專利名稱：立體顯微鏡的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及根據(jù)權(quán)利要求1所述的立體顯微鏡。立體顯微鏡可根據(jù)Greenough而設(shè)計為在任一情況下每個立體通道都具有一個物鏡，或設(shè)計為兩個立體通道共用主物鏡的望遠鏡類型。立體顯微鏡可拆卸地連接到調(diào)焦臂或并入其中。
背景技術(shù)：
立體顯微鏡用以在目視觀測下操作物體，和/或使細微的物體細節(jié)可見。物體操作優(yōu)選在低放大倍率下進行，且需要良好的3D再現(xiàn)。對于細節(jié)識別，需要在不改變儀器的情況下快速切換到具有高分辨率的高放大倍率。
立體顯微鏡提供物體在不同觀測角的兩個視圖，觀察者將其感知為物體的三維圖像。如果兩個觀測方向之間的角度非常大，那么物體會顯得在空間上扭曲。
望遠鏡類型的立體顯微鏡的許多描述出現(xiàn)在文獻中，還可參看1998年國際光學(xué)設(shè)計會議SPIE會議論錄第3482卷第690至697頁(1998年)中K-P.Zimmer的“Optical Designs for Stereomicroscopes”。美國專利第6,816,321號揭示一種用于高性能立體顯微鏡的遠焦變焦系統(tǒng)，其中可實現(xiàn)大于15的變焦比z(最大與最小變焦放大倍率的比值)。
具有此種設(shè)計的立體顯微鏡在模塊上除了可選的螺栓之外還包括主物鏡，其將物體成像在無限遠處；兩個下游的平行望遠鏡，用于改變放大倍率；和兩個觀測單元(雙目鏡筒)，其包括鏡筒透鏡、倒像系統(tǒng)和用于雙眼目視觀測的目鏡。望遠鏡可設(shè)計成Galilean望遠鏡以用于逐步的放大倍率選擇，或設(shè)計為遠焦變焦系統(tǒng)以用于連續(xù)的放大倍率選擇。根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)，兩個相同的望遠鏡對稱配置到裝置的對稱平面，其中所述對稱平面將物體對稱地劃分為右半邊和左半邊。望遠鏡軸線之間之距離稱為立體基準(zhǔn)。此顯微鏡的數(shù)值孔徑由望遠鏡或小望遠鏡的入瞳的半徑除以主物鏡的焦距而給定。
因此，此類型的顯微鏡的數(shù)值孔徑在現(xiàn)有技術(shù)中是受限的。為增加數(shù)值孔徑，已知擴大望遠鏡的入瞳直徑，由于彼此相鄰的兩個望遠鏡的配置，其導(dǎo)致立體基準(zhǔn)的擴大且因此導(dǎo)致設(shè)備尺寸較大的缺陷；或者縮短主物鏡的焦距，從而不利地減小工作距離和過度增加主物鏡所需的功率。在兩種情況下，觀察方向之間的角度都被擴大，從而導(dǎo)致或增加空間失真。
US-5,603,687揭示一種立體光學(xué)內(nèi)窺鏡，其中具有不同直徑入瞳的兩個物鏡系統(tǒng)彼此平行相鄰配置。兩個物鏡經(jīng)由光導(dǎo)管或光纖維在傳感器表面上產(chǎn)生物體的圖像。圖像數(shù)據(jù)在數(shù)字處理之后從這些(例如)CCD傳感器傳輸?shù)奖O(jiān)視器，也就是說其可用(例如)立體監(jiān)視器在空間上感知。據(jù)稱，盡管所述兩個內(nèi)窺鏡通道的直徑發(fā)生變化，觀察者仍可感知具有分辨率和亮度的立體圖像，因為它們是由較大直徑的通道形成的。較小直徑的第二通道主要用以形成立體視覺或效果。
在上述設(shè)計的望遠鏡類型的立體顯微鏡的情況下的條件在原理上不同于根據(jù)US 5,603,687的內(nèi)窺鏡的情況。首先，通常(至少同樣)直接用眼睛觀察物體，而不需要先前的數(shù)字處理。如果經(jīng)由連接的相機將另外產(chǎn)生記錄，那么將可使用這種數(shù)字處理。所提到的美國文件中不能清楚了解，在所揭示的實施例的情況下如何直接視覺觀察物體。另外，傳感器表面上的投影(固定焦距)限制了顯示的景深，因為眼睛的協(xié)調(diào)能力不起作用。
內(nèi)窺鏡的放大倍率取決于物距。在高放大倍率下，物距通常最小。此情況下，彼此相鄰配置的兩個物鏡的視野的重疊范圍最小。因此在此情況下，僅在重疊范圍中可能的立體景象減少。然而在低放大倍率下重疊較大，但數(shù)值孔徑較小，這導(dǎo)致較高的景深。由此可見，3D物體的圖像清晰度或質(zhì)量僅隨著到達聚焦平面的距離而緩慢降低。這種環(huán)境有利于將兩個視野合并為空間圖像，尤其在物深小于景深時。
所述類型的立體顯微鏡的主要組件是兩個立體通道中的望遠鏡系統(tǒng)(不連續(xù)放大轉(zhuǎn)換器或連續(xù)變焦)。望遠鏡系統(tǒng)在內(nèi)窺鏡中是不常用的。因此在所提到的美國文件中，沒有討論顯示標(biāo)度或再現(xiàn)標(biāo)度的變化。
對于立體觀看，景深比較重要。與上述立體內(nèi)窺鏡相反，望遠鏡類型的高功率立體顯微鏡有利地使用眼睛的協(xié)調(diào)能力。在不需要改變設(shè)備聚焦的情況下可使放大倍率發(fā)生變化。在整個放大倍率范圍中右外野與左外野之間的物體夾中不存在差異。立體顯微鏡的數(shù)值孔徑且因此其分辨率適合放大倍率，并防止空放大。在高放大倍率下，景深很小，在許多情況下小于這些配置中的物深。因此，3D物體的圖像質(zhì)量隨著到達聚焦面的距離而顯著降低。因此，如果歸因于不同孔徑而引起的立體通道產(chǎn)生不同分辨率和景深的圖像，那么就不能假定在通常較低放大倍率和較高景深下用立體內(nèi)窺鏡觀察到的視野合并為空間圖像可轉(zhuǎn)移為用高功率顯微鏡尤其在高放大倍率下而存在的條件。
另一個不能忽略的標(biāo)準(zhǔn)是圖像亮度，其不同于所提到的美國文件的情況，這是因為內(nèi)窺鏡通道的不同的入瞳直徑。這里，圖像的數(shù)字處理具有的優(yōu)點是兩個場在對應(yīng)校正之后可以同等亮度顯示。這種校正在直接視覺觀察的情況下是不可能的，如同立體顯微鏡的情況。
另外，如果立體通道中一者的較高功率不能由具有不同視力的用戶使用，如果具有較高功率的立體通道分配給視力較低的眼睛，那么具有上述配置是有害的。
US-3,655,259揭示一種身體顯微鏡，其可用作內(nèi)窺鏡。此顯微鏡已由Greenough型發(fā)展為立體顯微鏡。兩個立體通道彼此成給定開角配置，且在每種情況中都具有其自身的物鏡，所述透鏡在這里設(shè)計為小型透鏡、棒形透鏡或為玻璃纖維的最終部分。這個文件中的這種身體顯微鏡的潛在問題是由于以下事實在使用兩個物鏡時，其不能任意彼此靠近而放置，因為是選擇透鏡組合作為物鏡，且由于逐漸增加的球面像差而不可能使用單個物鏡，尤其是在需要高放大倍率時。因此，所提到的文件的目標(biāo)是找出一種允許高放大倍率下最小內(nèi)窺鏡直徑的配置。
US-4,862,873揭示另一種立體內(nèi)窺鏡，其包括兩個彼此平行配置的通道，其中一個通道用于照明，而另一個用于觀察。為產(chǎn)生立體圖像效果，兩個通道由電動棱鏡(例如)每秒切換30次。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是基于例如德國專利DE 102 25 192 B4中揭示的一種配置。其中所保護的標(biāo)的物是一種用于望遠鏡類型立體顯微鏡的物鏡以及相應(yīng)的立體顯微鏡。關(guān)于設(shè)計、功能模式以及放大倍率、分辨能力和暈影的相互關(guān)系，明確參考提到的專利說明書。
本發(fā)明的目標(biāo)是提供一種與常規(guī)設(shè)計的立體顯微鏡相比具有改進的細節(jié)識別的立體顯微鏡，在不具備此條件時將導(dǎo)致立體顯微鏡建造體積的增加和立體顯微鏡的常規(guī)工作范圍的可用性的限制。本發(fā)明的另一方面是改進細節(jié)識別且不會不利地減小景深。
所述目標(biāo)通過具有根據(jù)權(quán)利要求1所述的特征的立體顯微鏡而實現(xiàn)。有利的配置來自子權(quán)利要求(sub-claim)和以下描述。
對于根據(jù)本發(fā)明的立體顯微鏡，有利的是一方面在由于低數(shù)值孔徑而導(dǎo)致的低放大倍率下具有大的景深并允許良好的3維再現(xiàn)，另一方面在高放大倍率下具有較高的孔徑并因而提供高分辨率而不會產(chǎn)生空放大，也就是說在不增加分辨率的情況下增加放大倍率。
令人驚奇的是，已顯示盡管在由兩個立體通道或光束路徑的不同的光學(xué)有效直徑而引起的不同分辨率和景深的情況下，在高放大倍率下也不會減弱視覺圖像效果。
在一個實施例中，其中兩個立體通道的光學(xué)有效直徑對于所有放大倍率都是不同的，總感覺到一方面兩個通道中較小一者的較高景深和另一方面兩個通道中較大一者的較高分辨率。由于一個通道的光學(xué)有效直徑相對于現(xiàn)有技術(shù)的擴大，因此可實現(xiàn)分辨率的增加，且因此實現(xiàn)細節(jié)識別的增加而不具有關(guān)于景深的缺點。這個優(yōu)點對于設(shè)定高放大倍率尤其有用。
在另一實施例中，其中較小的立體通道的光學(xué)有效直徑受到(例如)透鏡直徑的限制，兩個立體通道可以相同的有效直徑在低放大倍率的較廣放大倍率范圍中實施，出于此原因，此設(shè)定中的立體顯微鏡類似于常規(guī)顯微鏡而工作。僅在高放大倍率下，當(dāng)較大通道的入瞳直徑超過較小通道的所提到的受限透鏡的直徑時，孔徑變得不對稱，且可實現(xiàn)上述效果。
另外，已指出兩個通道的圖像亮度的差異(如一般了解)對應(yīng)于入瞳的表面的比率。在以上提到的第一實施例中，亮度差在整個放大倍率范圍中是恒定的，在以上第二示范性實施例中，亮度差僅發(fā)生在高放大倍率下。
同樣，所形成的亮度差在立體顯微鏡的整個工作范圍中不會導(dǎo)致視覺減弱。因此，根據(jù)本發(fā)明的立體顯微鏡的不同通道直徑的優(yōu)點可用作放大的功能，這些不同的通道寬度不會具有減弱圖像的直接視覺觀看的缺點。這種反應(yīng)并不是自動預(yù)期到的。
根據(jù)本發(fā)明的立體顯微鏡包括第一光束路徑和第二光束路徑，其中在第一光束路徑中配置第一望遠鏡系統(tǒng)，在第二光束路徑中配置第二望遠鏡系統(tǒng)，其中兩個望遠鏡系統(tǒng)的放大倍率相等且可彼此同步改變，且其中共用主物鏡分配給兩個光束路徑。第一望遠鏡系統(tǒng)的至少一個光學(xué)元件與第二望遠鏡系統(tǒng)的至少一個對應(yīng)光學(xué)元件相比具有不同的光學(xué)有效直徑。
第一望遠鏡系統(tǒng)或第二望遠鏡系統(tǒng)的光學(xué)元件是透鏡元件或光圈。對于至少一個放大倍率設(shè)定或一個變焦或放大范圍(優(yōu)選在高放大倍率下)，對于相同放大倍率的望遠鏡系統(tǒng)，第一望遠鏡系統(tǒng)的入瞳的直徑比第二望遠鏡系統(tǒng)的入瞳的直徑大10％以上，特定來說為10％至50％。
第一望遠鏡系統(tǒng)形成光軸，且第二望遠鏡系統(tǒng)形成與其平行的光軸，其中望遠鏡系統(tǒng)的光軸之間的距離導(dǎo)致立體基準(zhǔn)。有利的是具有較大光學(xué)有效直徑的望遠鏡系統(tǒng)的入瞳的直徑大于所述立體基準(zhǔn)。這允許一種緊湊結(jié)構(gòu)而不用考慮立體通道的不同直徑。
已顯示根據(jù)本發(fā)明的立體顯微鏡的主物鏡相對于兩個望遠鏡系統(tǒng)的不同配置是可能的和有利的。
主物鏡的第一實施例以下稱為“對稱配置”。在此實施例中，主物鏡的光軸距望遠鏡系統(tǒng)的兩條光軸的距離相等。以下將結(jié)合圖8a的示范性實施例進一步更詳細描述此實施例?？梢暈閮?yōu)點的是，放置在主物鏡中心處的物體是通過兩個立體通道以相同對角來觀看，從而形成從上方垂直觀看的效果。然而，主物鏡的相對較大的直徑(因此主要導(dǎo)致用于經(jīng)光學(xué)校正的物鏡的較高成本)具有不利的影響。
替代實施例是“不對稱配置”，其中主物鏡的光軸距兩個望遠鏡系統(tǒng)的光軸的距離是不同的長度。這里，主物鏡的光軸距具有較大光學(xué)有效直徑的望遠鏡系統(tǒng)的光軸的距離小于其距另一望遠鏡系統(tǒng)的光軸的距離。以下將結(jié)合圖8b的示范性實施例進一步更詳細討論此實施例。在此實施例中，主物鏡的直徑(僅)可選擇為與兩個立體通道的直徑之和一樣大。與對稱配置相比，這導(dǎo)致成本較低的具有較小直徑的主物鏡和與其相關(guān)的較高的光學(xué)質(zhì)量。在實際中較不重要的僅有的缺點是以下事實放置在主物鏡中心的物體(例如一根針)看起來像略微從側(cè)面觀看。
以下將結(jié)合圖8c中的示范性實施例進一步詳細描述的另一實施例是“中心配置”，其中主物鏡的光軸與具有較大光學(xué)有效直徑的望遠鏡系統(tǒng)的光軸重合。如果不需要立體觀看，特定來說，如果高放大倍率和高分辨率的圖像將被發(fā)送到(例如)記錄接口，那么就選擇此實施例。關(guān)于這點已證明有利的是相對于望遠鏡系統(tǒng)橫向地(因此垂直于其光軸)可移位地配置主物鏡，以便能容易地在不同配置之間轉(zhuǎn)換。實際上已證明有利的是相對于固定主物鏡橫向地使具有鏡筒的望遠鏡系統(tǒng)移位，以防止物體的移動或位移。只是出于簡易起見而提到“主物鏡的橫向可移位性”。
主物鏡的橫向可移位性關(guān)于所提到的不同配置至少在立體基準(zhǔn)的方向上是有利的。然而，在不同方向(因此不僅在立體基準(zhǔn)的方向上，例如在與其垂直的方向上)，特定來說如果用于照明的照明通道沒有與兩個觀看通道(即，第一和第二光束路徑)重合，那么橫向可移位性也可以是有利的。EP 1 010 030(WO 99/13370)揭示一種熒光顯微鏡，其除放大倍率轉(zhuǎn)換器中的兩個立體通道之外還包括立體基準(zhǔn)之外的第三通道，其用以從上方照明物體。其中從圖2b可推斷，垂直于立體基準(zhǔn)的主物鏡的橫向位移是有利的，以用較小的物鏡直徑涵蓋所提到的立體熒光顯微鏡的全部三個通道。
在子權(quán)利要求和以下示范性實施例中可發(fā)現(xiàn)本發(fā)明的其他有利實施例。


圖式中示意性繪示本發(fā)明的標(biāo)的物，且以下基于圖式對其進行描述。圖中繪示圖1是立體顯微鏡的立體圖。
圖2是根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的望遠鏡類型的立體顯微鏡的光學(xué)設(shè)計的示意圖。
圖3是典型高功率立體顯微鏡的數(shù)值孔徑nA作為放大倍率的函數(shù)的進度。
圖4是上述高功率立體顯微鏡的景深T作為放大倍率的函數(shù)的進度。
圖5示意性繪示本發(fā)明的第一實施例的光學(xué)設(shè)計。
圖6是數(shù)值孔徑nA作為放大倍率的函數(shù)的進度。
圖7是景深T作為放大倍率的函數(shù)的進度。
圖8a繪示主物鏡相對于放大倍率轉(zhuǎn)換器的定位的第一種設(shè)定可能(“對稱配置”)。
圖8b繪示主物鏡以如下方式的定位主物鏡的光軸靠近具有較大入瞳直徑的望遠鏡系統(tǒng)的光軸(“不對稱配置”)。
圖8c繪示主物鏡的光軸與具有較大入瞳直徑的望遠鏡系統(tǒng)的光軸重合的特殊情況(“中心配置”)。
圖9繪示最大放大倍率下第一望遠鏡系統(tǒng)的光束路徑。
圖10繪示最小放大倍率下第一望遠鏡系統(tǒng)的光束路徑。
1物平面 1a物體1b物中心2主物鏡3R、3L望遠鏡系統(tǒng)4R、4L觀測單元11垂直線11a光軸31R、31L光圈32R、32L直徑33R、33L光軸35R、35L透鏡部件37濾光器37a雙箭頭40橫坐標(biāo)41R、41L鏡筒透鏡42R、42L鏈接42a點43R、43L反轉(zhuǎn)系統(tǒng)44縱坐標(biāo)45線(實線) 46線(虛線)50圓柱體50a圓柱體的軸線51R、51L目鏡52R、51L眼睛54縱坐標(biāo)55記錄端口56光束分光器57記錄裝置60立體顯微鏡60R、60L光束路徑61R、61L邊緣光束62錐形光束65雙目鏡筒 66線(實線)67線(虛線) 68橫坐標(biāo)71基座 72調(diào)焦柱73調(diào)焦臂74調(diào)節(jié)元件75線(實線) 76線(虛線)78調(diào)節(jié)元件 100第一組透鏡101-118透鏡表面 200第二組透鏡300第三組透鏡 400第四組透鏡D1-D3透鏡組之間的距離 T景深nA數(shù)值孔徑 b立體基準(zhǔn)
B曲線上的點R右L左WR、WL觀察角具體實施方式
圖1是根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的立體顯微鏡60的立體圖。立體顯微鏡60包括基座71，調(diào)焦柱72緊固到基座71。調(diào)焦臂73以可移位的方式附接到調(diào)焦柱72，可沿雙箭頭A-A經(jīng)由調(diào)節(jié)元件74來使調(diào)焦臂73移位。立體顯微鏡60具有雙目鏡筒65和變焦系統(tǒng)(見圖2)?？捎谜{(diào)節(jié)元件78來調(diào)節(jié)所述變焦系統(tǒng)。
圖2是根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的望遠鏡類型的立體顯微鏡的光學(xué)設(shè)計的示意圖(見DE 102 25 192 B4)。物平面1在主物鏡2的前焦平面中。將研究或觀察的物體1a也位于物平面中。在物平面1中，物中心1b由垂直線11標(biāo)記。物鏡2的光軸11a與垂直線11重合。以下將以用戶的方向來描述所述光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計的實施例。用戶用眼睛52R和52L檢測物體1a的圖像。主物鏡2下游具有第一和第二望遠鏡系統(tǒng)3R和3L，它們的設(shè)計是相同的。第一和第二望遠鏡系統(tǒng)3R和3L關(guān)于垂直線11或關(guān)于光軸11a對稱配置。所示望遠鏡系統(tǒng)3R和3L是遠焦變焦系統(tǒng)。例如在所提到的美國專利6,816,321(對應(yīng)于DE 102 22 041 B4)中描述這些系統(tǒng)。
在變焦系統(tǒng)中配置有光圈或可變光圈31R和31L。可變光圈31R和31L的直徑是可調(diào)節(jié)的，且在兩側(cè)以相同方式設(shè)定。這些限制了入瞳的直徑32R和32L，其根據(jù)變焦設(shè)定和光圈選擇而具有可變尺寸，但在兩側(cè)上是相同的。
第一和第二望遠鏡系統(tǒng)3R和3L分別定義第一和第二光軸33R和33L。光軸33R與33L之間的距離稱為立體基準(zhǔn)b。在第一和第二光軸33R和33L上，望遠鏡系統(tǒng)3R和3L從屬于第一和第二觀察單元4R和4L，每個觀察單元關(guān)于垂直線11對稱配置。第一和第二觀測單元4R和4L包括產(chǎn)生中間圖像42R和42L的等同設(shè)計的鏡筒透鏡41R和41L、用于圖像正像的對稱的反轉(zhuǎn)系統(tǒng)43R和43L以及目鏡51R和51L。用戶用眼睛52R和52L直接檢測物體的圖像。視情況可用已知方式在光束路徑中引入其他模塊，例如輔助透鏡、濾光器、起偏振鏡、反射式照明單元、用于光耦合與去耦的分光系統(tǒng)，等等。
由光束路徑的邊緣光束61R和61L的示意性表示來繪示這種顯微鏡的顯示，在實例中所述邊緣光束起源自物中心1b。邊緣光束61R和61L識別由顯微鏡使用的兩條照明光線錐62R和62L。如圖2所示，各照明光線錐62R和62L受入瞳的直徑32R和32L所限制，對于所述直徑來說是由可變光圈31R和31L決定。由于物體1a配置在物鏡2的前焦平面中，因此邊緣光束在物鏡2與變焦之間平行行進。因此可能以簡單方式來確定入瞳的直徑32R和32L。邊緣光束仍然平行地離開變焦。因此，變焦之后的空間對于可選附件是有利的。每個鏡筒透鏡41R和41L將射線錐聚焦于中間圖像42R和42L的平面中的點42a。這點42a位于目鏡51R或51L的前焦平面中，且由此成像在無限遠處，使得其可用眼睛52R和52L觀察。另外，由圖2可見，觀察者用右眼52R或左眼52L感知物體1a的角度wR和wL是相同的。
如美國專利6,816,321(“Afocal Zoom for Use in Microscopes”)和DE-102 25 192 B4(“Objective for stereomicroscopes of the telescopetype”)中所述，顯微鏡的分辨率由下式近似給定分辨率＝3000*n[Lp/mm] 等式(1)其中Lp/mm表示每毫米的線對，且nA為數(shù)值孔徑，其在當(dāng)前情況下由下式給定nA＝EP/(2*物鏡2的焦距)等式(2)其中EP是望遠鏡系統(tǒng)的入瞳的直徑。
最終，景深T再次具有重要意義。實際比率由下式給定T[mm]＝λ/(2*nA2)+0.34mm/(Vtot*nA)等式(3)其中λ等于近似550E-6mm的光波長，且Vtot等于包含目鏡放大倍率的顯微鏡放大倍率。
圖3繪示典型高功率立體顯微鏡的數(shù)值孔徑nA作為放大倍率的函數(shù)的過程。沿橫坐標(biāo)40繪制放大倍率。沿縱坐標(biāo)44繪制數(shù)值孔徑nA。在此實例中，選擇主物鏡的焦距fo′＝80mm，鏡筒焦距f′T＝160mm，立體基準(zhǔn)b＝24mm，且目鏡放大倍率＝10x。實線45對應(yīng)于全光圈開度，且在光圈表面減小40％時為虛線46。
圖4繪示上述高功率立體顯微鏡的景深T作為放大倍率的函數(shù)的過程。沿橫坐標(biāo)68繪制放大倍率。沿縱坐標(biāo)54繪制景深T。實線67對應(yīng)于全光圈開度，且在光圈直徑如以上所述而減小時為虛線66。由圖4可見，通過減小光圈直徑，用戶可增加景深，但光圈引起數(shù)值孔徑nA的減小(圖3)，且根據(jù)等式(1)還引起分辨率的損失。
圖5是本發(fā)明的第一實施例的示意性表示圖。主物鏡、立體基準(zhǔn)和觀測單元沒有變化。與圖2中元件相同的光學(xué)元件由相同參考來表示。圖中繪示望遠鏡系統(tǒng)的最大放大倍率設(shè)定?？梢?，右光束路徑60R的直徑大于左光束路徑60L的直徑，在此實例中還大于立體基準(zhǔn)b。
本發(fā)明涉及望遠鏡類型的立體顯微鏡，其具有如已陳述的可設(shè)計為步進轉(zhuǎn)換器或變焦系統(tǒng)的望遠鏡系統(tǒng)。根據(jù)本發(fā)明，兩個望遠鏡或望遠鏡系統(tǒng)3R和3L不再對稱建構(gòu)而是有所不同，然而，特定來說是至少具有不同最大直徑32R和32L的第一入瞳第二入瞳。有利的是，一個望遠鏡系統(tǒng)3R或3L的入瞳的最大直徑32R或32L比另一望遠鏡系統(tǒng)3L或3R的入瞳的最大直徑32L或32R大10-50％。如果入瞳的兩個直徑32R或32L中的較大一者大于立體基準(zhǔn)b，那么本發(fā)明尤其有效，在另一望遠鏡系統(tǒng)3R或3L的入瞳直徑32R或32L小于立體基準(zhǔn)b時，此情況是可能的。
如以下解釋，兩個望遠鏡系統(tǒng)3R和3L的放大倍率轉(zhuǎn)換器或變焦系統(tǒng)可以如下方式來設(shè)計在較小的顯微鏡放大倍率的寬范圍中，兩個望遠鏡系統(tǒng)3R或3L的入瞳的直徑32R和32L實際上相同，但對于高放大倍率則不同。通過不相等的入瞳直徑，可增加分辨率且不會具有上述缺點。
根據(jù)本發(fā)明，在入瞳的不相等直徑32R和32L的情況下，用戶接收不同亮度、不同分辨率和不同景深的兩個部分圖像。意想不到的是，已顯示高達50％的亮度差且細節(jié)識別上的差異不會不利地影響視覺感知和兩個部分圖像合并為3維圖像。相反，令人驚奇的是，3維感知到的物體不僅具有由較高數(shù)值孔徑產(chǎn)生的改進分辨率，而且具有由較低孔徑產(chǎn)生的較大景深。本發(fā)明是根據(jù)此生理現(xiàn)象的利用來設(shè)計立體顯微鏡。
雖然在第一光束路徑60R中，光線錐直徑由可變光圈31R的直徑?jīng)Q定，但第二光束路徑60L的限制是依靠物鏡2與光圈31L之間的透鏡組件35L的直徑。物鏡2在下游具有設(shè)計不相同的第一和第二望遠鏡系統(tǒng)3R和3L。第一望遠鏡系統(tǒng)3R的光學(xué)元件(透鏡部件35R、可變光圈31R)具有與第二望遠鏡系統(tǒng)3L的光學(xué)元件(透鏡部件35L、可變光圈31L)不同的直徑。所示望遠鏡系統(tǒng)3R和3L是遠焦變焦系統(tǒng)。
望遠鏡系統(tǒng)3R和3L(右和左)的實施例可包括不同的組成部分。這里應(yīng)注意，在操作條件下總是應(yīng)用相等放大倍率的規(guī)則，也就是說兩個望遠鏡系統(tǒng)的放大倍率是一致地改變。
第一和第二望遠鏡系統(tǒng)3R和3L的設(shè)計的另一可能性是第一和第二望遠鏡系統(tǒng)3R和3L(右和左)設(shè)計為具有“相同構(gòu)造”，然而，其中兩個望遠鏡系統(tǒng)中一者中的光學(xué)元件或透鏡組件中的至少一者的光學(xué)有效直徑不同于另一望遠鏡系統(tǒng)中的光學(xué)元件或透鏡部件中的至少一者的光學(xué)有效直徑。術(shù)語“光學(xué)有效直徑”意味著描述有助于圖像產(chǎn)生的射線錐在碰到光學(xué)元件35R、35L并穿過此光學(xué)元件時的直徑。在具有根據(jù)以下表1的變焦系統(tǒng)的示范性結(jié)構(gòu)的情況下的望遠鏡系統(tǒng)的“相同構(gòu)造”下，除第一透鏡組(表面數(shù)字101至105)之外，相同部分是用于右邊和左邊的剩余三個組。由于可能的較高的制造數(shù)量，所以這在經(jīng)濟上是有利的。同樣，對于第一組，除直徑之外，所有制造參數(shù)是相同的(見表1)。
第一和第二望遠鏡系統(tǒng)3R和3L優(yōu)選設(shè)計為遠焦變焦系統(tǒng)，特定來說例如根據(jù)DE 102 22 041 B4的系統(tǒng)，以用于連續(xù)的放大倍率選擇。關(guān)于這些變焦系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能模式，明確參考提到的文件DE 102 22 041 B4以避免重復(fù)。
說明每一者都具有光圈或可變光圈31L、31R的第一和第二望遠鏡系統(tǒng)3R和3L(右和左)的設(shè)計。這里第一望遠鏡系統(tǒng)3R中的第一光圈31R可獨立于第二望遠鏡系統(tǒng)3L中的第二光圈31L而操作。也可使用不具有任何光圈的望遠鏡系統(tǒng)。
在光圈設(shè)定的另一實施例中，光圈31R、31L的操作以如下方式設(shè)定在第一設(shè)定中設(shè)定第一望遠鏡系統(tǒng)3R與第二望遠鏡系統(tǒng)3L之間的光圈開度的比率。在第二設(shè)定中，同時變化兩個光圈開度(但比值不變)。
類似地，通過在入瞳的具有較大直徑的光束路徑中引入濾光器(例如中性密度平臺或漸變?yōu)V光器)，可減小或消除由直徑差引起的亮度差。這里，濾光器37有利地配置在主物鏡2與望遠鏡系統(tǒng)3之間、在望遠鏡系統(tǒng)內(nèi)或在望遠鏡系統(tǒng)與目鏡之間。濾光器37可手動操作，并沿圖5所示的雙箭頭37a引入光束路徑。同樣，可通過由放大倍率選擇控制的操作來改變?yōu)V光器37的位置且從而改變其濾光器特性。濾光器不會不利地影響分辨率或景深。
在另一實施例中，立體顯微鏡具有本身已知的記錄端口55。通過在具有較大直徑32R的入瞳的第一光束路徑60R中配置光束分光器56或去耦裝置，可實現(xiàn)去耦。因此，呈現(xiàn)高分辨率的記錄裝置57。記錄裝置57是常規(guī)的CCD相機或常規(guī)的傳感器表面。
另外，第一和/或第二望遠鏡系統(tǒng)3R、3L可設(shè)計為圍繞其縱向軸線旋轉(zhuǎn)，使得可視情況將具有較大直徑32R入瞳的光束路徑供應(yīng)給用戶的右眼52R或左眼52L。
本發(fā)明在高功率立體顯微鏡中具有特定優(yōu)點，其中需要高放大倍率且因此同樣需要高分辨率，以防止所謂的空放大(具有恒定分辨率的放大倍率的增加，也就是說沒有細節(jié)識別的增加)。在立體顯微鏡中，放大比倍率比值Vmax/Vmin應(yīng)大于10。變焦因數(shù)z＞10的變焦系統(tǒng)對于此目的來說是正常的。從所述比值可見，本發(fā)明是顯著有效的。
圖6和圖7繪示右側(cè)具有最大直徑EP＝27mm且左側(cè)具有最大直徑EP＝21mm的實施例的數(shù)值孔徑nA和景深T的過程。同樣，選擇主物鏡的焦距fo′＝80mm，鏡筒焦距f′T＝160mm，立體基準(zhǔn)b＝24mm，且目鏡放大倍率為10x。圖6中實線75上升，其用于具有較大直徑32R的光束路徑，而虛線76用于具有較小直徑32L的光束路徑。圖7中實線85上升，其用于具有較大直徑32R的光束路徑，而虛線86用于具有較小直徑32L的光束路徑。與現(xiàn)有技術(shù)相比，從圖6可見，數(shù)值孔徑nA增加，從而分辨率增加，在圖7中，景深T增加。圖6和圖7中的點B標(biāo)記了在兩個系統(tǒng)根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)而對稱構(gòu)造時曲線上可達到的點，其中最大可能的光線錐直徑32R＝32L＝立體基準(zhǔn)b＝24mm。甚至與此理論限制情況相比，仍可證明分辨率和景深的改進。
圖6和圖7對應(yīng)于實施例，其中左側(cè)的21mm的入瞳直徑由透鏡直徑限制。由于入瞳直徑隨著放大倍率減小而變得較小，因此在低放大倍率的較廣放大倍率范圍中的兩個立體通道具有相同的有效直徑。因此，對于這些放大倍率，兩個通道之間不會出現(xiàn)分辨率和景深的差異。僅在高放大倍率下，其中較大通道的入瞳的直徑超過較小通道的所提到的受限透鏡的直徑，孔徑變得不對稱并形成兩條不同曲線，這證明了在分辨率和景深方面本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)的優(yōu)點。
在圖5的實施例中角度wR與wL是不同的。這里，物鏡軸線11與界定望遠鏡的圓柱體50的軸線50a(見圖8b)重合。通過具有較高入瞳直徑31R的右手邊光束路徑60R的觀察角wR小于對稱構(gòu)造中的觀察角wR(見圖8a)。因此放置在主物鏡中心的物體看起來略微從側(cè)面觀察。實際上在觀看細長的物體時，這不會有任何顯著的缺點。
在US 6,816,321 B2(等同于DE 102 22 041 B4)表3中可找到關(guān)于兩個變焦系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。在表格中數(shù)據(jù)被擴大，并列出右邊光束路徑60R和左邊光束路徑60L的光學(xué)有效直徑。每個變焦系統(tǒng)由四組透鏡組成(見圖9和圖10)，用101至105、106至110、111至115或116至118表示所述四組透鏡的透鏡表面。這里，以下表1中所示的值涉及本發(fā)明的特定實施例。
表1

從左到右，表1各欄列出表面數(shù)字、曲率半徑、與下一表面的距離、折射率nd、色散度vd、部分色散度Pg，F(xiàn)和PC，t以及右邊和左邊光束路徑或第一和第二望遠鏡系統(tǒng)3R和3L的光學(xué)有效直徑。nd表示折射率，vd＝(nd-1)/(nF-nC)是Abbe系數(shù)，Pg，F(xiàn)＝(ng-nF)/(nF-nC)是波長g和F的相對部分色散度，PC，t＝(nC-nt)/(nF-nC)是波長C和t的相對部分色散度。通過空行或不填入材料詳細資料來確定一空隙。
圖8繪示主物鏡2相對于望遠鏡系統(tǒng)的定位對兩個觀測角wL和wR的影響。
圖8a繪示主物鏡2的定位第一種設(shè)定可能。這里，兩個觀察方向關(guān)于物鏡2的光軸11對稱配置(wL＝wR)。以下將這種位置稱為“對稱配置”。這對于從上方的反射物的共軸照明是有利的。在本身已知的這種照明的實施例中，鏡筒透鏡(圖5中的41)下方的照明光是通過光束分光器而引入兩個立體通道中，并通過通道和主物鏡而導(dǎo)引到物體上。只有在wR與wL對稱時，由通道導(dǎo)引到物體上并在該處反射的光才能被另一通道和以此方式觀察的物體收集。
圖8b繪示主物鏡2以如下方式的定位主物鏡2的光軸靠近具有較大入瞳直徑的望遠鏡系統(tǒng)3R的光軸33R。如圖8b所示，由于主物鏡2的位置，因此其具有有利的較小的物鏡直徑。這里，主物鏡2的光軸11與界定望遠鏡系統(tǒng)3R和3L的圓柱體50的軸線50a重合。這里，通過具有較高入瞳直徑32R的通道60R的觀察角wR小于對稱結(jié)構(gòu)中的觀察角wR(見圖8a)。如果wR＜wL(或更一般地說，wR不等于wL)，那么將此實施例稱為“不對稱配置”。在不考慮數(shù)值孔徑的單邊放大的情況下，較小的觀察角和主物鏡2的較小的直徑簡化了主物鏡2的設(shè)計。因此，不對稱配置尤其優(yōu)選。
根據(jù)“不對稱配置”的具有較小直徑的主物鏡也可用于具有從上方的共軸照明的“對稱配置”中。如先前解釋，因為來自光源的光總是通過兩個通道而行進到觀察者，所以兩個入瞳直徑中較小者總是有效。因此可能在“對稱位置”使用具有由“不對稱配置”產(chǎn)生的較小直徑的主物鏡而不會發(fā)生暈影。
圖8c是主物鏡2的光軸11與具有較大入瞳直徑的望遠鏡系統(tǒng)3R的光軸33R重合的特殊情況。這里沒有提供立體觀察。觀測角為0°。這種設(shè)定尤其有利于高分辨率的記錄和測量任務(wù)。由于這里只有一個立體通道有助于成像，因此同樣可能使用具有由“不對稱配置”引起的較小直徑的主物鏡。
類似地，主物鏡2可設(shè)計為可橫向移位。因此實現(xiàn)主物鏡2相對于放大倍率轉(zhuǎn)換器(或相對于第一和第二望遠鏡系統(tǒng)3R和3L)的可變定位?？梢暻闆r來設(shè)定圖8a至圖8c中描述的主物鏡2的位置。為了完整性而提到，在實際中有利的是相對于固定主物鏡來使具有鏡筒的望遠鏡系統(tǒng)移位，以防止物體的位移。
圖9和圖10繪示最大放大倍率下和最小放大倍率下第一望遠鏡系統(tǒng)3R的光束路徑。圖9繪示最大放大倍率。圖10繪示最小放大倍率。第一和第二望遠鏡系統(tǒng)3R和3L由第一透鏡組100、第二透鏡組200、第三透鏡組300和第四透鏡組400建構(gòu)(見以上表1)。D1、D2和D3表示透鏡組100、200、300和400之間的可變距離。最大放大倍率下第一透鏡組100與第二透鏡組200之間的距離D1＝49.35mm。最大放大倍率下第二透鏡組200與第三透鏡組300之間的距離D2＝5.26mm。最大放大倍率下第三透鏡組300與第四透鏡組400之間的距離D3＝50.13mm。最小放大倍率下，距離的組合是不同的。最小放大倍率下第一透鏡組100與第二透鏡組200之間的距離D1為9.02mm。最小放大倍率下第二透鏡組200與第三透鏡組300之間的距離D2為88.89mm。最小放大倍率下第三透鏡組300與第四透鏡組400之間的距離D3為6.83mm。表1展示如圖9和圖10所示的透鏡組中表面數(shù)字的半徑。表格還展示，第一望遠鏡系統(tǒng)3R的折射元件的物鏡側(cè)直徑大于第二望遠鏡系統(tǒng)3L的折射元件的直徑。界定入瞳直徑的邊緣光束圖示為實線，最大視野角的主光束圖示為虛線。從這方面以及關(guān)于具有參考符號的個別元件可了解已提到的DE 102 22 041 B4的圖1a和圖1b的描述。
在圖10中可見，主光束距透鏡組100的外徑有相當(dāng)遠的距離，而圖9中在相同透鏡組100的情況下邊緣光束距外徑較近。因此很明顯在左通道的左望遠鏡3L中透鏡組100的直徑可減小，且主光束不會因此而受阻擋。對于可能到達圖像邊緣的立體觀看來說，這是一個必要條件。在具有較小直徑的通道中，到達圖像邊緣的主光束不能受阻擋的這個條件同時也是適合光學(xué)有效通道直徑不相等的立體顯微鏡的遠焦變焦系統(tǒng)的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。因此這個條件是對定位具有低放大倍率的入瞳的指導(dǎo)。
權(quán)利要求
1.一種立體顯微鏡(60)，為望遠鏡類型，所述立體顯微鏡(60)包括第一光束路徑(60R)以及第二光束路徑(60L)，其中在所述第一光束路徑(60R)中提供第一望遠鏡系統(tǒng)(3R)，在所述第二光束路徑(60L)中提供第二望遠鏡系統(tǒng)(3L)，其中望遠鏡系統(tǒng)(3R、3L)的放大倍率相等并可彼此同步改變，且其中共用主物鏡(2)經(jīng)分配給光束路徑(60R、60L)，其特征在于所述第一望遠鏡系統(tǒng)(3R)的至少一個光學(xué)元件(31R、35R)與所述第二望遠鏡系統(tǒng)(3L)的至少一個對應(yīng)的光學(xué)元件(31L、35L)相比具有不同的光學(xué)有效直徑。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的立體顯微鏡，其特征在于所述至少一個光學(xué)元件是透鏡元件(35R、35L)或光圈(31R、31L)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的立體顯微鏡，其特征在于對于所述望遠鏡系統(tǒng)(3R、3L)的至少一個放大倍率設(shè)定或一個變焦范圍，所述第一望遠鏡系統(tǒng)(3R)的入瞳的直徑(32R)比所述第二望遠鏡系統(tǒng)(3L)的入瞳的直徑(32L)大10％以上，特定來說為10％至50％。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一權(quán)利要求所述的立體顯微鏡，其特征在于在所述望遠鏡系統(tǒng)(3R、3L)的最大放大倍率設(shè)定下，所述第一望遠鏡系統(tǒng)(3R)的入瞳的直徑(32R)比在所述第二望遠鏡系統(tǒng)(3L)中大10％以上。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一權(quán)利要求所述的立體顯微鏡，其中所述第一望遠鏡系統(tǒng)(3R)形成光軸(33R)，且所述第二望遠鏡系統(tǒng)(3L)形成光軸(33L)，其中所述望遠鏡系統(tǒng)(3R、3L)的所述光軸(33R、33L)之間的距離形成立體基準(zhǔn)(b)，其特征在于所述第一望遠鏡系統(tǒng)(3R)的入瞳的直徑(32R)大于所述立體基準(zhǔn)(b)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一權(quán)利要求所述的立體顯微鏡，其中所述第一望遠鏡系統(tǒng)(3R)形成光軸(33R)，且所述第二望遠鏡系統(tǒng)(3L)形成光軸(33L)，其特征在于所述共用主物鏡(2)的光軸(11)距所述望遠鏡系統(tǒng)(3R、3L)的所述光軸(33R、33L)的距離是完全相同的。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一權(quán)利要求所述的立體顯微鏡，其中所述第一望遠鏡系統(tǒng)(3R)形成光軸(33R)，且所述第二望遠鏡系統(tǒng)(3L)形成光軸(33L)，其特征在于所述共用主物鏡(2)的光軸(11)距所述望遠鏡系統(tǒng)(3R、3L)的所述光軸(33R、33L)的距離是不同的，其中所述共用主物鏡(2)的所述光軸(11)距具有較大光學(xué)有效直徑或具有較大直徑的入瞳的所述第一望遠鏡系統(tǒng)(3R)的光軸(33R)的距離小于距所述第二望遠鏡系統(tǒng)(3L)的光軸(33L)的距離。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一權(quán)利要求所述的立體顯微鏡，其中所述第一望遠鏡系統(tǒng)(3R)形成光軸(33R)，且所述第二望遠鏡系統(tǒng)(3L)形成光軸(33L)，其特征在于所述共用主物鏡(2)的光軸(11)與具有較大光學(xué)有效直徑或較大入瞳直徑(32R)的所述望遠鏡系統(tǒng)(3R)的所述光軸(33R)重合。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至8中任一權(quán)利要求所述的立體顯微鏡，其特征在于所述共用主物鏡(2)和所述望遠鏡系統(tǒng)(3L、3R)相對于彼此是橫向或垂直于所述共用主物鏡(2)的光軸(11)而可移位地配置。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至9中任一權(quán)利要求所述的立體顯微鏡，其特征在于所述第一望遠鏡系統(tǒng)(3R)和第二望遠鏡系統(tǒng)(3L)都具有光圈(31R、31L)，其中所述光圈(31R)可在所述第一望遠鏡系統(tǒng)(3R)中獨立于所述第二望遠鏡系統(tǒng)(3L)的所述光圈(31L)而變化。
11.根據(jù)權(quán)利要求1至9中任一權(quán)利要求所述的立體顯微鏡，其特征在于所述第一望遠鏡系統(tǒng)(3R)和所述第二望遠鏡系統(tǒng)(3L)都具有光圈(31R、31L)，且所述光圈(31R、31L)的操作是以如下方式進行在第一設(shè)定中，所述第一望遠鏡系統(tǒng)(3R)與所述第二望遠鏡系統(tǒng)(3L)之間的光圈開度的比值是可調(diào)的，且在第二設(shè)定中，所述光圈(31R、31L)的兩個開度可同時變化，且所述開度的比值不會改變。
12.根據(jù)權(quán)利要求1至11中任一權(quán)利要求所述的立體顯微鏡，其特征在于在垂直于具有所述較大光學(xué)有效直徑或入瞳(32R、32L)具有較大直徑的所述光束路徑(60R、60L)的方向上可將特定用于亮度校正的濾光器(37)引入所述光束路徑(60R、60L)中以及將其從所述光束路徑(60R、60L)中移除。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的立體顯微鏡，其特征在于所述濾光器(37)的操作是手動進行的。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的立體顯微鏡，其特征在于所述濾光器(37)的操作是通過放大倍率選擇的操作而自動進行的。
15.根據(jù)權(quán)利要求1至14中任一權(quán)利要求所述的立體顯微鏡，其特征在于光束分光器(56)或去耦裝置經(jīng)配置在具有較大直徑(32R)的入瞳的所述第一光束路徑(60R)中，以高分辨率下去耦到記錄裝置(57)。
16.根據(jù)權(quán)利要求1至15中任一權(quán)利要求所述的立體顯微鏡，其特征在于所述第一望遠鏡系統(tǒng)(3R)和所述第二望遠鏡系統(tǒng)(3L)經(jīng)設(shè)計為繞縱向軸線旋轉(zhuǎn)，而可視情況將具有較大直徑(32R)的入瞳的所述光束路徑(60R)提供到用戶的右眼或左眼(52R或52L)。
17.根據(jù)權(quán)利要求1至16中任一權(quán)利要求所述的立體顯微鏡，其特征在于所述望遠鏡系統(tǒng)(3R、3L)的最大放大倍率與最小放大倍率之間的放大倍率比大于十。
全文摘要
本發(fā)明是關(guān)于一種望遠鏡類型的立體顯微鏡(60)，其包括第一光束路徑(60R)以及第二光束路徑(60L)，其中在第一光束路徑(60R)中提供第一望遠鏡系統(tǒng)(3R)，在第二光束路徑(60L)中提供第二望遠鏡系統(tǒng)(3L)，其中兩個望遠鏡系統(tǒng)(3R、3L)的放大倍率相等并可彼此同步改變，且其中共用主物鏡(2)經(jīng)分配給兩條光束路徑(60R、60L)。為增加分辨率且不損失景深，提議第一望遠鏡系統(tǒng)(3R)的至少一個光學(xué)元件(31R、35R)與第二望遠鏡系統(tǒng)(3L)的至少一個對應(yīng)的光學(xué)元件(31L、35L)相比具有不同的光學(xué)有效直徑。
文檔編號G02B21/18GK1975504SQ200610112038
公開日2007年6月6日 申請日期2006年8月25日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月26日
發(fā)明者材曼·可勞斯彼得, 羅特曼恩·盧艾迪, 施尼茨勒·哈拉爾 申請人:萊卡顯微系統(tǒng)瑞士股份有限公司