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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.
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Aus
der
DE 39 04 190 A1 ist
ein 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.
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Die
DE 39 11 664 A1 offenbart
ein pankratisches System bestehend aus, in der Richtung des Lichtes gesehen,
einem feststehenden positiven System, zwei beweglichen negativen
Systemen und einem feststehenden positiven System, wobei die beiden
beweglichen negativen Systeme die gleiche Brennweite haben. Gesteuert
werden die beiden Verschiebeglieder durch zwei identische Kurvenscheiben,
die spiegelsymmetrisch angeordnet sind.
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Die
US 4,132,463 A offenbart
ein optisches Zoom System mit, in der Richtung des Lichtes gesehen, einer
feststehenden positiven Linsengruppe, zwei in unterschiedlicher
Weise beweglichen negativen Linsengruppen und einer feststehenden
positiven Linsengruppe.
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Die
US 3,127,466 A ,
von der die Erfindung ausgeht, beschreibt ein Linsensystem mit variabler
Vergrößerung für Mikroskope.
Das optische System umfasst zwei Linsengruppen. Beide Linsengruppen
bestehen jeweils aus vier Linsen. Die Linsen jeder Linsengruppe
sind jeweils paarweise identisch. Die erste Linsengruppe besteht
aus zwei identischen positiven Linsendubletten, die zweite Linsengruppe
besteht aus zwei identischen negativen Linsendubletten. Die jeweiligen
Dubletten sind gegenüberliegend
zueinander angeordnet. Die erste Linsengruppe umgreift die zweite
Linsengruppe. Die negative Linsengruppe wird nach der Lehre dieses
Dokuments in festem räumlichem
Bezug gehalten. Dies kann z. B. dadurch erfolgen, dass eine der
positiven Linsendubletten fest gehalten wird und die negativen Komponenten
als Gruppe sowie die andere positive Linsendublette relativ zur
ersten positiven Linsendublette bewegt wird.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Wenn
das afokale Zoomsystem viergliedrig ist, ist die Anzahl verschiedenartiger
Linsentypen minimal.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Im
folgenden wird ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung anhand der beigefügten
Zeichnungen erläutert.
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Es
zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer Ausführungsform eines symmetrischen,
afokalen Zoomsystems im Axiallängsschnitt;
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2 das
Zoomsystem von 1 in einer Stellung mit kleinerer
Vergrößerung;
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3 das
Zoomsystem von 1 in einer Stellung mit höherer Vergrößerung;
und
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4 eine
schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Stereomikroskops.
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In 1 ist
eine viergliedrige Ausführungsform
eines afokalen Zoomsystems 1 zusammen mit Randstrahlen 3 und 5 eines
parallel zur optischen Achse 7 verlaufenden Strahlenbüschels dargestellt.
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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.
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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.
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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.
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Die
Stellung des afokalen Zoomsystems gemäß 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.
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In 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.
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In 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.
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Aus
den 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.
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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.
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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.
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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.
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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. SFL6, 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.
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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
Nr. | Radius
ri/mm | Dicke
bzw. Luftabstand di/mm | freier
Durchmesser dF/mm | Medium |
1 | 39,242 | | 16,5 | |
| | 2,5 | | BaSF2 |
2 | 21,909 | | 16,1 | |
| | 4,0 | | PK50 |
3 | –188,36 | | 15,8 | |
| | 1,852...27,1...37,41 | Luft |
4 | –55,431 | | 14,0 | |
| | 2,0 | | BaF4 |
5 | 15,849 | | 13,2 | |
| | 3,0 | | SFL6 |
6 | 32,081 | | 12,6 | |
| | 17,74...2,794...17,74 | Luft |
7 | –32,081 | | 12,6 | |
| | 3,0 | | SFL6 |
8 | –15,849 | | 13,2 | |
| | 2,0 | | BaF4 |
9 | 55,431 | | 14,0 | |
| | 37,41...27,1...1,852 | Luft |
10 | 188,36 | | 15,8 | |
| | 4,0 | | PK50 |
11 | –21,909 | | 16,1 | |
| | 2,5 | | BaSF2 |
12 | –39,242 | | 16,5 | |
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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.
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Selbstverständlich können die
freien Linsendurchmesser verändert
werden, um etwa dieses Zoomsystem an die jeweiligen Einbaugegebenheiten
anzupassen.
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Die
optischen Daten einer weiteren, den
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
Nr. | Radius
ri/mm | Dicke
bzw. Luftabstand di/mm | freier
Durchmesser dF/mm | Medium |
1 | 27,449 | | 16,5 | |
| | 2,5 | | BaSF2 |
2 | 15,077 | | 16,1 | |
| | 4,0 | | PK50 |
3 | –103,888 | | 15,8 | |
| | 1,196...17,25...23,8 | Luft |
4 | –39,343 | | 14,0 | |
| | 2,0 | | BaF4 |
5 | 10,769 | | 13,2 | |
| | 3,0 | | SFL6 |
6 | 20,360 | | 12,6 | |
| | 12,00...2,5...12,00 | Luft |
7 | –20,360 | | 12,6 | |
| | 3,0 | | SFL6 |
8 | –10,769 | | 13,2 | |
| | 2,0 | | BaF4 |
9 | 39,343 | | 14,0 | |
| | 23,8...17,25...1,196 | Luft |
10 | 103,888 | | 15,8 | |
| | 4,0 | | PK50 |
11 | –15,077 | | 16,1 | |
| | 2,5 | | BaSF2 |
12 | –27,449 | | 16,5 | |
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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.
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Die
optischen Daten noch einer weiteren, den
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
Nr. | Radius
ri/mm | Dicke
bzw. Luftabstand di/mm | freier
Durchmesser dF/mm | Medium |
1 | 56,238 | | 16,5 | |
| | 2,5 | | BaSF2 |
2 | 30,209 | | 16,1 | |
| | 4,0 | | PK50 |
3 | –191,023 | | 15,8 | |
| | 1,762...37,25...51,74 | Luft |
4 | –65,991 | | 14,0 | |
| | 2,0 | | BaF4 |
5 | 21,291 | | 13,2 | |
| | 3,0 | | SFL6 |
6 | 47,361 | | 12,6 | |
| | 23,50...2,5...23,50 | Luft |
7 | –47,361 | | 12,6 | |
| | 3,0 | | SFL6 |
8 | –21,291 | | 13,2 | |
| | 2,0 | | BaF4 |
9 | 65,991 | | 14,0 | |
| | 51,74...37,25...1,762 | Luft |
10 | 191,023 | | 15,8 | |
| | 4,0 | | PK50 |
11 | –30,209 | | 16,1 | |
| | 2,5 | | BaSF2 |
12 | –56,238 | | 16,5 | |
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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.
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4 zeigt
in schematischer Weise den Strahlengang und die optischen Komponenten
eines Stereomikroskops 33 vom Teleskop-Typ.
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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 1 für den Objektpunkt 37 jeweils
Randstrahlen 39 und 41 bzw. 43 und 45 dargestellt.
Ferner sind in 4 die optische Achse 47 des
in 4 unteren stereoskopischen Teilstrahlengangs und
die optische Achse 49 des oberen stereoskopischen Teilstrahlengangs
zu erkennen.
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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.
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Dem
Hauptobjektiv 35 bildseitig nachgeordnet ist im unteren
stereoskopischen Teilstrahlengang das afokale Zoomsystem 1 der 1 bis 3 und
im oberen stereoskopischen Teilstrahlengang ein identisches afokales
Zoomsystem 1'.
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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.
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Den
symmetrischen und afokalen Zoomsystemen 1 und 1' bildseitig
nachgeordnet ist ein einen 2-kanaligen Tubus 51 mit Okularen 53 umfassendes
binokulares Fernrohr.
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Wie
in 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'.
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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.
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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.
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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 für
die Einhaltung der optischen und mechanischen Zentriergenauigkeiten
der Teilglieder des afokalen Zoomsystems bei nur zwei verschiedenen
Teilgliedern ökonomisch
vertretbar.