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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Kameraadapter für
ein medizinisch optisches Beobachtungsgerät, insbesondere
für ein Operationsmikroskop. Daneben betrifft die vorliegende
Erfindung eine Kombination aus einem Kameraadapter und einer Kamera.
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Für
die fotografische oder videotechnische Aufnahme eines Beobachtungsobjektes
sind bei Forschungsmikroskopen häufig so genannte Fototuben
vorhanden. Im Falle eines stereoskopischen Mikroskops ist dann bspw.
zusätzlich zu den beiden Okularstutzen ein dritter Stutzen
vorhanden, an den in der Regel ein Kameragehäuse ohne Kameraobjektiv
angeschlossen wird. Aus
DE
200 10 121 U1 sind aber auch Kameraadapter mit einer Befestigungsvorrichtung
für eine Kamera bekannt, die das Verwenden einer Kamera
mit Objektiv an den Fotostutzen ermöglichen. Falls ein
Fototubus am Mikroskop nicht vorhanden ist, kann ein Kameraadapter,
wie er in
US 2001/0048549
A1 beschrieben ist zum Einsatz kommen, um eine Kamera an
einen Okularstutzen eines Okulartubus anzuschließen.
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Die
beiden genannten Varianten zum Anschließen einer Foto-
oder Videokamera an ein Mikroskop eigenen sich in der Regel jedoch
nicht für den Anschluss einer Kamera an ein Operationsmikroskop.
Ursache hierfür ist, dass ein das Operationsmikroskop benutzender
Arzt möglichst wenig durch eine Kamera behindert werden
soll. Außerdem ist das Anordnen einer Auskopplungsvorrichtung
für den Fototubus im binokularen Strahlengang des Beobachters
bei einem Operationsmikroskop nicht immer ohne weiteres möglich.
Bspw. werden in der Mikrochirurgie häufig bewegliche Tuben,
so genannte Schwenktuben, eingesetzt, um ein Operationsmikroskop
an die Operationssituation ergonomisch anpassen zu können.
Bei Schwenktuben ist der Einsatz einer Auskopplungseinrichtung im
binokularen Tubus nicht möglich.
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Das
Verwenden einer Kamera an einem Okularstutzen des Stereotubus des
Operationsmikroskops ist von vornherein ausgeschlossen, da während
einer Operation beide Okularstufen vom Arzt selbst benötigt
werden und daher ein solcher Okularstutzen für das Anbringen
einer Kamera nicht zur Verfügung steht. Im Falle von Operationsmikroskopen
befindet sich die Auskopplungseinrichtung mit einem Kamerastutzen
daher im Bereich des parallelen Strahlengangs zwischen dem Vergrößerungswechsler
und dem Binokulartubus. An einem solchen Ausgang werden dann Adapter
angebracht, die mit einer Zusatzoptik versehen sind, welche das Abbilden
des mit dem Mikroskop betrachteten Objekts auf den Kamerachip ermöglichen.
Ein solcher Ausgang zum Anschluss einer Kamera sowie entsprechende
Adapter sind bspw. in
US 5,835,266 und
US 5,264,928 beschrieben.
Adapter zur Verwendung an derartigen Kameraausgängen eines
Operationsmikroskops sind außerdem in
US 2008/0152337 A1 und
WO 01/799 10 A1 beschrieben.
Die beschriebenen Adapter weisen abgewinkelte Optiken mit einem
Spiegel oder einem Prisma innerhalb der Adapteroptik auf, mit deren
Hilfe das Bild auf dem Bildsensor der Kamera höhen- und
seitenrichtig dargestellt wird. Die höhen- und seitenrichtige Darstellung
ist insbesondere bei Videoaufnahmen, die einem Assistenten oder
sonstigem Hilfspersonal während der Operation dargeboten
werden, wichtig, da die höhen- und seitenrichtige Darstellung
für das Operationspersonal von essentieller Bedeutung ist.
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Der
Kameraadapter gemäß
US
5,264,928 umfasst zwar auch einen nicht abgewinkelten Strahlengang,
jedoch ist dieser lediglich zum Anschluss einer Fotokamera vorgesehen.
Bilder einer Fotokamera, die für den behandelnden Arzt
oder das Hilfspersonal während der Operation ohne aktuelle
Bedeutung sind, erfordern jedoch keine höhen- und seitenrichtige
Darstellung des Operationssitus. Die Videokamera ist hingegen auch
US 5,264,928 über
einen abgewinkelten Strahlengang am Kameraadapter angebracht.
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Die
Kameraadapter mit abgewinkelten Optiken weisen ein großes
Bauvolumen und viele optische Elemente auf. Weiterhin ist ihre Konstruktion
und Justage aufwendig und das Erreichen einer hinreichend guten Bildqualität
der Adapteroptik ist extrem schwierig.
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Es
ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Kameraadapter
für ein medizinisch optisches Beobachtungsgerät
zur Verfügung zu stellen, welcher sich insbesondere für
den Anschluss einer Videokamera eignet, der ein geringes Bauvolumen
aufweist und mit dem sich eine hinreichend gute Bildqualität
der Adapteranordnung realisieren lässt. Eine weitere Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eine vorteilhafte Kamera-Adapter-Kombination
für ein medizinisches Beobachtungsgerät zur Verfügung
zu stellen.
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Die
erste Aufgabe wird durch einen Kameraadapter nach Anspruch 1 gelöst,
die zweite Aufgabe durch eine Kamera-Adapter-Kombination nach Anspruch
20. Die abhängigen Ansprüche enthalten vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindungen.
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Ein
erfindungsgemäßer Kameraadapter zum Anschluss
einer Kamera an eine Schnittstelle eines medizinisch optischen Beobachtungsgerätes,
welches einen parallelen Strahlengang umfasst und in dem sich die Schnittstelle
im parallelen Strahlengangs befindet, umfasst einen Geräteanschlussteil
zum Anschluss an die Schnittstelle des medizinisch optischen Beobachtungsgeräts
und einen Kameraanschlussteil zum Anschluss einer Kamera. Der Kameraanschlussteil
kann hierbei insbesondere einen Bajonettverschluss oder einen so genannten
C-Mount-Anschluss aufweisen. Im erfindungsgemäßen
Kameraadapter verläuft der Strahlengang entlang einer linearen
optischen Achse, d. h. es sind keine Spiegel oder Prismen zum Ablenken
des Strahlengangs vorhanden. Weiterhin weist der erfindungsgemäße
Kameraadapter eine Objektivlinsenkombination mit einer Brennweite
im Bereich zwischen 45 mm und 120 mm auf, wobei in der Objektivlinsenkombination
geräteseitig führend eine Linse oder Linsenkombinationen
mit einer positiven Teilbrennweite vorhanden ist, auf die zur Kameraseite
hin eine Linse oder Linsenkombinationen mit einer negativen Teilbrennweite
folgt. Das medizinisch optische Beobachtungsgerät kann
hierbei bspw. eine Endoskop oder eines Operationsmikroskop sein.
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Die
im erfindungsgemäßen Kameraadapter zur Anwendung
kommende Objektivlinsenkombination und die lineare optische Achse,
also der Verzicht auf eine abgewinkelte optische Achse, ermöglichen
eine im Vergleich zu Kameraadaptern aus dem Stand der Technik verkürzte
Baulänge des erfindungsgemäßen Kameraadapters,
Die Erfindung beruht dabei u. a. auf der Erkenntnis, dass bei der
heutzutage üblichen Verwendung elektronischer Bildsensoren,
bspw. von CCD-Sensoren oder CMOS-Sensoren, eine elektronische Bildaufrichtung
möglich ist, um eine höhen- und seitenrichtige
Darstellung des Beobachtungsobjekts zu erreichen, und dass somit
auf ablenkende optische Elemente wie Spiegel oder Prismen im Adapter
verzichtet werden kann.
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Mit
der beschriebenen Objektivlinsenkombination und der linearen optischen
Achse lassen sich optische Strecken von der optischen Achse des
Strahlengangs im medizinisch optischen Beobachtungsgerät,
an dem der Kameraadapter angekoppelt ist, bis zur Referenzebene
des Kameraanschlussteils < 72
mm, insbesondere < 6
mm und weiter insbesondere < 60
mm erzielen. Falls das Kameraanschlussteil als C-Mount-Anschluss
ausgebildet ist, ist diese Referenzebene die C-Mount-Referenzebene
des Kamerakopfes. Insbesondere bei Operationsmikroskopen lässt
sich durch die verringerten Abmessungen der optischen Strecke eine Behinderung
des operierenden Arztes durch den Kameraadapter zuverlässig
vermeiden.
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In
einer ersten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Kameraadapters umfasst die Objektivlinsenkombination eine geräteseitige
führende Linse oder Linsenkombination mit positiver Teilbrennweite
und eine kameraseitig abschließende Linse oder Linsenkombination
mit negativer Teilbrennweite aufweist. Die geräteseitige
führende Linse oder Linsenkombination kann hierbei in einer
speziellen Variante dieser Ausgestaltung eine Linsenkombination
aus drei Linsen sein, welche zusammen eine positive Teilbrennweite
aufweisen. Als kameraseitig abschließende Linse oder Linsenkombination
umfasst die Objektivlinsenkombination eine Einzellinse mit negativer
Teilbrennweite. Mit einer derartigen Linsenkombination, die sich
als Tele-System charakterisieren lässt, lassen sich mit
wenigen Linsen, insbesondere mit insgesamt nur vier Linsen, Abbildungsfehler, insbesondere
Farbfehler (Chromatische Aberration), Bildschärfefehler
und Bildmaßstabsfehler, sehr gut ausgleichen. Wenn wenigstens
zwei Linsen der geräteseitigen Linsenkombination miteinander
zu einem Kittglied verkittet sind, kann zudem eine achromatische
Ausführung des Objektivlinsensystems mit geringen Reflexen realisiert
werden. Auf diese Weise lässt sich mit nur vier Linsen
eine Abbildungsqualität erreichen, die eine RMS-Abweichung
der Wellenfront von einer mittleren Wellenfront im Beobachtungslicht
führt, die < 0,08
Lambda bei einer Wellenlänge von Lambda = 515,7 Nanometern
ist. Dies entspricht einem Strehlwert > 0,80. Insbesondere lässt sich
mit einer derartigen Linsenkombination eine RMS-Abweichung < 0,05 Lambda (Strehlwert > 0,90) und sogar eine
RMS-Abweichung < 0,03
Lambda (Strehlwert > 0,95)
erreichen.
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Die
Objektivlinsenkombination mit einer gräteseitig führenden
Linsenkombination aus drei geräteseitigen Linsen, wovon
zwei miteinander verkittet sind, und einer kameraseitig abschließenden
Linse kann insbesondere so ausgestaltet sein, dass die Linsenflächen
der geräteseitig führenden Linsenkombination von
der Geräteseite zur Kameraseite gesehen einen positiven
oder negativen Krümmungsradius, einen negativen Krümmungsradius,
einen negativen oder positiven Krümmungsradius, einen positiven
Krümmungsradius und einen positiven oder negativen Krümmungsradius
aufweisen. Die Linsenflächen der kameraseitig abschließenden
Linse weisen dann von der Geräteseite zur Kameraseite gesehen
einen positiven Krümmungsradius und einen positiven Krümmungsradius
auf.
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Im
Kameraadapter gemäß der ersten Ausgestaltung kann
die Gesamtbrennweite der Objektivlinsenkombination im Bereich zwischen
40 mm und 120 mm und insbesondere im Bereich zwischen 45 und 75
mm liegen. Bspw. kann die Gesamtbrennweite im Bereich zwischen 40
mm und 80 mm, insbesondere zwischen 45 mm bis 55 mm, oder im Bereich
zwischen 55 mm und 120 mm, insbesondere im Bereich zwischen 55 mm und
75 mm, liegen Der Betrag der Teilbrennweite der kameraseitig abschließenden
Linse oder Linsenkombination kann kleiner als 110 mm sein, insbesondere
kann er kleiner als 95 mm, kleiner als 85 mm, kleiner als 80 mm,
kleiner als 70 mm oder kleiner als 62 mm sein.
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In
einer ersten Spezifizierung der ersten Ausgestaltung ist der erfindungsgemäße
Kameraadapter so ausgestaltet, dass er sich insbesondere für
die Verwendung einer Kamera mit einem 1/3-Zoll Bildsensor (mit einer
Sensordiagonale von 6 mm) eignet. In diesem speziellen Kameraadapter
liegt die Gesamtbrennweite der Objektivlinsenkombination im Bereich
von 40 mm bis 80 mm, insbesondere im Bereich von 45 mm bis 55 mm. Der
Betrag der Teilbrennweite der kameraseitig abschließenden
Linse oder Linsenkombination ist dann < 80 mm, insbesondere < 70 mm und weiter
insbesondere < 62
mm. In dieser Ausgestaltung ist ein Abstand zwischen der optischen
Achse des Strahlengangs im medizinisch optischen Beobachtungsgerät,
an dem der Kameraadapter angekoppelt ist, und dem Kameraanschlussteil < 72 mm erzielbar.
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In
einer zweiten Spezifizierung der ersten Ausgestaltung ist der erfindungsgemäße
Kameraadapter insbesondere für die Verwendung mit einer
Kamera geeignet, die einen 1/2-Zoll Bildsensor (mit einer Sensordiagonale
von 8 mm) aufweist. In diesem speziellen Kameraadapter liegt die
Gesamtbrennweite der Objektivlinsenkombination im Bereich zwischen
55 mm und 120 mm, insbesondere im Bereich zwischen 55 mm und 75
mm, und der Betrag der Teilbrennweite der kameraseitig abschließenden
Linse oder Linsenkombination ist < 110
mm, insbesondere < 95
mm, weiter insbesondere < 85
mm. Auch in dieser Ausgestaltung ist ein Abstand zwischen der optischen
Achse des Strahlengangs im medizinisch optischen Beobachtungsgerät,
an dem der Kameraadapter angekoppelt ist, und dem Kameraanschlussteil < 72 mm, insbesondere < 66 mm und weiter insbesondere < 60 mm möglich.
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In
der ersten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Kameraadapters kann die kameraseitig abschließende Linse
oder Linsenkombination mit großem Abstand von der geräteseitig
führend Linsenkombination angeordnet sein, insbesondere
mit einem Abstand, der mindestes einer Linsendicke der kameraseitig
abschließende Linse entspricht. Alternativ kann die kameraseitig
abschließende Linse oder Linsenkombination mit geringem
Abstand von der geräteseitig führend Linsenkombination
angeordnet sein, insbesondere mit einem Abstand von weniger als
einer Linsendicke der kameraseitig abschließenden Linse
(im Folgenden als „kompaktes Tele-System” bezeichnet).
Der Abstand kann dabei auch Null sein, so dass die kameraseitig
abschließende Linse oder Linsenkombination die geräteseitig
führend Linsenkombination berührt.
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In
einer zweiten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Kameraadapters folgt in der Objektivlinsenkombination der Linse
oder Linsenkombinationen mit der negativen Teilbrennweite zur Kameraseite
hin eine Linse oder Linsenkombination mit einer positiven Teilbrennweite.
Auch mit einer derartigen Objektivlinsenkombination, die eine Teilbrennweitenkombination
positiv – negativ – positiv aufweist und sich
als Triplet charakterisieren lässt, lassen sich mit wenigen
Linsen Abbildungsfehler, insbesondere Farbfehler (Chromatische Aberration),
Bildschärfefehler und Bildmaßstabsfehler, sehr
gut ausgleichen. Hierbei kann die Linse oder Linsenkombinationen
mit der negativen Teilbrennweite als insbesondere zwei Linsen umfassendes
Kittglied ausgestaltet sein, wodurch eine achromatische Ausführung
des Objektivlinsensystems mit geringen Reflexen realisiert werden
kann. Weiterhin können die geräteseitig führende
Linse oder Linsenkombination und die auf das Kittglied folgende
Linse oder Linsenkombination als Einzellinsen ausgestaltet sein,
so dass sich die auch die Objektivlinsenkombination der zweiten
Ausgestaltung mit vier Linsen realisieren lässt.
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In
einer Spezifizierung der zweiten Ausgestaltung können die
Linsenflächen der geräteseitig führenden
Einzellinse von der Geräteseite zur Kameraseite gesehen
einen positiven oder negativen Krümmungsradius und einen
positiven oder negativen Krümmungsradius aufweisen, die
Flächen der mittleren Linsenkombination von der Geräteseite
zur Kameraseite gesehen einen positiven Krümmungsradius,
einen negativen Krümmungsradius und einen positiven Krümmungsradius
aufweisen und die Linsenflächen der kameraseitig abschließenden
Einzellinse von der Geräteseite zur Kameraseite gesehen
einen positiven Krümmungsradius und einen positiven oder
negativen Krümmungsradius aufweisen.
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Im
erfindungsgemäßen Kameraadapter kann also die
Objektivlinsenkombination, sei es in Form eines Tele-Systems oder
in Form eines Triplets, so ausgestaltet sein, dass sie insgesamt
nur vier Linsen aufweist. Ein derartiger Kameraadapter ermöglicht
bei moderaten Herstellungskosten eine gute Abbildungsqualität
und eine kompakte Bauform.
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Insgesamt
kann die Baulänge des Adapters also gering gehalten werden,
insbesondere so gering, dass sich die gesamte Optik in das Innere
des Anschlussstutzens der Auskopplungseinrichtung des medizinisch
optischen Beobachtungsgeräts einschieben lässt,
so dass er über den Raumbedarf des Anschlussstutzens hinaus
keinen weiteren Raumbedarf benötigt.
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Vorteilhafterweise
beträgt der Durchmesser der Eintrittspupille des Kameraadapters
weniger als 18 mm und liegt insbesondere Im Bereich zwischen 6 mm
und 16 mm. Insbesondere kann es im Hinblick auf ein Erhöhen
der Schärfentiefe vorteilhaft sein, den Durchmesser der
Eintrittspupille auf einen Wert unter 12 mm zu reduzieren, bspw.
auf einen Wert zwischen 6 mm und 12 mm. Die Eintrittspupille liegt
dabei außerhalb des Kameraadapters selbst und befindet
sich bei einem an der Schnittstelle eines medizinisch optischen
Beobachtungsgerätes angekoppelten Kameraadapter weit im
Innern des medizinisch optischen Bobachtungsgerätes, nämlich
zwischen dem Strahlteiler der Auskopplungsvorrichtung und der Objektivlinse
des Beobachtungsgerätes.
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Um
eine Justierung der Bildlage auf dem Bildsensor zu ermöglichen,
kann der Kameraadapter eine Justiereinrichtung umfassen, mit deren
Hilfe sich eine Relativbewegung zwischen einer montierten Kamera und
der Objektivlinsenkombination senkrecht zur optischen Achse herbeiführen
lässt, insbesondere in zwei Dimensionen.
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Zusätzlich
oder alternativ kann der Kameraadapter eine Justiereinrichtung umfassen,
mit deren Hilfe sich eine Relativbewegung zwischen einer montierten
Kamera und der Objektivlinsenkombination entlang der optischen Achse
herbeiführen lässt, um eine Fokussierung des Bildes
auf dem Bildsensor zu ermöglichen.
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Zur
weiteren Justierung der Bildlage kann der Kameraadapter zusätzlich
oder alternativ einen Verkippmechanismus aufweisen, mit dessen Hilfe
sich eine relative Verkippung zwischen einer montierten Kamera und
der Objektivlinsenkombination herbeiführen lässt.
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Schließlich
kann geräteseitig vor der Objektivlinsenkombination eine
variable Blende vorhanden sein, mit der sich die Beleuchtungsstärke
des Bildsensors und die Schärfentiefe der Abbildung einstellen
lassen. Außerdem kann es sinnvoll sein, die Eintrittspupille
für den Kameraadapter unmittelbar vor dem Adapter oder
in einem kleinen Abstand vor dem Adapter zu definieren bzw. zu begrenzen.
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Eine
erfindungsgemäße Kamera-Adapter-Kombination für
ein medizinisch optisches Beobachtungsgerät, etwa für
ein Endoskop oder ein Operationsmikroskop, weist einen erfindungsgemäßen
Kameraadapter sowie eine am Kameraanschlussteil angeordnete elektronische
Kamera auf, die eine Fotokamera und insbesondere eine Videokamera
sein kann. Die elektronische Kamera umfasst eine Einheit zur elektronischen
Bildspiegelung, insbesondere zu vertikalen und horizontalen Bildspiegelung.
Die elektronische Kamera kann insbesondere eine CCD-Kamera, also
eine Kamera mit einem CCD-Bildsensor, oder CMOS-Kamera, also eine Kamera
mit einem CMOS-Bildsensor, sein.
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Mit
der erfindungsgemäßen Kamera-Adapter-Kombination
lassen sich die Vorteile des erfindungsgemäßen
Kameraadapters in Verbindung mit einer aufrechten und seitenrichtigen
Bilddarstellung realisieren.
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In
der Kamera-Adapter-Kombination kann zudem die elektronische Kamera
eine Einheit zur elektronischen Verschiebung des Bildes senkrecht
zur optischen Achse, insbesondere in zwei Dimensionen, umfassen. In
diesem Fall braucht der Kameraadapter keine Justiereinrichtung zum
Herbeiführen einer Relativbewegung zwischen einer montierten
Kamera und der Objektivlinsenkombination senkrecht zur optischen
Achse zu umfassen.
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In
der erfindungsgemäßen Kamera-Adapter-Kombination
kann die Kamera insbesondere drei Bildsensoren und einen Farbteiler-Prismenblock
aufweisen. Kameras mit drei Bildsensoren derselben Größe
wie bei einer Kamera mit einem einzigen Bildsensor liefern eine
höhere Auflösung und eignen sich insbesondere
zum Aufnehmen bewegter Farbbilder. Außerdem ist eine Farbinterpolation
wie bei einer Kamera mit nur einem Bildsensor nicht nötig.
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In
einer speziellen Ausgestaltung der Kamera-Adapter-Kombination weist
die elektronische Kamera einen 1/3-Zoll Bildsensor auf, und die
Brennweite der Objektivlinsenkombination im Kameraadapter liegt
im Bereich zwischen 45 und 55 mm, wobei der Betrag der Teilbrennweite
der kameraseitigen Linse oder Linsenkombination < 80 mm, insbesondere < 70 mm und weiter
insbesondere < 62
mm ist. Wie bereits erwähnt, lässt sich in einer
derartigen Ausgestaltung die Objektivlinsenkombination des Kameraadapters
vollständig oder nahezu vollständig in den Anschlussstutzen
des Auskopplungselementes eines optischen Beobachtungsgerätes einschieben,
so dass die Gesamtbaulänge einer am medizinisch optischen
Beobachtungssystem angeordneten Kamera-Adapter-Kombination sehr
gering ist. Gleiches gilt für eine weitere spezielle Ausgestaltung
der Kamera-Adapter-Kombination, in der die elektronische Kamera
wenigstens einen 1/2-Zoll Bildsensor aufweist und in der die Brennweite
der Objektivlinsenkombination im Kameraadapter im Bereich zwischen
55 mm und 75 mm liegt, wobei der Betrag der Teilbrennweite der kameraseitigen
Linse oder Linsenkombination < 110
mm, insbesondere < 95
mm und weiter insbesondere < 85
mm ist.
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Weitere
Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung
ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen
unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren.
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1 zeigt
ein Operationsmikroskop mit einer daran angeordneten Kamera-Adapter-Kombination
in einer schematischen Darstellung.
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2 zeigt
ein erstes Ausführungsbeispiel für den Kameraadapter
in einer schematischen Darstellung.
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3 zeigt
den Kameraadapter des ersten Ausführungsbeispiels in Verbindung
mit einer 3CCD-Kamera.
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4 zeigt
ein zweites Ausführungsbeispiel für den Kameraadapter
in einer schematischen Darstellung.
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5 zeigt
den Kameraadapter des zweiten Ausführungsbeispiels in Verbindung
mit einer 3CCD-Kamera.
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6 zeigt
ein drittes Ausführungsbeispiel für den Kameraadapter
in Verbindung mit einer 3CCD-Kamera.
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7 zeigt
ein viertes Ausführungsbeispiel für den Kameraadapter
in Verbindung mit einer 3CCD-Kamera.
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8 zeigt
eine optische Schnittstelle eines Operationsmikroskops mit einem
daran angeordneten Kameraadapter in einer perspektivischen Darstellung.
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9 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel für den erfindungsgemäßen
Kameraadapter in einer schematischen Darstellung.
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10 zeigt
ein erstes Ausführungsbeispiel für eine in der
erfindungsgemäßen Kamera-Adapter-Kombination Verwendung
findender Kamera in Form eines Blockschaltbildes.
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11 zeigt
ein zweites Ausführungsbeispiel für eine in der
Kamera-Adapter-Kombination Verwendung findende Kamera in Form eines
Blockschaltbildes.
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Nachfolgend
wird mit Bezug auf 1 der grundsätzliche
Aufbau eines Operationsmikroskops mit daran angeordneter Kamera-Adapter-Kombination
erläutert.
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Das
Operationsmikroskop 1 umfasst als wesentliche Bestandteile
ein einem Beobachtungsobjekt 3 zuzuwendendes Objektiv 5,
das im vorliegenden Ausführungsbeispiel als ein aus zwei
miteinander verkitteten Teillinsen aufgebautes Kittglied dargestellt
ist. Das Beobachtungsobjekt 3 wird in der Brennebene des
Objektivs 5 angeordnet, so dass ein vom Beobachtungsobjekt 3 ausgehendes
divergentes Strahlenbündel vom Objektiv 5 nach
Unendlich abgebildet wird, also nach seinem Durchgang durch das
Objektiv 5 in ein paralleles Strahlenbündel 9 umgewandelt
ist. Statt einer einzelnen Objektivlinse, wie sie im vorliegenden
Ausführungsbeispiel Verwendung findet, kann aber auch ein
Objektivlinsensystem aus mehreren Einzellinsen Verwendung finden
wie etwa ein so genanntes Vario-Objektiv, mit dem sich der Arbeitsabstand
des Mikroskops, d. h. der Abstand der Brennebene vom Objektivlinsensystem,
variieren lässt. Auch in einem solchen Vario-System wird das
in der Brennebene angeordnete Beobachtungsobjekt 3 nach
Unendlich abgebildet, so dass auch bei einem Vario-Objektiv bildseitig
ein paralleles Strahlenbündel vorliegt.
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Bildseitig
des Objektivs 5 ist ein Vergrößerungswechsler 11 angeordnet,
der entweder wie im Ausführungsbeispiel als Zoom-System
zur stufenlosen Änderung des Vergrößerungsfaktors
oder als so genanntes Galilei-System zur stufenweisen Änderung
des Vergrößerungsfaktors ausgebildet sein kann.
In einem Zoom-System, das bspw. aus einer Linsenkombination mit
drei Linsen aufgebaut sein kann, können die beiden objektseitigen
Linsen verschoben werden, um den Vergrößerungsfaktor
zu variieren. In einem Galilei-System existieren dagegen mehrere
feste Linsenkombinationen, die im Wechsel in den Strahlengang eingeschoben werden
können. Sowohl das Zoom-System, als auch ein Galilei-Wechsler
wandeln ein objektseitiges paralleles Strahlenbündel in
ein bildseitiges paralleles Strahlenbündel mit einem anderen
Bündeldurchmesser um. Der Vergrößerungswechsler 11 ist
bereits Teil des binokularen Strahlengangs des Mikroskops, d. h.
er weist eine eigene Linsenkombination für jedes stereoskopische
Teilstrahlenbündel 9A, 9B im Operationsmikroskop
auf.
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An
den Vergrößerungswechsler 11 schließt
sich bildseitig eine Schnittstelle 13 an, über
die externe Geräte an das Operationsmikroskop 1 angeschlossen
werden können. Die Schnittstelle 13 dient im vorliegenden
Ausführungsbeispiel zum Auskoppeln der parallelen stereoskopischen
Teilstrahlenbündel 9A, 9B aus dem Operationsmikroskop.
Zusätzlich kann sie auch zum Einkoppeln eines parallelen
Strahlenbündels in das Operationsmikroskop 1,
etwa zum Zwecke der Einspiegelung von Daten oder sonstigen Informationen,
dienen. Sie umfasst im vorliegenden Ausführungsbeispiel
Strahlteilerprismen 15a, 15b, die in den jeweiligen
stereoskopischen Teilstrahlengängen angeordnet sind und
einen Teil des jeweiligen Teilstrahlenbündels 9A, 9B zur
Auskopplung ablenken.
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Bei
dem in 1 dargestellten Operationsmikroskop 1 ist
an der Schnittstelle 13 eine Kamera-Adapter-Kombination 17 angeordnet,
die einen Kameraadapter 19 und eine daran befestigte Kamera 21 mit
wenigstens einem elektronischen Bildsensor 23, bspw. mit
einem CCD-Sensor oder einem CMOS-Sensor, umfasst. Vom Kameraadapter 19 wird
das mittels des Strahlteilerprismas 15b aus dem Strahlengang
des Mikroskops 1 ausgekoppelte parallele Strahlenbündel 25 in
ein konvergentes Strahlenbündel umgewandelt und so das
Beobachtungsobjekt auf den wenigstens einen elektronischen Bildsensor 23 abgebildet.
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Bei
der Kamera 21 kann es sich um eine Fotokamera handeln,
mit der Bilder des Beobachtungsobjekts 3 zu Zwecken der
Dokumentation aufgenommen werden, oder um eine Videokamera, mit
deren Hilfe Videobilder der Operation bspw. für das Operationspersonal
erzeugt werden, die dann auf einem Monitor oder einem sonstigen
Sichtgerät dargestellt werden können.
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Obwohl
im vorliegenden Ausführungsbeispiel lediglich eine Kamera-Adapter-Kombination
dargestellt ist, die ein Teilstrahlenbündel 25 auf
einen elektronischen Kamerachip 23 fokussiert, kann auch
eine weitere Kamera-Adapter-Kombination an der Schnittstelle 13 angeordnet
sein, die ein aus dem anderen Teilstrahlengang ausgekoppeltes paralleles
Strahlenbündel auf einen elektronischen Bildsensor einer
Kamera fokussiert. Es lassen sich dann stereoskopische Bilder oder
stereoskopische Videobilder aufnehmen, die bspw. über Head-Mounted-Display
betrachtet werden können.
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An
die Schnittstelle 13 schließt sich bildseitig
ein Binokulartubus 27 an Dieser weist zwei Tubusobjektive 29a, 29b auf,
welche das jeweilige parallele Strahlenbündel 9a, 9b auf
eine Zwischenbildebene 31 fokussieren, also das Beobachtungsobjekt 3 auf
die jeweilige Zwischenbildebene 31a, 31b abbilden.
Die in den Zwischenbildebenen 31a, 31b befindlichen
Zwischenbilder werden schließlich von Okularlinsen 35a, 35b wiederum
nach Unendlich abgebildet, so dass ein Betrachter, etwa ein behandelnder
Arzt oder sein Assistent, das Zwischenbild mit entspanntem Auge
betrachten können. Außerdem erfolgt im Binokulartubus
mittels eines Spiegelsystems oder mittels Prismen 33a, 33b eine
Vergrößerung des Abstandes zwischen den beiden
Teilstrahlenbündeln 9a, 9b, um diesen
an den Augenabstand des Betrachters anzupassen.
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Ein
erstes Ausführungsbeispiel für den Kameraadapter 19 wird
nachfolgend mit Bezug auf 2 beschrieben.
Die Figur zeigt neben dem Kameraadapter 19 den elektronischen
Bildsensor 23 sowie das im Teilstrahlenbündel 9b angeordnete
Strahlteilerprisma 15b, mit dem das parallele Strahlenbündel 25 aus
dem parallelen Strahlenbündel 9b ausgekoppelt
wird. Weiterhin ist in 2 schematisch die Lage der Eintrittspupille 37,
also die Lage des objektseitigen Bildes der die Apertur des Kameraadapters 19 definierenden Öffnung
eingezeichnet. Es ist zu beachten, dass die Lage der Eintrittspupille 37 lediglich
schematisch eingezeichnet ist und nicht notwendigerweise der exakten
Lage entspricht. Die Lage der Eintrittspupille 37 befindet
sich im Inneren des Operationsmikroskops zwischen dem Strahlteilerprisma 15b und
dem Objektiv 5.
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Der
Kameraadapter 19 umfasst im vorliegenden Ausführungsbeispiel
als Geräteanschlussteil zum Anschluss an die Schnittstelle 13 eine
Steckhülse 41, die fast vollständig in
einen Anschlussstutzen 39 der Schnittstelle 13 eingeschoben
werden kann. Lediglich der Kameraanschlussteil 43 ragt
aus dem Anschlussstutzen 39 heraus. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel
ist der Kameraanschlussteil als so genannter C-Mount 45 ausgebildet,
d. h. der Kameraadapter 19 weist ein entsprechendes Außengewinde
auf. Statt des C-Mounts können grundsätzlich auch
andere Systeme zum Anschluss einer Kamera zur Anwendung kommen, bspw.
ein CS-Mount oder ein Bajonett-Anschluss.
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Eine
Schnittstelle 13 mit zwei Anschlussstutzen 39,
wobei in einem der Anschlussstutzen 39 die Steckhülse 41 eines
Kameraadapters 19 weitgehend eingeführt ist, ist
in 8 perspektivisch dargestellt. Neben dem Anschlussstutzen 39 sind
der Grundkörper 163 der Schnittstelle sowie Öffnungen 165a, 165b für
den Durchtritt der parallelen Teilstrahlenbündel 9a, 9b zu
erkennen. Die im Inneren des Grundkörpers 163 angeordneten
Strahlteilerprismen 15A, 15B sind in der Figur
nicht zu erkennen.
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Der
Kameraadapter 19 umfasst ein Objektivlinsensystem 47,
dessen Gesamtbrennweite 0 im vorliegenden Ausführungsbeispiel
zwischen 45 mm und 55 mm liegt. Dieses Objektivlinsensystem ist
als Tele-Systems ausgebildet und weist eine geräteseitig
führende Linsenkombination 49 auf, welche im vorliegenden
Ausführungsbeispiel drei Einzellinsen 51, 53, 55 beinhaltet.
Die beiden am geräteseitigen Ende der Linsenkombination 49 angeordneten
Einzellinsen 51, 53 sind zu einem Kittglied verkittet,
das zur Farbkorrektur des Objektivlinsensystems 47 beiträgt.
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Kameraseitig
umfasst das Objektivlinsensystem 47 im vorliegenden Ausführungsbeispiel
eine abschließende Einzellinse 57 mit einer negativen
Teilbrennweite, die mit einem Abstand zur Linsenkombination 49 angeordnet
ist, der einem mehrfachen ihrer Dicke entspricht. Der Betrag der
Teilbrennweite dieser kameraseitigen Linse 57 ist kleiner
als 80 mm, insbesondere kleiner als 70 mm und vorzugsweise kleiner
als 62 mm. Ein derart ausgestaltetes Objektivlinsensystem 47 stellt
ein Teleobjektiv dar, also ein Objektiv, dessen Brennweite länger
als seine Baulänge ist.
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Ein
konkretes Beispiel für ein Objektivlinsensystem mit einer
Gesamtbrennweite von 50 mm, das für einen 1/3-Zoll CCD-Chip
optimiert ist, ist in Tabelle 1. wiedergegeben. Die einzelnen optischen
Flächen sind hierbei von der Objektseite des Objektivlinsensystems
zur Bildseite des Objektivlinsensystems mit F0, F1 usw. bezeichnet.
Die Fläche F0 stellt dabei die Eintrittspupille des Objektivlinsensystems
47 dar
und die Fläche F8 die C- Mount-Referenzebene des Kamerakopfes.
Die negative Teilbrennweite der kameraseitigen Einzellinse beträgt
61 mm. Tabelle 1
| Fläche | Krümmungsradius
(mm) | Abstand
zur nächsten Fläche (mm) | Gläser | Brechzahl
bei 535 nm | halber
freier Durchmesser (mm) |
| F0 | 0,00000 | 70,0000 | - | - | 6,000 |
| F1 | 45,91898 | 3,5500 | N-FK51A | 1,48836 | 6,000 |
| F2 | –19,83902 | 1,6170 | N-KZFS2 | 1,56158 | 6,000 |
| F3 | –390,70493 | 0,0500 | | 1,00000 | 6,000 |
| F4 | 18,49298 | 2,9160 | N-FK51A | 1,48836 | 6,000 |
| F5 | 88,25643 | 8,1777 | | 1.00000 | 6,000 |
| F6 | 12,89931 | 1,5810 | N-KZFS11 | 1,64243 | 6,000 |
| F7 | 9,25070 | 12,4950 | | 1,00000 | 5,500 |
| F8 | 0,00000 | - | | - | - |
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Bei
einem Objektivlinsensystem 47 mit den Parametern gemäß Tabelle
1 beträgt der Durchmesser der Linsen sowie der Eintrittspupille
vorzugsweise 12 mm und der Abstand der ersten Linsenfläche
F1 zur C-Mount-Referenzebene des Kamerakopfes F8 30,4 mm. Mit den
4 Linsen des Objektivlinsensystems 47 lässt sich
hierbei mit relativ wenigen Linsen – und damit mit relativ
geringen Kosten – eine sehr gute Abbildungsqualität
erreichen. Bezogen auf die optische Achse lässt sich so
ein mittlerer RMS-Wellenfrontfehler bei den Wellenlängen
625 nm, 535 nm und 456 nm in der für alle drei Wellenlängen
gemeinsamen besten Einstellebene von < 0,08 Lambda (Lambda = 515,7 nm), insbesondere
von < 0,05 Lambda
und weiter insbesondere von < 0,03
Lambda erzielen. Dies entspricht einem Strehlwert von > 0,8, insbesondere > 0,9 und weiter insbesondere > 0,95. Ein Strehlwert
von 1 würde eine abbildungsfehlerfreie Abbildung bezeichnen.
Tatsächlich wurde mit einem Objektivlinsensystem gemäß den
Parametern aus Tabelle 1 ein mittlerer RMS-Wellenfrontfehler von 0,015
Lambda erzielt, was einem Strehlwert von 0,99 entspricht, also in
der Nähe einer perfekten Abbildung liegt. Mit einem derartigen
Objektivlinsensystem lässt sich darüber hinaus
ein Abstand a zwischen der optischen Achse des Strahlengangs im
medizinisch optischen Beobachtungsgerät, an dem der Kameraadapter angekoppelt
ist, und der C-Mount-Referenzebene des Kamerakopfes F8 von nicht
mehr als 72 mm, insbesondere nicht mehr als 66 mm und vorzugsweise
nicht mehr als 60 mm erzielen. Der Abstand b zwischen der optischen
Achse des Strahlengangs im medizinisch optischen Beobachtungsgerät,
an dem der Kameraadapter angekoppelt ist, und der Bildebene 23 in
Luft beträgt dann nicht mehr als 83 mm, insbesondere nicht
mehr als 77 mm und vorzugsweise nicht mehr als 71 mm.
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Die
in 2 dargestellte Kamera-Adapter-Anordnung stellt
eine Anordnung mit einer Kamera dar, die lediglich einen einzigen
elektronischen Bildsensor 23 aufweist. Da ein CCD-Sensor
oder ein CMOS-Sensor grundsätzlich farbunempfindlich ist,
werden den Sensoren so genannte Bayerfilter vorgelagert, in denen
jedem Pixel des Sensors ein roter Farbfilter, ein grüner
Farbfilter oder blauer Farbfilter zugeordnet ist. Für jede
Farbe steht daher nur ein Teil der Pixel zu Verfügung,
was die Auflösung des Sensors reduziert. Dies gilt sowohl
für CCD-Sensoren als auch für CMOS-Sensoren. Außerdem
ist bei Kameras mit nur einem Sensor eine Farbinterpolation notwendig,
da für jedes Pixel nur die Information über eine
der Grundfarben vorliegt.
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Alternativ
zur Verwendung einer Kamera mit einem einzigen elektronischen Bildsensor
besteht aber auch die Möglichkeit, eine Kamera mit drei
elektronischen Bildsensoren, bspw. eine so genannte 3CCD-Kamera,
als Kamera 59 in der Kamera-Adapter-Kombination 17 zu
Verwenden. Die bei einem einfachen Bildsensor auftretenden Nachteile
hinsichtlich der Auflösung und der Farbinterpolation können
so überwunden werden. Ein Ausführungsbeispiel
für eine derartige Kamera-Adapter-Kombination mit einer
3CCD-Kamera 59 ist schematisch in 3 gezeigt.
Der Übersichtlichkeit halber sind der Strahlteiler, der
Anschlussstutzen und die Steckhülse in der Figur nicht
dargestellt. Sie unterscheiden sich aber nicht von denjenigen, aus 2.
Auch das hinsichtlich der optischen Daten des Objektivslinsensystems 47 mit
Bezug auf 2 Ausgeführte gilt
für das in 3 dargestellte Ausführungsbeispiel
analog.
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Im
Unterschied zum in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel
umfasst die Kamera drei CCD-Sensoren, von denen jeder einer der
drei Grundfarben zugeordnet ist (der Übersichtlichkeit
halber sind die drei Bildsensoren in der Figur nicht getrennt dargestellt).
Mittels eines Farbteiler-Prismenblocks 61 wird das in die Kamera 59 einfallende
konvergente Strahlenbündel in drei verschiedene Strahlenbündel
mit der jeweiligen Grundfarbe, bspw. rot, blau, grün, aufgeteilt,
und jedes der drei Strahlenbündel wird einem anderen der
drei CCD-Sensoren zugeführt.
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Ein
zweites Ausführungsbeispiel für die erfindungsgemäße
Kamera-Adapter-Kombination wird nachfolgend mit Bezug auf 4 beschrieben.
Auch in diesem Ausführungsbeispiel weist der Kameraadapter 119 eine
Steckhülse 141 auf, die in den Anschlussstutzen 39 einer
Schnittstelle 13 des Operationsmikroskops fast vollständig
eingeschoben werden kann. Wie im in Bezug auf 2 beschriebenen
Ausführungsbeispiel ragt lediglich der Kameraanschlussteil 143 mit
dem Gewinde 145 des C-Mount-Anschlusses aus der Steckhülse 141 heraus.
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Der
Kameraadapter 119 weist eine Objektivlinsenkombination 147 Tele-Systems
auf, das eine aus drei Linsen 151, 153, 155 bestehende
geräteseitig führende Linsenkombination 149 und
eine kameraseitig abschließende Einzellinse 157 mit
negativer Brennweite umfasst. Die Einzellinse 157 ist mit
einem Abstand zur Linsenkombination 149 angeordnet, der
einem mehrfachen ihrer Dicke entspricht. Die beiden dem Strahlteiler der
Schnittstelle am nächsten kommenden Linsen 151, 153 des
geräteseitigen Linsensystems 149 sind zu einem
Kittglied verkittet. Die Gesamtbrennweite des Objektivlinsensystems 147 liegt
im vorliegenden Ausführungsbeispiel im Bereich zwischen
55 mm und 120 mm, und die Brennweite der kameraseitigen Einzellinse 157 ist
betragsmäßig < 110
mm, insbesondere < 95
mm und vorzugsweise < 85
mm. Die Eintrittspupille 137 des Objektivlinsensystems 147 liegt
tief im Inneren des Operationsmikroskops zwischen dem Strahlteiler 15b und
dem Hauptobjektiv 5.
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Die
Objektivlinsenkombination
147 ist insbesondere an die Verwendung
einer Kamera mit einem 1/2-Zoll Bildsensor
123, also einem
Bildsensor mit einer Bilddiagonale von 8 mm, geeignet. Eine konkrete
Ausführungsvariante des Objektivlinsensystems mit einer
Gesamtbrennweite von 66 mm und einem Betrag der negativen Brennweite
der kameraseitigen Einzellinse
157 von 84 mm ist in Tabelle
2 wiedergegeben. Tabelle 2
| Fläche | Krümmungsradius
(mm) | Abstand
zur nächsten Fläche (mm) | Gläser | Brechzahl
bei 535 nm | halber
freier Durchmesser (mm) |
| G0 | 0,00000 | 70,0000 | - | - | 8,000 |
| G1 | 66,34024 | 3,4950 | N-FK51A | 1,48836 | 8,000 |
| G2 | –24,73168 | 1,5890 | N-KZFS2 | 1,56158 | 8,000 |
| G3 | 770,79316 | 0,0500 | | 1,00000 | 8,000 |
| G4 | 22,90312 | 2,5660 | N-FK51A | 1,48836 | 8,000 |
| G5 | 111,43200 | 7,8018 | | 1.00000 | 8,000 |
| G6 | 17,27856 | 3,3343 | N-KZFS11 | 1,64243 | 8,000 |
| G7 | 12,08697 | 26,4040 | | 1,00000 | 7,000 |
| G8 | 0,00000 | - | | - | - |
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Bei
einem Objektivlinsensystem mit den Parametern gemäß Tabelle
2 beträgt der Durchmesser der Eintrittspupille vorzugsweise
16 mm und der Abstand zwischen der ersten Linsenfläche
G1 und der C-Mount-Referenzebene des Kamerakopfes G8 45,2 mm. Mit
diesen Parametern lässt sich eine optische Abbildungsqualität
auf der optischen Achse mit einem mittleren RMS-Wellenfrontfehler
bei den drei Wellenlängen 625 nm, 635 nm, 465 nm in der
für alle drei Wellenlängen gemeinsamen besten
Einstellebene < 0,8
Lambda bei Lambda = 515,7 nm (entspricht einem Strehlwert von > 0,8), insbesondere < 0,5 Lambda (entspricht
einem Strehlwert von > 0,9)
und weiter insbesondere < 0,03
Lambda (entspricht einem Strehlwert > 0,95) erzielen. Konkret wurde mit den
in Tabelle 2 angegebenen Parametern ein RMS-Wellenfrontfehler von
0,012 Lambda erzielt, was einem Strehlwert von 0,99 entspricht.
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Mit
den angegebenen Objektivbrennweiten des zweiten Ausführungsbeispiels
und den angegebenen Brennweiten der kameraseitigen Einzellinse 157 lässt
sich bei dem in 4 dargestellten Kameraadapter 119 ein
Anstand a zwischen der optischen Achse des Strahlengangs im medizinisch
optischen Beobachtungsgerät, an dem der Kameraadapter angekoppelt
ist, und der C-Mount-Referenzebene des Kamerakopfes G8 von nicht
mehr als 72 mm, insbesondere nicht mehr als 66 mm und vorzugsweise
von nicht mehr als 60 mm realisieren. Wenn sich zwischen der C-Mount-Referenzebene
des Kamerakopfes G8 und dem Bildsensor 123 Luft befindet,
lässt sich zudem ein Abstand der optischen Achse des Strahlengangs
im medizinisch optischen Beobachtungsgerät, an dem der
Kameraadapter angekoppelt ist, zum Bildsensor von nicht mehr als
83 mm, insbesondere nicht mehr 77 mm und vorzugsweise nicht mehr
als 71 mm erzielen. Dies gilt insbesondre dann, wenn als Kamera
eine Kamera mit lediglich einem einzigen elektronischen Bildsensor 23 Verwendung
findet.
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Wie
im ersten Ausführungsbeispiel kann der Kameraadapter 119 des
Ausführungsbeispiels auch mit einer Kamera kombiniert werden,
die drei getrennte Bildsensoren aufweist. Eine entsprechende Kamera-Adapter-Kombination
ist in 5 dargestellt. Anstelle der Kamera mit einem einzigen
elektronischen Bildsensor 123 weist die Kombination eine
Kamera 159 mit drei elektronischen Bildsensoren auf, wobei
die Bildsensoren jeweils eine Bilddiagonale von 8 mm besitzen. Um
den Bildsensoren jeweils ein konvergierendes Teilstrahlenbündel
einer einzigen Grundfarbe zuzuführen, umfasst die Kamera 159 eingangsseitig
einen Farbteiler-Prismenblock 161, der das einfallende
konvergente Strahlenbündel in drei Strahlenbündel
mit jeweils einer Grundfarbe aufspaltet und die Strahlenbündel
dem jeweiligen elektronischen Bildsensor zuführt. Auch
in der Kamera 159 können als elektronische Bildsensoren
sowohl CCD-Sensoren als auch CMOS-Sensoren Verwendung finden.
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Ein
drittes Ausführungsbeispiel für die erfindungsgemäße
Kamera-Adapter-Kombination wird nachfolgend mit Bezug auf 6 beschrieben.
Die Figur zeigt den Kameraadapter in Kombination mit einer Kamera 359,
die drei getrennte Bildsensoren und ein Strahlteilerprisma 361 aufweist.
Auch in diesem Ausführungsbeispiel weist der Kameraadapter
eine Steckhülse auf (in 6 nicht
dargestellt), die in den Anschlussstutzen einer Schnittstelle des
Operationsmikroskops fast vollständig eingeschoben werden
kann. Wie im in Bezug auf 2 beschriebenen
Ausführungsbeispiel ragt lediglich der Kameraanschlussteil
mit dem Gewinde des C-Mount-Anschlusses aus der Steckhülse
heraus.
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Der
Kameraadapter 319 des dritten Ausführungsbeispiels
weist eine Objektivlinsenkombination 347 in form eines
kompakten Tele-Systems auf, das eine aus drei Linsen 351, 353, 355 bestehende
geräteseitig führende Linsenkombination 349 und
eine kameraseitig abschließende Einzellinse 357 mit
negativer Brennweite umfasst, wobei die Einzellinse 357 so
nah an der Linsenkombination 349 angeordnet ist, dass sie
diese berührt. Die beiden dem Strahlteiler der Schnittstelle
am nächsten kommenden Linsen 351, 353 des
geräteseitigen Linsensystems 349 sind zu einem
Kittglied verkittet. Die Gesamtbrennweite des Objektivlinsensystems 347 liegt
im vorliegenden Ausführungsbeispiel im Bereich zwischen
40 mm und 80 mm, und die Brennweite der kameraseitigen Einzellinse 357 ist
betragsmäßig kleiner als 80 mm, insbesondere kleiner
als 70 mm und vorzugsweise kleiner als 65 mm. Die Eintrittspupille
des Objektivlinsensystems 347 liegt tief im Inneren des Operationsmikroskops
zwischen dem Strahlteiler 15b und dem Hauptobjektiv 5.
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Die
Objektivlinsenkombination
347 ist insbesondere an die Verwendung
einer Kamera mit einem 1/2-Zoll Bildsensor
323, also einem
Bildsensor mit einer Bilddiagonale von 6 mm, geeignet. Eine konkrete
Ausführungsvariante des Objektivlinsensystems mit einer
Gesamtbrennweite von 50 mm und einem Betrag der negativen Brennweite
der kameraseitigen Einzellinse
357 von 62 mm ist in Tabelle
3 wiedergegeben. Tabelle 3
| Fläche | Krümmungsradius
(mm) | Abstand
zur nächsten Fläche (mm) | Gläser | Brechzahl
bei 535 nm | halber
freier Durchmesser (mm) |
| H0 | 0,00000 | 70,0000 | - | - | 6,000 |
| H1 | 57,9391 | 3,6400 | N-FK51A | 1,48836 | 6,000 |
| H2 | –16,39986 | 1,6170 | N-KZFS2 | 1,56158 | 6,000 |
| H3 | 979,98046 | 0,0500 | | 1,00000 | 6,000 |
| H4 | 20,78510 | 2,9500 | N-FK51A | 1,48836 | 6,000 |
| H5 | –362,81471 | 0,1500 | | 1.00000 | 6,000 |
| H6 | 16,95535 | 7,0000 | N-KZFS2 | 1,56158 | 6,000 |
| H7 | 9,71965 | 15,2954 | | 1,00000 | 5,500 |
| H8 | 0,00000 | - | | - | - |
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Bei
einem Objektivlinsensystem mit den Parametern gemäß Tabelle
3 beträgt der Durchmesser der Eintrittspupille vorzugsweise
12 mm und der Abstand zwischen der ersten Linsenfläche
H1 und der C-Mount-Referenzebene des Kamerakopfes H8 30,7 mm. Mit
diesen Parametern lässt sich eine optische Abbildungsqualität
auf der optischen Achse mit einem mittleren RMS-Wellenfrontfehler
bei den drei Wellenlängen 625 nm, 635 nm, 465 nm in der
für alle drei Wellenlängen gemeinsamen besten
Einstellebene < 0,8
Lambda bei Lambda = 515,7 nm (entspricht einem Strehlwert von > 0,8), insbesondere < 0,5 Lambda (entspricht
einem Strehlwert von > 0,9)
und weiter insbesondere < 0,03
Lambda (entspricht einem Strehlwert > 0,95) erzielen. Konkret wurde mit den
in Tabelle 3 angegebenen Parametern ein RMS-Wellenfrontfehler von
0,019 Lambda erzielt, was einem Strehlwert von 0,98 entspricht.
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Mit
einem derartigen Objektivlinsensystem lässt sich ein Abstand
a zwischen der optischen Achse des Strahlengangs im medizinisch
optischen Beobachtungsgerät, an dem der Kameraadapter angekoppelt
ist, und der C-Mount-Referenzebene des Kamerakopfes H8 von nicht
mehr als 72 mm, insbesondere nicht mehr als 66 mm und vorzugsweise
nicht mehr als 60 mm erzielen. Der Abstand zwischen der optischen
Achse des Strahlengangs im medizinisch optischen Beobachtungsgerät,
an dem der Kameraadapter angekoppelt ist, und der Bildebene in Luft
beträgt dann nicht mehr als 83 mm, insbesondere nicht mehr
als 77 mm und vorzugsweise nicht mehr als 71 mm.
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Es
sei an dieser Stelle angemerkt, dass in den mit Bezug auf die 2 bis 6 beschriebenen
Ausführungsbeispielen das Kittglied der geräteseitigen
Linsensysteme jeweils von den beiden führenden Linsen gebildet
wird. Es ist aber auch möglich, die Linsensysteme mit einer
Einzellinse als führender Linse auszubilden und das Kittglied
durch Verkitten der nachfolgenden Linsen zu bilden, so dass die
Reihenfolge von Einzellinse und Kittglied gegenüber den 2 bis 6 dargestellten
geräteseitigen Linsenkombinationen vertauscht ist.
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Ein
viertes Ausführungsbeispiel für die erfindungsgemäße
Kamera-Adapter-Kombination wird nachfolgend mit Bezug auf 7 beschrieben.
Die Figur zeigt den Kameraadapter in Kombination mit einer Kamera 459,
die drei getrennte Bildsensoren und ein Strahlteilerprisma 461 aufweist.
Auch in diesem Ausführungsbeispiel weist der Kameraadapter
eine Steckhülse auf (in 7 nicht
dargestellt), die in den Anschlussstutzen einer Schnittstelle des
Operationsmikroskops fast vollständig eingeschoben werden
kann. Wie im in Bezug auf 2 beschriebenen
Ausführungsbeispiel ragt lediglich der Kameraanschlussteil
mit dem Gewinde des C-Mount-Anschlusses aus der Steckhülse
heraus.
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Der
Kameraadapter 419 des vierten Ausführungsbeispiels
weist eine Objektivlinsenkombination 447 in Form eines
Triplets auf, das eine geräteseitig führende Einzellinse 451 mit
positiver Brechkraft, eine kameraseitig abschließende Einzellinse 457 mit
positiver Brechkraft und eine dazwischen angeordnete Linsenkombination 449 aus
zwei zu einem Kittglied miteinander verkitteten Linsen 453, 455 umfasst.
Die Linsenkombination 449 weist eine negative Brechkraft
auf. Die Gesamtbrennweite des Objektivlinsensystems 447 liegt
im vorliegenden Ausführungsbeispiel im Bereich zwischen
40 mm und 80 mm. Die Eintrittspupille des Objektivlinsensystems 447 liegt
tief im Inneren des Operationsmikroskops zwischen dem Strahlteiler 15b und
dem Hauptobjektiv 5.
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Die
Objektivlinsenkombination
447 ist insbesondere an die Verwendung
einer Kamera mit einem 1/2-Zoll Bildsensor, also einem Bildsensor
mit einer Bilddiagonale von 6 mm, geeignet. Eine konkrete Ausführungsvariante
des Objektivlinsensystems
447 mit einer Gesamtbrennweite
von 50 mm ist in Tabelle 4 wiedergegeben. Tabelle 4
| Fläche | Krümmungsradius
(mm) | Abstand
zur nächsten Fläche (mm) | Gläser | Brechzahl
bei 535 nm | halber
freier Durchmesser (mm) |
| J0 | 0,00000 | 70,0000 | - | - | 6,000 |
| J1 | 61,01557 | 2,7816 | N-FK51A | 1,48836 | 6,000 |
| J2 | –152,02793 | 1,6238 | | 1,00000 | 6,000 |
| J3 | 17,33755 | 3,9500 | N-FK51A | 1,48836 | 6,000 |
| J4 | –46,48729 | 10,9476 | N-KZFS2 | 1,56158 | 6,000 |
| J5 | 12,02361 | 2,1051 | | 1.00000 | 6,000 |
| J6 | 19,15615 | 3,3469 | N-FK51A | 1,48836 | 6,000 |
| J7 | 69,92257 | 9,1185 | | 1,00000 | 6,000 |
| J8 | 0,00000 | - | | - | - |
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Bei
einem Objektivlinsensystem mit den Parametern gemäß Tabelle
4 beträgt der Durchmesser der Eintrittspupille vorzugsweise
12 mm und der Abstand zwischen der ersten Linsenfläche
H1 und der C-Mount-Referenzebene des Kamerakopfes H8 33,9 mm. Mit
diesen Parametern lässt sich eine optische Abbildungsqualität
auf der optischen Achse mit einem mittleren RMS-Wellenfrontfehler
bei den drei Wellenlängen 625 nm, 635 nm, 465 nm in der
für alle drei Wellenlängen gemeinsamen besten
Einstellebene < 0,8
Lambda bei Lambda = 515,7 nm (entspricht einem Strehlwert von > 0,8), insbesondere < 0,5 Lambda (entspricht
einem Strehlwert von > 0,9)
und weiter insbesondere < 0,03
Lambda (entspricht einem Strehlwert > 0,95) erzielen.
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Konkret
wurde mit den in Tabelle 4 angegebenen Parametern ein RMS-Wellenfrontfehler
von 0,021 Lambda erzielt, was einem Strehlwert von 0,98 entspricht.
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Mit
einem derartigen Objektivlinsensystem lässt sich ein Abstand
a zwischen der optischen Achse des Strahlengangs im medizinisch
optischen Beobachtungsgerät, an dem der Kameraadapter angekoppelt
ist, und der C-Mount-Referenzebene des Kamerakopfes H8 von nicht
mehr als 72 mm, insbesondere nicht mehr als 66 mm und vorzugsweise
nicht mehr als 60 mm erzielen. Der Abstand zwischen der optischen
Achse des Strahlengangs im medizinisch optischen Beobachtungsgerät,
an dem der Kameraadapter angekoppelt ist, und der Bildebene in Luft
beträgt dann nicht mehr als 83 mm, insbesondere nicht mehr
als 77 mm und vorzugsweise nicht mehr als 71 mm.
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Grundsätzlich
kann die in den Ausführungsbeispielen beschriebene Kamera-Adapter-Kombination
als eine Einheit vertrieben werden, d. h. Kamera und Objektiv sind
genau aneinander angepasst und justiert, so das eine Justage durch
den Benutzer nicht zu erfolgen braucht. Es besteht aber grundsätzlich
auch die Möglichkeit, Kamera und Adapter getrennt zu vertreiben,
so das eine Justage durch den Benutzer erforderlich wird. Zu diesem
Zweck kann der Kameraadapter eine Justagevorrichtung aufweisen,
mit der die Kamera relativ zum Objektivlinsensystem justiert werden
kann. Ein Ausführungsbeispiel für einen solchen
Kameraadapter mit daran befestigter Kamera ist in 9 gezeigt.
Es sind der Kameraadapter 219, die daran angeordnete Kamera 21 sowie
schematisch das Objektivlinsensystem 247 des Kameraadapters 219 zu
erkennen. Am kameraseitigen Anschlussteil des Kameraadapters 219 befindet
sich eine Justiereinheit 221, mit der sich eine Relativverschiebung
zwischen der Kamera 21 und dem Objektivlinsensystem 247 in
drei Dimensionen und optional eine Verkippung der Kamera 21 relativ
zur optischen Achse realisieren lässt. Damit ist eine Justage
von Kamera und Kameraadapter möglich.
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Außerdem
kann der Kameraadapter 219 eine variable Blende 249 aufweisen,
die bspw. als Irisblende ausgebildet sein kann. Mittels der Blende 249 kann
die Beleuchtungsstärke des Bildsensors in der Kamera 21 sowie
die Schärfentiefe des Abbildes eingestellt werden.
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Aber
auch dann wenn die Kamera 21 und der Kameraadapter 219 als
eine Einheit, d. h. als Kamera-Adapter-Kombination vertrieben werden,
kann es sinnvoll sein, eine derartige Justageeinheit 221 vorzusehen.
Bspw. kann mit einer Justageeinheit, die ein Justieren senkrecht
zur optischen Achse erlaubt, die Bildlage auf dem Bildsensor der
Kamera eingestellt werden. Mittels einer Relativbewegung zwischen
den Objektivlinsensystem 247 und der Kamera 21 entlang
der optischen Achse lässt sich zudem die Fokussierung einstellen.
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Wie
den beschriebenen Ausführungsbeispielen zu entnehmen ist,
weist der erfindungsgemäße Kameraadapter lediglich
eine lineare optische Achse auf, d. h., es ist weder ein Spiegel
noch eine Prisma zum Ablenken des Strahlenganges vorhanden. Es findet
daher weder zum höhenrichtigen, noch zum seitenrichtigen
Darstellen des Beobachtungsobjekts 3 eine Bildaufrichtung
im Kameraadapter statt. In der erfindungsgemäßen
Kamera-Adapter-Kombination erfolgt daher die Bildaufrichtung zur
höhen- und seitenrichtigen Darstellung des Beobachtungsobjekts 3 elektronisch
in der Kamera 21.
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Ein
Blockschaltbild der Kamera 21 ist in 10 dargestellt.
Es sind der elektronische Bildsensor 23 und eine Ausgangsschnittstelle 223 der
Kamera 21 zum Ausgeben der aufgenommen Bilder an einen
Monitor, ein elektronisches Okular, ein Head-Mounted-Display, etc.
auszugeben. Die Kamera 21 weist eine Ausleseeinheit 225 auf,
die den elektronischen Bildsensor 23 ausliest und ein elektronisches
Bild generiert. Eine elektronische Bildspieglungseinheit 227 ist
zum Empfang der elektronischen Bilder mit der Ausleseeinheit 225 verbunden.
Die von der elektronischen Bildspieglungseinheit 227 empfangenen
Bilder werden dann in dieser Einheit elektronisch gespiegelt, um
eine höhen- und seitenrichtige Darstellung des Beobachtungsobjekts 3 zu
erhalten.
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Weiterhin
umfasst die in 10 dargestellte Kamera 21 eine
optionale elektronische Bildverschiebeeinheit 229, die
zum Empfang der elektronisch gespiegelten Bilder mit der elektronischen
Bildspieglungseinheit 227 verbunden ist. Mittels der elektronischen
Bildschiebeeinheit 229 kann eine Verschiebung des elektronischen
Bildes senkrecht zur optischen Achse des Objektivlinsensystems im
Kameraadapter erfolgen. Wenn kein Bedarf an einer Fokussierung des
Bildes besteht, kann bei Vorhandensein einer elektronischen Bildschiebeeinheit 229 auf
die mechanische Justiereinheit 221 verzichtet werden. Von
der optionalen elektronischen Bildverschiebeeinheit 229 wird
das gegebenenfalls verschobene elektronische Bild über
die Ausgangsschnittstelle 223 ausgegeben.
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Es
sei angemerkt, dass die in 10 schematisch
dargestellte Kamera 21 lediglich einen elektronischen Bildsensor 23 aufweist.
Selbstverständlich kann die Kamera aber auch drei elektronische
Bildsensoren, je einen für jede Grundfarbe, aufweisen.
Eine derartige Kamera 59 ist in 11 schematisch
als Blockschaltbild dargestellt. Sie umfasst drei Ausleseeinheiten 225a, 225b, 225c die
jeweils einem der Bildsensoren 23a, 23b, 23c zum
Auslesen des entsprechenden Bildsensors 23a, 23b, 23c zugeordnet
sind. Weiterhin umfasst die Kamera 59 aus 11 drei
optionale elektronische Bildverschiebeeinheiten 229a, 229b, 229c.
Jede dieser elektronischen Bildverschiebeeinheiten ist mit einer
der Ausleseeinheiten 225a, 225b, 225c zum
Empfang des entsprechenden elektronischen Bildes (jeweils in einer
der drei Grundfarben) verbunden. Mittels der drei elektronischen
Bildverschiebeeinheiten 229a, 229b, 229c können
die einzelnen Teilbilder in den jeweiligen Grundfarben nicht nur
senkrecht zur optischen Achse des Objektivlinsensystems 247,
sondern auch relativ zueinander verschoben werden. Auf diese Weise
können unterschiedliche Bildlagen auf den einzelnen Sensoren 23a, 23b, 23c ausgeglichen
werden.
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Eine
Kombinationseinheit 231, die zum Empfang der Bilder mit
den Ausleseeinheiten oder – wie im dargestellten Ausführungsbeispiel – zum
Empfang der verschobenen Bilder mit den optionalen elektronischen Bildverschiebeeinheiten 229a, 229b, 229c verbunden
ist, kombiniert die Bilder zu einem Farbbild. Die Farbbilder werden
dann an eine mit der Kombinationseinheit 231 verbundene
elektronische Bildspiegelungseinheit 227 weitergegeben,
in der das Farbbild aufgerichtet wird, um eine höhen- und
seitenrichtige Darstellung des Beobachtungsobjekts 3 zu
erzielen. Schließlich erfolgt eine Ausgabe des aufgerichteten
Bildes über die Ausgabeschnittstelle 223. Es sei
an dieser Stelle angemerkt, dass die elektronische Bildspiegelung
auch vor der Kombination der drei Grundfarbenbilder zu einem Farbbild
stattfinden kann. In diesem Fall wären der Kombinationseinheit 231 drei
Bildspiegeleinheiten vorgeschaltet, die jeweils einen der drei Bildsensoren
zugeordnet wären.
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Mit
dem beschriebenen erfindungsgemäßen Kameraadapter
lässt sich ein kostengünstiger Adapter zur Verfügung
stellen, dessen Optik die Anforderungen an „Full HD Ready” erfüllt
und dennoch kostengünstig herstellbar ist. Durch die Kombination
mit einer Kamera, die eine elektronische Bildspiegelung ermöglicht, kann
auf ein reflektierendes Element im Kameraadapter verzichtet werde,
wodurch sich in Verbindung mit einer als Teleobjektiv ausgebildeten
Objektivlinsenkombination eine extrem kurze Baulänge des
Kameraadapters realisieren lässt. Die erfindungsgemäße
Kamera-Adapter-Kombination kann daher bspw. in einem Operationsmikroskop
zum Einsatz kommen, ohne den behandelnden Arzt zu stören.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 20010121
U1 [0002]
- - US 2001/0048549 A1 [0002]
- - US 5835266 [0004]
- - US 5264928 [0004, 0005, 0005]
- - US 2008/0152337 A1 [0004]
- - WO 01/79910 A1 [0004]