm. Dieser Versatz wird dadurch ausgeglichen, dass die Plankonvexlinsen 9, 11 der optischen Keile sowohl um einen Winkel von α = 3,926° um die x-Achse als auch um einen Winkel β = 3,926° um die y-Achse verdreht werden. Die Keilwinkel α₁, α₂ haben in 5 jeweils einen Betrag von 3,926°, wobei der Keilwinkel α₁ des dem Hauptobjektiv 35 zugewandten Keils 1 ein positives Vorzeichen und der Keilwinkel α₂ des dem Zoom-System 37 zugewandten Keils 3 ein negatives Vorzeichen aufweist. Auch die Keilwinkel β₁, β₂ besitzen einen Betrag von 3,926°, wobei der Keilwinkel β₁ des dem Hauptobjektiv 35 zugewandten optischen Keils 1 ein negatives Vorzeichen und der Keilwinkel β₂ des dem Zoom-System 37 zugewandten optischen Keils 2 ein positives Vorzeichen aufweist. Die entsprechenden Bildfehlerkurven sind in 8 dargestellt.
Die in den 6 bis 8 gezeigten Bildfehlerdarstellungen repräsentieren die geometrische Queraberration für die in den 3 bis 5 dargestellten Keilwinkel. Es ist zu erkennen, dass die Änderungen der Bildfehler auch dann minimal bleiben, wenn eine Bildversatzkompensation mittels der optischen Keile 1 und 3 durchgeführt wird, also die optischen Keile aus der Neutralstellung (3) in eine einen Bildversatz kompensierende Stellung (4 oder 5) gebracht werden. Insbesondere treten durch die Kompensation keine zusätzlichen Farbfehler auf. Dies wäre dramatisch anders, wenn für die optischen Keile 1 und 3 zwei Glasarten verwendet werden würden, welche die oben beschriebene Bedingung nicht erfüllen, oder wenn nur ein einziger optischer Keil Verwendung finden würde. Die in den 6 bis 8 dennoch zu erkennenden geringfügigen Bildfehleränderungen sind nicht auf die Kompensation durch die optischen Keile 1, 3 zurückzuführen, sondern darauf, dass das Hauptobjektiv 35 bei der Kompensation eines lateralen Bildversatzes mit einem leicht exzentrischen Bildkreis genutzt wird. Der umschriebene Bildkreis, mit dem das Objektiv benutzt wird beträgt bei einem lateralen Bildversatz in y-Richtung um 2 mm ca. 40 mm und bei einem lateralen Bildversatz in x-Richtung und in y-Richtung, jeweils um 2 mm, ca. 41,6 mm. Dies ist etwas mehr als der Bildkreis, für den das Objektiv ausgelegt ist. Die beiden optischen Keile 1, 3 erzeugen dagegen nahezu keine Bildfehler.
Bei dem mit Bezug auf 5 beschriebenen Versatz treten die größten Änderungen der Bildgüte über den gesamten Kompensationsbereich hinweg auf. Diese sind jedoch in der Praxis völlig vernachlässigbar, wie der Vergleich der Bildfehlerkurven für die neutrale Stellung (6) mit den Bildfehlerkurven für die Kompensation des Versatzes sowohl in x- als auch in y-Richtung um jeweils 2 mm (8) zeigen.
2. konkretes Beispiel
In einer Abwandlung des mit Bezug auf die 3 bis 8 beschriebenen konkreten Beispiels finden höher brechende angepasste Gläser Verwendung. Dies bietet den Vorteil, dass die zur Kompensation eines lateralen Bildversatzes erforderlichen Keilwinkel α, β kleiner werden, sodass eine vereinfachte Aktorik möglich ist und beim Einstellen der Keilwinkel geringere Beschleunigungskräfte auftreten. Da elastische optische Feinkitte nur für Brechzahlen bis wenig über n = 1,5 verfügbar sind, sind in dieser Ausführungsvariante hochbrechende Immersionsöle als Immersionsmedium zwischen den sphärischen Flächen der optischen Keile 1, 3 vorhanden.
Als Glasart kommt im Rahmen der Abwandlung in dem Hauptobjektiv 35 zugewandten optischen Keil das Glas F2 mit einem Brechungsindex n₁ = 1,620 und einer Abbeschen Zahl V₁ = 36,37 zum Einsatz. Als Glas für den dem Zoom-System 37 zugewandten optischen Keil 3 findet das Glas NLASF44 mit einem Brechungsindex n₂ = 1,804 und V₂ = 46,50 Verwendung. Die oben genannte Bedingung (2) ist auch hierbei in guter Näherung erfüllt, denn es gilt für die beiden Glasarten: V₂/V₁ = 1,28 und (n₂ – 1)/(n₁ – 1) = 1,29.
In den in den 3 und 5 dargestellten Kompensationsstellungen sind in der Abwandlung lediglich Kompensationswinkel mit einem Betrag von 1,94° statt 3,926° notwendig. Die 9 bis 11 zeigen wiederum die Bildfehlerkurven für die in 3, 4 und 5 gezeigten Stellungen, wobei
9 die Bildfehlerkurven für die in 3 gezeigte Stellung, 10 die Bildfehlerkurven für die in 4 gezeigte Stellung und 11 die Bildfehlerkurven für die in 5 gezeigte Stellung zeigen. Es ist zu erkennen, dass durch die Kompensation des lateralen Bildversatzes nahezu keine Bildfehler generiert werden.
3. konkretes Beispiel
Ein weiteres konkretes Beispiel für ein Operationsmikroskop mit einer optischen Bildstabilisierungsvorrichtung ist schematisch in den 12 bis 17 gezeigt, wobei die 12 bis 14 das Operationsmikroskop bei einer den 3 bis 5 entsprechenden Kompensationsstellung der Bildversatzvorrichtung darstellen. Die verwendeten Glasarten und Kittarten entsprechen denen aus dem mit Bezug auf die 3 bis 8 beschriebenen konkreten Beispiel. Die optischen Keile 1 und 3 sind in den 12 bis 14 wie in den 3 bis 5 der Einfachheit halber stark schematisiert dargestellt. Die Figuren zeigen jeweils nur die planen Flächen 13, 15, 17, 19 der Plankonkavlinsen 5, 7 und der Plankonvexlinsen 9, 11, nicht aber die Grenzflächen 21, 23, 25, 27 zwischen den Plankonkavlinsen 5, 7 und den Plankonvexlinsen 9, 11 eines Keils 1, 3.
Der Unterschied zur mit Bezug auf die 3 bis 8 beschriebenen konkreten Beispiel für ein Operationsmikroskop besteht darin, dass statt einer großen, beiden stereoskopischen Teilstrahlengängen gemeinsamen Bildversatzvorrichtung nunmehr in jedem stereoskopischen Teilstrahlengang eine eigene optische Bildversatzvorrichtung vorhanden ist (der Übersichtlichkeit halber ist in den Figuren, welche die konkreten Beispiele zeigen, jeweils nur einer der stereoskopischen Teilstrahlengänge dargestellt). Der Aufbau und die Ansteuerung der in den Teilstrahlengängen angeordneten optischen Bildversatzvorrichtungen entspricht dem mit Bezug auf 2 beschriebenen Aufbau bzw. der mit Bezug auf 2 beschriebenen Ansteuerung. Dadurch, dass in jedem stereoskopischen Teilstrahlengang eine eigene Bildversatzvorrichtung vorhanden ist, können die Durchmesser der optischen Keile im Vergleich zu der großen Bildversatzvorrichtung auf ein Drittel verringert werden. Dadurch ist es möglich, die gesamte optische Bildstabilisierungsvorrichtung sehr kompakt auszuführen. Außerdem sind die zu bewegenden Massen im Vergleich zur Verwendung einer großen optischen Bildkompensationsvorrichtung deutlich reduziert, wodurch die zum Einstellen der Keilwinkel nötigen Beschleunigungskräfte verringert werden. Ebenso reduziert sich die Scherung des zwischen den Linsen befindlichen elastischen optischen Feinkitts, sodass dünnere Kittschichten möglich werden.
Da die Drehpunkte für das Einstellen der Keilwinkel jeweils zentrisch zu dem Stereokanal angeordnet sind, in dem sich die entsprechenden optischen Keile befinden und nicht zur optischen Achse des Hauptobjektivs, ergeben sich zur Kompensation der mit Bezug auf die 3 bis 5 beschriebenen lateralen Bildversätze betragsmäßig geringfügig andere Keilwinkel, nämlich 3,962° statt 3,926°.
Die 15 bis 17 zeigen die Bildfehlerkurven für die in den 12 bis 14 gezeigten Kompensationsstellungen, wobei 15 die Bildfehlerkurven für die in 12 gezeigte Stellung, die 16, die für die in 13 gezeigte Stellung und die 17 die für die in 11 gezeigte Stellung auftretenden Bildfehlerkurven zeigen. Auch in dem in den 12 bis 17 gezeigten konkreten Beispiel ist zu erkennen, dass durch die Kompensation des lateralen Versatzes nahezu keine Bildfehler generiert werden.
4. konkretes Beispiel
In einer Abwandlung des in den 12 bis 17 dargestellten konkreten Beispiels finden höher brechende Gläser Verwendung. Die verwendeten Gläser entsprechen dabei denen, die im 2. konkreten Beispiel angegebenen sind. Ebenso findet das in dem 2. konkreten Bespiel verwendete Immersionsöl auch in dem nachfolgend mit Bezug auf die 18 bis 20 beschriebenen 4. konkreten Beispiel Verwendung. Dabei zeigt 18 die Bildfehlerkurven bei einer Stellung der optischen Keile, wie sie in 12 gezeigt ist, 19 die Bildfehlerkurven für eine Kompensationsstellung der optischen Keile, wie sie in 13 gezeigt ist und 20 die Bildfehlerkurven für eine Kompensationsstellung der optischen Keile, wie sie in 14 gezeigt ist. Es ist zu erkennen, dass die auftretenden Bildfehler bei Verwendung von kleinen optischen Bildversatzvorrichtungen in den stereoskopischen Teilstrahlengängen auch bei Verwendung der Glasarten und des Immersionsöls aus dem 2. konkreten Beispiel vernachlässigbar sind.
Die vorliegende Erfindung stellt eine optische Bildversatzvorrichtung zur Kompensation eines lateralen Bildversatzes zur Verfügung, mit der der Bildversatz im Wesentlichen ohne Generieren von Bildfehlern wie insbesondere chromatischer Vergrößerungsdifferenz kompensiert werden kann. Mit dieser optischen Bildversatzvorrichtung lässt sich eine vorteilhafte optische Bildstabilisierungsvorrichtung zur Verfügung stellen, die beispielsweise Schwingungen oder Handzittern ausgleichen kann, ohne Bildfehler zu erzeugen.
Obwohl die vorliegende Erfindung zu Illustrationszwecken anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben worden ist, sind Abweichungen von diesen Ausführungsbeispielen möglich. So kann die optische Bildversatzvorrichtung ebenso wie die optische Bildstabilisierungsvorrichtung außer in Operationsmikroskopen auch in anderen Mikroskopen, in Ferngläsern, in Fotokameras, in Videokameras, etc. zum Einsatz kommen. Falls das optische Beobachtungsgerät, in dem die optische Bildversatzvorrichtung bzw. die optische Bildstabilisierungsvorrichtung zum Einsatz kommen soll, keine Optik mit kollimiertem Strahlengang aufweist, kann die Bildversatzvorrichtung bzw. die Bildstabilisierungsvorrichtung vor dem Objektiv angeordnet werden, insbesondere wenn entfernt angeordnete Objekte beobachtet bzw. aufgenommen werden, wie dies etwa bei Ferngläsern und Fernrohren, oft aber auch bei Foto- und Videokameras der Fall ist. Um die Vorrichtung vor dem Objektiv anordnen zu können, kann die optische Bildversatzvorrichtung bzw. die optische Bildstabilisierungsvorrichtung in einen auf das Objektiv aufzusetzenden Aufsatz integriert sein.
Außerdem besteht die Möglichkeit, die Bildversatzvorrichtung mit zwei in Richtung senkrecht zur optischen Achse zueinander bewegbaren Freiformelementen zu kombinieren, insbesondere wenn die optische Bildversatzvorrichtung in oder in der Nähe einer Aperturblendenebene im kollimierten Strahlengang angeordnet ist. Die Freiformelemente weisen jeweils wenigstens eine Freiformfläche auf. Durch ein relatives Verschieben der beiden Freiformelemente ist ein Einstellen der Brechkraft des aus den beiden Freiformelementen gebildeten optischen Elements möglich. Derartige Freiformelemente und deren Eigenschaften sind bspw. in US 3,305,294 beschrieben. Auf dieses Dokument wird hinsichtlich des Aufbaus und der Eigenschaften von Freiformelementen verwiesen. Die Verwendung der Freiformelemente ermöglicht es, Brechkraftänderungen mit sehr kleinen Stellbewegungen zu realisieren, die sich mit kleinen Kräften – und daher mit geringen Beschleunigungen – sowie ausreichend schnell ausführen lassen.
Auch im Hinblick auf die beschriebenen Beschleunigungssensoren, Gyro-Sensoren und Tracking-Systeme sind Variationen möglich. So besteht auch die Möglichkeit, die Bewegung des optischen Beobachtungsgeräts mittels eines Mikro-GPS-Systems zu erfassen. Diese Variante ist insbesondere dann realisierbar, wenn das optische Beobachtungsgerät in Räumen betrieben wird, in denen ein solches Mikro-GPS-System installiert ist.
Daher soll die vorliegende Erfindung nicht auf die zu Illustrationszwecken beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt sein, sondern durch die beigefügten Ansprüche.
Bezugszeichenliste

1: optischer Keil
3: optischer Keil
5: Plankonkavlinse
7: Plankonkavlinse
9: Plankonvexlinse
11: Plankonvexlinse
13: plane Linsenfläche
15: plane Linsenfläche
17: plane Linsenfläche
19: plane Linsenfläche
21: konkave sphärische Linsenfläche
23: konkave sphärische Linsenfläche
25: konvexe sphärische Linsenfläche
27: konvexe sphärische Linsenfläche
29: optischer Feinkitt
31: optischer Feinkitt
33: Operationsmikroskop
35: Hauptobjektiv
37a, b: Vergrößerungswechsler
39a, b: Tubusoptik
41: Beobachtungsobjekt
43: Drehachse
45: Drehachse
47: Motor
49: Motor
51: Steuereinheit
53: Beschleunigungssensor

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2009/002066 A1 [0003]
US 5270857 [0004]
US 5477297 [0004]
US 4881800 [0005]
US 6653611 [0005]
US 5140462 [0006]
US 5280387 [0006, 0008]
US 3475074 [0006]
US 3942862 [0006, 0007]
US 3305294 [0088]

Claims

Optische Bildversatzvorrichtung zum Ausgleichen oder Erzeugen eines lateralen Versatzes eines Bildes von einem Beobachtungsobjekt (41) in einer optischen Beobachtungsvorrichtung (33), wobei die optische Bildversatzvorrichtung wenigstens zwei optische Keile (1, 3) aufweist, die entlang einer optische Achse (OA) hintereinander angeordnet und jeweils aus wenigstens zwei optischen Elementen (5, 7, 9, 11) zusammengesetzt sind, dadurch gekennzeichnet, dass jeder optische Keil (1, 3) einen einstellbaren Keilwinkel (α, β) aufweist und die optischen Keile (1, 3) unterschiedliche Brechungsindizes und unterschiedliche Dispersionen aufweisen.
Optische Bildversatzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – die zwei optischen Elemente (5, 9) des ersten optischen Keiles (1) jeweils dieselbe Abbe-Zahl V₁ und dieselbe Brechzahl n₁ aufweisen, – die zwei optischen Elemente (7, 11) des zweiten optischen Keiles (3) jeweils dieselbe Abbe-Zahl V₂ und dieselbe Brechzahl n₂ aufweisen und – die Brechzahl n₁ des ersten optischen Keils (1), die Brechzahl n₂ des zweiten optischen Keils (3), die Abbe-Zahl V₁ des ersten optischen Keils (1), die Abbe-Zahl V₂ des zweiten optischen Keils (3), der Keilwinkel α₁ des ersten optischen Keils (1) und der Keilwinkel α₂ des zweiten optischen Keils (3) die Relation
erfüllen.
Optische Bildversatzvorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei optischen Elemente (5, 7, 9, 11) eines optischen Keils (1, 3) jeweils eine Plankonvexlinse (9, 11) mit einer planen (17, 19) und einer konvexen (25, 27) Linsenfläche und eine Plankonkavlinse (5, 7) mit einer planen (17, 19) und einer konkaven (25, 27) Linsenfläche sind, wobei die konvexe Linsenfläche (25, 27) der Plankonvexlinse (9, 11) und die konkave Linsenfläche (21, 23) der Plankonkavlinse (5, 7) gleiche Krümmungsradien aufweisen und sich einander zugewandt gegenüber liegen.
Optische Bildversatzvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich zwischen der konvexen Linsenfläche (25, 27) der Plankonvexlinse (9, 11) und der konkaven Linsenfläche (21, 23) der Plankonkavlinse (5, 7) eines optischen Keils (1, 3) ein Film (29, 31) eines Immersionsmediums befindet.
Optische Bildversatzvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Immersionsmedium ein elastischer optischer Feinkitt (29, 31), ein Immersionsöl, eine Immersionslösung oder ein Sol-Gel ist.
Optische Bildversatzvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der elastische optische Feinkitt (29, 31) auf Epoxidharz oder Ketonharz basiert.
Optische Bildversatzvorrichtung nach Anspruch 2 und einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Brechzahl des Immersionsmediums im ersten optischen Keil (1) der Brechzahl n₁ entspricht und die Brechzahl des Immersionsmediums im zweiten optischen Keil (1) der Brechzahl n₂ entspricht.
Optische Bildversatzvorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die konvexe Linsenfläche (25, 27) der Plankonvexlinse (9, 11) und die konkave Linsenfläche (21, 23) der Plankonkavlinse Kugelflächen sind, die einen gemeinsamen Mittelpunkt aufweisen.
Optische Bildversatzvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Plankonvexlinsen (9, 11) der optischen Keile (1, 3) als Halbkugelabschnitte ausgebildet sind.
Optische Bildversatzvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die als Halbkugelabschnitte ausgebildeten Plankonvexlinsen (9, 11) der der beiden optischen Keile (1, 3) an ihren Planflächen (17, 19) miteinander verkittet sind.
Optische Bildversatzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei optischen Keile (1, 3) aus Glas oder Kunststoff bestehen und die beiden optischen Elemente (5, 7. 9, 11) eines optischen Keils (1, 3) jeweils aus demselben Glas bzw. Kunststoff bestehen.
Optische Bildversatzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zwei optische Keile (1, 3) vorhanden sind, deren einstellbare Keilwinkel (α, β) für jeden einzustellenden Keilwinkel betragsmäßig gleich und im Vorzeichen verschieden sind.
Optische Bildstabilisierungsvorrichtung mit – einer optischen Bildversatzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12 – einer Aktorik (43, 45, 47, 49) zum Einstellen der Keilwinkel (α, β) der optischen Keile (1, 3) in der optischen Bildversatzvorrichtung auf der Basis eines die einzustellenden Keilwinkel (α, β) repräsentierenden Stellsignals; – einer Versatz-Ermittlungs-Einrichtung (53) zum Ermitteln des Versatzes eines Bildes vom Beobachtungsobjekt (41) bezüglich der optischen Achse (OA) des optischen Beobachtungsgeräts (33) und zum Ausgeben eines den ermittelten Versatz repräsentierenden Versatzsignals; und – einer Steuereinrichtung (51), die mit der Versatz-Ermittlungs-Einrichtung (53) zu Empfang des Versatzsignales und mit der Aktorik (43, 45, 47, 49) zum Ausgeben des Stellsignals verbunden ist und die das Stellsignal auf der Basis des empfangenen Versatzsignals ermittelt.
Optische Bildstabilisierungsvorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Versatz-Ermittlungs-Einrichtung einen Bewegungssensor (53) zum Detektieren einer Bewegung des optischen Beobachtungsgeräts (33) umfasst.
Optische Bildstabilisierungsvorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Versatz-Ermittlungs-Einrichtung eine Vorrichtung zum Anvisieren oder Verfolgen eines Referenzpunktes in dem mit dem optischen Beobachtungsgerät generierten Bild umfasst.
Optisches Beobachtungsgerät (33) mit einer optischen Achse (OA), gekennzeichnet durch eine optische Bildversatzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12 oder eine optische Bildstabilisierungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, wobei die Keile (1, 3) der optischen Bildversatzvorrichtung entlang der optischen Achse (OA) des optischen Beobachtungsgeräts (33) angeordnet sind.
Optisches Beobachtungsgerät (33) nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Beobachtungsoptik mit einem Objektiv (35) aufweist und die optische Bildversatzvorrichtung objektseitig vor dem Objektiv (35) angeordnet ist.
Optisches Beobachtungsgerät nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Beobachtungsoptik aufweist, welche einen kollimierten Strahlengang umfasst und die optische Bildversatzvorrichtung im kollimierten Strahlengang angeordnet ist.
Optisches Beobachtungsgerät nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Beobachtungsoptik mit wenigstens einer Aperturblendenebene umfasst und die optische Bildversatzvorrichtung in der Aperturblendenebene oder unmittelbar benachbart davon angeordnet ist.
Optisches Beobachtungsgerät nach einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Beobachtungsoptik mit wenigstens zwei optischen Teilbildkanälen umfasst.
Optisches Beobachtungsgerät nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass in jedem Teilbildkanal jeweils eine optische Bildversatzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12 oder eine optische Bildstabilisierungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 15 vorhanden ist.