DE4123279C2 - Stereomikroskop für mehrere Beobachter - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Stereomikroskop für meh­ rere Beobachter nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein derartiges Stereomikroskop ist aus US 4 688 907 bekannt und weist ein Objektiv sowie ein Vergrößerungssystem mit variabler Ver­ größerung und prismatischen Strahlteilern für zu den Okularen für die einzelnen Beobachter geführtes Licht auf. Hierbei wird nur das Objektiv für alle Strahlengänge gemeinsam genutzt, während alle anderen Komponen­ ten entsprechend mehrfach vorgesehen sind. Wenn ein veränderbares Ver­ größerungssystem, das entlang der optischen Achse zu bewegen ist, jedoch zweifach und parallel zueinander vorgesehen ist, ergibt sich ein Ver­ größerungsfehler. Wenn die Betrachtungsrichtung geändert wird, wird das Okular üblicherweise bewegt. In diesem Fall wird bei variablen Ver­ größerungslinsen in doppelter Anordnung Licht vom Vergrößerungssystem das Okular, wenn dieses bewegt wird, verfehlen. Um dies zu verhindern, wird bei Änderung der Betrachtungsrichtung sowohl das Okular als auch das Vergrößerungssystem bewegt. Die hierfür erforderlichen Einrichtungen sind jedoch sehr aufwendig.

Bei dem Stereomikroskop aus JP Sho 60-1110 U ist ebenfalls nur das Objektiv für die beiden dort vorgesehenen Strahlengänge gemeinsam vorgesehen, so daß die obigen Nachteile auch hier vorhanden sind. Ent­ sprechendes trifft für die Stereomikroskope aus US 4 824 228, DE 36 02 095 A1 oder DE 18 52 999 U zu.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Stereomikroskop nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zu schaffen, bei dem der mechanische Aufwand vermindert und ein Vergrößerungsfehler vermieden wird.

Diese Aufgabe wird entsprechend dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von in den beigefügten Abbildungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Fig. 1 und 2 zeigen ein optisches System einer ersten Ausfüh­ rungsform eines Stereomikroskops in Frontansicht bzw. in einer Ansicht von rechts.

Fig. 3 und 4 zeigen ein optisches System einer zweiten Ausfüh­ rungsform in Frontansicht bzw. Draufsicht.

Fig. 5 bis 7 zeigen eine dritte Ausführungsform in Frontan­ sicht bzw. in Ansicht von rechts bzw. eine Draufsicht auf die Anordnung der Abbildungslinsen.

Fig. 8 zeigt das optische System einer vierten Ausführungs­ form.

Fig. 9 und 12 zeigen optische Systeme weiterer Ausführungs­ formen.

Fig. 13 und 14 zeigen perspektivisch zwei Varianten einer Kor­ rektureinrichtung.

Fig. 15 zeigt das optische System einer weiteren Ausführungs­ form.

Das Stereomikroskop der Fig. 1 und 2 ist für zwei Beobachter vorgesehen und umfaßt ein austauschbares Objektiv 21, dem ein afokales Vergrößerungssystem 22 mit variabler Vergrößerung nachgeschaltet ist, dessen optische Achse mit der des Objektivs 21 zusammenfällt. Das Ver­ größerungssystem 22 besteht aus Linsen 22a, 22b, die längs der optischen Achse beweglich sind und einer feststehenden Linse 22c. Die beweglichen Linsen 22a, 22b sind zwischen den ausgezogen und gestrichelt dargestell­ ten Positionen zur Veränderung der Vergrößerung beweglich. Auf der Aus­ trittsseite des Vergrößerungssystems 22 befindet sich eine Abbildungs­ linse 23, auf deren Austrittsseite ein Prisma 24a vorgesehen ist, das die Lichtstrahlen in einen vom Prisma 24a reflektierten und einen vom Prisma 24a durchgelassenen, optischen Strahlengang aufteilt. Das durch­ gelassene Licht gelangt zu einem optischen Bildaufrichter 25 (Porro- Prisma), der aus drei Prismen 25a, 25b und 25c besteht, und von dort zu einem Okular 27 für einen ersten Beobachter. Hierbei haben Okular 27 und Abbildungslinse 23 eine gemeinsame optische Achse. Vom Prisma 24a re­ flektiertes Licht wird durch zwei aufeinanderfolgende Prismen 24b und 24c in ein Okular 26 für einen zweiten Benutzer reflektiert. Diese bil­ den zusammen mit dem Prisma 24a einen Bildaufrichter 24 (Porro-Prisma).

Alle optischen Achsen vom Objektiv 21 bis zu den Okularen 26 und 27 sind deckungsgleich und die effektiven Durchmesser der Okulare 26 und 27 sind größer als der Abstand zwischen den Pupillen der Benutzer, so daß die Augen des jeweiligen Benutzers zum Einstellen des Lichtpunktes für die stereoskopische Bilddarstellung dienen.

Der Bildaufrichter 24 und das Okular 26 können frei um die op­ tische Achse der Abbildungslinse 23 verdreht werden, da sie miteinander verbunden sind. Ebenso können der Bildaufrichter 25 und das Okular 27 frei um die optische Achse der Abbildungslinse 23 verdreht werden, da sie miteinander verbunden sind. Demgemäß können die Beobachter ihre Be­ obachtungsrichtungen bei einfacher Konstruktion frei verändern.

Die Beobachter betrachten das Bild mit gleicher Vergrößerung, da der optische Strahlengang erst hinter dem Vergrößerungssystem 22 auf­ gespalten wird. Die Anbringung von fotographischen oder Fernsehgeräten als Beobachter ist einfach. Eine Augenüberlastung ist nicht zu befürch­ ten.

Zwischen den Prismen 24a und 24b ist die optische Achse zu­ gleich Drehachse A1 und zwischen den Prismen 24b und 24c zugleich Dreh­ achse B1. Wenn die Prismen 24c und 24c um die Drehachsen A1 bzw. B1 ver­ dreht werden, verändert sich der für den stereoskopischen Eindruck ver­ antwortliche Winkel θ. Wenn das Verhältnis des Drehwinkels der Drehachse A1 zu dem der Drehachse 1 : 2 ist, verdreht sich das Bild nicht. Entspre­ chendes gilt für den Bildaufrichter 25 mit den Drehachsen A2 und B2 zwi­ schen den Prismen 25a, 25b bzw. 25b, 25c. Demgemäß kann der Freiheits­ grad in der Beobachtungsrichtung vergrößert werden.

Wenn unter Inkaufnahme einer entsprechenden Lichtabschwächung der Bildaufrichter 24 und das Okular 26 n-fach zwischen den Prismen 24a und 25a bei einem Lichtmengenteilungsverhältnis Transmittanz : Reflektanz = (n+1) : 1 vorgesehen wird, kann die Anzahl der Beobachter auf n + 2 er­ höht werden.

Das Stereomikroskop der Fig. 3 und 4 umfaßt ein optisches Ob­ jektiv- und Vergrößerungssystem 30 mit variabler Vergrößerung sowie oku­ larseitige Bildaufrichter 31a, 31b, 31a und 32b für die Einstellung von vier Pupillen, die in einer Position außerhalb der optischen Achse des Objektiv- und Vergrößerungssystems 30 zwischen diesem und dem Abbil­ dungspunkt desselben angeordnet sind, Prismen 33a, 33b, 34a und 34b für die Justierung des Pupillenabstands und vier Okulare 35a, 35b, 36a und 36b für zwei Be­ obachter. Jeder der Bildaufrichter 31a, 31b, 31a und 32b besteht aus ei­ nem Spiegel und drei Prismen, welche nachstehend unter Verwendung zu­ sätzlicher Buchstaben a, b, c bzw. d zur Bezugszahl des Bildaufrichters bezeichnet sind. Der optische Strahlengang für den ersten Beobachter um­ faßt die Bildaufrichter 31a und 31b, die Prismen 33a und 33b sowie die Okulare 35a und 35b, während die anderen für den zweiten Beobachter sind.

Ein Teil des vom Objektiv- und Vergrößerungssystem 30 kommen­ den Lichts wird durch den außerhalb der optischen Achse befindlichen Spiegel 31ba seitlich und ferner durch die Prismen 31bb, 31bc und 31bd reflektiert und trifft auf das Prisma 31b auf. Nach zweifacher Reflek­ tion im Prisma 33b gelangt es zum Okular 35b. Da die reflektierenden Flächen des Spiegels 31ba und der Prismen 31bb, 31bc und 31bd wie bei einem Porro-Prisma angeordnet sind, wird das Bild aufgerichtet. Die an­ deren Strahlengänge sind entsprechend.

Die Einstellung auf den individuellen Pupillenabstand ist hierbei einfach vornehmbar, auch die Betrachtungsrichtung ist einfach veränderbar. Durch entsprechende. Erhöhung der Anzahl von Bildaufrichtern läßt sich die Anzahl der Beobachter (auch Kameras und Fernsehgeräte) er­ höhen, ohne daß die Helligkeit des Bildes beeinträchtigt wird.

Das in den Fig. 5 bis 7 dargestellte Stereomikroskop umfaßt ein Objektiv 21 und ein afokales Vergrößerungssystem 22 mit variabler Vergrößerung und gemeinsamer optischer Achse, denen Abbildungslinsen 37a, 37b und 37c mit nachfolgenden Strahlteilern 38a, 38b, 38c folgen. Umlenkelemente 39a und 39b für einen ersten Beobachter schließen sich an den Strahlteiler 38a ebenso wie ein Pupilleneinstellsystem einschließ­ lich eines Bildaufrichters 40a bzw. 40b (Porro-Prismen) und Okulare 41 und 41b an, während Bildaufrichter 42a, 42b (Porro-Prismen) und Okulare 43a, 43b für einen zweiten Beobachter vorgesehen sind. Hierbei wird ein Strahlengang entsprechend der Achse C der Abbildungslinse 37a für die gemeinsame Benutzung durch zwei Beobachter aufgespalten, während die Ab­ bildungslinsen 37b, 37c mit ihren Achsen D, E einzeln oder beide um die Achse C verdreht werden können (vgl. Fig. 7), so daß jeder Beobachter seine Betrachtungsrichtung ändern kann. Um die Helligkeitsdifferenz zu eliminieren, die aufgrund der Aufspaltung eines Strahlengangs entsteht, können in den anderen Strahlengängen Lichtteiler 38b, 38c für fotographi­ sche oder Fernsehbeobachter angebracht werden. Die Bildaufrichter 40a, 40b, 42a, 42b können zum Justieren auf den Pupillenabstand um ihre ein­ gangsseitige optische Achse verdreht werden.

Wenn die dem Vergrößerungssystem 22 folgenden Bauteile in ei­ nem gemeinsamen Gehäuse als Einheit untergebracht sind, sind diese Ein­ heiten der Ausführungsformen der Fig. 1, 2 und 5 bis 7 austauschbar.

Bei den vorstehenden Ausführungsformen ändert sich bei Ände­ rung der Vergrößerung der Strahlenverlauf vom strichpunktierten zum ge­ strichelten. Demgemäß ändert sich der stereoskopische Eindruck.

Fig. 8 zeigt ein Stereomikroskop, bei dem sich der stereosko­ pische Eindruck nicht verändert und das ein Objektiv 21, ein afokales Vergrößerungssystem 22 und ein oder mehrere Okularsysteme 53 umfaßt, die aus Abbildungslinsen 53a, welche die parallelen Strahlen abbilden, und Okularen 53b bestehen. Bei einem afokalen Vergrößerungssystem 22 ändert sich der Abstand des Strahlengangs 55 von der optischen Achse 54 mit der Vergrößerung β zwischen h1 und h2 mit β = h1/h2. Um den stereoskopischen Eindruck unverändert zu lassen, muß der Achsabstand des Strahlengangs 55 am Austritt der Objektivlinse und derjenige des Okularsystems 53 zur op­ tischen Achse 54 gleich bleiben. Eine entsprechende Korrektureinrichtung umfaßt Spiegel oder Prismen 56, 57, von denen der Spiegel oder das Pris­ ma 57 feststehend und der Spiegel oder das Prisma 56 senkrecht zur opti­ schen Achse 54 entsprechend h1 × β1 = h2 × β2 mit β1 und β2 = Vergrößerung beim Achsabstand h1 bzw. h2 verstellbar ist. Der Winkel θ bleibt daher unverändert, auch wenn sich die Vergrößerung ändert. Auch der Achsabstand des Strahlengangs 55 im Bereich des Okularsystems 53 bleibt unverändert.

Bei der Ausführungsform von Fig. 9 sind jeweils ein Spiegel oder ein Prisma 57 feststehend und ein Spiegel oder Prisma 58 so ange­ ordnet, daß er oder es bei einer Verstellung der Vergrößerung von β1 zu β2 parallel zur optischen Achse entsprechend h1 × β1 = (h1 + d × sin 2θ) × β2, wobei d der Abstand zwischen der ersten und zweiten Vergrößerungs­ einstellung β1 und β2 ist, bewegt wird. Dies ist aufgrund der vorgesehe­ nen Bewegungsrichtung mechanisch einfach.

Bei der in Fig. 10 dargestellten Ausführungsform sind als Kor­ rektureinrichtung drehbare planparallele Platten 59 so angeordnet, daß sich ihr Drehwinkel mit der Vergrößerung entsprechend (1 - β) × h1/t = sin θ - cos θ/(n² - sin²θ)^1/2 wobei t die Dicke und n der Brechungsin­ dex der planparallelen Platte 59 ist, ändert. Ferner ergibt sich, wenn die Vergrößerung klein und 1 » θ ist, (1 - β) × h1/t = θ × (1 - 1/n).

Bei der in Fig. 11 dargestellten Ausführungsform sind als Kor­ rektureinrichtung Prismen 60, 61 mit demselben Anstellwinkel alpha ihrer Schrägflächen zur optischen Achse vorgesehen, von denen eines oder beide zur Änderung des Abstandes t zwischen den beiden Prismen 60, 61 beweg­ lich sind. Die Bewegung d ist d = t × cos alpha ×(n × cos alpha - (1 - n² × sin²alpha)^1/2)/(1 - n² × sin²alpha)^1/2, worin n der Brechungsin­ dex der Prismen 60, 61 ist. Das Verhältnis, das sich bei einer Änderung der Vergrößerung von β1 zu β2 ergibt, ist β1 × h1 = β2 × (h1 + d). Dies ist ebenfalls mechanisch einfach, weil die Bewegungsrichtung der Prismen 60, 61 mit derjenigen des Vergrößerungssystems 22 zusammenfällt.

Bei der in Fig. 12, 13 dargestellten Ausführungsform sind als Korrektureinrichtung zwei hintereinandergeschaltete Prismen 62, 63 be­ stehend mit einem Brechungsindex n vorgesehen, die komplementär konisch zueinander ausgebildete und einander zugekehrte Flächen aufweisen. Wenn der zwischen den konischen Flächen und der optischen Achse gebildete Winkel gamma ist und alpha = pi/2 - gamma gilt, erfolgt die Bewegung ent­ sprechend den Formel für die Ausführungsform von Fig. 11.

Sind dagegen die konischen Flächen außen angeordnet, wie in Fig. 14 dargestellt, gilt statt dessen:

Bei der Ausführungsform von Fig. 12 bis 14 entfällt eine Kopp­ lung zwischen dem Okularsystem 53 und der Korrektureinrichtung, da ein Drehen des Okularsystems um die optische Achse des Vergrößerungssystems 22 keinen Einfluß hat.

Bei der in Fig. 15 dargestellten Ausführungsform ist ein foka­ les Vergrößerungssystem 64 mit variabler Vergrößerung vorgesehen. Hier­ bei ändert sich bei Änderung des Winkels θ der Konvergenzwinkel epsilon zwischen optischer Achse und Strahlengang im Strahlenaustrittsbereich entsprechend der Änderung der Vergrößerung. Da die Strahlengänge dar­ über hinaus in einer Bildfläche konvergieren, ändern sich sowohl der Kon­ vergenzwinkel epsilon als auch der Abstand des Strahlengangs von der op­ tischen Achse. Dementsprechend muß eine Korrektureinrichtung ausgestal­ tet sein, wenn der stereoskopische Eindruck unverändert bleiben soll, d. h. daß zwei Bewegungen vorgenommen werden müssen. Der Abstand von der Austrittsfläche des Vergrößerungssystems 64 zu den Okularen 68 und auch der optische Abgleich ändern sich.

Gemäß Fig. 15 sind bewegliche Spiegel 65, die die optische Austrittsachse konstant halten, und bewegliche Prismen 66 zur Zweifach­ reflexion vorgesehen, die den optischen Abgleich aufrechterhalten. Das Licht wird, nachdem es die Prismen 66 verlassen hat, in Richtung der Okulare 68 durch Spiegel 67 gelenkt. Jedes der Prismen 66 kann auch durch zwei Spiegel ersetzt werden. Hiermit erreicht man einen sehr kom­ pakten Aufbau.

Hierbei gelten folgende Bedingungen:

h = a × β × sin δ/(β²-sin²δ)^1/2
ζ = π/4 - sin^-1(sin δ/β)
m = p + q/2 - a × β × sin δ/2/(β² - sin²δ)^1/2

wobei h der Abstand zwischen der optischen Achse des Vergrößerungssy­ stems 64 und dem Spiegel 65, zeta der Winkel der optischen Achse des Spiegels 65 mit der optischen Achse des Vergrößerungssystems 64, m der Abstand der Eintrittsfläche des Prismas 66 von der optischen Achse des Vergrößerungssystems 64, a der Abstand des Spiegels 65 von der Bildflä­ che in Richtung der optischen Achse des Vergrößerungssystems 64, p der Abstand der Eintrittsfläche des beweglichen Prismas 66 von der optischen Achse des Vergrößerungssystems 64 und q der Abstand zwischen der Ein­ trittsfläche des beweglichen Prismas 66 und dem Reflexionspunkt der op­ tischen Achse des Spiegels 65 ist.

Claims (12)

1. Stereomikroskop für mehrere Beobachter,

• - mit einem einzigen Objektiv (21) und einem nachgeschalteten Ver­ größerungssystem (22; 64) mit variabler Vergrößerung
• - und mit wenigstens einem Strahlteiler (24a; 31aa, 31ba, 32aa, 32ba; 38a, 38b, 38c; 56; 58; 59; 60; 65), welcher einen Teil des Objektlichts zu dem Okular (26, 27; 35a, 35b, 36a, 36b; 41a, 41b, 43a, 43b; 53b; 68) des ihm zugeordneten Beobachters hin auskoppelt,
  dadurch gekennzeichnet,
• - daß das Vergrößerungssystem (22; 64) des Stereomikroskops für alle Be­ obachter als einziges, gemeinsames Vergrößerungssystem (22; 64) ausge­ bildet ist,
• - und die optische Achse (54) dieses Vergrößerungssystems (22; 64) mit der Objektivachse zusammenfällt und seine optischen Komponenten (22a, 22b, 22c) sämtlich hintereinander angeordnet und radialsymmetrisch zu der optischen Achse (54) ausgebildet sind.

2. Stereomikroskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Vergrößerungssystem (22) als afokales Vergrößerungssystem (22) ausgebildet ist.

3. Stereomikroskop nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem afokalen Vergrößerungssystem (22) eine Korrektureinrichtung (56; 58; 59; 60, 61; 62, 63) zugeordnet ist, welche eine bei einer Vergröße­ rungsänderung durch das afokale Vergrößerungssystem (22) bedingte Ver­ schiebung der diesem Beobachter zugeordneten beiden Stereostrahlengänge derart ausgleicht, daß diese bei jeder Vergrößerung stets an der glei­ chen Stelle in das Okular (53b) dieses Beobachters eintreten.

4. Stereomikroskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Vergrößerungssystem (64) als fokales Vergrößerungssystem (64) ausgebildet ist, wobei dem fokalen Vergrößerungssystem (64) eine Korrek­ tureinrichtung (65, 66, 67) zugeordnet ist, welche eine bei einer Ver­ größerungsänderung durch das fokale Vergrößerungssystem (64) bedingte Verschiebung der diesem Beobachter zugeordneten beiden Stereostrahlen­ gange derart ausgleicht, daß diese bei jeder Vergrößerung stets an der gleichen Stelle in das Okular (68) dieses Beobachters eintreten.

5. Stereomikroskop nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Korrektureinrichtung (56; 58; 65, 66) Spiegelpaare (56; 58; 65, 66) umfaßt, die gemeinsam entweder senkrecht oder parallel zur optischen Achse (54) des Vergrößerungssystems (22, 64) in Abhängig­ keit von dessen Vergrößerung bewegbar sind.

6. Stereomikroskop nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrektureinrichtung (59) ein Paar von planparallelen Platten (59) umfaßt, die gemeinsam um eine Achse senkrecht zur optischen Achse (54) des Vergrößerungssystems (22) in Abhängigkeit von dessen Ver­ größerung drehbar sind.

7. Stereomikroskop nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrektureinrichtung (60, 61) zwei hintereinander geschaltete Prismenpaare mit gleichen Prismen (60, 61) umfaßt, die parallel zur op­ tischen Achse (54) des Vergrößerungssystems (22) in Abhängigkeit von dessen Vergrößerung bewegbar sind.

8. Stereomikroskop nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrektureinrichtung (62, 63) zwei hintereinander geschaltete und komplementär konisch zueinander ausgebildete, optische Komponenten (62, 63) umfaßt, die parallel zur optischen Achse (54) des Vergröße­ rungssystems (22) in Abhängigkeit von dessen Vergrößerung bewegbar sind.

9. Stereomikroskop nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß für jeden Beobachter dessen Okular (26, 27) um die gemeinsame optische Achse (54) vermittels eines Strahlteilers (24a) drehbar ist.

10. Stereomikroskop nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß für jeden Beobachter Prismenpaare (33a, 33b; 34a, 34b) vorgesehen sind, die ein Einstellen auf den individuellen Augenab­ stand dieses Beobachters gewährleisten.

11. Stereomikroskop nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß für zwei Beobachter dem Vergrößerungssystem (22) drei Abbildungslinsen (37a, 37b, 37c) mit zueinander parallelen Achsen (C, D, E) nachgeschaltet sind, wobei eine erste dieser Abbildungslinsen (37a) über einen Strahlteiler (38a) einen Teil des Objektlichtes beiden Beobachtern zuführt und die beiden anderen Abbildungslinsen (37b, 37c) jeweils nur einem Beobachter zugeordnet sind.

12. Stereomikroskop nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden anderen Abbildungslinsen (37b, 37c) unabhängig voneinan­ der in einer Ebene senkrecht zu ihren Achsen (D, E) um die Achse (C) der ersten Abbildungslinse (37a) verschwenkbar sind.