DE102006025149A1

DE102006025149A1 - Optisches Gerät mit erhöhter Tiefenschärfe

Info

Publication number: DE102006025149A1
Application number: DE102006025149A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Dr. Sander
Original assignee: Leica Microsystems Schweiz AG
Current assignee: Leica Instruments Singapore Pte Ltd
Priority date: 2006-05-30
Filing date: 2006-05-30
Publication date: 2007-12-06
Also published as: US20070279733A1; US7586676B2

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein optisches Gerät zur Abbildung eines Objekts (16) mit einem Hauptobjektiv (2) und einer Einrichtung (120) zur Veränderung der Tiefenschärfe, wobei diese Einrichtung (120) ein Mikrospiegel-Array (5') mit individuell ansteuerbaren und in ihrer räumlichen Orientierung einstellbaren Mikrospiegeln (50) darstellt. Neben der Erhöhung der Tiefenschärfe lässt sich auch ein Varioobjektiv erzeugen. Besonders geeignet ist der Einsatz der Erfindung in einem Mikroskop mit vorhandener Umlenkung des Beobachtungsstrahlengangs.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein optisches Gerät, insbesondere auf ein Stereomikroskop, zur Abbildung eines Objekts mit einem Hauptobjektiv und einer Einrichtung zur Veränderung der Tiefenschärfe oder der wirksamen Brennweite des Hauptobjektivs des optischen Geräts.
Mikroskope weisen mindestens zwei abbildende optische Elemente auf, nämlich ein Hauptobjektiv und ein Okular. Den gleichen grundsätzlichen Aufbau besitzen im Prinzip alle optischen Beobachtungsgeräte. Die beiden optischen Elemente, Objektiv und Okular, bilden ein Gesamtsystem, das den möglichen Vergrößerungsbereich sowie die Tiefenschärfe vorgibt. Bei den meisten optischen Geräten ist die Tiefenschärfe, d.h. der Bereich, in dem ein oder mehrere auf der optischen Achse liegende Objektpunkte zur gleichen Zeit scharf abgebildet werden, sehr begrenzt. Um dem Beobachter ein umfassenderes Bild zu präsentieren, ist eine Erhöhung der Tiefenschärfe erwünscht. In vielen Anwendungsbereichen von Mikroskopen, insbesondere von Operationsmikroskopen, beispielsweise solchen der Neurochirurgie, ist ein besonders hohes Maß an Tiefenschärfe wichtig, weil der Chirurg nicht nur die Einstellebene, sondern möglichst viele Bereiche des Objekts vor und hinter der Einstellebene scharf sehen muss.
Zur Erhöhung der Tiefenschärfe ist es bekannt, die Brennweite des Linsensystems des optischen Geräts zu vergrößern und/oder die Apertur zu verkleinern. Im Anwendungsbereich von Mikroskopen scheidet die erstgenannte Möglichkeit nahezu aus, da der Brennweitenbereich begrenzt ist. Da die Tiefenschärfe mit zunehmender Mikroskopvergrößerung abnimmt, kann nur eine dünne Objektebene scharf abgebildet werden. Die zweite Möglichkeit zur Erhöhung der Tiefenschärfe mittels Verkleinerung der Apertur führt zu einer Abnahme der Bildhelligkeit sowie zu einem Verlust an Auflösung und Kontrast. Zur Erhöhung der Bildhelligkeit kann zwar die Beleuchtungsstärke erhöht werden, dies führt aber meist zu einer erhöhten thermischen Belastung des untersuchten Objekts, die sich insbesondere im Anwendungsbereich von Operationsmikroskopen (Untersuchung von lebendem Gewebe) nachteilig auswirken kann.
Bekannte Stereomikroskope der Anmelderin, wie z.B. die Modelle LEICA M651 und LEICA M690, sehen zur Erhöhung der Tiefenschärfe eine Doppel-Irisblende für die simultane Verkleinerung der Apertur beider stereoskopischer Strahlengänge vor. Dies führt jedoch zu den bereits genannten Nachteilen.
Eine weitere, allerdings technisch sehr aufwendige, Erhöhung der Tiefenschärfe ist aus der EP 0 988 572 B1 bekannt. Hier ist eine Einrichtung vorgesehen, die mit sehr hoher Geschwindigkeit die Brennweite des Systems modifiziert. Hierzu wird entweder eine Linse längs des Strahlengangs verschoben oder eine Linse mit anderen optischen Eigenschaften quer in den Strahlengang eingebracht. Getaktet zu dieser Bewegung öffnet ein Shutter den Strahlengang nur dann, wenn die Bewegung an ihrem äußersten Punkt angelangt ist. Die Geschwindigkeit dieser Bewegung muss dabei so hoch sein, dass kein sogenanntes "stereoskopisches Pumpen" oder "Pulsieren" (Bildbewegung) und zudem kein Helligkeitsflackern auftritt. Abgesehen von dem erwähnten technisch sehr hohen Aufwand ist diese Lösung allein schon aus Gewichts- und Platzgründen an einem Mikroskop wie einem Operationsmikroskop nicht praktikabel. Die schnell zu bewegenden großen Massen stehen außerdem einer hochpräzisen Justierung zur Bilderzeugung bei einem Operationsmikroskop entgegen.
Aufgabe vorliegender Erfindung ist daher, bei den genannten optischen Geräten eine Einrichtung vorzusehen, mittels derer die Tiefenschärfe variiert, insbesondere erhöht, oder allgemeiner gesagt die wirksame Brennweite des Hauptobjektivs des optischen Geräts variiert werden kann, ohne die Nachteile des bekannten Standes der Technik in Kauf nehmen zu müssen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein optisches Gerät gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
Ein erfindungsgemäßes optisches Gerät zur Abbildung eines Objekts ist mit einem Hauptobjektiv und einer Einrichtung zur Veränderung der Tiefenschärfe ausgestattet, wobei die Einrichtung zur Veränderung der Tiefenschärfe ein Mikrospiegel-Array mit individuell ansteuerbaren und in ihrer räumlichen Orientierung einstellbaren Mikrospiegeln aufweist.
Mikrospiegel-Arrays als solche sind aus dem Stand der Technik bekannt. Sie bestehen in der Regel aus einer zweidimensionalen Anordnung eizelner Spiegel, die einzeln oder geeignet kombiniert in ihrer Position einstellbar sind. Hier bei sind die Mikrospiegel mit einem feststehenden Trägerelement verbunden. Durch entsprechende Einstellung der Mikrospiegel kann bei feststehendem Trägerelement eine Strahlumlenkung realisiert werden, die folglich nur geringen Platzbedarf benötigt. Die fehlende Notwendigkeit einer Verschwenkung eines Träger- oder Umlenkelements trägt somit zu einer geringen Bauhöhe des optischen Geräts (Mikroskops) bei und erlaubt eine hochpräzise Justierung und ein nahezu erschütterungsfreies Arbeiten.
Durch das Mikrospiegel-Array wird insgesamt eine Umlenkung des durch das Hauptobjektiv des optischen Geräts geführten Beobachtungsstrahlengangs verursacht. Diese Umlenkung kann, wie nachfolgend näher erläutert, zur Verringerung der Bauhöhe des optischen Geräts ausgenutzt werden.
Da die Mikrospiegel relativ zueinander verschiedene Winkelstellungen einnehmen können, können mit einem Mikrospiegel-Array gleichzeitig zwei oder mehr unterschiedliche Ablenkwinkel realisiert werden. Durch die Verstellbarkeit der Mikrospiegel ist insbesondere eine flexible Wahl der Ablenkwinkel möglich. Beispielsweise kann die räumliche Orientierung der Mikrospiegel (und damit der Ablenkwinkel) im zeitlichen Verlauf verändert werden. Andererseits ist es möglich, zwei oder mehr Ablenkwinkel (statisch) durch entsprechende Orientierung der Mikrospiegel auf dem Mikrospiegel-Array zu realisieren, so dass aus einer Richtung auftreffende Strahlengänge in unterschiedliche Richtungen abgelenkt werden, oder, wie für vorliegende Erfindung ausgenutzt, dass aus unterschiedlichen Richtungen auftreffende Strahlengänge in dieselbe Richtung abgelenkt werden.
Auf diese Weise können nämlich außerhalb der Brennebene liegende Objektpunkte, die durch das optische Gerät nicht mehr oder nicht mehr scharf abgebildet werden würden, bei entsprechender Verstellung der Mikrospiegel durch das optische Gerät abgebildet werden.
Hierbei wird zweckmäßigerweise das Mikrospiegel-Array vom Objekt aus gesehen hinter dem Hauptobjektiv des optischen Geräts angeordnet, wobei das abzubildende Objekt wie üblich in der Brennebene des Hauptobjektivs anzuordnen ist. Das Mikrospiegel-Array wirkt somit als Umlenkelement für den vom Hauptobjektiv kommenden parallelen Beobachtungsstrahlengang. Dieser Strahlengang kann im weiteren Verlauf optischen Elementen zugeführt werden. Bei diesen optischen Elementen kann es sich um Dateneinspiegelungen, Shutter, Filter, transparente Displays, Strahlumlenksysteme oder Bildaufrichter sowie Zwischenabbildungs- und/oder Vergrößerungssystemen handeln. Ohne Beschränkung der Allgemeinheit soll zur Illustration vorliegender Erfindung, soweit nicht anders angegeben, von einem dem Mikrospiegel-Array nachgeschalteten (afokalen) Zoomsystem ausgegangen werden, das eine stufenlose Vergrößerung erlaubt. Solche Zoomsysteme werden meist bei Mikroskopen, insbesondere Stereomikroskopen, wie Operationsmikroskopen, eingesetzt.
Bei einem solchen beispielhaft geschilderten Aufbau eines optischen Geräts (Mikroskop) mit einem Hauptobjektiv, einem als Umlenkelement für den Beobachtungsstrahlengang wirkenden Mikrospiegel-Array und einem nachgeschalteten Zoomsystem wird die Tiefenschärfe wie folgt verändert oder vergrößert: Das Mikrospiegel-Array wird zweckmäßigerweise so angeordnet, dass eine 90-Grad-Umlenkung des parallelen, vom Hauptobjektiv kommenden Beobachtungsstrahlengangs in Rich tung Zoomsystem erfolgt. Hierzu können die Mikrospiegel des Mikrospiegel-Arrays planar eingestellt werden, wenn das Trägerelement in einem Winkel von 45° zum Beobachtungsstrahlengang angeordnet ist. Bei einer anderen (weniger bevorzugten) Anordnung des Trägerelements wären die Mikrospiegel im wesentlichen parallel zueinander angeordnet. Bei der bevorzugten erstgenannten Trägerelementanordnung liegen folglich alle Mikrospiegel in derselben Ebene. Betrachtet man nun einen Objektpunkt außerhalb der Fokusebene, beispielsweise zwischen Objektebene (Fokusebene) und Hauptobjektiv, so wird der von diesem Objektpunkt ausgehende Strahlengang vom Hauptobjektiv nicht ins Unendliche abgebildet, so dass nach Umlenkung des Strahlengangs am Mikrospiegel-Array bei planarer Anordnung der Mikrospiegel der Strahlengang nicht das Zoomsystem erreicht und somit für die weitere Abbildung nicht zur Verfügung steht. Im betrachteten Fall eines zwischen Fokusebene und Hauptobjektiv liegenden Objektpunkts würde dessen Beobachtungsstrahlengang divergent umgelenkt werden und am Zoomsystem vorbeilaufen. Der erfindungsgemäße Einsatz eines Mikrospiegel-Arrays erlaubt es nun, durch geeignete Orientierung von Mikrospiegeln zumindest einen Teil dieses Beobachtungsstrahlengangs in das Zoomsystem zu reflektieren, indem die betreffenden Mikrospiegel aus ihrer planaren Orientierung in eine räumlich sphärische Orientierung verkippt werden, wodurch das divergente Strahlenbündel nach Umlenkung am Mikrospiegel-Array parallel verläuft. Auf diese Weise können zwei (oder mehr) entlang der optischen Achse liegende Objektpunkte wie ein im Fokus liegender Objektpunkt scharf abgebildet werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist folglich zumindest ein Teil der Mikrospiegel des Mikrospie gel-Arrays derart einstellbar, dass ein Beobachtungsstrahlenbüschel bzw. -gang eines außerhalb der Brennebene liegenden Objektpunkts aufgrund einer im wesentlichen sphärischen räumlichen Orientierung der betreffenden Mikrospiegel in gleicher Weise abgebildet wird, wie ein in der Brennebene liegender Objektpunkt bei im wesentlichen parallel zueinander ausgerichteten Mikrospiegeln.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Mikrospiegel des Mikrospiegel-Arrays derart einstellbar sind, dass mehrere entlang der durch das Hauptobjektiv verlaufenden optischen Achse liegende Objektpunkte gleichzeitig oder zeitlich aufeinanderfolgend mittels statischer unterschiedlicher Orientierungen der Mikrospiegel bzw. mittels einer zeitlich sich ändernden Orientierung der Mikrospiegel jeweils in gleicher Weise abgebildet werden. Wie bereits angesprochen, lassen sich unterschiedliche Ablenkwinkel und damit Orientierungen der betreffenden Mikrospiegel sowohl gleichzeitig als auch zeitlich aufeinanderfolgend bei einem Mikrospiegel-Array realisieren. Somit können gleichzeitig zwei oder mehr in Richtung der optischen Achse liegende Objektpunkte durch geeignete Orientierung der betreffenden Mikrospiegel vermittels des Hauptobjektivs und des Mikrospiegel-Arrays wirksam ins Unendliche und damit vom optischen Gerät scharf abgebildet werden, wodurch die Tiefenschärfe erhöht wird.
Andererseits lässt sich bei zeitlich aufeinander folgender Änderung der Orientierung der betreffenden Mikrospiegel auch ein ganzer Bereich von entlang der optischen Achse liegenden Objektpunkten vermittels des Hauptobjektivs und des Mikrospiegel-Arrays wirksam ins Unendliche abbilden, wodurch in gleicher Weise die Tiefenschärfe erhöht wird.
Im erstgenannten Fall der gleichzeitigen Abbildung unterschiedlicher Objektpunkte auf der optischen Achse ist es sinnvoll, diese Objektpunkte so zu legen, dass die ihnen zugeordneten Tiefenschärfebereiche (wie sie von Hause aus systemimmanent vorhanden sind) angrenzend aneinander zu liegen kommen. Somit kann durch Summation von Tiefeschärfebereichen eine große Tiefenschärfe erzielt werden.
Bei der zeitlich aufeinander folgenden Abbildung eines Bereichs von auf der optischen Achse liegenden Objektpunkten ist es sinnvoll, diesen Bereich durch entsprechende Änderungen der Mikrospiegelorientierungen so schnell zu durchlaufen, dass der Beobachter (menschliches Auge oder Kamera) den Eindruck eines statischen Bildes hat. Dies ist dann der Fall, wenn die Frequenz des Durchlaufs größer/gleich der sogenannten jeweiligen Flimmerverschmelzungsfrequenz ist.
Bei dem erfindungsgemäßen optischen Gerät, ist zu beachten, dass die Einrichtung zur Veränderung der Tiefenschärfe im Ergebnis die wirksame Brennweite des Hauptobjektivs verändert. Aufgrund dieser sich ergebenden Variation der wirksamen Brennweite des Hauptobjektivs (Erfindung realisiert somit ein Vario-Objektiv), kommt es bei einem Mikroskop zu einer Veränderung der Mikroskopvergrößerung und damit zu einem Pulsieren des Bildes und einer Verzerrung des stereoskopischen Eindrucks. Der abzubildende Bereich von Objektpunkten sollte folglich entsprechend gewählt werden, dass sich diese negativen Effekte nicht zu stark auswirken. Weiterhin kann in einer vorteilhaften Ausgestaltung versucht werden, diesen Effekten dadurch entgegenzusteuern, dass die sich ergebenden Veränderungen der Mikroskopvergrößerung durch eine gegenläufige Veränderung der Zoomvergrößerung eines nachgeschalteten Zoomsystems weitgehend kompensiert wird. Hierzu ist eine schnelle Ansteuerung des Zoomsystems mit geringen Reaktionszeiten notwendig.
Wie bereits verschiedentlich bemerkt, ist es vorteilhaft, wenn es sich bei dem optischen Gerät um ein Mikroskop, insbesondere Stereomikroskop, insbesondere Operationsmikroskop, handelt.
Die erfindungsgemäße als Mikrospiegel-Array ausgestaltete Einrichtung zur Veränderung der Tiefenschärfe lässt sich, wie bereits ausgeführt, auch zur Realisierung eines Vario-Objektivs verwenden. Durch eine entsprechende sphärische Orientierung der Mikrospiegel des Mikrospiegel-Arrays lässt sich die Brennweite des Hauptobjektivs wirksam ändern, ohne Änderungen am Hauptobjektiv selbst vornehmen zu müssen.
Die schnelle, verzögerungsfreie und erschütterungsarme Verstellbarkeit der Mikrospiegel eines Mikrospiegel-Arrays ermöglicht, insbesondere bei hochpräzisen Geräten, wie Operationsmikroskopen, eine Objektuntersuchung mit erhöhter Tiefenschärfe bzw. mit veränderlicher Brennweite des Hauptobjektivs in anwenderfreundlicher Weise.
Im folgenden soll die Erfindung anhand eines in der Zeichnung illustrierten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.
Die Illustration der Erfindung am Beispiel eines Mikroskops hat keinen einschränkenden Charakter. Die dargestellten Merkmale der Erfindung sind nicht nur in der hier dargelegten Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung realisierbar.
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines aus dem Stand der Technik bekannten Mikroskopaufbaus,
2 eine Detailansicht von Elementen des Mikroskops aus 1,
3 die Detailansicht aus 2 mit einer erfindungsgemäßen Einrichtung zur Veränderung der Tiefenschärfe bzw. der wirksamen Brennweite des Hauptobjektivs und
4 die schematische Ansicht eines Mikrospiegel-Arrays in Draufsicht (4A) und in einer Schnittansicht (4B).
1 zeigt eine Ausführungsform eines Stereomikroskops gemäß DE 102 55 960 A1 , die im folgenden kurz erläutert werden soll. Ein schematisch dargestellter Mikroskopkörper eines Stereomikroskops ist insgesamt mit 1 bezeichnet. Die stereoskopischen Achsen liegen bei der Darstellung gemäß 1 hintereinander, so dass nur eine Achse zu sehen ist. Bei dem dargestellten Stereomikroskop handelt es sich insbesondere um ein ophthalmologisches Mikroskop, mit dem ein Objekt 16 beobachtet und untersucht werden soll. Das Stereomikroskop weist als wesentliche optische Komponenten ein Hauptobjektiv 2, ein Zoomsystem 7 sowie ein (nicht dargestelltes) Okularsystem auf.
Zwischen dem Hauptobjektiv 2 und dem Zoomsystem 7 ist ein erstes Umlenkelement 5 vorgesehen. Hinter dem Zoomsystem 7 sind weitere Umlenkelemente 6a, 6b, 6c, 6d, 6e, 9 und 10 sowie optische Zusatzkomponenten 8a bis 8c vorgesehen, deren Funktion weiter unten erläutert wird.
Mit 3 ist eine Beleuchtungseinheit bezeichnet, welche mittels eines Faserkabels 4 bereitgestelltes Licht über ein Umlenkelement 3a auf das zu beobachtende Objekt 16 richtet. Die Hauptachse der Beleuchtungseinrichtung 3 ist mit 12 bezeichnet. Im dargestellten Fall läuft der Beleuchtungsstrahlengang durch das Hauptobjektiv 2. Es ist jedoch auch eine Anordnung denkbar, bei der die Beleuchtung am Hauptobjektiv 2 vorbeigeführt wird.
Das Zoomsystem 7 des Stereomikroskops weist in der Regel zwei Hauptbeobachtungskanäle und im vorliegenden Fall zusätzlich zwei Assistentenbeobachtungskanäle auf.
Das Hauptobjektiv 2 wird im wesentlichen in vertikaler Richtung von zwei Haupt-Beobachtungsstrahlenbüscheln 20a, 20b (in der Zeichnung hintereinander gelegen) sowie von zwei Assistenten-Beobachtungsstrahlenbüscheln 20c, 20d durchsetzt, welche nach entsprechender (rechtwinkliger) Umlenkung durch das Umlenkelement 5 in die im wesentlichen horizontal verlaufenden Haupt- bzw. Assistenten-Beobachtungskanäle des Zoomsystems 7 eintreten. Nach ihrem Austritt aus dem Zoomsystem 7 erfolgt eine weitere Umlenkung der Beobachtungsstrahlenbüschel 20a bis 20d an dem weiteren Umlenkelement 6a.
Mittels dieses Umlenkelements 6a werden die Beobachtungsstrahlungsbüschel 20a bis 20d im wesentlichen wieder in die Vertikale gelenkt, woraufhin sie auf ein weiteres Umlenkelement 6b treffen, mittels dessen eine erneute Umlenkung in die Horizontale erfolgt, woraufhin es wiederum zu einer Umlenkung am Umlenkelement 9 kommt. Es sei an dieser Stelle angemerkt, dass die Umlenkelemente 6a und/oder 6b als optische Strahlenteiler ausgebildet sein können, wodurch die mit 15 bzw. 18 bezeichneten Beobachtungsachsen für Assistenten-Beobachter 22 definierbar sind. Zur Erzeugung der Beobachtungsachse 18 wird hierbei ein weiteres Umlenkelement 6c eingesetzt. Eine solche Ausgestaltung einer Assistenten-Beobachtung ist rein optional.
Die für die Beobachtung notwendigen Binokulartuben und -okulare für die Haupt- 21 und die Assistentenbeobachter 22 sind der Übersichtlichkeit halber in 1 nicht eingezeichnet.
Das Umlenkelement 9 ist derart ausgebildet, dass es lediglich die Strahlenbüschel 20c, 20d umlenkt, während die Strahlenbüschel 20a, 20b das Umlenkelement 9 ohne Umlenkung passieren und auf das weitere Umlenkelement 6d treffen. Durch den Einsatz eines derartigen Umlenkelements ist eine räumliche Trennung der Haupt-Beobachtungsstrahlenbüschel 20a, 20b von den Assistenten-Beobachtungsstrahlenbüschel 20c, 20d in einfacher Weise ohne ein Verlust von Lichtintensität realisiert. Die Haupt-Beobachtungsstrahlenbüschel 20a, 20b definieren die Beobachtungsachse 17 bzw. nach weiterer Umlenkung am Umlenkelement 6e die Beobachtungsachse 14.
Bei den optischen Komponenten 8a, 8b und 8c handelt es sich um Zusatzkomponenten, die wahlweise eingesetzt werden können, wie Filter, Laser-Shutter, optische Teiler, Dateneinspiegelungen, Blenden, Displays und ähnliches.
Die Schilderung des Aufbaus des in 1 dargestellten Mikroskopkörpers 1 eines Stereomikroskops erfolgt nur exemplarisch. Für vorliegende Erfindung sind im wesentlichen die Elemente Hauptobjektiv 2, Umlenkspiegel 5 und Zoomsystem 7 von Bedeutung.
Bezüglich weiterer Ausgestaltungen sowie der Funktion und des Zusammenwirkens der in 1 dargestellten Komponenten sei im übrigen explizit auf die genannten DE 102 55 960 A1 verwiesen.
Die für das Verständnis der Erfindung am vorliegenden Beispiels eines als Stereomikroskop ausgebildeten optischen Geräts gemäß 1 sind wesentliche Elements in 2 nochmals im Detail dargestellt. Hierbei bezeichnet 16 wiederum das Objekt, 11 die Symmetrieachse des Hauptobjektivs bzw. die durch das Hauptobjektiv verlaufende optische Achse, 2 das Hauptobjektiv, 5 das hinter dem Hauptobjektiv 2 angeordnete Umlenkelement und 7 das Zoomsystem. Mit 20d und 20c sollen hier zwei Beobachtungsstrahlenbüschel bezeichnet sein, die zur stereoskopischen Beobachtung des Objekts 16 verwendet werden. Diese Beobachtungsstrahlenbüschel stellten in 1 Assistenten-Beobachtungsstrahlenbüschel dar, die vorliegende 2 nimmt jedoch allgemein Bezug auf Beobachtungsstrahlenbüschel als solche. Zur Illustration der Erfindung sind die in der 2 dargestellten Beobachtungsstrahlenbüschel 20d und 20c jedoch besonders geeignet, da sie beide in der Zeichenebene liegen. Der Fachmann kann die vorliegende Erfindung auch auf den Fall übertragen, in dem solche Beobachtungsstrahlenbüschel in einer Ebene senkrecht zur Zeichenebene oder in einer sonstigen Ebene angeordnet sind.
Wie aus 2 ersichtlich, werden die Beobachtungsstrahlenbüschel 20d und 20c mittels des Hauptobjektivs 2 ins Unendliche abgebildet und anschließend durch das Umlenkelement 5 im wesentlichen senkrecht zur Achse 11 in das Zoomsystem 7 umgelenkt. Andere auf der Achse 11 liegende Objektpunkte, die außerhalb der durch das Objekt 16 verlaufenden Brennebene des Hauptobjektivs 2 liegen, werden durch das Hauptobjektiv nicht nach Unendlich abgebildet und können nach Umlenkung durch das Umlenkelement 5 nicht in die stereoskopischen Kanäle des Zoomsystems 7 treten. Hierzu sei auf die Darstellung in 3 verwiesen.
Wie in 3 dargestellt, verlaufen die vom Objektpunkt 16' ausgehenden Beobachtungsstrahlenbüschel 20d' und 20c' hinter dem Hauptobjektiv 2 des Stereomikroskops nicht parallel, sondern divergent, wie anhand der gestrichelt eingezeichneten Linien 20d' und 20c' nach Umlenkung am Umlenkelement 5' ersichtlich. Diese divergenten Strahlen können somit die Kanäle des Zoomsystems 7 nicht erreichen bzw. nicht durch sie hindurchtreten, so dass eine Abbildung des Objektpunktes 16' nicht stattfinden kann.
Es sei an dieser Stelle angemerkt, dass das in 3 dargestellte optische System (wie andere optische Geräte auch) eine Tiefenschärfe aufweist, die von den optischen Komponenten des System abhängt. Wie bereits eingangs geschildert, lässt sich diese Tiefenschärfe durch Veränderung der Brennweite und/oder der Apertur beeinflussen. Für die folgenden Erläuterungen sei ohne Beschränkung der Allgemeinheit angenommen, dass der Objektpunkt 16' außerhalb des dem dargestellten System immanenten Bereichs der Tiefenschärfe liegt.
Wenn, wie in 3 dargestellt, eine Objektebene 16' ebenfalls scharf abgebildet werden soll, muss die optische Brechkraft des Systems 2,7 derart verändert werden, dass, wie dargestellt, die Strahlen 20d' und 20c' ebenso wie die Strahlen 20d, 20c in das Zoomsystem 7 gelangen. Hierzu wird die Brechkraft des Systems verändert. Dies geschieht erfindungsgemäß durch eine Einrichtung 120 zur Veränderung der Tiefenschärfe und/oder zur Änderung der wirksamen Brennweite des Hauptobjektivs 2. Diese erfindungsgemäße Einrichtung 120 stellt im wesentlichen ein Mikrospiegel-Array 5' mit individuell ansteuerbaren und in ihrer räumlichen Orientierung einstellbaren Mikrospiegeln 50 dar (vgl. 4). Dieses Mikrospiegel-Array 5' wird durch eine Steuereinheit 100 und eine Bedieneinheit 110 versorgt, die lediglich schematisch dargestellt sind. Einzelheiten zur Ansteuerung eines Mikrospiegel-Arrays sind aus dem Stand der Technik bekannt und sollen daher im folgenden nicht im einzelnen wiedergegeben werden. Mittels der Steuereinheit 100 können die einzelnen Mikrospiegel 50 des Mikrospiegel-Arrays 5' in ihrer räumlichen Orientierung individuell, oder geeignet miteinander kombiniert, eingestellt werden. Somit kann die Reflektionsrichtung jedes einzelnen Mikrospiegels 50 eingestellt werden. Ein Mikrospiegel-Array 5' ist schematisch in 4 dargestellt.
In den in 3 schraffiert bezeichneten Teilbereichen des Mikrospiegels 5' kann durch entsprechende räumliche Orientierung der betreffenden Mikrospiegel eine veränderte Reflektion der Strahlen 20d' und 20c' derart erreicht werden, dass diese wie die Strahlen 20c und 20d in das Zoomsystem 7 gelenkt werden. Hierzu ist insgesamt eine entsprechende sphärische räumliche Orientierung der betreffenden Mikrospiegel in den schraffiert dargestellten Teilbereichen des Mikrospiegel-Arrays 5' nach Art eines Hohlspiegels notwendig. Erhalten die betreffenden Mikrospiegel in den schraffierten Bereichen die hierzu notwendige sphärische Orientierung, so wird zwar der Objektpunkt 16' durch das System scharf abgebildet, eine Abbildung des Objekts 16 könnte jedoch nicht mehr stattfinden. In diesem Fall hätte die erfindungsgemäße Einrichtung 120 die Funktion einer Veränderung der wirksamen Brennweite des Hauptobjektivs 2, wäre also zur Realisation eines Vario-Objektivs (mit einem Hauptobjektiv 2 fester Brennweite!) geeignet.
Soll hingegen die Tiefenschärfe des Systems derart erhöht werden, dass die Objekte 16 und 16' durch das in 3 (im Ausschnitt) dargestellte optische Gerät scharf abgebildet werden, so ist der genannte Vorgang der Veränderung der Orientierung der Mikrospiegel in den schraffierten Teilbereichen des Mikrospiegel-Arrays 5' entweder gleichzeitig oder in (möglichst schneller) zeitlicher Abfolge vorzunehmen.
Bezüglich der ersten Alternative kann innerhalb der schraffierten Teilbereiche des Mikrospiegel-Arrays 5' ein Teil der Mikrospiegel planar ausgerichtet bleiben (vgl. 2), ein anderer Teil der Mikrospiegel, wie erwähnt, die genannte sphärische Orientierung einnehmen, so dass die Punkte 16 und 16' gleichzeitig scharf abgebildet bzw. die zugehörigen Beobachtungsstrahlenbüschel 20d, 20c und 20d', 20c' gemeinsam in das Zoomsystem 7 eintreten. Das Mikrospiegel-Array 5' hätte dann, zumindest in den schraffierten Teilbereichen, planare, also rein reflektierende Komponenten sowie sphärisch veränderte Bereiche. Diese Bereiche können nebeneinander liegen oder sich überlappen.
Um zwischen den dargestellten Objektpunkten 16 und 16' liegende Objektpunkte mit dem genannten System scharf abbilden zu können, könnte daran gedacht werden, in den schraffierten Teilbereichen des Mikrospiegel-Arrays 5' zusätzlich weitere sphärische Orientierungen einzubringen. Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Orientierungen der Mikrospiegel zeitlich derart zu verändern, dass diese, ausgehend von der planaren Anordnung (zur Abbildung des Objektpunkts 16), die entsprechenden sphärischen Orientierungen bis hin zu derjenigen sphärischen Orientierung, die notwendig ist, um den Objektpunkt 16' abzubilden, durchlaufen. Auf diese Weise werden die zwischen den Objektpunkten 16 und 16' liegenden Objektpunkte scharf abgebildet. Dieses Vorgehen lässt sich zyklisch gestalten. Ist die Frequenz dieses Zyklus größer oder gleich der Flimmerverschmelzungsfrequenz, so wird die zeitliche Abfolge nicht mehr wahrgenommen, sondern die Abbildung als statisch empfunden. Die Flimmerverschmelzungsfrequenz ist für das menschliche Auge definiert und hängt im wesentlichen von der Umgebungshelligkeit ab. In analoger Weise lassen sich auch für nachgeschaltete Bilddetektoren, wie Kameras, entsprechende Flimmerverschmelzungsfrequenzen definieren.
Bei dieser vorteilhaften Ausgestaltung kann der gesamte Objektpunktbereich zwischen 16 und 16' scharf abgebildet und somit die Tiefenschärfe im Vergleich zu herkömmlichen optischen Geräten drastisch erhöht werden. Für den Beobachter ergibt sich ein statisches Bild entsprechend hoher Tiefenschärfe. Da nur sehr kleine Mikrospiegel in ihrer räumlichen Orientierung verändert werden müssen, kann nahezu erschütterungsfrei gearbeitet werden. Weiterhin ist eine sehr schnelle Ansteuerung dieser Mikrospiegel durch die Steuereinheit 100 möglich. Der optisch relevante Platzbedarf der erfindungsgemäßen Einrichtung beschränkt sich weiterhin auf das Volumen des Mikrospiegel-Arrays 5'. Zusätzliche optische Bauelemente oder mechanisch zu verschiebende Teile sind nicht nötig.
Erfindungsgemäß wird die wirksame Brennweite des Hauptobjektivs 2 durch die Änderung der Brechkraft des Systems geändert, obwohl ein Hauptobjektiv 2 fester Brennweite eingesetzt werden kann. Hiermit verbunden ist eine sich ändernde Gesamtvergrößerung des Mikroskops. Der Bereich zwischen den Objektpunkten 16 und 16' wird daher praktischerweise derart bemessen, dass die der Änderung der Brennweite entsprechende Vergrößerungsdifferenz keinen visuellen Fehleindruck bewirkt, d.h. keine Verzerrung des stereoskopischen Eindrucks oder ein Pulsieren des Bildes hervorruft.
In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann der genannten hervorgerufenen Schwankung der Mikroskopvergrößerung und damit einer Verzerrung des stereoskopischen Eindrucks bzw. einem Pulsieren des Bildes auch aktiv entgegengewirkt werden, indem das Zoomsystem 7 derart angesteuert wird, dass dieses eine gegenläufige Veränderung der Zoomvergrößerung erzeugt, so dass insgesamt beide Effekte im wesentlichen kompensiert werden. Eine Erhöhung der Mikroskopvergrößerung wird somit durch eine verringerte Zoomvergrößerung und umgekehrt eine sich verringernde Mikroskopvergrößerung durch eine sich erhöhende Zoomvergrößerung kompensiert. In diesem Fall kann der Bereich zwischen Objektpunkten 16 und 16' nochmals vergrößert werden.
Zum Aufbau eines Mikrospiegel-Arrays 5' sei auf 4 verwiesen. 4A zeigt ein solches Mirospiegel-Array 5' in einer Draufsicht mit einer Vielzahl von in einer Matrix angeordneten Mikrospiegel 50. In Reihe angeordnet sind die Mikrospiegel 50_1,1 , 50_1,2 , ..., 50_1,n . In der zweiten Reihe sind die Mikrospiegel 50_2,1 , ..., 50_2,n angeordnet und so fort, bis in der letzten Reihe die Mikrospiegel 50_m,1 , 50_m,2 , ..., 50_m,n angeordnet sind. Jeder dieser Mikrospiegel 50 läßt sich individuell oder in geeigneter Kombination mit anderen Mikrospiegeln 50 ansteuern und in seiner Raumrichtung einstellen. Die 4B zeigt einen Schnitt entlang der Linie A-A aus 4A. 4B verdeutlicht die räumliche Orientierung der Mikrospiegel 50, wobei hierbei eine insgesamt im wesentlichen sphärische räumliche Ausrichtung der Mikrospiegel 50 dargestellt ist. Die Vorgehensweise der Ansteuerung der Mikrospiegel 50 eines Mikrospiegel-Arrays 5' soll vorliegend nicht näher erläutert werden, da Mikrospiegel-Arrays prinzipiell aus dem Stand der Technik bekannt sind.
Die vorliegende Erfindung eignet sich zur Erhöhung der Tiefenschärfe eines optischen Geräts, ohne dass Abbildungseigenschaften der wesentlichen Komponenten verändert werden müssten. Die Erfindung benötigt keine Stellmotore und Getriebe sowie deren Ansteuerungen. Es ist lediglich ein Mikrospiegel-Array vonnöten, das häufig bereits vorhandene Umlenkelemente (vgl. Umlenkelement 5 in 1) ersetzen kann. Neben der Erhöhung der Tiefenschärfe läßt sich auch ein Varioobjektiv erzeugen.

1: Mikroskopkörper
2: Hauptobjektiv
3: Beleuchtungseinheit
3a: Umlenkelement
4: Faserkabel
5: Umlenkelement
5': Mikrospiegel-Array
6a, 6b, 6c, 6d, 6e: Umlenkelemente
7: Zoomsystem
8a, b, c: optische Zusatzkomponenten
9: Umlenkelement für Assistentenstrahlengang
10: Umlenkelement für Verschwenkung des Assistentenstrahlengangs
11: Symmetrieachse des Hauptobjektivs, optische Achse
12: Achse der Beleuchtungseinrichtung
13: Drehachse Umlenkelement 10
14: Beobachtungsachse
15: Beobachtungsachse
16: Objekt
17: Beobachtungsachse
18: Beobachtungsachse
20a, 20b: Haupt-Beobachtungsbüschel
20c, 20d: (Assistenten-)Beobachtungsbüschel
21: Haupt-Beobachter
22: Assistenten-Beobachter
23: Assistenten-Beobachtungsachse
27: Mittelachse Zoomsystem
31: Achse
50: Mikrospiegel
100: Steuereinheit
110: Bedieneinheit
120: Einrichtung zur Veränderung der
: Tiefenschärfe

Claims

Optisches Gerät zur Abbildung eines Objekts (16) mit einem Hauptobjektiv (2) und einer Einrichtung (120) zur Veränderung der Tiefenschärfe, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (120) zur Veränderung der Tiefenschärfe ein Mikrospiegel-Array (5') mit individuell ansteuerbaren und in ihrer räumlichen Orientierung einstellbaren Mikrospiegeln (50) aufweist.
Optisches Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Mikrospiegel-Array (5') vom Objekt (16) aus betrachtet hinter dem Hauptobjektiv (2) angeordnet ist.
Optisches Gerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Mikrospiegel (50) des Mikrospiegel-Arrays (5') derart einstellbar sind, dass ein Beobachtungsstrahlenbüschel (20d', 20c') eines außerhalb der objektseitigen Brennebene des Hauptobjektivs (2) liegenden Objektpunkts (16') mittels einer im wesentlichen sphärischen räumlichen Orientierung der betreffenden Mikrospiegel (50) im wesentlichen in gleicher Weise abgebildet wird, wie ein in der Brennebene des Hauptobjektivs (2) liegender Objektpunkt (16) bei im wesentlichen parallel zueinander ausgerichteten Mikrospiegeln (50).
Optisches Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrospiegel (50) des Mikrospiegel-Arrays (5') derart einstellbar sind, dass ein oder mehrere entlang der durch das Hauptobjektiv (2) verlaufenden optischen Achse (11) liegende Objektpunkte (16, 16') gleichzeitig oder zeitlich aufeinanderfolgend mittels statischer unterschiedlicher Orientierungen bzw. mittels einer zeitlich sich ändernden Orientierung der betreffenden Mikrospiegel (50) jeweils in gleicher Weise abgebildet werden.
Optisches Gerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrospiegel (50) des Mikrospiegel-Arrays (5') derart einstellbar sind, dass eine zeitlich sich ändernde Orientierung der Mikrospiegel (50) periodisch mit einer Frequenz durchlaufen wird, die größer oder gleich der jeweiligen Flimmerverschmelzungsfrequenz ist.
Optisches Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, das als Mikroskop, insbesondere als Stereomikroskop ausgebildet ist, wobei dem Mikrospiegel-Array (5') ein Zoomsystem (7) nachgeschaltet ist.
Optisches Gerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Zoomsystem (7) derart ansteuerbar ist, dass eine durch eine Veränderung der Orientierung der Mikrospiegel (50) des Mikrospiegel-Arrays (5') hervorgerufene Veränderung der Mikroskopvergrößerung mittels einer gegenläufigen Veränderung der Zoomvergrößerung im wesentlichen kompensiert wird.
Verwendung eines optischen Geräts mit einem Hauptobjektiv (2) fester Brennweite nach einem der Ansprüche 1 bis 7, zur Abbildung von Objekten (16, 16') unter Veränderung der wirksamen Brennweite des Hauptobjektivs (2).