DE2317589C3 - Hochvergrößernde Lupe, insbesondere für Mikrofilm-Lesegeräte - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine hochvergrößernde Lupe, insbesondere für Mikrofilm-Lesegerät

Mikrofilm zeichnet sich gegenüber Papier als Informationsträger durch niedrige Gestehungskosten, kompakte Aufbewahrung und rasche Zugriffsmöglichkeit aus. Um Mikrofilm lesen zu können, benötigt man jedoch besondere Geräte.

Gewöhnlich verwendet man zum Lesen von Mikrofilm Projektionsgeräte, die von der zu lesenden Information ein vergrößertes reelles Bild auf einem Schirm erzeugen. Bei derartigen Geräten wirkt sich nachteilig aus, daß ihre Anschaffung teuer ist, daß sie unhandlich und von einer Stromversorgung abhängig sind und daß ferner das zu lesende Bild durch Lichteinfall von außen gestört wird, so daß sich die Verwendung von Mikrofilm zwar im Büro, nicht aber im Außenbetrieb durchsetzen konnte.

Die Nachteile der Projektionsgeräte lassen sich grundsätzlich dadurch vermeiden, daß man zum Lesen eine Lupe verwendet. Die Lupe erzeugt ein virtuelles Bild, das man ebenso groß erscheinen lassen kann wie ein auf einem Schirm abgebildetes reelles Bild. Lupengeräte sind billig herzustellen, klein und handlich, unabhängig von äußerer Stromversorgung und außerdem unempfindlich gegen Licht aus der Umgebung. Sie machen es daher möglich, Mikrofilm auch unterwegs zu verwenden. Die Verwirklichung höchvergfößerter Lupen in der herkömmlichen Form von Linsen oder Linsenkombinationen scheitert jedoch daran, daß zur Erzielung höherer Vergrößerung die Brennweite der Lupe verkleinert werden muß, wodurch sich zwangsläufig auch ihre Öffnung verengt. Um durch eine enger werdende Öffnung ein Gesichtsfeld mit vorgegebenem

Bildwinkel überblicken zu können, muß man das Auge näher an die Lupe heranbringen. Dabei kann der gröQtzulässige Beobachtungsabstand leicht so kurz werden, daß das Lesen unbequem und ermüdend wird, und Brillenträger das Bild nur noch wie durch ein Schlüsselloch stückweise abtasten können.

Es ist bekannt (GB-PS 7 29 878 und 6 75 549), zur Erzeugung eines vergrößerten virtuellen Bildes ein optisches Gerät zu verwenden, welches einen Hohlspiegel mit einem ebenen Spiegel enthält Diese Geräte sind jedoch nur für so niedrige Vergrößerungen bestimmt, daß der Beobachtungsabstand bei ihnen keine Rolle spielt. Die kritische Bedeutung des Beobachtungsabstandes unter extremen Anwendungsbedingungen ist bisher nicht erkannt worden. Auch sind die bekannt gewordenen Vorrichtungen nicht so ausgelegt, daß sie eine Betrachtung des Bildes aus dem bei vorgegebener Vergrößerung und vorgegebenem Bildwinkel größtmöglichen Abstand erlauben würden. Das ist beispielsweise daraus ersichtlich, daß der halbdurchlässige Spiegel bei den bekannten Vorrichtungen ohne Rücksicht auf Vergrößerungen und Bildwinkel um 45° gegen die Bildachse geneigt ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine hochvergrößernde Lupe zu schaffen, die ein vergrößertes virtuelles Bild erzeugt, die sich jedoch gegenüber Linsenlupen gleicher Stärke dadurch auszeichnet, daß sie ein Gesichtsfeld vorgegebener Winkelausdehnung aus wesentlich größerem Beobachtungsabstand zu überblicken erlaubt.

Diese Aufgabe wird bei einer hochvergrößernden Lupe erfindungsgemäß durch ein Spiegelelement in der Form eines Hohlspiegels gelöst, dessen optische Achse mit der Bildachse übereinstimmt, einen halbdurchlässigen Spiegel, dessen eine Kante sich eng an die benachbarte Kante des Hohlspiegels anschließt und dessen Ebene mit der Sehne des Hohlspiegels einen spitzen Winkel einschließt, sowie durch eine Haltefläche für den zu vergrößernden Gegenstand, die von der dem halbdurchlässigen Spiegel abgewandten Kante des Hohlspiegels rusgeht und mit der Sehne des Hohlspiegels einen stumpfen Winkel einschließt, wobei die Abmessungen der Flächen und die Winkel zwischen ihnen so gewählt sind, daß das vom halbdurchlässigen Spiegel erzeugte Spiegelbild des Gegenstandes auf der optischen Achse senkrecht steht, den Krümmungsradius des Hohlspiegels angenähert halbiert, sich jedoch in dem Raum zwischen dem Hohlspiegel und einer gedachten konzentrischen Kugel vom halben Krümmungsradius befindet, und daß in der Grenzlage des so Beobachtungspunktes die vc<n den Randstrahlen auf der 11altefläche, dem Hohlspiegel und dem halbdurchlässigen Spiegel begrenzten Flächengebiete ganz oder beinahe aneinanderstoßen, ohne sich zu schneiden. Der halb durchlässige Spiegel verhindert, daß das vergrö-Berte virtuelle Bild vom Objekt verdeckt wird. Das Objekt ist außerhalb der Bildachse angebracht und wird von dem halbdurchlässigen Spiegel so reflektiert, daß sein unvergrößertes Spiegelbild dem Hohlspiegel im richtigen Abstand gegenübersteht. Bei einer derartigen Lupe wird bei vorgegebener Vergrößerung und vorgegebenem Bildwinkel der größtmögliche Beobachtungsabstand erzielt, indem die Abmessungen von Haltefläche für das zu vergrößernde Objekt, Hohlspiegel und halbdurchlässigem Spiegel sowie die zwischen diesen Flächen eingeschlossenen Winkel so bestimmt werden, daß in der Grenzlage des Beobachtungspunktes die von den Randstrahlen rjuf den genannten Flächen begrenzten Gebiete aneinanderstoßen, ohne sich zu schneiden. Dabei ist die Grenzlage des Beobachtungspunktes der von den Spiegeln am weitesten entfernte Punkt der Bildachse, von dem aus sich das vergrößerte virtuelle Bild noch ganz überblicken läßt.

Wenn man diese Bedingung verwirklicht, so wird insbesondere der Neigungswinkel des halbdurchlässigen Spiegels abhängig vom vorgegebenen Bildwinkel. Im Grenzfall verschwindend kleinen Bildwinkels ist die Spiegelnormale 30° gegen die Bildachse geneigt Bei größer werdendem Bildwinkel nimmt deir Neigungswinkel zu bis zu seiner Endlage von 45°, bei welchem d2r Bildwinkel nicht mehr vergrößert werden kann.

Der zulässige Beobachtungsabstand kann gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung zusätzlich dadurch vergrößert werden, daß der Raum zwischen der Haltefläche für den Gegenstand, dem Hohlspiegel und dem halbdurchlässigen Spiegel durch einen Körper aus klarem, lichtbrechendem Material mit einem Brechungsindex größer als 1 ausgefüllt ist

Die erfindungsgemäße Spiegeliupe eignet sich zur direkten vergrößernden Betrachtung im wesentlichen ebener Objekte, die transparent, reflektierend oder, wie Aufzeichnungen auf Kathodenstrahlröhren, selbstleuchtend sein können. Außerdem kann sie als Okular in monokularen oder binokularen optischen Geräten, wie Mikroskopen oder Fernrohren, verwendet werden.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele einer die erfindungsgemäßen Merkmale aufweisenden hochvergrößernden Lupe dargestellt Es zeigt

F i g. 1 eine schematische Wiedergabe des optischen Systems (Lupe) einer einfachen Ausführungsform,

Fig. la eine perspektivische Ansicht des Ausführungsbeispiels gemäß F i g. 1,

Fig.2 eine Wiedergabe des optischen Systems gemäß Fig. 1, eingebettet in einen Körper aus lichtbrechendem Material; Vergrößerung und Gesichtsfeld haben die gleiche Größe wie in Fig. 1,

F i g. 3 eine perspektivische Ansicht des lichtbrechenden Körpers gemäß F i g. 2,

Fig.4 eine Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel ähnlich demjenigen gemäß F i g. 2, bei der jedoch die Austrittsfläche des Körpers aus lichtbrechendem Material abgewandelt ist,

F i g. 5 eine Abwandlung, bei der die Oberfläche des Objekts, die Eintrittsfläche des Lupenkörpers und die Oberfläche des Konkavspiegels konkave konzentrische Krümmungen aufweisen,

F i g. 6 eine weitere Abwandlung, bei der die Eintrittsfläche des Lupenkörpers eben ist, während die Oberfläche des Objekts konkav ausgebildet ist,

Fig. 7 eine weitere Ausführungsform mit einer konvexen Krümmung der Eintrittsfläche der Lupe und einer ebenen Oberfläche des Objekts,

Fi g. θ eine perspektivische Darstellung der Lupe mit einer Vorrichtung, um dem Gegenstand eine bestimmte Krümmung aufzuprägen,

Fig.9 eine schematische Wiedergabe der Abwandlung der Oberfläche des Hohlspiegels zu dem Zweck, von einem ebenen Gegenstand ein ebenes Bild zu erzeugen,

Fig. 10 eine schematische Wiedergabe des Lupenkörpers gemäß Fig. 2 mit einer Vorrichtung zur Beleuchtung undurchsichtiger Gegenstände,

Fig. 11 den Lupenkörper gemäß Fig. 2 in Verbindung mit einer Vo richtung für die Beleuchtung durchsichtiger Gegenstände,

Fig. 12 die schematische Darstellung eines Ausfüh-

rungsbeispiels, bei welchem die Lupe gemäß F i g. 2 als zweiäugiges Mikroskopular verwendet ist,

Fig. 13 eine schematische Wiedergabe eines weiteren Ausführungsbeispiels, bei welchem die Lupe gemäß F i g. 2 in Verbindung mit einem Relais zwecks weiterer ί Vergrößerung des Beobachtungsabstandes verwendet ist,

Fig. 14 eine perspektivische Wiedergabe der Lupe gemäß F i g. 2 in Verbindung mit einem Mikrofilm-Lesegerät, in

In den Zeichnungen geben die Fig. 1 bis 3 das Grundprinzip des optischen Systems gemäß der Erfindung wieder, die F i g. 4 bis 13 zeigen Abwandlungen und Anwendungsbeispiele dieses optischen Systems, während die Fig. 14 in schematischer Form ein r> Gerät zeigt, in dem das optische System zum Lesen von Mikrofilm benutzt wird.

Das in Fig. I schematisch dargestellte optische System, das nachfolgend als »Lupe« bezeichnet ist, enthält eine sphärisch ausgebildete konkave Hohlspie- >o gelfläche 20, deren optische Achse mit der Bildachse 21 übereinstimmt. Die optische Achse 21 wird von einer diagonal von einer Kante des Hohlspiegels 20 ausgehenden lichtdurchlässigen und gleichzeitig reflektierenden ebenen Fläche 22 durchsetzt, die als y, halbdurchlässiger Spiegel wirkt. Die einander zugekehrten Kanten der Flächen 20 und 22 sind nahe benachbart oder in Berührung. Die Ebene der Fläche 22 bildet mit der Sehne der Hohlspicgelfläche 20 einen spitzen Winkel. Auf der gegenüberliegenden Seite der Hohl- :■■ Spiegelfläche 20 ist in ungefährer oder direkter Berührung hierzu der zu betrachtende und zu vergrößernde Gegenstand 23 angeordnet. Dieser Gegenstand ist z.B. ein Mikrofilm. In Fig. 1 ist der Gegenstand 23 in einer Ebene angeordnet, die mit der r< Sehne der Hohlspiegelfläche 20 einen stumpfen Winkel einschließt. Die halbdurchlässige ebene Fläche 22 spiegelt die Gegenstandsachse 24 in die Bildachse 21 und reflektiert die vom Gegenstand 23 ausgehenden Lichtstrahlen derart, daß sie vom Hohlspiegel 20 aus gesehen, von dem virtuellen Bild 25 auszugehen scheinen. Das virtuelle Bild 25 steht senkrecht zur Bildachse 21 und liegt innerhalb der Brennweite der Hohlspiegelfläche 20, jedoch nahe an ihrem Brennpunkt. Unter diesen Bedingungen erzeugt die nachfolgende Reflexion am Hohlspiegel 20 ein vergrößertes virtuelles Bild, das auf der konvexen Seite der Spiegelfläche liegt. Dieses endgültige Bild, das außerhalb F i g. 1 fällt, wird schließlich entlang der Bildachse 21 durch die halbdurchlässige Fläche 22 hindurch 5t> betrachtet.

In Fig. la ist die oben beschriebene Lupe in perspektivischer Ansicht wiedergegeben, um die Zuordnung der Kanten zu veranschaulichen. Die Hohlspiegelkante 20a steht in enger Berührung mit der Kante 23a 5ϊ des Gegenstands 23. während die gegenüberliegende Hohlspiegelkante 206 in enger Berührung mit der Kante 22a des halbdurchlässigen Spiegels 22 steht. Das virtuelle Zwischenbild 25 ist senkrecht zur Bildachse 21 gezeigt. In dieser perspektivischen Ansicht ist auch die fco horizontale Symmetrieebene ersichtlich, die durch die Achse 24 des Gegenstandes 23 und die Achse 21 des Zwischenbilds 25 definiert ist. Bei diesem Beispiel ist der Gegenstand durch einen rechteckigen Rahmen im Verhältnis von Höhe zu Breite = 1.5 begrenzt und to wiedergegeben.

Es ist für die Erfindung wesentlich, daß die bei der Bildbetrachtung ausgenutzten Aperturen so groß wie möglich gemacht werden, um bei vorgegebener Größe des Gegenstands 23 und vorgegebener Vergrößerung einen möglichst großen Beobachtungsraum zu erzielen. Der Beobachtungspunkl, z. B. 26, von dem man das vergrößerte Bild betrachtet, definiert zusammen mit dem rechteckigen Rand des Gegenstands 23 die Randstrahlen, die ihrerseits die auf den optischen Flächen ausgenutzten Aperturen begrenzen. Dabei ist zu beachten, daß der halbdurchlässige Spiegel 22 zweimal mit den Randstrahlen in Wechselwirkung tritt; infolgedessen ist die auf ihm ausgenutzte Apertur entweder durch die reflektierten oder durch die hindurchgclassencn Randstrahlen begrenzt, je nachdem, welche Strahlen ein größeres Gebiet umschließen. Damit das vergrößerte Bild vom Beobachtungspunkl 26 aus voll sichtbar ist, darf keine der beteiligten Flächen, d. h. weder der Gegenstand 23, noch der halbdurchlässige Spiegel 22, noch der Hohlspiegel 20, eine Apertur durchsetzen, die auf einer benachbarten Flache ausgenutzt ist. Da die auf den Spiegeln 20 und 22 ausgenutzten Aperturen mit zunehmendem Abstand des Bcobachtungspunktes 26 vom Hohlspiegel 20 größer werden, beschränkt diese Bedingung der Nichtdurchsetzungden verfügbaren Beobachtungsraum oder die Punkte auf der Bildachse 21, von denen das vergrößerte Bild voll sichtbar ist. Somit ist ersichtlich, daß bei der beschriebenen Lupe die Beschränkung des flLubachtungsraumes dadurch gemildert wurden kann, daß man durch geeignete Begrenzung und Anordnung aller beteiligten Flächen die auf den optischen Flächen ausnutzbaren Aperturen so groß wie möglich macht.

Die günstigste Anordnung ist dann gegeben, wenn der beweglich zu denkende Beobachtungspunkt 26 bei zunehmendem Abstand vom Hohlspiegel 20 schließlich eine Grenzlage 27 erreicht, wo die Randstrahlen die optischen Flächen voll ausnutzen, während gleichzeitig die Kanten des Gegenstands 23, des Hohlspiegels 20 und des halbdurchlässigen Spiegels 22 in der mit Bezug auf Fig. la beschriebenen Weise aneinanderstoßen. Unter diesen Bedingungen ist der verfügbare Beobachtungsraum durch die im Punkt 27 zusammenlaufenden Randstrahlen begrenzt.

Die Größe des nach dieser Vorschrift bei vorgegebener Gegenstandsgröße und vorgegebener Vergrößerung erzielten Beobachtungsraum stellt ein Maximum im mathematischen Sinn dar, d. h. jede Änderung der Lupendimensionen könnte den Beobachtungsraum nur verkleinern. Da das zu betrachtende Bild von jedem Punkt innerhalb des Beobachtungsraums voll sichtbar ist, bestimmt die Größe des Beobachtungsraums nicht nur den verfügbaren Abstand des Auges von der Lupe, sondern auch, bei kürzerem Abstand, die verfügbare Exzentrizität relativ zur Bildachse 21.

Die im Hinblick auf die Größe des Beobachtungsraums günstigste Anordnung wird im einzelnen verständlich, wenn man die vom Rand des Gegenstands 23 ausgehenden Randstrahlen betrachtet, die nach Durchgang durch die Lupe in der Grenzlage 27 des Beobachtungspunkts zusammenlaufen. Die von den Seiten 23a und 236 des Gegenstands 23 ausgehenden Randstrahlen definieren die horizontale Apertur des Hohlspiegels 20, während die Randstrahlen von der Ober- und Unterkante 23c des Gegenstands die vertikale Apertur des Hohlspiegels begrenzen, dessen Ober- und Unterkante in Fig. 1 durch den Bogen 30 dargestellt ist. Die von den Seiten 23a und 23Λ ausgehenden Randstrahlen bilden im wesentlichen vertikale, aber leicht gekrümmte fächerförmige Flächen,

die sich in die Symmetrieebene durch die Achsen 21 und 24 als Linien veränderlicher Breite projizieren. So erscheinen in F i g. 2 die Randstrahlen von der Seite 23a als breiter werdende Linie 35 vom Gegenstand 23 zur Reflexionsfläche 22, als sich weiter verbreiternde Linie 36 von der Fläche 22 zu der Hohlspiegelfläche 20, und schließlich als schmäler werdende Linie 37 von der Flär!*i 20 durch eine Austrittsebene 34 zum Punkt 27. In entsprechender Weise erscheinen in Fig.2 die Randstrahlen von der Seite 23b als breiter werdende Linie 31 vom Gegenstand 23 zur Reflexionsfläche 22, als sich weiter verbreiternde Linie 32 von der Fläche 22 zu der Hohlspiegelfläche 20, und schließlich als schmäler werdende Linie 33 von der Fläche 20 durch die Austrittsebene .34 zum Punkt 27. Die in F i g. 2 gezeigte Austrittsebene 34 ist so gelegt, daß sie die auf der halbdurchlässigen Fläche 22 ausgenutzte Apertur berührt, deren Größe in diesem Falle von den durchgehenden Randstrahlen 33 bestimmt wird. Man kann die Ebene 34 als Grundfläche des pyramidenförmigen Beobachtungsraums mit Scheitelpunkt 27 auffassen, welcher alle Punkte umfaßt, von denen aus das vergrößerte virtuelle Bild voll sichtbar ist.

Wie sich die angegebene Vorschrift bei veränderlicher Gegenstandsgröße auf die Gestalt des optischen Systems auswirkt, ist am leichtesten an Hand eines Spezialfalls zu übersehen. Der Gegenstand möge linienförmig sein, so daß er keine nennenswerte Vertikalausdehnung hat, und sein virtuelles Zwischenbild 25 möge durch den Brennpunkt des Hohlspiegels 20 geh"!n, so daß die Mitte des vergrößerten virtuellen Bildes im Unendlichen liegt. Betrachtet man den Krümmungsradius des Hohlspiegels 20 und damit die Bildvergrößerung als konstant, aber die Gegenstandsbreite als veränderlich, so findet man, daß der Neigungswinkel zwischen der Normalen des halbdurchlässigen Spiegels 22 und der Bildachsc 21 mindestens 30° sein muß. Dieser Grer.zfali tritt ein, wenn der Gegenstand gegenüber dem Krümmungsradius des Hohlspiegels verschwindend klein ist. Wenn der Gegenstand wächst, so nimmt auch der Neigungswinkel zu. Jedoch wird bereits bei 45° ein anderer Grenzfall erreicht, wo die Reflexionsbedingungen eine weitere Verbreiterung des Gegenstands verbieten. Quantitativ läßt sich der Übergang von dem einen zu dem anderen Grenzfall wie folgt beschreiben: Während der Neigungswinkel von 30° auf 45° wächst, nimmt die erlaubte Breite des Gegenstands von 0 auf 47% des Krümmungsradius zu, und gleichzeitig nimmt die Breite der Hohlspiegelapertur von 54% auf 47% des Krümmungsradius ab.

Die das beschriebene System bildenden optischen Flächen können auf verschiedene Weise geschaffen werden. Eine bevorzugte Ausführungsform zeigen die Fi g. 2 und 3, bei der die Lupe als fester Körper 40 aus klarem durchsichtigem Material, wie Glas oder optischem Kunststoff, ausgebildet ist. Die optisch wirksamen Flächen des Körpers 40 sind mit der nötigen Genauigkeit hergestellt, und die Spiegelflächen sind als Beläge auf das durchsichtige Material aufgebracht. Der Körper 40 besteht aus 2 Teilen, 41 und 42, die in bekannter Weise optisch verkittet sind. Der Teil 41 füllt den Raum zwischen den Flächen des Hohlspiegels 20 und des halbdurchlässigen Spiegels 22. Außerdem bildet er dicht unter dem Gegenstand 23 eine Eintrittsfläche 43, die den Gegenstand 23 hält. Der ι cii 42 iüut ucn Raum zwischen dem halbdurchlässigen Spiegel 22 und der schon beschriebenen Austrittsebene 34, die damit zu einer optisch wirksamen Fläche gemacht wird. Die übrigen Flächenelemente des Körpers 40 sind nicht an der optischen Abbildung beteiligt und dürfen deshalb beliebig geformt sein, solange sie den Verlauf der -) Randstrahlen nicht stören. Eine solche Ausbildung der Lupe als fester Block hält die Gegenstandsebene und die optisch wirksamen Flächen in ihrer gegenseitigen Lage fest und macht dadurch die Lupe weitgehend unempfindlich gegen mechanische Einwirkungen.

in Besonders vorteilhaft ist aber die optische Wirkung des durchsichtigen Materials, das einen Brechungsindex η größer als 1 hat. Diese Wirkung beruht im wesentlichen darauf, daß Lichtbrechung an der Austrittsfläche 34 die scheinbare Entfernung des durch den

ι ■. Hohlspiegel vergrößerten virtuellen Bildes um den Faktor π verkürzt, was einer zusätzlichen Vergrößerung um den Faktor η gleichwertig ist. Deshalb darf man die vom Hohlspiegel erzeugte Vergrößerung um den Faktor η herabsetzen, wodurch sich alle Linearabmes-

2u sungen des Lupenkörpers und damit auch die des Beobachtungsraums um den gleichen Faktor vergrößern. Da dabei der unverändert bleibende Gegenstand im Verhältnis zu den Lupenabmessungen kleiner wird, kann man außerdem die Gestalt der Lupe so abändern,

r> daß sie bei relativ kleinerem Gegenstand den größtmöglichen Beobachtungsraum liefert. Das bewirkt, daß die Linearabmessungen des Beobachtungsraums sogar auf mehr als das η-fache anwachsen. Diese Wirkung wird offenbar, wenn man Fig. 1 vergleicht mit Fig. 2,

in wo der Brechungsindex zu 1,5 angenommen ist. Beide Lupen sind für dieselbe Gegenstandsgröße und dieselbe Vergrößerung ausgelegt; aber bei der Lupe von F i g. 2 ist der Beobachtungsraum mehr als 1,5 mal so lang wie bei der Lupe von Fig. 1. Im Hinblick auf die Größe des

π Beobachtungsraums kann man die Spiegellupe gemäß F i g. 2 vergleichen mit einer idealen dünnen Sammellinse, deren Brennweite n-mal kürzer ist als die des Hohlspiegels 20, und deren Durchmesser so groß wie die Diagonale der auf der Austrittsfläche 34 ausgenutzten Apertur. Um einen ebenso großen Beobachtungsraum zu liefern wie die Lupe der F i ς. 2, müßte einc solche Linse eine relative Apertur von 1 :0,53 haben, d. h. ihr Durchmesser müßte fast doppelt so groß sein wir ihre Brennweite. Bei diesem Vergleich muß man jedoch berücksichtigen, daß die Dicke einer wirklichen Linse mit größer werdender relativer öffnung rasch zunimmt mit dem Ergebnis, daß der wirkliche Beobachtungsraum kürzer wird als der einer dünnen Linse gleicher relativer Öffnung. Somit wird der große

w Vorteil bezüglich des Beobachtungsraums ersichtlich, der sich ergibt, wenn man die Spiegellupe sowohl optimal formt, als auch mit lichtbrechendem Material ausfüllt.

Die in den F i g. 1 —3 dargestellte Lupe zielt in erster

■>·> Linie auf den großen Beobachtungsraum ab. Hinsichtlich der Qualität des vergrößerten Bildes ist festzustellen, daß bei im wesentlichen normalem Einfall der am Hohlspiegel reflektierten Strahlen das System weitgehend frei ist von solchen Abbildungsfehlern, welche

M' Schärfe und Gestalt des Bildes beeinträchtigen. Bei stark exzentrischer Beobachtung kann sich jedoch Astigmatismus bemerkbar machen. Außerdem muß man bei besonders weitem Gesichtsfeld mit Bildfeldwölbung rechnen.

h) Die F i g. 4 zeigt eine Abv^andung der Spiegellupe mit erhöhter Toleranz "e"enüber seitlicher, Verschieben gen des Beobachtungspunktes. Sie verwendet anstelle der ebenen Austrittsfläche 34 eine konkave Austrittsflä-

ehe 34', um dem bei exzentrischer Beobachtung auftretenden Astigmatismus entgegenzuwirken. Um diese Wirkung zu verstehen, gehe man von der Annahme aus, daß der Mittelpunkt des vergrößerten virtuellen Bildes von einem Beobachtungspunkt 28 außerhalb der Bildachse betrachtet wird, so daß der Sehstrah! auf die Oberfläche des Hohlspiegels schräg auffällt. Da schräger Einfall auf einen sphärischen Hohlspiegel negativen Astigmatismus erzeugt, wogegen schräger Übergang aus einem brechenden Medium in Luft positiven Astigmatismus bewirkt, kann der von der Fläche 20 verursachte Astigmatismus durch schrägen Einfall an der Austrittsfläche kompensiert werden. Da der Sehstrahl im wesentlichen parallel zur Achse 211 verläuft, beeinflußt eine ebene Austrittsfläche den Astigmatismus nur unwesentlich. Die Wölbung der Austrittsfläche 34' liefert jedoch die nötige Schräge, um Astigmatismus zu erzeugen, und die Krümmung verstärkt diesen Astigmatismus noch über den Betrag hinaus, der von einer ebenen Fläche gleicher Schräge erhältlich wäre. Obwohl diese günstige wirkung teilweise durch höheren negativen Astigmatismus seitens des Hohlspiegels 20 aufgehoben wird, da dessen Krümmung zum Ausgleich der Verkleinerungswirkung der konkaven Austrittsfläche 34' erhöht werden muß, ist es einleuchtend, daß sich mittels einer konkaven Austrittsfläche 34' geeigneter Krümmung die Toleranz des optischen Systems gegenüber seitlichen Verschiebungen des Beobachtungspunktes verbessern läßt

Der durch den Hohlspiegel hervorgerufene negative Astigmatismus kann auch dadurch verringert werden, daß man die Spiegelfläche asphärisch ausbildet, derart, daß ihre meridionale Krümmung mit zunehmendem Abstand von der Achse 21 allmählich abnimmt. Je nach den Anforderungen der Anwendung kann man den asphärischen Spiegel 20 und die konkave Austrittsfläche 34' einzeln oder gemeinsam verwenden.

Der von der Eintrittsfläche 43, dem Hohlspiegel 20 und der Austrittsfläche 34, 34' erzeugte Astigmatismus definiert einen Raum, den man als stigmatischen Beobachtungsraum bezeichnen kann. Er umfaßt alle Beobachtungspunkte, von denen aus gesehen kein Teil des vergrößerten Bildes mit mehr als einem tolerierbaren Betrag von Astigmatismus behaftet ist. Dieser stigmatische Beobachtungsraum hat die allgemein« Form einer Doppelpyramide, deren Scheitel auf der Achse 21 liegen, und deren Basis die Achse 21 in der Nähe des Punktes 39 schneidet, in welchem die Austrittsfläche 34, 34' den paraxialen Krümmungsmittelpunkt 38 der Hohlspiegelfläche 20 abbildet. Mit den beschriebenen Maßnahmen hat man es bis zu einem gewissen Grad in der Hand, den stigmatischen Beobachtungsraum auf eine bevorzugte Stelle der Bildachse 21 zu schieben und sein Volumen zu vergrößern. |edoch wird auch ohne solche Maßnahmen die Spiegellupe in der einfachen Form gemäß Fig. 2 bereits für viele Anwendungen genügen.

Da der Abstand zwischen dem ebenen Zwischenbild 25 und der konkaven Spiegelfläche 20 gegen den Rand des Gesichtsfelds abnimmt, weist das vergrößerte virtuelle Bild eine konkave Wölbung auf. Diese wirkt sich je nach Lage des Beobachtungspunkts etwas verschieden aus. Bei idealer Betrachtungsweise, die hier vorausgesetzt sei. ist der Augapfel des Betrachters zentriert im Punkt 39. wo das von der Austrittsfläche 34 erzeugte virtuelle Bild des Krümmungsmittelpunktes 38 der Spiegelfläche 20 Hegt, !n diesem Fa!! triff', der Sehstrahl unabhängig von der Augendrehung ser.krecht auf die Hohlspiegelfläche 20 auf mit dem Ergebnis, daß das vergrößerte Bild selbst dann noch unverzerrt erscheint, wenn es =tark gewölbt ist. Das hat zur Folge, daß der Betrachter die Bildfeldwölbung als solche

ί überhaupt nicht wahrnimmt. Trotzdem ist aber eine starke Bildfeldwölbung unerwünscht, weil sie !Händige

Umakkommodierung des Auges erfordert und dadurch

längeres Lesen ermüdend macht.

Die Fig. 5—9 zeigen in schematischer Form ver-

K) schiedene Möglichkeiten zur Korrektur der Bildfeldwölbung, entweder durch geeignete Krümmung des von der Spiegelfläche 20 gesehenen virtuellen Zwischenbildes 25, oder durch Abänderung der Spiegelfläche 20 derart, daß sie ein ebenes Zwischenbild 25 ungekrümmt

π abzubilden vermag. In Fig. 5 — 7 ist der die Eintrittsfläche 43 und die Hohlspiegelfläche 20 enthaltende Teil der Linsenlupe in aufgefaltetem Zustand dargestellt, d. h. ohne Berücksichtigung der Reflexion an der ebenen Fläche 22. Das virtuelle Zwischenbild ist wie die Hohlspiegelfläche sphärisch gekrümmt angenommen, und mit dem gleichen Knimmungsmitteipunkt JH wie diese. Demgemäß ist auch das vergrößerte Bild sphärisch um den Punkt 38 gekrümmt mit dem Ergebnis, daß die erforderliche Augenakkommodation über das

-'5 ganze Gesichtsfeld konstant bleibt. Fig.5 zeigt die begrifflich einfachste Verwirklichung, bei welcher der Gegenstand 23, die Eintrittsfläche 43. und die Spiegelfläche 20 konzentrisch gekrümmt sind. Fig.6 zeigt den Gegenstand 23 mit einer schwächeren Krümmung, die

so jedoch durch Brechung an der ebenen Eintrittsfläche 43 auf das gewünschte Maß verstärkt erscheint. Fig. 7 zeigt schließlich den Gegenstand 23 eben, aber die Eintrittsfläche 43 konvex und so stark gekrümmt, daß durch sie gesehen, der ebene Gegenstand in der für das

r> virtuelle Bild 25 angenommenen Weise konkav gekrümmt erscheint.

Die in Fig. 6 und 7 gezeigte Beeinflussung der Bildfeldwölbung durch Brechung an der Eintrittsfläche 43 macht es zwar weniger notwendig, den Gegenstand

•to körperlich zu krümmen, aber dieser Vorteil kann auf Kosten der Bildqualität gehen. Da die bei schrägem Übergang aus Luft in ein brechendes Medium entstehenden Aberrationen mit zunehmender Schräge des Einfalls und zunehmender Dicke des Luftspalts

-I=S zwischen Gegenstand 23 und Eintrittsfläche 43 zunehmen, wird dadurch besonders die Bildqualität in den Randgebieten beeinträchtigt. Es kann deshalb wünschenswert sein, den Gegenstand 23 wenigstens in einem gewissen Maß auch körperlich zu krümmen bzw.

ίο zu verformen. F i g. 8 zeigt eine Vorrichtung, mit deren Hilfe z. B. Film so gebogen werden kann, daß der den Gegenstand 23 bildende Bereich vorübergehend die gewünschte Krümmung annimmt. Der Film wird mittels der konvexen Oberfläche einer durchsichtigen Linse 46

=,=, gegen einen das Bildfenster der Lupe begrenzenden, konkav geformten Rahmen 47 gepreßt, so daß sich der Film elastisch verformt. Falls die Eintrittsfläche 43 wie in Fig. 5 sphärisch konkav ist. erübrigt sich ein besonderer Rahmen, und der Film kann direkt gegen die

to Eintrittsfläche gepreßt werden. Die zum Anpressen des Films erforderliche Kraft läßt sich z. B. pneumatisch erzeugen.

F i g. 9 zeigt die andere Methode, bei der die Bildfeldwöibung durch geeignete Abwandlung der

to vergrößernden Spiegelfläche korrigiert wird. Das Svstem ist wieder in aufgefaltetem Zustand dargestellt, , '.,.τ die Fintritisfläche ist als unwesentlich weggelassen. Der ebene Gegenstand 23 steht dem vergrößernden

Spiegel regenübo/, der nun als Stufenspiegel ausgebildet ist. Der im ganzen flache Stufenspiegel 20' setzt sich aus mehreren koaxialen Spiegelzonen konzentrischer Oberflächenkrümmung zusammen, die wie bei 48 tufenförmig aneinanderstoßen. Da von dem gemeinsamen Krümmungsmittelpunkt 38 aus gesehen, das Bild eines gegebenen Gegenstandspunkts 49 auf der durch diesen Punkt stehenden Spiegelnormalen 50 liegt, erscheint das vergrößerte Bild unverzerrt. In der Tiefe ist das Bild zwar ähnlich gestuft wie der Spiegel, aber wie dieser im ganzen flach.

Eine Korrektur der Bildfeldwölbung mittels einer der beschriebenen Methoden wird nur in bestimmten Fällen nötig sein, sich aber meistens erübrigen.

In Fig. 10—13 sind verschiedene Anwendungen der beschriebene.) Lupe dargestellt. Fig. 10 zeigt die Beleuchtung eines üchtundurchlässigen Gegenstandes mit der Lupe gemäß F i g. 2 und 3, wobei entsprechende Flächen mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet sind. Wegen der Enge des Zwischenraums zwischen Gegenstand 23 und Eintrittsfiache 43 kann die Beleuchtung nur durch den Lupenkörper hindurch erfolgen. Zu diesem Zweck ist eine Lichtquelle 54 dicht unter dem Flächenelement 55 angeordnet, welches, wie in Fig.3 ersichtlich, die Form eines Kreisabschnitts hat und durch die Berührung der gekrümmten Kante 20b der Hohlspiegelfläche 20 mit der geraden Kante 22a des halbdurchlässigen Spiegels 22 gebildet wird. Die optisch ungenutzten Flächen des Lupenkörpers 40, z. B. die mit den Nummern 52 bezeichneten, sind mit einem matten, lichtschluckenden Belag, ζ. Β mi: schwarzer Farbe, vergehen.

Fig. 11 zeigt die Lupe der F i g. 2 und 3 in Verbindung mit einer Einrichtung zur Beleuchtung eines durchsichtigen Gegenstandes 23. Die Beleuchtungseinrichtung besteht aus einem von außen beleuchteten lichtstreuenden Körper 58, der als flächenhafte Lichtquelle dient, und einem Prisma 57. Die Unterseite des Pnsmas mag wie die der Linse 46 in Fig. 8, konvex gekrümmt sein; jedoch ist eine solche Krümmung für den hier betrachteten Zweck nicht erforderlich. Wie durch den Strahl 59 angezeigt ist, werden durch das Einfügen des Prismas 57 zwischen Diffusor 58 und Gegenstand 23 die beleuchtenden Strahlen so aufgerichtet, daß der den halbdurchlässigen Spiegel 22 durchsetzende Anteil an der Austrittsfläche 34 total reflektiert, und dadurch verhindert wird, den Lupenkörper 40 zu verlassen.

Ohne das Prisma 57 wäre das Objekt 23 aus dem Raum 5 zwischen dem Randstrahl 59m und der Austrittsfläche 34 direkt sichtbar.

Fig. 12 zeigt die Möglichkeit der Verwendung der beschriebenen Lupe in zweiäugiger Ausgestaltung als Okular in einem binokularen Mikroskop. Der beleuchtete Gegenstand 60 wird durch ein Objektiv 61 vergrößert, und das biiderzeugende Strahlenbündel 62 wird durch einen halbdurchlässigen Spiegel 63 so aufgeteilt, daß der reflektierte Teil über einen Spiegel 64 den einen Lupenkörper 40 erreicht, während der durchgehende Teil über die Spiegel 65 und 66 dem anderen Lupenkörper 40 zugeführt wird. Die Weglängen vom Gegenstand 60 zu den Eintrittsflächen 43 der beiden Lupenkörper sind so bemessen, daß die von der Objektivlinse 61 erzeugten reellen Zwischenbilder dicht vor den Eintrittsflächen fokussiert sind und dort die Stelle des Gegenstands 23 einnehmen. Um den von den Lupen erhältlichen Beobachtungsraum voll ausnutzen 7u können, werden die Zwischenbildsr auf lichtdurchlässigen Streuschirmen 68 aufgefangen, die zwecks Korrektur der Bildfeldwölbung nach Fig.5 oder 6 gekrümmt sein mögen.

Im Falle eines monokularen Mikroskops wäre die Objektivlinse 61 mit nur einem Lupenkörper verbunden.

Allgemein kann das durch den Lupenkörper dargestellte optische System auch in anderen Geräten als Okular verwendet werden, sofern solche Geräte ein veeiles Zwischenbild ausreichender Helligkeit erzeugen.
Fig. 13 zeigt eine Verbindung des Lupenkörpers

ίο gemäß Fig. 2 mit einer vergrößerten Ausführung des grundlegenden Systems gemäß Fig. 1 zu dem Zweck, den Abstand des Betrachters vom optischen System stark zu vergrößern. Das als Ganzes mit 70 bezeichnete Teilsystem, das einen halbdurchlässigen Spiegel 71 und

π einen Hohlspiegel 72 enthält, wirkt als Relais, das in Augennähe des Betrachters ein reelles Bild des irlealen Beobachtungspunktes 39 des vergrößernden Teilsystems 77 erzeugt. Wenn dieses Relais mit einer Vergrößerung von 1 : 1 benutzt wird, so daß wie in

in Fig. 13das Bild des idealen Beobachtungspunkts39 mit dem krümmungsmitteipunkt 78 des Kelaisspiegels 72 zusammenfällt, so bleibt der ursprüngliche Gesichtsfeldwinkel des Vergrößerungssystems 77 erhalten. Man kann jedoch den Gesichtsfeldwinkel auch erweitern

2ϊ oder verkleinern, indem man das Relaissystem 70 mit einer kleineren oder größeren Vergrößerung benutzt.

Das vergrößernde Teilsystem 77 ist gegenüber dem in Fig. 2 dargestellten System insofern abgewandelt, als das virtuelle Zwischenbild 25 jetzt außerhalb der

in Brennweite des Hohlspiegels 20 gelegt ist, so daß das von diesem erzeugte vergrößerte Bild des Gegenstands 23 nicht mehr virtuell, sondern reell wird. Wenn dieses reelle Zwischenbild auf der Oberfläche des Relaisspiegels 72 fokussiert ist, wie in F i g. 13 dargestellt, so ist die

ι) optische Genauigkeit der Spiegelfläche 72 nicht kritisch, und es tritt keine Parallaxe zwischen dem gesehenen Bild und dem Rand des Relaisspiegels 72 auf. Das von dem vergrößernden Teilsystem 77 projizierte reelle Zwischenbild kann jedoch auch vor oder hinter der

-;<> Spiegelfläche 72 fokussiert werden, und man hat es damit in der Hand, das dem Betrachter erscheinende Bild in jede beliebige Entfernung zwischen der sogenannten deutlichen Sehweite und Unendlich zu legen.

j; In der Anordnung gemäß F i g. 13 hängt der Ab' 'and des Auges vom optischen System bei vorgegebenem Gesichtsfeldwinkel nur von dem Durchmesser der Spiegelfläche 72 ab und kann daher beliebig groß gemacht werden. Ein anderer Vorteil ist, daß die

><> Begrenzung des Beobachtungsraums durch die Austrittsfläche der Lupe wegfällt. Dadurch wird der Beobachtungsraum zu einem Doppelprisma 79 und verdoppelt somit seine Größe. Durch Verwendung zweier vergrößernder Systeme 77 läßt sich die

".ι Anordnung gemäß F i g. 13 auch für zweiäugige Betrachtung ausbauen.

In Fig. 14 ist die Lupe gemäß F i g. 2 als Bestandteil eines Lesegerätes für Mikroplanfilm gezeigt. Der Lupenkörper 84. mit Austrittsfläche 85 und Bildachse 86.

e.o befindet sich in einem Gehäuse 83 mit einem U-förmigen Haltebügel 89 für den Mikroplanfilm 92. Der Haltebügel besteht aus zwei dicht benachbarten Armen 90 und 91, die zwischen sich einen engen, bei 94 offenen Schlitz 93 bilden. Der innere Arm 91 ist mit dem

r, Gehäuse 83 verbunden, und der äußere Arm 90 enthält über der Eintrittsfläche der Lupe (entsprechend der Flache 43 des Körpers 40 in F i g. 2) eine Öffnung 88 zur Beleuchtung des Objekts 87 in Form eines Schwär

13 14

zungsfeldes auf dem Mikroplanfilm &2, der in dem Bildqualität mit einem so großen Beobachtungsraum,

Haltebügel beliebig verschieblich ist Der Betrachter daß es noch bei hoher Vergrößerung als Leselupe fur

blickt entlang der Bildachse 86 mit der Pupille des Auges Mikrofilm geeignet ist Dabei ist die optische Vorrich-

innerhalb des Beobachtungsraums der Lupe. tung einfach im Aufbau und mechanisch widerstandsfä-

Wie aus den vorstehenden Ausführungen hervorgeht, ₅ hig.
verbindet das optische System gemäß Fig.2 gute

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (14)

Patentansprüche;

1. Hochvergrößernde Lupe, insbesondere für Mikrofilmlesegeräte, gekennzeichnet durch ein Spiegelelement (20) in der Form eines Hohlspiegels, dessen optische Achse (21) mit der Bildachse übereinstimmt, einen halbdurchlässigen Spiegel (22), dessen eine Kante (22ajsich eng an die benachbarte Kante (20b) des Hohlspiegels (20) anschließt und dessen Ebene mit der Sehne des Hohlspiegels einen spitzen Winkel einschließt, sowie durch eine Haltefläche (43) für den zu vergrößernden Gegenstand (23), die von der dem halbdurchlässigen Spiegel (22) abgewandten Kante des Hohlspiegels ausgeht und mit der Sehne des Hohlspiegels einen stumpfen Winkel einschließt, wobei die Abmessungen der Flächen und die Winkel zwischen ihnen so gewählt sind, daß das vom halbdurchlässigen Spiegel (22) erzeugte Spiegelbild (25) des Gegenstandes (23) auf der optischen Achse senkrecht steht, den Krümmungsradius des Hohlspiegels (20) angenähert halbiert, sich jedoch in dem Raum zwischen dem Hohlspiegel und einer gedachten konzentrischen Kugel vom halben Krümmungsradius befindet, und daß in der Grenzlage (27) des Beobachtungspunktes die von den Randstrahlen auf der Haltefläche (43), dem Hohlspiegel (20) und dem halbdurchlässigen Spiegel (22) begrenzten Flächengebiete ganz oder beinahe aneinanderstoßen, ohne sich zu schneiden.

2. Lupe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Raum zwischen der Haltefläche (43) für den Gegenstand (23), dem Hohlspiegel (20) und dem halbdurchlässigen Spiegel (22) durch einen Körper (40) aus klarem, lichtbrediendem Material mit einem Brechungsindex größer als 1 ausgefüllt ist, welcher auf der Objektseite eine EintrittsfLche (43) aufweist und so geformt ist, daß in der Grenzlage (27) des Beobachtungspunktes die Ränder der von der Randstrahlen auf der Eintrittsfläche (43), dem Hohlspiegel (20) und dem halbdurchlässigen Spiegel (22) begrenzten Flächengcbiete ganz oder beinahe aneinanderstoßen, ohne sich zu schneiden.

3. Lupe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (40) aus lichtbrechendem Material mit einer zur Bildachse (21) senkrechten ebenen Austrittsfläche (34) versehen ist, wobei diese Austrittsfläche so gelegt ist, daß sie den Rand des in der Grenzlage (27) des Beobachtungspunktes von den Randstrahlen auf dem halbdurchlässigen Spiegel (22) begrenzten Gebietes ganz oder beinahe berührt, ohne ihn zu schneiden.

4. Lupe nach Anspruch 2,dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlspiegel (20) durch einen reflektierenden Belag auf der entsprechend geformten Oberfläche des lichtbrechenden Körpers (40) gebildet ist.

5. Lupe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daC-der lichtbrechende Körper (40) aus zwei entlang einer ebenen Trennfläche (22) verbundenen Teilen (41,42) besteht, wobei die Trennfläche als halbdurchlässiger Spiegel ausgebildet ist (F i g. 3).

6. Lupe nach Anspruch t oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Gegenstandes (23) zwecks Korrektur der Bildfeldwölbung mechanisch verformt ist.

7. Lupe nach Anspruch 2 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintrittsfläche (43) des lichtbrechenden Körpers (40) konkav gekrümmt ist.

8. Lupe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

daß die Eintriitsfläche des lichtbrechenden Körpers (40) eben ist.

9. Lupe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittsfläche (34') des lichtbrechenden Körpers (40) konkav gekrümmt ist

10. Lupe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die der Eintrittsfläche (43) zugewandte Oberfläche des Gegenstandes (23) durch eine zwischen den benachbarten Kanten (20Λ, 22a)des Hohlspiegels (20) und des halbdurchlässigen Spiegels (22) befindliche Lichtquelle (54) beleuchtbar ist(F ig. 10).

11. Lupe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Gegenstand (23) auf seiner der Eintrittsfläche (43) abgewandten Seite durch ein Prisma (57) mit außenliegender Streuscheibe (58) abdeckbar ist.

12. Lupe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlspiegel (20) asphärisch ausgebildet ist, wobei seine meridionalc Obcrflächenkrfimmung mit wachsendem Abstand von der Spiegelachse (21) abnimmt.

13. Lupe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlspiegel (20) aus koaxialen Ringzonen von konzentrischer Oberflächenkrümmung zusammengesetzt ist, die in Stufen (48) aneinanderstoßen (F i g. 9).

14. Lupe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel zwischen der Normalen des halbdurchlässigen Spiegels (22) und der Bildachse (21) im Grenzfall 45° beträgt