DE19837135A1 - Afokales Zoomsystem - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein afokales Zoomsystem mit einer geraden Anzahl optischer Glieder und ein Mikroskop vom Teleskop-Typ, insbesondere ein Stereomikroskop, welches mit einem derartigen afokalen Zoomsystem ausgestattet ist.

Aus der DE 39 04 190 A1 ist ein gattungsgemäßes Zoomsystem bekannt. Dieses bekannte afokale Zoomsystem ist für ein Stereomikroskop vom Teleskop-Typ, insbesondere ein Operationsmikroskop, bestimmt. Das Zoomsystem der DE 39 04 190 A1 umfaßt zehn unterschiedliche Linsen und ist damit vergleichsweise aufwendig aufgebaut.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein afokales Zoomsystem mit einer geraden Anzahl optischer Glieder bereitzustellen, welches bei optimaler Korrektur der Abbildungsfehler einfacher aufgebaut und kostengünstiger herzustellen ist.

Diese Aufgabe wird durch ein afokales Zoomsystem mit einer geraden Anzahl optischer Glieder gelöst, welches symmetrisch, d. h. aus paarweise identischen und spiegelbildlich angeordneten optischen Gliedern aufgebaut ist.

Durch den symmetrischen Aufbau kann die Anzahl der unterschiedlichen Linsen des Zoomsystems stark verringert werden, woraus sich ein verringerter Herstellungsaufwand und aufgrund der höheren Stückzahlen gleicher Linsen auch verringerte Herstellungskosten ergeben. Ferner ermöglicht der symmetrische Aufbau eine optimale Korrektion außeraxialer Bildfehler, z. B. chromatische Vergrößerungsdifferenz, Tangensverzeichnung und Koma, durch eine annähernd zentrale Pupillenlage in jeder Vergrößerungsstellung.

Dabei ist es insbesondere im Hinblick auf die Verwendung des afokalen Zoomsystems in einem Mikroskop vom Teleskop-Typ wesentlich, daß über den gesamten pankratischen Vergrößerungsbereich die Afokalität erhalten bleibt, d. h. in das Zoomsystem eintretende parallele Strahlenbüschel müssen das Zoomsystem in jeder seiner Stellungen auch wieder als parallele Strahlenbüschel verlassen.

Wenn das afokale Zoomsystem viergliedrig ist, ist die Anzahl verschiedenartiger Linsentypen minimal.

Bei einer weiteren Ausführungsform umfaßt das afokale Zoomsystem zwei feststehende Außenglieder und zwei bewegliche Innenglieder, welche auf verschiedenen Kurven in gleichsinniger Weise verschiebbar sind. Dadurch kann die Verschiebemechanik des Zoomsystems besonders gut an den eingeschränkten Bauraum in Mikroskopen angepaßt werden.

Wenn das Zoomsystem zwei positive Außenglieder und zwei negative Innenglieder umfaßt, ist durch geeignete Wahl der Brennweiten ein Zoomsystem mit sehr kurzer Baulänge möglich. Ferner kann durch eine geeignete Kombination der Brennweiten der positiven Außenglieder und der negativen Innenglieder die Bildfeldwölbung optimal korrigiert werden, da sich die durch die positiven Außenglieder erzeugte negative Bildfeldwölbung weitestgehend mit der durch die negativen Innenglieder erzeugten positiven Bildfeldwölbung kompensiert.

Beim Aufbau des afokalen Zoomsystems aus vorzugsweise vier Kittgliedern können die sphärische Aberration und die chromatische Längsabweichung im wesentlichen in jedem Kittglied für sich korrigiert werden, wobei der noch verbleibende Restfehler in jeder Zoomstellung durch die Gesamtkorrektion des afokalen Zoomsystems praktisch beugungsbegrenzt korrigiert werden kann.

Mit Gläsern anomaler Teildispersion ist die chromatische Längsabweichung derart wirkungsvoll korrigierbar, daß das erfindungsgemäße Zoomsystem im sichtbaren Spektralbereich eine apochromatische, nur durch die Beugung begrenzte Korrektion der chromatischen Längsabweichung aufweist. Dabei hat es sich als besonders günstig herausgestellt, Gläser mit anomaler Teildispersion sowohl in den Außengliedern als auch in den Innengliedern zu verwenden.

Das durch die Tabelle 1 offenbarte afokale Zoomsystem ist aufgrund seines pankratischen Dehnungsfaktors von 6 und aufgrund seiner hohen Lichtstärke vor allem im unteren und mittleren Vergrößerungsbereich von etwa 0,4 bis etwa 1,0 und aufgrund der Tatsache, daß es aus nur zwei verschiedenen zweielementigen Kittgliedern aufgebaut ist, eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung. Aber auch die Zoomsysteme nach den Tabellen 2 und 3 sind für die Praxis interessante Erfindungsvarianten.

Nach einem weiteren Gesichtspunkt betrifft die Erfindung auch ein Mikroskop mit einem der im vorhergehenden angesprochenen afokalen Zoomsysteme. Dabei ergibt sich aus der kurzen Baulänge des symmetrischen afokalen Zoomsystems ein kompakter Mikroskopkörper, welcher wichtige ergonomische Vorteile für den Benutzer bietet. Insbesondere sind dies eine leichte Beweglichkeit des Mikroskops und ein großer Spielraum für die optimale Einstellung der Einblickhöhe z. B. mittels eines schwenkbaren binokularen Fernrohrs.

Wenn das Mikroskop ein Stereomikroskop ist, kann aufgrund der Symmetrie des Zoomsystems der für die Parallelität der stereoskopischen Teilstrahlengänge eines Stereomikroskops erforderliche Zentrieraufwand relativ gering sein. Wobei zu beachten ist, daß diese Parallelität über dem gesamten pankratischen Vergrößerungsbereich für ein Stereomikroskop vom Teleskop-Typ von großer Bedeutung ist, da eine als Binokularfehler bezeichnete Abweichung davon zu erheblichen Störungen des stereoskopischen Sehens führen kann.

Insbesondere bei einem als Operationsmikroskop ausgeführten erfindungsgemäßen Stereomikroskop ist die hohe Lichtstärke des symmetrischen afokalen Zoomsystems von großem Vorteil. Denn aufgrund der hohen Lichtstärke kann die Beleuchtungsintensität des Operationsfelds verringert werden und somit zum einen der Patient entlastet und zum anderen die Abbildungsqualität des Operationsmikroskops durch eine Reduzierung kontrastmindernden Streulichts erhöht werden.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines symmetrischen, afokalen Zoomsystems im Axiallängsschnitt;

Fig. 2 das Zoomsystem von Fig. 1 in einer Stellung mit kleinerer Vergrößerung;

Fig. 3 das Zoomsystem von Fig. 1 in einer Stellung mit höherer Vergrößerung; und

Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Stereomikroskops.

In Fig. 1 ist eine viergliedrige Ausführungsform eines afokalen Zoomsystems 1 zusammen mit Randstrahlen 3 und 5 eines parallel zur optischen Achse 7 verlaufenden Strahlenbüschels dargestellt.

Das afokale Zoomsystem 1 umfaßt objektseitig ein aus Einzellinsen 9 und 11 bestehendes Kittglied 13 positiver Brechkraft. Bildseitig folgt dem Kittglied 13 ein aus Einzellinsen 15 und 17 bestehendes Kittglied 19 negativer Brechkraft. An das Kittglied 19 schließt sich bildseitig ein aus Linsen 21 und 23 aufgebautes Kittglied 25 negativer Brechkraft und an dieses ein Linsen 27 und 29 umfassendes Kittglied 31 positiver Brechkraft an.

Aufgrund des symmetrischen Aufbaus des afokalen Zoomsystems 1 ist die Linse 9 gleich der Linse 29, die Linse 11 gleich der Linse 27, die Linse 15 gleich der Linse 23 und die Linse 17 gleich der Linse 21, wobei die Linsen 21, 23, 27 und 29 um eine mittlere, zur optischen Achse 7 orthogonale Symmetrieebene gespiegelt zu den Linsen 9, 11, 15 und 17 angeordnet sind.

Dabei ist die erfindungsgemäße Symmetrie auch dann erfüllt, wenn einander gleiche Linsen unterschiedliche freie Durchmesser haben. Entscheidend für die Symmetrie sind Krümmungsradien, Glassorte und spiegelbildliche Anordnung im Gesamtsystem.

Die Stellung des afokalen Zoomsystems gemäß Fig. 1 entspricht einer Vergrößerung Γ = 1, was daran zu erkennen ist, daß der Durchmesser des in das Zoomsystem 1 einfallenden Strahlenbüschels gleich dem Durchmesser des aus dem Zoomsystem 1 austretenden Strahlenbüschels ist.

In Fig. 2 ist das Zoomsystem 1 in einer Stellung gezeigt, welche einer Vergrößerung Γ = 0,4 entspricht. Für diese Vergrößerung sind die inneren Kittglieder 19 und 25 zu dem Außenglied 13 hin verschoben. Das afokale Zoomsystem 1 gestattet also eine Vergrößerungsvariation bei feststehenden Außengliedern 13 und 31, wobei lediglich die Abstände zwischen den beiden Innengliedern 19 und 25 sowie zwischen dem Innenglied 19 bzw. 25 und dem Außenglied 13 bzw. 31 variiert werden.

In Fig. 3 ist das afokale Zoomsystem 1 in einer Stellung entsprechend der Vergrößerung Γ = 2,4 dargestellt. Für diese Vergrößerung sind die Innenglieder 19 und 25 negativer Brechkraft an das bildseitige Außenglied 31 positiver Brechkraft bei wiederum feststehenden Außengliedern 13 und 31 angenähert.

Aus den Fig. 1 bis 3 ist zu erkennen, daß der Verschiebebereich der auf verschiedenen Kurven in gleichsinniger Weise zu verschiebenden Innenglieder 19 und 25 den gesamten Bereich zwischen den Außengliedern 13 und 31 ausnutzt. Dadurch wird die gesamte Baulänge des afokalen Zoomsystems 1 zur Vergrößerungsvariation ausgenutzt.

Es ist ferner zu erkennen, daß von kleinen Vergrößerungen Γ= 0,4 bis zur mittleren Vergrößerung Γ = 1 eine konstant hohe Lichtstärke erreicht wird, welche bei vorgegebenem bildseitigem Bildwinkel nur von dem büschelbegrenzenden freien Durchmesser des bildseitigen Außenglieds 31 bestimmt wird. In diesem Vergrößerungsbereich erfolgt vor allem keine Begrenzung durch die beiden Innenglieder 19 und 25.

Bei höheren Vergrößerungen ab Γ = 1 begrenzt der freie Durchmesser des objektseitigen Außengliedes 13 den Büschelquerschnitt und damit auch den für die Quantifizierung der Lichtstärke entscheidenden bildseitigen Büschelquerschnitt P₂ = P₁/Γ.

Aufgrund des Aufbaus des Zoomsystems 1 aus den zwei positiven Außengliedern 13 und 31 sowie den zwei negativen Innengliedern 19 und 25 resultiert ein afokales Zoomsystem 1, das sich durch eine kompakte Bauweise auszeichnet.

Die Linsen 11 und 27 positiver Brechkraft in den positiven Außengliedern 13 und 31 bestehen aus einem Kronglas mit anomaler Teildispersion, z. B. aus einem von der Firma Schott Glaswerke unter der Bezeichnung PK50 vertriebenen Phosphatkronglas. In ähnlicher Weise bestehen die Linsen 17 und 21 positiver Brechkraft der negativen Innenglieder 19 und 25 aus einem Schwerflintglas, z. B. SFL 6, einem unter dieser Bezeichnung von der Firma Schott Glaswerke vertriebenen, weiteren Glas mit anomaler Teildispersion. Dadurch kann im sichtbaren Spektralbereich eine apochromatische, nur durch die Beugung begrenzte Korrektion der chromatischen Längsabweichung erreicht werden.

Die Linsenradien, Linsendicken bzw. Luftabstände, freien Linsendurchmesser und die verwendeten Glastypen können der folgenden Tabelle entnommen werden. In dieser Tabelle bezieht sich die Nummer auf die jeweilige optisch wirksame Grenzfläche gezählt von der objektseitigen konvexen Linsenoberfläche der Linse 9 an.

Tabelle 1

Mit den vorstehend angegebenen Daten ergibt sich für das Zoomsystem eine Baulänge von 80 mm und bei den positiven Außengliedern eine Brennweite von 76,0 mm und bei den negativen Innengliedern eine Brennweite von -42,5 mm.

Selbstverständlich können die freien Linsendurchmesser verändert werden, um etwa dieses Zoomsystem an die jeweiligen Einbaugegebenheiten anzupassen.

Die optischen Daten einer weiteren, den Fig. 1 bis 3 entsprechenden Ausführungsform eines afokalen symmetrischen Zoomsystems mit der Baulänge 60 mm sind in der folgenden, im übrigen Tabelle 1 entsprechenden Tabelle 2 angeben:

Tabelle 2

Bei den vorstehend angegebenen Daten ergibt sich für das Zoomsystem mit der Baulänge 60 mm bei den positiven Außengliedern eine Brennweite von 50,9 mm und bei den negativen Innengliedern eine Brennweite von -27,3 mm.

Die optischen Daten noch einer weiteren, den Fig. 1 bis 3 entsprechenden Ausführungsform eines afokalen symmetrischen Zoomsystems mit der Baulänge 100 mm sind in der folgenden, im übrigen Tabelle 1 entsprechenden Tabelle 3 angeben:

Tabelle 3

Bei den vorstehend angegebenen Daten ergibt sich für das Zoomsystem mit der Baulänge 100 mm bei den positiven Außengliedern eine Brennweite von 102,4 mm und bei den negativen Innengliedern eine Brennweite von -59,2 mm.

Fig. 4 zeigt in schematischer Weise den Strahlengang und die optischen Komponenten eines Stereomikroskops 33 vom Teleskop- Typ.

Das Stereomikroskop 33 umfaßt ein Hauptobjektiv 35, in dessen Brennebene ein Beobachtungsobjekt 37 auf der optischen Achse des Objektivs 35 angeordnet ist. Das Objekt 37 wird von dem Objektiv 35 über zwei stereoskopische Teilstrahlengänge in zwei stereoskopische Teilbilder nach unendlich abgebildet. Von diesen Teilstrahlengängen sind in Fig. 1 für den Objektpunkt 37 jeweils Randstrahlen 39 und 41 bzw. 43 und 45 dargestellt. Ferner sind in Fig. 4 die optische Achse 47 des in Fig. 4 unteren stereoskopischen Teilstrahlengangs und die optische Achse 49 des oberen stereoskopischen Teilstrahlengangs zu erkennen.

Der bezüglich des Objektivs 35 bildseitige Abstand der optischen Achsen 47 und 49 ist die Stereobasis, welche festlegt, unter welchem Stereowinkel das Objekt 37 betrachtet wird. Desweiteren sind die bezüglich des Objektivs 35 bildseitigen optischen Achsen 47 und 49 parallel sowohl zueinander als auch zur optischen Achse des Objektivs 35.

Dem Hauptobjektiv 35 bildseitig nachgeordnet ist im unteren stereoskopischen Teilstrahlengang das afokale Zoomsystem 1 der Fig. 1 bis 3 und im oberen stereoskopischen Teilstrahlengang ein identisches afokales Zoomsystem 1'.

Das Stereomikroskop 33 weist also einen sogenannten 2-kanaligen Zoom auf, bei dem jedem stereoskopischen Teilstrahlengang ein gesondertes Linsensystem zugeordnet ist. Die durch die erfindungsgemäße Symmetrie eines afokalen Zoomsystems erzielten Vorteile können jedoch auch bei einem 1-kanaligen Zoom erreicht werden, bei dem die freien Linsendurchmesser der einzelnen Linsen des Zoomsystems so groß sind, daß die Linsen des Zoomsystems 1 entsprechend dem Hauptobjektiv 35 jeweils beide stereoskopische Teilstrahlengänge umfassen.

Den symmetrischen und afokalen Zoomsystemen 1 und 1' bildseitig nachgeordnet ist ein einen 2-kanaligen Tubus 51 mit Okularen 53 umfassendes binokulares Fernrohr.

Wie in Abb. 4 zu erkennen ist, haben die beiden Stereokanäle des aus Tubus 51 und Okular 53 bestehenden binokularen Fernrohrs jeweils eine gemeinsame optische Achse mit den Zoomsystemen 1 und 1'.

Zwischen dem Hauptobjektiv 35 und den afokalen Zoomsystemen 1 und 1' sowie zwischen den afokalen Zoomsystemen 1 und 1' und dem 2-kanaligen Tubus 51 sind bei einem Stereomikroskop vom Teleskop-Typ voraussetzungsgemäß die Strahlenbüschel jeweils parallel. Das symmetrische Zoomsystem 1 muß also afokal sein, d. h. objekt- und bildseitig nach unendlich abbilden, um die optischen Teilkomponenten des Stereomikroskops 33, nämlich das Hauptobjektiv 35 und das binokulare Fernrohr, in modularer Weise durch andere Komponenten austauschen zu können. So können z. B. Hauptobjektive unterschiedlicher Brennweite zur Variation des Arbeitsabstandes verwendet werden, oder aber auch beim binokularen Fernrohr bestehend aus Tubus 51 und Okular 53 aus ergonomischen Gründen ein Geradtubus durch einen Schrägtubus oder Schwenktubus ersetzt werden. Selbstverständlich kann das Hauptobjektiv 35 und das binokulare Fernrohr auch mit anderen afokalen symmetrischen Zoomsystemen kombiniert werden. Desweiteren können in den Bereichen mit parallelem Strahlengang, d. h. mit parallelen Strahlenbüscheln, auch Komponenten zur Photo- und TV-Dokumentation besonders einfach eingefügt werden.

Es ist also wesentlich, daß das afokale Zoomsystem die Afokalität im gesamten Vergrößerungsbereich von Γ = 0,4 bis Γ = 2,4 erfüllt. Dies kann durch Justierung der Außenglieder 13 und 31 des Zoomsystems 1 hinreichend genau erreicht werden.

Da das Zoomsystem bei der Stereomikroskop 33 aus zwei gleichen Kanälen besteht, ergeben sich durch die erfindungsgemäße Symmetrie hohe Stückzahlen jeweils gleicher Linsen, was ökonomisch von großem Vorteil ist. Auch im Hinblick auf die erforderliche Parallelität der optischen Achsen 47 und 49 ist der für die Parallelität erforderliche Mehraufwand fürs die Einhaltung der optischen und mechanischen Zentriergenauigkeiten der Teilglieder des afokalen Zoomsystems bei nur zwei verschiedenen Teilgliedern ökonomisch vertretbar.

Claims (10)

1. Afokales Zoomsystem für Operationsmikroskope mit einer geraden Anzahl optischer Glieder, dadurch gekennzeichnet, daß das Zoomsystem (1) symmetrisch aufgebaut ist.

2. Afokales Zoomsystem (1) nach Anspruch 1, wobei das Zoomsystem (1) viergliedrig ist.

3. Afokales Zoomsystem (1) nach Anspruch 2, wobei das Zoomsystem (1) zwei feststehende Außenglieder (13, 31) und zwei auf verschiedenen Kurven in gleichsinniger Weise verschiebbare Innenglieder (19, 25) umfaßt.

4. Afokales Zoomsystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Innenglieder (19, 25) des Zoomsystems (1) eine negative Brechkraft und die Außenglieder (13, 31) des Zoomsystems (1) eine positive Brechkraft aufweisen.

5. Afokales Zoomsystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Zoomsystem (1) aus Kittgliedern (13, 19, 25, 31) aufgebaut ist.

6. Afokales Zoomsystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Zoomsystem (1) Linsen (11, 27, 17, 21) aus Gläsern anomaler Teildispersion umfaßt.

7. Afokales Zoomsystem (1) nach Anspruch 6 und Anspruch 3, wobei je eine Linse (11, 27) in jedem Außenglied (13, 31) und jeweils eine Linse (17, 21) in jedem Innenglied (19, 25) aus einem Glas mit anomaler Teildispersion besteht.

8. Afokales Zoomsystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Zoomsystem (1) durch die in der folgenden Tabelle zusammengefaßten Daten gekennzeichnet ist:

Tabelle

9. Mikroskop vom Teleskop-Typ mit einem afokalen Zoomsystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9.

10. Mikroskop nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß es ein Stereomikroskop (33) ist.