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WO2010081678A1 - Variables telezentrisches mikroskopsystem - Google Patents

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Publication number
WO2010081678A1
WO2010081678A1 PCT/EP2010/000129 EP2010000129W WO2010081678A1 WO 2010081678 A1 WO2010081678 A1 WO 2010081678A1 EP 2010000129 W EP2010000129 W EP 2010000129W WO 2010081678 A1 WO2010081678 A1 WO 2010081678A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
magnification
variable
lens groups
exit pupil
afocal
Prior art date
Application number
PCT/EP2010/000129
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Johannes Winterot
Joerg Sprenger
Johannes Knoblich
Original Assignee
Carl Zeiss Microimaging Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Carl Zeiss Microimaging Gmbh filed Critical Carl Zeiss Microimaging Gmbh
Publication of WO2010081678A1 publication Critical patent/WO2010081678A1/de

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Classifications

    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B13/00Optical objectives specially designed for the purposes specified below
    • G02B13/22Telecentric objectives or lens systems
    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B15/00Optical objectives with means for varying the magnification
    • G02B15/14Optical objectives with means for varying the magnification by axial movement of one or more lenses or groups of lenses relative to the image plane for continuously varying the equivalent focal length of the objective
    • G02B15/145Optical objectives with means for varying the magnification by axial movement of one or more lenses or groups of lenses relative to the image plane for continuously varying the equivalent focal length of the objective having five groups only
    • G02B15/1451Optical objectives with means for varying the magnification by axial movement of one or more lenses or groups of lenses relative to the image plane for continuously varying the equivalent focal length of the objective having five groups only the first group being positive
    • G02B15/145121Optical objectives with means for varying the magnification by axial movement of one or more lenses or groups of lenses relative to the image plane for continuously varying the equivalent focal length of the objective having five groups only the first group being positive arranged +-+-+
    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B21/00Microscopes
    • G02B21/02Objectives
    • G02B21/025Objectives with variable magnification
    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B21/00Microscopes
    • G02B21/0004Microscopes specially adapted for specific applications
    • G02B21/0088Inverse microscopes

Definitions

  • the invention relates to an object-side telecentric microscope system with a lens, a lens subordinate afocal magnification system with continuously variable magnification, the entrance pupil is in the image-side focal point of the lens, and a magnification system downstream tube system.
  • the invention further relates to a continuously variable magnification afocal magnification system for telecentric microscope systems.
  • Microscopes are to be understood by telecentric microscope systems per se with the structure: objective, a second optical stage following the objective with a tube exchange point, wherein the image of the intermediate image is provided in the eyepiece intermediate image, and a subsequent tube lens or a tube system.
  • Inverse microscopes are known systems with objective, an afocal magnification system with a constant negative telescope magnification and a tube system.
  • the partial center is achieved by an objective-near aperture.
  • Microscope systems in which a variable, ie continuously variable, afocal magnification system is arranged downstream of the objective as the second optical stage are known, for example, from the patent literature.
  • This microscope system can not be telecentric over the entire magnification range because the image-side focal point of the objective is not constant on the entrance pupil of the downstream magnification system.
  • variable telecentric microscope systems in particular with object-side telecentricity, are desirable from an application point of view, especially when deeper-lying structures within an object are to be observed and measured.
  • the advantage here is that does not change with an axial displacement of the image scale, so the image of the structure appears independent of the distance between the object and lens always the same size. This allows e.g. an uncomplicated focus.
  • the illumination in coaxial incident light can be significantly improved.
  • the illumination conditions for transmitted light are simplified and permit the use of classical contrasting methods of microscopy by intervention in the condenser focal plane of the transmitted light illumination device.
  • the diameter of the aperture is coupled with the magnification change.
  • the disadvantage here is that the position of the exit pupil of the magnification system is virtual and is subject to large changes, whereby the design of the subsequent optical assemblies is complicated.
  • the invention has for its object to provide a microscope system in which the advantages of an afocal magnification system in conjunction with object-side telecentrics are better usable, for example by eliminating the disadvantage of coupled with the magnification change aperture and large component diameter on image-side output of the afocal magnification changer can be avoided.
  • the objective is followed by a variable afocal magnification system with fixed lens groups of constant entrance and real exit pupil position, the entrance pupil of the magnification system being arranged in the image-side focal point of the objective. It is located, from the object side _- _-
  • the exit pupil is located in advantageous embodiments, also viewed from the object side, behind the last moving lens group of the magnification system.
  • the exit pupil is real in the microscope system according to the invention and thus can be realized by means of a physical diaphragm which serves to limit the bundle.
  • a physical diaphragm which serves to limit the bundle.
  • the telescope magnification of the microscope system according to the invention is negative, it differs in the sign of the above-cited known solutions for zoom systems.
  • the focal lengths and movements of the lens groups of the continuously variable magnification system according to the invention are designed so that the system is afocal with a negative remote magnification and the fixed entrance pupil is always imaged in a real location after the last moving lens group.
  • the systems according to the invention have an intermediate image in their interior.
  • the focal lengths and movements of the lens groups are further designed so that the intermediate image always arises in the same space as a real image with sufficient distance to the components.
  • the most advantageous embodiment of the invention results in fixed input and exit pupil layers arranged outside the lens groups of the magnification system.
  • the fixed entrance pupil position allows the object-side telecentricity of the microscope system.
  • the accessible exit pupil position allows a simple definition of the image bundle and the application of contrasting methods known from classical microscopy through pupillary interventions.
  • the adaptation of the illumination for coaxial incident light and the dimensioning of the tube system are simplified. In Zubdim ⁇ enwir ⁇ en with a visual observation tube is no complicated image erection necessary by the choice of sign of Fernrohrvergro- ß réelle.
  • variable magnification is achieved by displacing at least one of the lens groups of the enlargement system along its optical axis, according to the invention the positions of the entrance pupil being constant over the entire magnification range and imaged to a real location after the last moving lens group, while the position of the intermediate image is variable depending on the variation of magnification.
  • variable telecentric microscope systems in which the objective has a focal length f in the range of 25 mm to 500 mm, the magnification system for a variable telescope magnification in the range between -0.2 times and - 7.5 times is designed , and the tube system is designed with a focal length f in the range of 20 mm to 500 mm.
  • the invention further relates to a variable afocal magnification system per se, specially adapted for use in telecentric microscope systems, comprising: afocal with negative telescope magnification, fixed position of the entrance pupil relative to stationary lens groups, real exit pupil behind the last moving lens group of the magnification system, and an intermediate image formed between the entrance pupil and the exit pupil.
  • the magnification is variable within a certain magnification range, wherein the positions of the entrance pupil is constant over the entire magnification range and is mapped to a real location after the last moving lens group, while the position of the intermediate image in _
  • Afocal enlargement systems according to the present invention require at least four lens groups, for example they can be implemented with four, five, six or even more lens groups.
  • F 'a a telescope or angular magnification of the afocal system, U p as constant distance between entrance and exit pupil, s p or s p ' over all magnification settings, as object or image-side pupil intercept.
  • the magnification system has a variable telescope magnification in the range of -0.25 times to -5.0 times. It comprises five lens groups of which, starting on the object side, the first and fifth lens groups are fixedly positioned in the beam path, while the intervening three lens groups are movable.
  • the fixed and movable lens groups have the refractive power distribution + - x + - +, where x denotes the position of the intermediate image between the lens groups.
  • the lenses within the lens groups are preferably cemented together.
  • the intermediate image is formed in the free beam path, ie outside of optical assemblies, whereby an additional advantage in turn arises insofar as disturbing effects, for example due to shadowing by the smallest uncleanliness, are avoided.
  • FIG. 2 shows the optical components in the beam path of an afocal magnification system according to the invention with variable magnification.
  • FIG.l shows the optical components of an embodiment of the variable telecentric microscope system according to the invention, structured by objective, afocal magnification system and tube system.
  • the object plane is labeled O.
  • the entrance pupil of the magnification system is designated EP, it coincides with the image-side focal point of the objective and produces the object-side center of division.
  • the magnification system comprises the lens groups LG1 with positive refractive power, LG2 with negative refractive power, LG3 with positive refractive power, LG4 negative refractive power and LG5 with positive refractive power.
  • the lens group LG1 consists of the lenses L9 and L10 and is fixedly positioned in the beam path.
  • the lens group LG2 consists of the lenses LIl and L12 and is displaceable in the direction of the beam path.
  • the lens group LG3 consists of the lenses L13 and L14 and another lens L15 and is displaceable in the direction of the beam path.
  • the lens group LG4 consists of the lenses L16 and L17 and is displaceable in the direction of the beam path.
  • the lens group LG5 consists of the lenses L18 and L19 and is firmly positioned in the beam path.
  • the exit pupil of the magnification system is designated AP.
  • the image plane is called B.
  • an intermediate image ZB is formed.
  • the entrance pupil EP and the exit pupil AP maintain their positions in the beam path relative to the stationary lens groups LG1 and LG5, while the position of the intermediate image ZB changes with the variation of the magnification.
  • Table 2 provides information about the distances Vl to V5 between the lens groups LG1 to LG5 at selected magnification settings.
  • the image of the object provides an upright and right-angled image after the tube lens or the tube system, so that no arrangements for image erection are required.
  • FIG. 2 shows an exemplary embodiment of the afocal magnification system according to the invention, which is particularly suitable for use in telecentric microscope systems.
  • the magnification system consists of the lens groups LG1 to LG5 with the properties already described above in terms of refractive power, composition of lenses L9 to L19 and fixed or displaceable positioning in the beam path.
  • the entrance pupil lies in front of the lens group LG1 and is designated EP.
  • the exit pupil lies after the lens group LG5 and is designated by AP. Between the lens groups LG1 and LG2 on the one hand and the lens groups LG3, LG4 and LG5 on the other hand, and thus also between the entrance pupil EP and the exit pupil AP, an intermediate image ZB is formed.
  • the position of the intermediate image ZB changes with the variation of the magnification.
  • Table 1 The design data of the enlargement system, namely the lenses L9 to L19 and the lens groups LG1 to LG5 formed therefrom, are shown in Table 1.
  • Table 2 provides information about the distances Vl to V5 between the lens groups LG1 to LG5 at selected magnification settings.
  • fixed magnification afocal magnification systems are to be formed from the lens groups LG1 to LG5 of Table 1, with the lens groups LG1 to LG5 being arranged at fixed pitches zueincuiuej.
  • the distances are to be taken from Table 2 in association with the respective desired magnification.
  • systems resulting from proportional variations of the geometric data are also included in the invention.
  • An essential advantage of the embodiment of the invention which is described as particularly advantageous is that the constancy of the image-side exit pupil position offers good potential applications for microscopy methods such as incident-light phase contrast, interference contrast, differential interference contrast (DIC) and optical coherence tomography (OCT) or scanning methods.
  • microscopy methods such as incident-light phase contrast, interference contrast, differential interference contrast (DIC) and optical coherence tomography (OCT) or scanning methods.
  • a fixed aperture at the exit pupil location replaces the variable aperture in the entrance pupil and allows for constant image sided apertures over the entire zoom range.
  • the desired reduction of the diameter for the magnification system downstream optics is shown by way of example of the simple and slim design of the tube lens, as shown in Fig.l can be seen.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein telezentrisches Mikroskopsystem mit einem Objektiv, einem dem Objektiv nachgeordneten afokalen Vergrößerungssystem mit kontinuierlicher variabler Vergrößerung, dessen Eintrittspupille (EP) im bildseitigen Brennpunkt des Objektivs liegt, und einem dem Vergrößerungssystem nachgeordneten Tubussystem. Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf ein afokales Vergrößerungssystem mit variabler Vergrößerung für telezentrische Mikroskopsysteme. Erfindungsgemäß ist das Vergrößerungssystem als afokales Vergrößerungssystem mit negativer Fernrohrvergrößerung ausgebildet, die Austrittspupille (AP) ist reell nach der letzten beweglichen Linsengruppe, und im Bereich zwischen der Eintrittspupille (EP) und der Austrittspupille (AP) ist ein Zwischenbild (ZB) ausgebildet, das bei Änderung der Vergrößerung seine Lage ändert.

Description

Variables telezentrisches Mikroskopsystem
Die Erfindung bezieht sich auf ein objektseitig telezentrisches Mikroskopsystem mit einem Objektiv, einem dem Objektiv nachgeordneten afokalen Vergrößerungssystem mit kontinuierlich variabler Vergrößerung, dessen Eintrittspupille im bildseitigen Brennpunkt des Objektivs liegt, und einem dem Vergrößerungssystem nachgeordneten Tubussystem. Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf ein afokales Vergrößerungssystem mit kontinuierlich variabler Vergrößerung für telezentrische Mikroskopsysteme.
Unter telezentrischen Mikroskopsystemen an sich sind Mikroskope zu verstehen mit dem Aufbau: Objektiv, einer dem Objektiv folgenden zweiten optischen Stufe mit einer Tubuswechselstelle, wobei die Abbildung des Zwischenbildes in das Okularzwischenbild vorgesehen ist, und einer nachfolgenden Tubuslinse bzw. einem Tubussystem.
Von inversen Mikroskopen sind Systeme mit Objektiv, einem afokalen Vergrößerungssystem mit konstanter negativer Fernrohrvergrößerung und einem Tubussystem bekannt. Die TeIe- zentrie wird dabei durch eine objektivnahe Blende erreicht.
Mikroskopsysteme, bei denen dem Objektiv als zweite optische Stufe ein variables, also kontinuierlich änderbares afokales Vergrößerungssystem nachgeordnet ist, sind beispielsweise aus der Patentliteratur bekannt.
In US 2006-0092504 Al ist ein derartiges Mikroskopsystem beschrieben. Wird hierbei die Vergrößerung geändert, so an- dem sich auch die Positionen der Eintritts- und der Austrittspupille des Vergrößerungssystems, die Pupillen wandern also im Strahlengang in Abhängigkeit von der Vergrößerungseinstellung.
Dieses Mikroskopsystem kann nicht über den gesamten Vergrößerungsbereich telezentrisch sein, weil der bildseitige Brennpunkt des Objektivs nicht konstant auf der Eintrittspupille des nachgeordneten Vergrößerungssystems liegt.
Variable telezentrische Mikroskopsysteme jedoch, insbesondere mit objektseitiger Telezentrie, sind unter applikati- ven Gesichtspunkten vor allem dann wünschenswert, wenn tiefer liegende Strukturen innerhalb eines Objektes beobachtet und vermessen werden sollen. Von Vorteil ist dabei, daß sich mit einer axialen Objektverschiebung der Abbildungsmaßstab nicht ändert, also das Bild der Struktur unabhängig vom Abstand zwischen Objekt und Objektiv immer gleich groß erscheint. Dies erlaubt z.B. eine unkomplizierte Scharfeinstellung. Außerdem läßt sich die Ausleuchtung in koaxialem Auflicht deutlich verbessern. Die Beleuchtungsverhältnisse für Durchlicht vereinfachen sich und gestatten den Einsatz von klassischen Kontrastierungsverfahren der Mikroskopie durch Eingriff in die Kondensorbrennebene der Durchlichtbe- leuchtungseinrichtung .
Zwar ist bei einem in US 2006-0114554 Al beschriebenen Mikroskopsystem eine feste Eintrittspupillenlage zwischen Objektiv und Vergrößerungssystem vorgesehen, jedoch wird diese mit einer feststehenden, vorverlegten Blende erzwungen.
Um die bildseitige Apertur des Mikroskops in sinnvollen Bereichen zu halten und die Korrektion des Vergrößerungssys- _ _
tems zu ermöglichen, ist der Durchmesser der Blendenöffnung mit der Vergrößerungsänderung gekoppelt. Nachteilig dabei ist jedoch, daß die Lage der Austrittspupille des Vergrößerungssystems virtuell ist und großen Änderungen unterworfen ist, wodurch die Auslegung der nachfolgenden optischen Baugruppen kompliziert ist.
Dies wird bei dem letztgenannten Mikroskopsystem insbesondere anhand der extrem großen Durchmesser der Linsengruppen deutlich, die innerhalb des Vergrößerungssystems der Austrittspupille zugewandt sind.
Von diesem Stand der Technik ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Mikroskopsystem zu schaffen, bei dem die Vorteile eines afokalen Vergrößerungssystems in Verbindung mit objektseitiger Telezentrie besser nutzbar sind, indem beispielsweise der Nachteil einer mit der Vergrößerungsänderung gekoppelten Blendenöffnung beseitigt wird und große Bauteildurchmesser am bildseitigen Ausgang des afokalen Vergrößerungswechslers vermieden werden.
Diese Aufgabe wird gelöst mit einem Mikroskopsystem der eingangs beschriebenen Art, welches die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist. Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Mikroskopsystems sind in den zugehörigen Unteransprüchen angegeben.
Bei dem erfindungsgemäßen Mikroskopsystem folgt dem Objektiv ein variables afokales Vergrößerungssystem mit relativ zu ortsfesten Linsengruppen konstanter Eintritts- und reeller Austrittspupillenlage, wobei die Eintrittspupille des Vergrößerungssystems im bildseitigen Brennpunkt des Objektivs angeordnet ist. Sie befindet sich, von der Objektseite _- _-
aus betrachtet, bevorzugt vor der erster Linsengruppe des Vergrößerungssystems .
Die Austrittspupille befindet sich in vorteilhaften Ausgestaltungen, ebenfalls von der Objektseite aus betrachtet, hinter der letzten bewegten Linsengruppe des Vergrößerungssystems .
In die Erfindung eingeschlossen sind allerdings auch Ausgestaltungen, bei denen die Positionen der Ein- und Austrittspupille von den vorgenannten Positionen abweichen.
Die Austrittspupille ist im erfindungsgemäßen Mikroskopsystem reell und somit durch eine körperliche Blende realisierbar, die der Bündelbegrenzung dient. Mit dem festen Durchmesser der Blendenöffnung werden konstante bildseitige Bündeldurchmesser beim Eintritt in das Tubussystem erziele, was zugleich konstante bildseitige Aperturen hinter dem Tubussystem ermöglicht. Außerdem wird so die objektseitige Telezentrie des Gesamtsystems erreicht.
Die Fernrohrvergrößerung des erfindungsgemäßen Mikroskopsystems ist negativ, sie unterscheidet sich damit im Vorzeichen von den eingangs zitierten bekannten Lösungen für Zoomsysteme.
Die Brennweiten und Bewegungen der Linsengruppen des erfindungsgemäßen kontinuierlich änderbaren Vergrößerungssystems sind so ausgelegt, daß das System afokal mit einer negativen Fernvergrößerung ist und die feste Eintrittspupille stets an einem reellen Ort nach der letzten beweglichen Linsengruppe abgebildet wird. Die erfindungsgemäßen Systeme haben in ihrem Inneren ein Zwischenbild. Die Brennweiten und Bewegungen der Linsengruppen sind weiterhin so ausgelegt, daß das Zwischenbild stets im gleichen Zwischenraum als reelles Bild mit ausreichendem Abstand zu den Bauelementen entsteht.
Die vorteilhafteste Ausfuhrung der Erfindung ergibt sich bei außerhalb der Linsengruppen des Vergroßerungssystems angeordneten festen Ein- und Austrittspupillenlagen.
Die feste Eintrittspupillenlage erlaubt die objektseitige Telezentrie des Mikroskopsystems. Die zugängliche Aus- trittspupillenlage ermöglicht eine einfache Definition des Abbildungsbundeis und die Anwendung von in der klassischen Mikroskopie bekannten Kontrastierungsverfahren durch Pupil- leneingriffe. Die Anpassung der Beleuchtung für koaxiales Auflicht und die Dimensionierung des Tubussystems vereinfachen sich. Im Zubdimιιenwirκen mit einem visuellen Beobachtungstubus ist durch die Vorzeichenwahl der Fernrohrvergro- ßerung keine aufwendige Bildaufrichtung notwendig.
Die variable Vergrößerung wird erzielt, indem mindestens eine der Linsengruppen des Vergroßerungssystems entlang seiner optischen Achse verschiebbar ist, wobei erfindungs- gemaß die Positionen der Eintrittspupille über den gesamten Vergroßerungsbereich konstant ist und an einen reellen Ort nach der letzten bewegten Linsengruppe abgebildet wird, wahrend die Position des Zwischenbildes in Abhängigkeit von der Variation der Vergrößerung veränderlich ist.
Mit unterschiedlichen Kombinationen von festen und bewegten Linsengruppen und Brennweiten sind verschiedene feste Ein- trittspupillenlagen erzielbar. In die Erfindung eingeschlossen sind variable telezentri- sche Mikroskopsysteme, bei denen das Objektiv eine Brennweite f im Bereich von 25 mm bis 500 mm aufweist, das Vergrößerungssystem für eine variable Fernrohrvergrößerung im Bereich zwischen dem -0,2fachen und dem - 7,5fachen ausgestaltet ist, und das Tubussystem mit einer Brennweite f im Bereich von 20 mm bis 500 mm ausgeführt ist.
Eine konkrete Ausgestaltung eines solchen Mikroskopsystems sieht beispielsweise ein Objektiv mit einer Brennweite f =80 mm, ein Vergrößerungssystem für variable Fernrohrvergrößerung im Bereich des -0,25fachen bis -5,0fachen und ein Tubussystem mit einer festen Brennweite f'=200 mm vor.
Die Erfindung beziehe sich weiterhin aut ein variables afokales Vergrößerungssystem an sich, speziell ausgebildet zur Verwendung in telezentrischen Mikroskopsystemen, mit folgenden Merkmalen: afokal mit negativer Fernrohrvergrößerung, feste Position der Eintrittspupille relativ zu ortsfesten Linsengruppen, reelle Austrittspupille hinter der letzten bewegten Linsengruppe des Vergrößerungssystems, und ein zwischen der Eintrittspupille und der Austrittspupille ausgebildetes Zwischenbild.
Die Vergrößerung ist in einem bestimmten Vergrößerungsbereich variierbare, wobei die Positionen der Eintrittspupille über den gesamten Vergrößerungsbereich konstant ist und an einen reellen Ort nach der letzten bewegten Linsengruppe abgebildet wird, während die Position des Zwischenbildes in _
Abhängigkeit von der Variation der Vergrößerung seine Lage ändert .
Afokale Vergroßerungssysteme nach der vorliegenden Erfindung erfordern mindestens vier Linsengruppen, sie sind beispielsweise mit vier, fünf, sechs oder auch mehr Linsengruppen ausfuhrbar.
So laßt sich eine festpositionierte Eintritts- und Austrittspupillenlage bereits mit einem 4-gliedrigen System erreichen, wenn die Steuerkurven für die beweglichen Linsengruppen den folgenden Beziehungen genügen:
Figure imgf000008_0001
Für Systeme mit fünf Linsengruppen gelten die Beziehungen :
Figure imgf000008_0002
s>'
Zusatzlich laßt sich hierbei eine Nebenbedingung erfüllen, wie beispielsweise ein fester Abstand zwischen erster und letzter Linsengruppe nach der Funktion:
Figure imgf000008_0003
Für Systeme mit sechs Linsengruppen laßt sich die folgende Beziehung angeben: r = - SMJl - 1^, &t flu flu & jj ^ s. + Y^ + in-A +fs +s;
Ji1JtJJi ~ hh hh Ji Vs /5 <=i
In den vorgenannten Beziehungen gelten: als Brennweite der jeweiligen Linsengruppe, tλ,t2...t5 als die zu ermittelnden Brennpunktabstande, beispielsweise t]=d]-fi-f2 und damit die durch die Steuer- kurven verkörperten Luftabstände zwischen den Linsengruppen,
F' als Fernrohr- bzw. Winkelvergrößerung des afokalen Systems, Up als über alle Vergrößerungseinstellungen hinweg konstanter Abstand zwischen Eintritts- und Austrittspupille, sp bzw. sp' als objekt- bzw. bildseitige Pupillen- schnittweite .
Die Beziehungen sind leicht in Bedingungen für nur reelle Austrittspupillenlage nach der letzten bewegten Linsengruppe modifizierbar. Simulationen haben gezeigt, daß die Lösungsmengen nicht leer sind und in für den praktischen Gebrauch interessanten Bereichen hinreichend große Zoum.Lciktür6n möglich sind.
In einer konkreten Ausführungsform besitzt das erfindungsgemäße Vergrößerungssystem eine variable Fernrohrvergrößerung im Bereich des -0,25fachen bis -5,0fachen. Es umfaßt fünf Linsengruppen, wovon, objektseitig beginnend, die erste und fünfte Linsengruppe fest im Strahlengang positioniert sind, während die dazwischen liegenden drei Linsengruppen beweglich sind. Die festen und beweglichen Linsengruppen weisen die Brechkraftverteilung + - x + - + auf, wobei x die Position des Zwischenbildes zwischen den Linsengruppen bezeichnet.
Die Linsen innerhalb der Linsengruppen sind vorzugsweise miteinander verkittet. Das Zwischenbild entsteht dabei im freien Strahlengang, d.h. außerhalb von optischen Baugruppen, wodurch ein zusätzlicher Vorteil wiederum insofern entsteht, als störende Effekte, etwa aufgrund von Abschattungen durch kleinste Unsauberkeiten, vermieden werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:
Fig.l die optischen Baugruppen im Strahlengang eines erfindungsgemäßen variablen telezentrischen Mikroskopsystems,
Fig.2 die optischen Baugruppen im Strahlengang eines erfindungsgemäßen afokalen Vergrößerungssystems mit variabler Vergrößerung.
Die Prinzipdarstellung in Fig.l zeigt die optischen Baugruppen eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen variablen telezentrischen Mikroskopsystems, gegliedert nach Objektiv, afokalem Vergrößerungssystem und Tubussystem.
Die Objektebene ist mit O bezeichnet. Das Objektiv mit der Brennweite f'= 80 mm besteht aus den Linsen Ll bis L8.
Die Eintrittspupille des Vergrößerungssystems ist mit EP bezeichnet, sie fällt mit dem bildseitigen Brennpunkt des Objektivs zusammen und erzeugt die objektseitige TeIe- zentrie. Das Vergrößerungssystem umfaßt die Linsengruppen LGl mit positiver Brechkraft, LG2 mit negativer Brechkraft, LG3 mit positiver Brechkraft, LG4 negativer Brechkraft und LG5 mit positiver Brechkraft. Die Linsengruppe LGl besteht aus den Linsen L9 und LlO und ist im Strahlengang fest positioniert. Die Linsengruppe LG2 besteht aus den Linsen LIl und L12 und ist in Richtung des Strahlengangs verschiebbar. Die Linsengruppe LG3 besteht aus den Linsen L13 und L14 und einer weiteren Linse L15 und ist in Richtung des Strahlengangs verschiebbar. Die Linsengruppe LG4 besteht aus den Linsen L16 und L17 und ist in Richtung des Strahlengangs verschiebbar. Die Linsengruppe LG5 besteht aus den Linsen L18 und L19 und ist im Strahlengang fest positioniert.
Die Austrittspupille des Vergrößerungssystems ist mit AP bezeichnet. Das Tubussystem hat die Brennweite f'=200 mm und besteht aus der Linse L20. Die Bildebene trägt die Bezeichnung B.
Zwischen den Linsengruppen LGl und LG2 einerseits und den Linsengruppen LG3, LG4 und LG5 andererseits und somit auch zwischen der Eintrittspupille EP und der Austrittspupille AP ist ein Zwischenbild ZB ausgebildet.
Mit der Verschiebung der Linsengruppen LG2 bis LG4 werden die Abstände Vl bis V5 zwischen den Linsengruppen LGl bis LG5 verändert und dadurch die Vergrößerung der Objektabbildung variiert.
Mit der Variation der Vergrößerung behalten die Eintrittspupille EP und die Austrittspupille AP ihre Positionen im Strahlengang relativ zu den ortsfesten Linsengruppen LGl und LG5 bei, während sich die Position des Zwischenbildes ZB mit der Variation der Vergrößerung ändert. - -
Die Konstruktionsdaten des Objektivs, des Vergrößerungssystems und des Tubussystems sind der angefügten Tabelle 1 zu entnehmen. Die Tabelle 2 gibt Auskunft über die Abstände Vl bis V5 zwischen den Linsengruppen LGl bis LG5 bei ausgewählten Vergrößerungseinstellungen.
Die Abbildung des Objektes liefert ein aufrechtes und seitenrichtiges Bild nach der Tubuslinse bzw. dem Tubussystem, so daß keine Anordnungen zur Bildaufrichtung erforderlich sind.
Fig.2 zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen afokalen Vergrößerungssystems, das insbesondere zur Verwendung in telezentrischen Mikroskopsystemen geeignet ist.
Das Vergrößerungssystem besteht aus den Linsengruppen LGl bis LG5 mir den bereits oben beschriebenen Eigenschaften hinsichtlich Brechkraft, Zusammensetzung aus Linsen L9 bis L19 und fester bzw. verschiebbarer Positionierung im Strahlengang. Die Eintrittspupille liegt vor der Linsengruppe LGl und ist mit EP bezeichnet.
Die Austrittspupille liegt nach der Linsengruppe LG5 und ist mit AP bezeichnet. Zwischen den Linsengruppen LGl und LG2 einerseits und den Linsengruppen LG3, LG4 und LG5 andererseits und somit auch zwischen der Eintrittspupille EP und der Austrittspupille AP ist ein Zwischenbild ZB ausgebildet.
Mit der Verschiebung der Linsengruppen LG2 bis LG4 werden die Abstände Vl bis V5 zwischen den Linsengruppen LGl bis LG5 verändert und so die Vergrößerung variiert. Mit der Variation der Vergrößerung behalten die Eintrittspupille EP - -
und die Austrittspupille AP ihre Positionen im Strahlengang bei, dagegen ändert sich die Position des Zwischenbildes ZB mit der Variation der Vergrößerung.
Die Konstruktionsdaten des Vergrößerυngssystems, namentlich der Linsen L9 bis L19 und der daraus gebildeten Linsengruppen LGl bis LG5 sind der Tabelle 1 zu entnehmen. Die Tabelle 2 gibt Auskunft über die Abstände Vl bis V5 zwischen den Linsengruppen LGl bis LG5 bei ausgewählten Vergrößerungseinstellungen.
Im Rahmen der Erfindung liegt es, neben dem afokalen Vergrößerungssystem mit variabler Vergrößerung, wie vorstehend beschrieben, afokale Vergrößerungssysteme mit unveränderlicher Vergrößerung aus den Linsengruppen LGl bis LG5 nach Tabelle 1 zu bilden, wobei die Linsengruppen LGl bis LG5 in festen Abständen zueincuiuej: anzuordnen sind. Die Abstände sind der Tabelle 2 in Zuordnung zu der jeweils gewünschten Vergrößerung zu entnehmen. Ebenso sind in die Erfindung Systeme eingeschlossen, die sich durch proportionale Abwandlungen der geometrischen Daten ergeben.
Ein wesentlicher Vorteil der als besonders vorteilhaft beschriebenen Ausführung der Erfindung liegt darin, daß die Konstanz der bildseitigen Austrittspupillenlage gute Anwendungsmöglichkeiten für Mikroskopieverfahren wie Auflicht- Phasenkontrast, Interferenzkontrast, Differentialinterferenzkontrast (DIC) sowie Optische Kohärenz-Tomographie (OCT) oder scannende Verfahren bietet.
Eine feste Blende am Ort der Austrittspupille ersetzt die variable Blende in der Eintrittspupille und gestattet konstante bildseitige Aperturen über dem gesamten Zoombereich. Die mit der Erfindung angestrebte Reduzierung des Durchmessers für die dem Vergrößerungssystem nachgeordnete Optik zeigt sich beispielhaft an der einfachen und schlanken Ausführung der Tubuslinse, wie aus Fig.l ersichtlich ist.
BezeichDicken Abstand Brechzahl
Lfd. Nr . Radien r nung d a ne Abbezahl ve
1 Objekt
100
2 89,12956
Ll 11,5 1,53019 76, 62
3 -106,96148
9,48527
4 327, 61242
L2 11,5 1, 49845 81,05
5 -51,00615
L3 6,8 1, 61664 44,27
6 oo
0,20838
7 102,39743
L4 7,2 1,49845 81,05
8 -239,0529
4, 99982
9 62, 45827
L5 10,5 1,53019 76,62
10 -80,32177
L6 7,2 1, 61664 44,27
11 37,81571
13,28984
12 -33,34496
L7 3,5 1,51045 60,99
13 172.82005
L8 5,9 1,76651 39,82
14 -70, 90234
2,6369
15 EP
5
16 305, 66184
L9 6 1,71615 53, 6
17 -142,36071
LlO 4 1,754529 35,09
18 -306,86236
Vl
19 -53,32726
LIl 1,5 1, 49845 81,05
20 63, 44654
L12 4 1,754529 35,09
21 126, 99452
V2
22 -56,72551
L13 4,7 1, 743412 32,04
23 30,87437
L14 9,3 1,65376 55,88
24 -40, 95164
0,1
25 45, 97842
L15 6 1,75844 52,09
26 OO
V3
27 ZB
V4
28 -λS.46SQS L16 4,6 1,754529 35,09
-8,22881
L17 2,5 1,74791 44,57
195,69747
V5
31,3116
L18 3,3 1,754529 35,09
13,71534
L19 4,1 1, 62033 63,04
-59,02686
45, 74037
AP
62, 45459
CO
L20 4 1, 49845 81,05
-99,68997
204 , 1558
3
Bild
Tabelle 1
CM
0) X!
Figure imgf000017_0001
Bezugszeichenliste
Ll bis L20 Linsen
LGl bis LG5 Linsengruppen
EP Eintrittspupille
AP Austrittspupille
ZB Zwischenbild
Vl bis V5 Abstände

Claims

Patentansprüche
1. Variables telezentrisches Mikroskopsystem, umfassend ein Objektiv, ein dem Objektiv nachgeordnetes variables afokales Ver- grόßerungssystem, bestehend aus mehreren Linsengruppen, von denen mindestens eine zur Änderung der Vergrößerung in Richtung des Strahlengangs verschiebbar ist, mit einer Eintrittspupille (EP) , die im bildseitigen Brennpunkt des Objektivs liegt, und einer Austrittspupille (AP), und ein dem Vergroßerungssystem nachgeordnetes Tubussystem, dadurch gekennzeichnet, daß das Vergroßerungssystem als afokales Vergroßerungssystem mit negativer Fernrohrvergroßerung ausgebildet ist, die Austrittspupille (AP) reell ist, und im Bereich zwischen der bintrittspupille (EP) und der Austrittspupille (AP) ein Zwischenbild (ZB) ausgebildet ist, das bei Änderung der Vergrößerung seine Lage ändert.
2. Variables telezentrisches Mikroskopsystem nach Anspruch 1, bei dem die Positionen der Eintrittspupille (EP) und der Austrittspupille (AP) relativ zu ortsfesten Linsengruppen im Strahlengang konstant sind, und sich die Austrittspupille (AP) hinter der letzten verschiebbaren Linsengruppe des Vergroßerungswechslers befindet .
3. Variables telezentrisches Mikroskopsystem nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Vergroßerungssystem aus mindestens vier Linsengruppen besteht.
4. Variables telezentrisches Mikroskopsystem nach einem der vorgenannten Ansprüche, bei dem das Objektiv eine Brennweite f im Bereich von 25 mm bis 500 mm aufweist, das Vergrößerungssystem für eine Fernrohrvergrößerung in einem Bereich zwischen -0,2fachen und dem -7,5fachen ausgestaltet ist, und das Tubussystem mit einer Brennweite f im Bereich von
20 mm bis 500 mm ausgeführt ist.
5. Variables telezentrisches Mikroskopsystem nach Anspruch 4, bei dem das Objektiv eine Brennweite f'=80 mm aufweist, das Vergrößerungssystem für eine Fernrohrvergrößerung in einem Bereich zwischen dem -0,25fachen und dem -5,0fachen ausgestaltet ist, und das Tubussystem mit einer Brennweite f'=200 mm ausgeführt ist.
6. Variables telezentrisches Mikroskopsystem nach einem der vorgenannten Ansprüche mit folgenden Konstruktionsdaten für das Objektiv, das Vergrößerungssystem und das Tubussystem:
Figure imgf000020_0001
Figure imgf000021_0001
L18 3 , 3 1,754529 35,09
LG 5 13 , 71534 L19 4 , 1 1,62033 63,04
59 , 02686
45 , 74 037
AP 62 , 454 59
OO L20 Tubus 4 1,49845 81,05
99 , 68997
204,15583 Bi ld
Afokales Vergrößerungssystem, bestehend aus mehreren Linsengruppen, von denen mindestens eine zur Änderung der Vergrößerung in Richtung des Strahlengangs verschiebbar ist, mit einer ortsfesten objektseitigen Eintrittspupille (EP) und einer bildseitigen Austrittspupille (AP) , gekennzeichnet durch eine variable negative Fernrohrvergroßerung , eine reelle Austrittspupille (AP) , und ein im Bereich zwischen der Eintrittspupille (EP) und der Austrittspupille (AP) ausgebildetes Zwischenbild (ZB) , das bei Änderung der Vergrößerung seine Lage ändert.
Afokales Vergrößerungssystem nach Anspruch 7, bei dem die Positionen der Eintrittspupille (EP) und der Austrittspupille (AP) relativ zu ortsfesten Linsengruppen im Strahlengang konstant sind, und sich die Austrittspupille (AP) hinter der letzten verschiebbaren Linsengruppe des Vergrößerungswechslers befindet .
9. Afokales Vergrößerungssystem nach einem der Ansprüche 7 oder 8, ausgebildet für eine variable Vergrößerung in einem Bereich vom -0,2fachen bis -7,5fachen.
10. Afokales Vergrößerungssystem nach einem der Ansprüche 7 bis 9, ausgestaltet für eine variable Vergrößerung in einem Bereich vom -0,25fachen bis -5, Ofachen, umfassend fünf Linsengruppen (LGl, LG2, LG3, LG4 , LG5) , wovon, objektseitig beginnend, die erste Linsengruppe (LGl) und fünfte Linsengruppe (LG5) fest im Strahlengang positioniert sind, während die dazwischen liegenden drei Linsengruppen (LG2, LG3, LG4 ) beweglich sind, und mit einer Brechkraftverteilung + - x + - + der festen Linsengruppen (LGl, LG5) und der beweglichen Linsengruppen (LG2, LG3, LG4), wobei x die Position des Zwischenbildes (ZB) zwischen den Linsengruppen LG2 und LG3 ist.
11. Afokales Vergrößerungssystem nach einem der Ansprüche 7 bis 10 mit folgenden Konstruktionsdaten:
Figure imgf000023_0001
Figure imgf000024_0001
12. Afokales Vergrößerungssystem nach Anspruch 11 mit ausgewählten Vergrößerungen F bei den variablen Abständen Vl bis V5 nach folgender Tabelle: r -5,00 -2 ,28 -1 , 04 -0 ,47
V -0 ,25
Vl 179,450 177 ,381 128 ,983 61, 435 1, 900
V2 34,595 5, 109 2, 000 6, 154 31, 079
V3 15,000 27, 953 51, 658 65, 386 68, 113
V4 17,005 44, 754 77, 918 131 ,914 165 ,341
V5 23,850 14, 703 9, 342 5, 012 3, 467
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