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Die
Erfindung betrifft eine optische Anordnung, umfassend ein Komptakt-Mikroskop, dessen Okular
durch einen fotoelektrischen Wandler, vorzugsweise eine Schwarz-Weiß- oder
farbtaugliche CCD-Matrixkamera ersetzt ist, sowie mit einem Videoausgangsanschluss
und einer mechanischen oder elektromotorischen Verstelleinrichtung
zur Anpassung der Vergrößerungsverhältnisse
gemäß Oberbegriff
des Patentanspruchs 1.
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Bei üblichen
Lichtmikroskopen wird ein Objekt durch optische Abbildung mit Linsen
vergrößert. Hierbei
wird das vom Objekt kommende Licht durch eine Kombination von mindestens
zwei Linsensystemen, nämlich
dem Objektiv und dem Okular optisch abgebildet. Dabei bildet zunächst das
Objektiv das Objekt in ein reales Zwischenbild ab, welches durch das
Okular analog zur Lupe vergrößert betrachtet wird.
Bei vielen Mikroskopen sind in der Regel die Objektive auswechselbar,
so dass die Vergrößerung der
jeweiligen Aufgabenstellung angepasst wird. Beispielsweise ermöglicht ein
Objektivrevolver einen schnellen Objektivwechsel durch Drehen des
jeweils gewünschten
Objektivs in den Strahlengang.
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Zum
Stand der Technik gehören
weiterhin technisch industrielle Miniaturmikroskope, welche auch
dann einsetzbar sind, wo herkömmliche
Mikroskope schon aufgrund der Größe scheitern.
Bei derartigen Minimaturmikroskopen besteht die Möglichkeit,
ohne Objektivwechsel über
eine stufenlose Zoomfunktion bis zu 400 fach eine Vergrößerung vorzunehmen.
Allerdings sinkt mit steigender Vergrößerung der Arbeitsabstand.
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Ein
derartiges industrielles Mikroskop, welches unter dem Markennamen „TIMM", zurückgehend
auf die SPI Scientific Presision Instruments GmbH, Oppenheim, entwickelt
und vertrieben wurde, besitzt kein Okular, sondern erzeugt über eine
eingebaute Schwarz-Weiß-
oder Farb-CCD-Kamera ein Videobild, welches auf einem Monitor oder
dergleichen dargestellt werden kann. Die Vergrößerung dieses Miniaturmikroskops
wird mit Hilfe einer Rändelschraube
am Ende des Mikroskops eingestellt. Durch den geringeren Bildausschnitt
der CCD-Kamerafläche
kann unter Verzicht auf das Okular eine bessere Vergrößerung erreicht
werden.
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Problematisch
ist jedoch die Tatsache, dass, wie bereits erwähnt, bei steigender Vergrößerung der Arbeitsabstand
sinkt und mit anderen Worten ist jede Vergrößerung einem festen Arbeitsabstand
zugeordnet.
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Aus
dem Vorgenannten ist es daher Aufgabe der Erfindung, eine weiterentwickelte
optische Anordnung, umfassend ein Kompakt-Mikroskop, dessen Okular
durch einen fotoelektrischen Wandler, vorzugsweise eine Schwarz-Weiß- oder
farbtaugliche CCD-Matrixkamera ersetzt ist, sowie mit einem Videoausgangsanschluss
anzugeben, welche es ermöglicht,
einen frei wählbaren
Arbeitsabstand für eine
Vielzahl von Anwendungen des Mikroskops zu realisieren.
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Die
Lösung
der Aufgabe der Erfindung erfolgt durch eine optische Anordnung,
umfassend ein Kompakt-Mikroskop gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs
1, wobei die Unteransprüche
mindestens zweckmäßige Ausgestaltungen
und Weiterbildungen darstellen.
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Erfindungsgemäß wird demnach
das Kompakt-Mikroskop mit einem Vario- oder Zoomobjektiv ergänzt. Bei
dem Zoomobjektiv handelt es sich um eine solche optische Einrichtung,
bei welcher durch zueinander verschiebbare Linsen die Brennweite
und damit der Bildausschnitt veränderbar
ist.
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Konkret
sind bei der vorgestellten Kombination am Mikroskoptubus Mittel
zum lösbaren
Befestigen des unabhängig
von der Vergrößerungs-Verstelleinrichtung
betätigbaren
Varioobjektivs vorgesehen, wobei sich das Varioobjektiv im montierten
Zustand vor dem Mikroskopobjektiv befindet, um durch geeignetes
Verstellen des oder der Variolinsen des Varioobjektivs unterschiedliche,
insbesondere auch größere Betrachtungsabstände mit
ausreichender Vergrößerung zu
realisieren.
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Bei
einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung besteht das Kompakt-Mikroskop aus einem rohrförmigen Gehäuse, an
dessen Objektivseite ein Gewindeabschnitt zur Befestigung des Varioobjektivs befindlich
ist, wobei das Varioobjektiv ebenfalls in einem rohrförmigen Gehäuse angeordnet
ist, dessen eines Ende ein entsprechendes Komplementärgewinde
aufweist.
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Das
Gehäuse
des Varioobjektivs weist eine teilumfangsseitig vorgesehene Aussparung
auf, über welche
eine Betätigungseinrichtung,
insbesondere ein Rändelring
zur Linsenverstellung zugänglich
ist.
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Bei
einer Ausführungsform
der Erfindung kann das Mikroskop eine integrierte Beleuchtungseinrichtung
aufweisen, die vorzugsweise aus Weißlicht lichtemittierenden Dioden
(LEDs) besteht.
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Das
Befestigungsmittel für
das Varioobjektiv kann bei einer Alternative auch als Bajonettverschluss
ausgebildet sein.
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Die Übertragung
der Videosignale des Kompakt-Mikroskops kann drahtgebunden, aber
auch drahtlos erfolgen.
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Selbstverständlich besteht
die Möglichkeit, die
mit dem Varioobjektiv ergänzte
Kompakt-Mikroskop-Anordnung mit einer Ringbeleuchtung oder einer Köhlerbeleuchtung
zu versehen.
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Mit
der vorgestellten Kombination ist eine Vergrößerungsvariation von 1:4 bis
1:8 und mehr möglich,
ohne dass eine Bindung an einen festen Arbeitsabstand besteht. Der
erreichte Arbeitsabstand kann zwischen nahezu unendlich und in etwa
50 bis 100 mm variieren, wobei bei jedem Arbeitsabstand die Variation
der Vergrößerung bei
1:5 bis 1:10 fach liegt, so dass sich eine Gesamtvergrößerungsvaration
von mindestens 1:300 ergibt.
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Es
liegt im Sinne der Erfindung, eine Erweiterung der maximalen Vergrößerung durch
an sich bekannte, zusätzliche
Linsensysteme zu erreichen.
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Die
Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels sowie unter
Zuhilfenahme von Figuren näher
erläutert
werden.
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Hierbei
zeigen:
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1 eine
Strahlengang-Verlaufsdarstellung, wobei das Objekt außerhalb
der doppelten Brennweite der verwendeten Variolinse liegt,
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2 eine
Darstellung des Strahlengangs, wobei das Varioobjektiv derart nahe
am Objekt aufgebaut ist, dass das Objekt innerhalb der doppelten Brennweite
des Varioobjektivs liegt, nicht jedoch innerhalb der Fokuslänge und
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3 eine
Schnittdarstellung des Varioobjektivs.
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Bei
der Darstellung nach 1 erfolgt der Aufbau der Anordnung
derart, dass das Bild, welches im Varioobjektiv erzeugt wird, dann
innerhalb oder nahe an der doppelten Fokuslänge des Mikroskops, aber noch
außerhalb
der Fokuslänge
selbst liegt.
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Eine
Vergrößerung wird
jetzt dadurch aufgebaut, dass das Bild von der entsprechenden Linse des
Mikroskops erfasst und dort vergrößert wird. Auch dann, wenn
das reale Bild, das von der Linse im Varioobjektiv einer Verkleinerung
unterliegt, resultiert auf jeden Fall bei der vorgestellen Anordnung
eine Vergrößerung des
Objekts. Bei einer konkreten Ausführungsform wird die gegebene
Vergrößerung noch über die
Blindvergrößerung zusätzlich um
den Faktor 68 vergrößert. Der
Faktor 68 der Blindvergrößerung ergibt
sich aus dem Verhältnis
von der Diagonale des CCD-Halbleiterchips zur Bildschirmdiagonale,
wobei angenommen wird, dass die Bildschirmdiagonale von einem 17
Zoll Monitor präsentiert
wird.
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Wird
die Vergrößerung im
Mikroskop erhöht, dann
wird normalerweise das Bild unscharf, wenn der Abstand zwischen
Objekt und Mikroskop nicht verkleinert wird. Durch eine Verstellung
der Linse im Varioobjektiv in Richtung des Mikroskops kann jetzt
die Bildschärfe
entsprechend neu zu der erhöhten
Vergrößerung eingerichtet
werden, ohne dass hierbei das Mikroskop auf das Objekt zuzubewegen
ist.
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In
der Figur ist dieser Vorgang dargestellt. Die Linse in dem Varioobjektiv
ist bei einem konkreten Beispiel um ca. 18 mm zu verstellen. Um
die Bildschärfe
im Mikroskop bei einer Erhöhung
der Vergrößerung auszugleichen,
muss dann die Variolinse in Richtung des Mikroskops (mit TIMM bezeichnet)
verstellt werden. Hierbei wird das Bild von der Variolinse zwar
verkleinert, diese Verkleinerung ist aber unwesentlich und umso
bedeutungsloser, je größer der
Arbeitsabstand gewählt
wird. Wird die Variolinse um einen geringen Betrag vom Gegenstand
entfernt, dann ist das Bild, welches nunmehr entsteht, zwar kleiner, aber
es hat einen geringeren Abstand zum Fokus des Mikroskops. Damit
resultiert eine Vergrößerung des Bildes
durch die Lage im Bereich der doppelten Fokuslänge des Mikroskops oder aber
in einem Bereich nahe an der doppelten Fokuslänge.
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Gemäß 2 ist
das Varioobjektiv so nahe am Objekt aufgebaut, dass das Objekt innerhalb
der doppelten Brennweite des Varioobjektivs liegt, aber nicht innerhalb
der Fokuslänge.
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Aus
der vorgenannten Anordnung resultiert schon prinzipiell eine Vergrößerung des
Bildes. Da das Varioobjektiv derart nahe an dem Mikroskop angebracht
und mit diesem verbunden ist, dass das Bild innerhalb der doppelten
Brennweite des Mikroskops entsteht, ergibt sich nunmehr eine sehr
effektive Vergrößerung,
da das Bild bereits optisch vergrößert wird und noch zusätzlich durch
die Blindvergrößerung eine
weitere Vergrößerung resultiert.
In dieser Anordnung können
Vergrößerungen
von 300 fach und mehr erreicht werden, wobei der Arbeitsabstand dann
etwa zwischen 50 und 100 mm liegt.
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In
dieser Anordnungssituation ist eine Vergrößerung des Bildes zu erreichen,
wenn das Varioobjektiv in Richtung des Objekts verschoben wird. Wie
der 2 entnommen werden kann, reicht bereits eine Verstellung
um ca. 5 mm aus, um die Vergrößerung um
den Faktor 5 zu variieren.
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Konkret
folgt aus den vorgestellten Anordnungen, dass die Frontlinse des
Varioobjektivs, aber auch das Mikroskop selbst, nicht in ihrer Lage
verändert Konkret
folgt aus den vorgestellten Anordnungen, dass die Frontlinse des
Varioobjektivs, aber auch das Mikroskop selbst, nicht in ihrer Lage
verändert
werden müssen,
um die Vergrößerung um
mindestens den Faktor 5 zu ändern.
Im Übrigen
steigt die Gesamtvergrößerung umso
mehr, je näher
das Varioobjektiv dem Gegenstand angenähert werden kann.
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Der
Aufbau des Varioobjektivs soll anhand der 3 näher erläutert werden.
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In
einem Zylindergehäuse
befindet sich ein Führungsteil 9,
welches eine Linse 4 aufnimmt. Das Teil 9 stützt sich über eine
Führungshülse 5 an
der Innenwandung des Gehäuses 10 gleitbeweglich
ab. Über
einen Zylinder 6 und einen Gegenzylinder 7, die mit
einem Außen-
bzw. einem Innengewinde versehen sind, ist es möglich, die Führungshülse 5 mitsamt der
Linse 4 in Längsachsenrichtung
der Anordnung zu verstellen.
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Eine
Ausnehmung im Gehäuse 10 ermöglicht den
Zugang zu einem Teil des Gegenzylinders 7, welcher an seiner
Außenoberfläche eine
Riffelung nach Art eines Rändelrings
aufweist.
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Durch
Ausführen
einer Drehbewegung an dieser Rändelung
rotiert der Gegenzylinder 7 mit der Folge der vorerwähnten Verschiebebewegung
des Zylinders 6, der über
die Führungshülse 5 abgestützt ist.
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Der
Optikhalter 3 kann optional eine weitere Linse zur Erhöhung des
Vergrößerungsfaktors
aufnehmen.
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Der
Gegenzylinder 7 ist mit Hilfe eines Lagers gegen die Innenfläche des
Gehäuses 10 abgestützt. Ein
Gewindehals 1 ist mit Hilfe einer Mutter 2 im
Optikhalter 3 (linker Bildteil) gesichert.
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Der
Optikhalter 3 im rechten Bildteil weist eine Bohrung mit
Innengewinde auf, so dass das Varioobjektiv am Mikroskop durch Verschrauben
befestigt werden kann. Hierfür
besitzt das Mikroskop ein Systemschraubgewinde am Kopfende.