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Die Erfindung bezieht sich auf ein optisches System für ein stereoskopisches Operationsmikroskop zur Vertauschung zweier paralleler Lichtstrahlen unter gleichzeitiger Bildumkehr für beide Strahlen ohne Parallelversatz des austretenden Strahlenpaars gegenüber dem eintretenden Strahlenpaar, bestehend aus einseitig reflektierenden Elementen und zwei beidseitig parallel reflektierenden Elementen, sämtlich in einer zu den einfallenden Strahlen senkrechten Ebene angeordnet, wobei jedes der beidseitig reflektierenden Elemente mit seiner Vorderseite den einfallenden Strahl über die einseitig reflektierenden Elemente auf die Rückseite des jeweils anderen beidseitig reflektierenden Elements reflektiert.
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Bekannt sind Prismensysteme zur stereoskopischen Bildaufrichtung dieser Art
DE 38 26 069 C2 . In anwendungstechnischer Hinsicht ist es wünschenswert, die optische Anordnung möglichst platzsparend im Mikroskop unterzubringen. Zur Vermeidung von unerwünschten Lichtverlusten werden möglichst geringe optische Weglängen innerhalb der Vorrichtung angestrebt. Da Operationsmikroskope in der Regel zur freien Orientierbarkeit beweglich gelagert, aber dennoch stabil befestigt sein müssen, ist das Gewicht des Mikroskops so niedrig wie möglich zu halten.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein optisches System zur stereoskopischen Bildaufrichtung der eingangs und im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art zu schaffen, welches eine möglichst platzsparende und leichte Anordnung zur Unterbringung im Mikroskop ermöglicht und den optischen Weg so gering wie möglich hält.
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Die erfinderische Lösung liegt in den Merkmalen des Anspruchs 1. Demnach sind sämtliche optische Elemente als flache, leichte Spiegel, bestehend aus einem flachen, leichten Substrat mit einer einseitigen bzw. doppelseitigen metallischen Verspiegelung der Oberfläche ausgeführt, so daß ihr Substrat vollständig außerhalb des optischen Weges liegt. Zwar ist die Ersetzung von reflektierenden Prismen durch Spiegel in der Optik grundsätzlich bekannt und wird auch im Stand der Technik beiläufig erwähnt (
DE 38 26 069 C2 , Spalte 7, Z. 52–55). Allerdings ist nicht ersichtlich, wie infolge einer derartigen Ersetzung eine Verringerung der Abmessungen zu erzielen wäre.
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Die Erfindung lehrt dagegen eine bestimmte Formung der beidseitig verspiegelten Elemente, welche in Verbindung mit der flachen Form der einseitig verspiegelten Spiegel eine besonders kompakte Anordnung des optischen Systems ermöglicht. Die genannte Formung wird auf eine Draufsicht entlang der optischen Achse (im folgenden kurz ”Draufsicht” genannt) bezogen. Die optische Achse des Spiegelsystems bezeichnet grundsätzlich die mittig zu den einfallenden Lichtstrahlen parallele Längsachse des Mikroskops. Das einfallende Licht wird von zwei ausgedehnten Bündeln von Lichtstrahlen gebildet, welche in der Ebene der optischen Anordnung einen Durchmesser von OD besitzen; als Lichstrahlen werden die Mittelstrahlen der Lichtbündel bezeichnet.
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In der Draufsicht auf das Spiegelsystem ist erfindungsgemäß der Rand der beidseitig verspiegelten Spiegel in der Nähe der optisch benachbarten einseitig verspiegelten Spiegel tangential nahezu parallel zu deren reflektierender Fläche gestaltet. Zweckmäßigerweise sind die beidseitig verspiegelten Spiegel oval geschnitten, so daß ihr Rand in der Draufsicht kreisrund mit Durchmesser mindestens gleich OD ist; die Tangente an den Kreisrand im Punkt des geringsten Abstands zum optisch benachbarten einseitig verspiegelten Spiegel ist dann jedenfalls parallel zu dessen reflektierender Fläche. Infolge der erfinderischen Formung der beidseitig verspiegelten Spiegel können die einseitig verspiegelten Spiegel sehr nahe, im Prinzip bis zur Berührung, an die beidseitig verspiegelten Spiegel herangeführt werden.
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Dagegen schließt die durch die Lage des Substrats im Strahlengang bedingte spezifische Form reflektierender Prismen eine erfindungsgemäße Formung der beidseitig reflektierenden Elemente aus.
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Die Ersetzung von reflektierenden Prismen durch flache Spiegel ist im vorliegenden Fall mit erheblichen Schwierigkeiten verbunden, welche von der endlichen Dicke SD des Spiegelsubstrats der beidseitig verspiegelten Elemente herrührt. In der vom Stand der Technik vorgegebenen Anordnung führt dies zu einem Parallelversatz des auslaufenden Strahlenpaars gegenüber dem einlaufenden Strahlenpaar von 1.41 SD; dieser Versatz ist unerwünscht, da es in der Praxis möglich sein muß, das optische System ohne Strahlversatz aus dem Strahlengang zu entfernen.
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Die Erfindung lehrt, daß eine Korrektur des beschriebenen störenden Parallelversatzes durch eine gegenüber dem Stand der Technik veränderte Neigung lediglich der beidseitig verspiegelten Spiegel, unter Beibehaltung der Orientierung der einseitig verspiegelten Spiegel, erreicht werden kann. Die Schwierigkeit liegt dabei darin, daß durch eine Veränderung der Neigung eines der beidseitig verspiegelten Spiegel stets beide auslaufende Strahlen gleichzeitig beeinflußt werden; dabei werden die auslaufenden Strahlen gegenüber den einlaufenden Strahlen nicht nur wie beabsichtigt versetzt, sondern zusätzlich in störender Weise geneigt. Es ist daher überraschend, daß durch Veränderung nur zweier Größen, nämlich der Anstellwinkel λ, λ' der beidseitig verspiegelten Spiegel zur Ebene der optischen Achse, vier unabhängige Größen, nämlich Neigung und Versatz beider auslaufender Teilstrahlen, korrigiert werden können; der Fachmann geht davon aus, daß dies nur mit Hilfe der Veränderung zweier zusätzlicher unabhängiger Größen, etwa durch Veränderung der Orientierung der einseitig verspiegelten Spiegel, möglich sei. Überraschenderweise wurde aber herausgefunden, daß dies nicht der Fall ist. Durch geeignete Wahl eines Anstellwinkels λ = λ', der größer sein muß als der vom Stand der Technik offenbarte Winkel von λ = 45°, kann der Parallelversatz des Austrittsstrahlenpaars gegenüber dem Eintrittsstrahlenpaar schließlich korrigiert werden. Die spezielle Wahl des Winkels λ > 45° hängt u. a. von der Substratdicke SD der beidseitig verspiegelten Spiegel ab.
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Infolge der erfindungsgemäßen Formung der beidseitig verspiegelten Spiegel können die Reflexionsflächen der einseitig reflektierenden Elemente bis auf den absolut minimalen Abstand von 0.5 OD an die Mittelstrahlen der einfallenden Lichtbündel herangeführt werden; dabei beschreibt OD den Durchmesser der einfallenden Lichtbündel in der Ebene der optischen Anordnung. Das im Stand der Technik ausgeführte Prismensystem muß dagegen eine um mindestens 40% gegenüber dem erfinderischen Spiegelsystem erhöhte Entfernung der reflektierenden Flächen der einseitig reflektierenden Elemente von den Mittelachsen der einlaufenden Strahlenbündel von 0.705 OD aufweisen.
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Mit dem erfinderischen Spiegelsystem wird eine maximale Radialausdehnung des gesamten Aufbaus von R = 1.205 OD + 0.705 SD erreicht. Da in der Praxis die Spiegeldicke SD gegen den Durchmesser OD der Lichtbündel gering gehalten werden kann, kommt man mit der erfinderischen Anordnung einem maximalen Radius von R = 1.205 OD nahe. Dies bedeutet eine Reduzierung gegenüber dem Stand der Technik von fast 20% (
DE-38 26 069 A1 ,
3; R = 1.5 OD). Entsprechend kann der optische Weg von 2.82 OD eines Lichtstrahls in der Ebene der optischen Anordnung um 40% gegenüber dem Stand der Technik (4 OD) reduziert werden. Die Bauhöhe wird durch die leichte zusätzliche Neigung der beidseitig verspiegelten Spiegel dagegen nur minimal erhöht, was eine ebenfalls nur minimale Erhöhung des optisches Weges mit sich bringt.
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Die Ausführung sämtlicher optischer Elemente als Spiegel und ihre Anordnung dergestalt, daß ihr Substrat vollständig außerhalb des Strahlengangs liegt, hat ferner den Vorzug, daß an das Spiegelsubstrat keine Anforderungen hinsichtlich seiner optischen Qualität zu stellen sind. Zudem werden Abbildungsfehler vermieden, welche mit dem Durchtritt der Lichtstrahlen durch die Oberfläche der Prismen einhergeht.
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In der Praxis kommt es regelmäßig vor, daß ein Operationsmikroskop ohne Vertauschung der beiden Lichtstrahlen und ohne Bildumkehr benutzt werden soll. Dazu soll sich das Spiegelsystem auf das sich die vorliegende Erfindung bezieht, aus dem Strahlengang des Mikroskops entfernen lassen, möglichst ohne daß dadurch die radiale Ausdehnung des Mikroskops erhöht würde. Vorteilhafterweise sind daher mindestens die beidseitig verspiegelten Spiegel um die optische Achse drehbar und lassen sich durch eine gemeinsame Drehung um 90° gegenüber der betriebsgemäßen Anordnung vollständig aus dem Strahlengang entfernen, so daß die Lichtbündel frei durch das Spiegelsystem hindurchtreten.
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Im folgenden soll erläutert werden, welche Bedingungen den genannten freien Lichtdurchtritt ermöglichen. Dazu wird das Spiegelsystem wiederum in der Draufsicht entlang der optischen Achse betrachtet. Man stelle sich nun ein Quadrat vor, dessen eine Diagonale lotsenkrecht auf der von den beiden einfallenden Lichtstrahlen aufgespannten Ebene steht, das von der optischen Achse in der Mitte geschnitten wird, und dessen Kantenlänge so klein wie möglich ist, dabei jedoch immer noch beide beidseitig verspiegelten Spiegel vollständig umfaßt. Die beiden beidseitig verspiegelten Spiegel sind nun zweckmäßigerweise jeweils ausschließlich in gegenüberliegenden Quadranten des genannten Quadrats angeordnet; die beiden anderen gegenüberliegenden Quadranten sind zweckmäßigerweise auf einer den Lichtbündeln entsprechenden Fläche vollkommen durchlässig. In einer die optischen Elemente tragenden Grundplatte können dazu z. B. kreisrunde Bohrungen mit Durchmesser OD vorgesehen sein. Nach einer Drehung um 90° um die optische Achse liegen dann die beidseitig verspiegelten Spiegel in den jeweils anderen Quadranten und damit außerhalb der Lichtbündel, welche durch die kreisrunden Bohrungen in der Grundplatte frei hindurchtreten können. Die einseitig verspiegelten Spiegel hingegen sind zum Zweck des freien Lichtdurchtritts außerhalb des genannten Quadrats anzuordnen.
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Die bisher beschriebenen und weitere Merkmale werden im folgenden anhand eines vorteilhaften Ausführungsbeispiels dargelegt, welches in den 1 bis 3 illustriert ist. Es zeigen:
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1 eine perspektivische Darstellung des erfinderischen Spiegelsystems;
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2 eine Draufsicht entlang der optischen Achse A auf das erfinderische Spiegelsystem; und
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3 eine Seitenansicht des erfinderischen Spiegelsystems entlang der Ebene, die von den beiden einfallenden Lichtstrahlen aufgespannt wird.
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Auf einer Grundplatte 1, welche senkrecht zu den einfallenden parallelen Strahlen R, L orientiert ist, sind sechs optische Elemente 2–7 befestigt. Die beiden ovalen Spiegel 2 und 5 sind beidseitig, die vier rechteckigen Spiegel 3, 4, 6 und 7 einseitig verspiegelt.
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Im betriebsgemäßen Zustand trifft der zur optischen Achse A parallele Strahl R auf die reflektierende, gegen die Ebene E der optischen Anordnung um einen bestimmten Winkel λ > 45° geneigte Vorderseite 2a des beidseitig verspiegelten Spiegels 2. Der Lichtstrahl R wird von der Spiegeloberfläche 2a um den Winkel 2 λ > 90° abgelenkt und trifft auf den einseitig verspiegelten Spiegel 3, dessen Oberflächenlot in einer zur Ebene (E) der optischen Anordnung parallelen Ebene liegt und mit dem Lot auf die von den beiden einfallenden Lichtstrahlen aufgespannter Ebene einen Winkel von 45° einschließt. Der Lichtstrahl wird daher durch den einseitig verspiegelten Spiegel 3 um 90° reflektiert und fällt auf einen ähnlich orientierten einseitig verspiegelten Spiegel 4, welcher den Teilstrahl um 90° auf die Rückseite 5b des beidseitig verspiegelten Spiegels 5 reflektiert. Der gegenüber der Ebene der optischen Anordnung um denselben Winkel λ > 45° wie der Spiegel 2 geneigte Spiegel 5 lenkt den Teilstrahl abschließend um den Winkel 2 λ um, so daß der Teilstrahl L' parallel zum einfallenden Teilstrahl R ausläuft.
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In analoger Weise wird der Teilstrahl L über die Vorderseite 5a des beidseitig verspiegelten Spiegels 5 sowie über die einseitig verspiegelten Spiegel 6 und 7 auf die Rückseite 2b des beidseitig verspiegelten Spiegels 2 gelenkt und von dort so reflektiert, daß er mit dem einfallenden Teilstrahl R auf einer Linie liegt. Die vorderseitigen Reflexionsflächen 2a, 5a der beidseitig verspiegelten Spiegel 2, 5 schneiden sich in einer Linie, welche in der von den einfallenden Lichstrahlen R, L aufgespannten Ebene liegt.
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Die beidseitig verspiegelten Spiegel 2 und 5 sind oval geschnitten, so daß sie in der Draufsicht auf das Spiegelsystem entlang der optischen Achse A (s. 2) kreisrund mit dem Durchmesser OD erscheinen. In der Projektion der beidseitig verspiegelten Spiegel 2 und 5 sind in der Grundplatte 1 zwei Bohrungen für den Strahlendurchgang vorgesehen. In der Grundplatte 1 sind zwei weitere kreisrunde Bohrungen 8, 9 derselben Größe eingerichtet. Die vier durch die beidseitig verspiegelten Spiegel 2, 5 mit ihren Bohrungen und durch die Bohrungen 8, 9 gebildeten Kreise sind in Form eines Kreuzes sehr kompakt angeordnet. Die einseitig verspiegelten Spiegel 3, 4, 6 und 7 können in der in 2 gezeigten Weise bis zur Berührung an die beidseitig verspiegelten Spiegel 2, 5 herangeführt werden. In den Berührungspunkten verlaufen die Tangenten an die oben genannten Kreisformen parallel zu der Reflexionsflächen der einseitig reflektierenden Spiegel 3, 4, 6, 7.
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Jeweils die beidseitig verspiegelten Spiegel 2, 5 und die kreisrunden Bohrungen 8, 9 in der Grundplatte sind in gegenüberliegenden Quadranten eines Quadrats angeordnet, dessen Seiten durch die Reflexionsflächen der einseitig verspiegelten Spiegel 3, 4, 6, 7 gebildet werden. Die einseitig verspiegelten Spiegel liegen dagegen außerhalb dieses Quadrats. Bei einer Drehung des Spiegelsystems um die optische Achse A um 90° werden daher die beidseitig verspiegelten Spiegel 2, 5 vollständig aus dem Strahlengang entfernt und die Lichtbündel treten vollständig frei durch die Bohrungen 8, 9 in der Grundplatte hindurch.
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3 verdeutlicht, daß ein Austritt des Strahlenpaars ohne Parallelversatz gegenüber dem einfallenden Strahlenpaar durch eine Neigung der beidseitig verspiegelten Spiegel 2, 5 erreicht werden kann, wobei deren Reflexionsflächen einen Winkel von λ > 45° mit der Ebene der optischen Anordnung einschließen. Der Winkel λ ist durch die Forderung des Lichtdurchtritts ohne Parallelversatz festgelegt und hängt u. a. von der Spiegeldicke SD der beidseitig verspiegelten Elemente 2 und 5 ab.