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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Mikroskopiesystem zur Abbildung
eines in einer Objektebene des Mikroskopiesystems anordenbaren Objekts mit
den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Anspruchs 1 oder 7.
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Das
Mikroskopiesystem umfasst wenigstens ein Abbildungssystem, welches
wenigstens einen Abbildungsstrahlengang zur Abbildung eines Abbildungsfeldes
der Objektebene bereitstellt, sowie eine Versatzeinrichtung, welche
ausgebildet ist, das Abbildungsfeld des Abbildungssystems in der
Objektebene translatorisch zu verlagern.
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Derartige
Mikroskopiesysteme finden beispielsweise in der Medizintechnik als
Operationsmikroskope Verwendung, um ein in einer Objektebene angeordnetes
Objekt zu beobachten.
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Dabei
wird das Operationsmikroskop üblicherweise
von einem an einer Decke befestigten oder auf dem Boden stehenden
Stativ getragen. Das Stativ dient als Versatzeinrichtung, um eine
Positionierung des Operationsmikroskops über einem betrachteten Objekt
zu erlauben. Hierfür
erlaubt das Stativ üblicherweise
eine translatorische Verlagerung des Abbildungssystems mit bis zu
drei Freiheitsgraden (vor/zurück,
links/rechts, oben/unten) sowie zumeist eine rotatorische Bewegung
des Operationsmikroskops mit wenigstens einem Freiheitsgrad (Schwenkung
gegenüber
der Waagrechten).
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Derartige
Stative sind relativ teuer, da sie einerseits in eingerastetem Zustand
eine große
Stabilität
und Schwingungsfreiheit aufweisen und gleichzeitig leicht betätigbar sein
müssen.
Hierfür
muss das Stativ ausreichend massiv ausgeführt sein, und das von ihm getragene
Operationsmikroskop muss durch Federn oder Gegengewichte in möglichst
jeder möglichen
Stellung des Operationsmikroskops ausbalanciert sein. Weiter muss
eine Positionierung mit hoher Genauigkeit möglich sein, da ein Abbildungsfeld (durch
ein Abbildungssystem des Operationsmikroskops abgebildeter Bereich
der Objektebene) des Operationsmikroskops insbesondere bei hoher
Vergrößerung sehr
klein ist.
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Der
vorstehend beschriebene Aufbau eines Mikroskopiesystems bestehend
aus einem Operationsmikroskop und einem dieses tragenden Stativ aus
dem Stand der Technik weist die folgenden Nachteile auf:
Aufgrund
der großen
Masse des Operationsmikroskops und des Stativs ist es in Folge der
zu beschleunigenden bzw. abzubremsenden trägen Massen auch bei optimal
ausbalanciertem Stativ nur schwer möglich, kleinen Bewegungen eines
betrachteten Objektes durch Verlagerung des Operationsmikroskops
zu folgen oder Feineinstellungen in der Positionierung des Operationsmikroskops
vorzunehmen.
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Weiter
ist die Betätigung
eines herkömmlichen
Stativs auch bei einer optimalen Ausbalancierung körperlich
anstrengend, wenn viele kleine Positionierungen vorgenommen werden
müssen.
Hierzu trägt
die Tatsache bei, dass es eine neue Positionierung des Operationsmikroskops
in der Regel erforderlich macht, dass der Benutzer direkt oder mittelbar über eine
Steuerung mit seinen Händen
tätig wird und
somit seine Arbeit unterbrechen muss.
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Zur
Lösung
dieser Probleme ist aus der
DE 103 30 581 A1 ein Operationsmikroskopiesystem
mit einer mechanischmotorischen Verlagerungseinrichtung bekannt,
welche zwischen dem Operationsmikroskop und dem Stativ eingefügt ist,
um das Operationsmikroskop durch einen ansteuerbaren Antrieb relativ
zu der Objektebene lateral verlagern zu können, ohne hierbei die Bremsen
in den Gelenken des Stativs lösen
und die Ausrichtung von Stativglieder relativ zueinander ändern zu
müssen.
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Diese
Verlagerungseinrichtung weist allerdings den Nachteil auf, dass
sie technisch aufwendig ist und aufgrund ihres Eigengewichts ein
vergleichsweise aufwendigeres und stabileres Stativ notwendig macht.
Weiter ist für
eine Verlagerung des Operationsmikroskops immer noch eine Beschleunigung
der trägen
Masse des Operationsmikroskops erforderlich. Die träge Masse
des Operationsmikroskops verhindert zum einen eine schnelle Verlagerung.
Zum anderen besteht bei einer schnellen positiven oder negativen
Beschleunigung der trägen
Masse des Operationsmikroskops die Gefahr, dass Schwingungen erzeugt
und auf das Stativ übertragen
werden. Zudem ist es bei direkter visueller Beobachtung nach einer
Verlagerung des Operationsmikroskops erforderlich, dass der Benutzer
seine Arbeitsposition zumindest geringfügig anpasst.
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Aufgrund
der vorstehend beschriebenen Nachteile des Standes der Technik ist
es derzeit praktisch nicht möglich,
kleine, schnelle und insbesondere periodische Verlagerungen des
Operationsmikroskops durchzuführen,
um auf beispielsweise durch die Atmung eines Patienten hervorgerufene Verlagerungen
eines betrachteten Objektes in der Objektebene zu reagieren.
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Ausgehend
hiervon ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Mikroskopiesystem
bereitzustellen, welches eine Verlagerung eines Abbildungsfeldes
der Objektebene auf besonders einfache, schnelle, zuverlässige und
vibrationsfreie Weise ermöglicht.
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Die
vorstehende Aufgabe wird durch ein Mikroskopiesystem mit der Kombination
der Merkmale der unabhängigen
Ansprüche
1 und 7 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen finden sich in den Unteransprüchen.
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Gemäß einer
ersten bevorzugten Ausführungsform
umfasst ein Mikroskopiesystem zur Abbildung eines in einer Objektebene
des Mikroskopiesystems anordenbaren Objekts ein Abbildungssystem,
eine Versatzeinrichtung und eine Steuerung. Das Abbildungssystem
stellt wenigstens einen Abbildungsstrahlengang zur Abbildung eines
Abbildungsfeldes der Objektebene bereit. Dabei wird unter Abbildungsfeld
der Bereich der Objektebene verstanden, der zu einem Zeitpunkt von
dem wenigstens einen Abbildungsstrahlengang des Abbildungssystems abgebildet
werden kann. Das Abbildungsfeld wird im Stand der Technik häufig auch
als Objektfeld bezeichnet. Die Versatzeinrichtung ist ausgebildet,
das Abbildungsfeld des Abbildungssystems in der Objektebene translatorisch
zu verlagern. Die Steuerung ist ausgebildet, einen gewünschten
Versatz des Abbildungsfelds in der Objektebene zu ermitteln und
die Versatzeinrichtung entsprechend zu steuern. Dabei weist die
Versatzeinrichtung eine entlang des wenigstens einen Abbildungsstrahlengangs
angeordnete erste Spiegelfläche
zur Ablenkung des wenigstens einen Abbildungsstrahlengangs auf,
welche erste Spiegelfläche
in Abhängigkeit
von dem durch die Steuerung ermittelten Versatz verschwenkbar ist.
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Somit
erfolgt in der ersten Ausführungsform ein
gewünschter,
durch die Steuerung ermittelter Versatz des Abbildungsfeldes der
Objektebene relativ zu der Objektebene durch Verschwenken einer
den wenigstens einen Abbildungsstrahlengang des Abbildungssystem
ablenkenden ersten Spiegelfläche.
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Dabei
kann die Spiegelfläche
beispielsweise frei oder um eine oder mehrere vorgegebene unterschiedliche
Schwenkachsen verschwenkbar sein. Die Schwenkachsen können wahlweise
außerhalb oder
innerhalb der Spiegelfläche
liegen. Auch können
die Spiegelfläche
und die Schwenkachsen wahlweise in der gleichen oder in unterschiedlichen
Ebenen liegen.
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Alternativ
kann der Versatz des Abbildungsfeldes auch dadurch bewirkt werden,
dass die Spiegelfläche
um eine Drehachse rotiert wird, die im wesentlichen parallel zu
einer von optischen Elementen (insbesondere optischen Linsen) des
Abbildungssystems festgelegten optischen Achse des wenigstens einen
von dem Abbildungssystem auf die Spiegelfläche einfallenden Abbildungsstrahlenganges
ausgerichtet ist. Durch eine derartige Rotation der Spiegelfläche wird
gleichzeitig ein Verschwenken der Spiegelfläche relativ zu der optischen
Achse des wenigstens einen von dem Abbildungssystem auf die Spiegelfläche einfallenden
Abbildungsstrahlenganges bewirkt, was den Versatz des Abbildungsfeldes
in der Objektebene zur Folge hat. Im Rahmen dieser Anmeldung wird
unter einer Drehachse, die im wesentlichen parallel zu der optischen
Achse ausgerichtet ist, verstanden, dass sich die jeweils von der
Drehachse bzw. der optischen Achse und einer gemeinsamen Normalen
aufgespannten Ebenen unter einem Winkel kleiner 20°, vorzugsweise
kleiner 5° und
besonders bevorzugt kleiner 2° schneiden.
Dabei können
die Drehachse und die optische Achse auch zusammenfallen.
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Ein
Verschwenken einer Spiegelfläche
ist mit hoher Genauigkeit möglich.
Da lediglich die träge Masse
eines die Spiegelfläche
bereitstellenden Umlenkelements (wie beispielsweise aber nicht abschließend eines
optischen Spiegels oder Prismas) sowie eines ggf. vorhandenen Antriebs
und/oder Getriebes, nicht jedoch die träge Masse des ganzen Abbildungssystems
beschleunigt werden muss, sind auch kleine, schnelle und insbesondere
periodische Verlagerungen des Abbildungsfeldes auf besonders einfache
und zuverlässige
Weise möglich.
Dabei arbeitet die Versatzeinrichtung aufgrund der kleinen zu beschleunigenden
trägen
Masse auch bei starken Beschleunigungen nahezu vibrationsfrei.
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Da
für den
gewünschten
Versatz des Abbildungsfeldes lediglich die Spiegelfläche verschwenkt wird,
das Abbildungssystem jedoch ortsfest bleibt, kann eine Arbeitsposition
eines Benutzers nach dem Versatz des Abbildungsfeldes auch bei direkter
visueller Beobachtung unverändert
beibehalten werden.
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Bei
einem Versatz, der beispielsweise weniger als ein Viertel und bevorzugt
ein Achtel eines Arbeitsabstandes des Abbildungssystems von der
Objektebene beträgt,
erfolgt zudem weiterhin eine nahezu senkrechte Abbildung der Objektebene
mittels des Abbildungssystems. Dabei wird jedoch betont, dass auch
eine nicht senkrechte Betrachtung der Objektebene durch das Abbildungssystem
in den meisten Fällen
nicht schädlich
ist und sogar gewünscht sein
kann.
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Gemäß einer
Ausführungsform
kann die Versatzeinrichtung weiter eine entlang des wenigstens einen
Abbildungsstrahlengangs angeordnete zweite Spiegelfläche zur
Ablenkung des wenigstens einen Abbildungsstrahlengangs aufweisen,
welche zweite Spiegelfläche
in Abhängigkeit
von dem durch die Steuerung ermittelten Versatz verschwenkbar ist. Dann
kann die erste Spiegelfläche
um eine erste Schwenkachse und die zweite Spiegelfläche um eine zweite
Schwenkachse schwenkbar sein, welche zweite Schwenkachse von der
ersten Schwenkachse verschieden ist.
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Somit
kann die Verlagerung des Abbildungsfeldes auch durch Verschwenken
von zwei oder auch mehr Spiegelflächen, welche den wenigstens
einen Abbildungsstrahlengang nacheinander ablenken, gemeinsam bewirkt
werden. Dies kann Vorteile bringen, da ein Verschwenken einer Spiegelfläche um eine einzige
vorgegebene Achse häufig
einfacher und mit größerer Genauigkeit
möglich
ist, als eine freie Verschwenkung einer Spiegelfläche.
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Dabei
kann die erste Schwenkachse mit einer ersten Ablenkungsebene, die
von einer auf die erste Spiegelfläche einfallenden und von der
ersten Spiegelfläche
ausfallenden optischen Achse des wenigstens einen Abbildungsstrahlengangs
aufgespannt ist, einen Winkel von im wesentlichen 90° einschließen. Dabei
ist die optische Achse von optischen Elementen (insbesondere optischen
Linsen) des Abbildungssystems festgelegt. weiter kann die zweite
Schwenkachse mit einer zweiten Ablenkungsebene, die von auf der
die zweite Spiegelfläche
einfallenden und von der zweiten Spiegelfläche ausfallenden optischen
Achse des wenigstens einen Abbildungsstrahlengangs aufgespannt ist,
einen Winkel von im wesentlichen 90° einschließen und zu der ersten Ablenkungsebene
im wesentlichen parallel angeordnet sein.
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Dabei
wird in dieser Anmeldung unter "im wesentlichen
90°" eine Abweichung
von 90° um höchstens
5° und bevorzugt
höchstens
2° und besonders
bevorzugt höchstens
1° verstanden.
Weiter wird in dieser Anmeldung unter einer Schwenkachse, die zu
einer Ablenkungsebene im wesentlichen parallel ist, verstanden,
dass die Schwenkachse zu der Ablenkungsebene parallel ist oder dass
die Schwenkachse die Ablenkungsebene schneidet und dabei mit der
Ablenkungsebene einen Winkel von kleiner 5° und bevorzugt kleiner 2° einschließt. Weiter können die
Schwenkachse und die Ablenkungsebene alternativ auch zusammenfallen.
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Diese
Beziehung der ersten und zweiten Schwenkachse relativ zu dem wenigstens
einen Abbildungsstrahlengang bzw. relativ zueinander weist den Vorteil
auf, dass ein Verschwenken der ersten und zweiten Spiegelfläche um die
Schwenkachsen neben der Verlagerung des Abbildungsfeldes relativ zur
Objektebene keine bzw. nur eine vernachlässigbare Rotation der durch
das Abbildungssystem, erzeugten Abbildung des Abbildungsfelds hervorruft. Weiter
ist so eine, Translation des Abbildungsfeldes in der Objektebene
in zwei Richtungen ermöglicht, die
miteinander ebenfalls einen Winkel von im wesentlichen 90° einschließen.
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Alternativ
oder zusätzlich
kann das Mikroskopiesystem weiter eine Kompensationseinrichtung umfassen,
welche eine Rotation der durch das Abbildungssystem erzeugten Abbildung
des Abbildungsfelds bewirkt. Dabei steuert die Steuerung die Kompensationseinrichtung
in Abhängigkeit
von einer Verschwenkung der ersten und/oder zweiten Spiegelfläche so,
dass eine durch eine Verschwenkung der Spiegelflächen ggf. hervorgerufene Rotation
der durch das Abbildungssystem bereitgestellten Abbildung des Abbildungsfelds
durch eine von der Kompensationseinrichtung bewirkte Rotation der
Abbildung wieder aufgehoben wird.
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Dabei
kann das Abbildungssystem wenigstens eine in dem wenigstens einen
Abbildungsstrahlengang angeordnete Kamera zur Erzeugung von Bilddaten
aufweisen und die Kompensationseinrichtung mit der wenigstens einen
Kamera verbunden sein. Dann kann die Kompensationseinrichtung eine Rotation
der von der wenigstens einen Kamera erzeugten Bilddaten durch elektronische
Bildverarbeitung bewirken, um eine durch eine Verschwenkung der
Spiegelflächen
ggf. hervorgerufene Rotation der durch das Abbildungssystem bereitgestellten
Abbildung des Abbildungsfelds auf besonders einfache Weise zu kompensieren.
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Alternativ
oder zusätzlich
kann die Kompensationseinrichtung wenigstens eine in dem wenigstens
einen Abbildungsstrahlengang angeordnete und durch die Steuerung
einstellbare Prisma-Anordnung aufweisen. Dabei ist die Prisma-Anordnung
bevorzugt ausgebildet, bei einer Verdrehung des Prismas eine Bilddrehung
um die von optischen Elementen des Abbildungssystems festgelegte
optische Achse als Drehachse zu bewirken.
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Gemäß einer
zweiten bevorzugten Ausführungsform,
die mit der vorangegangenen ersten bevorzugten Ausführungsform
auch kombiniert werden kann, umfasst ein Mikroskopiesystem zur Abbildung eines
in einer Objektebene des Mikroskopiesystems anordenbaren Objekts
ein Abbildungssystem, welches wenigstens einen Abbildungsstrahlengang
zur Abbildung eines Abbildungsfeldes der Objektebene bereitstellt,
sowie eine Versatzeinrichtung, welche ausgebildet ist, das Abbildungsfeld
des Abbildungssystems in der Objektebene translatorisch zu verlagern.
Dabei weist die Versatzeinrichtung wenigstens ein Paar von entlang
des wenigstens einen Abbildungsstrahlengangs angeordneten ersten
und zweiten Spiegelflächen
zur Ablenkung des wenigstens einen Abbildungsstrahlengangs auf.
Dabei ist das wenigstens eine Paar von Abbildungsstrahlengängen nacheinander
an der ersten und der zweiten Spiegelfläche reflektiert. Weiter ist
die erste Spiegelfläche um
eine erste Schwenkachse verschwenkbar, welche erste Schwenkachse
mit einer ersten Ablenkungsebene, die von einer auf die erste Spiegelfläche einfallenden
und von der ersten Spiegelfläche ausfallenden
optischen Achse des wenigstens einen Abbildungsstrahlengangs aufgespannt
ist, einen Winkel von im wesentlichen 90° einschließt. Dabei ist die optische
Achse durch optische Elemente (insbesondere optische Linsen) des
Abbildungssystems festgelegt. Zudem ist die zweite Spiegelfläche um eine
zweite Schwenkachse verschwenkbar, welche zweite Schwenkachse mit
einer zweiten Ablenkungsebene, die von der auf die zweite Spiegelfläche einfallenden
und von der zweiten Spiegelfläche
ausfallenden optischen Achse des wenigstens einen Abbildungsstrahlengangs
aufgespannt ist, einen Winkel von im wesentlichen 90° einschließt. Zudem
ist die zweite Schwenkachse zu der ersten Ablenkungsebene im wesentlichen
parallel angeordnet. Dabei kann die zweite Schwenkachse auch in
der ersten Ablenkungsebene liegen.
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Durch
Verschwenken der ersten und/oder zweiten Spiegelfläche um die
erste und/oder zweite Schwenkachse mittels der Steuerung kann so
eine translatorische Verlagerung des Abbildungsfeldes in der Objektebene
in zwei Richtungen, welche miteinander einen Winkel von im wesentlichen
90° einschließen, bewirkt
werden. Dabei führt
die genannte Orientierung der ersten und zweiten Schwenkachse relativ
zu dem wenigstens einen Abbildungsstrahlengang dazu, dass ein Verschwenken
der Spiegelflächen
keine bzw. nur eine vernachlässigbare
Rotation der durch das Abbildungssystem erzeugten Abbildung des
Abbildungsfelds hervorruft.
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Wie
bei der ersten bevorzugten Ausführungsform
kann das Mikroskopiesystem weiter eine Steuerung aufweisen, welche
ausgebildet ist, einen gewünschten
Versatz des Abbildungsfelds in der Objektebene zu ermitteln und
die erste und zweite Spiegelfläche
in Abhängigkeit
von dem ermittelten Versatz um die jeweilige erste bzw. zweite Schwenkachse
zu verschwenken.
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Allgemein
kann das Abbildungssystem wenigstens eine in dem wenigstens einen
Abbildungsstrahlengang angeordnete Kamera zur Erzeugung von Bilddaten
aufweisen und die Steuerung mit der wenigstens einen Kamera verbunden
und weiter ausgebildet sein, in den Bilddaten automatisch die Position
eines Markers zu detektieren und den ersten und/oder zweiten Antrieb
automatisch in Abhängigkeit
von der detektierten Position des Markers zu steuern.
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Dabei
kann es sich bei dem Marker beispielsweise um ein separates, in
der Objektebene eigens angeordnetes Element (z.B. ein charakteristisch
ausgebildeter Aufkleber) oder aber auch um ein in den Bilddaten
automatisch identifiziertes charakteristisches Element des Objektes
selber (wie z.B. ein in den Bilddaten abgebildetes chirurgisches
Element oder ein bestimmtes Körperteil
eines Patienten wie z.B. ein Zahn oder ein Organ) handeln.
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Dabei
kann es wünschenswert
sein, wenn die Steuerung ausgebildet ist, den ersten und/oder zweiten
Antrieb automatisch so zu steuern, dass die Position des Markers
in den Bilddaten im wesentlichen konstant bleibt.
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Hierdurch
ist beispielsweise eine Bildstabilisierung oder ein Nachverfolgen
der Bewegung eines betrachteten Objektes möglich. Die Bildstabilisierung ist
insbesondere dann wünschenswert,
wenn ein betrachtetes Objekt (beispielsweise in Folge von Atmung
eines Patienten) periodische Lageveränderungen aufweist. Bei der
Nachverfolgung der Bewegung eines Objektes ist es beispielsweise
möglich,
der Bewegung eines chirurgischen Instrumentes zu folgen und das
chirurgische Instrument immer in der Mitte des Abbildungsfeldes
zu halten.
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Weiter
oder alternativ kann die Steuerung auch eine Benutzerschnittstelle
wie beispielsweise eine Tastatur, ein Fußpedal, einen Joystick, eine Sprachsteuerung
etc. aufweisen, und den gewünschten
Versatz des Abbildungsfelds in der Objektebene in Abhängigkeit
von einem über
die Benutzerschnittstelle empfangenen Steuerbefehl ermitteln.
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Dabei
kann durch einen Benutzer über
die Benutzerschnittstelle beispielsweise ein absoluter Versatz (z.B.
in Form von Zielkoordinaten), ein relativer Versatz (z.B. in Form
eines von der aktuellen Mitte der Abbildung ausgehenden Versatzvektors) und/oder
lediglich eine Richtung eines Versatzes in Verbindung mit einer
Zeitspanne (z.B. Halten eines Joysticks in eine gewünschte Richtung
bis ein gewünschter
Versatz erreicht ist) eingegeben werden.
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Dabei
kann die Benutzerschnittstelle weiter ausgebildet sein, um Steuerbefehle
von einem Benutzer in Form von Sprache und/oder einer Augenbewegung
und/oder einer Fußbewegung
und/oder einer Kopfbewegung und/oder einer Handbewegung des Benutzers
zu empfangen und (in digitaler oder analoger Form) an die Steuerung
auszugeben.
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Allgemein
kann das Abbildungssystem eine Mehrzahl von optischen Linsen umfassen.
Gemäß einer
Ausführungsform
ist dann zwischen der ersten und der zweiten Spiegelfläche wenigstens
eine optische Linse des Abbildungssystems angeordnet.
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Um
durch mehrfache Faltung des wenigstens einen Abbildungsstrahlenganges
einen möglichst
kompakten Aufbau des Mikroskopiesystems zu erzielen, kann das Abbildungssystem
zur Ablenkung des wenigstens einen Abbildungsstrahlengangs weiter
eine dritte Spiegelfläche
und eine vierte Spiegelfläche
aufweisen. Dann kann der wenigstens eine Abbildungsstrahlengang
nacheinander an der ersten Spiegelfläche, der zweiten Spiegelfläche, der
dritten Spiegelfläche
und der vierten Spiegelfläche
reflektiert sein.
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Dabei
kann es vorteilhaft sein, wenn die erste Spiegelfläche und
die vierte Spiegelfläche
relativ zueinander einen Winkel von zwischen 60° und 120° und bevorzugt zwischen 80° und 100° einschließen, sowie
die zweite Spiegelfläche
und die dritte Spiegelfläche
relativ zueinander einen Winkel von zwischen 60° und 120° und bevorzugt zwischen 80° und 100° einschließen. Weiter
können
die dritte Spiegelfläche und
die vierte Spiegelfläche
relativ zueinander einen Winkel von im wesentlichen 90° einschließen. Der Grund
ist, dass unter diesem Winkel angeordnete Spiegelflächen insgesamt
wie ein Porro-System zweiter Art wirken. Folglich heben sich durch
die Ablenkungen des wenigstens einen Abbildungsstrahlenganges an
den Spiegelflächen
hervorgerufene Seitenvertauschungen der Abbildung gegenseitig auf.
Weiter ist eine durch die Ablenkungen der Abbildungsstrahlengänge insgesamt
hervorgerufene Bildrotation gering bzw. nicht vorhanden.
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Dabei
kann der wenigstens eine Abbildungsstrahlengang zwischen der zweiten
Spiegelfläche und
der dritten Spiegelfläche
frei von optischen Linsen sein.
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Gemäß einer
Ausführungsform
kann der wenigstens eine Abbildungsstrahlengang auch an mehr oder
weniger als vier Spiegelflächen
abgelenkt sein, wobei die Spiegelflächen wechselseitig beliebige Winkel
einschließen
können.
Eine dann auftretende Seitenvertauschung, Verzerrung oder Rotation
der Abbildung kann dann durch eine entsprechende Korrektureinrichtung
wahlweise optisch oder digital korrigiert werden.
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Gemäß einer
Ausführungsform
weist das Mikroskopiesystem weiter einen zweiten Antrieb auf, welcher
die zweite Spiegelfläche
wahlweise um die zweite Schwenkachse verschwenkt. Zusätzlich oder alternativ
kann das Mikroskopiesystem weiter einen ersten Antrieb aufweisen,
welcher die erste Spiegelfläche
wahlweise um die erste Schwenkachse verschwenkt. Dann ist die Steuerung
bevorzugt ausgebildet, den ersten und/oder zweiten Antrieb zu steuern.
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Es
kann Vorteile bringen, wenn die erste Spiegelfläche zwischen der Objektebene
und einer entlang des wenigstens einen Abbildungsstrahlengangs ersten
optisch wirksamen Oberfläche
des Abbildungssystems angeordnet ist. Der Grund ist, dass der abgelenkte
Abbildungsstrahlengang dann z.B. keine optischen Linsen mehr durchlaufen
muss, was bei einer großen
Verkippung der ersten Spiegelfläche ggf.
große
optische Linsen erforderlich machen kann. Dabei wird unter einer
optisch wirksamen Oberfläche eine
Oberfläche
mit einem Krümmungsradius
von höchstens
104 mm und bevorzugt höchstens 5·103 mm
und besonders bevorzugt höchstens
103 mm verstanden. Somit sollen z.B. plane
Filter, die in den erfindungsgemäßen Mikroskopiesystem
Verwendung finden können,
hier nicht als optisch wirksame Oberfläche gelten.
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Allgemein
kann das Mikroskopiesystem als Stereo-Mikroskopiesystem ausgebildet sein,
bei dem das Abbildungssystem wenigstens ein Paar von Abbildungsstrahlengängen bereitstellt,
die in der Objektebene einen Stereowinkel einschließen. Dann
kann das Abbildungssystem ein erstes Teilsystem aufweisen, das eine
Mehrzahl von Linsen umfasst, welche entlang einer gemeinsamen optischen
Achse angeordnet und von beiden Abbildungsstrahlengängen des
wenigstens einen Paars von Abbildungsstrahlengängen gemeinsam durchsetzt sind.
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Weiter
kann die erste und/oder zweite Spiegelfläche entlang der optischen Achse
des ersten Teilsystems zwischen optischen Linsen des ersten Teilsystems
angeordnet sein. Diese Anordnung der Spiegelflächen im ersten Teilsystem erleichtert
es aufgrund der Verwendung von vergleichsweise großen gemeinsamen
optischen Linsen für
alle Abbildungsstrahlengänge,
sicherzustellen, dass die Abbildungsstrahlengänge auch nach einem Verschwenken
der Spiegelflächen
noch durch die optischen Linsen hindurchgefädelt werden.
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Dabei
können
wenigstens zwei Linsen des ersten Teilsystems entlang der optischen
Achse relativ zueinander verlagerbar sein, um beispielsweise einen
Arbeitsabstand und/oder eine Vergrößerung für alle Abbildungsstrahlengänge des
Mikroskopiesystems gemeinsam einzustellen.
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Allgemein
kann das Abbildungssystem alternativ oder zusätzlich ein zweites Teilsystem
aufweisen, dessen optischen Elemente eine Mehrzahl von Linsen umfassen,
welche jeweils von lediglich einem Abbildungsstrahlengang des wenigstens
einen Paars von Abbildungsstrahlengängen durchsetzt sind. Dabei
können
wenigstens zwei Linsen des zweiten Teilsystems entlang eines gemeinsamen
Abbildungsstrahlengangs relativ zueinander verlagerbar sein.
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Gemäß einer
Ausführungsform
kann das Mikroskopiesystem weiter ein Beleuchtungssystem mit einem
Beleuchtungsstrahlengang zur Beleuchtung der Objektebene umfassen,
wobei die erste und/oder zweite Spiegelfläche entlang des Beleuchtungsstrahlengangs
angeordnet ist und wobei der Beleuchtungsstrahlengang wenigstens
durch die erste und/oder zweite Spiegelfläche abgelenkt ist.
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Indem
auch der Beleuchtungsstrahlengang von der ersten und/oder zweiten
Spiegelfläche
abgelenkt ist, wird der Beleuchtungsstrahlengang bei einem Verschwenken
der Spiegelfläche(n)
zum Verlagern des Abbildungsfeldes des Abbildungssystems in der
Objektebene automatisch nachgeführt.
Hierfür ist
der Beleuchtungsstrahlengang in geeigneter Weise (beispielsweise
mittels eines halbdurchlässigen Spiegels)
in den wenigstens einen Abbildungsstrahlengang eingekoppelt.
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Alternativ
kann das Mikroskopiesystem weiter ein Beleuchtungssystem mit einem
Beleuchtungsstrahlengang zur Beleuchtung der Objektebene umfassen,
wobei entlang des Beleuchtungsstrahlengangs wenigstens ein Beleuchtungsspiegel
angeordnet ist, welcher in Abhängigkeit
von dem durch die Steuerung ermittelten Versatz verschwenkbar ist. Hierdurch
ist sichergestellt, dass der Beleuchtungsstrahlengang bei einem
Versatz des Abbildungsfeldes des Abbildungssystems durch entsprechendes Verschwenken
der wenigstens einen Spiegelfläche durch
entsprechendes Verschwenken des Beleuchtungsspiegels automatisch
nachgeführt
wird.
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Um
neben der schnellen und genauen Positionierung des Abbildungsfeldes
mittels der vorstehend beschriebenen Versatzeinrichtung auch eine grobe
Positionierung des Abbildungsfeldes zu ermöglichen, kann das Mikroskopiesystem
weiter ein Stativ umfassen, welches das Abbildungssystem. trägt und wenigstens
eine Verstellvorrichtung zur translatorischen Verlagerung des Abbildungssystems
insgesamt aufweist. Dabei kann das Stativ beispielsweise drei oder
mehr translatorische und zwei oder mehr rotatorische Freiheitsgrade
aufweisen, um eine möglichst
flexible Positionierung zu erlauben.
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Ein
Mikroskopiesystem mit den vorstehen beschriebenen Eigenschaften
kann bevorzugt als Operationsmikroskop verwendet werden.
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Im
Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen
beschrieben. In den Zeichnungen werden soweit möglich gleiche oder ähnliche
Bezugszeichen verwendet, um auf gleiche oder ähnliche Elemente zu verweisen. Dabei
zeigt
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1A schematisch
einen Strahlengang durch eine in eine Ebene entfaltete Anordnung
wesentlicher Elemente eines Abbildungssystems eines Mikroskopiesystems
gemäß einer
bevorzugten ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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1B schematisch
eine Aufsicht von unten auf wesentliche Elemente des Abbildungssystems aus 1A;
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1C schematisch
eine Seitenansicht der wesentlichen Elemente des Abbildungssystems
aus 1A;
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1D schematisch
eine perspektivische Ansicht einer räumlichen Anordnung der wesentlichen
Elemente des Abbildungssystems aus 1A;
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2 schematisch
einen Strahlengang durch eine in eine Ebene entfaltete Anordnung
wesentlicher Elemente eines Abbildungssystems eines Mikroskopiesystems
gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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3 schematisch
einen Strahlengang durch eine Anordnung wesentlicher Elemente eines Abbildungssystems
eines Mikroskopiesystems gemäß einer
dritten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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4A schematisch
eine Seitenansicht eines Mikroskopiesystems gemäß der zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung; und
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4B schematisch
eine Seitenansicht eines Mikroskopiesystems gemäß einer vierten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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Im
Folgenden wird eine erste bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung unter Bezugnahme auf die 1A, 1B, 1C und 1D näher erläutert.
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1A zeigt
schematisch einen Strahlengang durch eine in eine Ebene entfaltete
Anordnung wesentlicher Elemente eines Abbildungssystems 26 eines
Mikroskopiesystems gemäß der ersten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Dabei zeigen die 1B, 1C und 1D schematisch
verschiedene Ansichten auf wesentliche Elemente des Abbildungssystems
des Mikroskopiesystems gemäß der bevorzugten
Ausführungsform.
In 1A und 1D sind
zusätzliche
Elemente des Mikroskopiesystems schematisch in Form von Blockdiagrammen dargestellt.
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Das
Mikroskopiesystem gemäß der ersten bevorzugten
Ausführungsform
umfaßt
ein optisches Abbildungssystem 26, welches zwei Paare von
Abbildungsstrahlengängen 2a, 2b sowie 2c, 2d bereitstellt.
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Die
Abbildungsstrahlengänge 2a und 2b sowie
die Abbildungsstrahlengänge 2c und 2d treffen sich
jeweils paarweise in der Objektebene 1. Hauptstrahlen der
Abbildungsstrahlengänge 2a, 2b und 2c, 2d schließen dabei
jeweils paarweise einen Stereowinkel α ein. Somit bildet das Mikroskopiesystem
ein Stereomikroskop. Dabei kann der in der Objektebene 1 von
dem ersten Paar von Abbildungsstrahlengängen 2a, 2b eingeschlossene
Stereowinkel α von
dem (in den Figuren nicht gezeigten) Stereowinkel, der in der Objektebene 1 von
dem zweiten Paar von Abbildungsstrahlengängen 2c, 2d eingeschlossen
wird, verschieden sein. Die in der Objektebene 1 von den Abbildungsstrahlengängen 2a, 2b sowie 2c, 2d paarweise
eingeschlossenen Stereowinkel können
jedoch auch gleich groß sein.
In 1A beträgt
der Stereowinkel α zwischen 4° und 6°. Die vorliegende Erfindung
ist jedoch nicht auf den vorstehend angegebenen Winkelbereich beschränkt. Vielmehr
ist es ausreichend, wenn der Stereowinkel ungleich Null Grad ist.
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Wie
in 1D gezeigt, sind die Abbildungsstrahlengänge 2a, 2b, 2c und 2d ausgebildet,
in der Objektebene 1 paarweise ein Abbildungsfeld F abzubilden.
Das Abbildungsfeld F gibt den Bereich eines in der Objektebene 1 angeordneten
zu untersuchenden Objektes (nicht gezeigt) an, der von den Paaren von
Abbildungsstrahlengängen 2a, 2b und 2c, 2d zu einem
Zeitpunkt (d.h. gleichzeitig) abgebildet wird. Die Größe der Abbildungsfeldes
F hängt
von der Größe der optischen
Elemente des Abbildungssystems 26 und der durch das Abbildungssystem 26 bereitgestellten
Vergrößerung ab.
In dem gezeigten Beispiel weist das Abbildungsfeld F einen Durchmesser
von zwischen 10 mm und 100 mm auf. Die vorliegende Erfindung ist
jedoch nicht auf eine bestimmte Größe des Abbildungsfeldes F beschränkt. Wesentlich
ist lediglich, dass die Paare von Abbildungsstrahlengängen 2a, 2b und 2c, 2d zur
Abbildung einer Fläche und
nicht lediglich eines Punktes in der Objektebene 1 ausgebildet
sind.
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Das
Abbildungssystem 26 wird von einem ersten optischen Teilsystem
T1 und einem zweiten optischen Teilsystem T2 gebildet, welche Teilsysteme
T1 und T2 jeweils eine Mehrzahl optischer Elemente aufweisen.
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Das
erste Teilsystem T1 weist entlang einer gemeinsamen optischen Achse
K ein erstes optisches Umlenkelement mit einer ersten optischen Spiegelfläche 3,
eine erste, zweite, dritte, vierte und fünfte optische Linse 4, 5, 6, 7 und 8,
ein zweites optisches Umlenkelement mit einer zweiten optischen Spiegelfläche 9,
ein drittes optisches Umlenkelement mit einer dritten optischen
Spiegelfläche 10,
eine sechste optische Linse 11, ein viertes optisches Umlenkelement
mit einer vierten optischen Spiegelfläche 12, eine siebte
und achte optische Linse 13 und 14 sowie Prismenteile 15', 15'' einer Strahlteileranordnung 15 auf.
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Dabei
werden die Linsen 4, 5, 6, 7, 8, 11, 13 und 14 des
ersten Teilsystems T1 von den vier Abbildungsstrahlengängen 2a, 2b, 2c und 2d gemeinsam durchsetzt.
Weiter ist zwischen der dritten und vierten optischen Linse 6, 7 eine
afokale Schnittstelle AF angeordnet, in dem die Abbildungsstrahlengänge 2a, 2b, 2c und 2d jeweils
nach Unendlich abgebildet werden. Das Vorsehen der afokalen Schnittstelle
AF ermöglicht
einen modularen Aufbau des Abbildungssystems 26. Es wird
jedoch betont, dass die afokale Schnittstelle AF zur Verwirklichung
der Erfindung nicht erforderlich ist.
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Die
Abbildungsstrahlengänge 2a, 2b, 2c und 2d werden
nacheinander an der ersten Spiegelfläche 3, der zweiten
Spiegelfläche 9,
der dritten Spiegelfläche 10 und
der vierten Spiegelfläche 12 reflektiert und
so abgelenkt. Wie besonders gut aus 1D ersichtlich,
schließen
dabei Normalenvektoren der durch die erste Spiegelfläche 3 und
die vierte Spiegelfläche 12 aufgespannten
Ebenen relativ zueinander einen variablen Winkel von zwischen 70° und 110° ein. Weiter
schließen
Normalenvektoren der durch die zweite Spiegelfläche 9 und die dritte
Spiegelfläche 10 jeweils
aufgespannten Ebenen relativ zueinander einen variablen Winkel von
zwischen 70° und
110° ein.
Dabei ist die vorliegende Erfindung jedoch nicht auf einen derartigen
Winkelbereich beschränkt.
Normelenvektoren der durch die dritte Spiegelfläche 10 und die vierte
Spiegelfläche 12 aufgespannten
Ebenen schließen
relativ zueinander einen konstanten Winkel von im wesentlichen 90° ein. Dabei
wird in dieser Anmeldung unter "im
wesentlichen 90°" eine Abweichung
von 90° um
höchstens
5° und bevorzugt
höchstens
2° und besonders
bevorzugt höchstens
1° verstanden.
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Diese
Anordnung der ersten bis vierten Spiegelfläche 3, 9, 10 und 12 wirkt
optisch insgesamt wie ein Porro-System zweiter Art. Das heißt, dass
die erste bis vierte Spiegelfläche 3, 9, 10 und 12 sowohl eine
Bildumkehr als auch eine Pupillenvertauschung bewirken. Weiter wird
durch diese Anordnung der Spiegelflächen 3, 9, 10 und 12 ein
besonders kompakter Aufbau des Abbildungssystems 26 erzielt.
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Die
erste bis fünfte
Linse 4, 5, 6, 7 und 8 sind zwischen
dem ersten Umlenkelement mit der ersten Spiegelfläche 3 und
dem zweiten Umlenkelement mit der zweiten Spiegelfläche 9 angeordnet.
Die sechste Linse 11 ist zwischen dem dritten Umlenkelement
mit der dritten Spiegelfläche 10 und
dem vierten Umlenkelement mit der vierten Spiegelfläche 12 angeordnet. Die
siebte und achte Linse 13 und 14 sind zwischen dem
vierten Umlenkelement mit der vierten Spiegelfläche 12 und der Strahlteileranordnung 15 angeordnet.
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Somit
ist der Strahlengang zwischen dem zweiten Umlenkelement mit der
zweiten Spiegelfläche 9 und
dem dritten Umlenkelement mit der dritten Spiegelfläche 10 frei
von optischen Linsen. Weiter ist die erste Spiegelfläche 3 zwischen
der Objektebene 1 und der ersten Linse 4 und damit
zwischen der Objektebene 1 und der ersten optisch wirksamen
Oberfläche
des Abbildungssystems 26 entlang der Abbildungsstrahlengänge 2a, 2b, 2c und 2d angeordnet. Dabei
wird unter einer optisch wirksamen Oberfläche eine Oberfläche mit
einem Krümmungsradius
von höchstens
104 mm und bevorzugt höchstens 5·103 mm
und besonders bevorzugt höchstens
103 mm verstanden. Somit sollen z.B. plane
Filter oder Abdeckscheiben hier nicht als optisch wirksame Oberfläche gelten.
Dabei ist die vorliegende Erfindung jedoch nicht auf eine derartige
Anordnung der ersten Spiegelfläche
beschränkt.
Somit kann alternativ die erste wirksame Oberfläche des Abbildungssystems auch zwischen
der ersten Spiegelfläche
und der Objektebene angeordnet sein (nicht gezeigt).
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Das
die erste Spiegelfläche 3 aufweisende erste
Umlenkelement ist um eine erste Schwenkachse A verschwenkbar. Hierfür ist das
erste Umlenkelement mit einem ersten Antrieb 36 verbunden.
In der gezeigten bevorzugten Ausführungsform ist der erste Antrieb 36 ein
Schrittmotor, dessen Motorachse direkt die erste Schwenkachse A
bildet, welche das die erste Spiegelfläche 9 aufweisende
erste Umlenkelement trägt.
Wie am besten aus 1D ersichtlich, führt ein
Verschwenken der ersten Spiegelfläche 3 mittels des
ersten Antriebs 37 um die erste Schwenkachse A zu einer
translatorischen Verlagerung des Abbildungsfeldes F des Abbildungssystems 26 in
der Objektebene 1 in X-Richtung.
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Auf ähnliche
Weise ist das die zweite Spiegelfläche 9 aufweisende
zweite Umlenkelement um eine zweite Schwenkachse B verschwenkbar,
welche zweite Schwenkachse B von der ersten Schwenkachse A verschieden
ist. Hierfür
ist das zweite Umlenkelement mit einem zweiten Antrieb 37 verbunden,
der in der gezeigten Ausführungsform
durch einen Schrittmotor gebildet wird, dessen Motorachse das zweite
Umlenkelement trägt
und die zweite Schwenkachse B festlegt. Wie aus 1D ersichtlich,
führt ein
Verschwenken der zweiten Spiegelfläche 9 mittels des
zweiten Antriebs 38 zu einer translatorischen Verlagerung
des Abbildungsfeldes F des Abbildungssystem 26 in der Objektebene 1 in
Y-Richtung.
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In
der ersten bevorzugten Ausführungsform schließt die erste
Schwenkachse A mit einer ersten Ablenkungsebene, die von der auf
die erste Spiegelfläche 3 einfallenden
und von der ersten Spiegelfläche 3 ausfallenden
optischen Achse K der Abbildungsstrahlengänge 2a, 2b, 2c, 2d aufgespannt
ist, einen Winkel von im wesentlichen 90° ein. Dabei wird die optische
Achse K durch die Linsen 4 bis 8, 11, 13, 14 des
ersten Teilsystems T1 festgelegt. Es ist offensichtlich, dass die
optische Achse K in der ersten Ausführungsform nicht entlang einer
einzigen Geraden verläuft,
sondern durch die Spiegelflächen 3, 9, 10, 12 abgeknickt
ist. Weiter schließt
auch die zweite Schwenkachse B mit einer zweiten Ablenkungsebene,
die von der auf die zweite Spiegelfläche 9 einfallenden
und von der zweiten Spiegelfläche 9 ausfallenden
optischen Achse K der Abbildungsstrahlengänge 2a, 2b, 2c, 2d aufgespannt
ist, einen Winkel von im wesentlichen 90° ein. Anstelle der optischen Achse
K können
hier auch Hauptstrahlen der Abbildungsstrahlengänge 2a bis 2d als
Bezug verwendet werden. Ersichtlich müssen die Hauptstrahlen der Abbildungsstrahlengänge 2a, 2b, 2c und 2d hierzu
in einer gemeinsamen Ebene liegen. Zudem ist die zweite Schwenkachse
B zu der ersten Ablenkungsebene im wesentlichen parallel angeordnet.
Dies bedeutet, dass die zweite Schwenkachse B zu der ersten Ablenkungsebene
parallel ist, oder dass die zweite Schwenkachse B die erste Ablenkungsebene schneidet
und dabei mit der ersten Ablenkungsebene einen Winkel von kleiner
5° und bevorzugt
kleiner 2° einschließt, oder
dass die zweite Schwenkachse B und die erste Ablenkungsebene zusammenfallen.
In der gezeigten ersten Ausführungsform
liegt die zweite Schwenkachse B in der ersten Ablenkungsebene. Die
vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf die vorstehende Anordnung
der Schwenkachsen beschränkt.
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Gemeinsam
bilden das erste und zweite Umlenkelement und der erste und zweite
Antrieb 36, 37 so eine Versatzeinrichtung, um
das Abbildungsfeld F des Abbildungssystems 26 durch kombiniertes
Antreiben des ersten und zweiten Antriebs 36, 37 und entsprechendes
Verschwenken der ersten und zweiten Spiegelfläche 3, 9 in
der Objektebene 1 translatorisch in eine beliebige Richtung
zu verlagern. Dabei sind der Verlagerung durch die Optik des Abbildungssystems 26 Grenzen gesetzt,
da die Abbildungsstrahlengänge 2a, 2b, 2c, 2d nicht
nach außerhalb der
von ihnen durchsetzten optischen Linsen 4, 5, 6, 7, 8 des
Abbildungssystems 26 verlagert werden dürfen.
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Der
erste und zweite Antrieb 36, 37 ist jeweils mit
einer Steuerung 28 verbunden. Der besseren Übersicht
wegen ist die Verbindungsleitung zwischen dem ersten Antrieb 36 und
der Steuerung 28 in 1A nicht
vollständig
gezeigt. Die Steuerung 28 ist mit Benutzerschnittstellen
in Form eines Joysticks 29 und eines Mikrophons 29' verbunden.
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Alternativ
können
jedoch auch beliebige andere Benutzerschnittstellen verwendet werden,
die Steuerbefehle von einem Benutzer beispielsweise in Form von
Sprache und/oder einer Augenbewegung und/oder einer Fußbewegung
und/oder einer Kopfbewegung und/oder einer Handbewegung des Benutzers
empfangen und (bevorzugt in digitaler Form oder in analoger Form)
an die Steuerung ausgeben. Dabei können die Steuerbefehle beispielsweise
einen absoluten Versatz, und/oder einen relativen Versatz und/oder
lediglich eine Richtung eines Versatzes in Verbindung mit einer
Zeitspanne angeben.
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In
Abhängigkeit
von einem über
den Joystick 29 oder das Mikrophon 29' empfangenen
Befehl eines Benutzers ermittelt die Steuereinrichtung 28 einen
gewünschten
Versatz des Abbildungsfeldes F in der Objektebene 1 und
steuert die ersten und zweiten Antriebe 36, 37 entsprechend.
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Wie
bereits betont, sind die optischen Linsen 4–8 des
ersten Teilsystems T1 entlang der gemeinsamen optischen Achse K
angeordnet. Dabei ist die erste Linse 4 relativ zu der
zweiten Linse 5 sowie die dritte Linse 6 relativ
zu der vierten Linse 7 entlang der optischen Achse K verlagerbar,
um einen Abstand der Objektebene 1 von dem Abbildungssystem 26 des
Mikroskopiesystems und damit einen Arbeitsabstand und/oder eine
Vergrößerung der
Abbildung eines in der Objektebene 1 anordenbaren Objektes
zu ändern.
Gleichzeitig ist durch geeignete Wahl der Systemdaten dieser optischen
Linsen 4, 5, 6 und 7 sichergestellt,
daß die
Abbildungsstrahlengänge 2a und 2b sowie 2c und 2d auch
nach einer Verlagerung der Linsen 4, 5, 6, 7 in
der Objektebene paarweise den von Null verschiedenen Stereowinkel α einschließen.
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Auch
das zweite Teilsystem T2 des Abbildungssystems 26 weist
eine Vielzahl von optischen Elementen 16'–22', 16''–22'', 16'''–22''' und 16''''–22'''' auf, in denen
die Abbildungsstrahlengänge 2a, 2b, 2c und 2d jedoch
anders als im ersten Teilsystem T1 jeweils getrennt geführt werden.
Dies bedeutet, daß die
optischen Linsen 16'–21', 16''–21'', 16'''–21''' und 16''''–21'''' jeweils von
je einem Abbildungsstrahlengang 2a, 2b, 2c oder 2d durchsetzt sind.
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Jeder
Abbildungsstrahlengang 2a und 2b des zweiten Teilsystems
T2 weist eine nur schematisch gezeigten stereoskopischen Einblick
aus der Tubusoptik mit den Okularen 22', 22'' für eine direkte visuelle
Beobachtung durch einen Benutzer auf.
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Jeder
Abbildungsstrahlengang 2c und 2d des zweiten Teilsystems
T2 weist einen Kameraadapter 22''' und 22'''' für eine Digitalkamera 31''' und 31'''' zur Erzeugung
von Bilddaten auf. Anstelle getrennter Kameras 31''' und 31'''' kann auch eine
Stereokamera verwendet werden. Die Kameras 31''' und 31'''' sind jeweils
mit der Steuerung 28 verbunden.
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Die
Steuerung 28 empfängt
die von den Kameras 31''', 31'''' jeweils erzeugten Bilddaten und
detektiert in den Bilddaten automatisch die Position eines Markers
(nicht gezeigt). Bei diesem Marker kann es sich beispielsweise je
nach An wendungsfall/betrachtetem Objekt um ein separates, in der
Objektebene eigens angeordnetes Element wie beispielsweise einen
charakteristisch ausgebildeten Aufkleber handeln. Alternativ kann
es sich bei dem Marker beispielsweise auch um ein in den Bilddaten
automatisch identifiziertes charakteristisches Element des Objektes
selber wie z.B. ein in den Bilddaten abgebildetes chirurgisches
Element oder ein bestimmtes Körperteil
eines Patienten handeln.
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In
der gezeigten Ausführungsform
ist die Steuerung über
den Joystick 29 und/oder das Mikrophon 29' in einen Betriebszustand
schaltbar, in dem die Steuerung einen gewünschten Versatz nicht direkt
anhand eines über
den Joystick 29 und/oder das Mikrophon 29' empfangenen
Befehls, sondern indirekt anhand der in den Bilddaten detektierten
Position des Markers ermittelt. In der Folge steuert die Steuerung 28 die
ersten und zweiten Antriebe 36, 37 in Abhängigkeit
von der detektierten Position des Markers. In dieser bevorzugten
Ausführungsform steuert
die Steuerung 28 die ersten und zweiten Antriebe 36, 37 so,
dass die detektierte Position des Markers in den Bilddaten im wesentlichen
konstant bleibt. Dies bedeutet, dass die Steuerung die erste und
zweite Spiegelfläche 3, 9 mittels
der ersten und zweiten Antriebe 36, 37 so verschwenkt,
dass ein beispielsweise in der Mitte der Bilddaten detektierter Marker
auch nach einer Verlagerung des Markers relativ zu der objektebene
in der Mitte der Bilddaten verbleibt. Dabei soll unter "im wesentlichen konstant" verstanden werden,
dass sich die relative Position des Markers in den Bilddaten um
nicht mehr als 30% eines Durchmessers des Abbildungsfeldes F und
bevorzugt um nicht mehr als 10% des Durchmessers des Abbildungsfeldes
F verändert.
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Weiter
sind jeweils drei Abstände
zwischen vier Linsen 16'–19', 16''–19'', 16'''–19''' und 16''''–19'''', die in einem
jeweiligen Abbildungsstrahlengang 2a, 2b, 2c und 2d entlang einer
gemeinsamen optischen Achse (nicht gezeigt) angeordnet sind, relativ
zueinander verlagerbar, um eine Änderung
einer Vergrößerung der
von dem zweiten Teilsystem T2 in den jeweiligen Abbildungsstrahlengängen 2a, 2b, 2c und 2d jeweils
bewirkten Abbildung zu bewirken.
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Zur
paarweisen Trennung der Abbildungsstrahlengänge 2a, 2b, 2c und 2d ist
ein physikalischer Strahlteiler 15 vorgesehen, der eine
teilweise transparente Spiegelfläche
aufweist, welche von einem ersten Paar von Abbildungsstrahlengängen 2a und 2b durchsetzt
ist und an welcher ein zweites Paar von Abbildungsstrahlengängen 2c und 2d reflektiert
ist.
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Weiter
stellt das Mikroskopiesystem gemäß der ersten
bevorzugten Ausführungsform
einen Sekundärstrahlengang 24 bereit,
welcher die dritte Spiegelfläche 10 des
dritten Umlenkelements in einem zentralen Bereich durchsetzt. Dieser
zentrale Bereich kann vorzugsweise zwischen Strahlquerschnittsflächen der
Abbildungsstrahlengänge 2a, 2b, 2c und 2d liegen.
Hierfür
weist die dritte Spiegelfläche 10 zumindest
bereichsweise eine Transparenz für
Strahlung des Sekundärstrahlengangs 24 auf,
die größer ist
als eine Transparenz für
Strahlung der Abbildungsstrahlengänge 2a, 2b, 2c, 2d.
Die Einkopplung des Sekundärstrahlenganges 24 kann
alternativ jedoch auch auf eine andere Weise erfolgen.
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In 1A wird
der Sekundärstrahlengang 24 durch
eine Beleuchtungsoptik 30 eines Beleuchtungssystems gebildet,
wobei das Beleuchtungssystem weiter eine Strahlungsquelle 23 umfaßt. Dieses Beleuchtungssystem
ist nicht Teil des Abbildungssystems 26.
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Alternativ
kann zusätzlich
oder anstelle des die Beleuchtungsoptik 30 und die Strahlungsquelle 23 umfassenden
Beleuchtungssystems auch ein Infrarot-Beobachtungssystem (nicht
gezeigt) mit einer Infrarot-Abbildungsoptik und einer Infrarot-Kamera vorgesehen
sein, wobei die Infrarot-Abbildungsoptik den
Sekundärstrahlengang 24 bereitstellt.
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Weiter
kann zusätzlich
oder anstelle des Beleuchtungssystems auch ein Laser (nicht gezeigt)
mit einem Strahlführungssystem
(nicht gezeigt), welches den Sekundärstrahlengang 24 bereitstellt,
vorgesehen sein. Ein derartiger Laser ermöglicht eine Therapie beispielsweise
zur Krebsbehandlung.
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Da
der Sekundärstrahlengang 24 nacheinander
von der zweiten Spiegelfläche 9 und
der ersten Spiegelfläche 3 reflektiert
und so abgelenkt wird, wird der Sekundärstrahlengang bei einer Verschwenkung der
zweiten Spiegelfläche 9 und
der ersten Spiegelfläche 3 zwecks
translatorischer Verschiebung des Abbildungsfeldes F in der Objektebene 1 automatisch
nachgeführt.
Das in 1A gezeigte Mikroskopiesystem
weist somit für
jede Stellung der Spiegelflächen
eine 0°-Beleuchtung für ein in
der Objektebene 1 anordenbares Objekt auf. Über weite
Bereiche überlappen
sich in 1A die optische Achse K des ersten
Teilsystems T1 und der Sekundärstrahlengang 24.
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In
der vorstehend beschriebenen ersten bevorzugten Ausführungsform
ist das erste, zweite, dritte und vierte Umlenkelement jeweils ein
optischer Spiegel. Alternativ können
die Umlenkelemente jedoch beispielsweise auch Prismen mit jeweils
wenigstens einer Spiegelfläche
sein. weiter können
das erste, zweite, dritte und vierte Umlenkelement wahlweise jeweils
mehrere Spiegelflächen
zur Ablenkung der Abbildungsstrahlengänge 2a, 2b, 2c und 2d aufweisen.
Zudem können
mehr oder weniger als zwei Paar von Abbildungsstrahlengängen vorgesehen sein.
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Das
Mikroskopiesystem gemäß der ersten bevorzugten
Ausführungsform
eignet sich besonders gut zur Verwendung als Operationsmikroskop.
Der Grund ist, dass es einem Benutzer durch Verschwenken der ersten
und zweiten Spiegelfläche 3, 9 mittels der
Steuerung 28 auf besonders einfache, schnelle, zuverlässige und
vibrationsfreie Weise möglich
ist, das Abbildungsfeld F in der Objektebene 1 zu verlagern.
Weiter kann die Steuerung 28 eine automatische Bildstabilisierung
und Bildnachführung
bewirken, indem sie die ersten und zweiten Spiegelflächen 3, 9 automatisch
in Abhängigkeit
von der detektierten Position des Markers in Bilddaten steuert.
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In
den 1B bis 1D wurde
der besseren Übersichtlichkeit
halber nur jeweils ein Abbildungsstrahlengang 2a dargestellt.
Aus dem gleichen Grund sind die Abbildungsstrahlengänge 2c und 2d in 1A nicht
vollständig
gezeigt. Zudem wurde in den 1B, 1C und 1D auf
eine Darstellung des Beleuchtungssystems und der optischen Achse
des ersten Teilsystems verzichtet. 1D zeigt
schematisch eine perspektivische Ansicht, um (im Gegensatz zu der
in 1A in eine Ebene entfalteten Anordnung) die tatsächliche
räumliche
Anordnung wesentlicher Elemente des Abbildungssystems 26 des
Mikroskopiesystems gemäß der ersten
bevorzugten Ausführungsform
zu verdeutlichen.
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Im
Folgenden wird unter Bezugnahme auf 2 eine zweite
Ausführungsform
eines Mikroskopiesystems gemäß der vorliegenden
Erfindung beschrieben. Dabei zeigt 2 schematisch
einen Strahlengang durch eine in eine Ebene entfaltete Anordnung
wesentlicher Elemente eines Abbildungssystems des Mikroskopiesystems.
Zusätzliche
Elemente des Mikroskopiesystems sind schematisch in Form von Blockdiagrammen
dargestellt. Da der Aufbau des Mikroskopiesystems gemäß der zweiten Ausführungsform
dem Aufbau des Mikrokopiesystems gemäß der vorstehend ausführlich beschriebenen
ersten Ausführungsform
in vielen Teilen entspricht, werden nur die Unterschiede zwischen
der ersten und zweiten Ausführungsform
erläutert.
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Durch
das wahlweise Verschwenken. der ersten und zweiten Spiegelfläche 3, 9 wird
eine Rotation der durch das Abbildungssystem 26 erstellten Abbildung
des in der Objektebene 1 des Mikroskopiesystems anordenbaren
Objekts und damit des Abbildungsfeldes F hervorgerufen, wenn die
erste und zweite Drehachse A, B der ersten und zweiten Spiegelfläche 3, 9 nicht
jeweils mit einer jeweiligen Ablenkungsebene, die von der auf die
jeweilige Spiegelfläche 3, 9 einfallenden
und von der jeweiligen Spiegelfläche 3, 9 ausfallenden
optischen Achse K und/oder Hauptstrahlen der Abbildungsstrahlengänge 2a bis 2d des
ersten Teilsystems T1 aufgespannt ist, einen Winkel von im wesentlichen
90° einschließen.
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Um
eine beliebige Anordnung der Drehachsen der verschwenkbaren Spiegelflächen 3, 9 zu
ermöglichen,
weist das Mikroskopiesystem gemäß der zweiten
Ausführungsform
zusätzlich
eine Kompensationseinrichtung auf, welche eine (zusätzliche)
Rotation der durch das Abbildungssystem 26 erzeugten Abbildung
des Abbildungsfeldes F bewirkt.
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Hierfür sind in
dem ersten und zweiten Abbildungsstrahlengang 2a, 2b jeweils
Kompensationseinrichtungen in Form von einstellbaren Prisma-Anordnungen 27' bzw. 27'' vorgesehen. Die einstellbaren
Prisma-Anordnungen 27' und 27'' sind mit der Steuerung 28 verbunden
und weisen jeweils wenigstens eine und bevorzugt jeweils wenigstens
zwei Spiegelflächen
auf, die zur optischen Rotation der durch das Abbildungssystem 26 bereitgestellten
Abbildung relativ zueinander verdrehbar sind. Die vorliegende Erfindung
ist jedoch nicht auf einen derartigen Aufbau der optischen Kompensationseinrichtung beschränkt.
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Die
Steuerung 28 steuert die einstellbaren Prisma-Anordnungen 27' und 27'' in Abhängigkeit von einer Steuerung
der ersten und zweiten Antriebe 36, 37 so, dass
eine durch ein Verschwenken der ersten und zweiten Spiegelfläche 3, 9 hervorgerufene Rotation
der durch das Abbildungssystem 26 bereitgestellten Abbildung
des Objektes durch eine von den einstellbaren Prisma-Anordnungen 27', 27'' bewirkten entgegengesetzten Rotation
der Abbildung aufgehoben wird.
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Weiter
weist das Mikroskopiesystem für
die Kompensation einer Rotation der durch das Abbildungssystem bereitgestellten
Abbildung des Objektes in den Abbildungsstrahlengängen 2c und 2d eine weitere
Kompensationseinrichtung in Form eines externen Grafikprozessors 27* auf.
Der Grafikprozessor 27* ist mit den Kameras 31''' und 31'''' und mit der Steuerung 28 verbunden.
Die Steuerung 28 steuert der Grafikprozessor 27* in
Abhängigkeit
von einer Steuerung der ersten und zweiten Antriebe 36, 37 so, dass
eine durch ein Verschwenken der ersten und zweiten Spiegelfläche 3, 9 hervorgerufene
Rotation der durch das Abbildungssystem 26 bereitgestellten Abbildung
des Objektes durch eine von dem Grafikprozessor 27* mittels
elektronischer Bildverarbeitung bewirkte Rotation der Abbildung
unter zusätzlicher Anpassung
der Stereobasis aufgehoben wird. Dabei berücksichtigt die Steuerung 28 sowohl
das Maß der Verschwenkung
der jeweiligen Spiegelfläche 3, 9 als auch
die Orientierung der jeweiligen Schwenkachse A, B relativ zu dem
jeweils abgelenkten Abbildungsstrahlengang 2a, 2b, 2c und 2d bzw.
der optischen Achse K des ersten Teilsystems T1. Alternativ kann die
Kompensation beispielsweise auch durch vorzugsweise gesteuerte mechanische
Drehung des Kamerapaares 31''', 31'''' erfolgen.
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Weiter
wird der Beleuchtungsstrahlengang 24' des Mikroskopiesystems gemäß der zweiten
Ausführungsform
nicht durch die verschwenkbaren ersten und zweiten Spiegelflächen 3, 9 abgelenkt.
Um den Beleuchtungsstrahlengang 24' bei einer Verlagerung des Abbildungsfeldes
F in der Objektebene 1 in Folge eines Verschwenkens der
ersten und zweiter Spiegelfläche 3, 9 dennoch
nachführen
zu können, weist
das Mikroskopiesystem einen zusätzlichen
Beleuchtungsspiegel 38 auf. Der Beleuchtungsspiegel 38 lenkt
den Beleuchtungsstrahlengang 24' ab und ist in der gezeigten Ausführungsform
mittels eines dritten Antriebs 39 in Form eines Schrittmotors
um zwei zueinander orthogonale Achsen, die beide in einer von dem
Beleuchtungsspiegel 38 aufgespannten Ebene liegen, verschwenkbar.
Dabei ist der dritte Antrieb 39 mit der Steuerung 28 verbunden.
Die Steuerung 28 steuert den dritten Antrieb 39 in
Abhängigkeit von
einer Ansteuerung der ersten und zweiten Antriebe 36, 37 so,
dass der Beleuchtungsspiegel 38 bei einem Verschwenken
der ersten und zweiten Spiegelflächen 3, 9 zwecks
Verlagerung des Abbildungsfeldes F in der Objektebene 1 so
verschwenkt wird, dass der Beleuchtungsstrahlengang 24' der Verlagerung
der Abbildungsfeldes F folgt.
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Im
Folgenden wird unter Bezugnahme auf 3 eine dritte
Ausführungsform
eines Mikroskopiesystems gemäß der vorliegenden
Erfindung beschrieben. Dabei zeigt 3 schematisch
einen Strahlengang durch wesentliche Elemente des Mikroskopiesystems,
wobei zusätzliche
Elemente des Mikroskopiesystems schematisch in Form von Blockdiagrammen
dargestellt sind.
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Auch
das Mikroskopiesystem gemäß der dritten
Ausführungsform
weise ein Abbildungssystem 26* auf, um ein in einer Objektebene 1 angeordnetes Objekt
(nicht gezeigt) abzubilden. Dabei setzt sich das Abbildungssystem 26* (wie
in der vorstehend beschriebenen ersten und zweiten Ausführungsform) aus
einem ersten Teilsystem T1* mit mehreren optischen Linsen 4*, 5* und 6*,
in denen Abbildungsstrahlengänge 2a*, 2b* gemeinsam
geführt
werden, und einem zweiten Teilsystem T2* mit mehreren optischen
Linsen 16'*–20'*, 22'*, 16''*–20''*, 22''*, in denen die Abbildungsstrahlengänge 2a*, 2b* getrennt geführt werden,
zusammen. Auch hier sind Linsen des ersten und zweiten Teilsystems
T1*, T2* zur Anpassung eines Arbeitsabstandes bzw. zur Änderung der
Abbildungsvergrößerung relativ
zueinander verlagerbar. Auf eine nähere Beschreibung dieser Elemente
wird verzichtet.
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Anders
als in den vorangegangenen Ausführungsformen
sind nur zwei Abbildungsstrahlengänge 2a*, 2b* vorgesehen,
die in der Objektebene einen Stereowinkel α einschließen und über Okulare 22'*, 22''* Augen 37'*, 37''* eines
Benutzers zugeführt werden.
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Entlang
der Abbildungsstrahlengänge 2a*, 2b* ist
zwischen dem Abbildungssystem 26* und der Objektebene 1* eine
separate Spiegelfläche 3* angeordnet,
die nicht Teil des Abbildungssystems 26* ist.
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Die
Spiegelfläche 3* ist
mit einem Antrieb 36* verbunden, der ausgebildet ist, die
Spiegelfläche 3* wahlweise
um einen Schwenkpunkt P in eine beliebige Richtung zu verschwenken.
Der Schwenkpunkt P liegt in der gezeigten Ausführungsform auf einer durch
die optischen Linsen 4*, 5* und 6* festgelegten optischen
Achse K des ersten Teilsystems T1*.
-
Weiter
weist das zweite Teilsystem T2* des in 3 gezeigten
Abbildungssystems 26* für
jeden Abbildungsstrahlengang 2a*, 2b* eine Kompensationseinrichtung 27'*, 27''* in Form einer einstellbaren Prisma-Anordnung
auf.
-
Antriebe
(nicht eigens gezeigt) der Kompensationseinrichtungen 27'*, 27''* sowie der Antrieb 3* der
Spiegelfläche 3* sind über Datenleitungen
mit einer Steuerung 28 verbunden, die ihrerseits über eine Datenleitung
mit einer Benutzerschnittstelle 29 (hier beispielhaft aber
nicht beschränkend
durch einen Joystick dargestellt) verbunden ist.
-
In
Abhängigkeit
von einem über
die Benutzerschnittstelle 29 empfangenen Befehl steuert
die Steuerung 28 den Antrieb 36* an, um ein (in 3 nicht
gezeigtes) Abbildungsfeld des Abbildungssystems 26* in
der Objektebene Z in eine beliebige Richtung zu verlagern. Gleichzeitig
steuert die Steuerung 28 die Antriebe der Kompensationseinrichtungen 27'*, 27''* automatisch so, dass die Kompensationseinrichtungen 27'*, 27''* eine durch ein Verschwenken der
Spiegelfläche 3* hervorgerufene
Bilddrehung automatisch kompensieren.
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In 4A ist
schematisch eine Seitenansicht des Aufbaus des Mikroskopiesystems
gemäß der zweiten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung gezeigt.
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Wie
ersichtlich, kann das Mikroskopiesystem weiter ein Stativ 32 umfassen,
welches ein Operationsmikroskop 33 trägt. Das Operationsmikroskop 33 umfasst
das Abbildungssystem 26, die Kompensationseinrichtung 27 und
die Versatzeinrichtung 34 mit jeweils dem in der zweiten
Ausführungsform
beschriebenen Aufbau. Über
Antriebe 32', 32'', 32''' ermöglicht das
Stativ 32 eine translatorische und rotatorische Verlagerung
des Operationsmikroskops 33 relativ zur Objektebene 1.
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Zur
Eingabe eines gewünschten
Versatzes des Abbildungsfeldes relativ zur Objektebene weist die
Steuerung 28 in 4A eine
Tastatur 29'' auf.
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In 4B ist
schematisch eine Seitenansicht eines Aufbaus eines Mikroskopiesystems
gemäß einer
vierten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung gezeigt.
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Dabei
unterscheidet sich die in 4B gezeigte
vierte Ausführungsform
von der in 4A gezeigten Ausführungsform
insbesondere dadurch, dass die Kompensationseinrichtung 27 und
die Versatzeinrichtung 34 nicht von dem Operationsmikroskop 33 umfasst
werden, sondern separate, mit dem Operationsmikroskop 33 verbindbare
Module sind. In 4B wird die Kompensationseinrichtung 27 von einem
Grafikprozessor gebildet, der ein von dem Operationsmikroskop 33 empfangendes
und in Abhängigkeit
von der Steuerung 28 gedrehtes und hinsichtlich seiner
Stereobasis korrigiertes Bild über
einen Monitor 35 ausgibt.
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Auch
wenn in den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen nur wahlweise
ein bzw. zwei verschwenkbare Spiegelflächen vorgesehen sind, um ein
Abbildungsfeld des jeweiligen Abbildungssystems in der Objektebene
zu verlagern, ist die vorliegende Erfindung hierauf nicht beschränkt. Vielmehr kann
eine beliebige Anzahl von verschwenkbaren Spiegelflächen vorgesehen
sein, um das Abbildungsfeld des Abbildungssystems in der Objektebene
zu verlagern.
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Zusammenfassend
stellt die vorliegende Erfindung ein Mikroskopiesystem bereit, welches
durch das Verschwenken wenigstens einer Spiegelfläche eine
Verschiebung eines Abbildungsfeldes eines Abbildungssystems eines
Mikroskopiesystems in einer Objektebene auf besonders einfache, zuverlässige und
vibrationsfreie Weise ermöglicht.
Hierdurch ist es mittels des erfindungsgemäßen Mikroskopiesystems auf
besonders bequeme Weise möglich,
Bewegungen (und insbesondere auch periodische Bewegungen) eines
betrachteten Objektes durch entsprechende Verlagerung des Abbildungsfeldes
auszugleichen und so ein betrachtetes Objekt in dem Abbildungsfeld
beizubehalten. Der Grund ist, dass lediglich eine Spiegelfläche verschwenkt
werden muss und somit auf eine Verlagerung des gesamten Abbildungssystems
des Mikroskopiesystems verzichtet werden kann. Die Verlagerung kann
durch eine Steuerung kontrolliert werden, welche einen gewünschten Versatz
automatisch oder anhand einer Benutzereingabe ermittelt. Zudem kann
eine durch ein Verschwenken der wenigstens einen Spiegelfläche ggf. hervorgerufene
Rotation der durch das Abbildungssystem erstellten Abbildung eines
Objektes automatisch mittels einer Kompensationsreinrichtung korrigiert
werden. Hierfür
steuert die Steuerung die Kompensationseinrichtung in Abhängigkeit
von einem Maß und
einer Richtung des Verschwenkens der wenigstens einen Spiegelfläche.
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Ein
derartiges Mikroskopiesystem eignet sich insbesondere zur Verwendung
als Operationsmikroskop.