DE102008041290A1

DE102008041290A1 - Microscope arrangement with focus offset

Info

Publication number: DE102008041290A1
Application number: DE200810041290
Authority: DE
Inventors: Martin Fanenbruck; Joachim Steffen
Original assignee: Carl Zeiss Surgical GmbH
Current assignee: Carl Zeiss Meditec AG
Priority date: 2008-08-15
Filing date: 2008-08-15
Publication date: 2010-02-25
Also published as: WO2010017944A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Mikroskopieanordnung 100 zur Betrachtung eines Objekts 108 oder eines von einem Objekt 108 erzeugten Zwischenbildes 126, 127, insbesondere in der Mikrochirurgie. Die Mikroskopieanordnung 100 hat eine Objektivanordnung 102 mit einer Objektebene 195 zur Anordnung des zu betrachtenden Objekts 108 bzw. Zwischenbildes 126, 127. Die Mikroskopieanordnung 100 enthält eine Fokusversatz-Einstelleinheit 190, welche ein Fokusversatzsignal an eine Verstelleinheit für die Objektivanordnung 101 abgibt, um die Objektivanordnung 101 relativ zu einem Fokussierzustand definiert zu defokussieren. Erfindungsgemäß ist eine Schärfentiefen-Berechnungseinheit 160 vorgesehen, die mit der Fokusversatz-Einstelleinheit 190 verbunden ist und die bei Aktivierung aus Einstellungsparametern der Mikroskopieanordnung 100 einen Schärfentiefenwert berechnet. Die Fokusversatz-Einstelleinheit 160 generiert ein Fokusversatzsignal, das einem Fokusversatz für die Objektivanordnung 102 um einen Bruchteil des berechneten Schärfentiefenwerts in Richtung der Objektivanordnung 101 oder in Richtung der Objektebene 200 entspricht.The invention relates to a microscope assembly 100 for viewing an object 108 or an intermediate image 126, 127 generated by an object 108, in particular in microsurgery. The microscope assembly 100 has an objective arrangement 102 with an object plane 195 for arranging the object to be viewed 108 or intermediate image 126, 127. The microscope arrangement 100 contains a focus offset adjustment unit 190, which emits a focus offset signal to an adjustment unit for the objective arrangement 101, around the objective arrangement 101 defocused relative to a focus state. According to the invention, a depth-of-field calculation unit 160 is provided, which is connected to the focus offset setting unit 190 and which, when activated, calculates a depth of field value from adjustment parameters of the microscope assembly 100. The focus offset adjustment unit 160 generates a focus offset signal that corresponds to a focus offset for the objective arrangement 102 by a fraction of the calculated depth of field value in the direction of the objective arrangement 101 or in the direction of the object plane 200.

Description

Die Erfindung betrifft eine Mikroskopieanordnung zur Betrachtung eines Objekts oder eines von einem Objekt erzeugten Zwischenbildes, insbesondere in der Mikrochirurgie, die eine Objektivanordnung mit einer Objektebene zur Anordnung des zu betrachtenden Objekts bzw. Zwischenbilds aufweist und eine Fokusversatz-Einstelleinheit enthält, welche ein Fokusversatzsignal an eine Verstelleinheit für die Objektivanordnung abgibt, um die Objektivanordnung relativ zu einem Fokussierzustand definiert zu defokussieren.The The invention relates to a microscope device for viewing a Object or an intermediate image generated by an object, in particular in microsurgery, which involves a lens assembly with an object plane for arranging the object or intermediate image to be viewed, and includes a focus offset adjustment unit, which includes a focus offset signal to an adjusting unit for the objective arrangement, defined around the lens assembly relative to a focus state to defocus.

Eine Mikroskopieanordnung der eingangs genannten Art ist aus der JP 2006 122 232 A2 und aus der DE 10 2005 011 781 A1 bekannt. Dort sind Operationsmikroskope mit einem fokussierbaren Hauptobjektivsystem beschrieben, bei denen das Einstellen eines definierten Fokusversatzes durch eine Beobachtungsperson vorgesehen ist.A microscopy arrangement of the type mentioned is from the JP 2006 122 232 A2 and from the DE 10 2005 011 781 A1 known. There are surgical microscopes are described with a focusable main lens system in which the setting of a defined focus offset is provided by an observer.

Operationen am menschlichen Auge, zum Beispiel Kateraktoperationen, werden in der Regel unter Einsatz eines Operationsmikroskops ausgeführt. Beim menschlichen Auge handelt es sich um ein räumlich ausgedehntes Organ, das einem Operateur nur von der Seite der Cornea zugänglich ist. Im Verlauf einer Operation besteht deshalb für einen Operateur das Bedürfnis, unterschiedliche Ebenen im Augen scharf zu sehen.operations in the human eye, for example cataract operations, are in usually performed using a surgical microscope. The human eye is a spatial one extended organ that a surgeon only from the side of the cornea is accessible. In the course of an operation therefore exists for a surgeon the need different To see levels in the eyes sharp.

Die visuelle Schärfentiefe ST einer Mikroskopieanordnung ist einerseits von deren Vergrößerung β, andererseits aber auch von der numerischen Apertur NA für den Abbildungsstrahlengang abhängig, der das Mikroskop-Hauptobjektivsystem durchsetzt. Darüber hinaus wird die Schärfentiefe ST von der Wellenlänge λ des Beobachtungslichts im Abbildungsstrahlengang beeinflusst. Nach Berek gilt für die visuelle Schärfentiefe ST folgende Beziehung:

The visual depth of field ST of a microscope arrangement depends on the one hand on its magnification β, but on the other hand also on the numerical aperture NA for the imaging beam path, which passes through the microscope main objective system. In addition, the depth of field ST is influenced by the wavelength λ of the observation light in the imaging beam path. According to Berek, the following relationship applies to the visual depth of field ST:

Um einem Operateur mit einem Operationsmikroskop das Beobachten eines Objektbereichs mit guter Schärfentiefe zu ermöglichen, sind Operationsmikroskopsysteme bekannt, die verstellbare Aperturblenden aufweisen, welche in den Beobachtungsstrahlengängen angeordnet sind. Ein solches Operationsmikroskopsystem ist z. B. das Carl Zeiss Operationsmikroskop OPMI^® Pentero.In order to allow an operator with a surgical microscope to observe an object area with good depth of field, surgical microscope systems are known, which have adjustable aperture stops, which are arranged in the observation beam paths. Such a surgical microscope system is z. As the Carl Zeiss OPMI ^® Pentero.

Indem der Durchmesser der Blendenöffnungen der Aperturblenden verkleinert wird, lässt sich die Schärfentiefe ST des Beobachtungsbildes erhöhen. Das Verringen der Blendenöffnungen der Aperturblenden geht jedoch grundsätzlich mit einem Verlust an Bildhelligkeit einher.By doing the diameter of the apertures of the aperture stops is reduced, the depth of field can be Increase ST of the observation image. The reduction of the apertures However, the aperture stops is basically one Loss of image brightness.

Das Erhöhen der Vergrößerung für den Abbildungsstrahlengang in einem Operationsmikroskop wirkt sich in zweifacher Hinsicht auf die Schärfentiefe aus: Gemäß der Beziehung nach Berek nimmt die Schärfentiefe ST mit wachsender Vergrößerung β ab. Das Erhöhen der Vergrößerung β bewirkt jedoch gleichzeitig eine Verringerung der numerischen Apertur NA des Abbildungsstrahlenganges, der das Mikroskop-Hauptobjektiv durchsetzt. Das Steigern der Mikroskopvergrößerung hat somit ebenfalls einen Verlust an Bildhelligkeit zur Folge.The Increase the magnification for the imaging beam path in a surgical microscope affects on the depth of field in two ways: According to the Relationship to Berek takes the depth of field ST with growing Magnification β. The heightening However, the magnification β causes simultaneously a reduction of the numerical aperture NA of the imaging beam path, which penetrates the microscope main objective. Increasing the microscope magnification thus also results in a loss of image brightness.

Bei marktüblichen Operationsmikroskopsystemen, die ein stereoskopisches Beobachten eines Objektbereichs mit Abbildungsstrahlengängen ermöglichen, die ein gemeinsames Mikroskop-Hauptobjektiv durchsetzen, beträgt die visuelle Schärfentiefe für einen Vergrößerungsfaktor β > 10 nur noch ca. 2 mm oder weniger.at standard surgical microscope systems that are stereoscopic Observing an object area with imaging beam paths allow for a common microscope main objective enforce, is the visual depth of field for a magnification factor β> 10 only approx. 2 mm or less.

In der Neurochirurgie und in der Ophthalmochirurgie wird jedoch häufig mit bis zu 30-facher Vergrößerung unter einem Operationsmikroskop operiert. Wenn hier Gewebeoberflächen betrachtet werden, die uneben sind und die Licht stark streuen, ist eine geringe Schärfentiefe eines entsprechenden optischen Abbildungssystems sehr nachteilhaft.In however, neurosurgery and ophthalmic surgery are becoming common with up to 30x magnification under one Operating microscope operated. If here tissue surfaces which are uneven and which scatter light strongly is a shallow depth of field of a corresponding optical Imaging system very disadvantageous.

Auf dem Gebiet der Neurochirurgie ist es bekannt, tumorbefallenes Gewebe mittels Fluoreszenzfarbstoff in einem Operationsmikroskop zu visualisieren. Hierzu wird dem Patient über die Blutbahn ein Fluoreszenzfarbstoff injiziert, der über das Beleuchtungssystem des Operationsmikroskops für Fluoreszenz angeregt wird. Ein entsprechendes Operationsmikroskop, das sich zur Beobachtung von Fluoreszenzlicht eignet, ist beispielsweise in der WO 2007/090591 A1 beschrieben. Das Fluoreszenzbild des Objektbereichs ist im Vergleich zu einem Beobachtungsbild, das auf normalem Streulicht basiert, relativ lichtschwach. Dies bedingt, dass bei Operationsmikroskopen, die im Fluoreszenzmodus betrieben werden, nur vergleichsweise große numerische Aperturen für die Abbildungsstrahlengänge eingestellt werden können.In the field of neurosurgery, it is known to visualize tumor-affected tissue by means of fluorescent dye in a surgical microscope. For this purpose, the patient is injected via the bloodstream, a fluorescent dye, which is excited by the illumination system of the surgical microscope for fluorescence. A corresponding surgical microscope, which is suitable for the observation of fluorescent light, is for example in the WO 2007/090591 A1 described. The fluorescence image of the object area is relatively faint compared to an observation image based on normal scattered light. This requires that in surgical microscopes, which are operated in fluorescence mode, only comparatively large numerical apertures can be set for the imaging beam paths.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Mikroskopieanordnung bereitzustellen, mit der auch bei Beobachten eines unebenen Objektbereichs ein Zwischenbild oder Bild für eine Beobachtungsperson mit hoher Schärfentiefe erzeugt wird.task the invention is to provide a microscopy device, with an intermediate image even when observing an uneven object area or image for an observational person with high depth of field is produced.

Diese Aufgabe wird durch eine Mikroskopieanordnung der eingangs genannten Art gelöst, bei der eine Schärfentiefen-Berechnungseinheit vorgesehen ist, die mit der Fokusversatz-Einstelleinheit verbunden ist und die bei Aktivierung aus Einstellungsparametern der Mikroskopieanordnung einen Schärfentiefenwert berechnet, wobei die Fokusversatz-Einstelleinheit ein Fokusversatzsignal generiert, das einem Fokusversatz für die Objektivanordnung um einen Bruchteil des berechneten Schärfentiefenwerts in Richtung der Objektivanordnung oder in Richtung der Objektebene entspricht.This object is achieved by a microscopy device of the type mentioned above in which a depth-of-field calculation unit is provided which is connected to the focus offset adjustment unit and which calculates a depth of field value when activated from adjustment parameters of the microscope arrangement, the focus offset adjustment unit generating a focus offset signal, which corresponds to a focus offset for the objective arrangement by a fraction of the calculated depth of field depth in the direction of the objective arrangement or in the direction of the object plane.

Die Fokusebene der Mikroskopieanordnung wird so definiert in das zu untersuchende Objekt hinein oder aus diesem heraus verlagert. Indem die Fokusebene der Mikroskopieanordnung aus dem zu untersuchenden Objekt in Richtung von dessen Hauptobjektsystem heraus verlagert wird, lassen sich Objektstrukturen mit Ablage von der Fokusebene der Mikroskopieanordnung im Schärfentiefenbereich der Mikroskopieanordnung in einen Abschnitt erfassen, in dem bei einer üblichen Justage des Systems insbesondere bei einem unebenen Objektbereich nicht mehr alle Objektstrukturen, scharf gesehen werden können. Dies ist insbesondere auf dem Gebiet der Neurochirurgie bei minimal-invasiven Eingriffen vorteilhaft, im Rahmen derer kleine Trepanationsöffnungen präpariert werden. Hier entstehen enge und tiefe Kanäle, in denen operiert wird. Beim Operieren in derartigen engen und tiefen Kanälen besteht das Bedürfnis, dass der Operateur nicht nur den Frontabschnitt von chirurgischen Instrumenten mit einer Mikroskopieanordnung in Form eines Operationsmikroskops scharf sehen kann, sondern auch einen Mittenabschnitt dieser Instrumente, etwa wenn diese in eine Trepanationsöffnung eingeführt werden. Das Verlagern der Fokusebene der Mikroskopieanordnung gewährleistet hier, dass ein entsprechendes Instrument in einem engen Operationskanal auch unter optischen Abbildungsbedingungen präzise geführt werden kann, in denen das Vergrößern der Schärfentiefe durch Abblenden der Beobachtungsstrahlengänge der Mikroskopieanordnung wegen zu geringem Lichteinfall nicht möglich ist.The Focus plane of the microscope assembly is defined in this way examining object in or out of it. By doing the focal plane of the microscope assembly from the examined Moving object towards the main object system is, can be object structures with storage from the focal plane the microscope assembly in the depth of field of the microscope assembly in a section in which at a usual Adjustment of the system especially in the case of an uneven object area no longer all object structures, can be seen sharply. This is especially true in the field of neurosurgery in minimally invasive Intervened advantageous, in the context of which small Trepanationsöffnungen to be prepared. Here are narrow and deep channels, in which surgery is performed. When operating in such narrow and deep Channels there is a need for the surgeon not just the front section of surgical instruments a microscope in the form of a surgical microscope sharp but also a midsection of these instruments, for example, when these are inserted in a trepanation opening become. The displacement of the focal plane of the microscopy arrangement ensured here, that a corresponding instrument in a tight surgical channel be performed precisely under optical imaging conditions can, in which the enlargement of the depth of field by dimming the observation beam paths of the microscope arrangement is not possible due to low light.

Auf dem Gebiet der Ophthalmologie ermöglicht das Verlagern der Fokusebene hin zum untersuchten Objekt, unterschiedliche Ebenen eines Patientenauges schnell scharf zu betrachten, nachdem die Mikroskopieanordnung auf die Cornea des Patientenauges fokussiert wurde.On the field of ophthalmology allows relocation the focus plane towards the object under investigation, different planes quickly look at a patient's eye sharply after the microscope assembly was focused on the cornea of the patient's eye.

In Weiterbildung der Erfindung umfassen die Einstellungsparameter die numerische Apertur eines Abbildungsstrahlenganges der Mikroskopieanordnung. Dieser Abbildungsstrahlengang kann z. B. als visueller Abbildungsstrahlengang für ein Beobachterauge oder als Kamera-Abbildungsstrahlengang ausgeführt sein.In Development of the invention include the adjustment parameters the numerical aperture of an imaging beam path of the microscope device. This imaging beam path can be z. B. as a visual imaging beam path for an observer eye or as a camera imaging beam path be executed.

Indem Einstellungsparameter der Mikroskopieanordnung zur Berechnung des Schärfentiefenwerts auch die Vergrößerung des Abbildungsstrahlengangs der Mikroskopieanordnung und die Wellenlänge des Beobachtungslichts umfassen, ist mittels der Beziehung nach Berek präzise Berechnung der maximalen Tiefe eines Objektbereichs möglich, der einer Beobachtung mit guter Schärfentiefe zugänglich ist.By doing Adjustment parameter of the microscope arrangement for calculating the Depth of field also the magnification the imaging beam path of the microscope assembly and the wavelength of the observation light is by means of the relationship Berek precise calculation of the maximum depth of an object area possible, that of an observation with good depth of field is accessible.

Es ist günstig, für die Berechnung der Schärfentiefe eine Wellenlänge für Beobachtungslicht Bereich 490 nm bis 590 nm, vorzugsweise 500 nm vorzusehen. Auf diese Weise lässt sich der Schärfentiefenbereich der Mikroskopieanordnung für eine Objektuntersuchung mit sichtbarem Licht optimieren, dessen spektrale Zusammensetzung dem natürlichen Sonnenlicht entspricht.It is favorable for calculating the depth of field a wavelength for observation light area 490 nm to 590 nm, preferably 500 nm. In this way can the depth of field of the microscope assembly to optimize for an object examination with visible light whose spectral composition corresponds to natural sunlight.

In Weiterbildung der Erfindung liegt die entsprechende Wellenlänge im Bereich 820 nm bis 900 nm. Sie beträgt vorzugsweise 840 nm. Auf diese Weise wird das System für eine Fluoreszenzbeobachtung des Objektbereichs mit guter Schärfentiefe unter Verwendung des Fluoreszenzfarbstoffs Indocyianingrün (ICG) ausgelegt.In Further development of the invention is the corresponding wavelength in the range 820 nm to 900 nm. It is preferably 840 nm. This way the system is used for fluorescence observation Object area with good depth of field using of the fluorescent dye indocyanine green (ICG).

In Weiterbildung der Erfindung liegt die in die Berechnung der Schärfentiefe eingehende Lichtwellenlänge im Bereich 620 nm bis 740 nm, vorzugsweise bei 630 nm oder auch 704 nm. Auf diese Weise lässt sich das System für gute Schärfentiefe bei Einsatz des Fluoreszenzfarbstoffes 5A1a bzw. Protoporphyrin IX konfigurieren.In Further development of the invention lies in the calculation of the depth of field incoming light wavelength in the range 620 nm to 740 nm, preferably at 630 nm or even 704 nm. In this way the system is used for good depth of field of the fluorescent dye 5A1a or protoporphyrin IX.

Indem eine Berechnung der Schärfentiefe auf Grundlage der Wellenlänge 650 nm erfolgt, kann das System für Fluoreszenzbeobachtung mit dem Fluoreszenzfarbstoff Hyperizin optimiert werden.By doing a depth of field calculation based on the wavelength 650 nm, the system can be used for fluorescence observation be optimized with the fluorescent dye hypericin.

Für den Fluoreszenzfarbstoff Fluoreszin lässt sich mit einer entsprechenden Mikroskopieanordnung ein optimaler Schärfentiefenbereich erzielen, wenn zu deren Berechnung der Wellenlängebereich 520 nm bis 530 nm berücksichtigt wird. Für den Einsatz des Fluoreszenzfarbstoffs ITC ist zur Schärfentiefenberechnung eine Wellenlänge im Bereich 540 nm bis 560 nm, insbesondere 550 nm günstig. Indem für die Schärfentiefenberechnung die Wellenlänge 590 nm, 461 nm, 556 nm, 480 nm, 510 nm, 528 nm oder 565 nm verwendet werden, lässt sich das entsprechende Mikroskopiesystem für die Fluoreszenzuntersuchung des Objektbereichs mit guter Schärfentiefe unter Verwendung der Fluoreszenzfarbstoffe GFP, DAPI, Rodamin, BFP, GFP, YFP oder OFP optimieren.For The fluorescent dye fluorescein can be with a corresponding microscopy arrangement an optimal depth of field if the wavelength range is used to calculate them 520 nm to 530 nm is taken into account. For use of the fluorescent dye ITC is for depth of field calculation a wavelength in the range 540 nm to 560 nm, in particular 550 nm favorable. By using for the depth of field calculation the wavelengths 590 nm, 461 nm, 556 nm, 480 nm, 510 nm, 528 nm or 565 nm can be used, the corresponding Microscopy system for the fluorescence examination of the object area with good depth of field using the fluorescent dyes Optimize GFP, DAPI, Rodamin, BFP, GFP, YFP or OFP.

In Weiterbildung der Erfindung entspricht der Fokusversatz für die Objektivanordnung der Hälfte (50%) des berechneten Schärfentiefenwerts. Auf diese Weise kann ein Oberflächenbereich des Objektbereichs in einer Tiefe, der dem berechneten Schärfentiefenwert entspricht, mit guter Auflösung scharfbeobachtet werden.In Development of the invention corresponds to the focus offset for the lens arrangement of half (50%) of the calculated Depth of field value. In this way, a surface area of the object area at a depth corresponding to the calculated depth of field value corresponds, be closely watched with good resolution.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist in den Figuren dargestellt und wird nachfolgend beschrieben.An advantageous embodiment of the invention is shown in the figures and will follow generally described.

Es zeigen:It demonstrate:

1 eine Mikroskopieanordnung mit Schärfentiefen-Berechnungseinheit und Fokusversatz-Einstelleinheit; 1 a microscope assembly with depth-of-field calculation unit and focus offset adjustment unit;

2 das Hauptobjektivsystem der Mikroskopieanordnung in einem ersten Fokussierzustand; 2 the main lens system of the microscope apparatus in a first focus state;

3 das Hauptobjektivsystem der Mikroskopieanordnung in einem zweiten Fokussierzustand mit Fokusversatz in Richtung des Hauptobjektivsystems; und 3 the main objective system of the microscope arrangement in a second focusing state with focus offset in the direction of the main objective system; and

4 das Hauptobjektivsystem der Mikroskopieanordnung in einem dritten Fokussierzustand mit Fokusversatz in Richtung der Objektebene. 4 the main lens system of the microscope assembly in a third focus state with focus offset in the direction of the object plane.

Die Mikroskopieanordnung 100 in 1 hat eine Schärfentiefen-Berechnungseinheit 160 und eine Fokusversatz-Einstelleinheit 190.The microscope assembly 100 in 1 has a depth of field calculation unit 160 and a focus offset adjustment unit 190 ,

Die Mikroskopieanordnung 100 ist als Operationsmikroskop ausgelegt. Sie umfasst als Objektivanordnung ein fokussierbares Hauptobjektivsystem 101 mit einer Objektebene 200, das von einem linken Beobachtungsstrahlengang 102 und einem rechten Beobachtungsstrahlegang 103 durchsetzt wird. Die Mikroskopieanordnung 100 enthält ein stufenlos steuerbares Zoomsystem 104. Es hat einen Binokulartubus 105, durch den einer Beobachtungsperson mit linkem Beobachterauge 106 und rechtem Beobachterauge 107 das stereoskopische Betrachten eines Objektbereichs 108 ermöglicht wird.The microscope assembly 100 is designed as a surgical microscope. As a lens arrangement, it comprises a focusable main objective system 101 with an object plane 200 from a left observation beam 102 and a right observation beam passage 103 is enforced. The microscope assembly 100 Contains a stepless zoom system 104 , It has a binocular tube 105 by an observer with a left eye watch 106 and right eye watch 107 the stereoscopic viewing of an object area 108 is possible.

In der Mikroskopieanordnung 100 ist ein Beleuchtungssystem 109 mit Lichtquelle 110 vorgesehen. Das Beleuchtungssystem 109 umfasst ein Filterrad 111 mit unterschiedlichen Filtern für Beleuchtungslicht, die in den Beleuchtungsstrahlengang 109a eingeschwenkt werden können.In the microscope arrangement 100 is a lighting system 109 with light source 110 intended. The lighting system 109 includes a filter wheel 111 with different filters for illumination light, which are in the illumination beam path 109a can be swung.

Der Beleuchtungsstrahlengang 109a wird über eine Objektlinse 112 und einen Umlenkspiegel 113 zum Objektbereich 108 geführt.The illumination beam path 109a is via an object lens 112 and a deflecting mirror 113 to the object area 108 guided.

Dem Beleuchtungssystem 109 ist eine Beleuchtungssystem-Steuereinheit 140 zugeordnet. Diese dient zur Steuerung des Lampenstroms für die Lichtquelle 110 und zur Einstellung des Filterrads 111.The lighting system 109 is a lighting system control unit 140 assigned. This serves to control the lamp current for the light source 110 and to adjust the filter wheel 111 ,

Durch geeignete Wahl von Lampenstrom und Filterradeinstellung kann Wellenlängenspektrum und Intensität des Beleuchtungslichts für den Objektbereich 108 definiert eingestellt werden.By suitable choice of lamp current and filter wheel adjustment, wavelength spectrum and intensity of the illumination light for the object area 108 be set defined.

Die Mikroskopieanordnung 100 umfasst weiter ein Filterrad 151 und ein Filterrad 152 mit entsprechenden Filterrad-Steuereinheiten 153 und 154. Durch Verstellen der Filterräder 151, 152 können unterschiedliche Filter für Beobachtungslicht zwischen dem Hauptobjektivsystem 101 und dem steuerbaren Zoomsystem 104 in den linken und rechten Beobachtungsstrahlengang 102, 103 geschwenkt werden. Dies ermöglicht insbesondere, die Mikroskopieanordnung 100 in einem Fluoreszenzmodus zu betreiben, in welchem der Objektbereich 130 mit einem geeigneten Fluoreszenzfarbstoff markiert ist, der mit Licht passender Wellenlänge aus dem Beleuchtungssystem 109 zu Fluoreszenz angeregt wird. Indem über die Filterräder 111 sowie 151 und 152 solche Filter in die Strahlengänge für Beleuchtungs- und Beobachtungslicht geschaltet werden, welche Beleuchtungslicht im Spektralbereich der Wellenlänge von Fluoreszenzlicht unterdrücken und die Beobachtungslicht im Wellenlängenbereich der Anregungsbande für Fluoreszenz ausfiltern, ist es möglich, mittels der Mikroskopieanordnung 100 fluoreszierende Strukturen im Objektbereich 108 mit gutem Kontrast zu visualisieren.The microscope assembly 100 further includes a filter wheel 151 and a filter wheel 152 with corresponding filter wheel control units 153 and 154 , By adjusting the filter wheels 151 . 152 can use different filters for observation light between the main lens system 101 and the controllable zoom system 104 in the left and right observation beam path 102 . 103 be panned. This allows in particular, the microscope assembly 100 in a fluorescent mode in which the object area 130 is labeled with a suitable fluorescent dye, which is light of the appropriate wavelength from the illumination system 109 is excited to fluorescence. By over the filter wheels 111 such as 151 and 152 Such filters are switched into the beam paths for illumination and observation light, which suppress illumination light in the spectral range of the wavelength of fluorescent light and filter out the observation light in the wavelength range of the excitation band for fluorescence, it is possible by means of the microscope assembly 100 fluorescent structures in the object area 108 to visualize with good contrast.

In der Mikroskopieanordnung 100 ist eine Kameraeinheit 114 und eine Kameraeinheit 115 vorgesehen. Der Kamera 114 wird über einen Strahlteiler 116 Bildinformation aus dem linken Beobachtungsstrahlengang 102 zugeführt. Der Kameraeinheit 115 ist ein Strahlteiler 117 im rechten Beobachtungsstrahlengang 103 zugeordnet.In the microscope arrangement 100 is a camera unit 114 and a camera unit 115 intended. The camera 114 is via a beam splitter 116 Image information from the left observation beam path 102 fed. The camera unit 115 is a beam splitter 117 in the right observation beam path 103 assigned.

Weiter umfasst die Mikroskopieanordnung Displayeinheiten 118 und 119, die über Strahlteiler 120 und 121 das Einspiegeln von Bildinformation in den linken und rechten Beobachtungsstrahlengang 102, 103 ermöglichen.Furthermore, the microscope assembly comprises display units 118 and 119 , which have beam splitters 120 and 121 the mirroring of image information in the left and right observation beam path 102 . 103 enable.

Zwischen den Strahlengang 116 sowie 117 und dem steuerbaren Zoomsystem 104 gibt es im linken und rechten Beobachtungsstrahlengang 102, 103 jeweils eine einstellbare Aperturblende 122 und 123. Darüber hinaus ist der Kameraeinheit 114 eine steuerbare Aperturblende 124 zugeordnet. Entsprechend befindet sich im Abbildungsstrahlengang für die Kameraeinheit 115 eine Aperturblende 125.Between the beam path 116 such as 117 and the controllable zoom system 104 There are in the left and right observation beam path 102 . 103 each an adjustable aperture 122 and 123 , In addition, the camera unit 114 a controllable aperture diaphragm 124 assigned. Accordingly located in the imaging beam path for the camera unit 115 an aperture stop 125 ,

Im Binokulartubus 105 der Mikroskopieanordnung 100 steht im linken und rechten Beobachtungsstrahlengang 102, 103 jeweils ein Zwischenbild 126, 127, das über eine Okularlinse 128, 129 im Binokulartubus 105 nach unendlich abgebildet wird.In the binocular tube 105 the microscope assembly 100 is in the left and right observation beam path 102 . 103 one intermediate picture each 126 . 127 that has an eyepiece lens 128 . 129 in the binocular tube 105 is shown to infinity.

Über einen Schärfentiefenbereich 130 wird von einer Beobachtungsperson das Zwischenbild 125, 126 im Binokulartubus 105 des Objektbereich 108 als scharfe Abbildung wahrgenommen.About a depth of field 130 becomes the intermediate image of an observer 125 . 126 in the binocular tube 105 of the object area 108 perceived as a sharp figure.

Der Schärfentiefenbereich 130 für die jeweiligen Beobachtungsstrahlgänge 102, 103 ist von der durch den objektseitigen Öffnungswinkel bestimmten numerischen Apertur NA₁₀₂, NA₁₀₃ für das Beobachtungslicht im linken und rechten Beobachtungsstrahlengang 102, 103, von der mit dem Zoomsystem 104 und dem fokussierbaren Hauptobjektivsystem 101 eingestellten Vergrößerung β₁₀₂, β₁₀₃ und der Wellenlänge λ des Beobachtungslichts bestimmt.The depth of field 130 for the respective observation beam paths 102 . 103 is from the by the object-side opening angle determined numerical aperture NA ₁₀₂ , NA ₁₀₃ for the observation light in the left and right observation beam path 102 . 103 , from the one with the zoom system 104 and the focusable main lens system 101 set magnification β ₁₀₂ , β ₁₀₃ and the wavelength λ of the observation light.

Die Schärfentiefe des mittels der Kameraeinheiten 114 und 115 erfassten Beobachtungsbildes hängt entsprechend von der numerischen Apertur NA₁₃₃, NA₁₃₄ des Abbildungsstrahlenganges 133, 134 mit objektseitigen Öffnungswinkeln 135, 136 zu den Kameras 114, 115, der optischen Vergrößerung β₁₁₄, β₁₁₅ des Kamerabildes sowie der Wellenlänge des Lichts λ im Abbildungsstrahlengang zu den Kameras ab.The depth of field of the camera units 114 and 115 captured observation image depends on the numerical aperture NA ₁₃₃ , NA _{134 of} the imaging beam _path 133 . 134 with object-side opening angles 135 . 136 to the cameras 114 . 115 , the optical magnification β ₁₁₄ , β _{115 of} the camera image and the wavelength of the light λ in the imaging beam path to the cameras.

Bei der Mikroskopieanordnung 100 ist eine Schärfentiefen-Berechnungseinheit 160 vorgesehen. Die Schärfentiefen-Berechnungseinheit 160 ist über eine Datenleitung 161 mit einer Steuereinheit 162 für ein Zoomsystem 104 und über eine Datenleitung 163 mit einer Steuereinheit 164 für das fokussierbare Hauptobjektivsystem 101 verbunden. Mittels der Datenleitungen 141 und 142 wird der Schärfentiefen-Berechnungseinheit 160 die Einstellungsinformation des Hauptobjektivsystems 101 und des Zoomsystems 104 zugeführt.In the microscopy arrangement 100 is a depth of field calculation unit 160 intended. The depth of field calculation unit 160 is via a data line 161 with a control unit 162 for a zoom system 104 and via a data line 163 with a control unit 164 for the focusable main lens system 101 connected. By means of the data lines 141 and 142 becomes the depth of field calculation unit 160 the setting information of the main lens system 101 and the zoom system 104 fed.

Die Mikroskopieanordnung enthält darüber hinaus Datenleitungen 165, 166, 167 und 168 zu Steuereinheiten 170, 171, 172 und 173 für die Aperturblenden 122 und 123 im linken bzw. rechten Beobachtungsstrahlengang 102 bzw. 103 und die Aperturblenden 124 und 125 für die Kameraeinheiten 114 bzw. 115 erhält die Schärfentiefen-Berechnungseinheit 140 entsprechend der Einstellungsinformation über den Blendenöffnungs-Durchmesser der Aperturblenden 122, 123, 124 und 125.The microscope assembly also contains data lines 165 . 166 . 167 and 168 to control units 170 . 171 . 172 and 173 for the aperture stops 122 and 123 in the left and right observation beam path 102 respectively. 103 and the aperture stops 124 and 125 for the camera units 114 respectively. 115 gets the depth of field calculation unit 140 according to the setting information about the aperture diameter of the aperture stops 122 . 123 . 124 and 125 ,

Einstellungsinformation zu dem Beleuchtungssystem 109 wird der Schärfentiefen-Berechnungseinheit 160 mittels einer Datenleitung 181 von der Beleuchtungssystem-Steuereinheit 140 zugeführt.Setting information to the lighting system 109 becomes the depth of field calculation unit 160 by means of a data line 181 from the lighting system control unit 140 fed.

Weiter umfasst die Mikroskopieanordnung Datenleitungen 182 und 183, welche zur Übertragung von Information betreffend der Einstellung der Filterräder 151 und 153 in den Beobachtungsstrahlengängen an die Schärfentiefen-Berechnungseinheit 160 vorgesehen sind.Furthermore, the microscope assembly comprises data lines 182 and 183 , which is used to transmit information concerning the setting of the filter wheels 151 and 153 in the observation beam paths to the depth of field calculation unit 160 are provided.

Die Schärfentiefen-Berechnungseinheit 160 umfasst eine Bedieneinheit 191 sowie eine Anzeigeeinheit 192. Mittels der Bedieneinheit 191 kann sie von einer Beobachtungsperson in einem Berechnungsmodus versetzt werden. In diesem Berechnungsmodus wird in der Schärfentiefen-Berechnungseinheit 160 die Schärfentiefe ST_ZB126 und ST_ZB127 der Zwischenbilder 126 und 127 im Binokulartubus 125 sowie die Schärfentiefe ST_K114 bzw. ST_K115 der mittels der Kamera 114 und 115 erfassten Bilder entsprechend der folgenden Beziehung ermittelt:

The depth of field calculation unit 160 includes a control unit 191 and a display unit 192 , By means of the control unit 191 it can be moved by an observer in a calculation mode. In this calculation mode, in the depth of field calculation unit 160 the depth of field ST _ZB126 and ST _{ZB127 of} the intermediate _images 126 and 127 in the binocular tube 125 as well as the depth of field ST _K114 or ST _K115 by means of the camera 114 and 115 captured images determined according to the following relationship:

Die ermittelten Werte für die entsprechenden Schärfentiefen werden auf der Anzeigeeinheit 192 angezeigt. Auf diese Weise wird eine Beobachtungsperson in die Lage versetzt, Beleuchtungssystem, Zoomsystem und Aperturblenden für optimale Schärfentiefe zu konfigurieren.The determined values for the corresponding depths of field are displayed on the display unit 192 displayed. In this way, an observer is able to configure the illumination system, zoom system and aperture stops for optimum depth of field.

Der Schärfentiefen-Berechnungseinheit 160 ist eine benutzerbetätigbare Fokusversatz-Einstelleinheit 190 zugeordnet, die in einem ersten und in einem zweiten Betriebszustand betrieben werden kann: Bei Betätigung der Fokusversatz-Einstelleinheit 190 in dem ersten Betriebszustand gibt diese ein Stellsignal an die Steuereinheit 164 für das Hauptobjektivsystem 101 ab, um den Fokus F des Hauptobjektivsystems 102 um einen wählbaren Betrag F₁ = α × ST_ZB126 oder F₁ = α × ST_ZB127 bzw. F₁ = α × ST_K114 oder F₁ = α × ST_K115 in Richtung des Pfeils 198 aus dem Objektbereich 108 heraus zu verlagern, wobei 0 < α ≤ 1 und vorzugsweise α = 0.5.The depth of field calculation unit 160 is a user-operable focus offset adjustment unit 190 which can be operated in a first and in a second operating state: When the focus offset adjustment unit is operated 190 in the first operating state, this gives an actuating signal to the control unit 164 for the main lens system 101 down to the focus F of the main lens system 102 by a selectable amount F ₁ = α × ST _ZB126 or F ₁ = α × ST _ZB127 or F ₁ = α × ST _K114 or F ₁ = α × ST _K115 in the direction of the arrow 198 from the object area 108 out, where 0 <α ≤ 1 and preferably α = 0.5.

Wird die Fokusversatz-Einstelleinheit 190 in dem zweiten Betriebszustand betrieben, gibt diese ein Stellsignal an die Steuereinheit 164 für das Hauptobjektivsystem 101 ab, um den Fokus F des Hauptobjektivsystems 101 um einen wählbaren Betrag F₂ = α × ST_ZB126 oder F₂ = α × ST_ZB127 bzw. F₂ = α × ST_K114 oder F₂ = α × ST_K115 in Richtung des Pfeils 199 aus dem Objektbereich 108 heraus zu verlagern, wobei 0 < α ≤ und vorzugsweise α = 0.5.Will the focus offset adjustment unit 190 operated in the second operating state, this gives an actuating signal to the control unit 164 for the main lens system 101 down to the focus F of the main lens system 101 by a selectable amount F ₂ = α × ST _ZB126 or F ₂ = α × ST _ZB127 or F ₂ = α × ST _K114 or F ₂ = α × ST _K115 in the direction of the arrow 199 from the object area 108 out, where 0 <α ≤ and preferably α = 0.5.

2 zeigt das Hauptobjektivsystem 101 der Mikroskopieanordnung 100 aus 1 mit den Beobachtungsstrahlengängen 102 und 103 in einem ersten Fokussierzustand bei einer Einstellung ohne Fokusversatz. 2 shows the main lens system 101 the microscope assembly 100 out 1 with the observation beam paths 102 and 103 in a first focus state at a setting without focus offset.

In 3 ist das Hauptobjektivsystem 101 der Mikroskopieanordnung in einem zweiten Fokussierzustand bei einem entsprechenden Fokusversatz F₁ in Richtung des Hauptobjektivsystems 101 gezeigt. Diese Einstellung des Fokusversatzes ist für das Operieren in einem tiefen und engen Operationskanal, wie er bei Bezugszeichen 301 in 3 gezeigt ist, günstig. So kann einerseits gewährleistet werden, dass mit der Mikroskopieanordnung der Bodenabschnitt 302 des Operationskanals 301 scharf zu sehen ist, und andererseits, dass nicht nur der Frontabschnitt 303 eines chirurgischen Instruments 304, das in den Operationskanal 301 geführt wird, sondern auch dessen Mittenabschnitt 305, was ein besonders präzises Arbeiten mit dem Instrument 304 für den Operateur ermöglicht.In 3 is the main lens system 101 the microscope assembly in a second focus state with a corresponding focus offset F ₁ in the direction of the main lens system 101 shown. This adjustment of the focus offset is for operating in a deep and narrow operation channel, as with reference numerals 301 in 3 shown is cheap. Thus, on the one hand, it can be ensured that with the microscopy arrangement the bottom section 302 of the surgical canal 301 sharp, and on the other hand, that not just the front section 303 a surgical instrument 304 that enters the operation channel 301 is guided, but also the middle section 305 What a particularly precise work with the instrument 304 for the surgeon.

In 4 zeigt das Hauptobjektivsystem 101 der Mikroskopieanordnung bei einem Fokusversatz F₂ des Hauptobjektivsystems 101 in Richtung der Objektebene 200. Diese Einstellung kann sich insbesondere für das Visualisieren von Strukturen in transparenten Objektbereich als günstig erweisen.In 4 shows the main lens system 101 the microscope assembly at a focus offset F _{2 of} the main lens system 101 in the direction of the object plane 200 , This setting can be particularly beneficial for visualizing structures in transparent object areas.

Die erläuterte Mikroskopieanordnung ist vorteilhafterweise mit einem Autofokussystem ausgestattet, die ein automatisiertes Scharfstellen des Systems auf einen Objektbereich ermöglicht. Die Mikroskopieanordnung kann jedoch genauso gut als System für manuelles Scharfstellen auf eine Objektebene ausgelegt sein.The explained microscopy arrangement is advantageous equipped with an autofocus system, which is an automated Focusing the system on an object area allows. However, the microscopy arrangement can just as well be used as a system for be manually focused on an object level.

Die Mikroskopieanordnung kann auch ein Head Mounted Display (HMD) umfassen. Es ist nicht erforderlich, dass bei der Mikroskopieanordnung optische Beobachtungsstrahlengänge zu einem Beobachterauge geführt werden. Das Bild des Objektbereichs mit erhöhter Schärfentiefe kann z. B. auch auf einem externen Monitor angezeigt werden.The Microscope assembly may also include a Head Mounted Display (HMD). It is not necessary that in the microscope assembly optical observation beam paths be led to an observer eye. The image of the object area with increased depth of field z. B. also on one external monitor.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

- JP 2006122232 A2 [0002]
DE 102005011781 A1 [0002]
WO 2007/090591 A1 [0010]

Claims

Microscopy arrangement ( 100 ) for viewing an object ( 108 ) or an intermediate image generated by an object ( 126 . 127 ), in particular in microsurgery, comprising: - a lens arrangement ( 101 ) with an object plane ( 200 ) to the arrangement of the object to be considered or intermediate image; A focus offset adjustment unit ( 190 ), which transmits a focus offset signal to an adjustment unit for the objective arrangement ( 101 ) to the lens assembly ( 101 Defocus defined relative to a focus state; characterized in that - a depth-of-field calculation unit ( 160 ) provided with the focus offset adjustment unit ( 190 ) and when activated from adjustment parameters of the microscopy device ( 100 ) calculates a depth of field value (ST); wherein - the focus offset adjustment unit ( 160 ) generates a focus offset signal that corresponds to a focus offset (F ₁ , F ₂ ) for the objective arrangement ( 102 ) by a fraction of the calculated depth of field (ST) in the direction ( 198 ) of the object arrangement ( 101 ) or in the direction ( 199 ) of the object level ( 200 ) corresponds.

Microcopy arrangement according to Claim 1, characterized in that the adjustment parameters are the numerical aperture (NA ₁₀₂ , NA ₁₀₃ , NA ₁₃₃ , NA ₁₃₄ ) of an imaging beam path ( 102 . 103 . 133 . 134 ) of the microscope assembly ( 100 ).

Microscopy arrangement according to claim 2, characterized in that the imaging beam path is a visual imaging beam path ( 102 . 103 ).

Microscopy arrangement according to claim 2, characterized in that the imaging beam path is a camera imaging beam path ( 133 . 134 ).

Microscopy arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the adjustment parameters increase the magnification (β) of an imaging beam path ( 102 . 103 . 133 . 134 ) of the microscope assembly ( 100 ).

Microscope arrangement according to one of the preceding Claims, characterized in that the adjustment parameters a wavelength (λ) for observation light include.

Microscope arrangement according to claim 6, characterized that the wavelength is in the range 490 nm to 510 nm and that it is preferably 500 nm.

Microscope arrangement according to claim 6, characterized the wavelength lies in the range 820 nm to 900 nm and that it is preferably 840 nm.

Microscope arrangement according to claim 6, characterized that the wavelength is in the range 620 nm to 740 nm and that it is preferably 630 nm or 704 nm.

Microscope arrangement according to claim 6, characterized that the wavelength is in the range 520 nm to 530 nm

Microscope arrangement according to claim 6, characterized that the wavelength is in the range 540 nm to 560 nm and that it is preferably 550 nm.

Microscope arrangement according to claim 6, characterized that the wavelength is 509 nm or 461 nm or 556 nm or 480 nm or 510 nm or 528 nm or 565 nm.

Microscope arrangement according to one of claims 1 to 12, characterized in that the focus offset F ₁ , F ₂ for the objective arrangement ( 101 ) corresponds to the fraction 0.5 of the calculated depth of field value (ST).

Method for adjusting a microscope arrangement ( 100 ) with the features of claims 1 to 13, characterized in that - from adjustment parameters of the microscope assembly ( 100 ) a depth of field value (ST) is calculated; and a focus offset (F ₁ ) are set which is a fraction of the calculated depth of field (ST) in the direction ( 198 ) of the objective arrangement ( 101 ) corresponds; or - a focus offset F _{2 is} set which is a fraction of the calculated depth of field value (ST) in the direction ( 199 ) of the object level ( 200 ) corresponds.