DE10359733A1

DE10359733A1 - Afokales Zoomsystem

Info

Publication number: DE10359733A1
Application number: DE10359733A
Authority: DE
Inventors: Johannes Winterot; Peter HÜTTEL
Original assignee: Carl Zeiss Jena GmbH
Current assignee: Jenoptik AG
Priority date: 2003-12-19
Filing date: 2003-12-19
Publication date: 2005-07-14
Also published as: JP5100817B2; JP2011048391A; DE502004009853D1; JP2005182029A; US7177093B2; EP1544653A1; EP1544653B1; ATE438875T1; JP4701700B2; US20050134970A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein afokales Zoomsystem, insbesondere zur Verwendung in Mikroskopen, umfassend mindestens vier optische Baugruppen, von denen zwei Baugruppen zwecks Änderung der Vergrößerung relativ zueinander und zu den übrigen Baugruppen beweglich sind. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein afokales Zoomsystem zu entwickeln, das auch im Hinblick auf die Kombination mit einem geeigneten Antriebsmechanismus eine verhältnismäßig geringe Baugröße für ein Mikroskop ermöglicht. DOLLAR A Diese Aufgabe wird gelöst mit einem afokalen Zoomsystem der vorbeschriebenen Art, bei dem jede einstellbare Vergrößerung durch eine gleichgerichtete Verschiebebewegung der beiden beweglichen optischen Baugruppen erzielbar ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein afokales Zoomsystem, insbesondere zur Verwendung in Mikroskopen, umfassend mindestens vier optische Baugruppen, von denen zwei Baugruppen zwecks Änderung der Vergrößerung relativ zueinander und zu den übrigen Baugruppen beweglich sind.
Afokale Zoomsysteme sind an sich bekannt. Sie werden zum Zwecke der Veränderung der Vergrößerung in herkömmlichen Mikroskopen als einkanalige Systeme oder in Stereo- und Operationsmikroskopen in zweikanaliger Ausführung nach dem Fernrohrtyp verwendet. Beim Fernrohrtyp handelt es sich, im Gegensatz zu Stereomikroskopen nach dem Greenoughtyp, bei denen zwei Objektive und zwei getrennte, unter einem Winkel von 12° bis 14° gegeneinander geneigte Mikroskopstrahlengänge verwendet werden, um eine Ausführungsform, die mit einem, beiden Strahlengängen gemeinsamen Hauptobjektiv ausgestattet ist, in dessen dingseitiger Brennebene das Objekt liegt. Dabei werden aus dem vom Objektiv angebotenen parallelen Lichtbündel zwei auch zueinander parallele Teilbündel so ausgeblendet, daß deren vor dem Objektiv konvergente Achsen den erforderlichen Winkel von 12° bis 14° bilden und zwei unter diesem Winkel gesehene reelle Zwischenbilder erzeugen.
Afokale Zoomsysteme sind aufgrund ihrer eingrenzenden baulichen Randbedingungen von Foto-, Video- und Fernrohrsystemen verschieden und daher einem gesonderten technischen Sachgebiet zuzuordnen. Insbesondere die nur begrenzt zulässige Größe der Linsendurchmesser bei zweikanaliger Ausführung erlaubt es nicht, bereits vorhandene Zoomsysteme aus den vorgenannten Sachgebieten bzw. Erzeugnisgruppen in die Mikroskopie zu übernehmen.
In Mikroskopen werden häufig afokale Zoomsysteme mit vier optischen Baugruppen und einem Zoomfaktor größer 8 verwendet. Solche Systeme sind beispielsweise beschrieben in DE 202 07 780 U1 ; in US 6, 320, 702 B1 ; in US 6, 157, 495 und in US 6,335,833 B1 .
Vom Objekt aus betrachtet sind die dort angegebenen Systeme gleichermaßen aus einer ortsfesten ersten Gruppe mit positiver Brechkraft, einer beweglichen zweiten Gruppe mit negativer Brechkraft, einer beweglichen dritten Gruppe mit positiver Brechkraft und einer ortsfesten vierten Gruppe mit negativer Brechkraft aufgebaut. Zwecks Änderung der Vergrößerung werden die beiden mittleren Gruppen in gegensinnigen Richtungen zueinander bewegt, wobei die Vergrößerung abnimmt, wenn der Abstand zwischen den beiden beweglichen Gruppen vergrößert wird.
Auf diesen Grundaufbau und diese Bewegungscharakteristik der beiden beweglichen Baugruppen beziehen sich alle oben als Stand der Technik genannten Veröffentlichungen.
Dabei nehmen die Bewegungsbereiche der beweglichen Baugruppen weitestgehend den für das gesamte Zoomsystemen zur Verfügung stehenden Bauraum in Anspruch. So beträgt z.B. der Bewegungsbereich bei dem Zoomsystem nach US 6,335,833 B1 etwa 102 mm, während die Baulänge des Systems und damit das Einbaumaß ca. 150 mm beträgt.
Dies hat den Nachteil, daß eine raumsparende Ausbildung der Bauelemente, die zur Führung der beweglichen optischen Baugruppen erforderlich sind, nicht möglich ist und deshalb die Reduzierung der Baugröße von Mikroskopen behindert wird. Das gilt insbesondere für Mikroskope, bei denen das Zoomsystem und der zugeordnete Antrieb ein vorgegebenes Maß nicht überschreiten dürfen.
Ausgehend davon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein afokales Zoomsystem zu entwickeln, das auch im Hinblick auf die Kombination mit einem geeigneten Antriebsmechanismus eine verhältnismäßig geringe Baugröße für ein Mikroskop ermöglicht.
Diese Aufgabe wird gelöst mit einem afokalen Zoomsystem der eingangs beschriebenen Art, bei dem jede einstellbare Vergrößerung durch eine gleichgerichtete Verschiebebewegung der beiden beweglichen optischen Baugruppen erzielbar ist.
Damit läßt sich in Verbindung mit einer Antriebseinrichtung ein geringerer Bauraum verwirklichen, als dies bisher im Stand der Technik möglich war. Üblicherweise erfolgt nämlich die räumliche Orientierung der bewegten optischen Baugruppen auf zwei Stangen. Dabei ist ein Träger mit einer Aufnahme für eine optische Baugruppe so ausgelegt, daß er eine der Stangen als Hülse umschließt und die zweite Stange als Verdrehsicherung antastet. Das bedingt, daß die freie Länge der Stangen größer ist als die Bewegungslänge der optischen Baugruppe und die Länge der Hülse.
Bei gegenläufiger Bewegung der Träger addieren sich die Führungslängen und sind dadurch größer als der für die op tischen Baugruppen erforderliche Raum. Dies verhindert eine Verringerung der Baugröße von Mikroskopen. Dagegen ist es bei gleichsinniger Bewegung der beiden Träger möglich, diese auf zwei parallelen Stangen zu führen, ohne daß diese Stangen länger sein müssen als der optische Bauraum.
In einer ersten Ausgestaltung umfaßt das erfindungsgemäße afokale Zoomsystem vier optische Baugruppen, von denen objektseitig bzw. bei dem Unendlichraum zum Objektiv beginnend eine erste Baugruppe ortsfest mit positiver Brechkraft, eine zweite Baugruppe beweglich mit negativer Brechkraft, eine dritte Baugruppe ortsfest mit positiver Brechkraft und eine vierte Baugruppe beweglich mit negativer Brechkraft ausgeführt sind.
Vorteilhaft ist vorgesehen, daß die beiden beweglichen Baugruppen mit unterschiedlicher Verschiebegeschwindigkeit beweglich sind, wobei die geringstmögliche Vergrößerung dann eingestellt ist, wenn beide beweglichen Baugruppen am weitesten in Richtung zur ersten Baugruppe verschoben sind.
In einer zweiten Ausgestaltung umfaßt das erfindungsgemäße afokale Zoomsystem fünf optische Baugruppen, von denen objektseitig beginnend eine erste Baugruppe ortsfest mit positiver Brechkraft, eine zweite Baugruppe beweglich mit negativer Brechkraft, eine dritte Baugruppe ortsfest mit positiver Brechkraft, eine vierte Baugruppe beweglich mit negativer Brechkraft sowie eine fünfte Baugruppe ortsfest mit positiver Brechkraft ausgeführt sind.
Auch hierbei ist vorgesehen, daß die beiden beweglichen Baugruppen mit unterschiedlicher Verschiebegeschwindigkeit beweglich sind, wobei die Vergrößerung wiederum dann am geringsten ist, wenn beide beweglichen Baugruppen am weitesten in Richtung zur ersten Baugruppe verschoben sind.
Es sei darauf hingewiesen, daß das Zoomsystem prinzipiell auch mit umgekehrter Reihenfolge der optischen Baugruppen in den Mikroskopstrahlengang eingeordnet werden kann, wobei dann bildseitig bzw. beim Unendlichraum zur Tubuslinse beginnend zunächst die erste Baugruppe angeordnet ist.
Optional können die beweglichen Baugruppen bei jedem der beschriebenen erfindungsgemäßen Zoomsysteme mit Antriebseinrichtungen verbunden sein, die

– in Form von Trommelkurven,
– als Ritzel und Zahnstange mit Zwangssteuerung durch eine Kurvenscheibe,
– als Zwangssteuerung durch mehrere Kurvenscheiben,
– als motorischer Direktantrieb, bevorzugt in Form von Schrittmotoren, oder
– als Hebelsystem mit Differenzbewegung und Zwangssteuerung durch eine Kurvenscheibe ausgeführt sind.

Das erfindungsgemäße afokale Zoomsystem soll nachfolgend anhand von mehreren Beispielen präzisiert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen
1 eine erste Ausgestaltungsvariante mit vier optischen Baugruppen und einer Baulänge von 130 mm,
2 eine Darstellung der Bewegungscharakteristik des Zoomsystems aus 1,
3 eine zweite Ausgestaltungsvariante mit vier optischen Baugruppen und einer Baulänge von 160 mm,
4 eine Darstellung der Bewegungscharakteristik des Zoomsystems aus 3,
5 eine dritte Ausgestaltungsvariante mit vier optischen Baugruppen und einer Baulänge von 197 mm,
6 eine Darstellung der Bewegungscharakteristik des Zoomsystems aus 5,
7 eine erste Ausgestaltungsvariante mit fünf Baugruppen und einer Baulänge von 130 mm,
8 eine Darstellung der Bewegungscharakteristik des Zoomsystems aus 7,
9 eine zweite Ausgestaltungsvariante mit fünf optischen Baugruppen und einer Baulänge von 140 mm,
10 eine Darstellung der Bewegungscharakteristik des Zoomsystems aus 9,
11 eine dritte Ausgestaltungsvariante mit fünf optischen Baugruppen und einer Baulänge von 160 mm,
12 eine Darstellung der Bewegungscharakteristik des Zoomsystems aus 11,
13 eine vierte Ausgestaltungsvariante mit fünf optischen Baugruppen und einer Baulänge von 180 mm,
14 eine Darstellung der Bewegungscharakteristik des Zoomsystems aus 13.
Das in 1 dargestellte erfindungsgemäße Zoomsystem umfaßt bei einer Baulänge von 130 mm vier optische Baugruppen und hat folgende Systemdaten:
In 1 und in allen nachfolgenden Darstellungen sind die optischen Baugruppen, jeweils objektseitig beginnend, mit LG1 bis LG4 bzw. LG5 bezeichnet. Dabei sind stets die Bau- gruppen LG2 und LG4 in Relation zu den übrigen Baugruppen in Richtung der optischen Achse des Zoomsystems beweglich und zu diesem Zweck mit Antrieben, bevorzugt mit Schrittmotoren, gekoppelt.
Die Bewegungscharakteristik des Zoomsystems aus 1 ist in 2 dargestellt. Daraus ist ersichtlich, daß der Anfangswert der Vergrößerung bei 0.32 und der Endwert bei 4.0 liegen und somit der Vergrößerungsbereich 12.5x beträgt. Ausgewählte Vergrößerungen ergeben sich bei folgenden Abstandseinstellungen:
Das erfindungsgemäße Zoomsystem nach 3 umfaßt bei einer Baulänge von 160 mm vier optische Baugruppen und hat folgende Systemdaten:
Die Bewegungscharakteristik des Zoomsystems aus 3 ist in 4 dargestellt. Daraus ist ersichtlich, daß der Anfangswert der Vergrößerung bei 0.32 und der Endwert bei 4.75 liegen und somit der Vergrößerungsbereich 14.8x beträgt. Ausgewählte Vergrößerungen ergeben sich bei folgenden Abstandseinstellungen:
Das erfindungsgemäße Zoomsystem nach 5 umfaßt bei einer Baulänge von 197 mm vier optische Baugruppen und hat folgende Systemdaten:
Die Bewegungscharakteristik des Zoomsystems aus 5 ist in 6 dargestellt. Daraus ist ersichtlich, daß der Anfangswert der Vergrößerung bei 0.32 und der Endwert bei 5.43 liegen und somit der Vergrößerungsbereich 17.0x beträgt. Ausgewählte Vergrößerungen ergeben sich bei folgenden Abstandseinstellungen:
Das erfindungsgemäße Zoomsystem nach 7 umfaßt bei einer Baulänge von 130 mm fünf optische Baugruppen und hat folgende Systemdaten:
Die Bewegungscharakteristik des Zoomsystems aus 7 ist in 8 dargestellt. Daraus ist ersichtlich, daß der Anfangswert der Vergrößerung bei 0.3 und der Endwert bei 6.0 liegen und somit der Vergrößerungsbereich 20.0x beträgt. Ausgewählte Vergrößerungen ergeben sich bei folgenden Abstandseinstellungen:
Das erfindungsgemäße Zoomsystem nach 9 umfaßt bei einer Baulänge von 140 mm fünf optische Baugruppen und hat fol- gende Systemdaten:
Die Bewegungscharakteristik des Zoomsystems aus 9 ist in 10 dargestellt. Daraus ist ersichtlich, daß der Anfangswert der Vergrößerung bei 0.30 und der Endwert bei 7.50 liegen und somit der Vergrößerungsbereich 25.0x beträgt. Ausgewählte Vergrößerungen ergeben sich bei folgenden Abstandseinstellungen:
Das erfindungsgemäße Zoomsystem nach 11 umfaßt bei einer Baulänge von 160 mm fünf optische Baugruppen und hat folgende Systemdaten:
Die Bewegungscharakteristik des Zoomsystems aus 11 ist in 12 dargestellt. Daraus ist ersichtlich, daß der Anfangswert der Vergrößerung bei 0.30 und der Endwert bei 9.00 liegen und somit der Vergrößerungsbereich 30.0x beträgt. Ausgewählte Vergrößerungen ergeben sich bei folgenden Abstandseinstellungen:
Das erfindungsgemäße Zoomsystem nach 13 umfaßt bei einer Baulänge von 180 mm fünf optische Baugruppen und hat folgende Systemdaten:
Die Bewegungscharakteristik des Zoomsystems aus 13 ist in 14 dargestellt. Daraus ist ersichtlich, daß der Anfangswert der Vergrößerung bei 0.30 und der Endwert bei 10.50 liegen und somit der Vergrößerungsbereich 35.0x beträgt. Ausgewählte Vergrößerungen ergeben sich bei folgenden Abstandseinstellungen:

Claims

Afokales Zoomsystem, insbesondere zur Verwendung in Mikroskopen, umfassend mindestens vier optische Baugruppen, von denen zwei Baugruppen zwecks Änderung der Vergrößerung relativ zueinander und zu den übrigen Baugruppen beweglich sind, dadurch gekennzeichnet, daß – jede einstellbare Vergrößerung durch eine gleichgerichtete Verschiebebewegung der beiden beweglichen optischen Baugruppen erzielbar ist.
Afokales Zoomsystem nach Anspruch 1, umfassend vier optische Baugruppen, von denen objektseitig beginnend – eine erste Baugruppe ortsfest mit positiver Brechkraft, – eine zweite Baugruppe beweglich mit negativer Brechkraft , – eine dritte Baugruppe ortsfest mit positiver Brechkraft und – eine vierte Baugruppe beweglich mit negativer Brechkraft ausgeführt sind.
Afokales Zoomsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden beweglichen Baugruppen mit unterschiedlicher Verschiebegeschwindigkeit beweglich sind, wobei die Vergrößerung am geringsten ist, wenn ihr Abstand zur ersten Baugruppe am geringsten ist.
Afokales Zoomsystem nach Anspruch 2 oder 3, ausgeführt für einen Zoombereich >12.
Afokales Zoomsystem nach einem der Ansprüche 2 bis 4, ausgeführt für eine Baulänge von 130 mm mit folgenden Kenngrößen:
Afokales Zoomsystem nach einem der Ansprüche 2 bis 4, ausgeführt für eine Baulänge von 160 mm mit folgenden Kenngrößen:
Afokales Zoomsystem nach einem der Ansprüche 2 bis 4, ausgeführt für eine Baulänge von 197 mm mit folgenden Kenngrößen:
Afokales Zoomsystem nach Anspruch 1, umfassend fünf optische Baugruppen, von denen objektseitig beginnend – eine erste Baugruppe ortsfest mit positiver Brechkraft, – eine zweite Baugruppe beweglich mit negativer Brechkraft, – eine dritte Baugruppe ortsfest mit positiver Brechkraft, – eine vierte Baugruppe beweglich mit negativer Brechkraft sowie – eine fünfte Baugruppe ortsfest mit positiver Brechkraft ausgeführt sind.
Afokales Zoomsystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden beweglichen Baugruppen mit unterschiedlicher Verschiebegeschwindigkeit beweglich sind, wobei die eingestellte Vergrößerung am geringsten ist, wenn ihr Abstand zur ersten Baugruppe am geringsten ist.
Afokales Zoomsystem nach Anspruch 8 oder 9, ausgeführt für einen Zoombereich >20.
Afokales Zoomsystem nach einem der Ansprüche 8 bis 10, ausgeführt für eine Baulänge von 130 mm mit folgenden Kenngrößen:
Afokales Zoomsystem nach einem der Ansprüche 8 bis 10, ausgeführt für eine Baulänge von 140 mm mit folgenden Kenngrößen:
Afokales Zoomsystem nach einem der Ansprüche 8 bis 10, ausgeführt für eine Baulänge von 160 mm mit folgenden Kenngrößen:
Afokales Zoomsystem nach einem der Ansprüche 8 bis 10, ausgeführt für eine Baulänge von 180 mm mit folgenden Kenngrößen:
Afokales Zoomsystem nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die beweglichen optischen Baugruppen mit Antriebseinrichtungen gekoppelt sind, die – als Trommelkurven, – als Ritzel und Zahnstange mit Zwangssteuerung durch eine Kurvenscheibe, – als Zwangssteuerung durch mehrere Kurvenscheiben, – als motorischer Direktantrieb, bevorzugt mit Schrittmotor, oder – als Hebesystem mit Differenzbewegung und Zwangssteuerung durch eine Kurvenscheibe ausgeführt sind.