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Die Erfindung betrifft allgemein
eine zwischen wenigstens zwei optischen Systemen abbildende optische
Abbildungsanordnung mit wenigstens einem torischen Spiegel. Die
Erfindung betrifft konkreter eine optische Anordnung, umfassend:
ein erstes optisches System, ein zweites optisches System und eine
zwischen dem ersten und dem zweiten optischen System abbildende
optische Abbildungsanordnung, die wenigstens einen torischen Spiegel aufweist,
wobei das erste optische System alleine oder in Kombination mit
wenigstens einer optischen Komponente der Abbildungsanordnung eine
erste Bündelöffnung und
eine innerhalb der ersten Bündelöffnung einem
verschwindenden Strahl-Einfallswinkel oder Strahl-Austrittswinkel
entsprechende erste optische Achse aufweist und wobei das zweite
optische System alleine oder in Kombination mit wenigstens einer
optischen Komponente der Abbildungsanordnung eine zweite Bündelöffnung und
eine innerhalb der zweiten Bündelöffnung einem
verschwindenden Strahl-Einfallswinkel oder Strahl-Austrittswinkel
entsprechende zweite optische Achse aufweist.
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Optische wirksame torische Flächen, die astigmatisch
abbilden, werden vorwiegend zur Korrektur von Astigmatismen, etwa
zur Korrektur des Astigmatismus des Auges, verwendet. In Folge unterschiedlicher
Krümmungen
in den beiden Hauptschnitten weisen derartige Flächen unterschiedliche Brechkräfte und
bildseitige Schnittweiten auf. Eine torische Fläche entsteht durch Rotation
eines Kreisbogens um eine nicht durch dessen Krümmungsmittelpunkt verlaufende,
zu den Scheiteltangenten des Kreisbogens parallele Achse. Torische
Spiegelflächen
werden beispielsweise in der Astronomie zur Korrektur von Astigmatismen
bestimmter Teleskoptypen verwendet, beispielsweise bei sogenannten Schiefspieglern
bzw. Yolo-Reflektoren. Die torischen Spiegelflächen dienen dabei speziell
zur Korrektur der aus der Schiefe bzw. Kippung des Teleskopsystems
resultierenden Bildfehler, insbesondere Astigmatismus.
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Allgemein können torische Spiegel vorteilhaft
dafür eingesetzt
werden, über
einen möglichst großen Raumwinkel
Photonen zu sammeln, beispielsweise im Zusammenhang mit Monochromator-Anordnungen.
Ein torischer Spiegel zeichnet sich vorteilhaft dadurch aus, dass
er es ermöglicht,
einen Punkt außerhalb
einer Symetrieachse abzubilden und dabei vergleichsweise wenig optische
Fehler (z.B. astigmatische Fehler) in der Abbildung zu erzeugen.
Sind hingegen nicht Punkte sondern Flächen (etwa eine Eintritts-
und eine Austrittsfläche) oder
Pupillen (etwa eine Eintritts- und eine Austrittspupille) ineinander
abzubilden, so entstehen herkömmlich
bei der Abbildung über
einen torischen Spiegel störende
Bildfehler.
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Aufgabe der Erfindung nach einem
ersten Aspekt ist, eine ohne großen technischen Aufwand realisierbare
Möglichkeit
zur Reduzierung dieser Bildfehler anzugeben.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird vorgeschlagen,
dass dass wenigstens eine optische abbildende oder zu einer optischen
Abbildung beitragende optische Komponente der Abbildungsanordnung
zwischen einem zugeordneten der optischen Systeme und dem torischen
Spiegel gegenüber
der jeweiligen optischen Achse derart verkippt angeordnet ist, dass die
jeweilige optische Achse und eine optische Achse der betreffenden
optischen Komponente in Projektion auf eine Bezugsebene oder in
einer von den Achsen aufgespannten Ebene unter einem Winkel zueinander
stehen.
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Es wurde festgestellt, dass durch
die erfindungsgemäße Verkippung
der betreffenden optischen Komponente die angesprochenen Bildfehler deutlich
reduzierbar sind. Es wird hierdurch möglich, eine Ausgangsfläche oder Austrittspupille
vergleichsweise sauber auf bzw. in eine Eintrittsfläche bzw.
Eintrittspupille abzubilden, beispielsweise zur Einkopplung des
von einer Lampe, etwa Bogenlampe, über eine große Bündelöffnung (großer Öffnungswinkel, große numerische
Apertur) unter Vermittlung des torischen Spiegels erfassten Lichts
in einen Lichtleiter oder ein Lichtleiterbündel.
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Für
einen gegebenen optischen Aufbau kann der ein Optimum gebende Kippwinkel
und ggf. auch noch eine Seitenverschiebung der betreffenden optischen
Komponente durch einfaches Justieren oder systematisches Ausprobieren
gefunden werden.
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Die nach dem Erfindungsvorschlag
durch einfaches Verkippen erzielte Wirkung der Reduzierung von Bildfehlern
im Zusammenhang mit einer optischen Abbildung über einen torischen Spiegel
ist einigermaßen überraschend.
An sich sprechen die üblichen
fachmännischen Überlegungen
im Zusammenhang mit der Auslegung einer optischen Anordnung wie
eingangs angesprochen dafür,
die jeweilige optische Komponente (soweit vorgesehen) zwischen dem
ersten optischen System und dem torischen Spiegel bzw. zwischen
dem torischen Spiegel und dem zweiten optischen System senkrecht
in Bezug auf das die Abbildung ergebende Strahlenbündel bzw.
die die Abbildung ergebende Strahlenbüschel anzuordnen, so dass die
optische Achse der betreffenden Komponente und die erste bzw. zweite
optische Achse zueinander im Wesentlichen parallel oder – idealerweise – im Wesentlichen
koaxial (die Achsen fallen also idealerweise zusammen) sind.
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Man kann die der Erfindung zu Grunde
liegende Aufgabe auch so formulieren. Aufgabe der Erfindung ist,
von einem ersten optischen System mit definierter Bündelöffnung und
Austrittsfläche
oder Austrittspupille unter Erreichung einer vergleichsweise großen Beleuchtungsstärke oder/und
unter Kleinhaltung oder Vermeidung von Abbildungsfehlern in ein
zweites optisches System mit definierter Bündelöffnung und definierter Eintrittsfläche oder
Eintrittspupille abzubilden, ggf. einzukoppeln. Hierzu wird nach dem
ersten Aspekt erfindungsgemäß vorgeschlagen, einen
torischen Spiegel einzusetzen, in Verbindung mit der angesprochenen
Verkippung wenigstens einer optisch abbildenden oder zu einer optischen
Abbildung beitragenden optischen Komponente der den torischen Spiegel
aufweisenden; zwischen den optische Systeme abbildenden Abbildungsanordnung. Der
torische Spiegel ermöglicht
gewissermaßen, über einen
vergleichsweise großen
Raumwinkel Photonen "aufzusammeln" und damit an der
optischen Abbildung zu beteiligen. Die erfindungsgemäße Verkippung
der betreffenden optischen Komponente vermeidet bzw. reduziert dabei
störende
Abbildungsfehler.
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Bei der betreffenden, zu verkippenden
und ggf. seitlich zu verschiebenden optischen Komponente handelt
es sich vorzugsweise um eine optische Komponente, die ohnehin als
Teil der optischen Abbildungsanordnung vorgesehen ist, um die benötigte Abbildung
bzw. Einkopplung zu erreichen. Beispielsweise kann es sich um eine
Linse handeln, die dazu vorgesehen ist, aus einem divergierenden
Strahlenbündel
ein weniger stark divergierendes, ggf. paralleles Strahlenbündel zu
machen, oder um eine optische Komponente, die dafür vorgesehen
ist, aus einem konvergierenden Strahlenbündel ein weniger stark konvergierendes,
ggf. paralleles Strahlenbündel
zu machen, oder um eine optische Komponente, die dafür vorgesehen
ist, aus einem parallelen Strahlenbündel ein konvergierendes Strahlenbündel zu machen,
oder um eine optische Komponente, die dafür vorgesehen ist, aus einem
konvergierenden Strahlenbündel
ein stärker
konvergierendes Strahlenbündel
zu machen, oder um eine optische Komponente, die dafür vorgesehen
ist, aus einem divergierenden Strahlenbündel ein stärker divergierendes Strahlenbündel zu
machen.
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Es wird vor allem daran gedacht,
dass wenigstens eine optische abbildende oder zu einer optischen
Abbildung beitragende optische Komponente der Abbildungsanordnung
zwischen dem ersten optischen Systeme und dem torischen Spiegel
gegenüber
der ersten optischen Achse derart verkippt angeordnet ist, dass
die erste optische Achse und eine optische Achse der betreffenden
optischen Komponente in Projektion auf eine Bezugsebene oder in
einer von den Achsen aufgespannten Ebene unter einem Winkel zueinander
stehen, oder dass wenigstens eine optische abbildende oder zu einer
optischen Abbildung beitragende optische Komponente der Abbildungsanordnung
zwischen dem zweiten optischen Systeme und dem torischen Spiegel
gegenüber
der zweiten optischen Achse derart verkippt angeordnet ist, dass
die zweite optische Achse und eine optische Achse der betreffenden
optischen Komponente in Projektion auf eine Bezugsebene oder in
einer von den Achsen aufgespannten Ebene unter einem Winkel zueinander
stehen.
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Es kommt durchaus aber auch in Betracht, dass
wenigstens eine optische abbildende oder zu einer optischen Abbildung
beitragende optische Komponente der Abbildungsanordnung zwischen
dem ersten optischen Systeme und dem torischen Spiegel gegenüber der
ersten optischen Achse derart verkippt angeordnet ist, dass die
erste optische Achse und eine optische Achse der betreffenden optischen Komponente
in Projektion auf eine Bezugsebene oder in einer von den Achsen
aufgespannten Ebene unter einem Winkel zueinander stehen, und dass
wenigstens eine optische abbildende oder zu einer optischen Abbildung
beitragende optische Komponente der Abbildungsanordnung zwischen
dem zweiten optischen Systeme und dem torischen Spiegel gegenüber der
zweiten optischen Achse derart verkippt angeordnet ist, dass die
zweite optische Achse und eine optische Achse der betreffenden optischen
Komponente in Projektion auf eine Bezugsebene oder in einer von
den Achsen aufgespannten Ebene unter einem Winkel zueinander stehen.
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Die betreffende optische Komponente
kann als reflektive oder diffraktive oder refraktive optische Komponente
ausgeführt
sein. Es wird vor allem daran gedacht, dass die betreffende optische
Komponente als Linse ausge führt
ist. Mehrere von der Verkippung und ggf. Seitenverschiebung betroffene
Linsen können
Teil eines insgesamt Verkippten und ggf. seitlich verschobenen optischen
Systems sein.
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Die bzw. eine erfindungsgemäß verkippte optische
Komponente kann als Positivlinse ausgeführt sein. Ferner kann die bzw.
eine erfindungsgemäß verkippte
optische Komponente als Negativlinse ausgeführt sein.
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Die entsprechend der erfindungsgemäßen Verkippung
unter einem Winkel zueinander stehenden optischen Achsen können sich
in der Projektion bzw. aufgespannten Ebene in einem Innenbereich der
betreffenden optischen Komponente schneiden. Insbesondere ist in
diesem Zusammenhang daran gedacht, dass die betreffende optische
Komponente gegenüber
der oben angesprochenen Idealstellung nach herkömmlichem Ansatz nur verkippt,
aber nicht seitlich verschoben ist.
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Es kann durchaus aber auch zweckmäßig sein,
dass die gemäß der erfindungsgemäßen Verkippung
unter einem Winkel zueinander stehenden optischen Achsen sich in
der Projektion bzw. in der aufgespannten Ebene außerhalb
der betreffenden optischen Komponente schneiden. Insbesondere kann
die betreffende optische Komponente gegenüber der oben angesprochenen
Idealstellung nach herkömmlichem
Ansatz einerseits verkippt und andererseits seitlich verschoben
sein.
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Dabei kann der Schnittpunkt zwischen
den optischen Achsen auf der dem torischen Spiegel nahen Seite der
betreffenden optischen Komponente liegen. Es kann durchaus aber
auch zweckmäßig sein,
dass der Schnittpunkt zwischen den optischen Achsen auf der dem
torischen Spiegel fernen Seite der betreffenden optischen Komponente
liegt.
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Es wird vor allem daran gedacht,
dass die unter einem Winkel zueinander stehenden optischen Achsen
eine Ebene aufspannen, in der sie sich schnei den. Es ist durchaus
aber auch möglich,
dass die unter einem Winkel zueinander stehenden optischen Achsen
windschief zueinander sind.
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Wie oben schon angedeutet, ist nach
einer bevorzugten Anwendung bzw. Ausgestaltung des Erfindungsgedankens
vorgesehen, dass aus dem ersten optischen System austretendes Licht
vermittels der durch die Abbildungsanordnung erzielten optischen
Abbildung in das zweite optische System eingekoppelbar ist. Dabei
kann das erste optische System eine Lichtquelle umfassen, die beispielsweise von
einer Lampe, vorzugsweise Entladungs- oder Bogenlampe, gebildet ist. Eine
andere vorteilhafte Möglichkeit
ist, dass das erste optische System einen Lichtleiter oder ein Lichtleiterbündel umfasst.
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Betreffend das zweite optische System
wird vor allem, aber nicht ausschließlich daran gedacht, dass dieses
einen Lichtleiter oder ein Lichtleiterbündel umfasst. Das zweite optische
System kann aber auch beispielsweise ein optisches Instrument, etwa ein
Mikroskop (ggf. Fluoreszenzmikroskop) sein, in das beispielsweise
von dem ersten optischen System abgegebenes Licht etwa zur Beleuchtung
eines Objektbereichs einzukoppeln ist.
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Zwischen wenigstens einem der optischen Systeme
und dem torischen Spiegel kann eine Lichtkonditionieranordnung vorgesehen
sein, durch die die Abbildungsanordnung abbildet oder die Teil der Abbildungsanordnung
ist. Es wird beispielsweise daran gedacht, dass die Lichtkonditionieranordnung eine
optische Wellenlängenselektionsanordnung
umfasst, mittels der wenigstens eine vorgegebene oder einstellbare
Selektionswellenlänge,
vorzugsweise genau eine vorgegebene oder einstellbare Selektionswellenlänge, mit
einer vorgegebenen oder einstellbaren Selektionsbandbreite selektierbar
ist.
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Eine andere Möglichkeit ist, dass die Lichtkonditionieranordnung
eine optische Polarisatoranordnung umfasst. Ferner wird daran gedacht,
dass die Lichtkonditionieranordnung eine vorzugsweise verstellbare
optische Intensitätsabschwächungsanordnung
oder Strahlenbündelabschattungsanordnung
zur Einstellung einer Sollintensität umfasst.
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Die Erfindung betrifft ferner eine
optische Objektuntersuchungseinrichtung, umfassend einen Objektbereich,
in dem ein zu untersuchendes Objekt plazierbar ist, einen Beobachtungsstrahlengang,
der vom Objektbereich zu einem Bildbereich führt, und wenigstens einen sich
an einen Lichteingang anschließenden
Beleuchtungsstrahlengang, über
den der Objektbereich beleuchtbar ist.
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Aufgabe der Erfindung nach einem
zweiten Aspekt ist, Beleuchtungslicht von einer zugeordneten Lichtquelle
dem Beleuchtungsstrahlengang mit hoher Beleuchtungsstärke zuzuführen. Zur
Lösung
dieser Aufgabe wird vorgeschlagen, dass die Objektuntersuchungseinrichtung
eine optische Abbildungsanordnung aufweist, die wenigstens einen
torischen Spiegel umfasst. Über
die optische Abbildungsanordnung ist dem Beobachtungsstrahlengang
von einer zugeordneten Lichtquelle Beleuchtungslicht zuführbar. Beispielsweise
kann ein Lichteingang, an den sich der Beleuchtungsstrahlengang
anschließt, über die
Abbildungsanordnung an der zugeordneten Lichtquelle angeschlossen
oder anschließbar
sein. Die Objektuntersuchung kann unter Einbeziehung der Abbildungsanordnung
sowie eventuell der Lichtquelle sowie eventuell des Beleuchtungsstrahlengangs bzw.
Lichteingangs umfassen: ein erstes optisches System (beispielsweise
die Lichtquelle oder ein Lichtleiter), ein zweites optisches System
(beispielsweise der Beobachtungsstrahlengang oder der Lichteingang
oder ein Lichtleiter) und die zwischen dem ersten und dem zweiten
optischen System abbildende optische Abbildungsanordnung, die wenigstens einen
torischen Spiegel aufweist, wobei das erste optische System alleine
oder in Kombination mit wenigstens einer optischen Komponente der
Abbildungsanord nung eine erste Bündelöffnung und
eine innerhalb der ersten Bündelöffnung einem
verschwindenden Strahl-Einfallswinkel oder Strahl-Austrittswinkel
entsprechende erste optische Achse aufweist und wobei das zweite
optische System alleine oder in Kombination mit wenigstens einer
optischen Komponente der Abbildungsanordnung eine zweite Bündelöffnung und
eine innerhalb der zweiten Bündelöffnung einem
verschwindenden Strahl-Einfallswinkel oder Strahl-Austrittswinkel
entsprechende zweite optische Achse aufweist.
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Nach dem ersten Aspekt der Erfindung
wird weiterbildend vorgeschlagen, dass wenigstens eine optische
abbildende oder, zu einer optischen Abbildung beitragende optische
Komponente der Abbildungsanordnung (insbesondere zwischen einem
zugeordneten der optischen Systeme und dem torischen Spiegel) gegenüber der/einer
jeweiligen optischen Achse derart verkippt angeordnet ist, dass
die jeweilige optische Achse und eine optische Achse der betreffenden
optischen Komponente in Projektion auf eine Bezugsebene oder in
einer von den Achsen aufgespannten Ebene unter einem Winkel zueinander
stehen.
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Nach dem ersten und zweiten Aspekt
der Erfindung ist also vorgesehen, dass die Objektuntersuchungseinrichtung
eine erfindungsgemäße optische Anordnung
wie vorangehend definiert und hinsichtlich bevorzugter Weiterbildungsmöglichkeiten
erläutert
aufweist, über
die von einer zugeordneten Lichtquelle (ggf. die Lichtquelle des
ersten optischen Systems) dem Beleuchtungsstrahlengang Beleuchtungslicht
zuführbar
ist.
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Wenn oben von einem "Lichteingang" die Rede ist, so
heisst dies nicht, dass irgendeine optische Komponente vorhanden
sein muss, die konkret eine Einkoppelöffnung oder dergleichen definiert.
Die Objektuntersuchungseinrichtung und die erfindungsgemäße optische
Anordnung können
so integral ausgeführt
sein, dass der Strahlengang der optischen Anordnung und der Beleuchtungsstrahlengang
ineinander übergehen
bzw. bereichs weise zusammenfallen, ohne dass zwischen den Strahlengängen eine definierte "Grenze" besteht. Je nach
konstruktiver Ausgestaltung der Objektuntersuchungseinrichtung wird
man häufig
einen gewissen Bereich oder eine gewisse Komponente, beispielsweise
eine Blende, als "Schnittstelle" zwischen der optischen
Anordnung einerseits und dem Beleuchtungsstrahlengang andererseits
auffassen können,
der bzw. die dann zweckmäßig als "Lichteingang" identifizierbar
ist. Wird hingegen, wie es bevorzugt ist, das von der optischen Anordnung
bereitgestellte Beleuchtungslicht mittels eines Lichtleiters oder
einer Lichtleiteranordnung dem Beobachtungsstrahlengang zugeführt, so
kann beispielsweise das beleuchtungsstrahlengangseitige Ende des
Lichtleiters bzw. der Lichtleiteranordnung in der Regel zweckmäßig als "Lichteingang" identifiziert werden.
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Die erfindungsgemäße Objektuntersuchungseinrichtung
kann wenigstens einen Auflicht-Beleuchtungsstrahlengang aufweisen,
der gewünschtenfalls
zumindest teilweise mit dem Beobachtungsstrahlengang zusammenfällt. Ferner
kann die erfindungsgemäße Objektuntersuchungseinrichtung
wenigstens einen Durchlicht-Beleuchtungsstrahlengang aufweisen.
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Es wird vor allem daran gedacht,
dass die erfindungsgemäße Objektuntersuchungseinrichtung ein
Mikroskop umfasst, das den Objektbereich, den Beobachtungsstrahlengang
und den wenigstens einen Beleuchtungsstrahlengang aufweist. Ferner
wird daran gedacht, dass die erfindungsgemäße Objektuntersuchungseinrichtung
eine (ggf. das Mikroskop umfassende) Fluoreszenz-Messvorrichtung
umfasst, die den Objektbereich, den Beobachtungsstrahlengang und
den wenigstens einen Beleuchtungsstrahlengang aufweist.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand
von in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
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1 zeigt
einen Torus zur Erläuterung
des Begriffs torischer Spiegel.
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2 veranschaulicht
die Abbildung zwischen zwei Punkten mittels eines torischen Spiegels.
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3 zeigt
eine Möglichkeit,
wie Licht von einer Lampe, beispielsweise Bogenlampe, mittels eines
torischen Spiegels über
einen vergleichsweise großen
Raumwinkelbereich aufgesammelt und mittels einer dem torischen Spiegel
nachgeschalteten Positivlinse in einem Fokus konzentriert werden kann.
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4 zeigt
eine Abwandlung der Anordnung gemäß 3, bei der an Stelle der Positivlinse
eine Negativlinse vorgesehen ist, die das Licht durch Abbildung
ins Unendliche zu einem Parallelstrahl umwandelt.
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5 zeigt
eine Abwandlung der Anordnung gemäß 4, bei der der Parallelstrahl durch eine der
Negativlinse nachgeschaltete Positivlinse in einem Fokus konzentriert
wird und der vom torischen Spiegel zum Lichtsammeln erfasste Raumwinkelbereich
durch eine zwischen der Lampe und dem torischen Spiegel angeordnete
Sammellinsenanordnung vergrößert ist.
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6 zeigt
eine erfindungsgemäße Anordnung
mit einer gegenüber
der Stellung in 4 oder 5 gezeigten "Normalstellung" gekippten Negativlinse zur
Verbesserung der optischen Abbildung.
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7 zeigt
eine optische Fluoreszenzmikroskopieanordnung mit zwei Auflicht-Beleuchtungsstrahlengängen und
einem Durchlicht-Beleuchtungsstrahlengang, denen wahlweise Beleuch tungslicht von
einer erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung
mit einem torischen Spiegel zum Sammeln von von einer Lampe ausgehendem
Licht zuführbar
ist, wobei die erfindungsgemäße Beleuchtungsvorrichtung
beispielsweise auf den Anordnungen gemäß 4 bis 6 beruhen
kann.
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Um einen möglichst großen Raumwinkel zur Aufsammlung
von Photonen verwenden zu können, kann
zweckmäßig ein "torischer Spiegel" eingesetzt werden,
wie er an sich beispielsweise aus Monochromator-Anordnungen bekannt
ist.
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Ein Torus lässt sich durch Angabe von zwei Radien
beschreiben: r und R (vgl. 1).
Ein torischer Spiegel ist ein Ausschnitt der Oberfläche eines Torus.
Er zeichnet sich in der Optik dadurch aus, dass er es ermöglicht,
einen Punkt außerhalb
einer Symetrieachse abzubilden und dabei vergleichsweise wenig optische
Fehler (z.B. astigmatische Fehler) in der Abbildung zu erzeugen. 2 veranschaulicht die Abbildung
des Punktes P1 auf den Punkt P2 mittels eines torischen Spiegels 10.
A bezeichnet die Symetrieachse des torischen Spiegels.
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Sind hingegen nicht Punkte, sondern
Flächen
abzubilden, so treten in der Praxis je nach Anwendung durchaus störende Abbildungsfehler
auf, auch dann, wenn ein torischer Spiegel eingesetzt wird.
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Eine bevorzugte Anwendung der Erfindung bezieht
sich auf das Sammeln von Licht von einer Lampe, beispielsweise Bogenlampe, über einen
großen
Raumwinkel (mit großer
numerischer Apertur) für
optische Anwendungen, beispielsweise in der Mikroskopie oder Fluoreszenzmikroskopie.
Es hat sich gezeigt, dass hierfür
vorteilhaft ein torischer Spiegel einsetzbar ist.
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3 zeigt
schematisch ein Beispiel einer Anordnung, bei der der Photonenfluss
einer Bogenlampe 12 mit Hilfe eines torischen Spiegels 10 über einen
vergleichsweise großen
Raumwinkel aufgesammelt und einer weiteren optischen Anordnung zur
Verfügung
gestellt wird. Es ist konkret eine dem torischem Spiegel nachgeschaltete
Positivlinse (Sammellinse; f > 0)
vorgesehen, welche einen Fokus erzeugt, beispielsweise zur Einkopplung
des Lichts in eine Lichtleiterfaser (etwa Glasfaser) 16 zur Zuführung des
Lichts zu einer optischen Objektuntersuchungseinrichtung, beispielsweise
Mikroskop oder Fluoreszenzmikroskop. Gemäß herkömmlichen Ansätzen ist
die Positivlinse 14 im Wesentlichen zentrisch zum vom torischen
Spiegel 10 her einfallenden Strahlenbündel angeordnet und eine optische
Achse der Linse 14 fällt
mit einer eingangsseitigen optischen Achse der das Licht empfangenden
Anordnung, im Beispiel des Lichtleiters 16, im Wesentlichen
zusammen. An Stelle des Lichtleiters könnte auch ein sonstiges optisches
Empfängersystem
vorgesehen sein.
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Für
manche Anwendungen ist es zweckmäßig, das
benötigte
Licht nicht mittels einer Lichtleiteranordnung, sondern als frei
propagierendes Licht, beispielsweise als Parallelstrahl, zuzuführen. Die 4 zeigt eine hierfür geeignete
Anordnung. Hier ist an Stelle der Positivlinse 14 eine
Negativlinse (Zerstreuungslinse; f < 0) 18 vorgesehen, die das nach,
der Reflexion an dem torischen Spiegel 10 konvergierende
Strahlenbündel
in einen Parallelstrahl umwandelt, also ins Unendliche abbildet.
Ein derartiger Parallelstrahl kann beispielsweise unmittelbar in einen
Beleuchtungsstrahlengang eines Mikroskops oder dergleichen eingekoppelt
werden. Hierzu könnte
die Anordnung der 4 in
das Mikroskop integriert sein.
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Eine andere Möglichkeit ist, den Parallelstrahl
in einem zweiten Schritt in ein Empfängersystem zu fokussieren,
beispielsweise in eine Glasfaser 16, wie dies in 5 veranschaulicht ist. Die
Anordnung der 5 unterscheidet
sich von der Anordnung der 4 durch
eine der Negativlinse 18 nachgeschaltete Positivlinse 20 sowie
eine zwischen der Bogenlampe 12 und dem torischen Spiegel
vorgesehene Sammellinsenanordnung 22 zur Vergrößerung des
durch den torischen Spiegel 10 bzw. durch die gesamte optische
Anordnung erfassten Raumwinkelbereichs, über den von der Lampe 12 abgestrahlte Photonen
gesammelt und dem Empfängersystem, vorliegend
der Lichtleiter 16, zugeführt werden. Die Linsenanordnung 22 kann
von einer einzigen Sammellinse oder von mehreren hintereinander
geschalteten Sammellinsen gebildet sein.
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Die Anordnungen gemäß 4 und 5 sind, wie die Anordnung gemäß 3, hinsichtlich der Anordnung
der Linsen bzw. Linsenanordnungen nach herkömmlichen Grundsätzen ausgelegt.
Die Linsen sind im Wesentlichen zentrisch in Bezug auf das jeweilige
Strahlenbündel
(Strahlenbüschel)
angeordnet und ihre optischen Achsen sind zueinander im Wesentlichen
koaxial bzw. zusammenfallend bzw. stehen im Wesentlichen entsprechend
der durch den torischen Spiegel 10 vorgegebenen Symmetrie
zueinander. Die optische Achse der Zerstreuungslinse 18 liegt
also im Wesentlichen zentrisch und parallel zum resultierenden Parallelstrahl.
Die optische Achse der Sammellinse 20 fällt im Wesentlichen mit dieser
optischen Achse der Zerstreuungslinse 18 zusammen und fällt idealerweise
im Wesentlichen mit einer eingangsseitigen Achse des Lichtleiters 16 zusammen.
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Die Anordnungen gemäß 3 bis 5 ermöglichen
ein effektives Sammeln von von einer Lampe, beispielsweise Bogenlampe,
stammenden Beleuchtungslichtes für
optische Anwendungen, beispielsweise mikroskopische oder fluoreszenzmesstechnische
Anwendungen, und stellen insoweit Ausführungsbeispiele der Erfindung
nach einem Aspekt dar.
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In Bezug auf eine optische Abbildung
zwischen zwei optischen Systemen mittels eines torischen Spiegels
wurde nun beobachtet, dass eine deutlich verbesserte optische Abbildung
(Vermeidung von Abbildungsfehlern, beispielsweise Astigmatismus,
unscharfe Ränder
in der Abbildung, usw.) dadurch erreichen kann, dass wenigstens
eine optisch abbildende bzw. zur optischen Abbildung beitragende
optische Komponente zwischen einem jeweils zugeordneten optischen
System und dem torischen Spiegel gegen über einer zentrischen bzw.
betreffend die jeweilige optische Achse koaxialen "Normalstellung" (d.h. "Idealstellung" nach herkömmlichen
Ansätzen,
wie anhand der 3 und 5 erläutert) erreicht wird. 6 zeigt ein entsprechendes
Ausführungsbeispiel.
Hier ist die Negativlinse 18 nicht koaxial und zentrisch
zum Strahlenbündel
angeordnet, sondern gegenüber
dem Strahlenbündel
verkippt und leicht seitlich versetzt und nun mit 18' bezeichnet.
Der Kippwinkel a gegenüber
der herkömmlichen Normalstellung
und ggf. auch der gegenüber
der Verkippung eine weniger starke Verbesserung bringende Seitenversatz
kann durch einfache Justage im Sinne eines systematischen Ausprobierens
einfach ermittelt werden, ohne dass theoretische Rechnungen erforderlich
wären.
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Die Erfindung nach diesem weiteren
Aspekt kann besonders vorteilhaft im Zusammenhang mit den schon
angesprochenen Anwendungen zum Einsatz kommen. Demgemäß veranschaulicht 6 das Sammeln von Beleuchtungslicht
von einer Bogenlampe 12 mittels eines torischen Spiegels 10 und die
Bereitstellung dieses Beleuchtungslichts an ein zugeordnetes optisches
System, vorliegend an eine Objektuntersuchungseinrichtung, etwa
Mikroskop oder Fluoreszenzmikroskop, vermittels eines Lichtleiters 16.
Wie anhand der 5 schon
erläutert,
erzeugt die Negativlinse 18' aus
dem konvergierenden Strahlenbündel
nach dem torischen Spiegel 10 einen Parallelstrahl. Dieser
Parallelstrahl kann dann beispielsweise durch eine Lichtkonditionieranordnung 24,
beispielsweise einen Filter oder ein Filterrad zur wahlweisen Wellenlängenselektion,
fallen und dann vermittels der Positivlinse 20 in den Lichtleiter 16 eingekoppelt
werden.
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Anzumerken ist, dass auch bei den
Anordnungen der 3, 4 und 5 der Erfindungsvorschlag der "Verkippung" einer jeweiligen
optisch abbildenden bzw. zur optischen Abbildung beitragenden optischen
Komponente, beispielsweise der Zerstreuungslinse 18, der
Sammellinse 14 oder wenigstens einer Linse der Sammellinsenanordnung 22,
anwendbar ist. Ggf. kann man auch mehrere optische Komponenten verkippen.
Es hat sich aber gezeigt, dass in der Regel die Verkippung schon
einer optischen Komponente alleine eine eine deutlich bessere optische
Abbildung erzielende Wirkung hat und besonders einfach einjustierbar
ist.
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Bei der angesprochenen Bogenlampe
kann es sich beispielsweise um eine Xenon-Hochdrucklampe mit oder
ohne Zündelektrode
oder eine Quecksilberdampflampe handeln, je nach Anwendung. Es können im
Prinzip alle für
mikroskopische und fluoreszenzmesstechnische Anwendungen herkömmlich eingesetzten
Lampen erfindungsgemäß in Verbindung
mit einem torischen Spiegel zum Photonensammeln über einen großen Raumwinkel
und zur Bereitstellung des Lichts an eine zugeordnete optische Anordnung
eingesetzt werden, vorzugsweise unter Anwendung des Erfindungsvorschlags
der "Verkippung" wenigstens einer
optisch abbildenden bzw. zur optischen Abbildung beitragenden optischen
Komponente.
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Die Auslegung der zwischen den optischen Systemen,
beispielsweise der Lampe oder Bogenlampe einerseits und dem Lichtleiter
oder der Lichtleiteranordnung 16 oder einem Beleuchtungsstrahlengang
einer Objektuntersuchungseinrichtung andererseits abbildenden Abbildungsanordnung
einschließlich
dem torischen Spiegel ist eine einfache fachmännische Aufgabe, die hier nicht
näher vertieft
werden muss. Die optischen Systeme sind beispielsweise definiert
hinsichtlich dem Durchmesser einer Ausgangsfläche oder Ausgangspupille bzw.
einer Eingangsfläche
oder Eingangspupille und definieren jeweils eine optische Achse,
die als Austrittsachse oder Eintrittsachse bezeichenbar ist. Die
beiden optischen Systeme weisen per se oder in Kombination mit wenigstens
einer zugeordneten optischen Komponente der Abbildungsanordnung
jeweils eine Bündelöffnung (auch
als Öffnungswinkel
oder Akzeptanzwinkel bezeichenbar) auf, die je nach Zweckmäßigkeit durch
die sogenannte numerische Apertur (Sinus des maximalen Einfallswinkels
bzw. Austrittswinkels relativ zur angesprochenen optischen Achse)
oder als Blendenzahl oder relative Öffnung charakterisiert wird.
Diese Begriffe repräsentieren
bzw. beziehen sich jeweils auf einen für die Beleuchtungsstärke auf der
Bildseite maßgeblichen
Raumwinkelbereich, über
den Licht gesammelt bzw. Licht abgebildet bzw. eingekoppelt wird.
Die angesprochenen optischen Achsen (Austrittsachse bzw. Eintrittsachse)
entsprechen in der Regel dem Mittelstrahl des über diesen Raumwinkel durch
den torischen Spiegel erfassten bzw. zum nachfolgenden System einfallenden
maximalen Strahlenbündels.
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Die Auswahl und Konfiguration des
torischen Spiegels und der mit diesem in der Abbildungsanordnung
zusammenwirkenden optischen Komponenten in Bezug auf die optischen
Systeme ist eine fachmännische,
hier keine weitere Erläuterung
benötigende Aufgaben,
die der Fachmann ohne weiteres erledigen kann. Der Fachmann wird
hierbei in der Regel bestrebt sein, unter Berücksichtigung der bei optischen
Abbildungen geltenden Invarianz des Produkts aus Raumwinkel und
strahlender Fläche (Helmholtz-Lagrange-Invariante) vermittels
der optischen Abbildungsanordnung die beiden optischen Systeme hinsichtlich
ausgenutzter Bündelöffnung und
wirksamer Fläche
optimal aneinander anzupassen, um eine möglichst große Beleuchtungsstärke zu erreichen.
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Nach herkömmlichen Ansätzen werden
die zur Abbildung beitragenden bzw. abbildenden optischen Komponenten,
etwa Positivlinsen oder/und Negativlinsen, mit ihren optischen Achsen
im Wesentlichen koaxial bzw. mit ihren Hauptebenen o.dgl. im Wesentlichen
orthogonal zu diesen optischen Achsen angeordnet. Nach dem Erfindungsvorschlag ist
nun eine Verkippung wenigstens einer dieser optischen Komponenten
gegenüber
ihrer Koaxialstellung (bezogen auf die optische Achse) bzw. Orthogonalstellung
(bezogen auf eine Hauptebene der optischen Komponente) vorgesehen,
ggf. in Verbindung mit einer seitlichen Verschiebung, so dass die
Austritts- bzw. Eintrittsachse sich nicht mit der optischen Achse
der optischen Komponente schneidet oder nur außerhalb der optischen Komponente
mit deren optischen Achse schneidet. Dies kann auch so ausgedrückt werden:
Der die Verkippung der optischen Komponente definierende Drehpunkt
muss nicht zwingend innerhalb der optischen Komponente, etwa Linse,
liegen, sondern kann auch außerhalb
derselben liegen.
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Eine vorteilhafte Anwendung für eine einen torischen
Spiegel aufweisende Beleuchtungsanordnung soll im Folgenden anhand
von
7 erläutert werden.
Gezeigt ist eine Mikroskopanordnung
60, die beispielsweise
für fluoreszenzmikroskopische
Anwendungen vorgesehen ist. Es wird beispielsweise an Anwendungen
gedacht, wie sie in den Patentschriften
DE 41 15 401 C2 und
DE 42 28 366 C2 angesprochen
sind.
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Die Mikroskopanordnung 60 weist
einen Beobachtungsstrahlengang 62 auf, der eine Objektebene 64 in
eine Bildebene 66 abbildet. Die Abbildung erfolgt mittels
einer wenigstens zwei Linsen oder Objektive 68 und 70 aufweisenden
Abbildungsanordnung, wie im Stand der Technik an sich bekannt. Für Messungen
bzw. Untersuchungen kann in der Objektebene 64 ein Objekt
bzw. Objektträger
mit einem Objekt 72 angeordnet sein. In der Bildebene 66 kann eine
Detektoranordnung, beispielsweise ein einzelner Detektor (etwa Halbleiterdetektor)
oder – für zweidimensionale
Auflösung – ein Detektorfeld,
(etwa CCD-Chip) angeordnet sein. Ein entsprechender Detektor ist
in 7 mit 74 bezeichnet.
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Die Mikroskopanordnung der 7 weist zwei Auflicht-Beleuchtungsstrahlengänge 80 und 82 auf,
die über
einen jeweiligen Lichtleiter 84 bzw. 86 mit Beleuchtungslicht
aus einer zugeordneten Beleuchtungsvorrichtung versorgt werden können. Bei einem
der Lichtleiter 84 und 86 kann es sich beispielsweise
um den Lichtleiter 16 der Beleuchtungsanordnung gemäß 3 oder 5 oder 6 oder um
einen hieran angeschlossenen weiteren Lichtleiter handeln. Das aus
dem jeweiligen Lichtleiter austretende Licht wird mittels einer
geeigneten Abbildungsoptik (durch eine Linse 88 bzw. 90 repräsentiert)
in den jeweiligen Beleuchtungsstrahlengang eingekoppelt, beispielsweise
derart, dass eine so genannte "kritische
Beleuchtung" erreicht
wird, bei der das benötigte
Gesichtsfeld gleichmäßig mit
Licht aus dem jeweiligen Lichtleiter ausgeleuchtet wird. Hierzu wird
das Austrittsende des jeweiligen Lichtleiters in die Objektebene 34 abgebildet.
Es können
auch andere Beleuchtungsarten, z. B. die so genannte Köhlersche
Beleuchtung, realisiert sein.
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Das Vorsehen der beiden bzw. wenigstens zwei
Auflicht-Beleuchtungsstrahlengänge
ermöglicht,
das Objekt 72 gleichzeitig mit Licht zweier verschiedener
Wellenlängen
zu beleuchten. Beispielsweise kann mittels des Strahlengangs 80 das
benötigte
Gesichtsfeld gleichmäßig in Auflicht
ausgeleuchtet werden (etwa die angesprochene "kritische Beleuchtung"). Über den
Strahlengang 82 kann zusätzlich Licht einer anderen
Wellenlänge
in die Objektebene eingestrahlt werden, beispielsweise um im Objekt
so genannte "Käfigverbindungen" zu aktivieren, so
dass diese im "Käfig" bereitgehaltene
Stoffe freisetzen, die beispielsweise Kanäle von biologischen Zellen
im Sinne eines Öffnens
schalten. Derartige Käfigverbindungen
können
durch Einstrahlung von UV-Licht gezielt aktiviert werden. Das zur
Freisetzung der wirksamen Stoffe benötigte UV-Licht kann gemäß dem hier
angesprochenen Beispiel über den
Strahlengang 82 in die Objektebene 64 eingestrahlt
werden, wobei es durchaus sinnvoll sein kann, ebenfalls eine "kritische Beleuchtung" der Objektebene
mit dem UV-Licht vorzusehen.
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Die hier angesprochenen messtechnischen Anwendungen
sind nur als Beispiele zu verstehen. Es können auch andere Untersuchungen,
z. B. FRAP-Experimente, durchgeführt
werden.
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Nachzutragen zu der Mikroskopanordnung gemäß 7 ist noch, dass die beiden
Auflicht-Strahlengänge 80 und 82 teilweise
mit dem Beobachtungsstrahlengang 62 zusammenfallen. Hierzu sind
zwei dichroitische Spiegel 96 und 98 vorgesehen,
die die Beleuchtungswellenlängen
des aus dem Lichtleiter 84 bzw. 86 eingestrahlten
Lichts in den Beobachtungsstrahlengang 62 einspiegeln,
aber vom Objekt 72 ausgehendes Fluoreszenzlicht in Richtung zur
Bildebene 66 durchlassen.
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In 7 ist
gestrichelt zusätzlich
noch die Möglichkeit
aufgezeigt, dass mehrere Auflicht-Beleuchtungsstrahlengänge, nämlich die
Auflicht-Beleuchtungsstrahlengänge 80 und 82', vor Einspiegelung
in den Beobachtungsstrahlengang 62 mittels eines dichroitischen
Spiegels 98' zusammengeführt und
dann gemeinsam durch den dichroitischen Spiegel 96 in den
Beobachtungsstrahlengang 63 eingespiegelt werden können. Der
Auflicht-Strahlengang 82' (mit
zugeordnetem Lichtleiter 86' und
zugeordneter Abbildungsoptik 90') kann insoweit den Auflicht-Strahlengang 82 ersetzen
oder zusätzlich
zu diesem vorgesehen sein.
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Die Mikroskopanordnung 60 der 7 weist zusätzlich noch
einen Durchlicht-Strahlengang 100 auf, der mittels eines
Lichtleiters 102 mit Beleuchtungslicht aus einer zugeordneten
Beleuchtungsvorrichtung versorgt werden kann.
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Wenigstens eine der angesprochenen
Beleuchtungsvorrichtungen, die über
die Lichtleiter 84, 86 bzw. 86' und 102 an
der Mikroskopanordnung der 7 angeschlossen
sind, umfasst eine erfindungsgemäße optische
Anordnung mit einem torischen Spiegel zum Lichtsammeln und Einkoppeln über vergleichsweise
große
Raumwinkelbereiche, vorzugsweise unter Anwendung des Erfindungsgedankens der
Verkippung wenigstens einer optisch abbildenden bzw. zur optischen
Abbildung beitragenden optischen Komponente der den torischen Spiegel
aufweisenden Abbildungsanordnung. Die Lichtleiter 84, 86 und 102 können also
jeweils einem Lichtleiter wie die Lichtleiter 16 entsprechen,
in den vermittels eines torischen Spiegels 10 Licht von
einer zugeordneten Lampe, beispielsweise Bogenlampe, zugeführt wird.
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Eine optische Anordnung, umfassend
ein erstes optisches System, ein zweites optisches System und eine
zwischen dem ersten und dem zweiten optischen System abbildende
optische Abbildungsanordnung mit wenigstens einem torischen Spiegel kann
vorteilhaft zum Anschluss eines Be leuchtungsstrahlengangs einer
optischen Objektuntersuchungseinrichtung an einer zugeordneten Lichtquelle
eingesetzt werden. Das erste optische System weist alleine oder
in Kombination mit wenigstens einer optischen Komponente der Abbildungsanordnung
eine erste Bündelöffnung und
eine innerhalb der ersten Bündelöffnung einem
verschwindenden Strahl-Einfallswinkel oder Strahl-Austrittswinkel
entsprechende erste optische Achse auf. Das zweite optische System
weist alleine oder in Kombination mit wenigstens einer optischen
Komponente der Abbildungsanordnung eine zweite Bündelöffnung und eine innerhalb der
zweiten Bündelöffnung einem
verschwindenden Strahl-Einfallswinkel oder Strahl-Austrittswinkel
entsprechende zweite optische Achse auf. Unabhängig von der Anwendung der
optischen Anordnung wird allgemein vorgeschlagen, dass wenigstens
eine optische abbildende oder zu einer optischen Abbildung beitragende
optische Komponente der Abbildungsanordnung zwischen einem zugeordneten
der optischen Systeme und dem torischen Spiegel gegenüber der
jeweiligen optischen Achse derart verkippt angeordnet ist, dass
die jeweilige optische Achse und eine optische Achse der betreffenden
optischen Komponente in Projektion auf eine Bezugsebene oder in
einer von den Achsen aufgespannten Ebene unter einem Winkel zueinander
stehen.