DD228089A1

DD228089A1 - Anordnung zur bestimmung der oberflaechengestalt von objekten mittels moiretechnik

Info

Publication number: DD228089A1
Application number: DD26895584A
Authority: DD
Inventors: Manfred Ludwig; Kersten Fonfora
Original assignee: Zeiss Jena Veb Carl
Priority date: 1984-11-01
Filing date: 1984-11-01
Publication date: 1985-10-02
Also published as: DE3527074A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Bestimmung der Oberflaechengestalt von Objekten mittels Moiretechnik und ist insbesondere fuer den Einsatz in Stereomikroskopen, vorzugsweise Operationsmikroskopen, oder auch in aehnlichen Systemen zur Untersuchung, bestimmt. Es sollen die fuer die Bestimmung der Oberflaechengestalt erzeugten Moirestreifen messbar verschoben werden ohne die Position des Objektes zu veraendern, darueberhinaus soll die Verbesserung der Hoehenaufloesung moeglich sein. Ein Operationsmikroskop mit einem zugeordneten Projektionssystem fuer ein Gitter und einem im Beobachtungsstrahlengang des Operationsmikroskops und im Strahlengang des Projektionssystems befindliches Projektions- bzw. Referenzgitter zur Erzeugung eines Moiremusters, weist erfindungsgemaess eine im Projektionsstrahlengang dem Projektionsgitter nachgeordnete kippbare planparallele Glasplatte auf, wodurch die relative Lage von Gitter und Referenzgitter veraendert wird und die Moiremuster bzw. Hoehenlinien messbar verschoben werden. Durch periodisches Kippen der planparallelen Platte kann die Beobachtbarkeit wesentlich erhoeht werden, durch Impulsbetrieb der Beleuchtungseinrichtung des Projektionssystems und periodisches und zu den Lichtimpulsen synchronisiertes Kippen der planparallelen Platte laesst sich die Anzahl der Hoehenlinien vergroessern und ein Verschieben der Hoehenlinien ist gezielt moeglich. Figur

Description

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Durch Verkippen der planparallelen Platte um die Drehachse werden die Höhenlinien beliebig über das Bild des Objektes verschoben. Durch Anzeige der Verdrehung an der Verstelleinrichtung ist die Verschiebung meßbar.

Durch periodisches Kippen der optischen Mittel zur Bildverschiebung, z. B. einer planparallelen Glasplatte, mit niedrigen Frequenzen und bei Gleichlichtbetrieb der Beleuchtungseinrichtung des Projektionssystems entsteht eine resultierende Bewegung der Moiremuster und damit eine Verbesserung der Beobachtbarkeit.

Durch Arbeit der Beleuchtungseinrichtung bei Impulsbetrieb bei gleichzeitigem Kippen der Planparallelplatte wird durch Wahl der Impulsfolgefrequenz in Abhängigkeit zur Kippfrequenz die Anzahl der Höhenlinien verändert, wobei das Moiremuster über das Bildfeld wandern kann. Dadurch verbessern sich die Darstellung der Oberflächengestalt und die lokale Auflösung.

In dieser Arbeitsweise ist es vorteilhaft, wenn durch an sich bekannte Mittel elektronischer Bildverarbeitung die Kanten der Moirestreifen mit erhöhtem Kontrast wiedergegeben werden und die Streifenbreite eingegrenzt wird.

Es ist die unmittelbare Auswertung des Ergebnisses durch die Anzahl der Höhenlinien zwischen zwei in der Okularfeldebene des Operationsmikroskopes angebrachte Marken möglich.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels, in dem die erfindungsgemäße Anordnung in einem Operationsmikroskop zum Einsatz kommt, näher erläutert werfen.

In der Figur ist ein Operationsmikroskop gezeigt, das entlang einer optischen Achse ein Okular 19 und ein Tubusobjektiv 18, die einen monokularen Okulareinblick20 bilden, zwei ein Galilei-Fernrohr bildende Objektive 14,15, die einem Vergrößerungswechsler 23 angehören, aufweist und das ein dem Vergrößerungswechsler zugeordnetes Frontobjektiv 12 besitzt.

Im Vergrößerungswechsler 23 sind jeweils zwei miteinander verbundene analoge Galilei-Fernrohre aus den Objektiven 15,14 und 10,

11 mit zueinander parallelen optischen Achsen vorhanden.

Das Frontobjektiv 12 ist gemeinsames Objektiv für die beiden Galilei-Fernrohre des Vergrößerungswechslers 23. Das Frontobjektiv

12 ist in ein Gehäuse 24 eingebaut, im Gehäuse 24 ist der Vergrößerungswechsler 23 um eine Achse 22 drehbar angeordnet. Zwischen dem Okulareinblick 20 und dem Vergrößerungswechsler 23 sind zusätzlich zwei abbildende Objektive 16,17 angeordnet. Dem Operationsmikroskop zugeordnet ist ein Projektionssystem, bestehend aus einer Lichtquelle 1, einem Kondensor 3, einem Zwischenobjektiv 25 und einem Objektiv 9. Entlang der optischen Achse des Projektionssystems ist dem Objektiv 9 das dem Vergrößerungswechsler 23 angehörende Galilei-Fernrohr aus den Objektiven 10,11 nachgeordnet.

Eine als Projektions- und Referenzgitter dienende Glasplatte 4 mit einem Strichgitter ist in dem Strahlengang des Projektionssystems zwischen Zwischenobjektiv 25 und Objektiv 9 und gleichzeitig in dem Strahlengang des Operationsmikroskopes zwischen den Objektiven 16,17 angeordnet. Ein Objekt 13, das sich in der Brennebene des Frontobjektives 12 befindet, wird vom Beobachter 21 durch den Okulareinblick 20 beobachtet.

Erfindungsgemäß ist im Strahlengang des Projektionssystems dem Gitter nachgeordnet eine kippbare planparallele Glasplatte der Dicke d eingebracht. Die Glasplatte ist um eine Drehachse 6 mittels einer Verstelleinrichtung kippbar. Das Beleuchtungssystem beleuchtet das als Diapositiv wirkende Gitter 4 und es wird mittels des Objektives 9 durch den Vergrößerungswechsler 23 und das Frontobjektiv 12 hindurch in die Objektebene abgebildet. Dabei wird das Objekt 13 von dem auf projezierten Gitter überdeckt. Bei Abbildung des Objektes 13 mittels des Frontobjektivs 12 durch den Vergrößerungswechsier 23 hindurch wird durch Objektiv 16 ein Bild des mit den Gitterstreifen überdeckten Objektes 13 auf das Gitter 4 entworfen. Das Objektiv 17 entwirft ein Bild der Ebene von 4 im Unendlichen, welches mit dem Einblick 20 zu betrachten ist. Unter der Voraussetzung, daß beide im Strahlengang befindliche Partien des Gitters 4 gleich sind, erscheint das durch den Einblick 20 zu betrachtende Bild eines ebenen Objektes 13 unstrukturiert. Weist das Objekt 13 dagegen Unebenheiten auf, so stimmt das Bild des auf das Objekt 13 aufprojizierten Gitters nicht mehr mit dem ebenen Gitter 4 überein, und es entsteht durch diese Verschiedenheit in der Ebene von 4 im Beobachtungsstrahlengang ein Moiremuster, welches die Linien gleicher Höhe über einer im Objekt gedachten Bezugsebene markiert. Die Lage dieser Höhenlinien ist von der relativen Lage des Objektes 13 zu Gitter und Vergleichsgitter abhängig. Die relative Lage des Objektes 13 zu Gitter und Vergleichsgitter kann nun im einfachsten Fall durch das Verdrehen der planparallelen Glasplatte 5 mittels der Verstelleinrichtung 7 vorgenommen werden. Ist die Verstelleinrichtung 7 z. B. mit Zeiger und Skala ausgerüstet, kann die planparallele Platte 5 um einen meßbaren Betrag gedreht werden, wodurch die Höhenlinien beliebig und meßbar über das Bild des Objektes verschoben werden können. Zwischen der Verschiebung der Höhenlinien und der Verschiebung des Gitters gegenüber dem Vergleichsgitter, die durch die Kippung der Planparallelplatte 5 realisiert wird, einerseits und der Höhe der lokalen Erhebung über die Bezugsebene im Objekt andererseits, besteht ein fester Zusammenhang, so daß an der Verstellvorrichtung 7 abzulesen ist, welche Höhe der Erhebung über der Bezugsebene der Verschiebung um einen Linienabstand entspricht.

Eine besonders günstige Arbeitsweise gestattet die Anordnung, wenn gemäß der Erfindung die Verstelleinrichtung 7 zum periodischen Kippen der planparallelen Glasplatte 5 ausgelegt ist und mit einer Steuervorrichtung 8 zum Einstellen der Phasenlage der periodischen Kippbewegung der Platte 5 zu einem Bezugssignal verbunden ist, wobei die Lichtquelle 1 eine Lichtquelle für Impulsbetrieb ist, die mit einem Steuergerät 2 zum Einstellen der Impulsfolgefrequenz für die Lichtquelle 1 verbunden ist und das Steuergerät 2 mit der Steuervorrichtung 8 zum Synchronisieren und Einstellen der Phasenlage der periodischen Änderung der relativen Lage von Gitter und Vergleichsgitter zur Impulsfolgefrequenz der Lichtquelle 1 gekoppelt ist.

Mit der Verstellvorrichtung 7 wird die Planparallelplatte 5 periodisch gekippt. Geschieht dies mit Kippfrequenzen etwa im Bereich von 0,5...5 Hz und wird die Lichtquelle 1 im Gleichlichtbetrieb verwendet, so ergibt sich durch die resultierende Bewegung des Systems von Moirestreifen eine erhebliche Verbesserung der Beobachtbarkeit und der Beurteilungsmöglichkeit lokaler Veränderungen der Oberflächengestalt, insbesondere in Bereichen, die bei der Erzeugung statischer Moiremuster zwischen Moirestreifen liegen. Wird die Lichtquelle 1 über das Steuergerät 2 impulsweise mit einer Frequenz betrieben, die gleich der Kippfrequenz der Planparallelplatte 5 ist, so erscheint ein stehendes Moirestreifenmuster. Wird durch die Steuervorrichtung 8 die Phasenlage der Lichtquellenimpulse zu der periodischen Plattenkippung verändert, so wandern die Moirestreifen über das Bildfeld und können jedem beliebigen Objektort überlagert werden. Wird die Impulsfrequenz der Lichtquelle 1 durch das Steuergerät 2 auf ein ganzzahliges Vielfaches nf_K der Kippfrequenz f_K eingestellt, so wird die Anzahl der sichtbaren stehenden Moirestreifen auf das η-fache erhöht. Durch diese Verdichtung des Feldes der Höhenlinien verbessert sich die Darstellung der Oberflächengestalt und die lokale Auflösung der Topographie. Da die Anzahl der Höhenlinien je Längeneinheit im Bild ein Maß für den Betrag der Höhe über der Bezugsebene ist, kann durch Einstellen von η und Auszählen der Linien, die zwischen zwei im Okular 19 angebrachten Marken fallen, der Höhenunterschied ermittelt werden, welcher im Objekt in dem Bereich zwischen den Marken vorhanden ist.

Wenn η nicht ganzzahlig eingestellt ist, wandert das verdichtete System der Höhenlinien und verbessert dadurch die Beobachtbarkeit. Die Wanderungsgeschwindigkeit ist proportional zur Größe des lokalen Anstieges. Für die Auswertung der Moirestreifen ist es von Vorteil, das Objekt mit einer TV-Kamera durch das beschriebene System hindurch aufzunehmen, die Kantensteilheit der Moirestreifen mit den bekannten elektronischen Mitteln zu erhöhen sowie ihre Breite zu verringern und das Bild über einen Monitor darzubieten.

Claims

— ί — nan nn Erfindungsansprüche:

1. Anordnung zur Bestimmung der Oberflächengestalt von Objekten mittels Moiretechnik für ein Stereomikroskop mit einem zugeordneten Projektionssystem für ein Gitter und je einem in einem Beobachtungsstrahlengang des Mikroskopes und im Strahlengang des Projektionssystems befindlichen Referenz- bzw. Projektionsgitter zur Erzeugung eines Moiremusters, dadurch gekennzeichnet, daß im Projektionsstrahlengang dem Projektionsgitter unmittelbar nachgeordnet optische Mittel zur Verschiebung des Bildes des aufprojizierten Gitters angeordnet sind.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Projektionsgitter eine um eine Drehachse kippbare planparallele Glasplatte nachgeordnet ist und diese mit einer die Verdrehung anzeigenden Verstelleinrichtung verbunden ist.
3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Mittel zum Verschieben des Bildes des aufprojizierten Gitters mit einer Verstelleinrichtung zum periodischen Kippen dieser optischen Mittel verbunden ist, die Verstelleinrichtung mit einer Steuervorrichtung zum Einstellen der Phasenlage der periodischen Kippbewegung zu einem Bezugssignal gekoppelt ist, die Beleuchtungseinrichtung des Projektionssystems für Gleichlichtbetrieb und Impulsbetrieb geeignet ist und mit einem Steuergerät zum Einstellen der Impulsfolgefrequenz in Verbindung steht und eine Kopplung zwischen dem Steuergerät zum Einstellen der Impulsfolgefrequenz und der Steuervorrichtung zum Einstellen der Phasenlage besteht, wobei die Impulsfolgefrequenz als Bezugssignal Verwendung findet.

Hierzu 1 Seite Zeichnung

Anwendungsgebiet der Erfindung

Anwendungsgebiet der Erfindung ist die Bestimmung der Oberflächengestalt insbesondere medizinischer Objekte und vorzugsweise im Zusammenwirken mit Operations- und Untersuchungsmikroskopen sowie mit Systemen zur Untersuchung des Auges, sowohl des Augenhintergrundes als auch des vorderen Augenabschnittes. Die Erfindung kann aber auch bei der Bestimmung der Oberflächengestalt makroskopischer und rein technischer Objekte angewendet werden.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Es sind bereits Lösungen bekannt, bei denen ein periodisches Muster, vorzugsweise ein Gitter, auf das zu untersuchende Objekt aufprojiziert wird. Abweichungen des Objektes von der Ebenheit führen zu einer Verzerrung des aufprojizierten Gitters. Das Bild des Objektes mit dem aufprojizierten Gitter wird auf ein Vergleichsgitter abgebildet, wo die Abweichungen ein Moiremuster erzeugen, welches Höhenlinien im Objekt markiert.

Eine solche Lösung, jedoch auf ein Gerät zur Untersuchung der Oberflächengestalt des Augenhintergrundes spezialisiert, ist in der DE-OS 3 206 410 beschrieben. Diese Vorrichtung basiert auf einer herkömmlichen Funduskamera, in die Linsen eingesetzt sind, zwischen denen Beobachtungs- und Projektionsstrahlengang parallel und telezentrisch verlaufen und zwischen denen ein Gitter und ein Vergleichsgitter angeordnet sind. Das Bild des auf den Augenhintergrund projizieren Gitters ergibt durch Überlagerung mit dem Vergleichsgitter ein Moiremuster, welches Höhenlinien erkennen läßt, die dem Bild des Augenhintergrundes überlagert sind. Die Lage der Höhenlinien relativ zum Objekt ist von der zufälligen Lage des Objektes zum optischen Gesamtsystem abhängig und die Einstellung einer Höhenlinie, die durch einen bestimmten Objektort geht, ist schwierig und nicht reproduzierbar. Quantitative Messungen sind unter diesen Umständen sehr erschwert und mit hohem Aufwand an Zeit und Erfahrung verbunden. Darüber hinaus ist das lokale Auflösungsvermögen der bekannten Lösungen für viele Anwendungsfälle nicht ausreichend.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist eine Anordnung mit verbesserter Beobachtungsmöglichkeit, die eine reproduzierbare sowie eine quantitative Messung ermöglicht.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Es soll eine Anordnung zur Bestimmung der Oberflächengestalt von Objekten mittels Moiretechnik für den Einsatz in einem Stereomikroskop, aber auch für andere Mikroskope bzw. ähnliche Systeme zur Untersuchung, geschaffen werden, die es ermöglicht, die als Moiremuster erzeugten Höhenlinien meßbar zu verschieben ohne die Position des Objektes relativ zum optischen Gesamtsystem zu verändern, und darüber hinaus eine Erhöhung der lokalen Auflösung gestattet. Die Aufgabe wird mit einer Anordnung für ein Stereomikroskop mit einem zugeordneten Projektionssystem für ein Gitter und je ein im Strahlengang des Mikroskopes und des Projektionssystems befindlichen Projektions- bzw. Referenzgitter zur Erzeugung eines Moiremusters, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß im Projektionsstrahlengang dem Referenzgitter nachgeordnet optische Mittel zur Verschiebung des Bildes des aufprojizierten Gitters angeordnet sind. Dieses kann z. B. durch eine dem Projektionsgitter nachgeordnete um eine Drehachse kippbare planparallele Glasplatte realisiert werden. Es ist vorteilhaft, wenn die planparallele Glasplatte mit einer die Verdrehung anzeigenden Verstelleinrichtung verbunden ist. Weiter ist besonders vorteilhaft, wenn dei Beleuchtungseinrichtung des Projektionssystems für Gleichlicht- und Impulsbetrieb geeignet ist und mit einem Steuergerät zum Einstellen der Impulsfolgefrequenz verbunden ist, die planparallele Glasplatte mittels einer Verstelleinrichtung periodisch kippbar ist, die Verstelleinrichtung mit einer Steuervorrichtung zum Einstellen der Phasenlage der periodischen Kippbewegung zu einem Bezugssignal in Verbindung steht und eine Kopplung des Steuergerätes für die Impulsfolgefrequenz der Beleuchtungseinrichtung und der Steuervorrichtung zum Einstellen der Phasenlage besteht, d. h. die Impulsfolgefrequenz als Bezugssignal verwendet wird.

Das Projektionssystem projiziert das Gitter, das über Vergrößerungswechsler und Objektiv des Operationsmikroskopes in die Objektebene abgebildet wird und somit das Objekt überdeckt. Im Operationsmikroskop wird ein Bild des mit dem Gitterstreifen überdeckten Objektes auf das im Strahlengang des Operationsmikroskopes befindliche Gitter entworfen. Das Bild eines ebenen Objektes wird dadurch vom Beobachter umstrukturiert wahrgenommen. Weist das Objekt Unebenheiten auf, so stimmt das Bild des auf das Objekt aufprojizierten Gitters mit dem Gitter überein und der Beobachter nimmt ein Moiremuster wahr, welches die Linien gleicher Höhe über einer im Objekt gedachten Bezugsebene markiert. Die Lage dieser Höhenlinien ist von der relativen Lage des Objektes zu Gitter und Vergleichsgitter abhängig.