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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein digitales Mikroskopiesystem. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein digitales Mikroskopiesystem, welches durch sequentielle Aufnahme einer Gruppe von Einzelbildern eines Objektes räumliche Information, beispielsweise ein stereoskopisches Bild oder eine stereoskopische Videosequenz von dem Objekt aufnimmt.
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Kurze Darstellung des Standes der Technik
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Als Stand der Technik sind Stereomikroskope bekannt, durch die ein Betrachter einen räumlichen Eindruck von einem Objekt gewinnen kann. Das Objekt wird simultan oder zeitsequentiell mit zwei verschiedenen Beobachtungsstrahlengängen des Stereomikroskops abgebildet, wobei die Strahlenbündel der zwei Beobachtungsstrahlengänge im Objektbereich zueinander einen Stereowinkel bilden.
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Stereomikroskope können in der Regel einer von zwei Typen zugeordnet werden. Beim Greenough-Typ durchsetzen die beiden Beobachtungsstrahlengänge keine gemeinsame optische Komponente. Ein Stereomikroskop des Greenough-Typs weist zwei Objektivlinsen auf, die in einer gemeinsamen Fassung angeordnet sein können. Hingegen weisen Stereomikroskope des Galilei-Typs ein gemeinsames Hauptobjektiv für die beiden Beobachtungsstrahlengänge auf.
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Stereomikroskope kommen häufig in der Medizin, insbesondere in ophthalmologischen Behandlungen zum Einsatz. Ebenso bedeutend sind sie in der Biologie und in der Mikroelektronik.
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Der praktische Einsatz eines Mikroskops kann eine Anordnung unter beschränkten Platzbedingungen erfordern. Insbesondere müssen bei einem Einsatz des Mikroskops im Operationssaal eine Vielzahl anderer Untersuchungsinstrumente über dem Bereich des Eingriffs angeordnet werden. Des Weiteren benötigt der Chirurg genügend Raum um die erforderlichen Handgriffe ohne Behinderung ausführen zu können.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Im Hinblick auf den Stand der Technik ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein digitales Mikroskopiesystem zur Verfügung zu stellen, das kompakt ausgebildet ist und einen effizienten Einsatz erlaubt.
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Ausführungsformen stellen ein digitales Mikroskopiesystem zur Erfassung räumlicher Information eines Objektes aus mindestens einer Gruppe von sequentiell aufgenommenen Einzelbildern des Objektes bereit, aufweisend: eine Zoomgruppe zur kontinuierlichen Einstellung einer Vergrößerung über einen Vergrößerungsbereich des Mikroskopiesystems, wobei die Zoomgruppe zumindest zwei bewegbare Zoomkomponenten aufweist, die entlang einer optischen Achse des Mikroskopiesystems bewegbar angeordnet sind, einen Shutter, der so ausgebildet ist, dass für jedes Einzelbild ein Beobachtungsstrahlengang des Mikroskopiesystems auswählbar ist, wobei sich die Beobachtungsstrahlengänge von mindestens zwei der Einzelbilder unterscheiden, wobei der Shutter, gesehen entlang der optischen Achse, zwischen den bewegbaren Zoomkomponenten angeordnet ist, und wobei sich der Shutter ferner für alle Vergrößerungen des Vergrößerungsbereiches in einem Blendenbereich (SR) um einen Ort einer Gerätepupille des Mikroskopiesystems befindet.
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Die bewegbaren Zoomkomponenten können jeweils aus einer Linse, einem Kittglied oder einem Spiegel bestehen. Die bewegbaren Zoomkomponenten können aber auch eine Gruppe von Linsen, Kittgliedern und/oder Spiegeln aufweisen.
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Die bewegbaren Zoomkomponenten der Zoomgruppe können so ausgebildet sein, dass sie entlang der optischen Achse bewegbar sind. Daher kann die Zoomgruppe so ausgebildet sein, dass durch eine Bewegung der bewegbaren optischen Komponenten entlang der optischen Achse die Vergrößerung des Mikroskopiesystems einstellbar ist.
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Die Zoomgruppe kann einen oder mehrere Aktuatoren aufweisen, die an mindestens einer bewegbaren Zoomkomponente angeordnet sind und mit einer Steuerung des Mikroskopiesystems verbunden sind. Die Steuerung kann so ausgebildet sein, dass durch Signale der Steuerung an die Aktuatoren die Vergrößerung des Mikroskopiesystems einstellbar ist.
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Durch eine Bewegung der bewegbaren Zoomkomponenten kann eine Vergrößerung des Mikroskopiesystems kontinuierlich über einen Vergrößerungsbereich eingestellt werden. Die Zoomgruppe kann einen Zoomfaktor von beispielsweise 4fach, 5fach, 6fach oder mehr aufweisen.
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Die Einzelbilder werden sequentiell aufgenommen. Unter sequentiell kann dabei verstanden werden, dass beispielsweise nach Aufnahme eines ersten Einzelbildes ein zweites Einzelbild aufgenommen wird. Dabei ist es jedoch auch denkbar, dass auch andere Bilder zwischen dem ersten Einzelbild und dem zweiten Einzelbild aufgenommen werden.
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Das Mikroskopiesystem kann ferner ein digitales Bilderfassungssystem zur Erfassung der Einzelbilder aufweisen. Das Bilderfassungssystem kann einen Bildaufnahmesensor aufweisen, der insbesondere als CCD-Chip ausgebildet sein kann. Beispielsweise kann das Bilderfassungssystem einen 1CCD, einen 1CMOS, und/oder einen 3CCD-Bildsensor aufweisen.
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Das Mikroskop kann eine Gruppe von Einzelbildern von einem Objekt aufnehmen. Beispielsweise wird für jedes Einzelbild jeweils ein einzelner Beobachtungsstrahlengang ausgewählt. Ferner kann beispielsweise jedes Einzelbild mit einem unterschiedlichen Beobachtungsstrahlengang aufgenommen werden. Es ist jedoch auch denkbar, dass mehrere Einzelbilder aus der Gruppe von Einzelbildern mit dem gleichen Beobachtungsstrahlengang aufgenommen werden. Beispielsweise können die Einzelbilder, die mit dem gleichen Beobachtungsstrahlengang aufgenommen werden, gemittelt werden, um Artefakte zu verringern.
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Aus den Einzelbildern einer oder mehrerer Gruppen von Einzelbildern ist es möglich, ein mikroskopisches Bild und/oder eine mikroskopische Videosequenz eines in der Objektebene angeordneten Objektes zu erstellen.
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Der Shutter kann so ausgebildet sein, dass er eine lichtundurchlässige Fläche bildet, so dass nur ein Teil der auf den Shutter eintreffenden Lichtstrahlen durch eine Öffnungsfläche des Shutters durchgelassen wird. Abhängig von der Form der Öffnungsfläche ist somit durch den Shutter ein Beobachtungsstrahlengang auswählbar. Im Bereich der Öffnungsfläche kann sich ein transparentes Medium befinden.
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Der Shutter kann ortsfest angeordnet sein. Alternativ ist es denkbar, dass der Shutter entlang der optischen Achse bewegbar angeordnet ist. Dazu kann der Shutter Aktuatoren aufweisen, die über Signalleitungen mit der Steuerung des Mikroskopiesystems verbunden sind. Die Steuerung kann so ausgebildet sein, dass über Signale der Steuerung an die Aktuatoren das Auswählen des Beobachtungsstrahlengangs steuerbar ist.
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Es ist darüber hinaus auch denkbar, dass der Shutter einen Beobachtungsstrahlengang dadurch auswählt, dass er alle eintreffenden Lichtstrahlen durchtreten lässt.
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Eine Gerätepupille kann so definiert werden, dass sie den Ort angibt, an dem sich die Schwerstrahlen, die von verschiedenen Punkten in der Objektebene ausgehen, schneiden. Insbesondere durch Abbildungsfehler des Mikroskopiesystems ist es vorstellbar, dass der Ort der Gerätepupille mehrere Punkte aufweist. Insbesondere kann dadurch der Ort, an dem sich die Schwerstrahlen schneiden, also die Gerätepupille, ein räumlich ausgedehnter Bereich darstellen.
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Ein Schwerstrahl eines Punktes in der Objektebene kann so definiert sein, dass er das energetische Mittel aller Strahlen ist, die von dem Objektpunkt ausgehen und die das Mikroskopiesystem von der Objektebene bis zur Bildebene durchlaufen. Dabei sollen Strahlen, die von dem Punkt in der Objektebene in verschiedenen Richtungen ausgehen, mit gleicher Energie gewichtet werden.
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Daher kann jedem Punkt in der Objektebene, der in die Bildebene abgebildet wird, ein Schwerstrahl zugeordnet werden, wobei der Schwerstrahl das Mikroskopiesystem von dem Punkt in der Objektebene bis zum Punkt in der Bildebene durchläuft.
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Bei der Bestimmung der Schwerstrahlen zur Ermittlung der Gerätepupille soll der Shutter keine Lichtstrahlen zusätzlich zu den übrigen Komponenten des Mikroskopiesystems ausblenden. In anderen Worten soll bei der Bestimmung der Schwerstrahlen das energetische Mittel derjenigen Lichtstrahlen berechnet werden, die das Mikroskopiesystem ohne Berücksichtigung des Shutters durchlaufen.
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Der Shutter kann in der Gerätepupille angeordnet sein. Bei einer Anordnung in der Gerätepupille kann erwartet werden, dass ein Beobachtungsstrahlengang, bei dem beispielsweise ein Teil der auf den Shutter einfallenden Strahlen durch die lichtundurchlässige Fläche des Shutters ausgeblendet wird, nicht zu einem Helligkeitsverlauf, insbesondere einer Vignettierung oder einem einseitigen Beschnitt, des entsprechenden Einzelbildes führt.
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Es ist jedoch auch denkbar, dass der Shutter nicht genau in der Gerätepupille angeordnet ist. Insbesondere kann die Position des Shutters leicht von dem Ort der Gerätepupille abweichen, solange eine dadurch verursachte Störung des Einzelbildes nur unwesentlich ist. Insbesondere kann eine Störung dann unwesentlich sein, wenn sie für den Betrachter nicht störend ist und/oder die weitere Verarbeitung der Einzelbilder durch eine Bildverarbeitungseinrichtung nicht beeinträchtigt. Daher muss der Shutter nicht unbedingt genau in der Gerätepupille liegen, sondern kann in einem Blendenbereich um die Gerätepupille angeordnet sein. Der Blendenbereich wird daher bestimmt durch einen Toleranzbereich, in dem die Bildfehler, die sich durch eine Abweichung von der idealen Position in de Gerätepupille ergeben, noch akzeptabel sind.
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In anderen Worten kann also der Blendenbereich definiert werden als ein Bereich auf der optischen Achse um die Gerätepupille, in dem eine Anordnung des Shutters noch zu tolerablen Bildergebnissen der Einzelbilder führt. Der Blendenbereich kann also einen Längenbereich auf der optischen Achse angeben.
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Der Blendenbereich kann geringer sein als die Hälfte der Baulänge des digitalen Mikroskopiesystems entlang der optischen Achse, insbesondere geringer als ein Fünftel, ein Zehntel, ein Hundertstel oder ein Tausendstel.
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Ferner kann das digitale Mikroskopiesystem so ausgebildet sein, dass die Gerätepupille für alle Vergrößerungen ortsfest oder im Wesentlichen ortsfest ist. Der Shutter kann dann ortsfest in der Gerätepupille angeordnet sein. Der Blendenbereich kann in diesem Falle eine Länge von Null oder im Wesentlichen Null aufweisen.
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Zusammenfassend kann dadurch ein Mikroskopiesystem erhalten werden, das besonders kompakt ist. Durch die Auswahl von Beobachtungsstrahlengängen durch den Shutter können stereoskopische Bilder und/oder Videosequenzen erzeugt werden ohne dass für unterschiedliche Beobachtungsstrahlengänge gesonderte optische Elemente bereitgestellt werden müssen.
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Insbesondere erlaubt das Mikroskopiesystem für vorgegebene Öffnungszahlen eine bezüglich Linsendurchmessern und Baulänge kompakte Bauweise bei gleichzeitiger homogener Ausleuchtung des Bildaufnahmesensors. Dadurch können Bildfehler, wie ein Helligkeitsverlauf, insbesondere eine Vignettierung, oder ein einseitiger Beschnitt des Bildes vergleichsweise gering gehalten werden.
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Ferner ist das Mikroskopiesystem besonders flexibel, da die Auswahl des Beobachtungsstrahlengangs durch den Shutter in Abhängigkeit von verschiedenen Parametern einstellbar sein kann. Solche Parameter können beispielsweise die Oberfläche des Objekts, die Position des Mikroskopiesystems relativ zum Objekt und/oder die Position des Betrachters relativ zum Objekt sein.
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Gemäß einer Ausführungsform ist das Mikroskopiesystem so ausgebildet, dass ein Pupillenbereich des Mikroskopiesystems entlang der optischen Achse eine Länge aufweist, die geringer ist als ein maximaler Abstand von Positionen von Linsenscheitel der bewegbaren Zoomkomponenten.
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Der maximale Abstand der Positionen der Linsenscheitel kann entlang der optischen Achse gemessen werden. Die Linsenscheitel der bewegbaren Zoomkomponenten können abhängig von der eingestellten Vergrößerung der Zoomgruppe verschiedene Positionen entlang der optischen Achse einnehmen. Unter Betrachtung der Positionen aller Vergrößerungen lässt sich ein maximaler Abstand der Positionen der Linsenscheitel der bewegbaren Zoomkomponenten ermitteln. Zur Bestimmung des maximalen Abstandes können dabei Positionen der Linsenscheitel eingehen, die zu verschiedenen Vergrößerungen gehören.
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Des Weiteren kann der Pupillenbereich eine Länge aufweisen, die geringer ist als die Hälfte, insbesondere geringer ist als ein Fünftel, ein Zehntel oder ein Hunderstel des maximalen Abstandes der Positionen der Linsenscheitel der bewegbaren Zoomkomponenten.
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Der maximale Abstand der Positionen der Linsenscheitel der bewegbaren Zoomkomponenten kann beispielsweise geringer als 80 mm, insbesondere geringer als 50 mm oder 40 mm sein.
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Insbesondere durch eine Änderung der Vergrößerung des Mikroskopiesystems kann sich der Ort der Gerätepupille entlang der optischen Achse ändern. Ferner kann sich der Ort der Gerätepupille bei einer Änderung eines Arbeitsabstandes des Mikroskopiesystems ändern.
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Der Pupillenbereich des Mikroskopiesystems kann definiert werden als der Bereich entlang der optischen Achse, in dem die Orte der Gerätepupille für alle einstellbaren Vergrößerungen und einstellbaren Arbeitsabstände liegen. In anderen Worten verschiebt sich bei einer Änderung der Vergrößerung und/oder des Arbeitsabstandes der Ort der Gerätepupille über den Pupillenbereich.
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Ein kleiner Pupillenbereich kann also bedeuten, dass sich der Ort der Gerätepupille in Abhängigkeit von der einstellbaren Vergrößerung und dem einstellbaren Arbeitsabstand nur gering entlang der optischen Achse verschiebt.
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Durch einen kleinen Pupillenbereich kann erreicht werden, dass der Shutter so angeordnet werden kann, dass die Position des Shutters für alle Vergrößerungen nahe an dem Ort der Gerätepupille liegt. Dadurch kann erreicht werden, dass die durch den Shutter verursachten Artefakte in den Einzelbildern gering sind.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Mikroskopiesystem, ferner auf: eine objektseitige Fokusgruppe, die eine bewegbare Fokuskomponente aufweist, wobei das Mikroskopiesystem derart ausgebildet ist, dass durch eine Bewegung der bewegbaren Fokuskomponente entlang der optischen Achse ein Arbeitsabstand des Mikroskopiesystems einstellbar ist.
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Der Arbeitsabstand kann definiert werden als ein Abstand entlang der optischen Achse zwischen der Objektebene und einer refraktiven Fläche des Mikroskopiesystems, die der Objektebene am nächsten ist. Das Mikroskopiesystem kann ausgebildet sein, dass der Arbeitsabstand des Mikroskopiesystems beispielsweise in einem Bereich von 50 mm bis 150 mm oder von 100 mm bis 300 mm oder von 200 bis 500 mm einstellbar ist.
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Die objektseitige Fokusgruppe kann auf der optischen Achse zwischen der Objektebene und der Zoomgruppe angeordnet sein.
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Die bewegbare Fokuskomponente kann aus einer Linse, einem Kittglied oder einem Spiegel bestehen. Die bewegbare Fokuskomponente kann aber auch eine Gruppe von Linsen, Kittgliedern und/oder Spiegel aufweisen.
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Die objektseitige Fokusgruppe kann ferner einen oder mehrere Aktuatoren aufweisen, die an der bewegbaren Fokuskomponente angeordnet sind und über eine Signalleitung mit der Steuerung des Mikroskopiesystems verbunden sind. Die Steuerung kann dann derart ausgebildet sein, dass durch Signale der Steuerung an die Aktuatoren der Arbeitsabstand des Mikroskopiesystems einstellbar ist.
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Durch ein Mikroskopiesystem mit einer objektseitigen Fokusgruppe kann der Arbeitsabstand variabel eingestellt werden. Insbesondere kann dadurch beispielsweise der behandelnde Arzt das Mikroskopiesystem relativ zum Patienten positionieren, ohne auf einen fixen Arbeitsabstand achten zu müssen. Dadurch ist das Mikroskopiesystem einfach zu handhaben und flexibler zu positionieren.
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Das Mikroskopiesystem kann so ausgebildet sein, dass der Shutter sich für alle Arbeitsabstände im Blendenbereich um den Ort der Gerätepupille befindet.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist mindestens eine der zumindest zwei bewegbaren Zoomkomponenten, insbesondere zwei oder alle bewegbare Zoomkomponenten jeweils eine negative Brechkraft auf.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Zoomgruppe ferner auf: zumindest zwei ortsfest angeordnete Zoomkomponenten, die auf der optischen Achse zwischen den bewegbaren Zoomkomponenten angeordnet sind, wobei der Shutter zwischen den zwei ortsfest angeordneten Zoomkomponenten angeordnet ist.
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Die ortsfest angeordneten Zoomkomponenten können auf der optischen Achse ortsfest angeordnet, also nicht verschiebbar sein.
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Die zumindest zwei ortsfest angeordneten Zoomkomponenten können eine erste refraktive Fläche aufweisen, die ein Lichtstrahl, der von der Objektebene ausgeht, nach dem Shutter zuerst durchsetzt. Ferner können die zumindest zwei ortsfest angeordneten Zoomkomponenten eine letzte refraktive Fläche aufweisen, die ein Lichtstrahl, der von der Objektebene ausgeht, vor dem Shutter zuletzt durchsetzt.
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In anderen Worten befinden sich hierbei auf der optischen Achse zwischen den refraktiven Flächen der zumindest zwei ortsfest angeordneten Zoomkomponenten, die den Shutter einschließen, keine weiteren refraktiven Flächen.
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Alternativ können die zumindest zwei bewegbaren Zoomkomponenten eine erste refraktive Fläche aufweisen, die ein Lichtstrahl, der von der Objektebene ausgeht, nach dem Shutter zuerst durchsetzt. Ferner können die zwei ortsfest angeordneten Zoomkomponenten eine letzte refraktive Fläche aufweisen, die ein Lichtstrahl, der von der Objektebene ausgeht, vor dem Shutter zuletzt durchsetzt.
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In anderen Worten befinden sich hierbei auf der optischen Achse zwischen den refraktiven Flächen der zumindest zwei bewegbaren Zoomkomponenten, die den Shutter einschließen, keine weiteren refraktiven Flächen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Shutter so ausgebildet, dass der Beobachtungsstrahlengang durch eine variable Öffnungsfläche des Shutters auswählbar ist, wobei die variable Öffnungsfläche insbesondere durch eine oder mehrere Teilflächen des Shutters gebildet wird.
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Die variable Öffnungsfläche des Shutters kann senkrecht zur optischen Achse ausgerichtet sein. Eine Öffnungsfläche kann dadurch variabel sein, dass der Shutter ausgebildet ist, für zumindest zwei Beobachtungsstrahlengänge verschiedene Öffnungsflächen zu bilden, sodass die zumindest zwei Beobachtungsstrahlengänge sich unterscheiden. Die Öffnungsfläche kann ein Bereich des Shutters darstellen, in dem er transparent oder im Wesentlichen transparent für die einfallenden Lichtstrahlen ist. Daher kann sich im Bereich der Öffnungsfläche ein transparentes oder im Wesentlichen transparentes Medium befinden.
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Der Shutter kann ausgebildet sein, dass die mehreren Teilflächen unabhängig voneinander in einen geöffneten Zustand und in einen geschlossenen Zustand bringbar sind. Des Weiteren kann der Shutter ausgebildet sein, dass zumindest zwei der Teilflächen des Shutters simultan in einen geöffneten Zustand und in einen geschlossenen Zustand bringbar sind.
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Durch Auswahl einer Teilfläche oder einer Gruppe von Teilflächen, die geöffnet werden, ist eine Öffnungsfläche und somit ein Beobachtungsstrahlengang auswählbar. Die Öffnungsfläche ist dadurch variabel.
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Alternativ oder zusätzlich kann der Shutter eine drehbare Komponente aufweisen, wobei der Shutter ausgebildet ist, dass durch Drehung der drehbaren Komponente die Öffnungsfläche des Shutters verändert wird. Folglich kann der Shutter durch eine drehbare Komponente eine variable Öffnungsfläche aufweisen. Beispielsweise kann die drehbare Komponente eine Öffnungsfläche aufweisen, sodass durch Drehung der drehbaren Komponente die Öffnungsfläche variabel ist.
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Durch einen Shutter mit einer variablen Öffnungsfläche kann ein Mikroskopiesystem bereitgestellt werden, bei dem vergleichsweise einfach eine Vielzahl verschiedener Beobachtungsstrahlengänge auswählbar sind. Insbesondere kann dadurch der Beobachtungsstrahlengang an das Objekt, an die Position des Mikroskopiesystems relativ zum Objekt, und/oder an die Position eines Betrachters relativ zum Objekt angepasst werden. Ferner kann somit der Beobachtungsstrahlengang in einfacher Weise beispielsweise zwischen zwei Einzelbildern geändert werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann der Shutter ausgebildet sein, dass die variable Öffnungsfläche um die optische Achse drehbar ist.
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Beispielsweise kann der Shutter so ausgebildet sein, dass er eine um die optische Achse drehbare Komponente aufweist. Dadurch kann beispielsweise die Position einer Öffnungsfläche des Shutters um die optische Achse gedreht werden. Durch die Drehbarkeit der Öffnungsfläche wird die Öffnungsfläche variabel.
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Ferner ist es denkbar, dass durch Öffnen und Schließen von verschiedenen Teilflächen des Shutters die variable Öffnungsfläche des Shutters drehbar ist.
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Beispielsweise kann die variable Öffnungsfläche um +/–45 Grad, +/–90 Grad, +/–135 Grad und/oder 180 Grad drehbar sein. Es ist aber auch denkbar, dass die variable Öffnungsfläche kontinuierlich um die optische Achse drehbar ist.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weisen die Beobachtungsstrahlengänge einen linken und einen rechten Stereokanal auf.
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Der linke Stereokanal kann definiert werden als ein Beobachtungsstrahlengang, dessen Einzelbild zur Ermittlung eines linken stereoskopischen Halbbildes dient. Entsprechend kann der rechte Stereokanal definiert werden als ein Beobachtungsstrahlengang, dessen Einzelbild zur Ermittlung eines rechten stereoskopischen Halbbildes dient.
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Der linke und der rechte Stereokanal müssen nicht symmetrisch sein. Insbesondere kann die Größe der Öffnungsfläche des Shutters für den linken Stereokanal unterschiedlich zur Größe der Öffnungsfläche des Shutters für den rechten Stereokanal sein.
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Stereoskopische Halbbilder können dadurch definiert werden, dass die abgebildeten Objekte eine Querdisparation aufwiesen. Die Querdisparation von Objekten vermittelt einem Betrachter einen räumlichen Eindruck, wenn das linke Halbbild mit dem linken Auge betrachtet wird und das rechte Halbbild mit dem rechten Auge betrachtet wird.
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Das Mikroskopiesystem kann ferner eine Bildverarbeitungseinrichtung aufweisen, die so ausgebildet ist, dass die Einzelbilder des linken und/oder rechten Stereokanals nachbearbeitet werden, um die stereoskopischen Halbbilder zu erhalten.
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Ferner kann beispielsweise der linke Stereokanal durch eine Öffnung einer ersten Teilfläche oder einer ersten Gruppe von Teilflächen des Shutters ausgewählt werden. Entsprechend kann der rechte Stereokanal durch eine Öffnung einer zweiten Teilfläche oder einer zweiten Gruppe von Teilflächen ausgewählt werden. Die Teilflächen der ersten Gruppe von Teilflächen und die Teilflächen der zweiten Gruppe von Teilflächen können verschieden sein. Alternativ können die erste Gruppe und die zweite Gruppe gemeinsame Teilflächen aufweisen.
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Ferner ist es auch denkbar, dass durch Drehung einer drehbaren Komponente des Shutters um 180 Grad um die optische Achse die beiden Stereokanäle auswählbar sind. Die drehbare Komponente kann eine Öffnung aufweisen.
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Durch eine Drehung der variablen Öffnungsfläche des Shutters für den linken und den rechten Stereokanal kann die Orientierung der Beobachtungsstrahlenbündel des linken und rechten Stereokanals in der Objektebene verändert werden. Dadurch ist es insbesondere möglich, die Orientierung der Beobachtungsstrahlenbündel an das Objekt, an die Position des Mikroskopiesystems relativ zum Objekt und/oder an die Position des Betrachters relativ zum Objekt anzupassen.
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Ferner kann es dadurch möglich sein, dass dadurch stereoskopische Halbbilder für mehrere Betrachter erzeugt werden, die aus unterschiedlichen Richtungen auf das Objekt blicken.
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Synchron mit der Drehung der variablen Öffnungsfläche können auch die Einzelbilder der Stereokanäle entsprechend gedreht werden, um aus den Einzelbildern stereoskopische Halbbilder mit einer entsprechenden Querdisparation der abgebildeten Objekte zu erhalten.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist jeder Beobachtungsstrahlengang eine Öffnungszahl auf, die geringer als 16, insbesondere geringer als 12, oder 10, oder 8 oder 6 ist.
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Die Öffnungszahl kann definiert werden als die objektseitige Brennweite geteilt durch den Durchmesser der Eintrittspupille des Beobachtungsstrahlengangs. Die objektseitige Brennweite kann insbesondere die Brennweite des Mikroskopiesystems zwischen der Objektebene und der objektseitigen Fokusgruppe sein.
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Eine geringe Obergrenze für die Öffnungszahl entspricht einer hohen Lichtstärke des Mikroskopiesystems. Bei einer hohen Lichtstärke können Einzelbilder mit einer kurzen Belichtungszeit aufgenommen werden, wodurch schärfere Aufnahmen erreicht werden können. Ferner kann durch eine geringe Öffnungszahl die Zeitauflösung einer Videosequenz vergleichsweise hoch sein.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der Shutter ein mechanisches Shutterelement, ein Polymer-Shutterelement und/oder eine LCD-Matrix auf.
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Ein mechanisches Shutterelement kann beispielsweise eine Klappe aufweisen, die in einen geschlossenen und einen geöffneten Zustand bringbar ist. Eine Fläche der Klappe kann einer Teilfläche des Shutters entsprechen. Daher kann der Shutter mehrere Klappen aufweisen, die einzeln und/oder zusammen in einen geöffneten und einen geschlossenen Zustand bringbar sind.
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Ein Polymer-Shutterelement kann so ausgebildet sein, dass Licht elektronisch steuerbar lokal gestreut wird. Beim Anlegen eines externen elektrischen Feldes wird das Polymer-Shutterelement durch Ausrichtung von Kristallen des Polymer-Shutterelements im nichttransparent. Beim Abschalten des elektrischen Feldes wird das Polymer-Shutterelement transparent. Das Polymer-Shutterelement kann eine Reaktionszeit im Submillisekundenbereich aufweisen. Ferner kann das Polymer-Shutterelement ein Paar Glasscheiben und eine dazwischen angeordnete aktive Schicht aufweisen. Die aktive Schicht kann freie Flüssigkristall-Moleküle aufweisen, die durch eine Photopolymerisation in Gegenwart von herkömmlichen Flüssigkristallen erhalten wird. Die Elektroden des Polymer-Shutterelements zur Erzeugung des elektrischen Feldes können transparent sein.
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Die Erfindung ist nicht auf eine solche Ausführungsform des Polymer-Shutterelements beschränkt. Es sind auch andere Ausführungsformen des Polymer-Shutterelements denkbar.
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Insbesondere kann durch den Einsatz von Polymer-Shutterelementen ein Mikroskopiesystem mit einer geringen Öffnungszeit bereitstellt werden. Des Weiteren kann ein Polymer-Shutterelement entlang der optischen Achse vergleichsweise kompakt sein, sodass es den Raum für die bewegbaren Zoomkomponenten vergleichsweise gering einschränkt.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Shutter ausgebildet, dass eine Öffnungszeit des Shutters auf weniger als 500 ms, insbesondere weniger als 200 ms oder weniger als 100 ms einstellbar ist.
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Durch eine kurze Öffnungszeit können scharfe Einzelbilder erreicht werden. Ferner kann durch eine geringe Öffnungszeit die Zeitauflösung bei Videoaufnahmen verbessert werden. Dadurch kann beispielsweise der Chirurg seine Handgriffe zeitgenau auf einem Videobild beobachten.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist eine Baulänge des Mikroskopiesystems geringer als 200 mm, insbesondere geringer als 150 mm, geringer als 120 mm oder geringer als 100 mm.
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Die Baulänge des Mikroskopiesystems kann definiert werden als die Länge entlang der optischen Achse von einer der Objektebene am nächsten angeordneten refraktiven Fläche des Mikroskopiesystems bis zur Bildebene. Die der objektebene am nächsten angeordnete refraktive Fläche des Mikroskopiesystems wird von Lichtstrahlen, die von der Objektebene ausgehen, zuerst durchsetzt.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform beträgt ein Zoomfaktor des Mikroskopiesystems mindestens 4, insbesondere mindestens 5 oder mindestens 6.
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Durch einen großen Zoomfaktor kann ein Mikroskopiesystem erhalten werden, das eine hohe Flexibilität im praktischen Einsatz aufweist. Insbesondere kann beispielsweise die Vergrößerung des Mikroskopiesystems an die zur Durchführung der Behandlung erforderlichen Handgriffe des Chirurgen angepasst werden, sodass der Chirurg in einem großen Bereich zwischen einem weiten Sichtfeld oder einer hohen Vergrößerung wählen kann.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Mikroskopiesystem ferner eine bildseitige Fokusgruppe auf, wobei insbesondere eine Brennweite der bildseitigen Fokusgruppe größer ist als ein Abstand entlang der optischen Achse zwischen einer refraktiven Fläche der bildseitigen Fokusgruppe, die der Zoomgruppe am nächsten ist, und der Bildebene.
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Die bildseitige Fokusgruppe kann auf der optischen Achse zwischen der Zoomgruppe und der Bildebene angeordnet sein.
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Die Brennweite der bildseitigen Fokusgruppe kann beispielsweise 50 mm betragen. Der Abstand, entlang der optischen Achse zwischen der refraktiven Fläche der bildseitigen Fokusgruppe, die der Zoomgruppe am nächsten ist, und der Bildebene kann beispielsweise 40,11 mm betragen.
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Dadurch kann insbesondere ein Mikroskopiesystem erhalten werden, das eine kurze Baulänge aufweist, da der Abstand zwischen der Zoomgruppe und der Bildebene durch die Ausgestaltung der bildseitige Fokusgruppe vergleichsweise kurz ist.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Zoomgruppe afokal und/oder symmetrisch ausgebildet.
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Durch eine afokale Zoomgruppe kann erreicht werden, dass bei einer Änderung der Vergrößerung durch die Zoomgruppe die anderen Komponenten, wie beispielsweise die objektseitige Fokusgruppe und/oder die bildseitige Fokusgruppe des Mikroskopiesystems nicht angepasst werden müssen um eine scharfe mikroskopische Abbildung der Objektebene in die Bildebene zu erhalten. Daher wird durch eine afokale Zoomgruppe ein Mikroskopiesystem erhalten, das vergleichsweise einfach und kompakt ist.
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Eine symmetrische Zoomgruppe kann definiert werden als eine Zoomgruppe, wobei die refraktiven Flächen der Zoomgruppe, die auf einer ersten Seite einer zur optischen Achse senkrechten Symmetrieebene der Zoomgruppe angeordnet sind, gleich oder im Wesentlichen gleich ausgebildet sind, wie die refraktiven Flächen der Zoomgruppe, die auf der anderen Seite angeordnet sind. Die Positionen der refraktiven Flächen müssen dabei nicht exakt symmetrisch zur Symmetrieebene sein. Insbesondere muss die Position der verschiebbaren Zoomkomponenten nicht exakt symmetrisch zur Symmetrieebene sein, sondern kann von der eingestellten Vergrößerung abhängen. Im Schnittpunkt oder nahe des Schnittpunktes zwischen der Symmetrieebene und der optischen Achse kann die Gerätepupille liegen.
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Durch den symmetrische Aufbau der Zoomgruppe kann ein kostengünstiges Mikroskopiesystem erhalten werden, das beispielsweise mehrere refraktive Flächen, Linsen und/oder Kittglieder in gleichen Arbeitsgängen gefertigt werden können. Ferner kann insbesondere durch den symmetrischen Aufbau erreicht werden, dass der Ort der Gerätepupille in der Mitte oder nahe der Mitte des Zooms liegt. Dadurch kann eine kompakte Zoomgruppe mit einer vergleichsweise kurzen Gesamtlänge und einem vergleichsweise kleinen Linsendurchmesser erreicht werden, wobei die Zoomgruppe einen genügend großen Zoomfaktor aufweist.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Mikroskopiesystem ferner eine feste oder variable Blende auf, die auf der optischen Achse angeordnet ist, wobei sich die feste oder variable Blende für alle Vergrößerungen im Blendenbereich befindet.
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Eine variable Blende kann definiert werden als eine Blende, deren Öffnungsfläche veränderbar ist. Eine feste Blende kann definiert werden als eine Blende, deren Öffnungsfläche unverändert bleibt.
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Eine Blende kann beispielsweise unmittelbar vor oder unmittelbar nach dem Shutter angeordnet sein. In anderen Worten ist zwischen dem Shutter und der Blende keine weitere refraktive Fläche angeordnet. Durch eine feste oder variable Blende kann beispielsweise eine Helligkeit und/oder Tiefenschärfe eines Beobachtungsstrahlengangs eingestellt werden. Beispielsweise kann die Blende eine erste und eine zweite Öffnung aufweisen, wobei die erste Öffnung den Strahlengang des linken Stereokanal begrenzt und die zweite Öffnung den Strahlengang des rechten Stereokanals begrenzt. Die erste und die zweite Öffnung können unterschiedlich groß sein.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die vorstehenden sowie weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung werden durch die nachfolgende detaillierte Beschreibung der beispielhaften Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen noch deutlicher hervorgehen. Es wird betont, dass nicht alle möglichen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung notwendigerweise alle oder einige der hier angegebenen Vorteile erzielen.
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1a zeigt schematisch den Aufbau des Mikroskopiesystems gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
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1b zeigt schematisch den Strahlengang zweier Strahlenbündel mit den dazugehörigen Schwerstrahlen des Mikroskopiesystems gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
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1c zeigt schematisch den Aufbau eines Mikroskopiesystems gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
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2a zeigt einen ausgewählten linken Stereokanal im Mikroskopiesystem gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
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2b zeigt einen ausgewählten rechten Stereokanal im Mikroskopiesystem gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
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3 zeigt schematisch das Mikroskopiesystem in verschiedenen Vergrößerungen gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
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4a bis 4c zeigen Shutter gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen der Erfindung; und
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5 zeigt schematisch eine Steuerung für einen Shutter, einen Shutter und ein Bilderfassungssystem gemäß einem Ausführungsbeispiel des Mikroskopiesystems.
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Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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In den nachfolgend beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen sind Merkmale, die sich in Funktion und Aufbau ähneln, soweit möglich mit gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen versehen. Um die Merkmale einer bestimmten Komponente einer bestimmten Ausführungsform zu verstehen, sollten daher die Beschreibung anderer Ausführungsformen und die Zusammenfassung der Erfindung berücksichtigt werden.
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1a zeigt schematisch den Aufbau eines Mikroskopiesystems 1. Das Mikroskopiesystem 1 weist eine objektseitige Fokusgruppe 10, eine Zoomgruppe 20 und eine bildseitige Fokusgruppe 30 auf. Strahlen, die von einem Punkt auf einer Objektebene 40 ausgehen, werden in einem Punkt in einer Bildebene 41 abgebildet. Die objektseitige Fokusgruppe 10 ist auf der optischen Achse OA zwischen der Zoomgruppe 20 und der Objektebene 40 angeordnet. Die bildseitige Fokusgruppe ist auf der optischen Achse zwischen der Zoomgruppe und der Bildebene 41 angeordnet.
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In der 1a ist der Abstand zwischen der Objektebene 40 und der objektseitigen Fokusgruppe 10 stark verkürzt dargestellt.
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Das Mikroskopiesystem 1 weist ferner ein in 1a nicht illustriertes Bilderfassungssystem 80 auf. Das Bilderfassungssystem 80 ist so ausgebildet, dass ein in der Bildebene 41 erzeugtes Bild registrierbar ist. Das Bilderfassungssystem 80 kann dazu einen Bildaufnahmesensor 81 aufweisen, der in der Bildebene 41 angeordnet ist. Beispielsweise kann das Bilderfassungssystem 80 einen 1CCD, einen 1CMOS und/oder einen 3CCD-Bildsensor aufweisen. Ein 3CCD-Bildsensor weist drei CCD-Sensoren auf, die an einem trichroitischem Prisma angeordnet sind.
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Die Zoomgruppe 20 weist zwei bewegbare Zoomkomponenten 21 und 22 auf, die entlang der optischen Achse OA verschiebbar sind. Die Verschiebbarkeit ist durch Doppelpfeile 95, 96 angedeutet. An den bewegbaren Zoomkomponenten 21, 22 sind jeweils Aktuatoren 92, 93 angeordnet. Die Aktuatoren sind über Signalleitungen mit einer Steuerung 70 des Mikroskopiesystems verbunden. Die Steuerung 70 ist so ausgelegt, dass die Vergrößerung des Mikroskopiesystems 1 über Signale der Steuerung 70 an die Aktuatoren 92, 93 einstellbar ist.
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Ferner weist die Zoomgruppe 20 vier ortsfest angeordnete Komponenten 23, 24, 25, 26 auf. Durch eine Verschiebung der bewegbaren Zoomkomponenten 21, 22 entlang der optischen Achse OA ist eine Vergrößerung des Mikroskopiesystems 1 einstellbar. Die Zoomgruppe 20 des Mikroskopiesystems 1 bildet einen 6-fach Zoom.
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Eine erste ortsfest angeordnete Komponenten 24 weist eine erste refraktive Fläche 28 auf, die ein Lichtstrahl, der von der Objektebene 40 ausgeht, nach dem Shutter 60 zuerst durchsetzt. Ferner weist eine zweite ortsfest angeordnete Komponente 23 eine letzte refraktive Fläche 27 auf, die ein Lichtstrahl, der von der Objektebene 40 ausgeht, vor dem Shutter 60 zuletzt durchsetzt.
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Die refraktiven Flächen der bewegbaren und ortsfest angeordneten Komponenten der Zoomgruppe 20 sind im wesentlichen symmetrisch um eine Symmetrieebene S der Zoomgruppe ausgebildet. Symmetrisch ausgebildet kann in diesem Zusammenhang bedeuten, dass die Zoomkomponenten auf der einen Seite der Symmetrieebene S gleich oder im Wesentlichen gleich aufgebaut sind, wie die Zoomkomponenten auf der anderen Seite der Symmetrieebene S. Insbesondere können dabei die entsprechenden refraktiven Flächen der Zoomkomponenten auf beiden Seiten der Symmetrieebene S gleich ausgebildet sein. Dabei müssen jedoch die Positionen der Komponenten der Zoomgruppe nicht exakt symmetrisch zur Symmetrieebene S sein.
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Die objektseitige Fokusgruppe 10 weist eine bewegbare Fokuskomponente 11 auf, die entlang der optischen Achse OA bewegbar ist. Die bewegbare Fokuskomponente 11 ist ein Kittglied. Die Bewegbarkeit ist durch einen Doppelpfeil 94 angedeutet. Ferner weist die objektseitige Fokusgruppe 10 ein fest angeordnetes Kittglied 13 und eine fest angeordnete Linse 12 auf. An der bewegbaren Fokuskomponente 11 ist ein Aktuator 91 angeordnet. Die Steuerung 70 ist über eine Signalleitung mit dem Aktuator 91 verbunden. Die Steuerung 70 ist so ausgelegt, dass durch Signale der Steuerung an den Aktuator 91 der Arbeitsabstand WD des Mikroskopiesystems einstellbar ist.
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Durch eine Bewegung der bewegbaren Fokuskomponente 11 entlang der optischen Achse OA ist ein Arbeitsabstand WD des Mikroskopiesystems 1 einstellbar. Der Arbeitsabstand WD kann definiert werden als ein Abstand zwischen der Objektebene 40 und einer der Objektebene am nächsten angeordneten refraktiven Fläche 14 des Mikroskopiesystems. Der Arbeitsabstand WD des Mikroskopiesystems 1 ist einstellbar zwischen 200 mm und 500 mm. Es sind jedoch auch andere Ausführungsformen denkbar, bei denen der Arbeitsabstand WD in anderen Bereichen einstellbar ist. Beispielsweise kann der Arbeitsabstand von 50 mm bis 150 mm oder von 100 mm bis 300 mm einstellbar sein.
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Der durch die Zoomgruppe 20 einstellbare Vergrößerungsbereich des Mikroskopiesystems 1 kann abhängig vom eingestellten Arbeitsabstand WD sein. Beispielsweise kann für einen Arbeitsabstand WD von 200 mm ein Abbildungsmaßstab Objekt-Bild zwischen 0,126 und 0,76 liegen. Ferner kann für einen Objektabstand von 500 mm ein Abbildungsmaßstab Objekt-Bild zwischen 0,045 und 0,27 liegen.
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Dargestellt sind ferner zwei Schwerstrahlen 101 und 102, die das Mikroskopiesystem 1 durchlaufen. Die Schwerstrahlen 101, 102 kreuzen sich an einem Ort der Gerätepupille P des Mikroskopiesystems 1. Bei einer Änderung der Vergrößerung des Mikroskopiesystems 1 durch Bewegung der bewegbaren Zoomkomponenten 21, 22 kann sich auch der Ort der Gerätepupille P bewegen. Ferner ist es denkbar, dass sich der Ort der Gerätepupille P verschiebt durch ein Verschieben der bewegbaren Fokuskomponente 11 entlang der optischen Achse OA, also wenn der Arbeitsabstand WD verändert wird.
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Der Pupillenbereich PR gibt den Bereich der Verschiebung der Gerätepupille entlang der optischen Achse OA an.
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Zwischen zweien der ortsfest angeordneten Zoomkomponenten 23, 24 ist ein Shutter 60 des Mikroskopiesystems 1 angeordnet. Der Shutter 60 ist im Mikroskopiesystem 1 ortsfest angeordnet. Der Shutter 60 ist ferner so angeordnet, dass er sich für alle einstellbaren Vergrößerungen und Arbeitsabstände WD des Mikroskopiesystems 1 innerhalb eines Blendenbereiches SR um den Ort der Gerätepupille P befindet. Der Shutter 60 ist über eine Signalleitung mit der Steuerung 70 verbunden. Die Steuerung 70 ist so ausgelegt, dass sie über Signale an den Shutter 60 das Auswählen des Beobachtungsstrahlengangs steuern kann.
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Bei einer Anordnung des Shutters 60 im Blendenbereich SR um den Ort der Gerätepupille P sind die Artefakte in den Einzelbildern so gering, dass sie vom Betrachter nicht als störend wahrgenommen werden und/oder dass sie die spätere Verarbeitung der Bilder nicht beeinträchtigen.
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Der Shutter 60 ist so ausgebildet, dass er für jedes Einzelbild aus einer Gruppe von Einzelbildern, die von dem Objekt in der Objektebene 40 aufgenommen werden, einen Beobachtungsstrahlengang des Mikroskopiesystems 1 auswählt. Beispielsweise kann der Shutter 60 für zwei Einzelbilder einen linken Stereokanal und einen rechten Stereokanal auswählen. Die Einzelbilder des linken und rechten Stereokanals werden jeweils von der Bilderfassungseinrichtung 80 aufgenommen. Aus dem Einzelbild des linken Stereokanals wird ein linkes Halbbild einer stereoskopischen Ansicht erzeugt, das dem linken Auge eines Betrachters zugeführt wird. Aus dem Einzelbild des rechten Stereokanals wird ein rechtes Halbbild der stereoskopischen Ansicht erzeugt, das dem rechten Auge des Betrachters zugeführt wird. Dazu kann das Mikroskopiesystem 1 beispielsweise ein Head-Mounted Display aufweisen, das nicht illustriert ist.
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Auf der optischen Achse OA zwischen der Fokusgruppe 20 und der Bildebene 41 ist eine bildseitige Fokusgruppe 30 angeordnet. Die bildseitige Fokusgruppe 30 weist zwei Kittglieder 31, 34 und zwei Linsen 32, 33 auf, die jeweils fest angeordnet sind. Die bildseitige Fokusgruppe 30 weist ferner eine der Zoomgruppe 20 am nächsten angeordnete refraktive Fläche 35 auf. Ein Abstand K entlang der optischen Achse zwischen der der Zoomgruppe am nächsten angeordneten refraktiven Fläche 35 und der Bildebene 41 ist größer als eine Brennweite der bildseitigen Fokusgruppe 30. Dadurch wird ein Mikroskopiesystem 1 mit einer kurzen Baulänge L erhalten, da der erforderliche Raum zwischen der Zoomgruppe 20 und der Bildebene 41 vergleichsweise kurz ist.
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1b zeigt die Strahlenverläufe 1-1 und 1-2 eines ersten und zweiten Strahlenbündels 103, 104 in dem in 1a dargestellten Mikroskopiesystem 1. Das erste Strahlenbündel 103, geht von einem ersten Punkt OP-1 in der Objektebene aus. Der Abstand zwischen der Objektebene 40 und dem Mikroskopiesystem 1 ist verkürzt dargestellt. Das zweite Strahlenbündel 104, geht von einem Ort OP-2 in der Objektebene 40 aus. Der Shutter 60 ist so konfiguriert, dass er keine Lichtstrahlen ausblendet. Das energetische Mittel des ersten Strahlenbündels 103 ergibt den ersten Schwerstrahl 101. Das energetische Mittel des zweiten Strahlenbündels 104 ergibt den zweiten Schwerstrahl 102. Das erste Strahlenbündel 103 wird in einem ersten Bildpunkt IP-1 in der Bildebene 41 abgebildet. Das zweite Strahlenbündel 104 wird in einem zweiten Bildpunkt IP-2 in der Bildebene 41 abgebildet. Zur Bestimmung der Schwerstrahlen wird angenommen, dass der Shutter 60 keine zusätzlichen Strahlen ausblendet. In anderen Worten werden die Schwerstrahlen ohne den Shutter 60 berechnet.
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1c zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel des Mikroskopiesystems 1a in schematischer Darstellung. Das Mikroskopiesystem 1a bildet Punkte der Objektebene 40a in Punkte in der Bildebene 41a ab. Das Mikroskopiesystem 1a weist eine objektseitige Fokusgruppe 10a, eine Zoomgruppe 20a und eine bildseitige Fokusgruppe 30a auf. Die Zoomgruppe 20a weist zwei bewegbare Zoomkomponenten 21a, 22a auf. Durch Bewegung der bewegbaren Zoomkomponenten 21a, 22a ist eine Vergrößerung des Mikroskopiesystems 1a einstellbar. Die objektseitige Fokusgruppe 10a weist eine bewegbare Fokuskomponente 11a auf, mit der ein Arbeitsabstand WD einstellbar ist.
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Die bewegbare Zoomkomponente 21a weist eine letzte refraktive Fläche S19 auf, die ein Lichtstrahl, der von der Objektebene 40a ausgeht, vor dem Shutter 60a zuletzt durchsetzt. Ferner weist die bewegbare Zoomkomponente 22a eine erste refraktive Fläche S24 auf, die ein Lichtstrahl, der von der Objektebene 40a ausgeht, nach dem Shutter 60a zuerst durchsetzt.
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Die bewegbaren Zoomkomponenten 21a, 22a weisen die beiden refraktiven Flächen S19, S24 auf, die auf beiden Seiten des Shutters 60a den geringsten Abstand vom Shutter 60a aufweisen. In anderen Worten befinden sich zwischen den refraktiven Flächen S19 und S24 und dem Shutter keine refraktiven Flächen.
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Die Flächen S2 bis S40 des Mikroskopiesystems
1a weisen die in der Tabelle 1 angegebenen Eigenschaften auf. S1 bezeichnet eine Fläche in der Objektebene
40. S41 bezeichnet eine Fläche in der Bildebene
41. Die Flächen S2 bis S40 werden von den Lichtstrahlen des Beobachtungslichts, das von der Objektebene
40a ausgeht, in der in der Tabelle 1 angegebenen Reihenfolge nacheinander durchsetzt. R bezeichnet einen Krümmungsradius der Fläche in Millimeter. D bezeichnet einen Abstand zwischen den Flächen entlang der optischen Achse in Millimeter. DM bezeichnet einen halben optisch freien Durchmesser der Fläche. Ferner werden in Tabelle 1 die verwendeten Gläser mit einem Index bezeichnet. Die zum Index gehörenden Brechzahlen sind in Tabelle 3 aufgelistet. Tabelle 1
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Die Fläche S2 ist die refraktive Fläche des Mikroskopiesystems 1a, die der Objektebene 40 am nächsten ist. Zwischen der Objektebene 40 und der Fläche S2 besteht ein Arbeitsabstand WD von 200 mm. Die objektseitige Fokusgruppe 10a weist Die Flächen S2 bis S9 auf. Die bewegbare Fokuskomponente 11a weist die Flächen S7 bis S9 auf. Die Zoomgruppe 20a weist die Flächen S10 bis S19 und S24 bis S33 auf. Eine erste bewegbare Zoomkomponente weist die Flächen S15 bis S19 auf. Eine zweite bewegbare Zoomkomponente weist die Flächen S24 bis S28 auf. Die Zoomgruppe 20a ist symmetrisch ausgebildet. Die bildseitige Fokusgruppe 30a weist die Flächen S34 bis S40 auf. Die Fläche S41 gibt die Position der Bildebene 41 an.
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Die Fläche S34 ist eine refraktive Fläche der bildseitigen Fokusgruppe 30a, die der Zoomgruppe 20 am nächsten angeordnet ist. Zwischen der Fläche S34 und der Bildebene 41 ergibt sich ein Abstand von 40,11 mm entlang der optischen Achse. Die Brennweite der bildseitigen Fokusgruppe 30a beträgt 50 mm. Daher ist die Brennweite der bildseitigen Fokusgruppe 30a größer als der Abstand zwischen der refraktiven Fläche 34 und der Bildebene 41. Dadurch wird ein Mikroskopiesystem 1a mit einer geringen Baulänge L erhalten. Die Baulänge L des Mikroskopiesystems ist der Abstand zwischen der der Objektebene 40a am nächsten angeordneten refraktiven Fläche 92 und der Bildebene 41a.
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Ein Shutter 60a des Mikroskopiesystems 1a und eine Blende weisen die Flächen S20 bis S23 auf.
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Tabelle 2 gibt für drei Vergrößerungsstellungen Z1, Z2 und Z3 der bewegbaren Zoomkomponenten
21a,
22a den Luftraum der Linsenflächen S14, S19, S23 und S28 in Millimeter an. Tabelle 2
| LUFTRAUM: | S14 | Z1 | .486000 |
| LUFTRAUM: | S14 | Z2 | 12.004000 |
| LUFTRAUM: | S14 | Z3 | 16.704000 |
| LUFTRAUM: | S19 | Z1 | 16.604000 |
| LUFTRAUM: | S19 | Z2 | 5.086000 |
| LUFTRAUM: | S19 | Z3 | .386000 |
| LUFTRAUM: | S23 | Z1 | .299000 |
| LUFTRAUM: | S23 | Z2 | 5.000000 |
| LUFTRAUM: | S23 | Z3 | 16.515000 |
| LUFTRAUM: | S28 | Z1 | 16.591000 |
| LUFTRAUM: | S28 | Z2 | 11.890000 |
| LUFTRAUM: | S28 | Z3 | .375000 |
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Tabelle 3 gibt die Brechzahlen der in der Tabelle 1 mit einem Index angegebenen Gläser in Abhängigkeit von der Wellenlänge des Lichts an. Die Wellenlänge des Lichts ist in nm angegeben. Tabelle 3
| Wellenlänge, nm: | 546.0740 | 643.8469 | 479.9914 | 435.8343 |
| Glas Nr. 1 | 1.812640 | 1.797512 | 1.829723 | 1.847243 |
| Glas Nr. 2 | 1.620325 | 1.615509 | 1.625344 | 1.630091 |
| Glas Nr. 3 | 1.670000 | 1.663241 | 1.677192 | 1.684142 |
| Glas Nr. 4 | 1.727937 | 1.718703 | 1.738029 | 1.748013 |
| Glas Nr. 5 | 1.518722 | 1.514719 | 1.522829 | 1.526685 |
| Glas Nr. 6 | 1.819915 | 1.810912 | 1.829498 | 1.838745 |
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2a zeigt wieder schematisch das Mikroskopiesystem 1, wobei durch den Shutter 60 ein Beobachtungsstrahlengang für ein erstes Einzelbild einer Gruppe von Einzelbildern ausgewählt ist. Der Beobachtungsstrahlengang ist ein erster Stereokanal, beispielsweise ein linker Stereokanal. In anderen Worten wird das Einzelbild des dargestellten Stereokanals zur Erzeugung eines linken Halbbildes einer stereoskopischen Ansicht des Objektes verwendet.
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Der Shutter 60 weist eine erste Teilfläche 61 auf, die geöffnet und geschlossen werden kann. Ferner weist der Shutter 60 eine zweite Teilfläche 62 auf, die ebenfalls geöffnet und geschlossen werden kann. Um den ersten Stereokanal auszuwählen ist die zweite Teilfläche 62 geschlossen und die erste Teilfläche 61 geöffnet.
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Von Objektpunkten OP-3 und OP-4 in der Objektebene 40 gehen Strahlen der Beobachtungsstrahlenbündel 105, 106 aus, die das Mikroskopiesystem 1 durchlaufen und in den Bildpunkten IP-3 und IP-4 in der Bildebene 41 abgebildet werden.
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2b zeigt entsprechend das Mikroskopsystem 1, wobei durch den Shutter 60 ein Beobachtungsstrahlengang für ein zweites Einzelbild der Gruppe von Einzelbildern ausgewählt ist. Der Beobachtungsstrahlengang stellt einen zweiten Stereokanal, beispielsweise einen rechten Stereokanal dar. Von den Objektpunkten OP-3 und OP-4 in der Objektebene 40 gehen Strahlen der Beobachtungsstrahlenbündel 107 und 108 aus. Die Beobachtungsstrahlenbündel durchlaufen das Mikroskopiesystem 1 und werden in den Bildpunkten IP-3 und IP-4 abgebildet. Um den zweiten Stereokanal auszuwählen ist die erste Teilfläche 61 geschlossen und die zweite Teilfläche 62 geöffnet.
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3 zeigt drei Strahlenverläufe 3-1, 3-2 und 3-3 von Strahlenbündeln des Mikroskopiesystems 1, wobei die bewegbaren Zoomkomponenten 21, 22 unterschiedliche Positionen aufweisen. Daher illustrieren die Strahlenverläufe 3-1, 3-2 und 3-3 Abbildungen verschiedener Vergrößerung. Durch eine Verschiebung der bewegbaren Zoomkomponenten 21, 22 entlang der optischen Achse OA kann die Vergrößerung des Mikroskopiesystems stufenlos zwischen den dargestellten Vergrößerungen geändert werden.
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Das Mikroskopiesystem 1 kann so ausgebildet sein, dass die Zoomgruppe einen Zoomfaktor von mindestens 4, insbesondere mindestens 5 oder mindestens 6 aufweist.
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4a bis 4c zeigen Ausführungsformen 60b, 60c und 60d des Shutters. Die Shutter 60b, 60c und 60d sind so dargstellt, dass die optische Achse OA senkrecht zur Papierebene orientiert ist.
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Der Shutter 60b, weist eine erste Teilfläche 61b und eine zweite Teilfläche 62b auf. Die Teilflächen 61b und 62b haben die Form eines Halbkreises.
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Durch eine Öffnung der ersten Teilfläche 61b kann ein erster, beispielsweise ein linker Stereokanal ausgewählt werden. Durch eine Öffnung der zweiten Teilfläche 62b kann ein zweiter, beispielsweise ein rechter Stereokanal ausgewählt werden. Ebenso kann durch die erste Teilfläche 61b ein rechter Stereokanal ausgewählt werden und durch die zweite Teilfläche 62b ein linker Stereokanal ausgewählt werden. Daher können die Öffnungsflächen der Stereokanäle um 180 Grad gedreht werden.
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Der Shutter 60c weist vier Teilflächen 61c, 62c, 63c und 64c auf. Die Teilflächen bilden gleich große Kreissektoren in Form von Viertelkreisen. Der Shutter 60c ist so ausgelegt, dass die Teilflächen 61c, 62c, 63c und 64c einzeln geöffnet und geschlossen werden können, wodurch vier Beobachtungsstrahlengänge ausgewählt werden können. Zusätzlich oder alternativ können mehrere Teilflächen zusammen geöffnet und geschlossen werden. Beispielsweise können Teilflächen 61c und 62c simultan geöffnet werden, wodurch ein Beobachtungsstrahlengang eines ersten Stereokanals relativ zur Achse A ausgewählt wird. Entsprechend kann durch die Öffnung der Teilflächen 63c und 64c ein Beobachtungsstrahlengang eines zweiten Stereokanals relativ zur Achse A ausgewählt werden. Der erste und der zweite Stereokanal können beispielsweise einen linken und einen rechten Stereokanal bilden.
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Ferner kann durch die Öffnung der Teilflächen 61c und 64c ein Beobachtungsstrahlengang eines dritten Stereokanals relativ zur Achse B ausgewählt werden. Entsprechend kann durch die Öffnung der Teilflächen 62c und 63c ein Beobachtungsstrahlengang eines vierten Stereokanals relativ zur Achse B ausgewählt werden. Der dritte und der vierte Stereokanal können wiederum einen linken und einen rechten Stereokanal bilden.
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Durch den Shutter 60c ist es möglich dass die Öffnungsflächen eines linken und rechten Stereokanals um +90 Grad, –90 Grad, oder 180 Grad gedreht werden können.
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Ferner kann das Mikroskopiesystem 1 ausgebildet sein, dass synchron mit einer Drehung der Öffnungsflächen der Stereokanäle eine Bilddrehung der Einzelbilder durch eine Bildverarbeitungseinrichtung des Mikroskopiesystems vornehmbar ist. Durch eine entsprechende Drehung der Einzelbilder bleibt dem Betrachter der räumliche Eindruck vom Objekt erhalten.
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4c zeigt eine weitere Ausführungsform eines Shutters 60d. Der Shutter 60d weist acht Teilflächen 61d bis 68d auf. Die Teilflächen 61d bis 68d bilden gleich große Kreissektoren in Form von Achtelkreisen. Die Teilflächen 61d bis 68d können beispielsweise einzeln geöffnet und geschlossen werden, wodurch acht verschiedene Beobachtungsstrahlengänge ausgewählt werden können.
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Durch den Shutter 60c ist es möglich dass die Öffnungsflächen eines linken und rechten Stereokanals um +/–45 Grad, +/–90 Grad, +/–135 Grad oder 180 Grad gedreht werden können.
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Die in den 4a bis 4c gezeigten Shutter 60b, 60c und 60d können auch ausgebildet sein, dass durch eine gleichzeitige Öffnung aller Teilflächen des Shutters ein Beobachtungsstrahlengang ausgewählt wird, durch den ein monoskopisches Einzelbild erzeugt wird. Daher kann das Mikroskopiesystem 1 ausgebildet sein, dass zusätzlich zu den stereoskopischen Halbbildern auch Bilder eines Objektes mit geringen Öffnungsfehlern aufgenommen werden.
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In anderen Worten ist durch Öffnung aller Teilflächen ein Beobachtungsstrahlengang auswählbar, mit dem Einzelbilder mit geringen Öffnungsfehlern aufnehmbar sind.
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Beispielsweise kann zusätzlich zu zwei Einzelbildern, jeweils mit einem linken und rechten Stereokanal noch ein Einzelbild mit einer möglichst großen Öffnungsfläche des Shutters aufgenommen werden.
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Durch eine numerische Verarbeitung des Einzelbildes mit geringen Öffnungsfehlern mit den stereoskopischen Einzelbildern kann die Auflösung der mit den Stereokanälen aufgenommenen Einzelbilder erhöht werden und/oder Artefakte verringert werden.
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Es ist ferner denkbar, dass das Mikroskopiesystem 1 in verschiedenen Betriebsmodi betreibbar ist. Beispielsweise können die Betriebsmodi einen Mono-Aufnahmemodus und einen Stereo-Aufnahmemodus umfassen. Die Einzelbilder eines Mono-Aufnahmemodus können geringere Öffnungsfehler als Einzelbilder des Stereo-Aufnahmemodus aufweisen. Insbesondere können die Beobachtungsstrahlengänge des Mono-Aufnahmemodus mit einer großen Öffnungsfläche des Shutters 60 ausgewählt werden.
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In einem Stereo-Aufnahmemodus werden nur stereoskopische Einzelbilder mit linken und rechten Stereokanälen aufgenommen. Ferner können die Betriebsmodi einen gemischten Aufnahmemodus umfassen, in dem monoskopische Einzelbilder mit stereoskopischen Paaren von Einzelbildern numerisch verarbeitet werden, um stereoskopische Halbbilder mit höhere Auflösung zu erhalten und/oder Artefakte zu minimieren.
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Dadurch kann ein vergleichsweise flexibel einsetzbares Mikroskopiesystem 1 erhalten werden. Beispielsweise kann je nach Erfordernissen bei einer Operation ein passender Betriebsmodus des Mikroskopiesystems 1 gewählt werden. Der Mono-Aufnahmemodus kann Bilder einer hohen Ortsauflösung bereitstellen. Ferner kann in einem Mono-Aufnahmemodus eine hohe Zeitauflösung erreichbar sein. Auf der anderen Seite kann der Stereo-Aufnahmemodus dem Betrachter einen räumlichen Eindruck des Objektes vermitteln. Durch ein Mikroskopiesystem 1, dass zwischen verschiedenen Betriebsmodi umschaltbar ist, kann in einer konkreten Operationsphase ein passender Betriebsmodus flexibel ausgewählt werden.
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5 zeigt eine Steuerung 70 des Mikroskopiesystems 1, die mit einem Bilderfassungssystem 80 verbunden ist. Das Bilderfassungssystem weist einen Bildaufnahmesensor 81 auf. Das Bilderfassungssystem kann beispielsweise einen 1CCD-Bildsensor, einen 1CMOS Bildsensor und/oder einen 3CCD Sensor aufweisen. Der Bildaufnahmesensor 81 kann eine Größe von 1/4'', 1/3'', 1/2'', 3/4'' oder 1'' aufweisen.
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Die Steuerung 70 ist über eine erste Signalleitung mit einer ersten Teilfläche 61b des Shutters 60b verbunden. Ferner ist die Steuerung 70 über eine zweite Signalleitung 72 mit der zweiten Teilfläche 62b des Shutters 60b verbunden. Die Steuerung 70 steuert über Signale auf der ersten Signalleitung 71 das Öffnen und Schließen der ersten Teilfläche 61b. Entsprechend steuert die Steuerung über die zweite Signalleitung 72 das öffnen und Schließen der zweiten Teilfläche 62b.
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Ferner ist die Steuerung 70 über eine dritte und vierte Signalleitung 73, 74 mit dem Bilderfassungssystem 80 verbunden. Die Steuerung 70 steuert über Signale auf der dritten Signalleitung 73 die Bildaufnahme für ein erstes Einzelbild. Das erste Einzelbild wird aufgenommen, wenn die erste Teilfläche 61a geöffnet ist und die zweite Teilfläche 62a geschlossen ist. Beispielsweise steuert die Steuerung 70 über die dritte Signalleitung 73 das Zeitfenster, in dem mit dem Bildaufnahmesensor 81 Lichtintensität für das erste Einzelbild aufgenommen wird.
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Entsprechend steuert die Steuerung 70 über die vierte Signalleitung 74 das Zeitfenster, in dem mit dem Bildaufnahmesensor 81 Lichtintensität für das zweite Einzelbild aufgenommen wird. Das zweite Einzelbild wird aufgenommen, wenn die erste Teilfläche 61a geschlossen ist und die zweite Teilfläche 62a geschlossen ist. Beispielsweise steuert die Steuerung 70 über die vierte Signalleitung 74 das Zeitfenster, in dem mit dem Bildaufnahmesensor 81 Lichtintensität für das zweite Einzelbild aufgenommen wird.
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Das Zeitfenster für die Aufnahme des ersten Einzelbildes kann kürzer oder gleich lang sein als die Öffnungszeit der ersten Teilfläche 61a des Shutters 60a. Entsprechend kann das Zeitfenster für die Aufnahme des zweiten Einzelbildes kürzer oder gleich lang sein als die Öffnungszeit der zweiten Teilfläche 62a des Shutters 60a.
