DE102010038547B4

DE102010038547B4 - Bildstabilisierungs- und -aufnahmesensor für eine Bildaufnahmevorrichtung eines Operationsmikroskops

Info

Publication number: DE102010038547B4
Application number: DE102010038547A
Authority: DE
Inventors: Dr. Sander Ulrich
Original assignee: Leica Microsystems Schweiz AG
Current assignee: Leica Microsystems Schweiz AG
Priority date: 2010-07-28
Filing date: 2010-07-28
Publication date: 2012-07-19
Anticipated expiration: 2030-07-29
Also published as: JP5514164B2; US20120026312A1; DE102010038547A1; US8487989B2; JP2012032813A

Abstract

Bildstabilisierungs- und -aufnahmesensor, umfassend eine Anzahl von, insbesondere matrixförmig angeordneten, optoelektronischen Bildaufnahmezellen (110; 210), ein Trägersubstrat (101, 102; 201), welches eine Sensorebene definiert und zur Halterung und Kontaktierung der optoelektronischen Bildaufnahmezellen (110; 210) und zum Anschluss des Bildstabilisierungs- und -aufnahmesensors an weitere Elemente dient, und wenigstens ein Bewegungsmittel (120; 220), um die optoelektronischen Bildaufnahmezellen (110; 210) relativ zu dem Trägersubstrat (101, 102; 201) zu bewegen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Bildstabilisierungs- und -aufnahmesensor für eine Bildaufnahmevorrichtung eines Operationsmikroskops sowie eine Bildaufnahmevorrichtung und ein Operationsmikroskop mit einem solchen Bildstabilisierungs- und -aufnahmesensor.
Stand der Technik
Operationsmikroskope verfügen häufig über mehrere Beobachtungsstrahlengänge, so dass das Operationsfeld sowohl vom Operateur als auch beispielsweise von einem Assistenten beobachtet und darüber hinaus einer Bildaufnahmevorrichtung, wie z. B. einer Kamera, zugeführt werden kann. Die Kamera dient zur Darstellung des Operationsfeldes auf einem Bildschirm und/oder zur Dokumentation der Operation. Durch die Benutzung des Mikroskops mit seinen Funktionen, wie xy-Verstellung, Einstellen des Zooms, Lösen der Bremsen in den Gelenkarmen, oder durch externe Schwingungen, wie z. B. durch Erschütterungen vorbeifahrender Fahrzeuge oder durch unzureichend schwingungsisolierte Klimaanlagen, verursacht werden, kann das Mikroskop in Vibrationen geraten, was eine sichtbare Unruhe des aufgenommenen Mikroskopbildes zur Folge hat. Diese Vibrationen sollen minimiert oder vorzugsweise ganz vermieden werden.
Aus der DE 103 06 440 A1 ist beispielsweise ein Stativ mit einem ARES-Bauelement zur Schwingungsdämpfung bekannt. Dabei werden Aktoren in Reaktion auf erfasste Schwingungen so angesteuert, dass das Mikroskop im Wesentlichen in Ruhe bleibt. Ein ähnliches System ist aus der DE 4 342 717 B4 bekannt.
Für Fotokameras sind Bildstabilisierungseinrichtungen bekannt, bei denen der optoelektronische Bildaufnahmesensor in einer speziellen Halterung montiert ist, welche über Aktoren verfügt, um den Sensor in der xy-Ebene (Bildebene) zur Schwingungskompensation zu bewegen.
Die US 2007/0171284 A1 zeigt beispielsweise einen Bildaufnahmesensor aufweisend Bildaufnahmezellen auf einem Halbleitersubstrat, der insgesamt relativ zu einem vom Sensor unabhängigen Träger bewegt wird. Die zu bewegenden Massen sind relativ groß.
Im Stand der Technik müssen neben einer Beschleunigungssensorik Bauelemente verwendet werden, um die jeweiligen Elemente, wie Linsen, Sensoren, Mechaniken usw., mit Aktoren, Stellgliedern, Motoren, Getrieben usw. zu bewegen. Dies ist sehr aufwendig und bedarf einer hohen Positioniergenauigkeit, benötigt großen Bauraum und ist für manche Schwingungen zu träge.
Es ist daher wünschenswert, eine Bildstabilisierungseinrichtung für eine Bildaufnahmevorrichtung eines Operationsmikroskops anzugeben, welche besonders platzsparend ist und vorzugsweise reaktionsschnell arbeitet.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird ein Bildstabilisierungs- und -aufnahmeeinsensor für eine Bildaufnahmevorrichtung eines Operationsmikroskops mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
Eine Bildstabilisierung zeichnet sich dadurch aus, dass eine Relativbewegung zwischen Bildsensor und Bild verringert oder vermieden wird. Bei üblichen Bildaufnahmevorrichtungen werden dazu Systeme eingesetzt, bei denen entweder eine Linse oder der Sensor entgegen den detektierten Schwingungen bewegt wird, um das Abbild relativ zum Sensor ortsfest zu halten. Der Erfinder hat nun erkannt, dass es insbesondere bei kleinen Schwingungen ausreichend ist, lediglich die lichtempfindlichen Bereiche des Bildsensors, also die Pixel, zu bewegen, wobei der Sensor selbst, d. h. das Substrat, ortsfest bleibt. Mit anderen Worten wird die Bildstabilisierungseinrichtung in die Bildaufnahmeeinrichtung integriert.
Damit kann die zu bewegende Masse wesentlich reduziert werden, so dass in der Folge weniger Leistung und weniger Bauteile nötig sind und der Platzbedarf sinkt. Da die zu bewegenden Massen sehr klein sind, reichen zur Ansteuerung in bestimmten Fällen ggf. bereits die Ausgabesignale von Beschleunigungssensoren aus, ohne dass aufwendige Leistungsstufen dazwischen geschaltet werden müssten. Gegebenenfalls kann eine Pegelanpassung notwendig sein. Auf diese Weise kann auch die Reaktionszeit verkürzt werden.
Es kann vorgesehen sein, alle optoelektronischen Bildaufnahmezellen (lichtempfindliche Zellen, Pixel) der Bildstabilisierungs- und -aufnahmeeinrichtung gemeinsam oder – bei entsprechend getrennter Ausgestaltung – jede einzelne Bildaufnahmezelle zu bewegen. Für die Bewegung sind entsprechende Bewegungsmittel vorgesehen, die in bevorzugter Ausgestaltung zugleich als Haltemittel dienen.
Es können Bewegungsmittel für eine, zwei oder drei Raumrichtungen vorgesehen sein. Je nach Ausgestaltung ist dann eine Schwingungskompensation in x-, y- und/oder z-Richtung möglich. Vorzugsweise sind Bewegungsmittel vorgesehen, um alle oder einzelne Bildaufnahmezellen in der xy-Ebene zu bewegen (Bild- bzw. Sensorebene). Alternativ oder zusätzlich sind vorzugsweise Bewegungsmittel vorgesehen, um alle oder einzelne Bildaufnahmezellen in der z-Richtung zu bewegen (Schärfentiefe). Bewegungsmittel in z-Richtung ermöglichen neben einer Schwindungsdämpfung in dieser Richtung besonders vorteilhaft auch die Ausbildung einer Wellenformfläche, welche bspw. zur Korrektur von Abbildungsfehlern dienen kann, insbesondere als sphärische oder asphärische Korrektur. Weiterhin können Verkippungen und/oder Unregelmäßigkeiten der Objektebene ausgeglichen werden, die herkömmlicherweise jenseits der Schärfentiefe lägen. Besonders vorteilhaft können damit bspw. bei einer Netzhautbeobachtung auch weit außen liegende Bereiche scharf betrachtet werden.
Die Bewegungsmittel können Piezoaktoren, EAP-Aktoren, thermische Aktoren, kapazitive Aktoren usw. umfassen. Eine besonders geeignete Gruppe stellen die EAP-Aktoren dar. Hier handelt es sich um aus elektroaktiven Polymeren (EAP) gebildete Aktoren. Elektroaktive Polymere ändern bei Anlegen einer elektrischen Spannung ihre Form. Sie werden auch als ”künstliche Muskel” bezeichnet. Mit elektroaktiven Polymeren können hohe Dehnungen (bis über 300%) erreicht werden. Sie besitzen eine geringe Dichte und nahezu freie Formbarkeit.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
Figurenbeschreibung
1 zeigt schematisch eine erste bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bildstabilisierungssensors in Draufsicht.
2 zeigt die Ausführungsform gemäß 1 in einer Schnittansicht.
3 zeigt schematisch eine zweite bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bildstabilisierungssensors in Draufsicht.
4 zeigt schematisch eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Operationsmikroskops an einem Stativ.
In 1 ist eine erste bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bildstabilisierungs- und -aufnahmesensors schematisch in Draufsicht dargestellt und insgesamt mit 100 bezeichnet. Der Bildstabilisierungs- und -aufnahmesensor ist hier als bildstabilisierter, optoelektronischer Bildsensor 100 ausgebildet, bei dem eine Anzahl von lichtempfindlichen Zellen 110 matrixförmig angeordnet ist. Es kann sich insbesondere um einen CCD-Sensor oder um einen CMOS-Sensor handeln. Auf die Bildaufnahme bzw. Bilderzeugung durch solche Sensoren soll an dieser Stelle nicht weiter eingegangen werden, da dies dem Fachmann bekannt ist.
Der Bildsensor 100 umfasst einen mehr oder weniger großen Substratbereich 101, der zur Halterung und Kontaktierung der lichtempfindlichen Zellen und zum Anschluss des Bildsensors an weitere Elemente vorgesehen ist. Im vorliegenden Beispiel umfasst das Substrat 101 einen gitterförmigen Bereich, der von waagerechten und senkrechten Substratstreben 102 gebildet wird. Durch die Substratstreben 102 werden Ausnehmungen 103 definiert, in denen jeweils eine lichtempfindliche Zelle 110 sitzt.
Gemäß der hier dargestellten Ausführungsform der Erfindung sind die lichtempfindlichen Zellen 110 in x- und y-Richtung jeweils über wenigstens ein Bewegungsmittel 120 mit dem angrenzenden Substrat bzw. der angrenzenden Substratstrebe verbunden. Auf diese Weise kann eine gesteuerte, vorzugsweise gleichförmige, Bewegung aller lichtempfindlichen Zellen 120 in x- und/oder y-Richtung bewirkt, werden. Notwendige Zuleitungen zur Ansteuerung und Versorgung der Bewegungsmittel 120 können ebenfalls über das Substrat und über die Substratstreben geführt werden. Die Bewegungsmittel 120 können insbesondere als EAP-Aktoren ausgebildet sein. Vorzugsweise sind die EAP-Aktoren spiralartig oder federartig ausgebildet, um sowohl eine Verlängerung als auch eine Verkürzung zu ermöglichen.
In 2 ist eine Querschnittsansicht des Bildsensors 100 gemäß 1 dargestellt. Wie hier zu erkennen ist, können die einzelnen lichtempfindlichen Zellen 110 auch über mit dem Substrat 101 verbunden sein. Um ggf. ein Verkippen zu vermeiden, können auch mehrere in z-Richtung verlaufende Bewegungsmittel 120 vorgesehen sein. Die in z-Richtung verlaufenden Bewegungsmittel 120 sind vorgesehen, um durch eine Bewegung in z-Richtung einer Schwingung in dieser Richtung entgegenzuwirken, um insbesondere Schwingungen auszugleichen, die die Schärfe der Bildaufnahme negativ beeinflussen.
Je nach Anforderung können nur die Bewegungsmittel für die xy-Bewegung, nur die Bewegungsmittel für die z-Bewegung, oder beide vorgesehen sein.
Zur Bildstabilisierung sind weiterhin Schwingungssensoren (nicht gezeigt), wie z. B. Gyroskope oder Beschleunigungssensoren, vorgesehen, wie die Schwingungen in x-, y- und/oder in z-Richtung erfassen. Die Ausgabesignale dieser Sensoren werden – gegebenenfalls entsprechend aufbereitet – verwendet, um die Bewegungsmittel 120 anzusteuern und der detektierten Bewegung bzw. Schwingung entgegenzuwirken.
In 3 ist eine zweite bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Bildstabilisierungs- und -aufnahmevorrichtung 200 schematisch in Draufsicht dargestellt. Die Bildstabilisierungs- und -aufnahmevorrichtung 200 ist ebenfalls als bildstabilisierter, optoelektronischer Bildsensor, beispielsweise als CCD-Bildsensor oder als CMOS-Bildsensor, ausgebildet. Der Bildsensor 200 umfasst ein Substrat 201 sowie eine Anzahl von matrixförmig angeordneten lichtempfindlichen Zellen 210, die im vorliegenden Beispiel auf einer zusammenhängenden Fläche angeordnet sind. Wie es dem Fachmann bekannt ist, existieren unterschiedliche Ausgestaltungen derartiger lichtempfindlicher Flächen, wobei beispielsweise sogenannte Schieberegister u. ä., ggf. auch zwischen einzelnen lichtempfindlichen Zellen, vorgesehen sein können. Die zusammenhängende Fläche insgesamt ist über Bewegungsmittel 220 mit dem umgebenden, einen Ortsbezugspunkt definierenden Substrat 201 verbunden. Auch die Ausgestaltungsform 200 gemäß 3 kann Bewegungsmittel (nicht gezeigt) in z-Richtung aufweisen, um insbesondere Schwingungen auszugleichen, die die Schärfe der Bildaufnahme negativ beeinflussen.
In 4 ist ein Mikroskopgerät schematisch dargestellt und insgesamt mit 400 bezeichnet. Das Mikroskopgerät 400 weist eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Operationsmikroskops 420 auf, das von einem Stativ 410 getragen wird und bewegbar an dem Stativ 410 gelagert ist.
Das Stativ 410 weist einen Stativfuß 411 auf, auf dem ein Stativkörper 412 drehbar gelagert ist. Das Stativ weist weiterhin eine Anzahl von Stativarmen 413 auf, die das Operationsmikroskop 420 tragen und dessen Bewegbarkeit im Raum gewährleisten. In dem Stativkörper 412 sind unter anderem Aggregate (nicht gezeigt) zur Versorgung des Mikroskopgeräts mit Strom u. ä. sowie eine Steuereinheit des Mikroskopgeräts angeordnet.
Das Operationsmikroskop 420 ist mit einer Bildaufnahmevorrichtung 425 ausgerüstet, welche über einen erfindungsgemäße Bildstabilisierungs- und -aufnahmesensor verfügt, wie sie bspw. anhand der 1 bis 3 erläutert wurde. U. a. zur Anzeige der mit der Bildaufnahmevorrichtung 425 aufgenommenen Bilder ist ein Bildschirm 430 vorgesehen. Der Bildschirm 430 dient zusätzlich zur Darstellung bspw. von Einstellungen des Mikroskopgeräts 400.
Mit der erfindungsgemäßen Lösung kann ein Operationsmikroskop mit einem besonders platzsparenden Bildstabilisierungs- und -aufnahmesensor zum Ausgleichen von Vibrationen usw. ausgerüstet werden.

Claims

Bildstabilisierungs- und -aufnahmesensor, umfassend eine Anzahl von, insbesondere matrixförmig angeordneten, optoelektronischen Bildaufnahmezellen (110; 210), ein Trägersubstrat (101, 102; 201), welches eine Sensorebene definiert und zur Halterung und Kontaktierung der optoelektronischen Bildaufnahmezellen (110; 210) und zum Anschluss des Bildstabilisierungs- und -aufnahmesensors an weitere Elemente dient, und wenigstens ein Bewegungsmittel (120; 220), um die optoelektronischen Bildaufnahmezellen (110; 210) relativ zu dem Trägersubstrat (101, 102; 201) zu bewegen.
Bildstabilisierungs- und -aufnahmesensor nach Anspruch 1, wobei wenigstens eine der Anzahl von optoelektronischen Bildaufnahmezellen (110) separat mittels des wenigstens einen Bewegungsmittels (120) relativ zu dem Trägersubstrat (101, 102) bewegbar gehaltert ist.
Bildstabilisierungs- und -aufnahmesensor nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Trägersubstrat (101, 102) einen gitterförmigen Bereich mit waagrechten und senkrechten Streben (102) umfasst und wenigstens eine optoelektronische Bildaufnahmezelle (110) jeweils mittels wenigstens eines Bewegungsmittels (120) mit wenigstens einer waagrechten und mit wenigstens einer senkrechten Strebe (102) des Trägersubstrats verbunden ist.
Bildstabilisierungs- und -aufnahmesensor nach Anspruch 1, wobei die Anzahl von optoelektronischen Bildaufnahmezellen (210) auf einer zusammenhängenden Fläche angeordnet und insgesamt mittels des wenigstens einen Bewegungsmittels (220) relativ zu dem Trägersubstrat (201) bewegbar gehaltert ist.
Bildstabilisierungs- und -aufnahmesensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das wenigstens eine Bewegungsmittel (120; 220) eine mikromechanische Vorrichtung, ein elektroaktives Polymer, einen Piezoaktor, einen thermischen Aktor und/oder einen kapazitiven Aktor umfasst.
Bildstabilisierungs- und -aufnahmesensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das wenigstens eine Bewegungsmittel (120; 220), so ausgebildet ist, dass es eine Bewegung der optoelektronischen Bildaufnahmezellen (110; 210) in der Sensorebene ausführt.
Bildstabilisierungs- und -aufnahmesensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das wenigstens eine Bewegungsmittel (120; 220), so ausgebildet ist, dass es eine Bewegung der optoelektronischen Bildaufnahmezellen (110; 210) senkrecht zu der Sensorebene ausführt.
Bildstabilisierungs- und -aufnahmesensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei wenigstens ein Beschleunigungssensor zur Erfassung einer Beschleunigung in der Sensorebene und/oder senkrecht zu der Sensorebene vorgesehen ist, der mit wenigstens einem Bewegungsmittel (120; 220) verbunden ist, wobei ein Ausgabesignal des wenigstens einen Beschleunigungssensors zur Ansteuerung des wenigstens einen Bewegungsmittels (120; 220) in der der Erfassungsrichtung des Sensors entsprechenden Richtung verwendet wird.
Bildaufnahmevorrichtung (425) mit einem Gehäuse, in dem ein Bildstabilisierungs- und -aufnahmesensor (100; 200) nach einem der vorstehenden Ansprüche angeordnet ist.
Operationsmikroskop (420) umfassend eine Bildaufnahmevorrichtung (425) nach Anspruch 9.