Mikroskope und andere bildgebende Geräte waren bislang in der Regel eher groß. Moderne Techniken ermöglichen aber die Konstruktion kompakterer Systeme. Die Miniaturisierung dieser Systeme wirft jedoch eine wichtige Frage auf: Wie konstruiert man ein optisches System in einem kompakten Gerät?
Als führender Anbieter von optischen Komponenten für Biowissenschaften, Medizin und Industrie hören wir diese Frage in unseren Gesprächen mit Herstellern von Mikroskop-Bildgebungsgeräten häufig. Hier sind einige Ideen, wie sich ein optisches System für ein kompaktes Gerät minimieren lässt.
Wichtige Überlegungen zur Konstruktion eines kompakten optischen Systems
Ein optisches System umfasst alle Teile zwischen dem Mikroskopobjektiv und der Abbildungsfläche einer Kamera (bildgebendes optisches System) und besteht aus drei Einheiten:
- Einem Objektiv, das dicht vor der Probe platziert wird.
- Einer Tubuslinse, die den Lichtstrom des Objektivs bündelt.
- Einem Kameraadapter, der Bilder in entsprechender Vergrößerung auf eine Kamera projiziert.
Je nach Einsatzzweck des Geräts müssen die passenden Geräte aus den verschiedenen Optionen ausgewählt und kombiniert werden. Hier sind einige Faktoren, die für jede Komponente zu berücksichtigen sind:
1. Objektive
Wir bieten mehr als 100 Typen von UIS2-Objektiven an, beispielsweise die X Line Serie mit hervorragenden Eigenschaften in Bezug auf die drei wichtigsten Elemente eines Objektivs: Numerische Apertur, Korrektur der chromatischen Aberration und Bildebenheit. Diese Objektive haben zudem einen parfokalen Abstand von 45 mm, sind kompensationsfrei und haben kleinere Abmessungen. Unsere X Line Objektive sowie einige andere, von uns angebotene Objektive unterstützen die Wellenfrontaberrationskontrolle.
Suchen Sie in unserer Objektivauswahl nach Objektiven, welche die für Sie wichtigsten Parameter aufweisen (z. B. numerische Apertur, Vergrößerung, Deckglasverwendung, Ölimmersion und Farbaberration). Dieses praktische Online-Tool erleichtert es, die Leistung der einzelnen Geräte zu vergleichen und die beste Option auszuwählen.
2. Tubuslinse
Fünf Arten von Tubuslinsen sind verfügbar, wie in folgender Tabelle 1 aufgelistet. Alle Linsen sind kompensationsfrei. Die U-SWATLU erzeugt einen Bildkreis von 26,5 mm und deckt damit ein superweites Sichtfeld ab, daher empfehlen wir die Kombination mit einem X-Line Objektiv.
| Produktname | Bildkreis | Gesamtlänge | Max. Außendurchmesser | Gewicht | Fixiergewinde |
|---|---|---|---|---|---|
| U-SWATLU | 26,5 mm | 77,8 mm | 60 mm | 460 g | Runder Schwalbenschwanz (proprietäre Methode von Olympus) |
| U-TLU | 22 mm | 63,6 mm | 60 mm | 350 g | |
| U-TLUIR | 22 mm | 63,6 mm | 60 mm | 350 g | |
| SWTLU-C | 26,5 mm | 33,6 mm | 45 mm | 94 g | Bajonettverschluss (φ 39) und Schraubgewinde (M41 × 0,5 mm) |
| TLU-C | 22 mm | 20 mm | 38 mm | 40 g | Bajonettverschluss (φ 34) und Schraubgewinde (M36 × 0,5 mm) |
Tabelle 1: Technische Angaben zu den Tubuslinsen
3. Kameraadapter
Wir bieten vier Typen von Kameraadaptern mit unterschiedlichen Projektionsvergrößerungen an: die Modelle U-TV1XC, U-TV0.63XC, U-TV0.5XC-3 und U-TV0.35XC-2. Wählen Sie das benötigte Sichtfeld anhand der Sensorgröße des Bildaufnahmegeräts für Ihre Kamera aus.
Herstellung von kompakten Bildgebungsgeräten für große Sichtfelder bei geringer Vergrößerung
Im Bereich der Biowissenschaften besteht ein erhöhter Bedarf an kompakten Bildgebungsgeräten mit großen Sichtfeldern für Beobachtungen bei geringer Vergrößerung.
Betrachten wir vor diesem Hintergrund, wie die Länge eines abbildenden optischen Systems durch den Einsatz des UPLXAPO4X, eines typischen Objektivs mit geringer Vergrößerung der X-Line-Serie, minimiert werden kann. Dieser Vorgang kann in vier Schritten durchgeführt werden:
Abbildung 1: Prinzipieller Aufbau eines optischen Systems
1. Bestimmung des Sichtfelds
Der Wert, der sich aus der Division der Feldzahl (OFN) des Objektivs durch seine Vergrößerung ergibt, ist der maximale Bereich, der auf der Präparatoberfläche betrachtet werden kann. Da die OFN des UPLXAPO4X 26,5 beträgt, kann der Bereich der Präparatoberfläche, der betrachtet werden kann, wie folgt berechnet werden: 26,5/4 = ø 6,625 mm. Unsere UIS2-Objektive sind für einen parfokalen Abstand von 45 mm (Abstand A) ausgelegt.
2. Auswahl einer Tubuslinse
Unser Objektiv UPLXAPO4X hat eine OFN von 26,5 und kann mit einer Tubuslinse kombiniert werden, die einen Bildkreis von 26,5 mm erzeugt, um die Leistung voll auszunutzen. Dementsprechend sollte die Tubuslinse SWTLU-C mit einem X-Line-Objektiv kombiniert werden. Mit dieser Kombination erhalten Sie klare und homogene Bilder, auch in der Mitte oder rund um die Bildaufnahmevorrichtung.
3. Wählen Sie einen Kameraadapter aus.
Wählen Sie als nächstes einen Kameraadapter aus. Wie in Tabelle 2 gezeigt, kann der Abstand zur Abbildungsfläche (Abstand C) durch unterschiedliche Untersetzungsverhältnisse verschiedener Kameraadapter verkürzt werden. Die Länge eines optischen Systems kann minimiert werden, wenn die Tubuslinse mit einem Kameraadapter mit 0,35-facher Vergrößerung kombiniert wird.
|
U-TV1XC
1x |
U-TV0.63XC
0,63x |
U-TV0.5XC-3
0,5x |
U-TV0.35X-2
0,35x | |
|---|---|---|---|---|
| U-SWATLU | 174 mm | 154 mm | 122 mm | 107 mm |
| U-TLU (IR) | 160 mm | 139 mm | 108 mm | 93 mm |
Tabelle 2: Abstand C für Tubuslinsen in Kombination mit verschiedenen Kameraadaptern
Die Vergrößerung des Adapters muss so gewählt werden, dass der Quotient aus der diagonalen Breite des Kamerasensors und der Vergrößerung des Adapters nicht größer ist als der Bildkreis der Tubuslinse.
Angenommen, es wird aufgrund der eingeschränkten Gesamtlänge des abbildenden optischen Systems ein Kameraadapter mit 0,35-facher Vergrößerung ausgewählt und mit einer 1/1,8-Zoll-Kamera (mit einer Diagonale von 9 mm) kombiniert. In diesem Fall müssen Sie 9 durch 0,35 teilen, um den Vergleichswert (25,7) zu erhalten:
22 < 9 / 0,35 = 25,7 < 26,5
Daher sollte U-SWATLU (und nicht U-TLU) als Tubuslinse gewählt werden.
Abbildung 2: Kamerasensorgröße und Bildkreis für die Tubuslinse
4. Bestimmung von Abstand B
In den Schritten 1 bis 3 haben wir die für das abbildende optische System benötigten Teile ausgewählt. Danach muss nur noch der Abstand B als letzter Parameter bestimmt werden.
Da es sich bei allen UIS2-Objektiven um unendlich-korrigierte optische Systeme handelt, die kompensationsfrei sind, lässt sich Abstand B nach Bedarf verändern.
Wir empfehlen, dass die Länge von B zwischen 65 mm und 170 mm liegt, wenn die Tubuslinse U-SWATLU verwendet wird. In diesem Beispiel haben wir als Länge B 65 mm gewählt, um ein kompaktes Gerät zu bauen. Es kann aber je nach gewünschtem Aufbau eine andere Länge gewählt werden. Bei einem optischen System für Auflichtbeleuchtung könnte man beispielsweise den Abstand verlängern.
Abschließende Überlegungen zum Entwurf kompakter optischer Systeme
Nach den Schritten 1 bis 4 lässt sich ein abbildendes optisches System mit einer Gesamtlänge von 217 mm aufbauen (Abbildung 3). Bei richtiger Kombination unserer UIS2-Objektive, Tubuslinsen und Kameraadapter lassen sich auch kurze optische Systeme für kompakte Geräte konstruieren.
Abbildung 3: Kompaktes abbildendes optisches System mit einer Gesamtlänge von 217 mm
Ein Faktor, der oft übersehen wird, ist die Größe der Kamera (Abstand D in Abbildung 1). Hochempfindliche Kameras haben in der Regel eine Kühlvorrichtung und sind daher relativ groß. Bei der Festlegung der Gesamtlänge (L) des optischen Systems muss daher unbedingt die Kameragröße berücksichtigt werden.
Anmerkung der Redaktion: Dieser Beitrag wurde ursprünglich im März 2021 veröffentlicht und wurde mit den neuesten Spezifikationen aktualisiert.
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