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Die Erfindung betrifft Beleuchtungssysteme für opti-
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sche Geräte, wie Mikroskope, die mindestens eine Lichtquelle, eine
Beleuchtungslinse und eine Kondensorlinse aufweisen.
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Bekannt sind als Beleuchtungsmethoden die "kritische Beleuchtung"
(critical illumination) und die Köhler'sche Beleuchtungsanordnung" zur Erzielung
einer hellen Beleuchtung bei guter Ausnutzung der Helligkeit einer Lichtquelle.
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in optischen Geräten, wie z.B. Mikroskopen. Von diesen Beleuchtungsmethoden
hat die "Köhler'sche Beleuchtungsanordnung" den Nachteil, daß der Aufbau dieses
Beleuchtungssystems sehr kompliziert ist. Obwohl bei der kritischen Beleuchtung
der Aufbau des Beleuchtungssystems einfach gestaltet werden kann, muß, im Falle
einer großen optischen Bildvergrößerung der Lichtquelle, um eine helle Beleuchtung
zu erreichen, der Durchmesser der Linse vergrößert werden.
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In den Fig. lA, 1B und 1C ist beispielhaft dargestellt, wie sich
die optische Vergrößerung einer Lichtquelle 1 in einem Beleuchtungssystem nach Art
der "kritischen Beleuchtung" ändert. Fig. 1A stellt den Fall dar, daß die optische
Vergrößerung gering ist und eine genügend helle Beleuchtung geschaffen wird. In
Fig. 1B ist der Fall einer starken optischen Vergrößerung dargestellt. Wie aus dem
Vergleich der Zeichnungen ersichtlich ist, wird im Falle einer starken optischen
Vergrößerung der Winkel NA klein bzw. NA'' kleiner als NA'. Um bei dem in Fig. 1B
dargestellten Fall den Winkel NA auf die gleiche Größe wie beim in Fig. 1A dargestellten
Fall zu bringen, ist es notwendig, den Durchmesser der beleuchtenden Linse 2 so
zu vergrößern, daß der Winkel NA'' die
gleiche Größe wie der Winkel
NA' erreicht, wie es in Fig. 1C dargestellt ist.
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In optischen Geräten für medizinisch-therapeutische Zwecke, wie Mikroskope
für Operationen und Kolposkope, werden andererseits auch koaxial arbeitende Beleuchtungssysteme
verwendet. Bei einer solchen koaxial arbeitenden Beleuchtung werden die Achse des
Beleuchtungssystems und die Achse des Betrachtungssystems parallelisiert, indem
für das Beleuchtungssystem und das Betrachtungssystem einige gemeinsame Bauteile
verwendet werden. Bei der in Fig. 2 gezeigten Darstellung einer solchen Ausführungsform
ist mit 10 ein Untersuchungsgegenstand (Probe), mit 11 eine Objektiv, mit 12 eine
Übertragungslinse, mit 13 ein Okular, mit 14 eine Lichtquelle, mit 15 eine Beleuchtungslinse
und mit 16 eine teildurchlässige Spiegelplatte bezeichnet. Bei einer solchen optischen
Anordnung wird das aus der Lichtquelle 14 abgestrahlte Licht durch die Beleuchtungslinse
15 zu einem im wesentlichen parallelen Lichtstrahlenbündel geformt, durch die teildurchlässige
Spiegelplatte 16 durch Reflektion entlang der optischen Achse des Betrachtungssystems
zum Objektiv 11 gelenkt und vom Objektiv 11 zur Beleuchtung der Oberfläche der Probe
10 gesammelt. Das durch die Oberfläche der Probe 10 reflektierte Licht tritt wiederum
in das Objektiv 11 ein, wird zu einem im wesentlichen parallelen Lichtbündel geformt,
durchtritt die teildurchlässige Spiegelplatte 16 und stellt durch die Ubertragungslinse
12 eine Abbildung 10' der Probe 10 dar, die durch den Untersuchenden durch das Okular
13 betrachtet wird. In einem solcher Art angeordneten optischen System, in dem dasselbe
Objektiv 11 für das Beleuchtungssystem und für das Betrachtungssystem
genutzt
wird, ändert sich bei Austausch des Objektivs 11 die optische Vergrößerung der Betrachtung
und der Beleuchtung simultan.
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Obwohl in dem optischen System, das in Fig. 3 dargestellt ist, das
gleiche Betrachtungssystem Verwendung findet, wie es in Fig. 2 dargestellt ist,
durchtritt innerhalb des Beleuchtungssystems das von der Lichtquelle 14 ausgestrahlte
Licht die Beleuchtungslinse 15, wird durch den Spiegel 17 reflektiert und zur Beleuchtung
der Probe 10 durch den Randbereich des Objektivs 11 auf die Probe 10 gelenkt. In
diesem optischen System, in dem der Außendurchmesser des Objektivs 11 vergleichsweise
groß ist, wird das von der Lichtquelle 14 ausgestrahlte Licht in der Beleuchtungslinse
15 zu einem im wesentlichen in sich parallelen Lichtbündel geformt und anschließend
durch den Spiegel 17 reflektiert; es tritt im wesentlichen parallel zur optischen
Achse des Betrachtungssystems in das Objektiv 11 ein und wird auf der Probenoberfläche
gesammelt, um diese zu beleuchten.Sogar bei dieser Anordnung ändert sich die Vergrößerung
der Betrachtung und der Beleuchtung simultan, da das gleiche Objektiv 11 für das
Betrachtungssystem und das Beleuchtungssystem benutzt wird.
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In einem optischen System wie dem voranstehend beschriebenen, ist
es nicht möglich, ein kompliziert aufgebautes Beleuchtungssystem zu verwenden, da
das Gesamtsystem einschließlich Betrachtungssystem und Beleuchtungssystem klein
gestaltet werden muß. Daher muß ein "kritisches Beleuchtungssystem" oder ein prinzipiell
ähnliches Beleuch-
tungssystem verwendet werden. Daher wird auch
in Anordnungen nach den Fig. 2 und 3, wenn die optische Bildvergrößerung der Lichtquelle
groß ist, der Winkel NA klein und die Beleuchtung dunkel sein. Wenn also das Objektiv
für eine stärkere Bildvergrößerung ausgewechsel wird, d.h. die Brennweite des Objektivs
vergrößert wird, wird der Winkel NA kleiner und die Beleuchtung wird dunkler werden.
Um die Beleuchtung hell zu machen, muß der Außendurchmesser der Beleuchtungslinse
vergrößert werden. Im Objektiv ist die Brennweite so groß, daß der Außendurchmesser
leicht vergrößert werden kann. Jedoch muß im Falle einer Vergrößerung des Außendurchmessers
der Beleuchtungslinse, wenn die Brennweite nicht geändert wird, eine Lichtquelle
mit großem Winkel NA Anwendung finden. Darüber hinaus wird, wenn die Brennweite
der Beleuchtungslinse vergrößert wird, auch wenn eine Lichtquelle mit großem NA
nicht zur Anwendung kommt, die Gesamtgröße des Beleuchtungssystems anwachsen. Wenn
das Beleuchtungssystem unter der Voraussetzung einer starken optischen Vergrößerung
der Lichtquelle konzipiert ist, muß das in das Objektiv eintretende Lichtstrahlenbündel
so groß gemacht werden, daß es einen großen Winkel NA überdeckt. Daher wird andererseits
bei Verwendung einer geringen Bildvergrößerung das Lichtstrahlenbündel so dick werden,
daß ein für das Betrachtungssystem völlig nachteiliges und nutzloses Licht auftreffen
wird. Dies wird deutlich anhand von Fig. 4, in der im Gegensatz zum Beleuchtungslicht
des dicken Lichtstrahlenbündels, das mit durchgezogenen Linien dargestellt ist,
der Strahlengang für die Betrachtung mit
gestrichelten Linien dargestellt
ist. Denn das Licht, das an den Stellen a, b, c und d reflektiert wird, ist ein
für die Betrachtung nachteiliges Licht. Um diesen Effekt zu vermeiden, wann immer
das Objektiv ausgetauscht wird, muß auch das gesamte Beleuchtungssystem mit ausgetauscht
werden und das optische System wird größer und für den Gebrauch sehr unpraktisch.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung,ein Beleuchtungssystem
für optische Geräte zu schaffen, mit dem jederzeit eine helle, günstige Beleuchtung,
die für ein Betrachtungssystem geeignet ist, geschaffen werden kann, ohne daß sich
das Beleuchtungssystem vergrößert und ohne daß das gesamte optische Beleuchtungssystem
ausgewechselt werden muß.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird daher ein Beleuchtungssystem mit einer
Lichtquelle, einer Beleuchtungslinse und einer Kondensorlinse Vorgeschlagen, das
erfindungsgemäß eine optische Vorrichtung, die zwischen der Beleuchtungslinse und
der Kondensorlinse austauschbar angeordnet ist, zur Veränderung des Durchmessers
des beleuchtenden Lichtstrahlenbündels aufweist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist das Beleuchtungssystem
eine Kondensorlinse auf, die als Objektiv zur Betrachtung der Probe verwendet wird.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die optische
Vorrichtung eine Meniskuslinse auf, die mit ihrer konkav gekrümmten Oberfläche entweder
zur Beleuchtungslinse oder zur Kondensorlinse bzw. zum Objektiv ge-
richtet
angeordnet sein kann.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist
die optische Vorrichtung ein Paar konvex gekrümmter Linsen oder eine konvex gekrümmte
Linse und eine konkav gekrümmte Linse auf. Bei einer Ausführungsform mit einer konvex
gekrümmten Linse und einer konkav gekrümmten Linse wird die konvex gekrümmte Linse
entweder auf der zur Beleuchtungslinse oder auf der zur Kondensorlinse bzw. zum
Objektiv gewandten Seite der optischen Vorrichtung angeordnet. Durch eine Abstandsveränderung
der beiden Linsen zueinander kann der Durchmesser des Lichtstrahlenbündels kontinuierlich
verändert werden.-In der Zeichnung ist der Gegenstand der Erfindung beispielsweise
dargestellt, und zwar zeigt F i g. 1A bis 1C die Änderung der Helligkeit der Beleuchtung
im Zusammenhang mit der Änderung der optischen Vergrößerung einer Lichtquelle in
einer kritischen Beleuchtung" in einer schematischen Darstellung, F i g. 2 das optische
System mit einer bekannten, koaxial arbeitenden Beleuchtung in einer schematischen
Darstellung, F i g. 3 das optische System mit einer bekannten, koaxial arbeitenden
Beleuchtung in einer schematischen Darstellung, F i g. 4 das optische System mit
einer bekannten, koaxial arbeitenden Beleuchtung und insbesondere die Art des Lichtstrahlenbündels
bei Vergrößerung der Beleuchtungslinse gegenüber der in Fig. 2 dargestellten Anordnung
in
einer schematischen Darstellung, F i g. 5 das optische System
in einer Ausführung gemäß der vorliegenden Erfindung in einer schematischen Darstellung,
F i g. 6A das Beleuchtungssystem einer Ausführung gemäß Fig. 5 in einer schematischen
Darstellung, F i.g. 6B und 6C das Beleuchtungssystem einer Ausführung gemäß Fig.
5 in einer schematischen Darstellung, F i g. 7A das Beleuchtungssystem in einer
erfindungsgemäßen Ausführung, bei der das Objektiv nicht ausgetauscht ist, in einer
schematischen Darstellung, F i g. 7B und 7C das Beleuchtungssystem in einer erfindungsgemäßen
Ausführung, bei der das Objektiv nicht ausgetauscht ist, in einer schematischen
Darstellung, F i g. 8A das Beleuchtungssystem in einer weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung mit der optischen Vorrichtung 18 zur Veränderung des
Durchmessers des Lichtstrahlenbündels in einer schematischen Darstellung, F i g.
8B und 8C das Beleuchtungssystem in einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung mit der optischen Vorrichtung 18 zur Veränderung des Durchmessers des
Lichtstrahlenbündels in einer schematischen Darstellung.
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Bei der in Fig. 5 gezeigten Ausführungsform, in der ein erfindungsgemäßes
optisches System in einem Operationsmikroskop, wie es in Fig. 3 dargestellt ist,
angeordnet ist, ist die optische Vorrichtung 18 als Meniskuslinse ausgebildet und
herausnehmbar zwischen dem reflektierenden Spiegel 17 und dem Objektiv 11 angeordnet.
Die weiteren, in Fig. 5
dargestellten Bauteile entsprechen den
in Fig. 3 gezeigten Teilen, in der mit 10 eine Probe, mit 11 eine Kondensorlinse
bzw. das Objektiv, mit 12 eine Ubertragungslinse, mit 13 ein Okular, mit 14 eine
Lichtquelle, mit 15 eine Beleuchtungslinse und mit 17 ein Spiegel bezeichnet ist.
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In der Ausführung nach Fig. 5 wird das Licht aus der Lichtquelle 14
durch die Beleuchtungslinse 15- zu einem im wesentlichen parallelen Lichtstrahlenbündel
geformt, durch den reflektierenden Spiegel 17 umgelenkt und parallel zum Strahlengang
der Betrachtungslichtstrahlen weitergestrahlt. Wenn die Linse 18 in das optische
System eingesetzt ist, durchtritt das beleuchtende Lichtstrahlenbündel diese anschließend
und wird durch das Objektiv 11 auf der Oberfläche der Probe 10 gesammelt. Bei dieser
Ausführung wird der Durchmesser des Lichtstrahlenbündels vergrößert, wenn das Licht
die Linse 18 durchtritt. Das von der Oberfläche der Probe 10 reflektierte Licht
wird durch das Objektiv 11 zu einem im wesentlichen parallelen Lichtstrahlenbündel
geformt und projiziert durch die Ubertragungslinse 12 ein Bild, und dieses Bild
kann durch das Okular 13 betrachtet werden, welches das gleiche wie das in der bekannten,
beispielsweise in Fig. 3 dargestellten, Ausführung ist.
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In einer solchen Ausführung wird, falls bei der Betrachtung ein Objektiv
mit geringer optischer Vergrößerung verwendet wird, die Linse 18 aus dem Strahlengang
des Beleuchtungslichts entfernt und damit erhält das Beleuchtungssystem dieselbe
Anordnung wie die in Fig. 3 dargestellte. Falls jedoch bei der Betrachtung ein Objektiv
mit
hoher Vergrößerung verwendet wird, wird die Linse 18 in den
Strahlengang des Beleuchtungssystems eingesetzt, wodurch sich der Durchmesser des
Lichtstrahlenbündels vergrößert und es möglich wird, mit der Beleuchtung auch bei
Verwendung eines Objektivs mit einer starken Vergrößerung eines großen Blickwinkels
NA einen Winkelbereich NA zu überdecken. Dies ist anhand der schematischen Darstellungen
eines Beleuchtungssystems in den Fig. 6A, 6B und 6C noch deutlicher dargestellt.
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In Fig. 6A ist das Beleuchtungssystem im Falle der Betrachtung mit
einem Objektiv mit geringer Vergrößerung gezeigt, wobei die Linse 18 nicht eingesetzt
ist. Wenn das Objektiv 11 gegen ein Objektiv mit einer starken Vergrößerung ausgetauscht
wird und die Linse 18 nicht eingesetzt wird, wird, wie durch die gestrichelten Linien
in Fig. 6B dargestellt ist, die Beleuchtung einen kleineren Winkel NA aufweisen
als der Winkel NA' des Objektivs 11. Wenn jedoch die Linse 18 mit ihrer konkaven
Oberfläche zur Beleuchtungslinse 15 weisend angeordnet eingesetzt wird, wird der
Durchmesser des Lichtstrahlenbündels der beleuchtenden Lichtstrahlen vergrößert
und es wird eine Beleuchtung mit einem großen Winkel ermöglicht. Also kann der Austrittswinkel
des Lichts vergrößert werden, ohne daß sich der Eintrittswinkel NA' vergrößert und
ohne daß die Beleuchtungslinse 15 ausgetauscht wird.
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Wenn andererseits die Brennweite des Objektivs 11 klein ist, und wenn
die Linse 18 mit ihrer konkaven Oberfläche zum Objektiv 11 weisend angeordnet eingesetzt
wird, wie es in Fig. 6C dargestellt ist, kann der Austrittswinkel des Lichts verkleinert
werden, ohne daß der Eintrittswinkel ver-
kleinert wird und ohne
daß die Beleuchtungslinse 15 ausgetauscht wird. Daher kann das nachteilige Licht,
das durch einen unzweckmäßig großen Lichtaustrittswinkel NA erzeugt wird, vermieden
werden. Wenn das Objektiv 11 ausgetauscht wird, ist es möglich, wie oben aufgezeigt
wurde, wenn verschiedenartige Meniskuslinsen 18 mit unterschiedlichen Formen in
den Strahlengang des Beleuchtungslichtes eingesetzt bzw. herausgenommen werden,
ein beleuchtendes Lichtstrahlenbündel mit der zweckmäßigen und ausreichenden Helligkeit
sicherzustellen, ohne den Durchmesser des Beleuchtungssystems zu vergrößern und
ohne das optische Beleuchtungssystem auszutauschen. Wenn durch den Einsatz von verschiedenartigen
Meniskuslinsen 18 bei Verwendung des gleichen Objektis 11 sichergestellt ist, daß
störendes Licht im optischen System vermieden wird, ist es weiterhin möglich, eine
Beleuchtung mit unterschiedlichem Abstrahlwinkel, d.h. unterschiedlicher Helligkeit,
zu schaffen. In den Fig.
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7A, 7B und 7C ist beispielhaft ein optisches System dargestellt, in
dem jeweils das gleiche Objektiv 11 Verwendung findet und nur die Helligkeit des
Beleuchtungssystems verändert wird. In Fig. 7A ist der Fall dargestellt, daß der
Durchmesser des beleuchtenden Lichtstrahlenbündels durch den Einsatz der mit ihrer
konkaven Oberflächenseite zur Oberfläche der Probe 10 weisend angeordneten Meniskuslinse
18 verkleinert wird, wobei die Meniskuslinse 18 zwischen dem Objektiv 11 und der
Beleuchtungslinse 15 angeordnet ist.
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Bei der in Fig. 7B dargestellten Anordnung wird die Meniskuslinse
18 nicht angewandt. In Fig. 7B ist der Fall dargestellt,
daß der
Durchmesser des beleuchtenden Lichtstrahlenbündels durch den Einsatz der mit ihrer
konvexen Oberflächenseite zur Oberfläche der Probe 10 weisend angeordneten Meniskuslinse
18 vergrößert ist, wobei die Meniskuslinse 18 zwischen dem Objektiv 11 und der Beleuchtungslinse
15 angeordnet ist. Wenn in dieser Anordnung der Austrittswinkel NA des Beleuchtungslichts
in Fig. 7A mit NA', in Fig. 7B mit NA'' und in Fig. 7C mit NA''' bezeichnet wird,
gilt die folgende Relation: NA' < NA'' C NA' ' Im Fall der Verwendung einer elektrischen
Glühbirne als Lichtquelle 14 wird im allgemeinen, wenn die Helligkeit des beleuchtenden
Lichtes über die Größe der angelegten Spannung geregelt wird, die Farbtemperatur
der Lichtquelle schwanken. Dies ist nicht wünschenswert. Daher hat es sich als notwendig
erwiesen, ein kompliziert aufgebautes Beleuchtungssystem anzuwenden, das eine Apertur-Blende
wie in der "Köhler'schen Beleuchtungsanordnung" aufweist. Wenn jedoch die Linse
18, wie in den Fig. 7A, 7B und 7C dargestellt, aus- und eingebaut wird, kann der
Austrittswinkel NA sehr leicht variiert werden, und daher ist es möglich, auch wenn
die "Köhler'sche Beleuchtungsanordnung mit einer speziellen Apertur-Blende nicht
angewendet wird, eine geeignete Beleuchtung ohne einen Wechsel der Farbtemperatur
des Beleuchtungslichtes zu schaffen.
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Die äußere Form und die entsprechenden Kenn-Daten der Meniskuslinse
18 für die Anwendung in den oben beschriebenen Ausführungsformen kann jeweils in
geeigneter Weise im
Hinblick auf die optische Bildvergrößerung
der Lichtquelle ausgewählt werden, d.h. im Hinblick auf die Relation zwischen der
Brennweite der Beleuchtungslinse und der Brennweite des Objektivs bzw. im Hinblick
auf den Eintrittswinkel NA des Lichtes von der Lichtquelle und den erforderlichen
Austrittswinkel des Beleuchtungslichtes auf der Austrittsseite.
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Die optische Vorrichtung 18, die zwischen der Beleuchtungslinse und
dem Objektiv 11 eingesetzt und herausgenommen wird, ist nicht auf eine Ausgestaltung
als Meniskuslinse beschränkt, sondern sie kann auch Ausgestaltungen aufweisen, wie
sie beispielsweise in den Fig. 8A, 8B und 8C dargestellt sind. Bei der in Fig. 8A
dargestellten Ausführungsform weist die optische Vorrichtung 18 ein Paar unterschiedlicher
konvexer Linsen auf; die in Fig. 8B dargestellte Ausführung ist mit einer optischen
Vorrichtung 18 versehen, die eine konkav gekrümmte Linse und eine konvex gekrümmte
Linse aufweist. In Fig. 8C weist die optische Vorrichtung 18 eine konkav gekrümmte
Linse und eine konvex gekrümmte Linse auf, wobei diese entgegengesetzt zur Fig.
8B angeordnet sind. Bei einer solchen Anordnung kann durch Veränderung des Abstandes
zwischen diesen Linsen der optischen Vorrichtung 18 der Durchmesser des beleuchtenden
Lichtstrahlenbündels kontinuierlich verändert werden und damit kann der Austrittswinkel
des Beleuchtungslichts auf der Austrittsseite kontinuierlich verändert werden, was
bedeutet, daß die Helligkeit der Beleuchtung kontinuierlich verändert werden kann.
Die Stärke der Verände-
lung kann Irei gewählt werden, abhän(jig
von der entsjrechenden Brennweite der beiden Linsen und des Abstandes der beiden
Linsen zueinander.
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Bei den oben beschriebenen Ausführungsformen sind Ausführungen eines
optischen Beleuchtungssystems beschrieben worden, bei dem das Lichtstrahlenbündel
zwischen der Beleuchtungslinse 15 und dem Objektiv 11 parallel ist, aber auch bei
der Ausführung eines Beleuchtungssystems,in dem das Lichtstrahlenbündel nicht parallel
ist, werden sich die beschriebenen Merkmale gleich entwickeln können. Auch wenn
in der beschriebenen Ausführung das gleiche Objektiv für das Beleuchtungssystem
und das Betrachtungssystem verwendet wird, ist die vorliegende Erfindung nicht darauf
beschränkt und kann auch in Ausführungen, in denen das Beleuchtungssystem und das
Betrachtungssystem getrennt angeordnet sind, angewendet werden. Hierzu müßte lediglich
das Objektiv 11 gegen eine Kondensorlinse ausgetauscht werden, und es kann umgekehrt
festgestellt werden, daß in den oben beschriebenen Ausführungen das Objektiv 11
die Rolle einer Kondensorlinse einer allgemeinen Beleuchtung übernimmt.
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Die Beschreibung wurde zwar anhand der "kritischen Beleuchtung" durchgeführt,
aber sie kann auch bei einer "Köhler'schen Beleuchtungsanordnung" angewendet werden.
In diesem Fall kann eine entsprechende optische Vorrichtung 18,mit der der Durchmesser
des Lichtstrahlenbündels verändert werden kann, wie z.B. eine Meniskuslinse, zwischen
der
feldlinse und d Kondensorlinse angeordnet werden.
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Wie anhand der Beschreibung ausführlich dargestellt worden ist, ist
bei einem erfindunqsyerllaßerl Beieucht-urgssystem eine optische Vorrichtung, die
den Durchmesser des beleuchtenden Lichtstrahlenbündels verändern kann, wie eine
Meniskuslinse, austauschbar zwischen der Beleuchtungslinse und der Kondensorlinse
(im Falle einer koaxialen Beleuchtung im Objektiv) angeordnet, so daß, auch wenn
sich die optische BildvergröBerung ändert, eine ausreichend helle, wirksame Beleuchtung
möglich ist. Die beschriebenen Ergebnisse können mit einer einfachen Anordnung für
das Einsetzen und Herausnehmen der einfachen optischen Vorrichtung 18 und mit einem
kleinen optischen System erhalten werden.