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Die Erfindung betrifft eine telezentrische Optikeinheit mit variabler Vergrößerung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, insbesondere zur Verwendung in einem digitalen Zoommikroskop und ein digitales Zoommikroskop.
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Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Zoomoptiken und Zoommikroskope bekannt, auch solche mit Telezentrie auf Objekt- und/oder Bildseite.
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Die
DE 10 2013 006 999 A1 beschreibt beispielsweise eine modulare telezentrische Zoomoptik für ein digitales Auflichtoder Durchlichtmikroskop, bei der im Strahlengang eine variierbare Blende vorgesehen ist.
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In der digitalen Mikroskopie kann die optisch erzielte Auflösung nur dann erhalten werden, wenn im digitalen Bild die Bildpunkte (Pixel) dicht genug beieinander liegen. Stellt man sich zwei getrennt nebeneinander liegende helle Punkte vor, so können diese nur dann auch im digitalen Bild getrennt dargestellt werden, wenn zwischen ihnen vereinfacht gesprochen noch ein dunkleres Pixel liegt: Es kämen daher drei Pixel auf den minimal darstellbaren Abstand, zwei für die hellen Punkte und ein dunkles dazwischen. Tatsächlich sagt das Nyquist- Kriterium aus, dass für den kleinsten optisch darstellbaren Abstand 2,3 Pixel erforderlich sind. Wenn also beispielsweise die optisch erzielbare Auflösung bei 230 nm liegt, muss demnach die Größe der Pixel bei 100 nm liegen. Das Nyquist-Kriterium gilt sowohl für die Fokusebene (x, y) als auch entlang der optischen Achse (z-Richtung). Unerheblich ist auch die Art der Digitalisierung, beispielsweise mit CCD-Kamera oder mit Photomultiplier bei rasternden Verfahren.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine besonders einfache und kostengünstig herstellbare telezentrische Optikeinheit und ein digitales Zoommikroskop mit einer solchen Optikeinheit bereitzustellen.
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Die Aufgabe wird mit einer Optikeinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und mit einem Zoommikroskop mit den Merkmalen des Anspruchs 12 gelöst.
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Eine erfindungsgemäße Optikeinheit umfasst in Richtung aus einer Objektebene in eine Bildebene: eine erste Linsengruppe mit positiver Brechkraft, eine zweite Linsengruppe mit negativer Brechkraft, eine dritte Linsengruppe mit positiver Brechkraft und optional eine vierte Linsengruppe mit positiver oder negativer Brechkraft. Zur Einstellung einer variablen Vergrößerung einer Abbildung in der Bildebene sind die erste und die dritte Linsengruppe mittels eines gemeinsamen Antriebes entlang einer optischen Achse der Optikeinheit synchron bewegbar, während die zweite Linsengruppe gleichzeitig in entgegengesetzter Richtung bewegt wird. Derartige Bewegungen sind beispielsweise mit Direktantrieben und Trommelkurven realisierbar. Eine Kopplung der Bewegungen durch ein Verbindungselement ähnlich (
WO 07/079882 A1 ) ist möglich und erreichbar, wenn der Antrieb der beiden Schlitten mit einem Band über eine feste Rolle erfolgt.
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Ein erfindungsgemäßes Zoommikroskop umfasst die zuvor beschriebene Optikeinheit und einen in der Bildebene angeordneten digitalen Bildsensor zur Abbildung einer Probe. Der Bildsensor muss das Nyquist-Kriterium erfüllen, d.h. er ist vorteilhafterweise an die optische Auflösung der Optikeinheit angepasst (2,3 Pixel pro kleinstem optisch darstellbaren Abstand), bzw. sind Optikeinheit und Bildsensor so aufeinander abgestimmt, dass das Nyquist-Kriterium über den gesamten Vergrößerungsbereich erfüllt ist. Die Öffnungsblende liegt für alle Zoompositionen in der Nähe des hinteren Brennpunktes des Teilsystems zwischen sich und dem Objekt. Damit bleibt die Telezentrie über den gesamten Zoombereich erhalten.
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Vorteilhafte Ausgestaltungvarianten sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Für eine gleichermaßen gute Erfüllung des Nyquist-Kriteriums sind bildseitige Apertur und die optische Auflösung für alle Zoomeinstellungen bei einer Variation des Vergrößerungsfaktors bis 10fach gleich bzw. annähernd gleich. Durch die synchrone Bewegung der bewegten Linsengruppen wird ein besonders einfacher und kompakter Aufbau bei konstanter Bildlage erreicht.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist die zweite Linsengruppe mechanisch mit dem Antrieb gekoppelt, könnte aber in alternativen Ausführungsformen auch einen separaten Antrieb besitzen.
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Die mechanische Kopplung ist vorzugsweise durch ein Getriebe gebildet.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind die Bewegungen der ersten bis dritten Linsengruppe mit einer Bewegungstabelle definiert. Daten dieser Bewegungstabelle werden vorzugsweise als Software in eine Steueralgorithmik der Antriebe integriert.
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Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert.
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Es zeigen:
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1: eine Optikeinheit in einer Prinzipdarstellung mit Einstellung verschiedener Vergrößerungen;
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2: ein Diagramm der Bewegungskurven der Linsengruppen;
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3: ein Diagramm der Teilvergrößerungen der Optikeinheit;
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4: ein Diagramm der Dimensionierung der Optikeinheit;
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5: ein Diagramm einer Blendenlage über den Vergrößerungsbereich;
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6: ein Diagramm des normierten Telezentriefehlers;
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7: ein Diagramm der bildseitigen Apertur in Abhängigkeit von der Vergrößerung;
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8: eine Antriebsvorrichtung zur Bewegung der Linsengruppen der Optikeinheit als Prinzipskizze;
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9: eine vorteilhafte Ausgestaltungsvariante einer Kurvenscheibe für die in 4 dargestellte Antriebsvorrichtung;
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10: ein Diagramm der axialen Verschiebung einer Rolle für eine bevorzugte Ausführungsform der in 4 gezeigten Antriebsvorrichtung.
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1 zeigt die erfindungsgemäße Optikeinheit in einer bevorzugten Ausführungsform mit einem Strahlengang in einer Prinzipdarstellung und in verschiedenen Zoomeinstellungen.
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Zwischen einer Probenebene 01 und einer Bildebene 02 ist die erfindungsgemäße Optikeinheit mit vier Linsengruppen LG1, LG2, LG3 und LG4 entlang einer optischen Achse 03 angeordnet. Die erste, dritte und vierte Linsengruppe LG1, LG3 und LG4 besitzen eine positive Brechkraft. Die zweite Linsengruppe LG2 besitzt eine negative Brechkraft.
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Wie aus den Darstellungen der verschiedenen Vergrößerungsstufen erkennbar ist, sind die Linsengruppen LG1 und L3 entlang der optischen Achse 03 synchron in gleicher Richtung bewegbar, während die Linsengruppe LG2 in entgegengesetzter Richtung bewegt wird. Dabei sind die Geschwindigkeiten der Bewegungen zumindest annähernd gleich.
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Die dargestellte Ausführungsform hat einen Zoomfaktor von 10 × 0,5 bis 5 bei einer Baulänge von 292,8mm. In nachfolgender Tabelle ist die bevorzugte Ausführungsform detailliert beschrieben. Dabei sind die einzelnen Radien (RADIUS) der Linsen mit Abständen (DIS) zum jeweils vorhergehenden Element, Brechzahlen (BRE), die Abbe-Zahl ( e), Brennweiten (f‘), sowie die Brennweite der Linsengruppe und der Durchmesser (d) angegeben. Die Abstände a1 bis a5 aus der unten stehenden Tabelle sind in der Figur gezeigt und variieren je nach Zoomeinstellung.
| RADIUS | DIS | BRE | ve | f' Teil | f' Gruppe | d |
| U | | | | | | |
| | a1 | | | | | |
| 26,947 | | | | | | 12 |
| | 8,000 | 1,52458 | 59,58 | 42,41 | | |
| –114,522 | | | | | | |
| | 0,123 | | | | | |
| 44,615 | | | | | | |
| | 1,500 | 1,77621 | 49,36 | –28,79 | | |
| 14,669 | | | | | | |
| | 10,027 | 1,53019 | 76,58 | 18,56 | –656,22 | |
| –22,819 | | | | | | |
| | 1,587 | 1,77621 | 49,36 | –39,24 | | |
| –94,028 | | | | | | |
| | a2 | | | | 43,89 | |
| –35,569 | | | | | | 7 |
| | 3,718 | 1,56082 | 53,83 | –14,16 | | |
| 10,610 | | | | | –24,90 | |
| | 2,823 | 1,76164 | 27,16 | 29,40 | | |
| 17,841 | | | | | | |
| | a3 | | | | | |
| 57,289 | | | | | | 6,8 |
| | 2,929 | 1,73430 | 28,31 | –68,06 | | |
| 26,128 | | | | | 52,32 | |
| | 4,000 | 1,57098 | 70,9 | 29,38 | | |
| –44,239 | | | | | | |
| | a4 | | | | | |
| 30,150 | | | | | | |
| | 3,761 | 1,60897 | 43,43 | 25,84 | | 6,4 |
| –31,418 | | | | | 114667,40 | |
| | 2,392 | 1,58212 | 53,59 | –23,81 | | |
| 25,527 | | | | | | |
| | a5 (44,280) | | | | | |
| U | | | | | | 5 |
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In dieser Ausführungsform ergibt sich eine Bewegungstabelle für die Vergrößerungen bei definierten Abständen a1 bis a4 wie folgt:
| ß | a1 | a2 | a3 | a4 |
| 5,00 | 71,365 | 61,970 | 3,000 | 71,621 |
| 3,75 | 74,470 | 53,101 | 11,869 | 68,517 |
| 2,81 | 77,776 | 44,967 | 20,003 | 65,210 |
| 2,08 | 81,388 | 37,144 | 27,826 | 61,599 |
| 1,58 | 84,871 | 30,300 | 34,671 | 58,116 |
| 1,16 | 88,866 | 22,925 | 42,046 | 54,121 |
| 0,89 | 92,903 | 16,719 | 48,251 | 50,083 |
| 0,67 | 96,441 | 9,952 | 55,019 | 46,546 |
| 0,50 | 100,125 | 3,000 | 61,970 | 42,724 |
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In 2 ist die Bewegungstabelle als Diagramm grafisch dargestellt. Dabei bildet die Probenebene 01 den Nullpunkt. Gut erkennbar ist die synchrone Bewegung von LG1 und LG3 und die dazu gegenläufige Bewegung von LG2.
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Für die telezentrische Abbildung auf der Objektseite muss der Ort der Öffnungsblende mit dem hinteren Brennpunkt eines Teilsystems zusammenfallen. Mit Wahl der Achsbündelbegrenzung durch die Linsengruppe LG3 ist eine gute Näherung dieser Bedingung über einen weiten Teil des Zooms möglich.
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Die hier dargestellte bevorzugte Ausführungsform ist für einen Bildsensor mit einer Diagonale von 5 mm ausgelegt. Die Wahl der LG3 als Öffnungsblende hat den positiver Effekt, dass sie vom Bild aus nur eine kleine Variation der Größe erfährt. Damit ist die bildseitige Apertur zwischen 0,03–0,04 nahezu konstant und bei einem Pixelabstand < 4µm die theoretische visuelle Auflösung bildseitig von 90–120 LP/mm (Linienpaare pro mm) mit dem Bildsensor möglich.
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3 und 4 zeigen allgemeine Dimensionierungsvorschriften für eine erfindungsgemäße Optikeinheit in einer bevorzugten Ausführungsform. Die Gesamtvergrößerung des der Optikeinheit setzt sich aus vier Teilvergrößerungen zusammen, die der Wirkung der jeweiligen Linsengruppe zugeordnet ist: βgesamt = β1·β2·β3·β4, wobei die Indizes jeweils für die Nummer der Linsengruppe stehen. Die Teilvergrößerungen β1, β2, β3 und β4 sind Funktionen der gekoppelten Bewegung. β4 ist bewegungsunabhängig konstant und kann durch Wahl der Brennweite von LG4 und der angrenzenden Abstände zwischen 0,2 < β4 < 5 genutzt werden. Die beweglichen Linsengruppen LG1, LG2 und LG3 bilden den Kern des Systems mit konstantem Abstand aOF3 gemessen vom Objekt bis zum Fokus s’LG3 nach der dritten Linsengruppe LG3. Es hat sich gezeigt, dass, wenn man den Abstand LG1 zu LG3 (a2 + a3) etwa 1/3 dieses Abstandes Objekt bis Fokus nach LG3 aOF3 wählt, das System die vorteilhaften Eigenschaften aufweist (4). Die Angabe etwas ist dabei so zu verstehen, dass eine gewisse Abweichung möglich ist, bei der das System gerade noch die gewünschten Eigenschaften aufweist.
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Die Einzelbrennweiten skalieren mit (a2 + a3).
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Die Bewegung Δa
1 von LG1 in der höchsten Vergrößerung zu seiner Position in der geringsten Vergrößerung ist:
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Unter Einhaltung dieser Bedingungen kollidieren die Linsengruppen nicht miteinander und der Abstand vom Fokus f1‘ nach LG1 zu Fokus vor LG3 liegt zwischen 4x und 5x f2‘. Alle Teilvergrößerungen sind streng monoton zwischen –0,5 und –1,5. Die Achse a beschreibt eine Position des Bewegungsbereiches mit der Beziehung a = p·Δa1. Der Parameter p liegt Die Relationen β2 < β1 < β3 bei kürzester Entfernung LG1 zum Objekt wechseln zu β3 < β1 < β2 bei maximalen Abstand.
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In 5 ist der Abstand der Berandung der Linsengruppe 3, die als Öffnungsblende wirkt, von dem hinteren Brennpunkt des zwischen Objekt und der Berandung liegenden Teilsystems in Abhängigkeit von der Vergrößerung β dargestellt.
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Dem Verlauf der Kurve ist zu entnehmen, dass an der Stelle des Nulldurchgangs die Eintrittspupille im Unendlichen liegt und eine strenge Telezentrie vorliegt.
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Der steile Anstieg in der Übersichtsstellung wird in der Praxis durch den Wechsel der Berandung auf die Linsengruppe LG2 abgeschnitten, die in diesem Vergrößerungsbereich die Öffungsblende darstellt.
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Der verbleibende Fehler in der Telezentrie bestimmt sich aus der Differenz des lateralen Abstandes zweier Objektpunkte, die gleichzeitig in der Bildebene, das heißt, auf dem Sensor als scharf identifiziert und nicht unterschiedlichen Objektentfernungen zuordenbar sind.
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Die Auswertung kann am Sensor beispielsweise in Pixel einer Kamera oder normiert auf die Auflösung sensorinvariant erfolgen.
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6 zeigt die Normierung auf die sensorinvariante Systemauflösung.
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Tl ist die Schärfentiefe = Axialer Abstand von zwei Punkten, die gleichzeitig scharf gesehen werden. Tq ist die laterale Auflösung des Systems. Das Maß Δy definiert den normierten Telezentriefehler als lateralen Abstand zweier Punkte im Objekt mit axialem Abstand Tl, die gleichzeitig gesehen werden, bezogen auf die laterale Auflösung des Systems. Das Maß Δy ist geeignet den Telezentriefehler applikativ zu bewerten.
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Die Variation der bildseitigen Apertur für verschiedene Vergrößerungen bewirkt, dass unterschiedliche Anzahlen von Pixeln zur Trennung von benachbarten Punkten benötigt werden. Die günstige Charakteristik des Kurvenverlaufs in 5 mit Abfall bei großen Vergrößerungen resultiert aus der Überlagerung von zwei Funktionen. Die Kurve y/sEP entsteht, wenn man aus einer Bildhöhe durch Teilen durch den Abbildungsmaßstab die Objekthöhe ermittelt und diese durch die Schnittweite des objektseitigen Bildes der Öffnungsblende teilt. Diese Hauptstrahlneigung wird mit der Funktion Tl/Tq multipliziert, die näherungsweise zu 1/ß proportional ist.
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7 zeigt die bildseitige Apertur in Abhängigkeit von der Vergrößerung.
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8 zeigt eine mögliche Ausführungsform eines Antriebes für die gegenläufig bewegten Linsengruppen als Prinzipskizze.
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Um die Bewegung der Linsengruppen gemäß des Bewegungsdiagramms in 2 zu realisieren, ist ein Antriebsband 04 als Endlosband über eine erste Rolle 06 und eine Exzenterrolle 07 kraft- und/oder formschlüssig gehalten. Die erste Rolle 06 ist in einem Rahmen 08 drehbar gelagert. Die Exzenterrolle 07 ist mit einer Exzenterscheibe 09 verbunden, welche in dem Rahmen 08 drehbar gelagert ist. An gegenüberliegenden Seiten des Antriebsbandes 04 sind ein erster Schlitten 11 und ein zweiter Schlitten 12 angeordnet. Mit dem ersten Schlitten 11 sind die Linsengruppen LG1 und LG3 antriebswirksam verbunden, während die Linsengruppe LG2 mit dem zweiten Schlitten 12 antriebswirksam verbunden ist. Der Rahmen 08 ist in einem nicht dargestellten Gehäuse entlang der Mittelachsen der ersten Rolle 06 und der Exzenterrolle 07 beweglich gelagert und wird mit einer Federkraft (nicht dargestellt) gegen einen ebenfalls im Gehäuse ortsfest positionierten Anschlag 10 gedrückt. Mit der Drehbewegung der ersten Rolle 06 bewegt sich der Rahmen 08 gegen das Gehäuse. Die Bewegungen der Schlitten 11 und 12 sind eine Überlagerung des Abrollens des Bandes 04 durch die Drehbewegung der Rollen 06, 07 und die Bewegung des Rahmens 08 gegen das Gehäuse, hervorgerufen durch die Kontur der Exzenterscheibe 09. Mit der Drehbewegung der Rollen 06, 07 ist die Bewegungsumkehr zwischen den beiden Schlitten 11, 12 realisiert. Die Exzenterscheibe 09 weist eine entsprechend der Bewegungskurve dimensionierte Kontur auf (siehe 9). In dem nicht dargestellten Bereich kann die Drehbewegung der Exzenterscheibe 09 durch den ortsfesten Anschlag 10 durch eine entsprechend Gestaltung begrenzt werden. Die Begrenzung kann aber auch antriebsseitig vorgegeben werden.
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Die Charakteristik der Exzenterscheibe 06, bzw. die Verschiebung des Drehpunktes 13 entlang der Mittellinie 14 ist in 10 dargestellt.
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Die Konstruktion kann abgewandelt werden, indem man auf die erste Rolle 06 verzichtet und die Ankoppelpunkte des Schlittens 11 und des Drehpunktes 13 mit einer Federkraft in Richtung des Berührungspunktes des Bandes mit der Rolle 06 zieht und damit dieses straft. Eine Umlenkrolle mit konstantem Abstand zur Antriebsrolle übernimmt das konstante Spannen der beiden Bandseiten. In diesem Fall handelt es sich um ein Endlosband.
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Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf die beispielhaft und skizzenhaft dargestellte bevorzugte Ausführungsform beschränkt, weder hinsichtlich der Optikdaten, noch hinsichtlich der mechanischen Gestaltung des Bewegungsantriebs. Der Fachmann kann die technische Gestaltung dem jeweiligen Einsatzzweck anpassen.
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Bezugszeichenliste
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- 01
- Probenebene
- 02
- Bildebene
- 03
- optische Achse
- 04
- Antriebsband
- 05
- -
- 06
- erste Rolle
- 07
- Exzenterrolle
- 08
- Rahmen
- 09
- Exzenterscheibe
- 10
- Anschlag
- 11
- erster Schlitten
- 12
- zweiter Schlitten
- 13
- Drehpunkt
- 14
- Mittellinie
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013006999 A1 [0003]
- WO 07/079882 A1 [0007]
