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.
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:
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:
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.