DE102011053630B4

DE102011053630B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Bildstabilisierung in einem optischen Beobachtungs- oder Messgerät

Info

Publication number: DE102011053630B4
Application number: DE102011053630.2A
Authority: DE
Inventors: Marco Pretorius
Original assignee: Carl Zeiss Microscopy GmbH
Current assignee: Carl Zeiss Microscopy GmbH
Priority date: 2011-09-15
Filing date: 2011-09-15
Publication date: 2019-11-21
Anticipated expiration: 2031-09-16
Also published as: US20130070339A1; DE102011053630A1

Abstract

Verfahren zur Bildstabilisierung in einem optischen Beobachtungs- oder Messgerät (1,101) mit einer Beobachtungsoptik (3), welche eine optische Achse (OA) und wenigstens ein optisches Element mit einstellbarer Brechkraft (7A,7B,177) aufweist, wobei eine ungewollte Bewegung zwischen der Beobachtungsoptik (3) und einem Beobachtungsobjekt (4) entlang der optischen Achse (OA) stattfindet, in dem eine optische Kompensation der ungewollten Bewegung entlang der optischen Achse (OA) dadurch erfolgt, dass:- die Bewegung entlang der optischen Achse (OA) ermittelt wird,- auf der Basis der ermittelten Bewegung wenigstens eine Stellgröße für das einstellbare optische Element (7A,7B,177) ermittelt wird, welche die zur optischen Kompensation der Bewegung entlang der optischen Achse (OA) erforderliche Brechkraft des wenigstens einen optischen Elements mit einstellbarer Brechkraft (7A,7B,177) repräsentiert, und- ein Einstellen des wenigstens einen optischen Elements mit einstellbarer Brechkraft (7A,7B,177) auf der Basis der wenigstens einen Stellgröße erfolgt, wobei das optische Element mit einstellbarer Brechkraft (7A,7B,177) wenigstens zwei in Richtung senkrecht zur optischen Achse (OA) zueinander bewegbare, zueinander benachbart angeordnete Freiformelemente (9,11) umfasst, das wenigstens eine Stellsignal die Position der Freiformelemente (9,11) senkrecht zur optischen Achse (OA) repräsentiert und das Einstellen der Brechkraft durch gegeneinander Verschieben der Freiformenelemente (9, 11) in einer Richtung senkrecht zur optischen Achse (OA) erfolgt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bildstabilisierung in einem optischen Beobachtungsgerät oder einem optischen Messgerät mit einer Beobachtungsoptik, die einer Bewegung entlang ihrer optischen Achse unterworfen ist. Daneben betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Bildstabilisierung in einem optischen Beobachtungsgerät oder einem optischen Messgerät. Außerdem betrifft die Erfindung ein optisches Beobachtungs- oder Messgerät.
Beim Beobachten von Beobachtungsobjekten mittels optischer Beobachtungsgeräte muss das Beobachtungsobjekt ruhig gehalten werden, um Unschärfe in den Bildern zu vermeiden. Dies gilt insbesondere, wenn mit dem optischen Beobachtungsgerät eine elektronische Bildaufnahme erfolgen soll. Bewegungen der Beobachtungsoptik, die rascher als die Bildaufnahme erfolgen, führen zu Unschärfen im aufgenommenen Bild, die je nach Situation sehr störend sein können. Unwillkürliche Bewegungen der Beobachtungsoptik können beispielsweise durch Handzittern bei handgehaltenden Beobachtungs- und/oder Aufnahmegeräten entstehen, was dazu führt, dass bei längeren Belichtungszeiten in der Regel ein Stativ verwendet wird. Aber auch Schwingungen in mechanischen Haltevorrichtungen eines optischen Beobachtungsgerätes können zu Unschärfen im Bild führen. Wenn nahe Objekte betrachtet oder aufgenommen werden, bspw. mit Mikroskopen oder Makroobjektiven, entstehen Unschärfen im Bild nicht alleine aufgrund von Bewegungen der Beobachtungsoptik senkrecht zur optischen Achse, sondern auch durch unwillkürliche Bewegungen parallel zur optischen Achse, d.h. in Richtung auf das Objekt zu und vom Objekt weg.
Beispielsweise finden in der Neurochirurgie typischerweise Operationsmikroskope mit bis zu 30-facher Vergrößerung Verwendung, die an einem Stativ aufgehängt sind. Als mechanisches Gebilde ist das Stativ jedoch nicht unendlich steif und zeigt daher unter Belastung eine gewisse Verformung. Das Stativ unendlich steif zu bauen, ist technisch nicht möglich. Zudem bringt eine hohe Steifheit auch ein sehr hohes Eigengewicht mit sich. Die endliche Steifheit macht das Stativ zu einem schwingfähigen System. Durch Anstoßen oder durch eine kleine periodische Kraft kann das Stativ zu Schwingungen angeregt werden. Schwingt das Stativ, so ist die Bildqualität des Operationsmikroskops erheblich beeinflusst, was insbesondere bei neurochirurgischen Operationen Nachteile mit sich bringt. Ähnliche Problematiken treten auch bei optischen Messgeräten auf.
Es wurde daher bspw. für Operationsmikroskope vorgeschlagen, Stative mit Schwingungsdämpfungssystemen auszustatten. Diese weisen typischerweise Aktoren auf, die eine Kraft auf ein Element des Stativs ausüben können, um damit Stativschwingungen entgegen zu wirken. Ein Beispiel für ein derartiges Stativ ist in US 2009/002066 A1 beschrieben.
Außerdem sind Bildstabilisierungssysteme bekannt, bei denen seitliche Bewegungen oder Verkippungen der Beobachtungsoptik relativ zu einem zu betrachtenden oder aufzunehmenden Beobachtungsobjekt durch Verschieben einer Linse oder Linsengruppe in einer Richtung senkrecht zur optischen Achse kompensiert werden. Optische Beobachtungsgeräte mit derartigen Bildstabilisierungssystemen sind beispielsweise in US 5 270 857 A und US 5 477 297 A beschrieben.
Daneben gibt es Bildstabilisierungssysteme in denen Bewegungen senkrecht zur optischen Achse statt durch verschiebbare Linsen durch variable Prismen oder variable keilförmige Elemente optisch ausgeglichen werden. Beispiele für derartige Systeme sind aus US 5 140 462 A , US 5 280 387 A , US 3 475 074 A und US 3 942 862 A bekannt.
Aus US 4 881 800 A und US 6 653 611 B2 sind Bildstabilisierungssysteme bekannt, die um eine oder zwei Achsen beweglich gelagerte Spiegel mit entsprechender Ansteuerungsaktorik aufweisen, mit denen sich Bildverschiebungen senkrecht zur optischen Achse und Verkippungen ausgleichen lassen.
Die US 2006/0262414 A1 beschreibt ein Bildaufnahmegerät mit einem Vibrationssensor und einem deformierbaren Spiegel, mit dem die vom Vibrationssensor detektierten Vibrationen senkrecht zur optischen Achse kompensiert werden können. Statt des deformierbaren Spiegels kann auch eine einstellbare Flüssigkristalllinse Verwendung finden.
Die DE 35 34 596 A1 beschreibt ein afokales optisches System mit veränderlicher Vergrößerung. Zum Verändern der Vergrößerung wird in einem zweilinsigen System entweder die objektseitige Linse verschoben oder die Brechkraft dieser Linse variiert. Wenn die Brechkraft variiert wird, können zwei Linsen mit variabler Brechkraft vorhanden sein.
Die JP 2006-276483 A beschreibt ein Fokussiersystem in einer Kamera, welches die Kamera fokussiert, falls festgestellt wird, dass die Kamera nicht fokussiert ist. Hierzu findet eine Linse Verwendung, deren Brechkraft variabel ist und durch Anlegen einer Spannung verändert werden kann.
Die US 2005/019582 A1 beschreibt eine Zoomlinse, in der eine Linsengruppe vertikal zur optischen Achse bewegt werden kann, um ein eine Bildbewegung aufgrund eines Wackelns der Kamera zu kompensieren.
All diese Systeme ermöglichen es, Bildverschiebungen, also Bewegungen senkrecht zur optischen Achse, oder Verkippungen der Beobachtungsoptik in Bezug auf das Beobachtungsobjekt auszugleichen. Eine Bildstabilisierung in einer Richtung parallel zur optischen Achse, d.h. ein Ausgleich von Bewegungen parallel zur optischen Achse, ist mit den genannten Systemen jedoch nicht möglich.
Im Falle von Bewegungen parallel zur optischen Achse kann insbesondere bei Beobachtungen von nahen Beobachtungsobjekten nicht immer ein scharfes Bild gewährleistet werden. So ist es bspw. aus der Fotografie bekannt, dass Objektive mit aktiver Bildstabilisierung lediglich für entfernte Objekte zu einer wirksamen Stabilisierung führen, während im Nahbereich und insbesondere im Makrobereich die stabilisierende Wirkung rasch nachlässt. Eine Ursache hierfür ist, dass die natürliche Schärfentiefe in der Naheinstellung quadratisch mit der Objektentfernung abnimmt und bei entsprechender Nähe des Objektes daher kleiner werden kann als die Amplitude der unwillkürlichen Bewegung parallel zur optischen Achse. Auch bei nachschwingenden Stativen, an denen mikroskopische Vorrichtungen wie etwa Operationsmikroskope befestigt sind, ist diese Problematik bekannt. Zwar kann die Schärfentiefe grundsätzlich durch Verringern der Apertur erhöht werden, jedoch geht dies mit einem Lichtverlust einher, der nicht immer akzeptabel ist.
Gegenüber dem genannten Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bildstabilisierung zur Verfügung zu stellen, die es ermöglichen, auch bei unwillkürlichen Bewegungen der Beobachtungsoptik parallel zur optischen Achse ein scharfes Bild zu gewährleisten. Eine weitere Aufgabe ist es, ein vorteilhaftes optisches Beobachtungsgerät und optisches Messgerät zur Verfügung zu stellen.
Die erste Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Bildstabilisierung, wie es in Anspruch 1 definiert ist, sowie durch eine Vorrichtung zur Bildstabilisierung, wie sie in Anspruch 9 definiert ist, gelöst. Die zweite Aufgabe wird durch ein optisches Beobachtungsgerät nach Anspruch 14 und ein optisches Messgerät nach Anspruch 15 gelöst. Die abhängigen Ansprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
Im erfindungsgemäßen Verfahren zur Bildstabilisierung in einem optischen Beobachtungsgerät oder Messgerät mit einer Beobachtungsoptik, die eine optische Achse sowie wenigstens ein optisches Element mit einstellbarer Brechkraft aufweist, wobei eine ungewollte Bewegung zwischen der Beobachtungsoptik und einem Beobachtungsobjekt entlang der optischen Achse stattfindet, erfolgt eine optische Kompensation der Bewegung der Beobachtungsoptik entlang der optischen Achse. Die Bewegung kann hierbei durch die Beobachtungsoptik, das Beobachtungsobjekt oder beide verursacht sein. Typischerweise wird sie jedoch auf eine Bewegung der Beobachtungsoptik zurückzuführen sein.
Die optische Kompensation erfolgt, indem die ungewollte Bewegung entlang der optischen Achse ermittelt wird. Auf der Basis der ermittelten Bewegung wird dann wenigstens eine Stellgröße für das einstellbare optische Element ermittelt, welche die zur optischen Kompensation der ungewollten Bewegung entlang der optischen Achse erforderliche Brechkraft des wenigstens einen optischen Elements mit einstellbarer Brechkraft repräsentiert. Auf der Basis der wenigstens eine Stellgröße erfolgt dann ein Einstellen des wenigstens einen optischen Elements mit einstellbarer Brechkraft. Das Einstellen der Brechkraft kann dabei anhand einer Stellbewegung, anhand des Anpassens elektrischer Signale, anhand des Anpassens eines Drucks, etc. erfolgen. Die hierzu verwendeten Stellgrößen können bspw. anhand einer Formel berechnet werden. Alternativ besteht auch die Möglichkeit, eine Nachschlagetabelle vorzusehen, in der bestimmten Bewegungen bestimmte Stellgrößen zugeordnet sind. Das Ermitteln der zur optischen Kompensation der Bewegung benötigten Stellgröße kann dann anhand eines Nachschlagens in der Tabelle erfolgen, sobald die Bewegung ermittelt ist. Das optische Element mit einstellbarer Brechkraft umfasst wenigstens zwei in Richtung senkrecht zur optischen Achse zueinander bewegbare, zueinander benachbart angeordnete Freiformelemente, und das wenigstens eine Stellsignal repräsentiert die Position der Freiformelemente senkrecht zur optischen Achse. Das Einstellen der Brechkraft erfolgt durch gegeneinander Verschieben der Freiformenelemente in einer Richtung senkrecht zur optischen Achse. Durch ein relatives Verschieben der beiden Freiformelemente ist ein Einstellen der Brechkraft des aus den beiden Freiformelementen gebildeten optischen Elements möglich. Die Verwendung der Freiformelemente ermöglicht es, die Brechkraftänderungen, die zu einer Kompensation der Bewegung der zwischen Beobachtungsoptik und Beobachtungsobjekt nötig sind, mit sehr kleinen Stellbewegungen zu realisieren, die sich mit kleinen Kräften - und daher mit geringen Beschleunigungen - sowie ausreichend schnell ausführen lassen.
Wenn die ungewollte Bewegung aus einer Bewegung der Beobachtungsoptik resultiert, kann zum Ermitteln der Bewegung der Beobachtungsoptik beispielsweise die Bewegungsgeschwindigkeit der Beobachtungsoptik oder die Beschleunigung der Beobachtungsoptik erfasst werden. Es ist aber auch möglich, Bewegungsgrößen wie die Bewegungsgeschwindigkeit oder die Beschleunigung auf der Basis wiederholt durchgeführter Positionsmessungen zu bestimmen. Aus der Bewegungsgeschwindigkeit oder insbesondere der Beschleunigung kann dann die Bewegung der Beobachtungsoptik ermittelt werden. Dabei ist auch ein Voraussagen künftiger Positionen möglich, wobei es besonders vorteilhaft ist, wenn die Beschleunigung der Beobachtungsoptik erfasst wird.
Durch den mittels des Einstellens der Brechkraft eines optischen Elementes durchführbaren optischen Ausgleich von Bewegungen entlang der optischen Achse der Beobachtungsoptik wird es mit dem erfindungsgemäßen Verfahren möglich, den Einfluss von Bewegungen entlang der optischen Achse auf die Bildschärfe auszugleichen, sodass bspw. auch bei Schwingungen der Beobachtungsoptik parallel zur optischen Achse ein scharfes Bild gewährleistet werden kann.
Im erfindungsgemäßen Verfahren kann das Ermitteln der Bewegung, das Ermitteln der wenigstens einen Stellgröße und das Einstellen des wenigstens einen optischen Elements mit einstellbarer Brechkraft wiederholt erfolgen, insbesondere kontinuierlich oder in kurzen Zeitabständen. Die Länge der Zeitabstände kann dabei durch eine zeitliche Größe wie etwa die Periodendauer einer Schwingung bestimmt sein. Das wiederholte Erfassen der Bewegung, Ermitteln der Stellgröße und Einstellen des optischen Elements ermöglichen daher die Kompensation von andauernden Bewegungen wie bspw. Schwingungen der Beobachtungsoptik entlang der optischen Achse. Aber auch eine Kompensation von Schwingungen des Beobachtungsobjektes in Richtung der optischen Achse kann damit erfolgen.
Das Einstellen der Brechkraft des optischen Elements kann bspw. durch Stellbewegungen erfolgen. Dabei können allerdings Beschleunigungen auftreten, die wiederum zu Schwingungen der Beobachtungsoptik führen können. Es ist daher vorteilhaft, wenn bei Stellbewegungen möglichst geringe Beschleunigungen der bewegten Elemente auftreten. Um dies zu erreichen, kann für den Fall, dass das wenigstens eine optische Element mit einstellbarer Brechkraft beim Einstellen der Brechkraft eine Stellbewegung ausführt, eine Glättung der wenigstens eine Stellgröße vorgenommen werden, welche zu einer Minimierung der bei der Stellbewegung auftretenden Beschleunigungskräfte führt. Eine derartige Glättung kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass anhand der wenigstens einen wiederholt ermittelten Stellgröße eine parametrisierte Funktion angepasst wird und das Einstellen des wenigstens einen optischen Elementes mit einstellbarer Brechkraft anhand der auf der Basis der wenigstens einen Stellgröße gewonnen parametrisierten Funktion erfolgt. Beispielsweise kann eine harmonische Schwingung mit Frequenz und Amplitude als Parametern als parametrische Funktion Verwendung finden. Insbesondere im Falle der Kompensation von Schwingungen modelliert diese Funktion den zu kompensierenden Bewegungsablauf, wodurch sich Beschleunigungen im Rahmen der Stellbewegung minimieren lassen.
Neben dem Dämpfen der Auswirkungen von Bewegungen, bspw. von Schwingungen, entlang der optischen Achse auf das Bild, also dem Reagieren auf die Auswirkungen nach deren Entstehung, kann auf die zu erwartenden Auswirkungen auch bereits zum Zeitpunkt ihres Entstehens entgegengewirkt werden. Hierzu werden in einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand der ermittelten Bewegung entlang der optischen Achse zu erwartende Positionsänderungen zwischen Beobachtungsoptik und Beobachtungsobjekt vorausberechnet. Die wenigstens eine Stellgröße wird dann im Hinblick auf die zu erwartenden Positionsänderungen ermittelt. Mit Hilfe der so ermittelten Stellgröße kann bspw. die Auswirkung einer Schwingungsauslenkung auf das Bild des Beobachtungsobjekts durch eine entsprechende frühzeitige Anpassung der Brechkraft bereits zum Zeitpunkt ihres Entstehens ausgeglichen werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst das optische Element mit einstellbarer Brechkraft wenigstens zwei optische Unterelemente, deren Brechkräfte unabhängig voneinander einstellbar sind. Die optische Kompensation der Bewegung entlang der optischen Achse erfolgt dann dadurch, dass für jedes der optischen Unterelemente mit einstellbarer Brechkraft auf der Basis der ermittelten Bewegung wenigstens eine Stellgröße ermittelt wird und ein Einstellen der Brechkräfte der optischen Unterelemente auf der Basis der jeweiligen Stellgröße oder der jeweiligen Stellgrößen erfolgt. Diese Ausgestaltung des Verfahrens ermöglicht es, mittels des einen Unterelements die Brennweite der Beobachtungsoptik an die erfasste Bewegung anzupassen und mittels der anderen Unterelements die Schnittweite der Beobachtungsoptik, also den Abstand des Bildes von der hintersten optischen Fläche der Beobachtungsvorrichtung, konstant zu halten. Es können damit sowohl die Bildweite, also der Abstand zwischen dem von der Beobachtungsoptik erzeugten Bild und der bildseitigen Hauptebene entlang der optischen Achse, als auch die Bildgröße in einem Einstellbereich von auftretenden Objektentfernungen konstant gehalten und dadurch bewegungsbedingte Unschärfen vermieden werden. An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass die Aufteilung der beiden optischen Unterelemente dahingehend, dass eines als Variator zur Adaption der Brennweite und das andere als Kompensator zur Konstanthaltung der Schnittweite herangezogen wird, nicht zwingend ist. Beide Funktionen können jeweils teilweise von beiden optischen Unterelementen vorgenommen werden. Außerdem können auch mehr als zwei optische Unterelemente mit einstellbarer Brechkraft zum Erreichen dieses Zieles herangezogen werden.
Wenn im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens außerdem ein Ermitteln und Kompensieren einer ungewollten Bewegung zwischen der Beobachtungsoptik und Beobachtungsobjekt senkrecht zur optischen Achse der Beobachtungsoptik erfolgt, insbesondere ein optisches Kompensieren, erlaubt das erfindungsgemäße Verfahren eine dreidimensionale Bildstabilisierung, also einen Ausgleich von Bewegungen in allen Raumrichtungen, also sowohl parallel zur optischen Achse der Beobachtungsoptik als auch senkrecht dazu.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung zur Bildstabilisierung in einem optischen Beobachtungsgerät zur Verfügung gestellt. Das optische Beobachtungsgerät ist mit einer Beobachtungsoptik ausgestattet, welche eine optische Achse aufweist, wobei eine ungewollte Bewegung zwischen Beobachtungsoptik und Beobachtungsobjekt entlang der optischen Achse stattfinden kann. Die Vorrichtung zur Bildstabilisierung umfasst ein im Strahlengang der Beobachtungsoptik anzuordnendes optisches Element mit einstellbarer Brechkraft, welches in der Lage ist, auf wenigstens ein Stellsignal hin eine ungewollte Bewegung entlang der optischen Achse mit Hilfe einer Änderung seiner Brechkraft optisch auszugleichen. Das Einstellen der Brechkraft kann hierbei durch eine Stellbewegung, durch das Anpassen einer elektrischen Spannung, das Anpassen eines Druckes, etc. herbeigeführt werden. Im Strahlengang der Beobachtungsoptik soll hierbei so zu verstehen sein, dass das optische Element in der Beobachtungsoptik, der Beobachtungsoptik vorgeschaltet oder der Beobachtungsoptik nachgeschaltet sein kann.
Weiterhin umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung einen Bewegungssensor, der die Bewegung zwischen der Beobachtungsoptik und Beobachtungsobjekt entlang der optischen Achse erfasst und ein die Bewegung repräsentierendes Bewegungssignal ausgibt. Wenn die ungewollte Bewegung auf einer Bewegung der Beobachtungsoptik beruht, kann der Bewegungssensor bspw. an oder in der Beobachtungsoptik angeordnet sein. In Frage kommen insbesondere Beschleunigungssensoren. Aber auch entfernt von der Beobachtungsoptik angeordnete Bewegungssensoren, die eine Bewegung der Beobachtungsoptik oder des Beobachtungsobjekts berührungslos detektieren können, kommen in Frage. Hier ist bspw. an optische oder funkbasierte Positionsmessvorrichtungen zu denken.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst weiterhin eine Steuereinheit, die zum Empfang des Bewegungssignals mit dem Bewegungssensor und zur Ausgabe des wenigstens einen Stellsignals mit dem wenigstens einen optischen Element mit einstellbarer Brechkraft verbunden ist. Das wenigstens eine Stellsignal repräsentiert die zur optischen Kompensation der ungewollten Bewegung der zwischen Beobachtungsoptik und Beobachtungsobjekt entlang der optischen Achse erforderliche Brechkraft des wenigstens einen optischen Elements mit einstellbarer Brechkraft. Das wenigstens eine Stellsignal wird von der Steuereinheit auf der Basis der ermittelten Bewegung ermittelt. Das optische Element mit einstellbarer Brechkraft umfasst wenigstens zwei in Richtung senkrecht zur optischen Achse zueinander bewegbare, zueinander benachbart angeordnete Freiformelemente, und das wenigstens eine Stellsignal repräsentiert die Position der Freiformelemente senkrecht zur optischen Achse. Die Freiformenelemente sind zum Einstellen der Brechkraft in einer Richtung senkrecht zur optischen Achse gegeneinander verschiebbar. Freiformelemente, wie sie in der erfindungsgemäßen Vorrichtung Verwendung finden können, und deren Eigenschaften sind bspw. in US 3 305 294 A beschrieben. Auf dieses Dokument wird hinsichtlich des Aufbaus und der Eigenschaften von Freiformelementen verwiesen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht das Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens und damit die Realisierung der mit Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren beschriebenen Eigenschaften und Vorteile. Es wird daher auf die mit Bezug auf das Verfahren beschriebenen Eigenschaften und Vorteile verwiesen, um Wiederholungen zu vermeiden.
In der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann das in der Beobachtungsoptik anzuordnende optische Element mit einstellbarer Brechkraft wenigstens zwei optische Unterelemente umfassen, deren Brechkräfte unabhängig voneinander einstellbar sind. Als optische Unterelemente kommen hierbei Kombinationen aus Freiformelementen, Flüssigkristalllinsen und Membranlinsen in Betracht. Dabei können die optischen Unterelemente jeweils gleichartig, also zwei optische Unterelemente mit jeweils zwei Freiformelementen, oder unterschiedlich (ein optisches Unterelement mit zwei Freiformelementen und eine Membranlinse, etc.) sein. Dadurch, dass das optische Element dieser Ausgestaltung wenigstens zwei optische Unterelemente umfasst, deren Brechkräfte unabhängig voneinander einstellbar sind, ist es möglich, durch die simultane Anpassung von zwei Brechkräften neben dem Ausgleich der durch die Bewegung zwischen der Beobachtungsoptik und Beobachtungsobjekt parallel zur optischen Achse bedingten Defokussierung auch eine konstante Bildgröße zu gewährleisten.
Wenn in der erfindungsgemäßen Vorrichtung das optische Element mit einstellbarer Brechkraft eine Flüssigkristalllinse umfasst, repräsentiert das wenigstens eine Stellsignal eine an die Flüssigkristalllinse anzulegende Spannung. Eine Flüssigkristalllinse ist bspw. in US 2009/0219475 A1 beschrieben. Auf dieses Dokument wird daher hinsichtlich des Aufbaus und der Eigenschaften von Flüssigkristalllinsen verwiesen. Die Verwendung einer Flüssigkristalllinse ermöglicht es, die Brechkraft des optischen Elements und damit die Kompensation von Bewegungen zwischen der Beobachtungsoptik und Beobachtungsobjekt entlang der optischen Achse optisch zu kompensieren, ohne dass dabei optische Elemente oder Komponenten davon beschleunigt werden müssen.
Wenn in der erfindungsgemäßen Vorrichtung das optische Element mit einstellbarer Brechkraft eine Membranlinse umfasst, repräsentiert wenigstens eine Stellsignal einen in der Membranlinse einzustellenden Druck. Membranlinsen sind bspw. in DE 197 10 668 A1 beschrieben. Auf dieses Dokument wird daher hinsichtlich des Aufbaus und der Eigenschaften von Membranlinsen verwiesen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann außerdem wenigstens eine im Strahlengang der Beobachtungsoptik anzuordnende Einrichtung zum Ausgleichen einer ungewollten Bewegung der zwischen Beobachtungsoptik und Beobachtungsobjekt senkrecht zur optischen Achse umfassen. In dieser Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist eine Kompensation von dreidimensionalen Bewegungen der Beobachtungsoptik möglich. Dabei kann die Steuereinheit sowohl den Ausgleich der Bewegung senkrecht zur optischen Achse als auch den Ausgleich der Bewegung parallel zur optischen Achse steuern. Es besteht aber auch die Möglichkeit, getrennte Steuereinheiten vorzusehen, wobei eine Steuereinheit die Bewegung entlang der optischen Achse ausgleicht und die andere die Bewegung senkrecht zur optischen Achse. Die Steuereinheit, welche den Ausgleich der Bewegung senkrecht zur optischen Achse steuert, kann selbst wieder in zwei Steuereinheiten aufgeteilt sein, die jeweils den Ausgleich zueinander senkrechter Bewegungen in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse ausgleichen.
Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung, wird ein optisches Beobachtungsgerät oder ein optisches Messgerät zur Verfügung gestellt, welches eine Beobachtungsoptik und eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bildstabilisierung umfasst. Das optische Beobachtungsgerät kann insbesondere ein medizinisch optisches Beobachtungsgerät wie etwa ein Operationsmikroskop sein.
Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren.

1 zeigt ein erfindungsgemäßes optisches Beobachtungsgerät in einer stark schematisierten Darstellung.
2 zeigt ein Detail aus 1.
3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes optisches Beobachtungsgerät.
4 zeigt das optische Beobachtungsgerätes aus 3 an einem Stativ.

Ein erstes Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes optisches Beobachtungsgerät wird nachfolgend mit Bezug auf 1 beschrieben. Die Figur zeigt stark schematisiert eine Kamera mit einem Makroobjektiv 3 als Beobachtungsoptik und einem Bildsensor 5, auf den das Beobachtungsobjekt 4 mit Hilfe des Makroobjektivs 3 abgebildet wird. Zudem umfasst die Kamera 1 eine Vorrichtung zur Bildstabilisierung, mit der ungewollten Bewegungen zwischen der Kamera 1 - und damit des Makroobjektivs 3 - einerseits und dem Beobachtungsobjekt 4 andererseits entlang der optischen Achse OA des Objektivs optisch kompensiert, d.h. mit optischen Mitteln ausgeglichen werden können. Zu kompensierende Bewegungen können bspw. durch Handzittern, oder, wenn die Kamera 1 an einem Stativ montiert ist, durch Stativschwingungen verursacht werden. Es können aber auch Bewegungen des Beobachtungsobjekts 4 kompensiert werden.
Die Vorrichtung zur Bildstabilisierung umfasst ein im Strahlengang der Beobachtungsoptik anzuordnendes optisches Element mit einstellbarer Brechkraft 7A,7B welches in der Lage ist, auf wenigstens ein Stellsignal hin eine Bewegung zwischen der Beobachtungsoptik 3 und dem Beobachtungsobjekt 4 entlang der optischen Achse OA mit Hilfe einer Änderung seiner Brechkraft optisch auszugleichen. Das optische Element mit einstellbarer Brechkraft ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel im Makroobjektiv 3 angeordnet und umfasst zwei getrennte Unterelemente 7A, 7B, deren Brechkraft jeweils unabhängig voneinander einzustellen ist. Beide optischen Unterelemente 7A, 7B sind jeweils aus zwei senkrecht zur optischen Achse zueinander bewegbaren Freiformelementen 9, 11 zusammengesetzt. Jedes Freiformelement ist mit einem Aktor 13, 15 verbunden, wobei die Aktoren 13 und 15 die zugeordneten Freiformelemente 9, 11 jeweils in entgegengesetzte Richtungen aus einer Ruheposition heraus verschieben können.
Die Aktoren 13, 15 sind mit einer Steuereinheit 17 verbunden, die wiederum mit einem Bewegungssensor 19 verbunden ist, welcher im vorliegenden Ausführungsbeispiel die Bewegung der Beobachtungsoptik 3 zumindest entlang der optischen Achse OA erfasst und ein diese Bewegung repräsentierendes Bewegungssignal ausgibt. Der Bewegungssensor kann insbesondere aber auch so ausgestaltet sein, dass er eine dreidimensionale Bewegung der Beobachtungsoptik 3 oder der Kamera 1, mit der die Optik 3 fest verbunden ist, erfasst. Der Bewegungssensor kann ein fest mit der Kamera 1 oder dem Makroobjektiv 3 verbundener Sensor sein, etwa ein Beschleunigungssensor, oder ein von der Kamera 1 und dem Makroobjektiv 3 entfernt angeordneter Sensor. Ein solcher entfernt angeordneter Sensor kann bspw. auf einer Triangulation mittels Laufzeitsignalen basieren. Hierzu kann ggf. ein Transponder an der Kamera 1 oder am Makroobjektiv 3 angebracht sein. Ein mit der Kamera 1 oder der Beobachtungsoptik 3 verbundener Beschleunigungssensor ist sinnvoll, wenn die Bewegung zwischen der Beobachtungsoptik 3 und dem Beobachtungsobjekt 4 auf einer Bewegung der Beobachtungsoptik 3 beruht, da damit die Absolutbewegung der Beobachtungsoptik 3 erfasst wird. Wenn statt des Beschleunigungssensors ein Abstandssensor Verwendung findet, kann zudem auch eine Relativbewegung zwischen Beobachtungsoptik und Beobachtungsobjekt, die zumindest teilweise auf das Beobachtungsobjekt zurückzuführen ist, kompensiert werden.
Mittels des Bewegungssensors 19 werden im vorliegenden Ausführungsbeispiel die Bewegungen des Makroobjektivs 3 zumindest in der Richtung parallel zur optischen Achse OA kontinuierlich erfasst und das entsprechende Bewegungssignal an die Steuereinheit 17 ausgegeben. Unter einer kontinuierlichen Erfassung soll hierbei auch eine quasi kontinuierliche Erfassung in kurzen Zeitabständen verstanden werden, wie sie bei digitalen Systemen üblich ist. Falls eine quasi kontinuierliche Erfassung Verwendung findet, sollte die Taktfolge hinreichend kurz sein, beispielsweise mindestens alle 15 ms, besser noch alle 10 ms. Eine geeignete Taktfolge hängt dabei auch von der beabsichtigten Verwendung der Beobachtungsoptik 3 ab. Wenn beispielsweise Aufnahmen mit einer der Kinonorm entsprechenden Bildwiederholrate von 24 Hz aufgenommen werden sollen, stehen für jede Belichtung max. 41,6 ms zur Verfügung. Bewegungen, die während dieser 41,6 ms zu Unschärfen im aufgenommenen Bild führen, müssen innerhalb dieser Zeit eine Auslenkung des Objektives 3 herbeiführen, die größer als die Schärfentiefe des Objektives 3 ist. Um eine derartige Bewegung mit dem Bewegungssensor im Falle einer zeitdiskreten quasi kontinuierlichen Positions- oder Beschleunigungsbestimmung erfassen und parametrisieren zu können, muss die Taktrate bei dieser Erfassung kürzer sein, als die 41,6 ms dauernde Belichtung. Eine Taktfolge beim Bestimmen der Position oder der Beschleunigung von 10 ms oder schneller ist daher vorteilhaft. Bei längeren Belichtungsdauern können dagegen bereits langsamere Bewegungen zu Unschärfen im Bild führen. Wenn nur langsamere Bewegungen vorhanden sind, kann die Position bzw. die Beschleunigung mit einer geringeren Frequenz erfasst werden. Insgesamt hängt also die bei der quasi kontinuierlichen Erfassung der Beschleunigung oder der Position der Beobachtungsoptik 3 zu verwendende Taktfrequenz einerseits von der gewählten Belichtungsdauer ab, wobei eine kürzere Belichtungsdauer eine höhere Taktfrequenz impliziert, und andererseits von der Geschwindigkeit der Bewegung entlang der optischen Achse OA, wobei auch hier eine schnellere Bewegung eine höhere Taktfrequenz impliziert. Die tatsächlich zur Anwendung kommende Taktfrequenz kann dann beispielsweise bestimmt werden, indem die im Hinblick auf die Belichtungsdauer erforderliche minimale Taktfrequenz ermittelt wird, die im Hinblick auf die Geschwindigkeit der zu erfassenden Bewegung nötige minimale Taktfrequenz ermittelt wird und die höhere der beiden Taktfrequenzen dann zur Anwendung gebracht wird.
Die Steuereinheit 17 empfängt von dem Bewegungssensor 19 die Bewegungssignale und ermittelt daraus wenigstens ein Stellsignal für das optische Element mit einstellbarer Brechkraft. In dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ermittelt die Steuereinheit 17 insgesamt 4 Stellsignale, nämlich eines für jeden Aktor 13, 15. Die Gesamtheit der Stellsignale repräsentiert die Brechkräfte, die an den optischen Unterelementen 7A, 7B des optischen Elements mit einstellbarer Brechkraft eingestellt werden sollen. Die Signale werden schließlich an die Aktoren 13, 15 ausgegeben, welche anhand der Signale die jeweilige Position der Freiformelemente zum Erreichen der benötigten Brechkraft in den beiden optischen Unterelemente 7A, 7B einstellen. Das Einstellen der Brechkraft in den beiden optischen Komponenten (Unterelementen) 7A, 7B erfolgt also durch gegeneinander Verschieben der Freiformenelemente 9, 11 in einer Richtung senkrecht zur optischen Achse OA. Das Erzielen der Brechkraftänderung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf 2 näher erläutert.
Die Freiformelemente 9, 11 der optischen Komponenten 74A, 7B weisen jeweils eine Planfläche 21, 23 und eine Freiformfläche 25, 27 auf. Die Freiformflächen 25, 27 können beispielsweise durch ein Taylor - Polynom in zwei Variablen beschrieben werden, welche bestimmten Differenzialgleichungen genügen. Hierdurch ist eine rotationssymmetrische optische Wirkung erzielbar, die sich zur Bereitstellung einer Linse mit variabler Brechkraft nutzen lässt. Einzelheiten zum Aufbau und der Struktur derartiger Freiformelemente sind in US 3 305 294 A beschrieben, auf die in diesem Zusammenhang verwiesen wird.
Im einfachsten Falle werden zum Varieren der Brechkraft genau zwei Elemente transversal zur optischen Systemachse verschoben (das eine Element in +y, das andere in -y Richtung, beide gegenläufig um gleiche Beträge) und die beiden Elemente bestehen aus je einer planen Seite 21, 23 und einer Freiformfläche 25, 27, die sich in einer Nullposition exakt spiegelsymmetrisch zueinander verhalten, so dass die beiden Elemente in einer Nullposition einer planparallelen Platte äquivalent sind. Eine reine Defokussierungswirkung lässt sich gemäß US 3 305 294 A bewirken, wenn die Freiformfläche durch folgendes Polynom 3. Ordnung beschrieben werden kann: $z (x, y) = k \cdot (x^{2} \cdot y + \frac{y^{3}}{3})$
Hierbei ist angenommen, dass die laterale Verschiebung der Freiformelemente 9, 11 entlang der y-Achse erfolgt, die dadurch definiert wird. Falls die Verschiebung entlang der x-Achse erfolgen soll, ist in obiger Gleichung entsprechend die Rolle von x und y zu tauschen.
Für parallel zur Achse einfallende Strahlbündel bewirkt die laterale Verschiebung der beiden Freiformelemente 9, 11 um eine Strecke s damit eine Änderung der Wellenfront gemäß der Gleichung: $Δ W (x, y) = k \cdot (2 \cdot s \cdot (x^{2} + y^{2}) + 2 \cdot \frac{s^{3}}{3})$
also eine Änderung der Fokuslage durch Änderung des parabolischen Wellenfrontanteils plus einen Piston-Term, wobei sich letzterer genau dann nicht auf die Abbildungseigenschaften auswirkt, wenn sich das brechkraftvariable Element im Unendlichstrahlengang befindet. Es ist daher vorteilhaft, optische Komponenten 7A, 7B im parallelen Strahlengang der Beobachtungsoptik anzuordnen.
Es ist möglich, dass die beiden relativ zueinander bewegten Freiformelemente 9, 11 so orientiert sind, dass die beiden Freiformflächen 25, 27 einander zugewandt sind. In diesem Falle ist es besonders einfach, die Justierung der Nullage vorzunehmen, indem der Abstand zwischen den beiden Elementen solange verringert wird, bis sich die beiden Freiformelemente 9, 11 berühren. In dieser Position findet automatisch eine Zentrierung statt. Anschließend kann der Abstand in axialer Richtung gerade soweit wieder vergrößert werden, dass sich die beiden Freiformelemente 9, 11 bei der lateralen Bewegung während des funktionsgemäßen Betriebs gerade nicht berühren.
Es ist aber auch möglich, die beiden Freiformelemente 9, 11 derart zu orientieren, dass die Freiformflächen 25, 27 voneinander abgewandt sind. Auf diese Weise kann der Abstand zwischen den Freiformelementen 9, 11, die sich dann an den Planflächen 21, 23 gegenüberstehen, minimal gehalten werden, was sich, insbesondere bei größeren Feld- und Aperturwinkeln an der Übergangsfläche zwischen den beiden Freiformelementen 9, 11 als vorteilhaft für die Abbildungsgüte herausgestellt hat.
Es ist auch möglich, dass die Freiformflächen 25, 27 zusätzliche Terme höherer Ordnung zur Beeinflussung der Bildfehler aufweisen können. Beispielsweise würde ein Term der Form $z (x, y) = k \cdot (y \cdot x^{4} + \frac{2}{3} (x^{2} \cdot y^{3}) + \frac{y^{5}}{3})$
vorwiegend die Sphärische Aberration beeinflussen und könnte somit beispielsweise für Anwendungen im Bereich der Mikroskopie die bei Fokussierung in eine andere Probentiefe auftretende Sphärische Aberration korrigieren helfen. Auch eine teilweise oder vollständige Ausgleichung der durch die Dickenänderung des Freiformelements (Piston-Term) im konvergenten Strahlengang hervorgerufenen Sphärischen Aberration kann auf diese Weise erfolgen.
Außerdem ist es möglich, ein zur oben beschriebenen Lehre weitgehend äquivalentes optisches Element mit veränderbarer Brechkraft darzustellen, bei dem zwei Freiformflächen beispielsweise in niedrigster Ordnung durch eine Gleichung der Form $z (x, y) = A \cdot (x^{3} + y^{3})$
beschrieben werden und die Relativbewegung der Elemente zueinander entlang einer unter 45° gegenüber der x- und y-Achse verlaufenden Geraden senkrecht zur optischen Systemachse erfolgt. Die Konstante A ist dabei eine freie Konstante, die die maximale Profiltiefe der Freiformfläche und dadurch die Brechkraftänderung pro Weglänge beschreibt. Es handelt sich bei dieser Beschreibung nicht um eine unabhängige Lösung, sondern im Wesentlichen nur um eine alternative Darstellung (vgl. Lohmann in Appl. Opt. Vol 9, No 7, 1970, Seiten 1669 bis 1671).
Weiterhin ist es auch möglich, dass die gegenüberliegenden Flächen der Freiformelemente 9, 11 nicht plan ausgebildet sind, sondern ebenfalls eine Wirkform aufweisen. Beispielsweise könnte eine symmetrische Aufteilung des Flächenprofils gemäß der obigen Formel auf Vorder- und Rückfläche eines Freiformelementes 9, 11 bewirken, dass die Profiltiefen auf jeder Fläche ausreichend gering bleiben, so dass beispielsweise eine photolithographische Herstellung der Freiformelemente, die typischenweise nur maximale Profiltiefen im Bereich < 10-30 µm ermöglicht, erleichtert ist. Zur Verhinderung oder Verringerung von Reflexen oder zur erleichterten Herstellbarkeit kann außerdem auch eine brechkraftlose Meniskuswirkung überlagert sein, d.h. auf der Vorder- und Rückseite jedes Elementes sind gleiche sphärische Krümmungen der Fläche dem Freiform-Wirkprofil überlagert.
Es ist bekannt, dass die gewünschte variabel einstellbare Phasenfunktion auch durch lateral gegeneinander verschiebbare diffraktive Elemente bewirkt werden kann (vgl. Barton et al., Opt. Lett., Vol. 25, No. 1, (2000)). Der Vorteil eines diffraktiven optischen Elements ist die erleichterte Herstellbarkeit durch photolithographische Prozesse oder durch replikative Herstellverfahren. Eine Anwendung kommt zunächst insbesondere für spektral schmalbandige Anwendungen in Betracht. Da bei diffraktiven Variolinsen Streulicht in unerwünschten Beugungsordnungen auftreten kann, sind in jedem Falle geeignete Blenden vorzusehen, die Falschlicht am weiteren Durchtritt durch das optische System hindert.
Die in dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel vorhandenen zwei optischen Komponenten mit veränderbarer Brechkraft 7A, 7B dienen dazu, durch geeignete Brechkraftanpassungen gleichzeitig die Bildgröße und die Lage der Bildebene im System konstant zu halten, während sich das Objektiv 3 relativ zum Beobachtungsobjekt 4 in Längsrichtung bewegt. Bei genau zwei optische Komponenten mit veränderbarer Brechkraft 7A, 7B stehen zwei Freiheitsgrade zur simultanen Erfüllung dieser beiden Bedingungen zur Verfügung, wobei im Allgemeinen genau eine Lösung für die erforderlichen Brechkraftänderungen Δφ1 und Δφ2 der beiden optische Komponenten mit veränderbarer Brechkraft 7A, 7B existiert.
Die notwendigen Brechkraftänderungen der mindestens zwei optischen Komponenten mit veränderbarer Brechkraft 7A, 7B hängen jedoch im allgemeinen vom optischen Aufbau der Grundoptik und von der Position der optischen Komponenten mit veränderbarer Brechkraft 7A, 7B im Strahlengang der Grundoptik ab, so dass sich eine geschlossene allgemeine Lösung nicht explizit angeben lässt.
Zur näheren Beschreibung werden nachfolgend einige grundlegende Beziehungen erläutert, die den Raum der erfinderischen Lösung umreißen, ohne dass eine allgemeine Lösung explizit angegeben werden kann. Mit der hier dargestellten Lehre können jedoch vom Optikfachmann leicht für jede vorliegende Grundoptik geeignete Lösungen nach allgemein bekannten Methoden mithilfe eines Optikdesignprogramms ermittelt werden.
Es gelten allgemein für ein statisches Optiksystem folgende paraxiale Grundgleichungen $S = f' \cdot (\frac{1}{β'} - 1)$
$S' = f' \cdot (1 - β')$
Hierbei ist S der Abstand von der objektseitigen Hauptebene zur Objektebene, S' der Abstand von der bildseitigen Hauptebene zur Bildebene, β' der laterale Abbildungsmaßstab und f' die Brennweite des optischen Systems. Es besteht die Forderung, dass β' = Const. gelten soll. Setzt man diese Bedingung in obige Gleichung ein und löst nach f' auf, erhält man als Bedingung: $f' = \frac{S}{\frac{1}{β'} - 1}$
bzw. differentiell: $Δ f' = \frac{Δ S}{\frac{1}{β'} - 1}$
Hierbei ist ΔS eine Änderung des Relativabstands von der vorderen Hauptebene zur Objektebene und Δf' eine Änderung der Systembrennweite.
Formal lässt sich die Gleichung (B1) durch eine zweiparametrige Lösungsmannigfaltigkeit erfüllen. Einerseits ist eine Verlagerung der objektseitigen Hauptebene des Gesamtsystems mittels einer Brechkraftänderung der optischen Komponente mit veränderbarer Brechkraft 7A,7B möglich und andererseits ist durch eine geeignete Brechkraftanpassung der optischen Komponenten mit veränderbarer Brechkraft 7A,7B auch eine Änderung der Brennweite des Gesamtsystems möglich. Je nach gewählter Position der optischen Komponenten mit veränderbarer Brechkraft 7A,7B im System kann entweder einer dieser beiden Grenzfälle oder eine Kombination aus beiden Fällen vorliegen. Welcher Fall jeweils vorteilhaft ist, hängt vom inneren Aufbau der Grundoptik ab.
Betrachtet man beispielsweise den Grenzfall, dass die objektseitige Hauptebene des Gesamtsystems nicht verändert wird. In diesem Falle ist die Größe ΔS in Gleichung (B4) direkt mit der Änderung des Relativabstands zwischen Optiksystem und Objekt gleichzusetzen und die Konstanthaltung der Bildgröße erfordert eine Brechkraft- bzw. Brennweitenanpassung Δf' mittels der optischen Komponenten mit einstellbarer Brechkraft 7A,7B derart, dass die Systembrennweite f' die Gleichung (B3) erfüllt.
Welche Brechkraftanpassungen der Variolinsen zur Änderung der Systembrennweite gemäß der Gleichung (B3) erforderlich sind, hängt ebenfalls von der Positionierung der optischen Komponenten mit einstellbarer Brechkraft 7A,7B relativ zum Strahlengang des Grundoptiksystems ab. Allgemein gilt für ein System aus k brechenden Flächen für die Systembrennweite die Beziehung: $f' = \frac{1}{\sum_{v = 1}^{k} \frac{h_{v}}{h_{1}} \cdot φ_{v}}$
Hierbei sind h, die Einfallshöhe eines paraxialen Randstrahles an der Fläche v, h₁ , die Einfallshöhe eines paraxialen Randstrahles an der ersten Fläche im System und φ_v die Flächenbrachkraft der v-ten Systemfläche
Für die Linsen des Grundsystems, also solcher mit fester (nicht einstellbarer) Brechkraft genügt jede Flächenbrechkraft φv der Beziehung: $φ_{v} = \frac{n_{v}' - n_{v}}{r_{v}}$
wobei n und n' die Medienbrechzahlen vor und hinter der brechenden Fläche und r der Radius der Hauptkrümmung im Scheitelpunkt der Fläche sind. Für die optischen Komponenten mit veränderbarer Brechkraft 7A,7B des Systems, sofern diese erfindungsgemäß durch bewegte Freiformelemente 9,11 gemäß beispielsweise Gleichung (A1) realisiert sind, entspricht jeweils ein Flächenpaar einer Fläche im Sinne der obigen Gleichung, und die Flächenbrechkraft ist dabei durch folgende Formel gegeben: $φ_{v} = 4 \cdot k \cdot s \cdot (n - 1)$
Hierbei ist k die Konstante gemäß der Flächengleichung (A1), s der laterale Verschiebeweg der zwei Freiformflächen 9,11 zueinander, und n die Brechzahl des Glases, aus der die optischen Komponenten mit veränderbarer Brechkraft 7A,7B gebildet ist.
Die zweite Grundgleichung (B2) $S' = f' \cdot (1 - β')$
beschreibt die allgemein gültige Beziehung zwischen dem lateralen Abbildungsmaßstab, der Systembrennweite und dem Abstand von der bildseitigen Hauptebene zur Bildebene. Zur Erfüllung dieser Gleichung existiert ebenfalls eine zweiparametrige Lösung, die sich anhand zweier Grenzfälle darstellen lässt:
Einerseits kann bei gegebenem konstantem Abbildungsmaßstab und der nach Gleichung (B3) errechneten neuen Brennweite f' durch den zweiten Freiheitsgrad für die Einstellung der mindestens zwei optische Komponenten mit veränderbarer Brechkraft 7A, 7B eine Verlagerung der bildseitigen Hauptebene bewirkt werden. Dadurch kann Gleichung (B2) erfüllt werden, indem sich S' als Relativabstand von der Hauptebene zur Bildebene entsprechend ändert, obwohl die Bildlage relativ zum Bildempfänger bzw. zum Optiksystem insgesamt konstant bleibt.
Und andererseits kann durch den zweiten Freiheitsgrad direkt die bildseitige Schnittweite, also die Lage der Bildebene relativ zur bildseitigen Hauptebene, angepasst werden, wobei die Lage der bildseitigen Hauptebene selbst konstant bleibt.
Im Allgemeinen wird eine vorteilhafte Lösung so zu wählen sein, dass die beiden vorstehend erläuterten Grundfälle in Überlagerung auftreten.
Wenn es somit auch nicht möglich ist, eine geschlossene Formel für den Lösungsraum der erfinderischen Lösung anzugeben - was im Optikdesign, außer in den trivialsten Fällen nahezu nie möglich ist - so ist es durch die Beschreibung des vorstehend beschriebenen Lösungsansatzes zusammen mit den allgemein zur Lösung derartiger Aufgaben verfügbaren Optikprogrammen dennoch jedem Fachmann möglich, die zu seiner vorliegenden Grundoptik passende Ausführungsform der erfinderischen Lösung aufzufinden.
Es besteht zudem die Möglichkeit, die beiden optischen Komponenten mit veränderbarer Brechkraft 7A, 7B aus verschiedenen Glassorten herzustellen oder sie jeweils als verkittete Elemente aus verschiedenen Glasarten auszugestalten. Dies ermöglicht es, die optischen Komponenten mit veränderbarer Brechkraft 7A, 7B als achromatische optische Komponenten auszubilden.
Zum Verschieben der Freiformelemente 9, 11 beim Herbeiführen der Brechkraftänderung müssen die Aktoren 13, 15 die jeweiligen Elemente beschleunigen. Dies führt jedoch zu Kräften, die wiederum Schwingungen der Beobachtungsoptik 3 führen können. Um die zum Bewegen der Freiformelemente 9, 11 gering zu halten, kann eine Glättung der jeweiligen Stellsignale erfolgen, wodurch das Risiko, Schwingungen anzuregen, verringert wird. Eine derartige Glättung kann insbesondere dadurch erfolgen, dass die im Bewegungssignal enthaltenden Daten über die Bewegung zwischen der Beobachtungsoptik 3 und dem Beobachtungsobjekt 4 zur Anpassung einer parametrischen Kurvenform herangezogen werden. Hierbei kann insbesondere eine harmonische Schwingung als parametrische Kurvenform Verwendung finden. Diese ist besonders geeignet, in schwingenden Systemen für die optische Kompensation der Schwingung zu sorgen, da sie besonders leicht mittels einer Parameteranpassung an die Form der vorliegenden Schwingung angepasst werden kann. Nachdem die Steuereinheit 17 die Parameter angepasst hat, kann sie die künftige Bewegung zwischen der Beobachtungsoptik 3 und dem Beobachtungsobjekt 4 vorausberechnen und ebenso die zur Kompensation der vorausberechneten Bewegung nötigen Stellbewegung der Freiformelemente 9, 11. Auf der Basis der vorausberechneten Stellbewegungen lässt sich die zum Einstellen der jeweiligen Position der Freiformelemente 9, 11 zur Verfügung stehende Zeit verlängern, so dass mit geringen Beschleunigungen gearbeitet werden kann. Neben dem beschriebenen Verfahren gibt es weitere geeignete mathematische Verfahren, die das Erstellen eines parametrischen Modells mit Datenglättung auf der Basis einer diskreten Zeitfolge von Beschleunigungswerten oder Positionswerten ermöglichen. Diese sind dem Fachmann bekannt und werden daher an dieser Stelle nicht weiter erläutert.
Die Vorrichtung zur Bildstabilisierung, die in dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel vorhanden ist, ist jedoch nicht nur in der Lage, Bewegungen parallel zur optischen Achse OA auszugleichen, sondern auch Bewegungen senkrecht zur optischen Achse. Hierzu umfasst die Vorrichtung im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein Prisma 29 mit Planflächen 30, 31, deren Anstellwinkel α variabel einstellbar ist. Durch eine geeignete Einstellung des Anstellwinkels α lässt sich die Bildposition lateral verschieben. Derartige Elemente sind bspw. in US 5 140 462 A beschrieben. Aber auch andere optische Elemente, mit denen sich eine laterale Bildverschiebung erreichen lässt, etwa verschiebbare Linsen, beweglich gelagerte Spiegel, etc, können statt des beschriebenen Prismas 29 zum Einsatz kommen. Derartige Systeme zum lateralen Verschieben eines Bildes sind grundsätzlich aus dem Stand der Technik bekannt und werden an dieser Stelle daher nicht weiter erläutert.
Die jeweils benötigte Verschiebung des Bildes senkrecht zur optischen Achse OA berechnet die Steuereinheit 17 aus den vom Bewegungssensor übermittelten Bewegungsdaten über die Bewegung zwischen Beobachtungsoptik 3 und Beobachtungsobjekt 4 senkrecht zur optischen Achse OA. Sie gibt dann ein Stellsignal an das Prisma 29 aus, das den zum Erreichen der berechneten Bildverschiebung erforderlichen Anstellwinkel α repräsentiert.
Obwohl die Steuerung des Prismas 29 im vorliegenden Ausführungsbeispiel durch die Steuereinheit 17, die auch die optischen Unterelemente mit variabler Brechkraft 7A, 7B steuert, übernommen wird, kann zum Steuern des Prismas 29 eine eigene Steuereinheit vorhanden sein, die ebenfalls mit dem Bewegungssensor 19 zum Empfang des Bewegungssignals verbunden ist.
Bei der Steuereinheit bzw. den Steuereinheiten kann es sich um einen in das jeweilige optische Gerät fest eingebauten Mikroprozessor oder Mikrokontroller handeln, um eine außerhalb des optischen Gerätes als physikalische Einheit für diesen Zweck speziell vorgesehene Elektronikbox oder um eine Software, die auf einem sonstigen externen Rechner abläuft. Wenn eine Steuereinheit außerhalb des optischen Geräts vorhanden ist, können die Steuersignale insbesondere drahtlos an die jeweiligen Aktoren übermittelt werden. Zwar ist auch eine drahtgebundene Übermittlung möglich, jedoch können die hierzu notwendigen Kabel für den Benutzer des optischen Beobachtungsgerätes störend sein, so dass die drahtlose Übermittlung bevorzugt ist, sofern sie möglich ist.
3 zeigt als ein weiteres Ausführungsbeispiel für das erfindungsgemäße optische Beobachtungsgerät ein Operationsmikroskop 101 in einer schematischen Darstellung. Das dargestellte Operationsmikroskop 101 umfasst ein einem Beobachtungsobjekt 104 zuzuwendendes Objektiv 105, das im vorliegenden Ausführungsbeispiel als eine aus wenigstens zwei miteinander verkitteten Teillinsen aufgebaute Achromat- oder Apochromatlinse dargestellt ist. Das Beobachtungsobjekt 104 wird in der Brennebene des Objektivs 105 angeordnet, so dass es nach Unendlich abgebildet wird, also ein vom Beobachtungsobjekt 104 ausgehendes divergentes Strahlenbündel 107 bei seinem Durchgang durch das Objektiv 105 in ein paralleles Strahlenbündel 109 umgewandelt wird.
Statt lediglich einer Achromatlinse, wie sie im vorliegenden Ausführungsbeispiel als Objektiv 105 Verwendung findet, kann auch ein Objektivlinsensystem aus mehreren Einzellinsen Verwendung finden, etwa ein so genanntes Vario-Objektiv, mit dem sich der Arbeitsabstand des Operationsmikroskops 101, d.h. der Abstand der Brennebene vom Objektiv 105, variieren lässt. Auch in einem solchen Vario-System wird der in der Brennebene angeordnete Gewebebereich nach Unendlich abgebildet, so dass auch bei einem Vario-Objektiv beobachterseitig eine paralleles Strahlenbündel vorliegt.
Beobachterseitig des Objektivs 105 ist ein Vergrößerungswechsler 111 angeordnet, der entweder wie im dargestellten Ausführungsbeispiel als Zoom-System zur stufenlosen Änderung des Vergrößerungsfaktors oder als so genannter Galilei-Wechsler zur stufenweisen Änderung des Vergrößerungsfaktors ausgebildet sein kann. In einem Zoom-System, das bspw. aus einer Linsenkombination mit drei Linsen aufgebaut ist, können die beiden objektseitigen Linsen verschoben werden, um den Vergrößerungsfaktor zu variieren. Tatsächlich kann das Zoom-System aber auch mehr als drei Linsen, bspw. vier oder mehr Linsen aufweisen, wobei die äußeren Linsen dann auch fest angeordnet sein können. In einem Galilei-Wechsler existieren dagegen mehrere feste Linsenkombinationen, die unterschiedliche Vergrößerungsfaktoren repräsentieren und im Wechsel in den Strahlengang eingebracht werden können. Sowohl ein Zoom-System, als auch ein Galilei-Wechsler wandeln ein objektseitiges paralleles Strahlenbündel in ein beobachterseitiges paralleles Strahlenbündel mit einem anderen Bündeldurchmesser um. Der Vergrößerungswechsler 111 ist dabei häufig bereits Teil des binokularen Strahlengangs des Operationsmikroskops 101, d.h. er weist eine eigene Linsenkombination für jeden stereoskopischen Teilstrahlengang 109A, 109B des Operationsmikroskops 101 auf.
An den Vergrößerungswechsler 111 kann sich beobachterseitig eine Schnittstellenanordnung 113A, 113B anschließen, über die externe Geräte an das Operationsmikroskop 101 angeschlossen werden können und die im vorliegenden Ausführungsbeispiel Strahlteilerprismen 115A, 115B umfasst. Grundsätzlich können aber auch andere Arten von Strahlteilern Verwendung finden, bspw. teildurchlässige Spiegel.
An die Schnittstelle 113 schließt sich beobachterseitig ein Binokulartubus 117 an. Dieser weist zwei Tubusobjektive 119A, 119B auf, welche das jeweilige parallele Strahlenbündel 109A, 109B auf eine Zwischenbildebene 121 fokussieren, also das Beobachtungsobjekt 104 auf die jeweilige Zwischenbildebene 121A, 121B abbilden. Die in den Zwischenbildebenen 121A, 121B befindlichen Zwischenbilder werden schließlich von Okularlinsen 125A, 125B wiederum nach Unendlich abgebildet, so dass ein Betrachter, etwa ein behandelnder Arzt oder sein Assistent, das Zwischenbild mit entspanntem Auge betrachten kann. Außerdem erfolgt im Binokulartubus mittels eines Spiegelsystems oder mittels Prismen 123A, 123B eine Vergrößerung des Abstandes zwischen den beiden Teilstrahlenbündeln 109A, 109B, um diesen an den Augenabstand des Betrachters anzupassen. Mit dem Spiegelsystem oder den Prismen 123A, 123B erfolgt zudem eine Bildaufrichtung.
Das Operationsmikroskop 101 ist außerdem mit einer Beleuchtungsvorrichtung 127 ausgestattet, mit der das Beobachtungsobjekt 104 mit Beleuchtungslicht beleuchtet werden kann. Hierzu weist die Beleuchtungsvorrichtung 127 eine Lichtquelle 129, etwa eine Halogenglühlampe, Gasentladungslampe, eine oder mehrere LEDs, etc. auf. Das von der Lichtquelle 129 ausgehende Licht wird über einen Umlenkspiegel 131 in Richtung auf die Oberfläche des Beobachtungsobjekts 104 gelenkt, um diese auszuleuchten. In der Beleuchtungsvorrichtung 127 ist weiterhin eine Beleuchtungsoptik 133 vorhanden, die für eine gleichmäßige Ausleuchtung des gesamten Beobachtungsobjekts 104 sorgt.
Der Beleuchtungsstrahlengang kann als sog. Schrägbeleuchtung ausgeführt sein, die der schematischen Darstellung in 3 am nächsten kommt. In einer solchen Schrägbeleuchtung verläuft der Strahlengang in einem relativ großen Winkel (6° oder mehr) zur optischen Achse des Objektivs 105 und kann, wie in 3 dargestellt, vollständig außerhalb des Objektivs 105 verlaufen. Alternativ besteht jedoch auch die Möglichkeit, den Beleuchtungsstrahlengang der Schrägbeleuchtung durch einen Randbereich des Objektivs 105 hindurch verlaufen zu lassen. Eine weitere Möglichkeit zur Anordnung des Beleuchtungsstrahlengangs ist die sog. 0°-Beleuchtung, bei der der Beleuchtungsstrahlengang durch das Objektiv 105 hindurch verläuft und zwischen den beiden Teilstrahlengängen 109A, 109B, entlang der optischen Achse des Objektivs 105 in Richtung auf das Beobachtungsobjekt 104 in das Objektiv 105 eingekoppelt wird. Schließlich besteht auch die Möglichkeit, den Beleuchtungsstrahlengang als sog. koaxiale Beleuchtung auszuführen, in der ein erster und ein zweiter Beleuchtungsteilstrahlengang vorhanden sind. Die Teilstrahlengänge werden über einen oder mehrere Strahlteiler parallel zu den optischen Achsen der Beobachtungsteilstrahlengänge 109A, 109B in das Operationsmikroskop eingekoppelt, so dass die Beleuchtung koaxial zu den beiden Beobachtungsteilstrahlengängen verläuft.
Die Beleuchtungsvorrichtung 127 kann unmittelbar am Operationsmikroskop 101 oder vom Operationsmikroskop 101 entfernt angeordnet sein, etwa am Mikroskopstativ. Das Licht der Lichtquellenvorrichtung wird bei entfernter Anordnung mittels eines Lichtleiters zum Operationsmikroskop 101 geleitet.
Das Operationsmikroskop 101 wird von einem Stativ gehalten, wie dies in 4 dargestellt ist. Das in der Figur lediglich schematisch dargestellte Stativ 134 ruht auf einem Stativfuß 135, an dessen Unterseite Rollen 136 vorhanden sind, die ein Verfahren des Stativs 134 ermöglichen. Um ein ungewolltes Verfahren des Stativs 134 zu verhindern, besitzt der Stativfuß 135 außerdem eine Fußbremse 137.
Das eigentliche Stativ 134 umfasst als Stativglieder eine höhenverstellbare Stativsäule 138, einen Tragarm 139, einen Federarm 140, und eine Mikroskopaufhängung 141, welche ihrerseits ein Verbindungselement 143, einen Schwenkarm 145 und einen Haltearm 144 umfasst. Am Stativ 134 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel außerdem eine Lichtquelle 146 zur Objektbeleuchtung angeordnet. Wenn Bewegungen des Operationsmikroskops in einer Richtung parallel zur optischen Achse erfolgen, bspw. aufgrund von Schwingungen, ändert sich der Abstand des Objektivs 105 von dem Beobachtungsobjekt 104, so dass das Beobachtungsobjekt 104 aus der Brennebene wandern kann, was zu Unschärfe in der Bilddarstellung führen kann.
Das Stativ 134 stellt ein schwingungsfähiges System dar, wobei in dem in 4 dargestellten Stativ insbesondere der Federarm 140 zu Schwingungen neigt. Derartige Schwingungen führen zu Positionsverlagerungen des Operationsmikroskops 101. Um insbesondere Positionsverlagerungen in Richtung der optischen Achse des Operationsmikroskops 101 optisch ausgleichen zu können, ist dem Hauptobjektiv 105 im vorliegenden Ausführungsbeispiel als optisches Element mit einstellbarer Brechkraft 177 ein Element mit zwei Freiformelementen 9, 11 nachgeschaltet.
Zum Bewegen der beiden Freiformelemente 9, 11 sind zwei Aktoren vorhanden (nicht dargestellt), die die entsprechenden Massen der Freiformelemente 9, 11 rasch verschieben können. Denkbar sind beispielsweise Piezoelemente. Ein rasches Verschieben der Massen birgt jedoch das Risiko, dass durch die optische Kompensation selbst wieder Schwingungen angeregt werden, weshalb besonderes Augenmerk auf die Glättung der Stellbewegung zu richten ist.
Die Steuereinheit 170 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel am Stativ angeordnet. Stellsignale werden von der Steuereinheit 170 per Kabel durch das Stativ an das Operationsmikroskop 101 geleitet, wo sie ebenfalls per Kabel an die den Freiformelementen 9, 11 zugeordneten Aktoren weitergeleitet werden. Das Leiten der Stellsignale an die Aktoren per Kabel ist insbesondere bei Operationsmikroskopen insofern vorteilhaft, als dass in Operationssälen die Verwendung von Funksendern häufig nicht möglich ist, da dadurch andere medizinische Geräte gestört würden. Eine Übertragung mittels Infrarotsignalen ist schwierig zu realisieren, da herzu ein Empfänger im direkten Sichtbereich des Senders liegen müsste. Dieser könnte zwar der Außenseite des Operationsmikroskops angebracht sein, jedoch sind ohnehin in der Regel bereits Kabel durch das Stativ hindurchgeführt, so dass es in der Regel ohne Schwierigkeiten möglich ist, zusätzlich auch ein Kabel zum Übertragen der Steuersignale durch das Stativ zu führen.
Wie in den anderen Ausführungsbeispielen kann der Bewegungssensor 190 entweder ein am Mikroskop, insbesondere an dessen Beobachtungsoptik angeordneter Beschleunigungssensor sein, oder ein bspw. auf Laufzeitmessung und Triangulation beruhender Positionssensor. Ein Beschleunigungssensor ist insofern vorteilhaft, als das aus der Beschleunigung durch Integration die Bewegungsgeschwindigkeiten und durch weitere Integration die künftigen Positionen vorausberechnet werden können. Im Falle eines Positionssensors ist dagegen erst aus einer aufgenommenen Zeitreihe von Positionen der Beschleunigungswert zu ermitteln, aus dem dann wiederum künftige Geschwindigkeiten und Positionen abgeschätzt werden können. Die Verwendung des Beschleunigungssensors ist insofern vorteilhaft, als dass die Beschleunigungsdaten direkt vorliegen, was den Rechenaufwand in der Steuereinheit vermindert.
Neben dem wenigstens einen optischen Element 7 mit einstellbarer Brechkraft kann das Operationsmikroskop 101 auch noch ein optisches Element, mit denen sich eine laterale Bildverschiebung erreichen lässt, aufweisen, so dass ein optischer Ausgleich dreidimensionaler Bewegungen möglich ist.
Die vorliegende Erfindung wurde anhand von Ausführungsbeispielen zu Illustrationszwecken näher erläutert. Die Ausführungsbeispiele können jedoch abgewandelt werden. So besteht beispielsweise auch bei dem mit Bezug auf die 3 und 4 beschriebenen Operationsmikroskop die Möglichkeit, ein optisches Element mit wenigstens zwei Unterelementen, deren Brechzahl einstellbar ist, vorzusehen, um auch die Bildgröße konstant zu halten. Wenn in einem Ausführungsbeispiel zwei derartige Komponenten Verwendung finden, können diese jeweils identisch ausgebildet sein. Es besteht aber in allen Ausführungsbeispielen auch die Möglichkeit, zwei optische Unterelemente mit variabler Brechzahl zu verwenden, die auf unterschiedlichen Prinzipien beruhen, beispielsweise können Freiformelemente mit Flüssigkristalllinsen oder Elastopolymerlinsen kombiniert werden. Weiterhin soll die Erfindung nicht auf Kameras, insbesondere Makrokameras oder Operationsmikroskope eingeschränkt sein. Sie kann beispielsweise auch im Rahmen optischer Messköpfe zum Einsatz kommen. Ebenso ist es möglich, dass die Beobachtungsoptik eine Optik zur Beobachtung im infraroten oder ultravioletten Spektralbereich ist. Im ersteren Fall sind alle Elemente einschließlich der optischen Elemente mit einstellbarer Brechkraft aus einem infrarottransmittierenden Material wie beispielsweise Silizium oder Germanium aufgebaut. Im zweiten Falle findet ein UV-transmittierendes Material, beispielsweise Suprasil oder Quarz Verwendung. Die vorliegende Erfindung soll daher nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt sein. Vielmehr soll der Schutzumfang durch die angefügten Ansprüche definiert sein.
Die anhand konkreter Ausführungsbeispiele näher erläuterte Erfindung ermöglicht es, die Wirkung typischer unwillkürlicher Längsbewegungen wie das Schwingen von Stativen oder das Zittern von Händen ausreichend schnell auszugleichen.
Bezugszeichenliste

1: Kamera
3: Objektiv
5: Bildsensor
7A: optisches Unterelement
7B: optisches Unterelement
9: Freiformelement
11: Freiformelement
13: Aktor
15: Aktor
17: Steuereinheit
19: Bewegungssensor
21: Planfläche
23: Planfläche
25: Freiformfläche
27: Freiformfläche
29: Prisma
30: Planfläche
31: Planfläche
101: Operationsmikroskop
104: Beobachtungsobjekt
105: Objektiv
107: Strahlenbündel
109A,B: Teilstrahlengang
111: Vergrößerungswechsler
113A,B: Schnittstelle
115A,B: Strahlteilerprisma
117: Binokulartubus
119A, B: Tubusobjektive
121 A, B: Zwischenbildebene
123A,B: Prisma
125A,B: Okularlinse
127: Beleuchtungsvorrichtung
129: Lichtquelle
131: Umlenkspiegel
133: Beleuchtungsoptik
134: Stativ
135: Stativfuß
136: Rolle
137: Bremse
138: Stativsäule
139: Tragarm
140: Federarm
141: Mikroskopaufhängung
143: Verbindungselement
144: Haltearm
145: Schwenkarm
146: Lichtquelle
147: Bedienelement
177: optisches Element mit einstellbarer Brechkraft

Claims

Verfahren zur Bildstabilisierung in einem optischen Beobachtungs- oder Messgerät (1,101) mit einer Beobachtungsoptik (3), welche eine optische Achse (OA) und wenigstens ein optisches Element mit einstellbarer Brechkraft (7A,7B,177) aufweist, wobei eine ungewollte Bewegung zwischen der Beobachtungsoptik (3) und einem Beobachtungsobjekt (4) entlang der optischen Achse (OA) stattfindet, in dem eine optische Kompensation der ungewollten Bewegung entlang der optischen Achse (OA) dadurch erfolgt, dass: - die Bewegung entlang der optischen Achse (OA) ermittelt wird, - auf der Basis der ermittelten Bewegung wenigstens eine Stellgröße für das einstellbare optische Element (7A,7B,177) ermittelt wird, welche die zur optischen Kompensation der Bewegung entlang der optischen Achse (OA) erforderliche Brechkraft des wenigstens einen optischen Elements mit einstellbarer Brechkraft (7A,7B,177) repräsentiert, und - ein Einstellen des wenigstens einen optischen Elements mit einstellbarer Brechkraft (7A,7B,177) auf der Basis der wenigstens einen Stellgröße erfolgt, wobei das optische Element mit einstellbarer Brechkraft (7A,7B,177) wenigstens zwei in Richtung senkrecht zur optischen Achse (OA) zueinander bewegbare, zueinander benachbart angeordnete Freiformelemente (9,11) umfasst, das wenigstens eine Stellsignal die Position der Freiformelemente (9,11) senkrecht zur optischen Achse (OA) repräsentiert und das Einstellen der Brechkraft durch gegeneinander Verschieben der Freiformenelemente (9, 11) in einer Richtung senkrecht zur optischen Achse (OA) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, in dem die Bewegung aus einer Bewegung der Beobachtungsoptik (3) resultiert und die Bewegungsgeschwindigkeit der Beobachtungsoptik (3) oder die Beschleunigung der Beobachtungsoptik (3) ermittelt und aus der ermittelten Bewegungsgeschwindigkeit bzw. der ermittelten Beschleunigung die Bewegung der Beobachtungsoptik (3) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, in dem das Ermitteln der Bewegung der Beobachtungsoptik (3), das Ermitteln der wenigstens einen Stellgröße und das Einstellen des wenigstens einen optischen Elements mit einstellbarer Brechkraft (7A,7B,177) wiederholt erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 3, in dem das wenigstens eine optische Element mit einstellbarer Brechkraft (7A,7B,177) beim Einstellen der Brechkraft eine Stellbewegung ausführt und eine Glättung der wenigstens einen Stellgröße vorgenommen wird, welche zu einer Minimierung der bei der Stellbewegung auftretenden Beschleunigungskräfte führt.
Verfahren nach Anspruch 4, in dem die Glättung dadurch erfolgt, dass anhand der wenigstens einen wiederholt ermittelten Stellgröße eine parametrisierte Funktion angepasst wird und das Einstellen des wenigstens einen optischen Elements mit einstellbarer Brechkraft (7A,7B,177) anhand der auf der Basis der wenigstens einen Stellgröße gewonnenen parametrisierten Funktion erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, in dem anhand der ermittelten Bewegung entlang der optischen Achse (OA) zu erwartende Positionsänderungen zwischen Beobachtungsoptik (3) und Beobachtungsobjekt (4) vorausberechnet werden und die wenigstens eine Stellgröße im Hinblick auf die zu erwartenden Positionsänderungen ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, in dem das optische Element mit einstellbarer Brechkraft wenigstens zwei optische Unterelemente (7A,7B) umfasst, deren Brechkräfte unabhängig voneinander einstellbar sind, wobei die optische Kompensation der Bewegung entlang der optischen Achse (OA) dadurch erfolgt, dass für jede der optischen Unterelemente mit einstellbarer Brechkraft (7A,7B) auf der Basis der ermittelten Bewegung wenigstens eine Stellgröße ermittelt wird und ein Einstellen der Brechkräfte der optischen Unterelemente (7A,7B) auf der Basis der jeweiligen Stellgröße oder der jeweiligen Stellgrößen erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, in dem außerdem ein Ermitteln und Kompensieren einer Bewegung zwischen Beobachtungsoptik (3) und Beobachtungsobjekt (4) senkrecht zur optischen Achse (OA) der Beobachtungsoptik (3) erfolgt.
Vorrichtung zur Bildstabilisierung in einem optischen Beobachtungs- oder Messgerät mit einer Beobachtungsoptik (3), welche eine optische Achse (OA) aufweist, wobei eine ungewollte Bewegung zwischen Beobachtungsoptik (3) und Beobachtungsobjekt (4) entlang der optischen Achse (OA) stattfinden kann, wobei die Vorrichtung zur Bildstabilisierung umfasst: - ein im Strahlengang der Beobachtungsoptik (3) anzuordnendes optisches Element mit einstellbarer Brechkraft (7A, 7B, 177), welches in der Lage ist, auf wenigstens ein Stellsignal hin eine ungewollte Bewegung entlang der optischen Achse (OA) mit Hilfe einer Änderung seiner Brechkraft optisch auszugleichen; - einen Bewegungssensor (19), der die Bewegung entlang der optischen Achse (OA) erfasst und ein die Bewegung repräsentierendes Bewegungssignal ausgibt; und - eine Steuereinheit (17), die zum Empfang des Bewegungssignals mit dem Bewegungssensor (19) und zur Ausgabe des wenigstens einen Stellsignals mit dem wenigstens einen optischen Element mit einstellbarer Brechkraft (7A,7B,177) verbunden ist, wobei das wenigstens eine Stellsignal die zur optischen Kompensation der Bewegung entlang der optischen Achse (OA) erforderliche Brechkraft (7A,7B,177) des wenigstens einen optischen Elements mit einstellbarer Brechkraft repräsentiert und die Steuereinheit (17) das wenigstens eine Stellsignal auf der Basis der ermittelten Bewegung ermittelt; wobei das optische Element mit einstellbarer Brechkraft (7A,7B,177) wenigstens zwei in Richtung senkrecht zur optischen Achse (OA) zueinander bewegbare, zueinander benachbart angeordnete Freiformelemente (9,11) umfasst, das wenigstens eine Stellsignal die Position der Freiformelemente (9,11) senkrecht zur optischen Achse (OA) repräsentiert und die Freiformenelemente (9, 11) zum Einstellen der Brechkraft in einer Richtung senkrecht zur optischen Achse (OA) gegeneinander verschiebbar sind.
Vorrichtung nach Anspruch 9, in der das im Strahlengang der Beobachtungsoptik (3) anzuordnende optische Element mit einstellbarer Brechkraft wenigstens zwei optische Unterelemente (7A,7B) umfasst, deren Brechkräfte unabhängig voneinander einstellbar sind.
Vorrichtung nach Anspruch 10, in der das optische Element mit einstellbarer Brechkraft eine Flüssigkristalllinse oder eine auf dem elektrokapillaren Effekt beruhende Flüssiglinse umfasst und dass wenigstens eine Stellsignal eine an die Flüssigkristalllinse bzw. Flüssiglinse anzulegende Spannung repräsentiert.
Vorrichtung nach Anspruch 10, in der das optische Element mit einstellbarer Brechkraft eine Membranlinse umfasst und dass wenigstens eine Stellsignal einen in der Membranlinse einzustellenden Druck repräsentiert.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12 die außerdem wenigstens eine in oder an der Beobachtungsoptik (3) anzuordnende Einrichtung zum Ausgleichen einer Bewegung zwischen der Beobachtungsoptik (3) und dem Beobachtungsobjekt (4) senkrecht zur optischen Achse (OA) umfasst.
Optisches Beobachtungsgerät mit einer Beobachtungsoptik und einer Vorrichtung zur Bildstabilisierung nach einem der Ansprüche 9 bis 13.
Optisches Messgerät mit einer Beobachtungsoptik und einer Vorrichtung zur Bildstabilisierung nach einen der Ansprüche 9 bis 13.