DE4344366A1 - Optisches System mit variablem Abbildungsmaßstab - Google Patents

Optisches System mit variablem Abbildungsmaßstab

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Description

Die Erfindung betrifft ein optisches System nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Videoausgänge an Mikroskopen werden für verschiedene Arbeitsweisen benötigt, z. B. zur Beobachtung über einen Monitor, zur Herstellung von Videoprints, zur rechnergestützten Bildverarbeitung oder zur Archivierung.
Wird das Zwischenbild ohne Anpassungsoptik auf der CCD-Matrix erzeugt, so wird in den wenigsten Fällen ein optimaler Abbildungsmaßstab bzw. Bildausschnitt vorliegen.
Diesem Mangel könnten spezielle Videoanpassungen in Form von Homalen oder Projektiven abhelfen, günstiger sind jedoch Zoomsysteme.
Der nötige Zoombereich ergibt sich aus dem Quotienten aus dem Durchmesser der CCD- Matrix zum Mikroskopzwischenbild mit ca. 8,8 mm/22 mm=0.4 als kleinsten Wert bis zum Quotienten aus Auflösung der CCD-Matrix und Zwischenbild mit 10 m/5 m=2 als größten Wert. Hierbei ist berücksichtigt, daß bei automatischer Bildauswertung eine etwa doppelt so hohe Auflösung erreicht wird als visuell. Dabei muß eine den hochauflösenden Farbkameras entsprechende Bildkorrektion erfüllt werden, mit den vorgegebenen technischen Anschlußmaßen.
Es sind Zoomsysteme (DE 35 44 148, DE 34 18 639 ) mit endlicher Übertragungslänge, z. B. für den Faksimiledruck oder Kopiergeräte bekannt, die theoretisch in Kombination für solche Zwecke einsetzbar sind.
Sowohl bezüglich der Baulänge als auch der Zahl der verwendeten optischen Glieder nach sowie bezüglich des erforderlichen Bereiches des Abbildungsmaßstabes sind die dabei auftretenden Nachteile jedoch kaum akzeptabel.
Die Erfindung geht daher von der Aufgabe aus, eine Videozoomanpassung kurzer Baulänge zu realisieren, die alle praktisch benötigten Abbildungsmaßstäbe für zur Zeit verfügbare und zu erwartende Videokameratypen ermöglicht und trotz dieser Anforderung mit wenigen optischen Bauteilen auskommt und somit für den Anwender eine kostengünstige und effiziente Lösung darstellt.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer gattungsgemäßen Anordnung durch die kennzeichnenden Merkmale des ersten Anspruchs gelöst.
Besonders vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen aufgeführt und werden in der nachstehenden Beschreibung näher erläutert.
Das erfindungsgemäße optische System besteht aus 3 Gliedern positiver Brechkraft, wovon das in Lichtrichtung erste Glied eine feststehende achromatische Linsengruppe ist, während das zweite und dritte Glied je eine achromatische, längs der optischen Achse verschiebbare Gruppe ist.
Die Feldlinsengruppe ist dabei vorteilhaft als Meniskus ausgebildet, der vor dem vom Mikroskop erzeugten Bild B angeordnet ist und dessen letzte Fläche zur Korrektion der Bildfeldwölbung eine zerstreuende ist und nah am entstehenden Zwischenbild ZB liegt, dessen erste Fläche dagegen zur Erzeugung der richtigen Lage der Austrittspupille nahe der Geräteanlagefläche A liegt.
Die Austrittspupille liegt besonders vorteilhaft in der dritten Linsengruppe bei deren mittlerer Verschiebelage. Damit ergibt sich eine leicht konvergente Pupillenabbildung, womit insgesamt der für hochauflösende Farbkameras nötige geringe Bildwinkel im gesamten Zoombereich eingehalten wird.
Durch diese Pupillenabbildung wird außerdem erreicht, daß die Durchmesser der zweiten und dritten Linsengruppe minimal werden, was nicht nur optimal für die Bildfeldkorrektion ist, sondern sich auch günstig auf den Preis auswirkt.
Eine weitere erfindungsgemäße Eigenschaft des ersten optischen Gliedes ist es, das Zwischen­ bild im Abbildungsmaßstab von etwa 1 : 2 abzubilden, was sowohl zur Verkürzung der Bau­ länge führt, als auch in Verbindung mit dem meniskusförmigen Aufbau die Bildfeldkrümmung des sammelnden zweiten und dritten Gliedes kompensiert, weswegen die zerstreuende letzte Fläche der Feldlinsengruppe zweckmäßig in dem kürzestmöglichen Abstand vor dem entstehenden Zwischenbild liegt, ohne selbst scharf abgebildet zu werden.
Das zweite und dritte optische Glied sind im einfachsten Fall zwei gleich aufgebaute achromatische Kittlinsen mit einer Brennweite von etwa 1/3 der Baulänge Bl (Abstand vom Mikroskopzwischenbild zur CCD-Matrix) und einem Abstand untereinander von ebenfalls etwa 1/3 der Baulänge bei der mittleren Zoomstellung.
Das von dem ersten Glied entworfene Zwischenbild liegt im vorderen Brennpunkt des zweiten Gliedes, die CCD-Matrix im hinteren Brennpunkt des dritten Gliedes.
Damit erzeugen das zweite und dritte Glied einen Abbildungsmaßstab von 1 : 1, in Verbindung mit dem ersten Glied also etwa 0.5 : 1. Verschiebt man das zweite und dritte Glied nach vorn, so entsteht ein höherer Abbildungsmaßstab, im anderen Fall ein kleinerer.
Bei diesem gemeinsamen Verschieben der zweiten und dritten Linsengruppe muß zur Er­ haltung der Fokussierung auf der CCD-Matrix die dritte Linsengruppe anders bewegt werden als die zweite, wenn die Baulänge konstant bleiben soll. Es ist aber auch möglich, die zweite und dritte Linsengruppe gemeinsam als eine Baueinheit zu verschieben und den Focus­ ausgleich durch Verschieben der Kameraanlage zu erzielen. Das hat den Vorteil, daß die gegenseitige Zentrierung keinen Einfluß auf die Bildfehler hat, sondern nur einen Mittenversatz ergibt.
Für einen Zoombereich über 4x ist es zweckmäßig, von dem oben beschriebenen spiegel­ symmetrischen Aufbau des zweiten und dritten Gliedes zugunsten einer besseren Bildkorrektion für den kleineren Abbildungsmaßstab abzuweichen. Um innerhalb des gesamten Zoombereiches eine den Anforderungen der besten Farbkameras genügende Bildgüte zu erreichen, müssen alle drei Glieder für sich achromatisch korrigiert sein, auch bezüglich der Farbvergrößerung. Dabei genügt es als einfachste Lösung für den erfindungs­ gemäßen Aufbau, wenn jedes der drei Glieder eine einfache Kittlinse ist und das zweite und dritte Glied aus den gleichen Schwerkron- und Schwerflintgäsern bestehen.
Anhand der schematischen Darstellung in Fig. 1 wird bei verschiedenen Zoomstellungen die Erfindung näher erläutert:
Dabei ist A die Anlagefläche des Video- bzw. Fotoausganges des Mikroskopes und B das ohne Zoom vom Mikroskop erzeugte Bild, das über ein erstes optisches Glied 1 mit zwei Linsen der Dicke d1 und d2 sowie den Linsenflächen F1, F2, F3 in eine Zwischenbildebene ZB abgebildet wird, die zu F3 den Abstand d3 aufweist.
Im weiteren Strahlengang sind vor einer CCD-Matrix 4 ein zweites und ein drittes op­ tisches Element 2, 3 mit Linsen der Dicke d4, d5 und den Linsenflächen F4, F5, F6 bzw. F7, F8, F9 und d7, d8 , jeweils verschiebbar, angeordnet.
Der Abstand der Zwischenbildebene ZB zu F4 ist S, der Abstand von F6 zu F7 ist d6 und der Abstand der Fläche f9 zur CCD-Matrix 4 ist S′.
r1-r9 sind die Krümmungsradien der Einzellinsen.
In der Abbildung sind den Zoomfaktoren 1, 3 und 5 entsprechende Stellungen der optischen Glieder 1, 2 und 3 dargestellt. Die optischen Parameter des zweiten und dritten Gliedes betragen hierbei:
Die optischen Parameter des ersten Gliedes betragen:
bei einem Abstand AB von 60 mm und einer Zwischenbildentfernung d3 von 12,54.
Der Bewegungsablauf des zweiten und dritten Gliedes läßt sich durch folgende Tabelle darstellen:
Über das dargestellte Ausführungsbeispiel hinaus sind auch vorteilhafte Varianten der Erfindung denkbar. So können, wie schon ausgeführt, das zweite und dritte Glied identisch sein und um den gleichen Betrag in gleicher Richtung verschoben werden, wobei eine Nachführung der CCD-Matrix entlang der optischen Achse erfolgt.
Es sind auch weitere Ausführungsformen des ersten Gliedes denkbar, so, daß die Brennweite f1 des ersten Gliedes zur Baulänge B1 ein Verhältnis von 1+/-0,2 hat und der Zoom­ bereich 0,4-2 beträgt und der Abstand AB der Anlagefläche A des Video- bzw. Fotoausganges des Mikroskopes zum vom Mikroskop erzeugten Bild B oder gleich größer 60 mm ist, bei folgenden optischen Parametern des ersten Gliedes innerhalb einer Toleranz von +/-20%:
bei einem Abstand AB größer gleich 60 mm und einer Zwischenbildentfernung d3 von 12,54. Der Abstand der ersten Fläche F1 von der Geräteanlagefläche A erhöht sich mittels eines Zwischenringes dabei um den Betrag, den der Betrag von AB oberhalb 60 mm liegt.
Eine weitere Ausbildung des ersten Gliedes besteht darin, daß
die Brennweite f1 ein Verhältnis von 0,68 +/-20% zur Baulänge B1 hat, bei einem Zoombereich von 0,5-2,5 und einem Abstand AB größer oder gleich 44 mm, mit folgenden Parametern des ersten Gliedes innerhalb einer Toleranz von 20%:
bei einem Abstand AB von größer gleich 44 mm und einer Zwischenbildentfernung d3 von 11.54.

Claims (19)

1. Optisches System mit variablem Abbildungsmaßstab, insbesondere für Videoauf­ zeichnungen mittels einer CCD-Matrix an einem Mikroskop, dadurch gekennzeichnet, daß drei optische Glieder mit positiver Brennweite vor­ gesehen sind, wobei ein erstes optisches Glied feststehend ist und diesem in Ab­ bildungsrichtung ein zweites und drittes optisches Glied, jeweils zur Variation des Abbildungsmaßstabes längs der optischen Achse verschiebbar, nachgeordnet sind.
2. Optisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite und dritte optische Glied in allen optischen Parametern identisch sind.
3. Optisches System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,daß das zweite und dritte Glied eine Brennweite von etwa 1/3 der Baulänge Bl vom durch das erste Glied erzeugten Zwischenbild bis zur Ebene der CCD-Matrix aufweisen.
4. Optisches System nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch einen Abstand des zweiten und dritten Gliedes von etwa 1/3 der Baulänge Bl bei der mittleren Zoomstellung.
5. Optisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite und dritte optische Glied unterschiedliche Brennweiten f2 und f3 aufweisen, mit folgender Bezie­ hung zur Baulänge Bl: f2/Bl=0 .4 +/-0.1, f3/Bl =0.3+/-0.1.
6. Optisches System nach mindestens einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das zweite und dritte optische Glied gemeinsam um gleiche Beträge in gleicher Richtung längs der optischen Achse verschoben werden, um den Abbil­ dungsmaßstab zu ändern und die CCD-Matrix zur Fokussierung längs der optischen Achse verschiebbar angeordnet ist.
7. Optisches System nach mindestens einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite und dritte optische Glied um verschiedene Beträge längs der optischen Achse verschoben werden, um den Abbildungsmaßstab bei konstanter Baulänge Bl zu ändern.
8. Optisches System nach mindestens einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschiebung des dritten Gliedes längs der optischen Achse linear gekoppelt zur Bewegung eines Einstellelementes für die Variation der Vergrößerung ist und die Verschiebung des zweiten Gliedes nichtlinear zur Bewegung des Einstellelementes gekoppelt ist.
9. Optisches System nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite und dritte Glied aus mindestens je einer sammelnden und zerstreuenden Linse bestehen, um Farblängs- und Farbquerfehler über den gesamten Zoombereich unter der Auf­ lösungsgrenze der CCD-Matrix zu halten.
10. Optisches System nach mindestens einem der Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeich­ net, daß die optischen Parameter des zweiten und dritten Gliedes folgende Werte innerhalb einer Toleranz von +/-20% aufweisen: und folgende Bewegung zur Änderung des Zoomfaktors ausgeführt wird:
11. Optisches System nach mindestens einem der Ansprüche 1-10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das erste Glied ein Meniskus positiver Brechkraft ist mit der in Lichtrichtung ersten Fläche als sammelnde Fläche und der letzten Fläche als zer­ streuende Fläche, wobei das entstehende Zwischenbild nach der zerstreuenden Fläche liegt.
12. Optisches System nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das meniskus­ förmige erste Glied aus mindestens einer sammelnden und zerstreuenden Linse besteht.
13. Optisches System nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennweite f1 des ersten Gliedes zur Baulänge Bl ein Verhältnis von 1+/-0,2 hat und der Zoom­ bereich 0.4-2 beträgt und der Abstand AB der Anlagefläche A des Video- bzw. Fotoausganges des Mikroskopes zum vom Mikroskop erzeugten Bild B größer oder gleich 60 mm ist.
14. Optisches System nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch folgende optische Parameter des ersten Gliedes innerhalb einer Toleranz von +/-20%: bei einem Abstand AB von größer oder gleich 60 mm und einer Zwischenbildentfernung d3 von 12,54.
15. Optisches System nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennweite f1 ein Verhältnis von 0,68 +/-20% zur Baulänge Bl hat, bei einem Zoombereich von 0,5-2,5 und einem Abstand AB größer oder gleich 44 mm.
16. Optisches System nach Anspruch 15, gekennzeichnet durch folgende Parameter des ersten Gliedes innerhalb einer Toleranz von 20%: bei einem Abstand AB von größer oder gleich 44 mm und einer Zwischenbildentfernung d3 von 11.54.
17. Optisches System nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennweite f1 ein Verhältnis von 0.55+/-20% zur Baulänge hat bei einem Zoombereich von 0.4-2.0 und einem Abstand AB größer oder gleich 44 mm.
18. Optisches System nach Anspruch 17, gekennzeichnet durch ein aus drei Linsen bestehendes erstes optisches Glied und folgende optische Parameter des ersten Gliedes innerhalb einer Toleranz von+/-20%: bei einem Abstand AB von 49 mm und einer Zwischenbildentfernung d3=6 mm, wobei die Fläche F1 5 mm vor der Anlagefläche A liegt.
19. Optisches System nach einem der Ansprüche 11-18, dadurch gekennzeichnet, daß bei Vergrößerung des Abstandes AB zwischen der Geräteanlagefläche A und der ersten Fläche F1 ein Zwischenring eingesetzt ist.
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