WO2020074065A1 - Optische baugruppe, optisches instrument und verfahren - Google Patents

Optische baugruppe, optisches instrument und verfahren Download PDF

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WO2020074065A1
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lens unit
image
lens
optical
image plane
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PCT/EP2018/077422
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Inventor
Peter Kaszian
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Eardley Holding Ag
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Priority to CA3111041A priority patent/CA3111041A1/en
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    • H04N23/00—Cameras or camera modules comprising electronic image sensors; Control thereof
    • H04N23/50—Constructional details
    • H04N23/54—Mounting of pick-up tubes, electronic image sensors, deviation or focusing coils

Definitions

  • the present invention relates to an optical assembly.
  • the invention further relates to an optical instrument which comprises the optical assembly and a method for increasing the resolution of an optical instrument.
  • Distance of 25 cm is regarded as the conventional visual range or reference visual range.
  • the eye can achieve the best spatial resolution for longer periods. If the object is held close to the eye between 25 and 10 cm, a correspondingly better one can be used for short periods
  • Specialized eyepiece and / or image sensor, telephoto lenses or astroobjectives are specifically adapted for increasing distance and macro lenses, microobjectives and nanoobjectives are specifically adapted for increasing compression of the optical information.
  • Focal length-extending optics (so-called extenders), image-transmitting optics (so-called relay optics) and a projection lens can be mounted between the lens and eyepiece / storage medium as well as a projection lens in the projection microscope. In all these cases the quality, i.e. the resolution and contrast of the images.
  • the object of the present invention was to provide an alternative device or an alternative
  • the present invention relates to an optical assembly comprising a first lens unit and a second
  • An intermediate image plane is defined between the first lens unit and the second lens unit.
  • the first lens unit is set up to image an image from a first image plane into an enlarged real intermediate image in the intermediate image plane.
  • a set of possible beam paths through the first lens unit defines a first entrance area in the first image plane and defines it in the
  • the second lens unit is set up to image an image from the intermediate image plane into an enlarged real image in a second image plane.
  • a set of possible beam paths through the second lens unit defines a second in the intermediate image plane
  • the second entry area comprises a first part of the first exit area and excludes a second part of the first exit area.
  • the first image plane lies on the entry side of the first lens unit and the second image plane lies on the exit side of the second lens unit.
  • An optical axis can pass from the entry side of the optical assembly through the first lens unit and the second
  • Lens unit run through to an exit side of the optical assembly.
  • the intermediate image plane is essentially perpendicular to the optical axis.
  • the image in the first image plane can be formed by an object to be imaged, or it can itself be a real intermediate image which is generated by an optical system connected upstream of the optical assembly according to the invention. That in the second
  • the resulting enlarged real image has the desired increased resolution.
  • This enlarged real image that arises in the second image plane can be further enlarged by further subsequent optical elements, viewed through an eyepiece or recorded with an image sensor.
  • the first lens unit has a first entrance opening and a first magnification factor greater than 1, both of which are the possible beam paths through the first Affect lens unit.
  • the second one is the first lens unit.
  • Lens unit a second entrance opening and a second magnification factor greater than 1, both of which influence the possible beam paths through the second lens unit.
  • the first and second entry areas as well as the first and second exit areas are flat
  • the first exit area and the second entry area are both defined in the intermediate image plane. It is characteristic of the optical assembly according to the invention that only part of the first
  • Exit area is overlapped by the second entry area. You can zoom into a detail at this overlap area, so to speak. Only rays that belong to a section of the intermediate image enter through the opening of the second lens unit. I.e. in contrast to a so-called relay optics, not the whole
  • the lens units can consist of a single lens.
  • the lens units can also include mirrors as elements.
  • the first lens unit and the second lens unit can each be constructed as a group of lenses.
  • the two lens units, and optionally other optical elements, can be installed in a common outer tube.
  • Such an outer tube can, for example, on the inside Grooves are provided or blackened to prevent stray light
  • elements can be provided which prevent indirect radiation paths from the second part of the first exit region from entering the input opening of the second lens unit.
  • magnifying lens unit includes the first
  • Entry area a first part of the first image plane and excludes a second part of the first image plane.
  • an exit region of the further lens unit can be positioned with respect to the first image plane in such a way that the further lens unit and the first lens unit form a further optical assembly according to the invention, the further
  • Lens unit has the role of the first lens unit of the further optical assembly and the first
  • optical assembly according to the invention could be used as
  • Multiproj ejection module because there is at least twice a real intermediate image - a projection - generated, namely in the intermediate image plane and in the second image plane.
  • the first lens unit has a first focal length and the second lens unit has a second focal length.
  • the distance from the first lens unit to the intermediate image plane defines a first image width and the distance from the second
  • Lens unit to the second image plane defines a second image width.
  • a ratio of the first focal length to the first image width is in the range 1:10 to 1: 1000.
  • a ratio of the second focal length to the second image width is in the range 1:10 to 1: 1000.
  • the image width is significantly larger than the focal length of the
  • the image width is to be understood as the distance from the last lens of the lens unit to the real intermediate image generated.
  • the first lens unit have a focal length of 11 millimeters and be designed for an image width of 150 millimeters, that is to say have a focal length / image width ratio of approximately 1: 13.6.
  • the first lens unit can have a very short focal length of 0.2 millimeters and can be designed for an image width of 150 millimeters, that is to say have a focal length / image width ratio of 1: 750.
  • the second lens unit can have a focal length-image width ratio according to one of the examples for the first
  • the inventor has recognized that the imaging quality according to this embodiment is particularly high.
  • the ratio of the first focal length to the first image width and / or the ratio of the second focal length to the second image width is greater than or equal to 1:40.
  • the inventor has recognized that in this embodiment it is possible to achieve magnification factors of over 1000 times for the entire assembly with very high optical quality at the same time. This is particularly the case if both the ratio of the first focal length to the first image width and the ratio of the second
  • Focal length to the second image distance is greater than or equal to 1:40.
  • the first and / or the second lens unit has an infinite structure
  • the first and / or second objective unit can have the structure of an infinitely corrected microscope objective.
  • Infinity corrected lens is a
  • first and / or second lens units which both have an infinitely corrected structure, and where the ratio of the focal length to the
  • Image width is greater than or equal to 1:40.
  • the area of the first part of the first exit area is at most one tenth of the area of the first exit area.
  • the excluded second part of the first exit area is much larger than the first part of the first exit area, which corresponds to the second entry area and which is further enlarged by the second lens unit.
  • the area of the first part of the first exit region can
  • the at least one further lens unit is set up to convert an image from the intermediate image plane into an enlarged real image in another
  • Map image plane A set of possible beam paths through the further objective unit defines a further entry area in the intermediate image plane and defines a further exit area in the further image plane, the further entry area being different from the first entry area.
  • the further lens unit has the same function as the second lens unit Exception that it is directed to another entry area. A number of such others
  • Objective units can be arranged next to one another, for example in the manner of a compound eye
  • Each of the other lens units can be any lens unit. Insect.
  • Each of the other lens units can be any lens unit.
  • the further entry areas can be arranged, for example, in a hexagonal arrangement, the further entry areas being able to overlap slightly with one another or with the second entry area at the edge. In this way, parts of the image can be drawn from a large part of the first exit area or from the entire first
  • Embodiment of the optical assembly can, for example, be installed in an optical instrument, in which the further objective units each have a separate one
  • the second lens unit and the further lens units can each be a spherical or an aspherical lens in one
  • Microlens array can be formed, such as
  • Microlens array can comprise 100 to 1000 individual microlenses, that is to say further lens units arranged in parallel.
  • the first lens unit is configured in such a way that it passes through different radial areas of the first lens unit Focus points formed in the area of the intermediate image plane in the direction of an optical axis of the first lens unit are less than 500 nanometers apart, preferably less than 50 nanometers apart.
  • the second lens unit is designed such that the focal points formed by different radial areas of the second lens unit in the
  • Area of the second image plane in the direction of an optical axis of the second lens unit are less than 500 nanometers apart, preferably less than 50 nanometers apart.
  • Area in which the focus points of a lens unit fall i.e. the extent of the area in which the paraxial focus, the center zone focus and the
  • Edge ray focus is a measure of spherical aberration.
  • the spherical aberration of the first and / or the second lens unit is corrected to a high or very high degree.
  • the inventor has recognized that the quality of the image is due to a low spherical aberration of the individual
  • a low spherical aberration can be achieved by a suitably shaped aspherical lens or lens groups with at least one suitably shaped aspherical lens, which are built into the lens unit.
  • a another way to reduce spherical aberration can be achieved by a suitably shaped aspherical lens or lens groups with at least one suitably shaped aspherical lens, which are built into the lens unit.
  • Refractive index-defined aberration correction plate with plan, parallel surfaces to be built into a lens unit at a point where the rays are convergent or divergent.
  • the inventor has recognized that an optimization of the lens units with respect to the spherical aberration to a degree at which the focal points are typically closer than 50 nanometers, ie closer than one tenth
  • the chromatic aberration can be corrected.
  • This correction can be called a so-called
  • the optical assembly has a common mount for the first lens unit and the second lens unit.
  • the first lens unit and the second lens unit can be displaced relative to one another parallel to a common optical axis.
  • the first lens unit and the second lens unit can be displaced relative to one another in a range of 5 mm to 5 cm.
  • Lens units are adjusted so that the common intermediate image plane comes to lie at a suitable distance from the two lens units.
  • the first lens unit and the second lens unit have identical characteristics.
  • One embodiment of the optical assembly comprises three or more lens units arranged one behind the other, each pair of adjacent lens units forming an optical assembly according to the invention,
  • the basic element of the optical assembly comprising two lens units, can be expanded in a cascade.
  • a lens unit enlarges a section of the real image and projects it into a defined distance, where the next lens unit turns a section of this real image into a
  • the real image of the last projection lens can, for example, be made visible via a converging lens and / or an eyepiece, and the image of the object, which is now greatly enlarged and rich in detail, can be made visible via a storage medium or the eye.
  • the optical instrument according to the invention comprises an optical assembly according to the invention and further comprises an image sensor or an eyepiece, the image sensor or the eyepiece being arranged downstream of the second lens unit.
  • the image sensor can have, for example, light-sensitive detector elements arranged in a matrix.
  • image sensors are, for example, in the form of So-called charge-coupled device sensors (CCD sensors) are commercially available.
  • One embodiment of the optical instrument has a perforated diaphragm arranged on the entry side of the optical assembly.
  • the pinhole forms
  • Instruments thus works in the manner of a pinhole camera (camera obscura), in which no setting for a specific object distance is necessary.
  • the optical instrument according to this embodiment could be called a multiscope instrument.
  • the same basic structure of the input lens multiprojection module eyepiece or lens multiprojection module image sensor can be used to build a universal passive optical instrument which is equally suitable for the areas of astro, telephoto, macro, micro and nano photography.
  • the multiprojection module here is the optical one according to the invention
  • an arrangement consists of any input object, a projection lens, a converging lens and an eyepiece in question, the individual elements being arranged in the order mentioned along an optical axis.
  • the input lens is constructed as a telephoto lens.
  • This embodiment is suitable for imaging objects at a greater distance.
  • setting elements for focusing and for a zoom setting can be integrated in the telephoto lens.
  • the subsequent optical assembly with the first and second lens elements further increase the resolution.
  • the input objective has an entry opening greater than or equal to 90 millimeters and has a focal length greater than or equal to 400 millimeters.
  • the invention further relates to an optical instrument, in particular a microscope, which is constructed as an optical instrument according to the invention and wherein
  • Input lens is constructed as a microscope lens.
  • This embodiment is particularly suitable for approaching the object very close to an object to be imaged.
  • the input objective has an entrance opening less than or equal to 6 millimeters and a focal length less than or equal to 10 millimeters.
  • the optical instrument in particular a microscope, further comprises a specimen slide and an illumination unit, starting from the
  • Illumination unit illuminates a light beam from the illumination unit on one side of the slide, then passes through the first and second lens units and finally strikes the image sensor, the first lens unit and second lens unit mounted on a focusing unit being able to be moved together for a maximum of 50 nanometer steps for focusing.
  • the object is further achieved by a method according to claim 20.
  • the method according to the invention is a method for optical imaging by an optical instrument with a first lens unit and a second
  • the first lens unit converts a first image into an enlarged first real one
  • Lens unit real a portion of the first Intermediate picture in an enlarged second real one
  • optical instrument or microscope according to the invention are suitable for the method according to the invention
  • Embodiments correspond to the optical characteristics of a microscope objective. Examples are in
  • first and second lens units are specified, each of which is characterized by its focal length f and its input aperture D in millimeters:
  • Example No. 1 is an embodiment in which the first and second lens units have the same characteristics.
  • the input opening D of the lens units is significantly larger than the focal length f.
  • the quotient D / f lies in the
  • Lens unit in Examples Nos. 1, 2, 4 and 5) and approx. 61 see second lens unit in Example 5).
  • FIG. 1 schematically and simplified one
  • FIG. 2 schematically and simplified one
  • FIG. 3 schematically and simplified one
  • FIG. 4 schematically and simplified one
  • Lens unit arranged lens units.
  • FIG. 1 shows an optical assembly 100 according to the invention, comprising a first lens unit 10 and a second lens unit 20. An optical axis 4 is shown, which passes through both lens units runs through. Input side of the first
  • a first image plane 1 is defined for the lens unit, and there is one between the two lens units
  • Intermediate image plane 2 is defined and a second image plane 3 is defined on the output side of the second lens unit.
  • the levels mentioned are imaginary levels, the position of which is determined by the optical
  • Imaging properties and mutual position of the first and second lens unit is defined.
  • Lens unit 10 is set up to image an image from a first image plane 1 into an enlarged real intermediate image in the intermediate image plane 2.
  • a total of possible beam paths through the first lens unit lies in a kind of entrance cone, which is indicated by dashed lines and
  • the second lens unit 20 is set up to image an image from the intermediate image plane 2 into an enlarged real image in a second image plane 3.
  • Beam paths through the second lens unit also a kind of entrance cone, which is indicated by dashed lines, and defined cut with the
  • a second flat entry area 21 is defined in the second picture plane.
  • the second Entry area 21 comprises a first part of the first exit area, which is hatched diagonally from top left to bottom right in the figure, and excludes a second part of the first exit area.
  • the second excluded area is hatched diagonally from bottom left to top right.
  • Mapping steps have the first entry area 11 and the first exit area 12 hatched in the same way and are the second entry area 21 and the second
  • Hatching does not represent any image content. Arrows on the optical axis 4 indicate the direction of the image.
  • Figure 2 shows a schematic cross section through an embodiment of an optical instrument.
  • An optical assembly 100 is located in the section indicated by a curly bracket. The positions of the first image plane 1, the second image plane 3 and the
  • Intermediate image level 2 is shown with a dashed line.
  • the real pictures respectively.
  • Intermediate images and excerpts from the images and intermediate images are each indicated by arrows in the respective plane, the direction of the arrow indicating the position of the image.
  • a viewed object 60 in an object plane is imaged into the first image plane 1 by an input objective 30.
  • a section 63 from this image 62 is through the first lens unit 10 in the
  • a section 65 of the image 64 in the intermediate image plane is in turn by the second lens unit 20 imaged in the second image plane 3.
  • the image 66 created there is imaged by a converging lens 40 into an image sensor plane 51, behind which an image sensor 50, for example a CCD sensor, is arranged.
  • the figure shown is not to scale.
  • the extension of the optical elements 10, 20, 30, 40 in the direction of the optical axis 4 can be significantly larger.
  • the object 60 under consideration can lie, for example, at a distance of 0.5 meters up to an infinite distance.
  • the input lens 30 may have an input aperture of 90 millimeters or more.
  • the input lens 30 can have a focal length of 400 millimeters or more, for example.
  • the first 10 and second lens unit 20 can both be, for example
  • the first 10 and second lens unit 20 can be of the same type, for example, and an input opening of 6
  • FIG. 3 shows an embodiment of a microscope 300 analogously to FIG. 2.
  • the input objective 30 is a
  • Microscope lens The distance from
  • Object 60 to be imaged up to the input lens is small compared to the diameter of the input lens.
  • input lens 30 may have an input aperture of 6 millimeters or less and may have a focal length of 10 millimeters or less.
  • Image sensor 50 can be constructed in the same way as in FIG. 2.
  • FIG. 4 shows an embodiment in which at least one further lens unit is arranged next to the second lens unit. There are two more in this figure
  • Lens units 20 'and 20' ' shown. They have the same function as the second lens unit 20, but each image a different further entry area 21 ', 21' 'onto a further exit area 22', 22 '' in a further image plane 3 ', 3' '. In the case shown, the entry area 21 'is spatially different from the
  • Entry areas 21 and 21 ′′ partially overlap.
  • the image planes 3, 3 'and 3' ' can have different positions and orientations in space, but they can also be identical planes.

Abstract

Optische Baugruppe (100) umfassend eine erste Objektiveinheit (10) und eine zweite Objektiveinheit (20), wobei zwischen der ersten Objektiveinheit und der zweiten Objektiveinheit eine Zwischenbildebene (2) definiert ist, wobei die erste Objektiveinheit (10) dazu eingerichtet ist, ein Bild von einer ersten Bildebene (1) in ein vergrössertes reelles Zwischenbild in der Zwischenbildebene (2) abzubilden und wobei eine Gesamtheit von möglichen Strahlengängen durch die erste Objektiveinheit in der ersten Bildebene einen ersten Eintrittsbereich (11) definiert und in der Zwischenbildebene einen ersten Austrittsbereich (12) definiert, wobei die zweite Objektiveinheit (20) dazu eingerichtet ist, ein Bild von der Zwischenbildebene (2) in ein vergrössertes reelles Bild in einer zweiten Bildebene (3) abzubilden und wobei eine Gesamtheit von möglichen Strahlengängen durch die zweite Objektiveinheit in der Zwischenbildebene einen zweiten Eintrittsbereich (21) definiert und in der zweiten Bildebene einen zweiten Austrittsbereich (22) definiert, und wobei der zweite Eintrittsbereich (21) einen ersten Teil des ersten Austrittsbereichs umfasst und einen zweiten Teil des ersten Austrittsbereichs ausschliesst. Die Erfindung betrifft weiter ein optisches Instrument umfassend die optische Baugruppe und ein Verfahren.

Description

Optische Baugruppe , optisches Instrument und Verfahren
Die vorliegende Erfindung betrifft eine optische Baugruppe. Die Erfindung betrifft weiter ein optisches Instrument, welches die optische Baugruppe umfasst und ein Verfahren zur Erhöhung der Auflösung eines optischen Instruments.
Passive optische Instrumente erweitern die Möglichkeiten des Auges, sowohl was sein Auflösungsvermögen als auch was seine Helligkeits-Wahrnehmung betrifft. Helligkeits
unterschiede, weit verteilte Raumpositionen und
Farbunterschiede von Objekten werden in Licht
informationspaketen verdichtet, die, wenn sie mit
ausreichender Energie auf große Entfernungen transportiert werden, mit Fernrohren empfangen werden und als zwei dimensionale Bildinformationen entfaltet und präsentiert werden können. Helligkeits-, Raum- und Farbinformationen, die in einem sehr kleinen Raumausschnitt verdichtet
vorliegen, können mit Hilfe des Mikroskops zur weiteren Verwendung bereitgestellt werden.
Für das Auflösungsvermögen des bloßen Auges wird der
Abstand von 25 cm als die konventionelle Sehweite oder Bezugssehweite angesehen. Hier kann das Auge die beste Ortsauflösung für längere Zeiträume erreichen. Wird der Gegenstand zwischen 25 und 10 cm nah an das Auge gehalten, kann für kurze Zeiträume eine entsprechend bessere
Ortsauflösung erreicht werden. Bei entspannten Augen und größeren Entfernungen, mehrere Meter bis ins Unendliche, beträgt das typische Winkelauflösungsvermögen des
menschlichen Auges 1 Winkelminute.
Passive optische Instrumente werden für unterschiedliche Zwecke hergestellt. Ihre Leistungsmerkmale werden
grundsätzlich für das jeweilige Einsatzfeld optimiert. Z.B. kann die Vergrößerung des Fernrohrs oder Mikroskops
sinnvollerweise soweit gesteigert werden, bis die
Winkelauflösung des optischen Gerätes an die des
menschlichen Auges angepasst ist. Man spricht dann von der nützlichen Vergrößerung. Eine zu starke Vergrößerung hingegen, wo der visuelle Kontrast zu gering wird, nennt man eine tote Vergrößerung. Klassische abbildende Systeme, wie Teleskope, Fotokameras und Mikroskope, haben
grundsätzlich den Aufbau spezialisiertes Objektiv,
spezialisiertes Okular und/oder Bildsensor, wobei für zunehmende Entfernung Teleobjektive oder Astroobj ektive spezifisch angepasst sind und für zunehmende Verdichtung der optischen Information Makroobjektive, Mikroobjektive und Nanoobj ektive spezifisch angepasst sind.
Zwischen dem Objektiv und Okular/Speichermedium können brennweitenverlängernde Optiken (sogenannte Extender) , bildweiterleitentende Optiken (sogenannte Relay Optiken) sowie eine Projektionslinse beim Projektionsmikroskop montiert sein. In all diesen Fällen nimmt die Qualität, d.h. die Auflösung und der Kontrast der Abbildungen ab.
Zwar kann auf diesem Wege der Bildausschnitt verkleinert werden, d.h. es findet eine Vergrößerung des betrachteten Objekts statt, jedoch auf Kosten von Bildschärfe und
Detailreichtum.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung bestand darin, eine alternative Vorrichtung, respektive ein alternatives
Verfahren zur Verfügung zu stellen, mit dem die optische Auflösung verbessert werden kann.
Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in abhängigen Ansprüchen angegeben.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine optische Baugruppe umfassend eine erste Objektiveinheit und eine zweite
Objektiveinheit. Zwischen der ersten Objektiveinheit und der zweiten Objektiveinheit ist eine Zwischenbildebene definiert. Die erste Objektiveinheit ist dazu eingerichtet, ein Bild von einer ersten Bildebene in ein vergrössertes reelles Zwischenbild in der Zwischenbildebene abzubilden. Eine Gesamtheit von möglichen Strahlengängen durch die erste Objektiveinheit definiert in der ersten Bildebene einen ersten Eintrittsbereich und definiert in der
Zwischenbildebene einen ersten Austrittsbereich. Die zweite Objektiveinheit ist dazu eingerichtet, ein Bild von der Zwischenbildebene in ein vergrössertes reelles Bild in einer zweiten Bildebene abzubilden. Eine Gesamtheit von möglichen Strahlengängen durch die zweite Objektiveinheit definiert in der Zwischenbildebene einen zweiten
Eintrittsbereich und definiert in der zweiten Bildebene einen zweiten Austrittsbereich. Der zweite Eintrittsbereich umfasst einen ersten Teil des ersten Austrittsbereichs und schliesst einen zweiten Teil des ersten Austrittsbereichs aus .
Die erste Bildebene liegt auf der Eintrittsseite der ersten Objektiveinheit und die zweite Bildebene liegt auf der Austrittsseite der zweiten Objektiveinheit. Eine optische Achse kann von der Eintrittsseite der optischen Baugruppe durch die erste Objektiveinheit und die zweite
Objektiveinheit hindurch zu einer Ausstrittsseite der optischen Baugruppe verlaufen. In diesem Fall können die erste Bildebene, die zweite Bildebene und die
Zwischenbildebene im Wesentlichen senkrecht zur optischen Achse stehen. Das Bild in der ersten Bildebene kann durch ein abzubildendes Objekt gebildet sein, oder es kann seinerseits bereits ein reelles Zwischenbild sein, welches durch eine der erfindungsgemässen optischen Baugruppe vorgeschaltete Optik erzeugt wird. Das in der zweiten
Bildebene entstehende vergrösserte reelle Bild weist die gewünschte erhöhte Auflösung auf. Dieses in der zweiten Bildebene entstehende vergrösserte reelle Bild kann durch weitere nachfolgende Optikelemente weiter vergrössert werden, durch ein Okular betrachtet werden oder mit einem Bildsensor erfasst werden.
Die erste Objektiveinheit hat eine erste Eintrittsöffnung und einen ersten Vergrösserungsfaktor grösser 1, welche beide die möglichen Strahlengänge durch die erste Objektiveinheit beeinflussen. Ebenso hat die zweite
Objektiveinheit eine zweite Eintrittsöffnung und einen zweiten Vergrösserungsfaktor grösser 1, welche beide die möglichen Strahlengänge durch die zweite Objektiveinheit beeinflussen. Der erste und zweite Eintrittsbereich, sowie der erste und zweite Austrittsbereich sind flächige
Bereiche innerhalb der jeweiligen Ebene, in der sie definiert sind. Der erste Austrittsbereich und der zweite Eintrittsbereich sind beide in der Zwischenbildebene definiert. Charakteristisch für die erfindungsgemässe optische Baugruppe ist, dass nur ein Teil des ersten
Austrittsbereichs vom zweiten Eintrittsbereich überlappt ist. An diesem Überlappungsbereich kann sozusagen in ein Detail hineingezoomt werden. Durch die Öffnung der zweiten Objektiveinheit treten nur Strahlen ein, welche zu einem Ausschnitt des Zwischenbildes gehören. D.h. im Gegensatz zu einer sogenannten Relay-Optik wird nicht das gesamte
Zwischenbild in die nachfolgende zweite Objektiveinheit aufgenommen und es ergibt sich durch beide
Objektiveinheiten eine Vergrösserung .
Die Objektiveinheiten können im einfachsten Fall aus einer einzelnen Linse bestehen. Die Objektiveinheiten können auch Spiegel als Elemente beinhalten. Die erste Objektiveinheit und die zweite Objektiveinheit können je als Gruppe von Linsen aufgebaut sein. Die beiden Objektiveinheiten, sowie gegebenenfalls weitere optische Elemente können in ein gemeinsames äusseres Rohr eingebaut sein. Ein solches äusseres Rohr kann beispielsweise auf der Innenseite mit Rillen versehen oder geschwärzt sein, um Streulicht
innerhalb der optischen Baugruppe zu minimieren.
Insbesondere können Elemente vorgesehen sein, welche verhindern, dass indirekte Strahlenpfade aus dem zweiten Teil des ersten Austrittsbereichs in die Eingangsöffnung der zweiten Objektiveinheit gelangen.
Es ist eine kaskadenartige Anordnung mehrerer
erfindungsgemässer optischer Baugruppen möglich, wie im Folgenden auch im Zusammenhang von Ausführungsbeispielen noch erläutert wird. Durch seine Eigenschaft als
vergrössernde Objektiveinheit umfasst der erste
Eintrittsbereich einen ersten Teil der ersten Bildebene und schliesst einen zweiten Teil der ersten Bildebene aus. Bei geeigneter Anordnung einer weiteren Objektiveinheit vor der ersten Objektiveinheit kann ein Austrittsbereich der weiteren Objektiveinheit so bezüglich der ersten Bildebene positioniert werden, dass die weitere Objektiveinheit und die erste Objektiveinheit eine weitere erfindungsgemässe optische Baugruppe bilden, wobei die weitere
Objektiveinheit die Rolle der ersten Objektiveinheit der weiteren optischen Baugruppe hat und wobei die erste
Objektiveinheit der zuerst genannten optischen Baugruppe die Rolle der zweiten Objektiveinheit der weiteren
optischen Baugruppe hat.
Die erfindungsgemässe optische Baugruppe könnte als
Multiproj ektions-Modul bezeichnet werden, da es mindestens zweimal ein reelles Zwischenbild - eine Projektion - erzeugt, nämlich in der Zwischenbildebene und in der zweiten Bildebene.
Wie der Erfinder erkannt hat, treten bei Verwendung der erfindungsgemässen optischen Baugruppe oben erwähnte
Nachteile des Stands der Technik, wie geringere Auflösung oder abnehmender Kontrast bei Relay-Optiken und/oder
Extendern, bei der Vergrößerung eines Objekts nicht auf, im Gegenteil, verbessert sich die Bildqualität des
ursprünglichen Objektivs dramatisch.
In einer Ausführungsform der optischen Baugruppe hat die erste Objektiveinheit eine erste Brennweite und die zweite Objektiveinheit eine zweite Brennweite. Der Abstand von der ersten Objektiveinheit zu der Zwischenbildebene definiert eine erste Bildweite und der Abstand von der zweiten
Objektiveinheit zu der zweiten Bildebene definiert eine zweite Bildweite. Gemäss der Ausführungsform liegt ein Verhältnis der ersten Brennweite zu der ersten Bildweite im Bereich 1:10 bis 1:1000. Alternativ oder in Kombination mit dem genannten Merkmal liegt ein Verhältnis der zweiten Brennweite zu der zweiten Bildweite im Bereich 1:10 bis 1 : 1000.
Im Gegensatz zu Relay-Optiken, bei denen ein Brennweite- Bildweite-Verhältnis im Bereich 1:1 bis 1:2 liegt, ist gemäss der vorliegenden Ausführungsform der Erfindung die Bildweite deutlich grösser als die Brennweite der
jeweiligen Objektiveinheit. Die Bildweite ist als Abstand von der letzten Linse der Objektiveinheit bis zum erzeugten reellen Zwischenbild zu verstehen. Beispielsweise kann die erste Objektiveinheit eine Brennweite von 11 Millimetern aufweisen und für eine Bildweite von 150 Millimetern ausgelegt sein, also ein Brennweite-Bildweite-Verhältnis von ca. 1:13.6 aufweisen. In einem anderen Beispiel gemäss der Ausführungsform kann die erste Objektiveinheit eine sehr kurze Brennweite von 0.2 Millimetern aufweisen und für eine Bildweite von 150 Millimetern ausgelegt sein, also ein Brennweite-Bildweite-Verhältnis von 1:750 aufweisen. Die zweite Objektiveinheit kann ein Brennweite-Bildweite- Verhältnis gemäss einem der Beispiele für die erste
Objektiveinheit haben.
Der Erfinder hat erkannt, dass die Abbildungsqualität gemäss dieser Ausführungsform besonders hoch ist.
Gemäss einer Ausführungsform ist das Verhältnis der ersten Brennweite zur ersten Bildweite und/oder das Verhältnis der zweiten Brennweite zur zweiten Bildweite grösser oder gleich 1:40.
Der Erfinder hat erkannt, dass in dieser Ausführungsform mit Vergrösserungsfaktoren der gesamten Baugruppe von über 1000-fach bei gleichzeitig sehr hoher optischer Qualität erreicht werden können. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn sowohl das Verhältnis der ersten Brennweite zur ersten Bildweite als auch das Verhältnis der zweiten
Brennweite zur zweiten Bildweite grösser oder gleich 1:40 ist . Gemäss einer Ausführungsform hat die erste und/oder die zweite Objektiveinheit einen Aufbau eines unendlich
korrigierten Objektivs.
Insbesondere kann die erste und/oder zweite Objektiveinheit den Aufbau eines unendlich korrigierten Mikroskopobjektivs haben. Unter unendlich korrigiertem Objektiv ist ein
Objektiv zu verstehen, welches bezüglich mindestens einer der folgenden Aberrationen auf unendlich korrigiert ist:
- chromatische Aberration,
- sphärische Aberration,
- Astigmatismus,
- Koma .
Insbesondere können mehrere der genannten Aberrationen oder alle genannten Aberrationen im Wesentlichen auf unendlich korrigiert sein. Auf unendlich korrigiert bedeutet, dass die Korrektur für jeden Punkt hinter der Linse gilt.
Der Erfinder hat erkannt, dass diese Ausführungsform zu überraschend hoher Abbildungsqualität führt. Dabei wirkt sich die Korrektur der genannten Aberrationen nicht nur in den Eigenschaften aus, die man erwarten würde - beispielsweise bei der Korrektur der chromatischen
Aberration in der Verminderung von ungewollten Farbsäumen an Hell-Dunkel-Übergängen - sondern überraschenderweise wird auch die mit der optischen Baugruppe erreichbare
Auflösung stark verbessert.
Starke Verbesserungen der erreichbaren Auflösung werden durch erste und/oder zweite Objektiveinheiten erreicht, welche sowohl einen unendlich korrigierten Aufbau haben, und bei denen auch das Verhältnis der Brennweite zur
Bildweite grösser oder gleich 1:40 ist.
Gemäss einer Ausführungsform beträgt die Fläche des ersten Teils des ersten Austrittsbereichs maximal ein Zehntel der Fläche des ersten Austrittsbereichs.
Gemäss dieser Ausführungsform ist der ausgeschlossene zweite Teil des ersten Austrittbereichs viel grösser als der erste Teil des ersten Austrittsbereichs, der dem zweiten Eintrittsbereich entspricht und der durch die zweite Objektiveinheit weiter vergrössert wird. Die Fläche des ersten Teils des ersten Austrittsbereichs kann
beispielsweise ein Zwanzigstel der Fläche des ersten
Austrittsbereichs oder weniger betragen.
In einer Ausführungsform ist mindestens eine weitere
Objektiveinheit neben der zweiten Objektiveinheit
angeordnet und die mindestens eine weitere Objektiveinheit ist dazu eingerichtet, ein Bild von der Zwischenbildebene in ein vergrössertes reelles Bild in einer weiteren
Bildebene abzubilden. Dabei definiert eine Gesamtheit von möglichen Strahlengängen durch die weitere Objektiveinheit in der Zwischenbildebene einen weiteren Eintrittsbereich und definiert in der weiteren Bildebene einen weiteren Austrittsbereich, wobei der weitere Eintrittsbereich vom ersten Eintrittsbereich verschieden ist.
In dieser Ausführungsform hat die weitere Objektiveinheit dieselbe Funktion, wie die zweite Objektiveinheit, mit Ausnahme, dass sie auf einen anderen Eintrittsbereich gerichtet ist. Eine Mehrzahl solcher weiteren
Objektiveinheiten kann nebeneinander angeordnet sein, beispielsweise in der Art eines Facettenauges eines
Insekts. Jeder der weiteren Objektiveinheiten kann
beispielsweise durch eine einzige Linse gebildet sein. Die weiteren Eintrittsbereiche können beispielsweise in einer hexagonalen Anordnung angeordnet sein, wobei die weiteren Eintrittsbereiche untereinander respektive mit dem zweiten Eintrittsbereich am Rand leicht überlappen können. Auf diese Weise können Bildteile aus einem grossen Teil des ersten Austrittbereichs oder aus dem gesamten erste
Austrittsbereich über eine Mehrzahl von parallel
arbeitenden weiteren Objektiveinheiten lückenlos
aufgenommen und weiter vergrössert werden. Diese
Ausführungsform der optischen Baugruppe kann beispielsweise in einem optischen Instrument eingebaut sein, bei dem die weiteren Objektiveinheiten je vor einem separaten
Bildsensor angeordnet sind. Die zweite Objektiveinheit und die weiteren Objektiveinheiten können jeweils als eine sphärische oder eine asphärische Linse in einem
Mikrolinsenarray gebildet sein, wobei ein solcher
Mikrolinsenarray 100 bis 1000 einzelne Mikrolinsen, also weitere, parallel angeordnete, Objektiveinheiten umfassen kann .
In einer Ausführungsform der optischen Baugruppe ist die ersten Objektiveinheit derart ausgestaltet, dass die durch verschiedene radiale Bereiche der ersten Objektiveinheit gebildeten Fokuspunkte im Bereich der Zwischenbildebene in Richtung einer optischen Achse der ersten Objektiveinheit weniger als 500 Nanometer auseinanderliegen, bevorzugt weniger als 50 Nanometer auseinanderliegen. Alternativ oder in Kombination mit der genannten Ausgestaltung der ersten Objektiveinheit ist die zweite Objektiveinheit derart ausgestaltet, dass die durch verschiedene radialer Bereiche der zweiten Objektiveinheit gebildeten Fokuspunkte im
Bereich der zweiten Bildebene in Richtung einer optischen Achse der zweiten Objektiveinheit weniger als 500 Nanometer auseinanderliegen, bevorzugt weniger als 50 Nanometer auseinanderliegen .
Die Ausdehnung in Richtung der optischen Achse des
Bereichs, in den die Fokuspunkte einer Objektiveinheit fallen, also die Ausdehnung des Bereichs, in dem der paraxiale Fokus, der Mittelzonen-Fokus und der
Randstrahlen-Fokus liegen, ist ein Mass für die sphärische Aberration. In dieser Ausführungsform ist die sphärische Aberration der ersten und/oder der zweiten Objektiveinheit zu einem hohen oder sehr hohen Grad korrigiert. Der
Erfinder hat erkannt, dass die Qualität der Abbildung durch eine geringe sphärische Aberration der einzelnen
Objektivelemente in der erfindungsgemässen Anordnung zu einer optischen Baugruppe überraschend stark verbessert wird .
Eine geringe sphärische Aberration kann durch eine geeignet geformte asphärische Linse oder Linsengruppen mit zumindest einer geeignet geformten asphärischen Linse, welche in die Objektiveinheit eingebaut sind, erreicht werden. Eine weitere Möglichkeit, die sphärische Aberration zu
korrigieren besteht darin, eine durch Dicke und
Brechungsindex definierte Aberrations-Korrekturplatte mit planen, parallelen Oberflächen an einer Stelle in eine Objektiveinheit einzubauen, an der die Strahlen konvergent oder divergent verlaufen.
Der Erfinder hat erkannt, dass auch eine Optimierung der Objektiveinheiten bezüglich der sphärischen Aberration zu einem Grad, bei dem die Fokuspunkte näher als 50 Nanometer, also näher als ein Zehntel einer typischerweise
abgebildeten Wellenlänge, zusammen liegen,
überraschenderweise immer noch zu weiteren
Qualitätssteigerungen der Abbildung durch die
erfindungsgemässe optische Baugruppe führt.
Zusätzlich kann in dieser Ausführungsform, aber auch in anderen Ausführungsformen, die chromatische Aberration korrigiert sein. Diese Korrektur kann als sogenannte
Korrektur auf unendlich ausgeführt sein, d.h. so, dass die Korrektur für jeden Punkt hinter der Linse gilt.
In einer Ausführungsform weist die optische Baugruppe eine gemeinsame Fassung für die erste Objektiveinheit und die zweite Objektiveinheit auf.
In einer Ausführungsform der optischen Baugruppe sind die erste Objektiveinheit und die zweite Objektiveinheit parallel zu einer gemeinsamen optischen Achse gegeneinander verschiebbar. Insbesondere können die erste Objektiveinheit und die zweite Objektiveinheit in einem Bereich von 5mm bis 5cm gegeneinander verschiebbar sein.
In dieser Ausführungsform kann für verschiedene
Objektdistanzen die gegenseitige Lage der beiden
Objektiveinheiten so justiert werden, dass die gemeinsame Zwischenbildebene in einem geeigneten Abstand zu den beiden Objektiveinheiten zu liegen kommt.
In einer Ausführungsform der optischen Baugruppe haben die erste Objektiveinheit und die zweite Objektiveinheit identische Charakteristika.
In dieser Ausführungsform können beispielsweise zwei vorgefertigte Objektiveinheiten identischer Bauart
hintereinander angeordnet werden. Diese ermögliche eine besonders kostengünstige und einfache Fertigung der
optischen Baugruppe.
Eine Ausführungsform der optischen Baugruppe umfasst drei oder mehr hintereinander angeordnete Objektiveinheiten, wobei jeweils ein Paar von benachbarten Objektiveinheiten eine erfindungsgemässe optische Baugruppe bildet,
insbesondere wobei zumindest ein Paar von benachbarten Objektiveinheiten eine optische Baugruppe gemäss einer der genannten Ausführungsformen bildet.
Das zwei Objektiveinheiten umfassende Grundelement der optischen Baugruppe kann kaskadenartig erweitert werden. In jeder Stufe der Kaskade, vergrössert eine Objektiveinheit einen Ausschnitt des reellen Bildes, projiziert ihn in eine definierte Entfernung, wo die nächste Objektiveinheit einen Ausschnitt dieses reellen Bildes wiederum in eine
definierte Entfernung projiziert und das wiederholt sich über jede Stufe des kaskadierenden Systems. Das reelle Bild der letzten Projektionslinse kann beispielsweise über eine Sammellinse und/oder ein Okular, das nun sehr stark vergrößerte und detailreiche Bild des Objekts über ein Speichermedium oder das Auge sichtbar machen.
Diese Ausführungsform ist besonders geeignet für
Gesamtvergrösserungen im Bereich 1'000-fach bis 10 '000- fach .
Merkmale der Ausführungsformen der optischen Baugruppe können beliebig kombiniert werden, sofern nicht
widersprüchlich .
Weiter wird die Aufgabe durch ein optisches Instrument gemäss Anspruch 12 gelöst.
Das erfindungsgemässe optische Instrument umfasst eine erfindungsgemässe optische Baugruppe und umfasst weiter einen Bildsensor oder ein Okular, wobei der Bildsensor oder das Okular der zweiten Objektiveinheit nachgelagert ist.
Im Fall, dass ein Okular verwendet wird, kann das
entstehende hochaufgelöste Bild direkt von Auge betrachtet werden. Der Bildsensor kann beispielsweise matrixartig angeordnete, lichtempfindliche Detektorelemente aufweisen. Derartige Bildsensoren sind beispielsweise in Form von sogenannten Charge-Coupled-Device-Sensoren (CCD-Sensoren) kommerziell erhältlich.
Eine Ausführungsform des optischen Instruments weist eine auf der Eintrittsseite der optischen Baugruppe angeordnete Lochblende auf.
In dieser Ausführungsform bildet die Lochblende ein
virtuelles Objektiv. Die erste Stufe des optischen
Instruments funktioniert damit in der Art einer Lochkamera (Camera Obscura) , bei der keine Einstellung für eine bestimmte Objektdistanz nötig ist.
Eine Ausführungsform des optischen Instruments weist weiter ein auf der Eintrittsseite der optischen Baugruppe
angeordnetes Eingangsobjektiv auf.
Das optische Instrument gemäss dieser Ausführungsform könnte man als Multiskop-Instrument bezeichnen. Mit
demselben Grundaufbau der Eingangsobjektiv- Multiprojektionsmodul-Okular respektive Objektiv- Multiproj ektionsmodul-Bildsensor kann ein universelles passives optisches Instrument aufgebaut werden, welches für die Einsatzbereiche Astro-, Tele-, Makro-, Mikro- und Nano- Fotographie gleichermassen geeignet ist. Dabei ist unter Multiprojektionsmodul die erfindungsgemässe optische
Baugruppe zu verstehen.
Als einfache technische Realisierung dieser Ausführungsform kommt eine Anordnung aus einem beliebigen Eingangsobjekt, einer Projektionslinse, einer Sammellinse und einem Okular in Frage, wobei die einzelnen Elemente in der genannten Reihenfolge entlang einer optischen Achse angeordnet sind.
In einer Ausführungsform des optischen Instruments ist das Eingangsobjektiv als Teleobjektiv aufgebaut.
Diese Ausführungsform ist dazu geeignet, Objekte in grösserer Entfernung abzubilden. In dieser Ausführungsform können Einstellelemente zur Fokussierung und für eine Zoomeinstellung im Teleobjektiv integriert sein. Die nachfolgende optische Baugruppe mit erstem und zweitem Objektivelement sorgen für weitere Erhöhung der Auflösung.
In einer Ausführungsform des optischen Instruments hat das Eingangsobjektiv eine Eintrittsöffnung grösser oder gleich 90 Millimeter und hat eine Brennweite grösser oder gleich 400 Millimeter.
Weiter betrifft die Erfindung ein optisches Instrument, insbesondere ein Mikroskop, welches als erfindungsgemässes optisches Instrument aufgebaut ist und wobei das
Eingangsobjektiv als Mikroskopobjektiv aufgebaut ist.
Diese Ausführungsform ist insbesondere dazu geeignet, mit dem Eingangsobjektiv sehr nahe an ein abzubildendes Objekt heranzugehen .
In einer Ausführungsform des optischen Instruments, insbesondere eines Mikroskops, hat das Eingangsobjektiv eine Eintrittsöffnung kleiner oder gleich 6 Millimeter und eine Brennweite kleiner oder gleich 10 Millimeter.
In einer Ausführungsform umfasst das optische Instrument, insbesondere ein Mikroskop, weiter einen Objektträger und eine Beleuchtungseinheit, wobei, ausgehend von der
Beleuchtungseinheit ein Lichtstrahl der Beleuchtungseinheit eine Seite des Objektträgers beleuchtet, dann die erste und zweite Objektiveinheit passiert und schliesslich auf den Bildsensor trifft, wobei die auf einer Fokussiereinheit montierte erste Objektiveinheit und zweite Objektiveinheit zur Fokussierung gemeinsam maximal in Schritten von maximal 50 Nanometern verschiebbar sind.
Merkmale der Ausführungsformen des optischen Instruments, respektive des Mikroskops sind beliebig kombinierbar, falls nicht widersprüchlich.
Die Aufgabe wird weiter durch ein Verfahren gemäss Anspruch 20 gelöst.
Das erfindungsgemässe Verfahren ist ein Verfahren zur optischen Abbildung durch ein optisches Instrument mit einer ersten Objektiveinheit und einer zweiten
Objektiveinheit. Dabei wird mit der ersten Objektiveinheit ein erstes Bild in ein vergrössertes erstes reelles
Zwischenbild abgebildet. Weiter wird mit der zweiten
Objektiveinheit ein Teilbereich des ersten reellen Zwischenbildes in ein vergrössertes zweites reelles
Zwischenbild abgebildet.
Die erfindungsgemässe optische Baugruppe und das
erfindungsgemässe optische Instrument respektive Mikroskop sind dazu geeignet, das erfindungsgemässe Verfahren
auszuführen .
Die optischen Charakteristika der ersten Objektiveinheit und der zweiten Objektiveinheit können in allen
Ausführungsformen den optischen Charakteristika eines Mikroskopobjektivs entsprechen. Beispielhaft sind im
Folgenden gut funktionierende Kombinationen von ersten und zweiten Objektiveinheiten angegeben, welche jeweils durch ihre Brennweite f und ihre Eingangsöffnung D in Millimetern charakterisiert sind:
Figure imgf000021_0001
Beispiel Nr. 1 ist eine Ausführungsform, bei der die erste und zweite Objektiveinheit die gleichen Charakteristika aufweisen. In allen fünf tabellierten Beispielen ist die Eingangsöffnung D der Objektiveinheiten deutlich grösser als die Brennweite f. Der Quotient D/f liegt in den
angegebenen Beispielen zwischen ca. 3.7 (siehe erste
Objektiveinheit in Beispielen Nr. 1, 2, 4 und 5) und ca. 61 (siehe zweite Objektiveinheit im Beispiel 5) .
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachstehend anhand von Figuren noch näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1 schematisch und vereinfacht eine
erfindungsgemässe optische Baugruppe in
perspektivischer Ansicht;
Fig. 2 schematisch und vereinfacht eine
Ausführungsform eines optischen Instruments im
Querschnitt ;
Fig. 3 schematisch und vereinfacht eine
Ausführungsform eines Mikroskops im Querschnitt;
Fig. 4 schematisch und vereinfacht eine
Ausführungsform mit weiteren, neben der zweiten
Objektiveinheit angeordneten Objektiveinheiten.
In Figur 1 ist eine erfindungsgemässe optische Baugruppe 100 umfassend eine erste Objektiveinheit 10 und eine zweite Objektiveinheit 20 gezeigt. Eine optische Achse 4 ist eingezeichnet, welche durch beide Objektiveinheiten hindurch verläuft. Eingangsseitig der ersten
Objektiveinheit ist eine erste Bildebene 1 definiert, zwischen den beiden Objektiveinheiten ist eine
Zwischenbildebene 2 definiert und ausgangsseitig der zweiten Objektiveinheit ist eine zweite Bildebene 3 definiert. Bei den genannten Ebenen handelt es sich um gedachte Ebenen, deren Lage durch die optischen
Abbildungseigenschaften und gegenseitige Lage der ersten und zweiten Objektiveinheit definiert ist. Die erste
Objektiveinheit 10 ist dazu eingerichtet, ein Bild von einer ersten Bildebene 1 in ein vergrössertes reelles Zwischenbild in der Zwischenbildebene 2 abzubilden. Eine Gesamtheit von möglichen Strahlengängen durch die erste Objektiveinheit liegt in einer Art Eintrittskonus, der durch gestrichelte Linien angedeutet ist und der
geschnitten mit der ersten Bildebene einen ersten flächigen Eintrittsbereich 11 definiert. Analog definiert ein
Austrittskonus mit möglichen Strahlengängen in der
Zwischenbildebene einen ersten flächigen Austrittsbereich 12.
Die zweite Objektiveinheit 20 ist dazu eingerichtet, ein Bild von der Zwischenbildebene 2 in ein vergrössertes reelles Bild in einer zweiten Bildebene 3 abzubilden.
Dabei definiert eine Gesamtheit von möglichen
Strahlengängen durch die zweite Objektiveinheit ebenfalls eine Art Eintrittskonus, der durch gestrichelte Linien angedeutet ist, und definiert geschnitten mit der
Zwischenbildebene einen zweiten flächigen Eintrittsbereich 21. Analog ist in der zweiten Bildebene ein zweiter flächiger Austrittsbereich 22 definiert. Der zweite Eintrittsbereich 21 umfasst einen ersten Teil des ersten Austrittsbereichs, der in der Figur schräg von links oben nach rechts unten schraffiert ist, und schliesst einen zweiten Teil des ersten Austrittsbereichs aus. Der zweite ausgeschlossene Bereich ist schräg von links unten nach rechts oben schraffiert. Zur Verdeutlichung der
Abbildungsschritte sind der erste Eintrittsbereich 11 und der erste Austrittsbereich 12 gleichartig schraffiert und sind der zweite Eintrittsbereich 21 und der zweite
Austrittsbereich 22 gleichartig schraffiert. Diese
Schraffur stellt keinen Bildinhalt dar. Pfeile auf der optische Achse 4 zeigen die Richtung der Abbildung an.
Figur 2 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine Ausführungsform eines optischen Instruments. In dem durch eine geschweifte Klammer angegebenen Abschnitt befindet sich eine optische Baugruppe 100. Die Lagen der ersten Bildebene 1, der zweiten Bildebene 3 und der
Zwischenbildebene 2, sowie weiterer Ebenen ist jeweils mit einer gestrichelten Linie angezeigt. Die reellen Bilder resp. Zwischenbilder sowie Ausschnitte aus den Bildern und Zwischenbildern sind jeweils durch Pfeile in der jeweiligen Ebene angedeutet, wobei die Richtung des Pfeils die Lage des Bildes anzeigt. Ein betrachtetes Objekt 60 in einer Objektebene wird durch ein Eingangsobjektiv 30 in die erste Bildebene 1 abgebildet. Ein Ausschnitt 63 aus diesem Bild 62 wird durch die erste Objektiveinheit 10 in die
Zwischenbildebene 2 abgebildet. Ein Ausschnitt 65 des Bildes 64 in der Zwischenbildebene wird wiederum durch die zweite Objektiveinheit 20 in die zweite Bildebene 3 abgebildet. Das dort entstandene Bild 66 wird durch eine Sammellinse 40 in eine Bildsensorebene 51 abgebildet, hinter der ein Bildsensor 50, beispielsweise ein CCD- Sensor, angeordnet ist.
Die gezeigte Figur ist nicht massstäblich . Insbesondere kann die Ausdehnung der optischen Elemente 10, 20, 30, 40 in Richtung der optischen Achse 4 deutlich grösser sein.
Das betrachtete Objekt 60 kann beispielweise in einer Entfernung von 0.5 Metern bis zu unendlicher Entfernung liegen. Das Eingangsobjektiv 30 kann beispielsweise eine Eingangsöffnung von 90 Millimetern oder mehr haben. Das Eingangsobjektiv 30 kann beispielsweise eine Brennweite von 400 Millimetern oder mehr haben. Die erste 10 und zweite Objektiveinheit 20 können beispielsweise beide die
Charakteristik eine Mikroskopobjektivs haben. Die erste 10 und zweite Objektiveinheit 20 können beispielsweise von gleicher Bauart sein und eine Eingangsöffnung von 6
Millimeter oder weniger aufweisen und eine Brennweite von 10 Millimeter oder weniger aufweisen.
Figur 3 zeigt analog zu Figur 2 eine Ausführungsform eines Mikroskops 300. Hier ist das Eingangsobjektiv 30 ein
Mikroskopobjektiv. Entsprechend ist die Distanz vom
abzubildenden Objekt 60 bis zum Eingangsobjektiv klein im Vergleich zum Durchmesser des Eingangsobjektivs. Das
Eingangsobjektiv 30 kann beispielsweis eine Eingangsöffnung von 6 Millimetern oder weniger aufweisen und kann eine Brennweite von 10 Millimetern oder weniger aufweisen. Die optische Baugruppe 100, die Sammellinse 40 und der
Bildsensor 50 können gleich wie in Figur 2 aufgebaut sein.
Figur 4 zeigt eine Ausführungsform, bei der mindestens eine weitere Objektiveinheit neben der zweiten Objektiveinheit angeordnet ist. In dieser Figur sind zwei weitere
Objektiveinheiten 20' und 20'' gezeigt. Sie haben dieselbe Funktion, wie die zweite Objektiveinheit 20, bilden aber jeweils einen anderen weiteren Eintrittsbereich 21', 21'' auf jeweils einen weiteren Austrittsbereich 22', 22'' in einer weiteren Bildebene 3', 3'' ab. Der Eintrittsbereich 21' ist im gezeigten Fall räumlich von den
Eintrittsbereichen 21 und 21'' getrennt. Die
Eintrittsbereiche 21 und 21'' überlappen teilweise. Die Bildebenen 3, 3' und 3' ' können wie in dieser Figur gezeigt unterschiedliche Lagen und Ausrichtungen im Raum haben, sie können aber auch identische Ebenen sein.
Bezugs zeichenliste
1 erste Bildebene
2 Zwischenbildebene
3 zweite Bildebene
3', 3'' weitere Bildebenen
4 optische Achse
10 erste Objektiveinheit
11 erster Eintrittsbereich
12 erster Austrittsbereich 20 zweite Objektiveinheit
20', 20'' weitere Objektiveinheiten
21 zweiter Eintrittsbereich
21', 21'' weitere Eintrittsbereiche
22 zweiter Austrittsbereich
22 ' , 22 ' ' weitere Austrittsbereiche
30 Eingangsobjektiv
40 Samme11inse
50 Bildsensor
51 Bildsensorebene
60 Objekt
61 Objektebene
62 reelles Bild in der ersten Bildebene
63 Teil des reellen Bilds 62
64 reelles Zwischenbild in der Zwischenbildebene
65 Teil des reellen Zwischenbilds 64
66 reelles Bild in der zweiten Bildebene
67 Teil des reellen Bildes 66
68 reelles Bild in der Bildsensorebene
100 optische Baugruppe
200 optisches Instrument
300 Mikroskop

Claims

Patentansprüche
1. Optische Baugruppe (100) umfassend eine erste
Objektiveinheit (10) und eine zweite Objektiveinheit (20), wobei zwischen der ersten Objektiveinheit und der zweiten Objektiveinheit eine Zwischenbildebene (2) definiert ist, wobei die erste Objektiveinheit (10) dazu eingerichtet ist, ein Bild von einer ersten Bildebene (1) in ein
vergrössertes reelles Zwischenbild in der Zwischenbildebene (2) abzubilden und wobei eine Gesamtheit von möglichen Strahlengängen durch die erste Objektiveinheit in der ersten Bildebene einen ersten Eintrittsbereich (11)
definiert und in der Zwischenbildebene einen ersten
Austrittsbereich (12) definiert,
wobei die zweite Objektiveinheit (20) dazu eingerichtet ist, ein Bild von der Zwischenbildebene (2) in ein
vergrössertes reelles Bild in einer zweiten Bildebene (3) abzubilden und wobei eine Gesamtheit von möglichen
Strahlengängen durch die zweite Objektiveinheit in der Zwischenbildebene einen zweiten Eintrittsbereich (21) definiert und in der zweiten Bildebene einen zweiten
Austrittsbereich (22) definiert, und
wobei der zweite Eintrittsbereich (21) einen ersten Teil des ersten Austrittsbereichs umfasst und einen zweiten Teil des ersten Austrittsbereichs ausschliesst .
2. Optische Baugruppe nach Anspruch 1, wobei die erste Objektiveinheit eine erste Brennweite und die zweite
Objektiveinheit eine zweite Brennweite hat, wobei der Abstand von der ersten Objektiveinheit zu der
Zwischenbildebene eine erste Bildweite definiert, wobei der Abstand von der zweiten Objektiveinheit zu der zweiten Bildebene eine zweite Bildweite definiert und wobei ein Verhältnis der ersten Brennweite zu der ersten Bildweite und/oder ein Verhältnis der zweiten Brennweite zu der zweiten Bildweite im Bereich 1:10 bis 1:1000 liegt.
3. Optische Baugruppe nach Anspruch 2, wobei das
Verhältnis der ersten Brennweite zur ersten Bildweite und/oder das Verhältnis der zweiten Brennweite zur zweiten Bildweite grösser oder gleich 1:40 ist.
4. Optische Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die erste und/oder die zweite Objektiveinheit einen Aufbau eines unendlich korrigierten Objektivs hat.
5. Optische Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Fläche des ersten Teils des ersten
Austrittsbereichs maximal ein Zehntel der Fläche des ersten Austrittsbereichs beträgt.
6. Optische Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei mindestens eine weitere Objektiveinheit neben der zweiten Objektiveinheit angeordnet ist und die mindestens eine weitere Objektiveinheit dazu eingerichtet ist, ein Bild von der Zwischenbildebene (2) in ein vergrössertes reelles Bild in einer weiteren Bildebene (3', 3'') abzubilden und wobei eine Gesamtheit von möglichen
Strahlengängen durch die weitere Objektiveinheit in der Zwischenbildebene einen weiteren Eintrittsbereich (21', 21'') definiert und in der weiteren Bildebene einen
weiteren Austrittsbereich (22', 22'') definiert, wobei der weitere Eintrittsbereich (21', 21'') vom ersten
Eintrittsbereich (21) verschieden ist.
7. Optische Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die ersten Objektiveinheit (10) derart ausgestaltet ist, dass die durch verschiedene radiale Bereiche der ersten Objektiveinheit gebildeten Fokuspunkte im Bereich der Zwischenbildebene (2) in Richtung einer optischen Achse der ersten Objektiveinheit weniger als 500 Nanometer auseinanderliegen, insbesondere weniger als 50 Nanometer auseinanderliegen, und/oder wobei die zweite
Objektiveinheit (20) derart ausgestaltet ist, dass die durch verschiedene radialer Bereiche der zweiten
Objektiveinheit gebildeten Fokuspunkte im Bereich der zweiten Bildebene (3) in Richtung einer optischen Achse der zweiten Objektiveinheit weniger als 500 Nanometer
auseinanderliegen, insbesondere weniger als 50 Nanometer auseinanderliegen .
8. Optische Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die optische Baugruppe eine gemeinsame Fassung für die erste Objektiveinheit (10) und die zweite
Objektiveinheit (20) aufweist.
9. Optische Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die erste Objektiveinheit (10) und die zweite
Objektiveinheit (20) parallel zu einer gemeinsamen
optischen Achse (4) gegeneinander verschiebbar sind, insbesondere in einem Bereich von 5mm bis 5cm gegeneinander verschiebbar sind.
10. Optische Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die erste Objektiveinheit (10) und die zweite
Objektiveinheit (20) identische Charakteristika haben.
11. Optische Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die optische Baugruppe drei oder mehr hintereinander angeordnete Objektiveinheiten (10, 20) umfasst und wobei jeweils ein Paar von benachbarten Objektiveinheiten (10, 20) eine Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 10 bildet .
12. Optisches Instrument (200, 300) umfassend eine
optische Baugruppe gemäss einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei das optische Instrument weiter einen Bildsensor (50) oder ein Okular umfasst und wobei der Bildsensor oder das Okular der zweiten Objektiveinheit nachgelagert ist.
13. Optisches Instrument gemäss Anspruch 12, wobei das optische Instrumente weiter eine auf der Eintrittsseite der optischen Baugruppe angeordnete Lochblende aufweist.
14. Optisches Instrument (200, 300) gemäss Anspruch 12, wobei das optische Instrumente weiter ein auf der
Eintrittsseite der optischen Baugruppe angeordnetes
Eingangsobjektiv (30) aufweist.
15. Optisches Instrument (200) gemäss Anspruch 14, wobei das Eingangsobjektiv (30) als Teleobjektiv aufgebaut ist.
16. Optisches Instrument (200) gemäss Anspruch 14 oder 15, wobei das Eingangsobjektiv eine Eintrittsöffnung grösser oder gleich 90 Millimeter hat und eine Brennweite grösser oder gleich 400 Millimeter hat.
17. Optisches Instrument gemäss Anspruch 14, wobei das Eingangsobjektiv als Mikroskopobjektiv aufgebaut ist.
18. Optisches Instrument nach Anspruch 14 oder 17, wobei das Eingangsobjektiv eine Eintrittsöffnung kleiner oder gleich 6 Millimeter hat und eine Brennweite kleiner oder gleich 10 Millimeter hat.
19. Optisches Instrument nach einem der Ansprüche 17 oder 18, wobei das optische Instrument weiter einen Objektträger und eine Beleuchtungseinheit umfasst, wobei, ausgehend von der Beleuchtungseinheit ein Lichtstrahl der
Beleuchtungseinheit eine Seite des Objektträgers beleuchtet, dann die erste und zweite Objektiveinheit passiert und schliesslich auf den Bildsensor trifft, wobei die auf einer Fokussiereinheit montierte erste
Objektiveinheit und zweite Objektiveinheit zur Fokussierung gemeinsam in Schritten von maximal 50 Nanometern
verschiebbar sind.
20. Verfahren zur optischen Abbildung durch ein optisches Instrument mit einer ersten Objektiveinheit und einer zweiten Objektiveinheit, wobei mit der ersten
Objektiveinheit ein erstes Bild in ein vergrössertes erstes reelles Zwischenbild abgebildet wird und wobei mit der zweiten Objektiveinheit ein Teilbereich des ersten reellen Zwischenbildes in ein vergrössertes zweites reelles
Zwischenbild abgebildet wird.
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