DE19918405A1 - Spiegelsystem zur stereoskopischen Bildaufrichtung - Google Patents

Abstract

Ein optisches System für ein stereoskopisches Operationsmikroskop zur Vertauschung zweier zur optischen Mittelachse paralleler Lichtstrahlen unter gleichzeitiger Bildumkehr für beide Strahlen ohne Parallelversatz des austretenden Strahlenpaars gegenüber dem eintretenden Strahlenpaar besteht aus einseitig reflektierenden Elementen und zwei beidseitig parallel reflektierenden Elementen, welche sämtlich in einer zur optischen Achse senkrechten Ebene angeordnet sind. Jeder der beidseitig reflektierenden Elemente reflektiert den einfallenden Strahl mit seiner Vorderseite über die einseitig reflektierenden Elemente auf die Rückseite des jeweils anderen beidseitig reflektierenden Elements. Sämtliche optische Elemente sind als flache, oberflächlich verspiegelte Spiegel ausgeführt, so daß ihr Substrat vollständig außerhalb des Strahlengangs liegt. Die beidseitig verspiegelten Spiegel sind so geformt, daß ihr Rand, in der Draufsicht entlang der optischen Achse, in der Nähe der optisch benachbarten einseitig verspiegelten Spiegel tangential nahezu parallel zu deren reflektierende Fläche verläuft, so daß sie bis zur Berührung aneinander herangeführt werden können. Die Reflexionsflächen beider beidseitig verspiegelter Spiegel schließen mit der Ebene der optischen Anordnung einen Winkel größer als 45 DEG ein, um einen störenden Parallelversatz des auslaufenden Strahlenpaars gegenüber dem einlaufenden Strahlenpaar zu vermeiden.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein optisches System für ein stereoskopisches Operationsmikroskop zur Vertauschung zweier paralleler Lichtstrahlen unter gleichzeitiger Bildumkehr für beide Strahlen ohne Parallelversatz des austretenden Strah­ lenpaars gegenüber dem eintretenden Strahlenpaar, bestehend aus einseitig reflektierenden Elementen und zwei beidseitig parallel reflektierenden Elementen, sämtlich in einer zu den einfallenden Strahlen senkrechten Ebene angeordnet, wobei je­ des der beidseitig reflektierenden Elemente mit seiner Vor­ derseite den einfallenden Strahl über die einseitig reflek­ tierenden Elemente auf die Rückseite des jeweils anderen beidseitig reflektierenden Elements reflektiert.

Bekannt sind Prismensysteme zur stereoskopischen Bildaufrich­ tung dieser Art (DE-C 38 26 069). In anwendungstechnischer Hinsicht ist es wünschenswert, die optische Anordnung mög­ lichst platzsparend im Mikroskop unterzubringen. Zur Vermei­ dung von unerwünschten Lichtverlusten werden möglichst gerin­ ge optische Weglängen innerhalb der Vorrichtung angestrebt. Da Operationsmikroskope in der Regel zur freien Orient ierbar­ keit beweglich gelagert, aber dennoch stabil befestigt sein müssen, ist das Gewicht des Mikroskops so niedrig wie möglich zu halten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein optisches Sy­ stem zur stereoskopischen Bildaufrichtung der eingangs und im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art zu schaffen, wel­ ches eine möglichst platzsparende und leichte Anordnung zur Unterbringung im Mikroskop ermöglicht und den optischen Weg so gering wie möglich hält.

Die erfinderische Lösung liegt in den Merkmalen des Anspruchs 1. Demnach sind sämtliche optische Elemente als flache, leichte Spiegel, bestehend aus einem flachen, leichten Substrat mit einer einseitigen bzw. doppelseitigen metalli­ schen Verspiegelung der Oberfläche ausgeführt, so daß ihr Substrat vollständig außerhalb des optischen Weges liegt. Zwar ist die Ersetzung von reflektierenden Prismen durch Spiegel in der Optik grundsätzlich bekannt und wird auch im Stand der Technik beiläufig erwähnt (DE 38 26 069 C2, Spalte 7, Z. 52-55). Allerdings ist nicht ersichtlich, wie infolge einer derartigen Ersetzung eine Verringerung der Abmessungen zu erzielen wäre.

Die Erfindung lehrt dagegen eine bestimmte Formung der beid­ seitig verspiegelten Elemente, welche in Verbindung mit der flachen Form der einseitig verspiegelten Spiegel eine beson­ ders kompakte Anordnung des optischen Systems ermöglicht. Die genannte Formung wird auf eine Draufsicht entlang der opti­ schen Achse (im folgenden kurz "Draufsicht" genannt) bezogen. Die optische Achse des Spiegelsystems bezeichnet grundsätz­ lich die mittig zu den einfallenden Lichtstrahlen parallele Längsachse des Mikroskops. Das einfallende Licht wird von zwei ausgedehnten Bündeln von Lichtstrahlen gebildet, welche in der Ebene der optischen Anordnung einen Durchmesser von OD besitzen; als Lichtstrahlen werden die Mittelstrahlen der Lichtbündel bezeichnet.

In der Draufsicht auf das Spiegelsystem ist erfindungsgemäß der Rand der beidseitig verspiegelten Spiegel in der Dfähe der optisch benachbarten einseitig verspiegelten Spiegel tangen­ tial nahezu parallel zu deren reflektierender Fläche gestal­ tet. Zweckmäßigerweise sind die beidseitig verspiegelten Spiegel oval geschnitten, so daß ihr Rand in der Draufsicht kreisrund mit Durchmesser mindestens gleich OD ist; die Tan­ gente an den Kreisrand im Punkt des geringsten Abstands zum optisch benachbarten einseitig verspiegelten Spiegel ist dann jedenfalls parallel zu dessen reflektierender Fläche. Infolge der erfinderischen Formung der beidseitig verspiegelten Spie­ gel können die einseitig verspiegelten Spiegel sehr nahe, im Prinzip bis zur Berührung, an die beidseitig verspiegelten Spiegel herangeführt werden.

Dagegen schließt die durch die Lage des Substrats im Strah­ lengang bedingte spezifische Form reflektierender Prismen ei­ ne erfindungsgemäße Formung der beidseitig reflektierenden Elemente aus.

Die Ersetzung von reflektierenden Prismen durch flache Spie­ gel ist im vorliegenden Fall mit erheblichen Schwierigkeiten verbunden, welche von der endlichen Dicke SD des Spiegel­ substrats der beidseitig verspiegelten Elemente herrührt. In der vom Stand der Technik vorgegebenen Anordnung führt dies zu einem Parallelversatz des auslaufenden Strahlenpaars ge­ genüber dem einlaufenden Strahlenpaar von 1.41 SD; dieser Versatz ist unerwünscht, da es in der Praxis möglich sein muß, das optische System ohne Strahlversatz aus dem Strahlen­ gang zu entfernen.

Die Erfindung lehrt, daß eine Korrektur des beschriebenen störenden Parallelversatzes durch eine gegenüber dem Stand der Technik veränderte Neigung lediglich der beidseitig ver­ spiegelten Spiegel, unter Beibehaltung der Orientierung der einseitig verspiegelten Spiegel, erreicht werden kann. Die Schwierigkeit liegt dabei darin, daß durch eine Veränderung der Neigung eines der beidseitig verspiegelten Spiegel stets beide auslaufende Strahlen gleichzeitig beeinflußt werden; dabei werden die auslaufenden Strahlen gegenüber den einlau­ fenden Strahlen nicht nur wie beabsichtigt versetzt, sondern zusätzlich in störender Weise geneigt. Es ist daher überra­ schend, daß durch Veränderung nur zweier Größen, nämlich der Anstellwinkel λ, λ' der beidseitig verspiegelten Spiegel zur Ebene der optischen Achse, vier unabhängige Größen, nämlich Neigung und Versatz beider auslaufender Teilstrahlen, korri­ giert werden können; der Fachmann geht davon aus, daß dies nur mit Hilfe der Veränderung zweier zusätzlicher unabhängi­ ger Größen, etwa durch Veränderung der Orientierung der ein­ seitig verspiegelten Spiegel, möglich sei. Überraschenderwei­ se wurde aber herausgefunden, daß dies nicht der Fall ist. Durch geeignete Wahl eines Anstellwinkels λ = λ', der größer sein muß als der vom Stand der Technik offenbarte Winkel von λ = 45°, kann der Parallelversatz des Austrittsstrahlenpaars gegenüber dem Eintrittsstrahlenpaar schließlich korrigiert werden. Die spezielle Wahl des Winkels λ < 45° hängt u. a. von der Substratdicke SD der beidseitig verspiegelten Spiegel ab.

Infolge der erfindungsgemäßen Formung der beidseitig verspie­ gelten Spiegel können die Reflexionsflächen der einseitig re­ flektierenden Elemente bis auf den absolut minimalen Abstand von 0.5 OD an die Mittelstrahlen der einfallenden Lichtbündel herangeführt werden; dabei beschreibt OD den Durchmesser der einfallenden Lichtbündel in der Ebene der optischen Anord­ nung. Das im Stand der Technik ausgeführte Prismensystem muß dagegen eine um mindestens 40% gegenüber dem erfinderischen Spiegelsystem erhöhte Entfernung der reflektierenden Flächen der einseitig reflektierenden Elemente von den Mittelachsen der einlaufenden Strahlenbündel von 0.705 OD aufweisen.

Mit dem erfinderischen Spiegelsystem wird eine maximale Ra­ dialausdehnung des gesamten Aufbaus von R = 1.205 OD + 0.705 SD erreicht. Da in der Praxis die Spiegeldicke SD gegen den Durchmesser OD der Lichtbündel gering gehalten werden kann, kommt man mit der erfinderischen Anordnung einem maximalen Radius von R = 1.205 OD nahe. Dies bedeutet eine Reduzierung gegenüber dem Stand der Technik von fast 20% (DE-38 26 069 A1, Fig. 3; R = 1.5 OD). Entsprechend kann der optische Weg von 2.82 OD eines Lichtstrahls in der Ebene der optischen An­ ordnung um 40% gegenüber dem Stand der Technik (4 OD) redu­ ziert werden. Die Bauhöhe wird durch die leichte zusätzliche Neigung der beidseitig verspiegelten Spiegel dagegen nur mi­ nimal erhöht, was eine ebenfalls nur minimale Erhöhung des optisches Weges mit sich bringt.

Die Ausführung sämtlicher optischer Elemente als Spiegel und ihre Anordnung dergestalt, daß ihr Substrat vollständig au­ ßerhalb des Strahlengangs liegt, hat ferner den Vorzug, daß an das Spiegelsubstrat keine Anforderungen hinsichtlich sei­ ner optischen Qualität zu stellen sind. Zudem werden Abbil­ dungsfehler vermieden, welche mit dem Durchtritt der Licht­ strahlen durch die Oberfläche der Prismen einhergeht.

In der Praxis kommt es regelmäßig vor, daß ein Operationsmi­ kroskop ohne Vertauschung der beiden Lichtstrahlen und ohne Bildumkehr benutzt werden soll. Dazu soll sich das Spiegelsy­ stem auf das sich die vorliegende Erfindung bezieht, aus dem Strahlengang des Mikroskops entfernen lassen, möglichst ohne daß dadurch die radiale Ausdehnung des Mikroskops erhöht wür­ de. Vorteilhafterweise sind daher mindestens die beidseitig verspiegelten Spiegel um die optische Achse drehbar und las­ sen sich durch eine gemeinsame Drehung um 90° gegenüber der betriebsgemäßen Anordnung vollständig aus dem Strahlengang entfernen, so daß die Lichtbündel frei durch das Spiegelsy­ stem hindurchtreten.

Im folgenden soll erläutert werden, welche Bedingungen den genannten freien Lichtdurchtritt ermöglichen. Dazu wird das Spiegelsystem wiederum in der Draufsicht entlang der opti­ schen Achse betrachtet. Man stelle sich nun ein Quadrat vor, dessen eine Diagonale lotsenkrecht auf der von den beiden einfallenden Lichtstrahlen aufgespannten Ebene steht, das von der optischen Achse in der Mitte geschnitten wird, und dessen Kantenlänge so klein wie möglich ist, dabei jedoch immer noch beide beidseitig verspiegelten Spiegel vollständig umfaßt. Die beiden beidseitig verspiegelten Spiegel sind nun zweckmä­ ßigerweise jeweils ausschließlich in gegenüberliegenden Qua­ dranten des genannten Quadrats angeordnet; die beiden anderen gegenüberliegenden Quadranten sind zweckmäßigerweise auf ei­ ner den Lichtbündeln entsprechenden Fläche vollkommen durch­ lässig. In einer die optischen Elemente tragenden Grundplatte können dazu z. B. kreisrunde Bohrungen mit Durchmesser OD vorgesehen sein. Nach einer Drehung um 90° um die optische Achse liegen dann die beidseitig verspiegelten Spiegel in den jeweils anderen Quadranten und damit außerhalb der Lichtbün­ del, welche durch die kreisrunden Bohrungen in der Grundplat­ te frei hindurchtreten können. Die einseitig verspiegelten Spiegel hingegen sind zum Zweck des freien Lichtdurchtritts außerhalb des genannten Quadrats anzuordnen.

Die bisher beschriebenen und weitere Merkmale werden im fol­ genden anhand eines vorteilhaften Ausführungsbeispiels darge­ legt, welches in den Fig. 1 bis 3 illustriert ist. Es zei­ gen:

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung des erfinderischen Spiegelsystems;

Fig. 2 eine Draufsicht entlang der optischen Achse A auf das erfinderische Spiegelsystem und

Fig. 3 eine Seitenansicht des erfinderischen Spiegelsystems entlang der Ebene, die von den beiden einfallenden Lichtstrahlen aufgespannt wird.

Auf einer Grundplatte 1, welche senkrecht zu den einfallenden parallelen Strahlen R, L orientiert ist, sind sechs optische Elemente 2-7 befestigt. Die beiden ovalen Spiegel 2 und 5 sind beidseitig, die vier rechteckigen Spiegel 3, 4, 6 und 7 einseitig verspiegelt.

Im betriebsgemäßen Zustand trifft der zur optischen Achse A parallele Strahl R auf die reflektierende, gegen die Ebene E der optischen Anordnung um einen bestimmten Winkel λ < 45° geneigte Vorderseite 2a des beidseitig verspiegelten Spiegels 2. Der Lichtstrahl R wird von der Spiegeloberfläche 2a um den Winkel 2 λ < 90° abgelenkt und trifft auf den einseitig ver­ spiegelten Spiegel 3, dessen Oberflächenlot in einer zur Ebe­ ne (E) der optischen Anordnung parallelen Ebene liegt und mit dem Lot auf die von den beiden einfallenden Lichtstrahlen aufgespannter Ebene einen Winkel von 45° einschließt. Der Lichtstrahl wird daher durch den einseitig verspiegelten Spiegel 3 um 90° reflektiert und fällt auf einen ähnlich ori­ entierten einseitig verspiegelten Spiegel 4, welcher den Teilstrahl um 90° auf die Rückseite 5b des beidseitig ver­ spiegelten Spiegels 5 reflektiert. Der gegenüber der Ebene der optischen Anordnung um denselben Winkel λ < 45° wie der Spiegel 2 geneigte Spiegel 5 lenkt den Teilstrahl abschlie­ ßend um den Winkel 2 λ um, so daß der Teilstrahl L' parallel zum einfallenden Teilstrahl R ausläuft.

In analoger Weise wird der Teilstrahl L über die Vorderseite 5a des beidseitig verspiegelten Spiegels 5 sowie über die einseitig verspiegelten Spiegel 6 und 7 auf die Rückseite 2b des beidseitig verspiegelten Spiegels 2 gelenkt und von dort so reflektiert, daß er mit dem einfallenden Teilstrahl. R auf einer Linie liegt. Die vorderseitigen Reflexionsflächen 2a, 5a der beidseitig verspiegelten Spiegel 2, 5 schneiden sich in einer Linie, welche in der von den einfallenden Lichtstrah­ len R, L aufgespannten Ebene liegt.

Die beidseitig verspiegelten Spiegel 2 und 5 sind oval ge­ schnitten, so daß sie in der Draufsicht auf das Spiegelsystem entlang der optischen Achse A (s. Fig. 2) kreisrund mit dem Durchmesser OD erscheinen. In der Projektion der beidseitig verspiegelten Spiegel 2 und 5 sind in der Grundplatte 1 zwei Bohrungen für den Strahlendurchgang vorgesehen. In der Grund­ platte 1 sind zwei weitere kreisrunde Bohrungen 8, 9 dersel­ ben Größe eingerichtet. Die vier durch die beidseitig ver­ spiegelten Spiegel 2, 5 mit ihren Bohrungen und durch die Bohrungen 8, 9 gebildeten Kreise sind in Form eines Kreuzes sehr kompakt angeordnet. Die einseitig verspiegelten Spiegel 3, 4, 6 und 7 können in der in Fig. 2 gezeigten Weise bis zur Berührung an die beidseitig verspiegelten Spiegel 2, 5 heran­ geführt werden. In den Berührungspunkten verlaufen die Tan­ genten an die oben genannten Kreisformen parallel zu der Re­ flexionsflächen der einseitig reflektierenden Spiegel 3, 4, 6, 7.

Jeweils die beidseitig verspiegelten Spiegel 2, 5 und die kreisrunden Bohrungen 8, 9 in der Grundplatte sind in gegen­ überliegenden Quadranten eines Quadrats angeordnet, dessen Seiten durch die Reflexionsflächen der einseitig verspiegel­ ten Spiegel 3, 4, 6, 7 gebildet werden. Die einseitig ver­ spiegelten Spiegel liegen dagegen außerhalb dieses Quadrats. Bei einer Drehung des Spiegelsystems um die optische Achse A um 90° werden daher die beidseitig verspiegelten Spiegel 2, 5 vollständig aus dem Strahlengang entfernt und die Lichtbündel treten vollständig frei durch die Bohrungen 8, 9 in der Grundplatte hindurch.

Fig. 3 verdeutlicht, daß ein Austritt des Strahlenpaars ohne Parallelversatz gegenüber dem einfallenden Strahlenpaar durch eine Neigung der beidseitig verspiegelten Spiegel 2, 5 er­ reicht werden kann, wobei deren Reflexionsflächen einen Win­ kel von λ < 45° mit der Ebene der optischen Anordnung ein­ schließen. Der Winkel λ ist durch die Forderung des Licht­ durchtritts ohne Parallelversatz festgelegt und hängt u. a. von der Spiegeldicke SD der beidseitig verspiegelten Elemente 2 und 5 ab.

Claims (9)

1. Optisches System für ein stereoskopisches Operationsmi­ kroskop zur Vertauschung zweier zur optischen Mittelachse (A) paralleler Lichtstrahlen (R, L) unter gleichzeitiger Bildumkehr für beide Strahlen ohne Parallelversatz des austretenden Strahlenpaars (L', R') gegenüber dem eintre­ tenden Strahlenpaar (R, L), bestehend aus einseitig re­ flektierenden Elementen (3, 4, 6, 7) und zwei beidseitig parallel reflektierenden Elementen (2, 5), sämtlich in ei­ ner zur optischen Achse (A) senkrechten Ebene (E) ange­ ordnet, wobei jedes der beidseitig reflektierenden Ele­ mente mit seiner Vorderseite (2a bzw. 5a) den einfallen­ den Strahl (R bzw. L) über die einseitig reflektierenden Elemente (3, 4 bzw. 6, 7) auf die Rückseite (5b bzw. 2b) des jeweils anderen beidseitig reflektierenden Elements reflektiert, dadurch gekennzeichnet,

• a) daß sämtliche optische Elemente als flache, ober­ flächlich verspiegelte Spiegel ausgeführt sind, so daß ihr Substrat vollständig außerhalb des Strahlen­ gangs liegt,
• b) daß die beidseitig verspiegelten Spiegel (2 bzw. 5) so gestaltet sind, daß ihr Rand, in der Draufsicht entlang der optischen Achse (A), in der Nähe der op­ tisch benachbarten einseitig verspiegelten Spiegel (3, 4 bzw. 6, 7) tangential nahezu parallel zu deren reflektierender Fläche verläuft, und
• c) daß die Reflexionsflächen beider beidseitig verspie­ gelter Spiegel (2 bzw. 5) mit der Ebene (E) der opti­ schen Anordnung einen Winkel λ von größer als 45° einschließen.

2. Optisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens die beidseitig reflektierenden Elemente (2, 5) um die optische Mittelachse (A) drehbar sind, und daß bei einer Drehung um 90° gegenüber der betriebsgemä­ ßen Anordnung die Lichtbündel vollständig frei durch die Anordnung treten.

3. Optisches System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Bohrungen (8, 9) in einer die optischen Elemente tragenden Grundplatte (1) angebracht sind, durch welche die Lichtbündel nach einer Drehung des optischen Systems gemäß Anspruch 2 vollständig frei hindurchtreten.

4. Optisches System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrungen in der Grundplatte kreisrund mit Durch­ messer mindestens gleich dem der Lichtbündel in der Ebene (E) der optischen Anordnung sind.

5. Optisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß die Schnittgerade der vorder­ seitigen Reflexionsflächen (2a, 5a) der beidseitig ver­ spiegelten Spiegel (2, 5) in einer zur von den einfallen­ den Lichtstrahlen (R, L) aufgespannten Ebene parallelen Ebene liegt.

6. Spiegelsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die beidseitig verspiegelten Spiegel (2, 5) oval geschnitten sind, so daß ihr Rand in der Draufsicht entlang der optischen Achse (A) kreisrund er­ scheint.

7. Spiegelsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Lote auf die Reflexionsflächen der einseitig verspiegelten Spiegel (3, 4, 6, 7) jeweils in einer zur Ebene (E) der optischen Anordnung parallelen Ebene liegen.

8. Spiegelsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß es genau vier einseitig reflektieren­ de Spiegel (3, 4, 6, 7) aufweist.

9. Optisches System nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflexionsflächen der einseitig verspiegelten Spiegel (3, 4, 6, 7) mit der von den einfallenden Licht­ strahlen (R, L) aufgespannten Ebene einen Winkel von 45° einschließen.