DE102007049651B4 - Anordnung zur Videomikroskopie von Objekten - Google Patents

Abstract

Anordnung (10) zur Videomikroskopie von Objekten (1) mit positionsveränderlichen Oberflächen von Organ- und Gefäßstrukturen, umfassend – ein Abbildungs-Linsensystem (2) mit einer Brennweite (f1) zur Abbildung eines Objekts (1) mit einer Objektgröße (G) und – ein zweites Linsensystem (3) mit einer variablen Brennweite (f2), das nach dem Abbildungs-Linsensystem (2) platziert ist und zur Erzeugung eines eine Bildgröße (B) aufweisenden Bildes des Objektes (1) mit der Objektgröße (G) auf einer Aufnahmefläche (5) einer Video-CCD-Kamera (6) vorgesehen ist, die mit einer Steuereinrichtung (8) in Verbindung steht, und das durch seine Lage im hinteren Brennpunkt (F'1) des Abbildungs-Linsensystems (2) ein konstantes Abbildungsverhältnis (m) als Quotient aus der Bildgröße (B) und der Objektgröße (G) mit m = B/G ermöglicht, – ein drittes Linsensystem (4), das mit dem zweiten Linsensystem (3) zur Erzeugung des Bildes mit der Bildgröße (B) auf der Aufnahmefläche (5) der Video-CCD-Kamera (6) zwischen der Aufnahmefläche (5) dient und das zwischen der Aufnahmefläche (5) und dem zweiten brennweitenvariablen Linsensystem (3) angeordnet ist, wobei das zweite brennweitenvariable Linsensystem (3) und das Abbildungs-Linsensystem (2) ein fokussierbares telezentrisches Abbildungssystem (7) für veränderbare, voneinander um eine Distanz (D) lageverschobene Positionen (P1, P2) des Objektes (1) mit der Objektgröße (G) bilden, und das zweite Linsensystem (3) auf die Positionen (P1, P2) des Objektes (1) der positionsveränderten Oberflächen unter Beibehaltung eines konstanten Abbildungsverhältnisses (m) bei variierbarer Brennweite (f2) eingestellt wird, wobei die Einstellung der Brennweite (f2) des zweiten Linsensystems (3) von der Steuereinrichtung (8) ausgeht, die mit einer Einrichtung (9) zur Bestimmung der Distanz (D) in Verbindung steht und eine zur Distanz (D) korrespondierende Steuergröße (U) an das zweite brennweitenvariable Linsensystem (3) anlegt, wobei in die Einrichtung (9) zur Bestimmung der Distanz (D) eine Aufofokus-Anordnung oder ein Triangulationssensorensystem integriert ist.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Videomikroskopie von Objekten.
• Mikroskopische Verfahren und Vorrichtungen zur Visualisierung von Organoberflächen, insbesondere am bewegten Herzen sind in der Druckschrift: Popp, Stehr, Spiegel, Deußen und Koch: Videofluorescence Microscopy System for Observation of Surface Coronary Vessels in the Isolated Rat Heart, Biomedizinische Technik 49, S. 164–165, 2004, beschrieben, wobei ein Auflichtmikroskop mit einer Quecksilberdampflampe, ein 10×Objektiv und ein Filterblock für die Fluoreszenzmikroskopie eingesetzt werden, um eine mikroskopische Aufnahme vorzunehmen.
• Dabei erfolgen eine Bewegung des auf unendlich eingestellten Mikroskopobjektivs mittels einer Piezoverstelleinheit und eine Abbildung mittels einer Tubuslinse auf eine Kamera.
• Die Piezoverstelleinheit ist zwischen dem Mikroskoptubus und dem Objektiv für die automatische Fokussierung während der Aufnahme eingebracht. Mit ihr kann eine Verstellung des Objektivs über eine größere Distanz entlang der optischen Achse durchgeführt werden. Das Stellsignal für die Piezoverstelleinheit wird von einem Regelalgorithmus erzeugt, der das Signal einer mitbewegten Lichtschranke im Arbeitsabstand des Objektivs auswertet. Die Lichtschranke besteht aus zwei mit einer LED beleuchteten, voneinander beabstandeten Siliziumdetektoren. Die gemessene Beleuchtungsintensität des unteren Detektors ist eine Funktion der Abweichung der Organoberfläche aus der Fokuslage. Der obere Detektor dient als Referenz und hat die Funktion eines Schalters, der die Regelung abschaltet, wenn die Herzoberfläche sich so weit in Richtung des Objektivs bewegt, dass eine Ausregelung nicht mehr möglich ist. Die Bildaufnahme erfolgt mit einer Video-CCD-Kamera.
• Ein Problem besteht darin, dass die schnelle Bewegung des Objektivs hohe Kräfte erfordert und somit zu Schwingungen der gesamten Vorrichtung führt. Außerdem ist der Energieaufwand zur Verstellung des Objektivs mittels der elektrisch angetriebenen Piezoverstelleinheit relativ groß.
• Die Darstellung von Organen hat zu neuer Einsicht in deren Funktion geführt. Die Darstellung von Herz und Lunge weist aber das zusätzliche Problem auf, dass durch die natürliche Bewegung der Organe eine scharfe Darstellung häufig nicht möglich ist.
• Linsen mit variabler Brennweite sind in den Druckschriften EP 1 478 951 B1 und EP 1 674 892 A1 beschrieben.
• Ein Problem der darin beschriebenen Linsen besteht darin, dass sich bei Fokussierung der Abbildungsmaßstab ändert und eine Vermessung von Objekten deshalb schwierig ist.
• Abhilfe soll mit telezentrischen Abbildungsanordnungen, die z. B. in der Druckschrift Max Born: Principles of Optics, 7th Edition, S. 200, ISBN 0521642221 beschrieben sind, geschaffen werden.
• Aber ein Problem der dort beschriebenen Anordnungen besteht darin, dass sie nur durch mechanische Bewegung mit den oben beschriebenen Problemen durch Schwingungen und Energieaufwand fokussierbar sind.
• Eine Linsenanordnung mit variabler Brennweite und konstanter Vergrößerung ist in der Druckschrift EP 1 837 689 A1 beschrieben. Die Linsenanordnung umfasst
• – ein erstes optisches Element mit einer ersten Brennweite und
• – ein zweites optisches Element mit einer zweiten variablen Brennweite,
wobei das zweite optische Element in einer festen Distanz etwa der ersten Brennweite entsprechend weg vom ersten optischen Element.
• Mit dieser Linsenanordnung kann ein Abbildungssystem entstehen, das es ermöglicht, auf ein Objekt mit verschiedenen Abständen und bei einer konstanten Vergrößerung mit nichtbewegbaren Teilen zu fokussieren.
• Es ist eine Steuereinheit zur Einstellung der variablen Brennweite vorhanden, die mit einem Computersystem zur Anzeige der Objekte in Verbindung steht, wobei das Computersystem mit einer Kamera verbunden ist, die das Bild des Objektes aufnimmt und an das Computersystem weiterleitet.
• Ein Problem besteht darin, dass in der Linsenanordnung zumindest sowohl ein optisches Teilsystem, mit dem auftretende Abbildungsfehler – Farbfehler, Bildfeldkrümmung u. a. – verringert werden können, als auch ein Regelmechanismus, mit dem sich schnell ändernde Reliefs auf der Oberfläche als auch die eigenständige Bewegung der Oberflächen ständig verfolgt werden kann, fehlen.
• Ein ohne bewegbare Teile ausgebildetes Zoom-Linsensystem für eine Kamera ist in der Druckschrift US 6 898 021 B1 beschrieben, wobei das Zoom-Linsensystem besteht aus:
• – einer ersten Linse mit nematischen Flüssigkristallen, das angepasst ist, um einen variablen Brechungsindex einzustellen, und
• – einer zweiten Linse und einer dritten Linse,
wobei die erste Linse, die zweite Linse und die dritte Linse an festen Positionen angeordnet sind, um eine Brennweite für das Zoom-Linsensystem bereitzustellen, deren Brennweite variabel ist, die auf der Veränderlichkeit des Brechungsindex der ersten Linse beruht.
• Die erste Linse ist eine brennweitenveränderliche Feldlinse, die zweite Linse ist eine Objektivlinse und die dritte Linse ist eine Abbildungslinse.
• Auch wenn mit der dritten Linse als Abbildungslinse möglicherweise eine Abbildungsfehlerkorrektur vorgesehen ist, so wird mit dem Zoom-Linsensystem allein eine verbesserte Verfolgung ständiger Oberflächenänderungen an Organ- und Gefäßstrukturen nicht erreicht. Es ist auch akzeptabel, dass die Änderung der Brennweite der ersten Linse durch eine Steuereinheit vorgenommen werden kann, doch es ist keine Einrichtung vorhanden, die die positionsverändernde Oberfläche von Organ- und Gefäßstrukturen in ihrem Distanzverhalten der verschobenen Positionen erfasst und dann mittels Signalbereitstellung auf die Steuereinheit einwirkt.
• Ein dreidimensionales Mikroskop mit einem eine gemeinsame Brennweite aufweisenden Abtaster ist in der Druckschrift US 2006/0044648 A1 beschrieben, wobei der Abtaster an einem optischen Mikroskop befestigt ist, wobei das dreidimensionale Mikroskop derart aufgebaut ist, ein Probenbild wie ein konfokales Bild durch einen konfokalen Abtaster zu erfassen. Dabei wird eine brennweitenvariable Linse als Feldlinse verwendet.
• Die brennweitenvariable Linse ist innerhalb des Bereiches vom konfokalen Abtaster bis zur Objektivlinse des Mikroskops angeordnet. Durch den konfokalen Abtaster wird ein dreidimensionales Objektes erfasst.
• Ein Problem besteht darin, dass in dem dreidimensionalen Mikroskop keine Einrichtung vorhanden ist, die die innere Bewegung des Objektes, ausgedrückt durch dessen Oberflächenniveauänderung erfasst und durch die Kamera aufnimmt. Zeitlich schnell positionsveränderliche Oberflächen von Organ- und Gefäßstrukturen können mit dem dreidimensionalen Mikroskop nicht erfasst werden.
• Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur Videomikroskopie von positionsveränderlichen Oberflächen von Organ- und Gefäßstrukturen anzugeben, die derart geeignet ausgebildet ist, dass die Verfolgung der ständig beobachtbaren Relief- und Bewegungsänderungen von schnell positionsveränderlichen Oberflächen an Organ- und Gefäßstrukturen verbessert und die Vermessung der Oberflächen vereinfacht werden können.
• Die Aufgabe wird mit den Merkmalen nach Patentanspruch 1 gelöst.
• Die Anordnung zur Videomikroskopie von Objekten umfasst
• – ein Abbildungs-Linsensystem mit einer Brennweite f₁ zur Abbildung der Objekte G und
• – ein zweites Linsensystem mit einer Brennweite f₂, das nach dem Abbildungs-Linsensystem platziert ist und das zur Erzeugung eines Bildes B der Objekte G auf einer Aufnahmefläche eines Detektors vorgesehen ist,
wobei gemäß dem Kennzeichenteil des Patentanspruchs 1
das zweite Linsensystem im hinteren Brennpunkt F'₁ des Abbildungs-Linsensystems angeordnet und mit einer variablen Brennweite f₂ ausgebildet ist, wobei das zweite Linsensystem und das Abbildungs-Linsensystem ein fokussierbares telezentrisches Abbildungssystem bilden und die Positionen P₁, P₂ der Objekte G, auf die das Abbildungs-Linsensystem in Verbindung mit dem zweiten Linsensystem fokussiert, veränderbar sind, und das zweite Linsensystem die Distanz D zum jeweiligen positionsveränderten Objekt G unter Beibehaltung eines konstanten Abbildungsverhältnisses bei variierbarer Brennweite einstellt.
• Die Brennweitensteuerung des zweiten Linsensystems geht von einer Steuereinrichtung aus, die einerseits mit dem zweiten Linsensystem und andererseits mit einer Einrichtung zur Bestimmung der Distanz D, wobei die Distanz D der jeweiligen Lageverschiebung der Brennebene F_E des zweiten Linsensystems zwischen den fokussierbaren Positionen P des jeweiligen Objekts G entspricht, in Verbindung steht und eine zur Distanz D korrespondierende Steuergröße an das zweite Linsensystem anlegt.
• Zur Reduzierung von Abbildungsfehlern kann das Abbildungs-Linsensystem ein Linsen-Dublett oder Linsen-Triplett darstellen.
• Das zweite Linsensystem kann eine elektrisch steuerbare Linse sein, deren Brennweite f₂ mittels elektrischer Wechselspannung U veränderbar ist.
• Dabei stellt das zweite Linsensystem eine Aperturblende für das Abbildungs-Linsensystem dar.
• Das brennweitensteuerbare Linsensystem stellt die Distanz D zum jeweiligen positionsveränderlichen Objekt G ein und ermöglicht durch ihre Lage im hinteren Brennpunkt F'₁ des Abbildungs-Linsensystems ein konstantes Abbildungsverhältnis m = B/G.
• Der Detektor kann eine Video-CCD-Kamera sein.
• Das Objekt G kann ein tierisches oder menschliches Organ oder ein Teil davon oder eine Fläche eines Organs sein.
• Hinter dem zweiten variablen Linsensystem ist ein drittes Linsensystem zur Erzeugung des Bildes B des Objekts G auf der Aufnahmefläche des Detektors angeordnet.
• Die Anordnung eines variablen Linsensystems im hinteren Brennpunkt eines ersten Abbildungs-Linsensystems verändert nicht das Abbildungsverhältnis, sondern nur die Lage der vorderen Hauptebene und damit die Ebene, auf die ein optisches Abbildungssystem aus dem Abbildungs-Linsensystem und dem zweiten Linsensystem fokussiert.
• Der Einsatz des zweiten Linsensystems mit variabler Brennweite führt zu einem Verzicht auf mechanische Bewegung von schweren Linsen oder Objektiven.
• Durch die Anordnung des variablen zweiten Linsensystems im hinteren Brennpunkt der Abbildungslinse bleibt auch der Abbildungsmaßstab konstant und die Abbildung ist telezentrisch, d. h., der Abbildungsmaßstab bleibt konstant, auch wenn das Objekt nicht in der Fokusebene liegt.
• Die Erfindung ermöglicht es des Weiteren, dass das brennseitenvariable Linsensystem nur sehr wenig Energie benötigt, die bei einem Computeranschluss einfach über eine USB-Schnittstelle versorgt werden kann, wogegen der Piezoantrieb nach dem Stand der Technik eine recht hohe Leistungsaufnahme hat.
• Mit der Erfindung ist somit eine telezentrische Abbildung mit variabler Distanz D zu jeweiligen Ebene des Objekts im objektseitigen Bereich vorhanden.
• Das Signal zur Steuerung des brennweitenvariablen zweiten Linsensystems auf die Position des jeweiligen Objekts wird in herkömmlicher Weise für die Einrichtung zur Bestimmung der Distanz D aus der Schärfe des Bildes bei Veränderung der Stärke des brennweitenvariablen Linsensystems gewonnen, wie dies in jeder Autofokus-Kamera geschieht. Alternativ kann dieses Signal nach dem Prinzip der Triangulationssensoren durch einen eingespiegelten Strahl in den Strahlengang gewonnen werden. Dabei ist in die Einrichtung zur Bestimmung der Distanz D die Aufofokus-Anordnung oder das Triangulationssensorensystem integriert.
• Alternativ kann das zweite Linsensystem seine Brennweite nicht nur durch elektrische Größen, sondern auch durch anlegbare Druckkräfte oder andere physikalischer Kräfte ändern, dementsprechend kann der Aufbau der Steuereinrichtung auf die Weitergabe von Druckkräften und anderen physikalischen Kräften, z. B. magnetischen Kräften, an das zweite Linsensystem ausgerichtet sein.
• Eine Verwendung der erfindungsgemäßen Anordnung mit der telezentrischen Abbildung bei variabler Fokusebenenlage F_E ist zur Darstellung von Gefäßen im Tiermodell oder am isolierten Organ und zur Darstellung von Alveolen im Thorax beatmeter Tiere oder an der isolierten Lunge vorgesehen.
• Vorzugsweise können damit die Organoberflächen mit konstanter Vergrößerung vermessen werden.
• Alle in die erfindungsgemäße Anordnung eingesetzten Linsensysteme können auch als einzelne Linsen ausgebildet sein.
• Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels mittels mehrerer Zeichnungen näher erläutert.
• Es zeigen:
• 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Anordnung mit einer zweiten Linse mit variabler Brennweite mit folgenden Parametern: einem ersten angelegten Wechselspannungswert von 32 V, einer Gesamtbrennweite f_ges = 25,56 mm und einer numerischen Apertur NA = 0,06037,
• 2 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Anordnung mit einer zweiten Linse mit variabler Brennweite mit folgenden Parametern: einem zweiten angelegten Wechselspannungswert von 60 V, einer Gesamtbrennweite f_ges = 25,56 mm und einer numerischen Apertur NA = 0,06037, wobei 2a einen Millimetermaßstab angibt, und
• 3 eine schematische Darstellung eines Abbildungssystems innerhalb der erfindungsgemäßen Anordnung mit den Hauptebenen H₁, H₂, H₁₁, H₁₂, H₂₁ und H₂₂.
• Im Folgenden werden die 1 und 2 gemeinsam betrachtet.
• In den 1 und 2 ist eine erfindungsgemäße Anordnung 10 zur Videomikroskopie von Objekten G dargestellt, die
• – ein Abbildungs-Linsensystem 2 mit einer Brennweite f₁ zur Abbildung der Objekte G und
• – ein zweites Linsensystem 3 mit einer Brennweite f₂, das nach dem Abbildungs-Linsensystem 2 platziert ist und das zur Erzeugung eines Bildes B der Objekte G auf einer Aufnahmefläche 5 eines Detektors 6 vorgesehen ist,
umfasst.
• Erfindungsgemäß ist das zweite Linsensystem 3 im hinteren Brennpunkt F'₁ des Abbildungs-Linsensystems 2 angeordnet und mit einer variablen Brennweite f₂ ausgebildet, wobei das zweite Linsensystem 3 und das Abbildungs-Linsensystem 2 ein fokussierbares telezentrisches Abbildungssystem 7 bilden und die Positionen P₁, P₂ der Objekte G, auf die das Abbildungs-Linsensystem 2 in Verbindung mit dem zweiten Linsensystem 3 fokussiert, veränderbar sind, und stellt das zweite Linsensystem 3 die Distanz D zum jeweiligen positionsveränderten Objekt G unter Beibehaltung eines konstanten Abbildungsverhältnisses m = B/G = const bei variierbarer Brennweite f₂ ein.
• Die Brennweitensteuerung des zweiten Linsensystems 3 geht von einer Steuereinrichtung 8 aus, die einerseits mit dem zweiten Linsensystem 3 und andererseits mit einer Einrichtung 9 zur Bestimmung der Distanz D, wobei die Distanz D der jeweiligen Lageverschiebung 11 der Brennebene F_E des zweiten Linsensystems 3 zwischen den fokussierbaren Positionen P1, P2 des jeweiligen Objekts G eines Organs 1 entspricht, in Verbindung steht und die eine mit der Distanz D korrespondierende Wechselspannung U an das zweite Linsensystem 3 anlegt.
• Das Abbildungs-Linsensystem 2 kann ein Linsen-Triplett darstellen.
• Das zweite Linsensystem 3 ist als eine elektrisch steuerbare Linse ausgebildet, deren Brennweite f₂ mit elektrischer Wechselspannung U veränderbar ist, wobei die Wechselspannung von der Steuereinrichtung 8 geliefert wird. Das zweite Linsensystem 3 kann auch als eine einfache zweite Linse ausgebildet sein.
• Die zweite Linse 3 kann durch ihren geringen Durchmesser D_L als Aperturblende für das Abbildungs-Linsensystem 2 eingesetzt sein.
• Die brennweitensteuerbare zweite Linse 3 stellt die Distanz D zum jeweiligen positionsveränderten Objekt G ein und ermöglicht durch ihre Lage im hinteren Brennpunkt F'₁ des Abbildungs-Linsensystems 2 das konstante Abbildungsverhältnis m = B/G.
• Als Detektor 6 ist eine Video-CCD-Kamera eingesetzt, die mit der Steuereinrichtung 8 in Verbindung steht.
• Das Objekt G ist ein tierisches oder menschliches Organ 1 oder ein Teil davon oder eine Fläche eines Organs 1.
• In den 1, 2 weist die erste positive Linse 2 oder das erste Linsensystem, welches die Abbildung des Objekts G des bewegten Organs 1 bewirkt, eine Brennweite f₁ auf. Die zweite Linse 3 mit variabler Brechweite f₂ steht im hinteren Brennpunkt F'₁ der ersten Linse 2 oder des ersten Linsensystems und wirkt als Aperturblende der Anordnung 10. Hinzugefügt ist eine dritte Linse 4 oder ein drittes Linsensystem, welches die Abbildung des Objekts G auf eine Kamera 6 bzw. Zwischenbildebene bewirkt. Dieses dritte optische Linsensystem 4 kann dazu genutzt werden, vorhandene Abbildungsfehler, insbesondere Farbfehler und Bildfeldkrümmung auszugleichen.
• In der Druckschrift Hecht: Optik S. 227, ISBN3-925118-86-1 sind Linsenkombinationen aus dünnen Linsen mit einer Gesamtbrennweite f_ges beschrieben, die sich bei einer ersten Linse 2 mit der Brennweite f₁ und einer zweiten Linse 3 mit der Brennweite f₂ berechnet aus:

  

  wobei f₁ und f₂ fest vorgegebene Brennweiten der ersten Linse 2 bzw. der zweiten Linse 3 sind und d der Abstand der Hauptebenen H₁₂ und H₂₁ der beiden Linsen 2 und 3 ist.
• Ist der Abstand d der Hauptebenen H₁₂ und H₂₁ gleich der Brennweite f₁ der ersten Linse 2, so wird bei d = f₁ aus Gleichung (I)

  
• Wie in 3 gezeigt ist und dieser Umstand wird erfindungsgemäß für die Videomikroskopie von Objekten genutzt, hängt die Brennweite f_ges = f₁ dieser Linsenkombination, die das fokussierbare telezentrische Abbildungssystem 7 darstellt, nicht mehr von der Brechkraft der zweiten mit variabler Brennweite f₂ ausgebildeten Linse 3 ab.
• Ein solches in 3 dargestelltes Abbildungssystem 7 aus den zwei Linsen 2, 3 kann auch als dicke Linse 7 mit zwei Hauptebenen H₁ und H₂ betrachtet werden. Die Abstände der Hauptebenen H₁ und H₂ des Abbildungssystems 7 von den Hauptebenen H₁₁ bzw. H₂₂ der Einzellinsen 2, 3 kann bei vorgegebenen Brennweiten f₁, f₂ nach Gleichung (III) berechnet werden:

  

  dies vereinfacht sich mit Gleichung (II) zu:

  
• Dies bedeutet, dass die hintere Hauptebene H₂ des Abbildungssystems 7 im Abstand d vor der Hauptebene H₂₂ der ersten Linse 2 liegt und damit unabhängig von der Brennweite f₂ der zweiten variablen Linse 3 immer in etwa mit der hinteren Hauptebene H₁₂ der vorderen ersten Linse 2 übereinstimmt, wobei H₁₁ die vordere Hauptebene der ersten Linse 2 ist.
• Erfindungsgemäß verschiebt sich die Lage 11 (Pfeilrichtung) der vorderen Hauptebene H₁ durch Änderung der Brennweite f₂ der variablen zweiten Linse 3. Wird zum Kehrwert der Brennweite f₂, der Brechkraft φ₂ = 1/f₂ übergegangen, so ändert sich die Lage 11 der vorderen Hauptebene H₁ proportional zu der Brechkraft φ₂ der variablen zweiten Linse 3:

  
• Wird z. B. von der zweiten Linse 3 mit der vorgegebenen variablen Brechkraft φ₂ von 10 dpt ausgegangen, so kann damit die Lage 11 der vorderen Hauptebene H₁ und somit die Lage 11 der Fokusebene F_E bei einer zweiten Linse 3 von einer Brennweite f₂ = 25 mm um eine Distanz D von 6,25 mm verändert werden. Bei einer Brennweite von f₂ = 10 mm kann die Lage 11 der Fokusebene F_E immer noch um eine Distanz D = 1 mm verändert werden.
• Da die Brennweite und die Lage der hinteren Hauptebene H₂ des Abbildungssystems 7 konstant bleiben, ändert sich der Abbildungsmaßstab m = B/G nicht. Da die zweite Linse 3 einen kleinen Durchmesser D_L hat, wirkt sie als Aperturblende in der erfindungsgemäßen Anordnung 10.
• Durch die Lage der zweiten Linse 3 im Brennpunkt F'₁ der ersten Linse 2 ist der Strahlengang der Anordnung 10 vorderseitig, also objektseitig telezentrisch. Dies führt dazu, dass auch Objekte G außerhalb der Fokusebene F_E im gleichen Maßstab m abgebildet werden.
• Die Linsen 3 mit variabler Brennweite f₂ weisen teilweise erhebliche chromatische Fehler auf. Diese Fehler sind aber häufig proportional zur Brechkraft. Damit ist es zweckmäßig, die zweite Linse 3 um die Brechkraft „Null” zu betreiben. Z. B. können dafür handelsübliche Linsen mit einer Brechkraft zwischen –5 bis 5 dpt benutzt werden. Es kann aber auch ein anderer Bereich verwendet werden, wenn der mittlere Farbfehler durch andere optische Elemente, z. B. durch die dritte Linse 4 ausgeglichen werden kann.
• Anwendungen der erfindungsgemäßen Anordnung 10 mit einer telezentrischen Abbildung bei variabler Fokusebenenlage F_E können z. B. die Darstellung von Gefäßen im Tiermodell oder am isolierten Organ 1 und die Darstellung von Alveolen im Thorax beatmeter Tiere oder an der isolierten Lunge sein. Die erfindungsgemäße Anordnung 10 erlaubt den Blick auf die Organoberfläche mit konstanter Vergrößerung, so dass die beobachteten Strukturen G der Organe 1 im Rückschluss auch vermessen werden können. Des Weiteren kann die Anordnung 10 für andere Anwendungen in der Messtechnik eingesetzt werden.
• Die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Anordnung 10 wird im Folgenden anhand der 1, 2 und 3 näher erläutert.
• In den 1, 2 ist eine erfindungsgemäße Anordnung 10 von Linsen 2, 3, 4 mit variabler Fokusebene F_E dargestellt. Das Objekt G befinden sich auf der rechten Seite der jeweiligen 1, 2 und ist z. B. ein Teil eines Organs 1. Bedingt durch den reliefartigen Organaufbau werden die Distanzen D der Oberflächen (als Objekte G) des Organs 1 mit einer Einrichtung 9 zur Bestimmung der Distanz D aufgenommen. Durch Variation der Wechselspannung U an der variablen Linse 3 ändert sich die Lage der Fokusebene F_E beträchtlich. Von rechts nach links in den 1, 2 ist zunächst ein erstes Abbildungs-Linsensystem 2 in Form eines Linsen-Tripletts mit einer Brennweite f₁ von 25 mm dargestellt. Danach ist die kleine zweite Linse 2 mit variabler Brechkraft φ₂ = 1/f₂ angeordnet, gefolgt von einer weiteren dritten Linse 4, die das Licht auf die Aufnahmefläche 5 einer CCD-Kamera 6 fokussiert. Entsprechend den elektrischen und optischen Daten: Wechselspannung U, Gesamtbrennweite f_ges, numerische Apertur NA sowie Maßeinheit in Millimetern, wie in 2a mit Bezug auf die beiden 1, 2 gezeigt ist, ändert sich dabei weder die Brennweite f_ges noch die numerische Apertur NA der Anordnung 10, so dass neben dem Abbildungsmaßstab m = B/G auch noch die Lichtmenge konstant gehalten wird. Bei den angegebenen Daten wird die Wechselspannung U an der zweiten Linse 3 von 32 V in 1 auf 60 V in 2 verändert. Dies entspricht einer Änderung der Brechkraft um fast 30 dpt. Die Lage 11 der Fokusebene F_E bzw. der Hauptebene H₁ ändert sich dabei um mehr als 17 mm. Für weißes Licht begrenzen allerdings die chromatischen Fehler den zweckmäßigen Hub auf ca. 10 dpt und damit auf ca. 6 mm. Dies ist aber für viele Anwendungen mehr als ausreichend.
• Bezugszeichenliste

1

Organ

2

Abbildungs-Linsensystem

3

zweites Linsensystem mit variabler Brennweite

4

drittes Linsensystem

5

Aufnahmefläche

6

Detektor

7

Abbildungssystem

8

Steuereinrichtung

9

Einrichtung zur Bestimmung der Distanz

10

Anordnung

11

Lage

G

Objekt

B

Bild

d

Hauptebenenabstand H₁₂ bis H₂₁

f₁

Brennweite der ersten Linse

f₂

Brennweite der zweiten Linse

F₁

vorderer Brennpunkt der ersten Linse

F'₁

hinterer Brennpunkt der ersten Linse

φ₂

Brechkraft der zweiten Linse

f_ges

Gesamtbrennweite

H₁

Hauptebene des Abbildungssystems

H₂

Hauptebene des Abbildungssystems

H₁₁

vordere Hauptebene der ersten Linse 2

H₁₂

hintere Hauptebene der ersten Linse 2

H₂₁

vordere Hauptebene der zweiten Linse 3

H₂₂

hintere Hauptebene der zweiten Linse 3

m

Abbildungsmaßstab

U

Wechselspannung

NA

Numerische Apertur

F_E

Fokusebene

P

Position

D

Distanz

D_L

Durchmesser

Claims (8)

1. Anordnung (10) zur Videomikroskopie von Objekten (1) mit positionsveränderlichen Oberflächen von Organ- und Gefäßstrukturen, umfassend – ein Abbildungs-Linsensystem (2) mit einer Brennweite (f₁) zur Abbildung eines Objekts (1) mit einer Objektgröße (G) und – ein zweites Linsensystem (3) mit einer variablen Brennweite (f₂), das nach dem Abbildungs-Linsensystem (2) platziert ist und zur Erzeugung eines eine Bildgröße (B) aufweisenden Bildes des Objektes (1) mit der Objektgröße (G) auf einer Aufnahmefläche (5) einer Video-CCD-Kamera (6) vorgesehen ist, die mit einer Steuereinrichtung (8) in Verbindung steht, und das durch seine Lage im hinteren Brennpunkt (F'₁) des Abbildungs-Linsensystems (2) ein konstantes Abbildungsverhältnis (m) als Quotient aus der Bildgröße (B) und der Objektgröße (G) mit m = B/G ermöglicht, – ein drittes Linsensystem (4), das mit dem zweiten Linsensystem (3) zur Erzeugung des Bildes mit der Bildgröße (B) auf der Aufnahmefläche (5) der Video-CCD-Kamera (6) zwischen der Aufnahmefläche (5) dient und das zwischen der Aufnahmefläche (5) und dem zweiten brennweitenvariablen Linsensystem (3) angeordnet ist, wobei das zweite brennweitenvariable Linsensystem (3) und das Abbildungs-Linsensystem (2) ein fokussierbares telezentrisches Abbildungssystem (7) für veränderbare, voneinander um eine Distanz (D) lageverschobene Positionen (P₁, P₂) des Objektes (1) mit der Objektgröße (G) bilden, und das zweite Linsensystem (3) auf die Positionen (P₁, P₂) des Objektes (1) der positionsveränderten Oberflächen unter Beibehaltung eines konstanten Abbildungsverhältnisses (m) bei variierbarer Brennweite (f₂) eingestellt wird, wobei die Einstellung der Brennweite (f₂) des zweiten Linsensystems (3) von der Steuereinrichtung (8) ausgeht, die mit einer Einrichtung (9) zur Bestimmung der Distanz (D) in Verbindung steht und eine zur Distanz (D) korrespondierende Steuergröße (U) an das zweite brennweitenvariable Linsensystem (3) anlegt, wobei in die Einrichtung (9) zur Bestimmung der Distanz (D) eine Aufofokus-Anordnung oder ein Triangulationssensorensystem integriert ist.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Reduzierung von Abbildungsfehlern das Abbildungs-Linsensystem (2) ein Linsen-Dublett oder Linsen-Triplett darstellt.
3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (8) in Form eines Computers mit dem brennweitenvariablen zweiten Linsensystem (3) bei einem Computeranschluss über eine USB-Schnittstelle in Verbindung steht.
4. Anordnung nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite brennweitenvariable Linsensystem (3) seine Brennweite durch elektrische Größen, durch anlegbare Druckkräfte oder durch magnetische Kräfte ändert.
5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Linsensystem (3) eine elektrisch steuerbare Linse ist, deren Brennweite (f₂) mit elektrischer Wechselspannung (U) veränderbar ist.
6. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Linse (3) oder das zweite Linsensystem (3) als Aperturblende für das Abbildungs-Linsensystem (2) eingesetzt ist.
7. Verwendung der Anordnung (10) zur Videomikroskopie von Objekten (1) mit positionsveränderlichen Oberflächen von Organ- und Gefäßstrukturen nach Anspruch 1 bis 6 zur Darstellung von Gefäßen im Tiermodell oder am isolierten Organ oder zur Darstellung von Alveolen im Thorax beatmeter Tiere oder an der isolierten Lunge.
8. Verwendung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächen von Organen und Gefäßen der Objekte (1) mit konstanter Vergrößerung vermessen werden.

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