DE19525520C2

DE19525520C2 - Optische Anordnung zur Einblendung eines Bildes in den Strahlengang eines Mikroskops

Info

Publication number: DE19525520C2
Application number: DE19525520A
Authority: DE
Inventors: Hans-Juergen Dobschal
Original assignee: Carl Zeiss Jena GmbH
Current assignee: Jenoptik AG
Priority date: 1995-07-13
Filing date: 1995-07-13
Publication date: 1998-03-19
Anticipated expiration: 2015-07-14
Also published as: DE19525520A1; US5835263A; JPH09120029A

Description

Die Erfindung betrifft eine optische Anordnung zur Einblendung eines Bildes in den Strahlengang eines Mikroskops.

Bei der Einkopplung von Strahlengängen in Mikroskope werden allgemein, wie in Fig. 1 dargestellt, teildurchlässige Spiegel 1 verwendet, die das vom Mikroskopobjektiv kommende, primäre Licht in Transmission in Richtung einer in eine Zwischenbildebene abbildenden Tubuslinse 2 passieren lassen, während das von einem Einkopplungsobjekt 3 über eine Einkopplungsoptik 4 kommende, zusätzliche Licht in Reflexion eingekoppelt wird.

Anordnungen dieser Art sind z. B. in EP 088 985 A1 sowie DE 36 23 394 A1 beschrieben, wobei je nach Anwendung einem Beobachter oder einem Chirurgen Zusatzinformationen, Ergänzungsbilder oder einfache LCD-Displays eingespiegelt werden können, um ihm die Beobachtung oder Manipulation zu erleichtern.

Auch die Einspiegelung der Beleuchtung bei Auflichtmikroskopen erfolgt über teildurchlässige Spiegel (DE 36 23 613 A1, DE 39 31 919 A1, DE 36 23 394 A1).

Diese Spiegel sind in den o.g. Anwendungsfällen im Winkel von 45 Grad zum primären Lichtkanal angeordnet und beanspruchen durch ihre Schrägstellung einschließlich der Spiegeldicke einen relativ großen Raum.

Dies steht im Widerspruch zu einer möglichst kompakten Bauform. Um eine Verringerung des Raumes mit klassischen Mitteln zu erreichen, müßte man die Größe des Spiegels wesentlich verkleinern, was zur Folge hätte, daß

1. die Bündeldurchmesser des Einkoppelstrahlenganges deutlich kleiner sein müßten als die des primären Strahlenganges und
2. sich die Spiegelkanten innerhalb des primären Strahlenganges befinden, was zu Störeffekten (Streulicht, nicht homogene Pupille) führt.

In DE 32 46 832 A1 ist in einer Anzeigevorrichtung für eine fotografische Kamera ein Strahlteiler vorgesehen, der auf einer Glasplatte mehrere Reihen von Einkerbungen in Form eines anzuzeigenden Zeichens aufweist, die seitlich beleuchtet werden und einen Teil des seitlichen Beleuchtungslichtes in Richtung des Kameraokulares umlenken.

Diese Art der Einblendung ist technologisch aufwendig und auf die jeweils eingeritzten Zeichen beschränkt.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine optische Anordnung in einem Mikroskop zu realisieren, mit der die Einblendung beliebiger Bilder bei möglichst geringem Platzbedarf in den Beobachtungs- oder Aufzeichnungsstrahlengang eines Mikroskops gewährleistet ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des ersten gegenüber der DE 36 23 394 A1 abgegrenzten Anspruchs gelöst.

Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Durch Einsatz diffraktiver Optik ist es überraschend möglich, die o.g. Anforderungen in einem Mikroskop zu erfüllen. Das kann im einfachsten Falle durch den Einsatz eines einzelnen Transmissions-Beugungsgitters 5 geschehen, wie in Fig. 2 dargestellt. Der Winkel der Flächennormalen des Beugungsgitters zur optischen Achse des primären Lichtkanals kann dabei so klein gehalten werden, daß eine deutliche Reduzierung des Platzbedarfes erreicht wird.

Die Größe des diffraktiven Elementes erstreckt sich über die Breite des gesamten Lichtkanals, so daß keine Kanten des Elementes direkt durch den Lichtkanal verlaufen, womit kein Streulicht wie im Falle eines kleinen Spiegels entstehen kann.

Das primäre Licht wird über die 0. Beugungsordnung des Gitters geführt, während die 1. Ordnung durch die kleine Gitterkonstante weit genug außerhalb des Soll-Strahlenganges abgebeugt wird und somit kein Falschlicht erzeugen kann.

Die Beziehung zwischen Einfallswinkel α und Beugungswinkel β der einzelnen Beugungsordnungen berechnet sich in bekannter Weise zu

sin α + sin β = K_*λ_*g,

wobei
k = Beugungsordnung,
λ = Lichtwellenlänge,
g = Strichzahl des Gitters ist.

Das eingespiegelte Licht wird mittels der abgebeugten 1. Beugungsordnung dem primären Licht überlagert, während die 0. und die höheren Beugungsordnungen außerhalb des Primärstrahlenganges verlaufen.

Aufgrund der Dispersion des Gitters funktioniert dieses Verfahren nur exakt für monochromatisches Licht. Im Falle der Verwendung von polychromatischem Licht ist eine Kompensationswirkung für die Gitterdispersion notwendig (Achromatisierung).

Daher werden vorteilhaft 2 Gitter verwendet, die

1. die gleiche Gitterkonstante besitzen und
2. so zueinander angeordnet sind, daß der Beugungswinkel (β₁) am 1. Gitter gleich dem Einfallswinkel (α₂) am 2. Gitter ist und
3. der Einfallswinkel (α₁) am 1. Gitter gleich dem Beugungswinkel (β₂) am 2. Gitter ist.

Im Falle, daß die Einfalls- bzw. Beugungswinkel nicht im gleichen Medium erfolgen, müssen die Beziehungen (2) und (3) noch etwas präzisiert werden:

2. n₁ _* sin(β₁) = n₂ _* sin(α₂)
3. n₃ _* sin(α₁) = n₄ _* sin(β₂)
mit
n₁: Brechungsindex nach 1. Beugung
n₂: Brechungsindex vor 2. Beugung
n₃: Brechungsindex vor 1. Beugung
n₄: Brechungsindex nach 2. Beugung

Zweckmäßigerweise werden beide Gitter auf einem gemeinsamen Grundkörper aufgebracht, der als flacher Schieber senkrecht zur Achse des primären Strahlengang eingebracht wird. Je nach Ausführungsmethode handelt es sich bei den Gittern um eine Kombination aus Transmissions- und Reflexionsgittern.

In Fig. 3 ist eine derartige Ausführungsform dargestellt:
Das Element besteht aus einer flachen Glasplatte 6, an deren unterer Seite ein Transmissionsgitter 7 aufgebracht ist. Das einzukoppelnde Licht gelangt vom Einkopplungsobjekt 3 beispielsweise einer LCD-Matrix, über die Einkopplungsoptik 4 als paralleles Lichtbündel außerhalb des primären Lichtkanals durch Beugung in die Glasplatte 6 und wird an der oberen Glasplattenseite totalreflektiert. Durch anschließende nochmalige Beugung am Gitter 7 verläßt das eingekoppelte Licht das beugende Element in der gewünschten Richtung.

Die Tubuslinse 2 erzeugt danach ein Bild des Einkopplungsobjektes in der Zwischenbildebene. Der Einfallswinkel α₁ und die Gitterkonstante am Gitter werden so gewählt, daß zum einen eine Totalreflexion an der Plattenoberseite möglich wird und zum anderen der Bildfeldwinkel sowie die Pupillenlage dem primären Kanal angepaßt werden, d. h. eine Anpassung der eingeblendeten Strahlen an die vom Mikroskopobjektiv kommenden Strahlen bezüglich ihrer Lage und ihres Winkels erfolgt, indem sie beispielsweise einen leichten Winkel zur optischen Achse aufweisen.

Ein weiterer Vorteil dieser Anordnung ist es, daß die beiden Gitterhälften als ein zusammenhängendes einzelnes Transmissionsgitter 7 ausgeführt werden können. Für die Winkel gelten erfindungsgemäß folgende Beziehungen: α₁ = β₂ und β₁ = α₂. Die Brechzahlen können in dieser Beziehung weggelassen werden, da die Bedingungen (2) und (3) jeweils im gleichen Medium erfüllt sind.

Das Element kann nun beispielsweise in einem Mikroskop - Durchmesser des primären Lichtkanals ca. 22 mm mit einer Dicke von 3 mm - angeordnet werden, während in der klassischen Lösung mittels eines halbdurchlässigen Spiegels mindestens 25 mm entlang der optischen Achse beansprucht würden.

Eine weitere besonders vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 4 dargestellt:
Das Licht wird mittels einer Einkopplungsoptik 4 in eine Glasplatte 8 eingebracht, an deren gegenüberliegender Seite sich außerhalb des primären Lichtkanals eine Spiegelflanke 9 und ein Reflexionsgitter 10 befinden. Das einzukoppelnde Licht gelangt über den Spiegel 9 und das Reflexionsgitter 10 auf ein an der Unterseite positioniertes Transmissionsgitter 11, wo es analog zur Ausführung in Fig. 3 in die gewünschte Richtung abgebeugt wird.

Das Transmissionsgitter 11 ist hierbei über die gesamte, optische wirksame Fläche des primären Lichtkanals aufgebracht, um eine homogene Wirkung zu erzielen. Es gelten folgende Winkelbeziehungen:

n _* sin(α₁) = sin(β₂); β₁ = α₂ α′₁ = arcsin(n _* sin(α₁))
(n-Brechungsindex des Glasträgers)

Die Erfindung ist jedoch nicht nur an die obengenannten Ausführungsformen gebunden.

Es sind auch Anordnungen mit mehr als zwei diffraktiven Elementen ebenfalls vorstellbar, beinhalten allerdings, daß die Gesamttransmission für das einzukoppelnde Licht deutlich gesenkt wird.

Die diffraktiven Elemente können holografisch oder mechanisch hergestellt werden.

Die Erfindung kann in Beobachtungs-, Vergleichs- oder Operationsmikroskopen vorteilhaft überall dort zur Anwendung kommen, wo aufgrund zu geringen Platzangebotes der Einsatz einer klassischen Spiegelanordnung (analog Abb. 1) für die Einkopplung von Zusatzbildern oder Beleuchtungen nicht möglich ist.

Claims

1. Optische Anordnung zur Einblendung eines Bildes in den Strahlengang eines Mikroskops,

- mit einem teildurchlässigen, im Beobachtungs- oder Aufzeichnungsstrahlengang des Mikroskops angeordneten Einkoppelelement, welches den zu beobachtenden oder aufzuzeichnenden Anteil des Objektlichtes in Transmission passieren läßt und das Licht eines einzublendenden, beliebigen Bildes (3) dem Beobachtungs- oder Aufzeichnungsstrahlengang überlagert, dadurch gekennzeichnet,
- daß das Einkoppelelement als Beugungsgitter (5; 7; 10; 11) ausgebildet ist,
- welches den zu beobachtenden oder aufzuzeichnenden Objektlichtanteil in nullter Beugungsordnung in Transmission passieren läßt und alle höheren Ordnungen des Objektlichtes aus dem Beobachtungs- oder Aufzeichnungsstrahlengang des Mikroskops herausbeugt
- und welches das Licht des einzublendenden Bildes (3) dem Beobachtungs- oder Aufzeichnungsstrahlengang in erster Beugungsordnung überlagert und dessen nullte sowie alle höheren Beugungsordnungen aus dem Beobachtungs- oder Aufzeichnungsstrahlengang des Mikroskops herausbeugt.

2. Optische Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Einkoppelelement den gesamten Querschnitt des Beobachtungs- oder Aufzeichnungsstrahlengangs erfaßt.

3. Optische Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Einblendung von nicht monochromatischem Licht das Einkoppelelement aus einem Reflexionsgitter (10) und einem diesem nachgeschalteten Transmissionsgitter (11) oder alternativ hierzu aus zwei hintereinander ge schalteten Transmissionsgittern (7) besteht, wobei das jeweils zweite Gitter einen durch das jeweils erste Gitter erzeugten Farbfehler ausgleicht.

4. Optische Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Einkoppelelement aus zwei hintereinander geschalteten Transmissionsgittern besteht, von denen das eine das Licht des einzublendenden Bildes in Transmission aufnimmt und das andere dieses Licht in Transmission dem zu beobachtenden oder aufzuzeichnenden Objektlichtanteil überlagert, wobei die Übertragung des Lichtes des einzublendenden Bildes (3) von dem einen zum anderen Transmissionsgitter in Totalreflexion erfolgt und wobei die beiden Transmissionsgitter in ihrer Gitterausrichtung und in ihrer Gitterkonstante übereinstimmen und für die erste Ordnung der Einfallswinkel (α₁) am ersten Gitter gleich dem Beugungswinkel (β₂) am zweiten Gitter und der Beugungswinkel (β₁) am ersten Gitter gleich dem Einfallswinkel (α₂) am zweiten Gitter ist.

5. Optische Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Transmissionsgitter als ein zusammenhängendes Transmissionsgitter (7) ausgebildet sind.

6. Optische Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Bildwiedergabeeinheit, vorzugsweise ein LCD-Display vorgesehen ist, die das in den Beobachtungs- oder Aufzeichnungsstrahlengang des Mikroskops einzublendende Bild (3) erzeugt.

7. Optische Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem Einkoppelelement eine eigene Abbildungsoptik (4) zugeordnet ist.

8. Optische Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Einkoppelelement zwischen dem Mikroskopobjektiv und einer Tubuslinse (2) eingebracht ist.

9. Optische Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das einzublendende Bild (3) das Bild einer Lichtquelle ist.