DE102015117824B4

DE102015117824B4 - Vorrichtung und Verfahren zum Einstellen eines Fokusabstands in einem optischen Beobachtungsgerät

Info

Publication number: DE102015117824B4
Application number: DE102015117824.9A
Authority: DE
Inventors: Stefan Saur; Marco Wilzbach; Gerald Panitz
Original assignee: Carl Zeiss Meditec AG
Current assignee: Carl Zeiss Meditec AG
Priority date: 2015-10-20
Filing date: 2015-10-20
Publication date: 2017-06-29
Anticipated expiration: 2035-10-21
Also published as: DE102015117824A1

Abstract

Vorrichtung zum Einstellen des Fokusabstands in einem optischen Beobachtungsgerät (1) mit einstellbarem Fokusabstand, welche umfasst: – eine Einstelleinrichtung (100) zum Einstellen eines gewünschten Fokusabstands auf der Basis eines Einstellsignals; – wenigstens eine Topografieerfassungseinheit (106) zum Erfassen der Topografie eines mit dem optischen Bobachtungsgerät beobachteten Objektfeldes (3), wobei die Topografieerfassungseinheit (106) zum Generieren von Topografiedaten auf der Basis der erfassten Topografie und zum Ausgeben der Topografiedaten ausgebildet ist, wobei die Topografiedaten Topografiedatensätze enthalten, die jeweils für einen Objektfeldpunkt (138) oder einen kleinen Objektfeldbereich eine Beziehung des Objektfeldpunktes (138) bzw. des kleinen Objektfeldbereiches zu einer Referenzebene oder einem Referenzpunkt umfassen; – eine Interaktionseinrichtung (116, 216, 316), die mit der Topografieerfassungseinheit (106) zum Empfang der Topografiedaten und mit der Einstelleinrichtung (100) zur Ausgabe eines Einstellsignals verbunden ist und die eine Darstellungseinrichtung (101, 132) zum Darstellen eines Bildes (130) des Objektfelds (3) sowie eine Auswahleinrichtung (120, 218, 320) zum Auswählen eines Bildpunktes (137, 226, 321) oder Bildbereichs im Bild (130) des Objektfelds (3) umfasst oder mit einer solchen verbunden oder verbindbar ist, wobei die Interaktionseinrichtung (116, 216, 316) dazu ausgebildet ist, anhand einer Zuordnung der Bildpunkte des Bildes (130) des Objektfelds (3) zu den Topografiedatensätzen der Topografiedaten und auf der Basis des ausgewählten Bildpunktes (137, 226, 321) bzw. des ausgewählten Bildbereichs ein Einstellsignal zum Einstellen eines Fokusabstands durch die Einstelleinrichtung (100) zu generieren, wobei der Fokusabstand auf demjenigen Topografiedatensatz beruht, der dem ausgewählten Bildpunkt (137, 226, 321) bzw. dem ausgewählten Bildbereich zugeordnet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren, mit der bzw. dem sich ein Fokusabstand in einem optischen Beobachtungsgerät einstellen lässt. Daneben betrifft die Erfindung ein optisches Beobachtungsgerät.
Optische Beobachtungsgeräte wie bspw. Mikroskopsysteme und insbesondere Operationsmikroskope weisen im Allgemeinen nur einen begrenzten Schärfentiefenbereich auf. Objekte außerhalb dieses Bereiches erscheinen unscharf für den Nutzer. Für die Arbeit mit einem solchen optischen Beobachtungsgerät muss der Nutzer folglich diejenige Fokusebene auswählen, in der sein gewünschtes Zielobjekt liegt. Insbesondere bei in der Chirurgie genutzten Operationsmikroskopen ist dies eine Herausforderung, da die Topografie einer Operationsszene große Variationen aufweisen kann. Beispielsweise liegen bei Rückenmarks- oder Gehirnoperationen häufig enge und tiefe Operationskanäle vor. Außerdem kann sich die Topografie einer Operationsszene im Verlauf eines operativen Eingriffes verändern. Das Auswählen derjenigen Fokusebene, in der sich das Zielobjekt befindet, erfolgt durch Einstellen des Fokusabstandes des optischen Beobachtungsgerätes.
Die vorliegende Erfindung eignet sich insbesondere für solche optische Beobachtungsgeräte, bei denen der Anwender den Fokusabstand variabel einstellen oder nachjustieren kann, ohne die Positionierung des Einblickes in das optische Beobachtungsgerät zu verändern. Derartige optische Beobachtungsgeräte sind beispielsweise Operationsmikroskope mit Varioskopobjektiven. In einem Varioskopobjektiv sind wenigstens zwei gegeneinander entlang der optischen Achse verschiebbare Linsen vorhanden, wobei durch Verschieben der beiden Linsen relativ zueinander der Fokusabstand des Objekts und damit der Arbeitsabstand des Operationsmikroskops variiert werden kann, ohne die Position des Operationsmikroskops selbst zu verändern, so dass die Einblickposition für den Nutzer des Operationsmikroskops beim Einstellen des Arbeitsabstandes unverändert bleibt. Die Einstellung des Fokusabstandes kann dabei manuell über eine Bedieneinheit erfolgen. Dazu kann der Nutzer den gewünschten Fokusabstand direkt als Wert eingeben oder diesen über einen Bedienknopf inkrementell erhöhen oder erniedrigen, bis der gewünschte Fokusabstand erreicht ist.
Um einen Nutzer bei der Auswahl eines geeigneten Fokusabstandes zu unterstützen wurden verschiedene Autofokusverfahren realisiert: In einem Autofokusverfahren wird der Fokusabstand mittels eines Lasers ermittelt und automatisch eingestellt. Hierbei muss der Nutzer den Punkt des Lasers auf diejenige Position einstellen, für die der Fokusabstand ermittelt werden soll. Für diese Einstellung ist jedoch eine Bedienung des Operationsmikroskops notwendig, so dass der Chirurg seine Instrumente zur Seite legen muss.
In einem weiteren Autofokusverfahren wird die Fokusebene über ein bildbasiertes Schärfemaß bestimmt. Das heißt, die Fokustiefe des Mikroskops wird iterativ verändert, bis das Bild einer integrierten Kamera ein Optimum an Schärfe erreicht hat. Dieses Verfahren optimiert die Schärfe jedoch für das gesamte Bild, so dass es vorkommen kann, dass die mit dem Verfahren eingestellte Fokusebene bei Objekten mit großen Topografievariationen nicht der gewünschten bzw. benötigten Fokusebene entspricht.
Die DE 10 2014 102 425 A1 beschreibt ein Mikroskopsystem und ein Mikroskopieverfahren unter Verwendung digitaler Marker. Einmal gesetzte Marker können mit dem Mikroskop anvisiert werden. Hierzu werden zusammen mit den Marken Parametereinstellungen des Mikroskops wie etwa der Fokus oder der Zoom des Mikroskops gespeichert. Darüber hinaus kann das Mikroskopsystem eine Einheit zur Erfassung topographischer Informationen über den Beobachtungsbereich umfassen, so dass das Höhenprofil in der Umgebung der Marker besser erkennbar ist. Auch die topographischen Informationen des Beobachtungsbereichs werden gespeichert.
In DE 10 2010 033 249 A1 ist das Erstellen einer „Fokus-Map” beschrieben, auf die während des Scannens einer Probe zurückgegriffen wird. Das Erzeugen der „Fokus-Map” erfolgt durch Aufnehmen mehrerer Bilder in unterschiedlichen Tiefen der Probe, um dann iterativ die beste Fokusposition anhand des Bildkontrastes zu ermitteln.
Die DE 10 2014 002 584 A1 beschreibt ein Verfahren zum Abbilden eines Objekts, in dem das Objekt gescannt wird und mittels eines OCT-Verfahrens für jeden Scanpunkt der Abstand zu einem Referenzpunkt ermittelt wird. Bestimmte Positionen können dabei in einem Speicher gespeichert und in einem darauf folgenden Durchgang des Verfahrens abgerufen und angefahren werden. Dabei können die gespeicherten Abstände bzw. Fokuspositionen abgerufen und das Mikroskop fokussiert werden.
In WO 2014/009859 A2 ist beschrieben, dass ein zu fokussierender Punkt beispielsweise auf einem Touchscreen ausgewählt werden kann.
Die US 2004/0109169 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung für die Mikroskopie, in der ein Nutzer einen interessierenden Bereich einer Probe auswählt und das Mikroskop dann automatisiert den ausgewählten Bereich der Probe in drei Dimensionen aufnimmt. Hierbei kann eine Autofokusfunktion zur Anwendung kommen.
Die WO 96/13743 A1 beschreibt ein automatisches Fokustracking, wobei mittels einer Pupillenpositionserkennungseinrichtung ermittelt wird, auf welche Stelle am Objekt das Auge blickt um daraufhin das Mikroskop auf diese Stelle zu fokussieren.
Aus der WO 2011/131311 A1 ist ein Oberflächentopografiesensor zur Verwendung in der Rastermikroskopie bekannt.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Einstellen eines Fokusabstandes in einem optischen Beobachtungsgerät zur Verfügung zu stellen, welches einem Nutzer des optischen Beobachtungsgeräts das Einstellen des Fokusabstandes erleichtert. Daneben ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein vorteilhaftes optisches Beobachtungsgerät zur Verfügung zu stellen.
Die erste Aufgabe wird durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 bzw. ein Verfahren nach Anspruch 9 gelöst. Die zweite Aufgabe wird durch ein optisches Beobachtungsgerät nach Anspruch 8 gelöst. Die abhängigen Ansprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Einstellen des Fokusabstands in einem optischen Beobachtungsgerät mit einstellbarem Fokusabstand, welches bspw. ein Mikroskop und insbesondere ein Operationsmikroskop sein kann, umfasst:

– eine Einstelleinrichtung zum Einstellen eines gewünschten Fokusabstandes auf der Basis eines Einstellsignals;
– wenigstens eine Topografieerfassungseinheit zum Erfassen der Topografie eines mit dem optischen Bobachtungsgerät beobachteten Objektfeldes, wobei die Topografieerfassungseinheit zum Generieren von Topografiedaten auf der Basis der erfassten Topografie und zum Ausgeben der Topografiedaten ausgebildet ist und wobei die Topografiedaten Topografiedatensätze enthalten, die jeweils für einen Objektfeldpunkt oder einen kleinen Objektfeldbereich eine Beziehung des Objektfeldpunktes bzw. des kleinen Objektfeldbereiches zu einer Referenzebene oder einem Referenzpunkt umfassen;
– eine Interaktionseinrichtung, die mit der Topografieerfassungseinheit zum Empfang der Topografiedaten und mit der Einstelleinrichtung zur Ausgabe eines Einstellsignals verbunden ist und die eine Darstellungseinrichtung zum Darstellen eines Bildes des Objektfelds sowie eine Auswahleinrichtung zum Auswählen eines Bildpunktes oder Bildbereichs im Bild des Objektfelds umfasst, wobei die Interaktionseinrichtung dazu ausgebildet ist, anhand einer Zuordnung der Bildpunkte des Bildes des Objektfelds zu den Topografiedatensätzen der Topografiedaten und auf der Basis des ausgewählten Bildpunktes bzw. des ausgewählten Bildbereichs ein Einstellsignal zum Einstellen eines Fokusabstands durch die Einstelleinrichtung zu generieren, wobei der Fokusabstand auf demjenigen Topografiedatensatz beruht, der dem ausgewählten Bildpunkt bzw. dem ausgewählten Bildbereich zugeordnet ist.

Der eingestellte Fokusabstand kann dabei insbesondere als ein Abstand des Fokus von einer Referenzebene des optischen Beobachtungsgerätes sein.
Die Darstellungseinrichtung der Interaktionseinrichtung kann eine eigens dafür vorgesehene Darstellungseinrichtung, bspw. ein am optischen Beobachtungsgerät angebrachtes Display, sein. Sie kann aber auch ein Teil des optischen Beobachtungsgeräts sein, bspw. der Binokulartubus oder ein Teil desselben. Außerdem kann sie ein im optischen Beobachtungsgerät vorhandenes Gerät wie etwa ein Display zum Einblenden von Einblendbildern in ein mit rein optischen Mitteln generiertes Bild des Objektfelds umfassen.
Die Beziehung eines Objektfeldpunktes bzw. kleinen Objektfeldbereiches zu einer Referenzebene oder einem Referenzpunkt der Topografieerfassungseinheit kann bspw. der Abstand von der Referenzebene oder eine Koordinate in Bezug auf den Referenzpunkt sein. In den Topografiedaten kann diese Beziehung bspw. in Form einer Tiefenkarte, d. h. in Form einer 2D-Matrix (Bild) des Objektfeldes, in der ein Punkt (Pixel) auf der Karte einen Punkt im Objektfeld repräsentiert und in der die Abstände der Punkte im Objektfeld von der Referenzebene bspw. als Pixelwerte oder in Form von Höhenlinien, wobei eine Höhenlinie einen bestimmten Abstand zu einer Referenzebene repräsentiert, angegeben sind. Ein Pixelwert kann dabei als ganze Zahl oder als Gleitkommazahl angegeben sein. Weiterhin kann der Abstand von der Referenzebene oder dem Referenzpunkt in Form einer farbcodierten Darstellung der Pixel vorliegen. Die Zuordnung der Bildpunkte des Bildes des Objektfelds zu den Topografiedatensätzen der Topografiedaten kann dann bspw. durch eine Transformation des Koordinatensystems, in dem die Bildpunkte des Bildes des Objektfeldes definiert sind, in ein Koordinatensystem, in dem die Punkte (Pixel) in der Tiefenkarte definiert sind, erfolgen. Durch die Transformation würde in diesem Fall die Koordinate eines Bildpunktes im Bild des Objektfeldes in die Koordinate eines Punktes (Pixels) in der Tiefenkarte transformiert, und anhand der Koordinate des Punktes (Pixels) in der Tiefenkarte und einer zu ihm hinterlegten Information über den Abstand des zugehörigen Objektfeldpunktes bzw. kleinen Objektfeldbereiches zu der Referenzebene oder dem Referenzpunkt würde dann der geeignete Fokusabstand ermittelt. Eine derartige Information kann bspw. den Pixelwerten, den Farbewerten der Pixel oder den Höhenlinien der Tiefenkarte entnommen werden.
Anstatt als Tiefenkarte mit Abstandsangeben in Form von Pixelwerten, Höhenlinien oder einer Farbcodierung kann die Information über die Abstand der Objektfeldpunkte bzw. kleinen Objektfeldbereiche zu der Referenzebene oder dem Referenzpunkt auch in Form einer Punktwolke vorliegen, die im Gegensatz zur Tiefenkarte nicht notwendigerweise in einem regulären diskreten Gitter angeordneten xy-Koordinaten folgt, sondern unregelmäßiger sein kann. Die Tiefe, also der Abstand von der Referenzebene oder dem Referenzpunkt, wird in z-Richtung abgebildet. In einer weiteren Alternative kann die Information über die Abstand der Objektfeldpunkte bzw. kleinen Objektfeldbereiche zu der Referenzebene oder dem Referenzpunkt in Form eines Gittermodells des Objektfeldes vorliegen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann eine optionale Visualisierungseinheit zum Visualisieren der Topografiedaten bspw. auf einem eigens dafür vorgesehenen Display oder mit Hilfe eines im optischen Beobachtungsgerät vorhandenen Displays im Binokulartubus umfassen. Die Visualisierung kann in vielfältiger Weise realisiert sein. Beispielsweise kann die Visualisierung in Form einer dargestellten Tiefenkarte, in Form eines dargestellten Gittermodells oder in Form einer dargestellten Punktwolke realisiert sein.
Vorteilhafterweise sind die mit der Topografieeinheit erfassten Topografiedaten möglichst dicht, das heißt der Abstand zwischen den Messpunkten beim Erfassen der Topografie ist möglichst gering. Die erreichbare Dichte der Messpunkte hängt dabei von der Verarbeitungskapazität der Topografieeinheit, der zu erwartenden Topografie des Objektfeldes und der Geschwindigkeit, mit der ein Erfassen der Topografie mit dem gewählten Messverfahren erfolgen kann, ab. Wenn beispielsweise große Höhenunterschiede auf engstem Raum zu erwarten sind, also große Gradienten vorliegen, ist eine hohe Dichte an Messpunkten von großer Bedeutung, um die Topografie des Objektfeldes hinreichend erfassen zu können. Treten dagegen lediglich kleine Gradienten auf, kann mit einer geringeren Dichte an Messpunkten gearbeitet werden. Im Hinblick auf die Verarbeitungskapazität der Topografieeinheit kann die Dichte an Messpunkten groß sein, wenn eine hohe Verarbeitungskapazität vorliegt, das heißt viele Messpunkte in kurzer Zeit verarbeitet werden können. Ist die Verarbeitungskapazität dagegen geringer, so muss auch die Anzahl der Messpunkte abnehmen, um die Topografie in einer angemessenen Zeit erstellen zu können. Entsprechendes gilt für die Erfassungsgeschwindigkeit, mit der die Werte für die einzelnen Abstände erfasst werden können. Je höher die Erfassungsgeschwindigkeit ist, desto weniger limitiert die Erfassung der Messpunkte die Dichte der Topografie.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht einem Nutzer das Einstellen eines Fokusabstandes auf der Basis einer Interaktion mit dem Bild des Objektfeldes. Beispielsweise ist es möglich, dass der Nutzer im Bild des Objektfeldes ein Gebiet auswählt, welches in der Fokusebene des optischen Beobachtungsgeräts liegen soll und der Fokusabstand dann so eingestellt wird, dass das entsprechende Gebiet im beobachteten Objektfeld, scharf abgebildet wird. Dabei können anhand der Zuordnung der Bildpunkte des Bildes des Objektfeldes zu den Topografiedatensätzen der Topografiedaten aus dem im Bild des Objektfeldes ausgewählten Bildpunkt bzw. Bildbereich die Topografiedaten für den entsprechenden Punkt bzw. Bereich des Objektfeldes ermittelt werden, aus denen wiederum der einzustellende Fokusabstand ermittelt werden kann. Das Auswählen des Bildpunktes bzw. Bildbereiches, welcher in der Fokusebene des optischen Beobachtungsgeräts liegen soll, kann durch eine geeignete Ausgestaltung der Interaktionseinheit realisiert werden. Hierzu existieren verschiedene Ausführungsvarianten.
Im Falle einer entsprechenden Kalibrierung und/oder Justierung der Topografieerfassungseinheit in Bezug auf das optische Beobachtungsgerät kann erreicht werden, dass eine der Topografieerfassungseinheit und dem optischen Beobachtungsgerät gemeinsame Referenzebene vorliegt. In diesem Fall kann der Abstand des Objektfeldpunktes bzw. kleinen Objektfeldbereiches von der Referenzebene des optischen Beobachtungsgerätes direkt aus dem Topografiedatensatz ausgelesen werden, wenn der Topografiedatensatz den Abstand des Objektfeldpunktes bzw. kleinen Objektfeldbereiches von der Referenzebene der Topografieerfassungseinheit enthält. Andernfalls kann zuerst der Abstand von der Referenzebene der Topografieerfassungseinheit ermittelt werden, aus dem dann anhand einer Transformation der Abstand von der Referenzebene des optischen Beobachtungsgeräts ermittelt wird. Eine geeignete Transformation kann anhand einer Kalibrierungsmessung ermittelt werden.
Gemäß einer ersten Ausführungsvariante umfasst die Auswahleinrichtung der Interaktionseinrichtung ein Cursormodul zum Einblenden eines Cursors in das Bild des Objektfeldes. Zudem umfasst sie eine Cursorsteuereinheit, die einem Nutzer ein Bewegen des Cursors im Bild des Objektfeldes ermöglicht. Die Auswahl eines Bildpunktes oder Bildbereichs im Bild des Objektfelds erfolgt dann auf der Basis der vom Nutzer eingestellten Cursorposition. Die Cursorsteuereinheit kann bspw. ein Joystick, ein Trackball, ein Touchpad, ein Touchscreen, oder jede andere Einrichtung, die einem Nutzer ein Bewegen des Cursors im Bild des Objektfeldes ermöglicht, um die Cursorposition im Bild des Objektfeldes zu verändern, sein.
Gemäß einer zweiten Ausführungsvariante umfasst die Auswahleinrichtung der Interaktionseinheit eine Eye-Tracking-Einrichtung zum Erfassen der Blickrichtung wenigstens eines Auges eines auf das Bild des Objektfeldes blickenden Nutzers und zum Ausgeben der erfassten Blickrichtung sowie eine Bildpunktermittlungseinheit, die mit der Eye-Tracking-Einrichtung zum Empfang der erfassten Blickrichtung verbunden ist und die anhand der Blickrichtung denjenigen Ort im Bild des Objektfeldes ermittelt, auf den der Nutzer blickt. Die Auswahl eines Bildpunktes oder Bildbereichs im Bild des Objektfelds erfolgt dann auf der Basis des ermittelten Ortes. Wie in der ersten Ausführungsvariante kann im Falle einer der Topografieerfassungseinheit und dem optischen Beobachtungsgerät gemeinsamen Referenzebene der Abstand des Ortes im beobachteten Objektfeld ggf. direkt aus den Topografiedaten ausgelesen werden. Mit der zweiten Ausführungsvariante der Interaktionseinheit kann ein Nutzer der erfindungsgemäßen Vorrichtung den Fokusabstand des optischen Beobachtungsgeräts einstellen, indem der im Bild des Objektfeldes auf denjenigen Bereich blickt, den er scharf sehen möchte. Daraufhin stellt die Vorrichtung am optischen Beobachtungsgerät einen Fokusabstand ein, der dazu führt, dass sich der im Bild des Objektfeldes betrachtete Bereich des Objektfeldes in der Fokusebene des optischen Beobachtungsgeräts befindet und somit scharf dargestellt wird. Obwohl es für das Funktionieren der zweiten Ausführungsvariante nicht notwendig ist, kann auch in der zweiten Ausführungsvariante ein Cursor eingeblendet werden, um einem Nutzer eine Rückkopplung zu bieten, welche Blickrichtung ermittelt worden ist. Es sein an dieser Stelle angemerkt, dass die Eye-Tracking-Einrichtung der zweiten Ausführungsvariante der Interaktionseinheit auch als Cursorsteuereinheit in der ersten Ausführungsvariante dienen kann.
Gemäß einer dritten Ausführungsvariante umfasst die Auswahleinrichtung der Interaktionseinrichtung einen Objektsensor, mit dem sich die Lage eines vom Nutzer des optischen Beobachtungsgerätes in seiner Lage manipulierbaren Objekts in einem Koordinatensystem erfassen lässt und der die erfasste Lage repräsentierende Lagedaten ausgibt. Das in seiner Lage manipulierbare Objekt kann dabei beispielsweise die Spitze eines chirurgischen Gerätes, die Fingerspitze des Nutzers des optischen Beobachtungsgerätes oder eines Assistenten oder die Spitze eines speziell hierfür vorgesehenen Zeigeinstrumentes sein. Eine Projektionseinheit ist zum Empfang der Lagedaten mit dem Objektsensor verbunden und projiziert die Lage des Objekts auf die Bildebene des Bildes, um den Ort, an dem sich das Objekt im Bild befindet, zu ermitteln. Die Auswahl eines Bildpunktes oder Bildbereichs im Bild des Objektfelds erfolgt dann auf der Basis des ermittelten Ortes. Wie in der ersten Ausführungsvariante kann im Falle einer der Topografieerfassungseinheit und dem optischen Beobachtungsgerät gemeinsamen Referenzebene der Abstand des Ortes im beobachteten Objektfeld ggf. direkt aus den Topografiedaten ausgelesen werden. Mit der dritten Ausführungsvariante der Interaktionseinheit kann ein Nutzer des optischen Beobachtungsgeräts mittels des in seiner Lage manipulierbaren Objekts und dem Bild des Objektfeldes denjenigen Bereich auswählen, den er scharf dargestellt haben möchte. Sodann wird ein Fokusabstand eingestellt, welcher dazu führt, dass sich der im Bild des Objektfeldes angezeigte Bereich des Objektfeldes in der Fokusebene des optischen Beobachtungsgerätes befindet und somit scharf dargestellt wird. Obwohl es für das Funktionieren der dritten Ausführungsvariante nicht notwendig ist, kann auch in der dritten Ausführungsvariante im Bild des Objektfeldes ein Cursor eingeblendet werden, um einem Nutzer den Projektionspunkt anzuzeigen, auf den die Lage manipulierbaren Objekts aktuell projiziert wird. Es sei an dieser Stelle angemerkt, dass der Objektsensor und die Projektionseinheit der dritten Ausführungsvariante der Interaktionseinheit auch die Cursorsteuereinheit in der ersten Ausführungsvariante bilden können.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann auch eine mit der Eistelleinrichtung sowie mit der Interaktionseinrichtung verbundene Auslöseeinheit mit einem Betätigungselement umfassen. Auf ein Betätigen des Betätigungselements hin löst die Auslöseeinheit das Ausgeben des Einstellsignals an die Einstelleinrichtung aus. Das Betätigungselement kann beispielsweise ein Fußschalter oder ein Mundschalter sein. Auch ein in Form einer Spracherkennung realisiertes Betätigungselement ist grundsätzlich möglich, so dass das Auslösen auf ein sprachliches Signal hin erfolgt. Weiterhin besteht die Möglichkeit, beispielsweise am Rand des im Einblick zu sehenden Sichtfeldes ein Element darzustellen, auf das der Nutzer blicken muss, um das Ausgeben des generierten Einstellsignals an die Einstelleinrichtung auszulösen. Weitere Formen von Betätigungselementen, beispielsweise ein Handschalter, sind ebenfalls möglich.
In einer Ausführungsvariante der Erfindung kann diese eine Aktivierungseinheit umfassen, durch deren Betätigung sie sich in einen Einstellmodus bringen lässt. Nur im Einstellmodus ist dann ein Auswählen eines Bildpunktes oder Bildbereichs im Bild des Objektfelds und Einstellen eines Fokusabstands zugelassen. Wie die Auslöseeinheit kann die Aktivierungseinheit ein Betätigungselement in Form eines Fußschalters, eines Spracherkennungsmoduls, eines Mundschalters, eines Handschalters, oder dergleichen umfassen. Durch die Aktivierungseinheit lässt sich ein versehentliches Ändern des Fokusabstandes zuverlässig vermeiden.
Die Topografieerfassungseinheit der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann einen Abstandssensor umfassen, der dazu ausgebildet ist, für eine Vielzahl von Objektfeldpunkten im beobachteten Objektfeld den Abstand zu einer Referenzebene der Topografieerfassungseinheit oder die Koordinaten in Bezug auf einen Referenzpunkt der Topografieerfassungseinheit zu erfassen, wobei der wenigstens eine Abstandssensor zum Ausgeben von die erfassten Abstände bzw. die erfassten Koordinaten repräsentierenden Abstands- bzw. Koordinatendaten ausgebildet ist. Mit dem wenigstens einen Abstandssensor ist eine Datenverarbeitungseinheit zum Empfang der Abstands- bzw. Koordinatendaten verbunden. Die Datenverarbeitungseinheit ist zum Generieren der Topografiedaten des beobachteten Objektfeldes aus den empfangenen Abstands- bzw. Koordinatendaten ausgebildet.
Als Abstandssensor kommen grundsätzliche alle denkbaren Arten von Abstandssensoren in Frage, jedoch sind berührungslose Abstandssensoren taktilen Abstandssensoren vorzuziehen, insbesondere wenn es sich bei dem optischen Beobachtungsgerät um ein Operationsmikroskop handelt. Ein berührungsloser Abstandssensor kann auf einer optischen Messung, auf einer Time of Flight-Messung, auf einer strukturierten Beleuchtung, einem Stereobild, einer optischen Kohärenztomografie (OCT, Optical Coherence Tomography), auf einer chromatischen konfokalen Abbildung, auf einem Depth of Focus-System, etc. beruhen. Andere berührungslose Abstandssensoren, die ebenfalls in Frage kommen, können beispielsweise auf Ultraschall beruhen.
Wenn der berührungslose Abstandssensor ein optischer Abstandssensor ist, kann dieser in einen Strahlengang des optischen Bobachtungsgeräts integriert sein. Auf diese Weise ist er immer in Bezug auf den Beobachtungsstrahlengang des optischen Beobachtungsgeräts justiert, so dass er immer auf das beobachtete Objektfeld gerichtet ist wenn auch das optische Beobachtungsgerät auf das beobachtete Objektfeld gerichtet ist. Anstatt in einen Strahlengang des optischen Beobachtungsgeräts integriert zu sein, kann ein Abstandssensor aber auch am Gerätegehäuse angeordnet sein. Dieser ist dann vorzugsweise in Bezug auf das Gerätegehäuse justierbar, um ihn in Bezug auf den Beobachtungsstrahlengang ausrichten zu können. Auch wenn der am Gerätegehäuse angeordnete Abstandssensor grundsätzlich ein taktiler Abstandssensor sein kann, ist es auch hier vorteilhaft, wenn der Abstandssensor berührungslos arbeitet.
Es sei darauf hingewiesen, dass die Topografieerfassungseinheit einen einzigen Abstandssensor zusammen mit einer Scaneinrichtung zum Scannen des Objektfeldes mit dem Abstandssensor oder eine Mehrzahl an Abstandssensoren, bspw. ein Feld von Abstandssensoren, aufweisen kann, wobei bei einer Mehrzahl von Abstandssensoren grundsätzlich auch die Möglichkeit besteht, dass diese Abstandssensoren auf unterschiedlichen Messprinzipien beruhen. Es sei weiterhin darauf hingewiesen, dass eine Aktualisierungseinheit zum Aktualisieren der Topografiedaten vorhanden sein kann. Eine Aktualisierung der Topografiedaten kann dabei kontinuierlich, in bestimmten zeitlichen Abständen, auf Veranlassung durch den Nutzer, etc. erfolgen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht zudem Assistenzfunktionen, die den Nutzer beim Einstellen des Fokusabstandes unterstützen. Wenn eine derartige Assistenzfunktion realisiert werden soll, kann die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Vorschaueinrichtung umfassen, die auf der Basis des ermittelten Fokusabstands das Bild des Objektfeldes derart manipuliert, dass in dem gewählten Fokusanstand befindliche Bereiche im Bild des Objektfeldes markiert sind, bevor ein Einstellen des gewählten Fokusabstandes mittels der Einstelleinrichtung erfolgt. Diese Assistenzfunktion ermöglicht eine Vorschau derjenigen Bereiche, die durch den gewählten Fokusabstand scharf dargestellt würden. Dadurch kann der Nutzer vor dem eigentlichen Einstellen des Fokusabstandes überprüfen, ob der eingestellte Fokusabstand die gewünschten Bereiche scharf darstellt. Wenn Ja, kann der Nutzer beispielsweise das Betätigungselement der Interaktionseinheit betätigen, um den gewählten Fokusabstand tatsächlich einzustellen.
Eine zweite Assistenzfunktion wird ermöglicht, wenn die Interaktionseinheit eine Clustereinheit umfasst, die dazu ausgebildet ist, die von den Topografiedaten repräsentierten Objektfeldpunkte einer Anzahl von vorgegebenen Abstandsbereichen zuzuordnen, die sich entlang der optischen Achse des optischen Beobachtungsgeräts erstrecken. Jeder der Abstandsbereiche repräsentiert dabei einen Abstand von einer Referenzebene des optischen Beobachtungsgerätes und ein diesen Abstand umgebendes Abstandsintervall. Das Abstandsintervall kann dabei beispielsweise der Schärfentiefe des optischen Beobachtungsgeräts entsprechen. Die Clustereinheit ist dazu ausgebildet, im Bild des Objektfelds für wenigstens einen der Abstandsbereiche diejenigen Bildpunkte die diesem Abstandsbereich zugeordnet sind, derart zu einem Bildpunktgebiet zusammenzufassen, dass das Einstellsignal für jeden Bildpunkt in diesem Bildpunktgebiet denselben Fokusabstand repräsentiert. In einer alternativen Ausgestaltung der zweiten Assistenzfunktion umfasst die Interaktionseinheit eine Clustereinheit, die dazu ausgebildet ist, diejenigen von den Topografiedaten repräsentierten Objektfeldpunkte zu ermitteln, die innerhalb vorgegebener Grenzen denselben Abstand von einer Referenzebene der Topografieerfassungseinheit besitzen, und die diesen Objektfeldpunkten zugeordneten Bildpunkte im Bild des Objektfeldes derart zu Bildpunktgebieten zusammenzufassen, dass das Einstellsignal für jeden Bildpunkt in einem Bildpunktgebiet denselben Fokusabstand repräsentiert. Um den Fokusabstand des optischen Beobachtungsgeräts so einzustellen, dass die Objektfeldpunkte in diesem Abstandsbereich scharf dargestellt werden, genügt es dann, auf irgendeine Stelle dieses Bildpunktgebiets zu blicken bzw. ein Zeigerobjekt über irgendeine Stelle in diesem Bildpunktgebiet zu bringen bzw. den Cursor an irgendeiner Stelle in diesem Bildpunktgebiet zu positionieren, um den geeigneten Fokusabstand einzustellen. Auf diese Weise wird die Auswahl des Bildpunkts oder Bildbereiches im Bild des Objektfelds, für den ein geeigneter Fokusabstand eingestellt werden soll, erleichtert, da einem Nutzer im Bild des Objektfeldes eine größere Fläche dargeboten wird, auf die er zum Einstellen eines entsprechenden Fokusabstandes blicken kann bzw. die er mit dem Cursor markieren kann bzw. auf die er mit dem in seiner Lage manipulierbaren Objekt zeigen kann. Dadurch können Fehlmarkierungen aufgrund einer zu geringen Zielgenauigkeit vermieden oder zumindest reduziert werden. Um dem Nutzer die Auswahl weiter zu erleichtern, können die Bildpunktgebiete bspw. durch Konturlinien markiert werden.
Um ein Rauschen in den Topografiedaten glätten zu können, kann die Topografieeinheit eine Rauschunterdrückungseinheit zum Unterdrücken von Rauschen in den Topografiedaten umfassen.
Ein erfindungsgemäßes optisches Beobachtungsgerät, welches insbesondere ein Operationsmikroskop sein kann, ist mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Einstellen des Fokusabstands ausgestattet. Vorteile und weitere Merkmale eines derartigen optischen Beobachtungsgeräts ergeben sich aus den Vorteilen und weiteren Merkmalen der erfindungsgemäßen Vorrichtung, auf die an dieser Stelle nicht noch einmal eingegangen wird, um Wiederholungen zu vermeiden.
Im erfindungsgemäßen Verfahren zum Einstellen eines Fokusabstandes in einem optischen Beobachtungsgerät mit einstellbarem Fokusabstand, in dem das optische Bobachtungsgerät ein Bild des mit ihm betrachteten Objektfeldes generiert, werden Topografiedaten des mit dem optischen Bobachtungsgerät beobachteten Objektfeldes ermittelt, wobei die Topografiedaten Topografiedatensätze enthalten, die jeweils für einen Objektfeldpunkt oder einen kleinen Objektfeldbereich eine Beziehung des Objektfeldpunktes bzw. des kleinen Objektfeldbereiches zu einer Referenzebene oder einem Referenzpunkt umfassen. Anhand einer Zuordnung der Bildpunkte des Bildes des Objektfelds zu den Topografiedatensätzen der Topografiedaten und auf der Basis der Auswahl eines Bildpunktes oder Bildbereichs im Bild des Objektfelds erfolgt ein Einstellen eines Fokusabstands, wobei der Fokusabstand auf demjenigen Topografiedatensatz beruht, der dem ausgewählten Bildpunkt bzw. dem ausgewählten Bildbereich zugeordnet ist.
Die Zuordnung der Bildpunkte des Bildes des Objektfelds zu den Topografiedatensätzen der Topografiedaten kann bspw. durch eine Transformation des Koordinatensystems, in dem die Bildpunkte des Bildes des Objektfeldes definiert sind, in ein Koordinatensystem, in dem eine Tiefenkarte gegeben ist, erfolgen. Durch die Transformation würde in diesem Fall die Koordinate eines Bildpunktes im Bild des Objektfeldes in die Koordinate eines Punktes in der Tiefenkarte transformiert, und anhand der Koordinate des Punktes in der Tiefenkarte und einer zu ihm hinterlegten Information über den Abstand des zugehörigen Objektfeldpunktes bzw. kleinen Objektfeldbereiches zu der Referenzebene oder dem Referenzpunkt würde dann der geeignete Fokusabstand ermittelt. Eine derartige Information kann bspw. in den Pixelwerten der Pixel der Tiefenkarte oder in Höhenlinien der Tiefenkarte kodiert sein. Alternativ kann in der Tiefenkarte eine Information über den Abstand der Objektfeldpunkte bzw. kleinen Objektfeldbereiche zu einer Referenzebene in Form einer Farbcodierung der Pixel vorliegen. Anstatt als Tiefenkarte kann die Information über die Abstand der Objektfeldpunkte bzw. kleinen Objektfeldbereiche zu der Referenzebene oder dem Referenzpunkt auch in Form einer Punktwolke oder in Form eines Gittermodells des Objektfeldes vorliegen, wie dies mit Bezug auf die erfindungsgemäße Vorrichtung bereits beschrieben worden ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung durchgeführt werden. Die mit Bezug auf die erfindungsgemäße Vorrichtung beschriebenen Eigenschaften und Vorteile lassen sich daher auch mit dem erfindungsgemäßen Verfahren realisieren, weshalb auf die mit Bezug auf die Vorrichtung beschriebenen Eigenschaften und Vorteile verwiesen wird.
In einer ersten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Cursor in das Bild des Objektfeldes eingeblendet, der von einem Nutzer des optischen Beobachtungsgeräts innerhalb des Bildes bewegbar ist. Die Auswahl eines Bildpunktes oder Bildbereichs im Bild des Objektfelds erfolgt dann anhand der vom Nutzer eingestellten Position des Cursors.
In einer zweiten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Blickrichtung wenigstens eines Auges eines das Bild des Objektfeldes betrachtenden Nutzers erfasst, um denjenigen Ort im Bild des Objektfeldes zu ermitteln, auf den der Nutzer blickt. Die Auswahl eines Bildpunktes oder Bildbereichs im Bild des Objektfelds erfolgt dann anhand des Ortes im Bild des Objektfeldes, auf den der Nutzer blickt.
In einer dritten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Lage eines Objekts in einem Koordinatensystem erfasst. Die erfasste Lage wird dann parallel zur optischen Achse des optischen Beobachtungsgerätes auf das Bild des Objektfeldes projiziert, um denjenigen Ort im Bild des Objektfeldes zu ermitteln, über dem sich das Objekt befindet. Die Auswahl eines Bildpunktes oder Bildbereichs im Bild des Objektfelds erfolgt dann anhand des Ortes im Bild des Objektfeldes, über dem sich das Objekt befindet.
Die drei beschriebenen Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens lassen sich mit den drei weiter oben beschriebenen Ausführungsvarianten der erfindungsgemäßen Vorrichtung realisieren. Für mit den drei Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zu erzielende Vorteile und Eigenschaften wird daher auf die Beschreibung der drei Ausführungsvarianten der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwiesen.
Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens kann das Bild des Objektfeldes vor dem Einstellen eines ausgewählten Fokusabstandes auf der Basis des ausgewählten Fokusabstandes derart manipuliert werden, dass in dem ausgewählten Fokusanstand befindliche Bereiche des Objektfeldes im Bild des Objektfeldes hervorgehoben sind. Auf diese Weise lässt sich eine Vorschau realisieren, die im Bild des Objektfeldes diejenigen Bereiche zeigt, die mit dem ausgewählten Fokusabstand scharf dargestellt werden, bevor der ausgewählte Fokusabstand tatsächlich eingestellt wird. Diese Weiterbildung des Verfahrens stellt eine Assistenzfunktion für den Nutzer beim Einstellen eines geeigneten Fokusabstandes dar.
Es besteht auch die Möglichkeit, in einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens die von den Topografiedaten repräsentierten Objektfeldpunkte einer Anzahl von vorgegebenen Abstandsbereichen zuzuordnen, die sich entlang der optischen Achse des optischen Beobachtungsgeräts erstrecken und die jeweils einen Abstand von einer Referenzebene des optischen Beobachtungsgeräts und ein diesen Abstand umgebendes Abstandsintervall, das beispielsweise der Schärfentiefe des optischen Beobachtungsgeräts entsprechen kann, repräsentieren. Für wenigstens einen der Abstandsbereiche werden im Bild des Objektfelds diejenigen Bildpunkte, die diesem Abstandsbereich zugeordnet sind, derart zu einem Bildpunktgebiet zusammengefasst werden, dass das Bildpunktgebiet für jeden Bildpunkt in diesem Bildpunktgebiet denselben Fokusabstand repräsentiert. In einer alternativen Ausgestaltung dieser Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden diejenigen von den Topografiedaten repräsentierten Objektfeldpunkte ermittelt, die innerhalb vorgegebener Grenzen denselben Abstand von einer Referenzebene der Topografieerfassungseinheit besitzen. Die diesen Objektfeldpunkten zugeordneten Bildpunkte werden im Bild des Objektfeldes derart zu einem Bildpunktgebiet zusammengefasst, dass das Bildpunktgebiet für jeden Bildpunkt in diesem Bildpunktgebiet denselben Fokusabstand repräsentiert. Die Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens stellt eine Assistenzfunktion für den Nutzer des optischen Beobachtungsgeräts dar, die einem Nutzer das Markieren eines Bildpunktes oder Bildbereiches, welcher einem bestimmten Objektfeldbereich, der scharf dargestellt werden soll, entspricht, erleichtert. Er braucht dann im Bild des Objektfeldes lediglich auf einen beliebigen Bildpunkt oder Bildbereich des Bildpunktgebietes zu zeigen, auf einen beliebigen Bildpunkt oder Bildbereich des Bildpunktgebietes zu blicken oder den Cursor an einen beliebigen Bildpunkt oder Bildbereich des Bildpunktgebietes zu bewegen, um den Fokusabstand einzustellen, der zu einer scharfen Darstellung des zugehörigen Objektfeldbereiches führt. Dabei besteht auch die Möglichkeit, das Bildpunktgebiet im Bild des Objektfeldes zu markieren, bspw. durch eine bestimmte Einfärbung im Bild oder eine das Bildpunktgebiet umschließende Kontur.
Um die Topografiedaten zu glätten, kann im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens eine Rauschunterdrückung erfolgen.
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 Beispiel für den grundsätzlichen Aufbau eines Operationsmikroskops mit Unendlichstrahlengang in einer schematischen Darstellung.
2 zeigt ein Varioskopobjektiv in einer schematischen Darstellung.
3 zeigt in Form eines Blockschaltbildes ein erstes Ausführungsbeispiel für ein optisches Beobachtungsgerät mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Einstellen des Fokusabstands.
4 ist eine schematische Darstellung des Bildes des Objektfeldes und der Positionierung eines Cursors mittels eines Touchscreens.
5 zeigt anhand eines Ablaufdiagramms das grundsätzliche Vorgehen beim Einstellen eines Fokusabstandes bei einem optischen Beobachtungsgerät mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Einstellen des Fokusabstands.
6 zeigt anhand eines Ablaufdiagramms das Auswählen eines einzustellenden Fokusabstandes beim optischen Beobachtungsgerät aus 3.
7 zeigt in Form eines Blockschaltbildes ein zweites Ausführungsbeispiel für ein optisches Beobachtungsgerät mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Einstellen des Fokusabstands.
8 ist eine schematische Darstellung des Bildes des Objektfeldes und der Erfassung der Blickrichtung eins Nutzers.
9 zeigt anhand eines Ablaufdiagramms das Auswählen eines einzustellenden Fokusabstandes beim optischen Beobachtungsgerät aus 7.
10 zeigt in Form eines Blockschaltbildes ein drittes Ausführungsbeispiel für ein optisches Beobachtungsgerät mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Einstellen des Fokusabstands.
11 ist eine schematische Darstellung des Bildes des Objektfeldes und der Erfassung der Position eines Zeigeobjektes.
12 zeigt anhand eines Ablaufdiagramms das Auswählen eines einzustellenden Fokusabstandes beim optischen Beobachtungsgerät aus 10.
Nachfolgend wird mit Bezug auf die 1 und 2 ein möglicher Aufbau eines Operationsmikroskops 2 erläutert, das als Beispiel für ein optisches Beobachtungsgerät, das mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Einstellen des Fokusabstands ausgestattet werden kann, dient.
Das in 1 gezeigte Operationsmikroskop 2 umfasst ein einem Objektfeld 3 zuzuwendendes Objektiv 5. Das Objektfeld 3 wird in der Brennebene des Objektivs 5 angeordnet, so dass es vom Objektiv 5 nach Unendlich abgebildet wird. Mit anderen Worten, ein vom Objektfeld 3 ausgehendes divergentes Strahlenbündel 7 wird bei seinem Durchgang durch das Objektiv 5 in ein paralleles Strahlenbündel 9 umgewandelt. Ein solcher Strahlengang wird auch Unendlichstrahlengang genannt.
In 1 ist das Objektiv 5 der Einfachheit halber lediglich schematisch als Achromatlinse dargestellt. Um den Arbeitsabstand des Operationsmikroskops 2, d. h. den Abstand der objektseitigen Brennebene von der Unterseite des Operationsmikroskops 2 variieren zu können, ohne das Operationsmikroskop 2 selbst verfahren zu müssen, findet in einem erfindungsgemäß ausgebildeten Operationsmikroskop 2 statt einer einfachen Achromatlinse ein Objektivlinsensystem aus mehreren Linsen Verwendung, mit dem sich der Arbeitsabstand des Operationsmikroskops 2 durch Verändern des Fokusabstands variieren lässt. Ein solches Objektiv, mit dem sich der Fokusabstand variieren lässt, wird gelegentlich auch Vario-Objektiv genannt.
Ein Beispiel für ein Vario-Objektiv ist schematisch in 2 dargestellt. Das Vario-Objektiv 50 umfasst ein Positivglied 51, also ein optisches Element mit positiver Brechkraft, das in 2 schematisch als Konvexlinse dargestellt ist. Darüber hinaus umfasst das Vario-Objektiv 50 ein Negativglied 52, also ein optisches Element mit negativer Brechkraft, das in 2 schematisch als Konkavlinse dargestellt ist. Das Negativglied 52 befindet sich zwischen dem Positivglied 51 und dem Objektfeld 3. Im dargestellten Vario-Objektiv 50 ist das Negativglied 52 fix angeordnet, wohingegen das Positivglied 51 wie durch den Doppelpfeil 53 angedeutet entlang der optischen Achse OA verschiebbar angeordnet ist. Wenn das Positivglied 51 in die in 2 gestrichelt dargestellte Position verschoben wird, verlängert sich der Fokusabstand, so dass der Arbeitsabstand des Operationsmikroskops 2 vom Objektfeld 3 ändert.
Obwohl in dem in 2 dargestellten Vario-Objektiv 50 das Positivglied 51 verschiebbar ausgestaltet ist, besteht grundsätzlich auch die Möglichkeit, das Negativglied 52 statt des Positivglieds 51 entlang der optischen Achse OA bewegbar anzuordnen. Das Negativglied 52 bildet jedoch häufig die Abschlusslinse des Vario-Objektivs 50. Ein feststehendes Negativglied 52 bietet daher den Vorteil, dass das Innere des Operationsmikroskops 2 leichter gegen äußere Einflüsse leichter abgedichtet werden kann. Weiterhin sei angemerkt, dass, obwohl das Positivglied 51 und das Negativglied 52 in 2 lediglich als Einzellinsen dargestellt sind, jedes dieser Glieder statt in Form einer Einzellinse auch in Form einer Linsengruppe oder eines Kittglieds realisiert sein kann, bspw. um das Vario-Objektiv 50 achromatisch oder apochromatisch auszubilden.
Beobachterseitig des Objektivs 5 ist ein Vergrößerungswechsler 11 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 11 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel bereits Teil des binokularen Strahlengangs des Operationsmikroskops 1, d. h. er weist eine eigene Linsenkombination für jeden stereoskopischen Teilstrahlengang 9A, 9B des Operationsmikroskops 1 auf. Das Einstellen eines Vergrößerungsfaktors mittels des Vergrößerungswechslers 11 erfolgt im vorliegenden Ausführungsbeispiel über ein motorisch angetriebenes Stellglied, das zusammen mit dem Vergrößerungswechsler 11 Teil einer Vergrößerungswechseleinheit zum Einstellen des Vergrößerungsfaktors ist.
An den Vergrößerungswechsler 11 schließt sich beobachterseitig eine Schnittstellenanordnung 13A, 13B an, über die externe Geräte an das Operationsmikroskop 1 angeschlossen werden können und die im vorliegenden Ausführungsbeispiel Strahlteilerprismen 15A, 15B umfasst. Grundsätzlich können aber auch andere Arten von Strahlteilern Verwendung finden, bspw. teildurchlässige Spiegel. Die Schnittstellen 13A, 13B dienen im vorliegenden Ausführungsbeispiel zum Auskoppeln eines Strahlenbündels aus dem Strahlengang des Operationsmikroskops 2 (Strahlteilerprisma 15B) bzw. zum Einkoppeln eines Strahlenbündels in den Strahlengang des Operationsmikroskops 2 (Strahlteilerprisma 15A). Es können jedoch auch beide Schnittstellen 13A, 13B zum Einkoppeln oder beide Schnittstellen 13A, 13B zum Auskoppeln von Strahlenbündeln dienen.
Das Strahlteilerprisma 15A in dem Teilstrahlengang 9A dient im vorliegenden Ausführungsbeispiel dazu, mit Hilfe eines Displays 37, bspw. einer Digital Mirror Device (DMD) oder eines LCD-Displays, und einer zugehörigen Optik 39 über das Strahlteilerprisma 15A Informationen oder Daten für einen Betrachter in den Teilstrahlengang 9A des Operationsmikroskops 1 einzuspiegeln. Im anderen Teilstrahlengang 9B ist an der Schnittstelle 13B ein Kameraadapter 19 mit einer daran befestigten Kamera 21 angeordnet, die mit einem elektronischen Bildsensor 23, bspw. mit einem CCD-Sensor oder einem CMOS-Sensor, ausgestattet ist. Mittels der Kamera 21 kann ein elektronisches und insbesondere ein digitales Bild des Gewebebereichs 3, der das betrachtete Objektfeld darstellt, aufgenommen werden. Als Bildsensor kann insbesondere auch ein Hyperspektralsensor Verwendung finden, in dem nicht nur drei Spektralkanäle (bspw. rot, grün und blau) vorhanden sind, sondern eine Vielzahl von Spektralkanälen.
An die Schnittstelle 13 schließt sich beobachterseitig ein Binokulartubus 27 an. Dieser weist zwei Tubusobjektive 29A, 29B auf, welche das jeweilige parallele Strahlenbündel 9A, 9B auf eine Zwischenbildebene 31 fokussieren, also das Beobachtungsobjekt 3 auf die jeweilige Zwischenbildebene 31A, 31B abbilden. Die in den Zwischenbildebenen 31A, 31B befindlichen Zwischenbilder werden schließlich von Okularlinsen 35A, 35B wiederum nach Unendlich abgebildet, so dass ein Betrachter das Zwischenbild mit entspanntem Auge betrachten kann. Außerdem erfolgt im Binokulartubus mittels eines Spiegelsystems oder mittels Prismen 33A, 33B eine Vergrößerung des Abstandes zwischen den beiden Teilstrahlenbündeln 9A, 9B, um diesen an den Augenabstand des Betrachters anzupassen. Mit dem Spiegelsystem oder den Prismen 33A, 33B erfolgt zudem eine Bildaufrichtung.
Das Operationsmikroskop 2 ist außerdem mit einer Beleuchtungsvorrichtung ausgestattet, mit der der das Objektfeld 3 mit breitbandigem Beleuchtungslicht beleuchtet werden kann. Hierzu weist die Beleuchtungsvorrichtung im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Weißlichtquelle 41, etwa eine Halogenglühlampe oder eine Gasentladungslampe, auf. Das von der Weißlichtquelle 41 ausgehende Licht wird über einen Umlenkspiegel 43 oder ein Umlenkprisma in Richtung auf das Objektfeld 3 gelenkt, um dieses auszuleuchten. In der Beleuchtungsvorrichtung ist weiterhin eine Beleuchtungsoptik 45 vorhanden, die für eine gleichmäßige Ausleuchtung des gesamten beobachteten Objektfeldes 3 sorgt.
Es sei darauf hingewiesen, dass der in 1 dargestellte Beleuchtungsstrahlengang stark schematisiert ist und nicht notwendigerweise den tatsächlichen Verlauf des Beleuchtungsstrahlengangs wiedergibt. Grundsätzlich kann der Beleuchtungsstrahlengang als sogenannte Schrägbeleuchtung ausgeführt sein, die der schematischen Darstellung in 1 am nächsten kommt. In einer solchen Schrägbeleuchtung verläuft der Strahlengang in einem relativ großen Winkel (6° oder mehr) zur optischen Achse des Objektivs 5 und kann, wie in 1 dargestellt, vollständig außerhalb des Objektivs verlaufen. Alternativ besteht jedoch auch die Möglichkeit, den Beleuchtungsstrahlengang der Schrägbeleuchtung durch einen Randbereich des Objektivs 5 hindurch verlaufen zu lassen. Eine weitere Möglichkeit zur Anordnung des Beleuchtungsstrahlengangs ist die sogenannte Beleuchtung, bei bei der der Beleuchtungsstrahlengang durch das Objektiv 5 hindurch verläuft und zwischen den beiden Teilstrahlengängen 9A, 9B, entlang der optischen Achse des Objektivs 5 in Richtung auf das Objektfeld 3 in das Objektiv eingekoppelt wird. Schließlich besteht auch die Möglichkeit, den Beleuchtungsstrahlengang als sogenannte 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 9A, 9B in das Operationsmikroskop eingekoppelt, so dass die Beleuchtung koaxial zu den beiden Beobachtungsteilstrahlengängen verläuft.
3 zeigt in Form eines Blockschaltbildes ein Ausführungsbeispiel für ein optisches Beobachtungsgerät 1 mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Einstellen des Fokusabstands. Der Fokusabstand wird im Folgenden als ein Abstand des Fokuspunktes von einer Referenzebene des optischen Beobachtungsgerätes 1 angesehen, wobei der Abstand parallel zur optischen Achse des Hauptobjektivs des optischen Beobachtungsgerätes 1 zu messen ist. Das in 3 gezeigte optische Beobachtungsgerät 1 umfasst eine Einstelleinrichtung 100 zum Einstellen eines gewünschten Fokusabstandes. Die Einstelleinrichtung 100 kann beispielsweise ein Antrieb sein, mit dem die verschiebbare Linse 51 eines Vario-Objektivs 50, wie es mit Bezug auf 2 beschrieben worden ist, entlang der optischen Achse verschoben werden kann.
Neben der Einstelleinrichtung 100 umfasst das optische Beobachtungsgerät 1 eine Topografieerfassungseinheit 106 zum Erfassen der Topografie eines mit dem optischen Beobachtungsgerät 1 beobachteten Objektfeldes. Die Topografieerfassungseinheit 106 ist zum Generieren von Topografiedaten auf der Basis der erfassten Topografie und zum Ausgeben der Topografiedaten ausgebildet. Die Topografiedaten enthalten dabei im vorliegenden Ausführungsbeispiel für jeden gemessenen Objektpunkt einen Topografiedatensatz, der eine die Identifikation des Objektpunktes ermöglichende Kennung und einen Abstand des Objektfeldpunktes von einer Referenzebene des Topografiesensors enthält. Die Lage der Referenzebene ist dabei ebenfalls Teil der Topografiedaten. Alternativ kann jeder Topografiedatensatz die Lage des zugehörigen Objektpunktes in einem Koordinatensystem des Topografiesensors beinhalten. Wenn die gemessenen Objektpunkte bspw. messbedingt eine kleine räumliche Ausdehnung besitzen, also streng genommen als kleine Objektfeldbereiche bzw. -volumina anzusehen sind, können die in den zugehörigen Topografiedatensätzen enthaltenen Abstände bzw. Koordinaten auch über den jeweiligen kleinen Bereich bzw. das jeweilige kleine Volumen gemittelte Abstände bzw. Koordinaten des Mittelpunktes des kleinen Bereiches bzw. des Volumens sein.
Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel umfasst die Topografieerfassungseinheit 106 wenigstens einen Abstandssensor 108, der dazu ausgebildet ist, für eine Vielzahl von Objektpunkten im beobachteten Objektfeld den Abstand zu einer Referenzebene der Topografieerfassungseinheit 106 oder die Koordinaten in Bezug auf einen Referenzpunkt der Topografieerfassungseinheit 106 zu erfassen. Dabei ist es vorteilhaft, wenn die Messpunkte möglichst dicht beieinander liegen, um eine möglichst dichte Erfassung der Topografie zu erreichen. Falls die Messung für die Objektfeldpunkte kleine Messbereiche bzw. kleine Messvolumina erfasst, können die Messbereiche bzw. Messvolumina benachbarter Objektfeldpunkte auch überlappen, um eine dichte Topografiemessung zu ermöglichen. Der wenigstens eine Abstandssensor ist zum Ausgeben von die erfassten Abstände repräsentierenden Abstandsdaten ausgebildet.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel kommt als der wenigstens eine Abstandssensor 108 wenigstens ein auf einem optischen Messprinzip beruhender Abstandssensor zur Anwendung, nämlich eine TOF-Kamera (Time-of-Flight-Kamera). Eine TOF-Kamera bildet das Objektfeld 3 ab und ermittelt für jeden Bildpunkt die Laufzeit, die ein Lichtpuls bis zum Objekt und wieder zurück benötigt. Aus dieser Laufzeit ermittelt eine Datenverarbeitungseinheit der TOF-Kamera dann den Abstand des Objektpunktes von einer Referenzebene der Kamera. Der Aufbau einer TOF-Kamera ist dem Fachmann bekannt und wird an dieser Stelle nicht weiter erläutert. Die TOF-Kamera kann Operationsmikroskop aus 1 bspw. am Ort der Kamera 21 angeordnet sein. Aber auch eine externe Anordnung am Gehäuse des optischen Beobachtungsgerätes 1 ist möglich.
Statt einer Laufzeitmessung können zur Abstandsmessung auch andere optische Messprinzipien und entsprechende Sensoren zum Einsatz kommen. Ein Beispiel dafür sind Abstandssensoren, die auf konfokalen Messungen beruhen. Bei einer konfokalen Messung wird Beleuchtungslicht einer punktförmigen Lichtquelle auf einen Objektfeldpunkt fokussiert. Das vom Objektfeldpunkt reflektierte Beleuchtungslicht trifft im Beobachtungsstrahlengang auf eine Lochblende, die in einer zur Objektfeldebene konjugierten Ebene angeordnet ist. Eine derart angeordnete Blende lässt nur solches Licht passieren, das aus der Fokusebene der Beleuchtung im Objektfeld stammt. Licht, das außerhalb dieser Fokusebene im Objektfeld reflektiert wird, kann die Lochfeldblende dagegen nicht passieren, da es in der Ebene der Lochfeldblende nicht fokussiert ist. Auch das Prinzip einer konfokalen Messung ist dem Fachmann bekannt und wird daher an dieser Stelle nicht näher erläutert.
Eine weiteres Beispiel für optische Abstandssensoren sind als OCT-Vorrichtung ausgebildete Abstandssensoren. Derartige Sensoren messen Abstände aus einer weißlichtinterferrometrischen Überlagerung von Referenzlicht mit Messlicht, welches aus dem Objektfeld reflektiert wird. Aus der Wellenlänge, bei der eine konstruktive Interferenz stattfindet, kann der Abstand desjenigen Punktes ermittelt werden, an dem das konstruktiv interferierende Messlicht reflektiert worden ist. Die Arbeitsweise eines OCT ist grundsätzlich bekannt und wird daher an dieser Stelle ebenfalls nicht weiter erläutert.
Noch ein weiteres Beispiel dafür, den Abstand eines Objektfeldpunktes von einer Referenzebene optisch zu ermitteln ist die Aufnahme einer stereoskopischen Abbildung des Objektfeldes. Aus der stereoskopischen Abbildung kann mittels Trigonometrie auf die Abstände der Objektpunkte von einer Referenzebene geschlossen werden.
Noch ein weiteres Beispiel dafür, den Abstand eines Objektfeldpunktes von einer Referenzebene optisch zu ermitteln ist das Beleuchten des Objektfelds mit einer strukturierten Beleuchtung, beispielsweise einer strukturierten Infrarotbeleuchtung. Aus der Verzerrung der Struktur in einem vom Objektfeld aufgenommenen Bild kann dann der Abstand der Objektfeldpunkte von einer Referenzebene ermittelt werden.
Noch eine weitere Möglichkeit, den Abstand eines Objektfeldpunktes von einer Referenzebene optisch zu bestimmen, besteht darin, den Abstand aus demjenigen Fokusabstand zu ermitteln, bei dem der Objektfeldpunkt scharf dargestellt wird. Zu diesem Zweck muss der Abstandssensor in der Lage sein, mit einem optischen Sensor einen definierten Fokusabstand einstellen zu können und die Schärfe von abgebildeten Objektfeldpunkten bei dem eingestellten Fokusabstand ermitteln zu können.
Neben den beschriebenen optischen Abstandssensoren besteht auch die Möglichkeit, einen auf Ultraschall basierenden Abstandssensor zu verwenden. Auch ein auf Ultraschall basierender Abstandssensor ist dem Fachmann grundsätzlich bekannt, so dass auf eine weitere Erläuterung von auf Ultraschall basierenden Abstandssensoren an dieser Stelle verzichtet wird.
Darüber hinaus sind auch taktile Abstandssensoren grundsätzlich möglich, im Falle bspw. eines als Operationsmikroskop ausgebildeten optischen Beobachtungsgerätes jedoch nachteilhaft, da sie ein Kontaktieren des Objektfeldes voraussetzen, was unter sterilen Bedingungen nur mit großem Aufwand zu realisieren ist.
Die Topografieerfassungseinheit umfasst neben dem Abstandssensor 108 auch eine Datenverarbeitungseinheit 110, die mit dem Abstandssensor 108 zum Empfang der von diesem ausgegebenen Abstandsdaten verbunden ist. Die Datenverarbeitungseinheit 110 generiert aus den empfangenen Abstandsdaten die Topografiedaten des beobachteten Objektfeldes. Sofern der Abstandssensor 108 selbst in der Lage ist, die Topografiedaten zu generieren, ist eine vom Abstandssensor 108 getrennte Datenverarbeitungseinheit 110 nicht nötig. Die Topografiedaten sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel in Form einer Tiefenkarte gegeben, in der jeder Punkt (Pixel) der Karte einem Topografiedatensatz entspricht. Außerdem ist in der Tiefenkarte für jeden von einem Topografiedatensatz repräsentierten Objektfeldpunkt bzw. kleinen Objektfeldbereiches der Abstand zu einer Referenzebene der Topografieerfassungseinheit 106 in Form eines Pixelwertes des entsprechenden Punkt (Pixel) der Karte angegeben. Statt in Form von Pixelwerten können die Information über den Abstand der Objektfeldpunkte bzw. kleinen Objektfeldbereiche zu der Referenzebene in der Tiefenkarte auch in Form von Höhenlinien oder in Form einer eine farbcodierte Darstellung vorliegen.
Um gegebenenfalls Rauschen in den Topografiedaten unterdrücken zu können, kann die Topografieerfassungseinheit 106 eine Rauschunterdrückungseinheit aufweisen.
Das erfindungsgemäße optische Beobachtungsgerät 1 ist außerdem mit einer Einblickeinrichtung 101 ausgestattet. Wenn das optische Beobachtungsgerät 1 als Operationsmikroskop 2, wie es mit Bezug auf die 1 und 2 beschrieben ist, ausgebildet ist, ist die Einblickeinrichtung 101 durch den Binokulartubus 27 des Operationsmikroskops 2 realisiert.
Das erfindungsgemäße optische Beobachtungsgerät 1 weist darüber hinaus eine Interaktionseinheit 116 auf, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel mit der Einstelleinrichtung 100 sowie der Topografieerfassungseinheit 106 verbunden ist. Die Interaktionseinheit 116 dient dazu, einem Nutzer des optischen Beobachtungsgeräts 1 das Interagieren mit dem Bild 130 des Objektfelds 3 (siehe 4) und ein Einstellen des gewünschten Fokusabstandes auf der Basis der Interaktion mit dem Bild 130 des Objektfelds 3 zu ermöglichen.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel umfasst die Interaktionseinheit 116 ein Display 132, welches von einer im optischen Beobachtungsgerät angeordnete Kamera wie bspw. der Kamera 21 aus 1 das Bild 130 des Objektfelds 3 empfängt und wiedergibt und das bspw. am Gehäuse des optischen Beobachtungsgeräts 1 angeordnet sein kann. Außerdem umfasst die Interaktionseinheit 116 ein mit dem Display 132 verbundenes Cursormodul 118 zum Einblenden eines Cursors 136 in das auf dem Display 132 dargestellte Bild (siehe 4). Der Cursor 136 kann dabei in Form eines Pfeils, eines Kreuzes oder einer anderen zum Markieren einer Stelle in dem auf dem Display 132 dargestellten Bild 130 geeigneten Form vorliegen. Der Cursor wird auf dem Display 132 zusammen mit dem Bild 130 dargestellt.
Die Position des Cursors 136 im Bild 130 des Objektfelds 3 kann vom Nutzer mittels einer Cursorsteuereinheit 120 eingestellt werden. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Cursorsteuereinheit 120 als Joystick dargestellt. Sie kann aber auch jede andere zum Eingeben von Positionsdaten für den Cursor geeignete Form annehmen. So kann die Cursorsteuereinheit beispielsweise als Trackball, als Touchpad, als Touchscreen, als Pfeiltasten einer Tastatur, etc. ausgebildet sein. Weitere Alternativen für geeignete Cursorsteuereinheiten stellen Eye-Tracker-Module und Objektsensoren, mit denen beispielsweise die Spitze eines Objekts detektiert werden kann, dar. Zu Eye-Tracker-Modulen und Objektsensoren werden nähere Ausführungen mit Bezug auf die 6 und 8 erfolgen.
Die Interaktionseinheit 116 weist außerdem eine Abstandsermittlungseinheit 122 auf, die mit dem Cursormodul 118 zum Empfang der Cursorposition 137 im Bild 130 des Objektfelds 3 und mit der Topografieerfassungseinheit 106 zum Empfang der Topografiedaten verbunden ist. Die Abstandsermittlungseinheit 122 gleicht zunächst die empfangene Cursorposition 137 im Bild 130 des Objektfelds 3 mit den Topografiedaten ab, um anhand der Cursorposition 137 im Bild 130 des Objektfelds 3 den der Cursorposition 137 entsprechenden Topografiedatensatz aus den Topografiedaten auszuwählen. Hierzu dient eine Zuordnung der Bildpunkte des Bildes 130 des Objektfelds 3 zu den Topografiedatensätzen der Topografiedaten. Die Zuordnung der Bildpunkte des Bildes 130 des Objektfelds 3 zu den Topografiedatensätzen der Topografiedaten erfolgt im vorliegenden Ausführungsbeispiel durch eine Transformation des Koordinatensystems, in dem die Positionen der Bildpunkte im Bildes des Objektfeldes definiert sind, in ein Koordinatensystem, in dem die Positionen der Punkte (Pixel) in der Tiefenkarte definiert sind ist. Durch die Transformation wird die Koordinate eines Bildpunktes im Bild des Objektfeldes in die Koordinate eines Punktes in der Tiefenkarte überführt. Dem Pixelwert dieses Punktes in der Tiefenkarte, entnimmt die Abstandsermittlungseinheit 122 den Abstand des von dem Punkt repräsentierten Objektfeldpunktes von der Referenzebene der Topografieerfassungseinheit 106. Wenn die Topografieerfassungseinheit 106 in Bezug auf das optische Beobachtungsgerät 1 derart eingerichtet ist, dass ihre beiden Referenzebenen miteinander übereinstimmen, kann der Abstand des entsprechenden Ortes im beobachteten Objektfeld 3 zu der Referenzebene der Topografieerfassungseinheit 106 unmittelbar als Abstand dieses Ortes zu der Referenzebene des optischen Beobachtungsgerätes 1 ausgegeben werden. Andernfalls wird der Abstand des Ortes im beobachteten Objektfeld 3 zu der Referenzebene des optischen Beobachtungsgeräts 1 durch eine Transformation aus dem Abstand dieses Ortes zu der Referenzebene der Topografieerfassungseinheit 106 ermittelt. Die hierzu nötige Transformation kann aus einer Kalibrierung der Topografieerfassungseinheit 106 in Bezug auf das optische Beobachtungsgerät 1 ermittelt werden.
Statt des Abstandes des Ortes im beobachteten Objektfeld 3 zu einer Referenzebene der Topografieerfassungseinheit 106 kann die Abstandsermittlungseinheit 122 aber auch seine Koordinaten in Bezug auf einen Koordinatenursprung der Topografieerfassungseinheit 106, d. h. einen Referenzpunkt der Topografieerfassungseinheit 106, ermitteln. Sofern der Topografieerfassungseinheit 106 die Lage der Referenzebene des optischen Beobachtungsgerätes in Bezug auf den Koordinatenursprung der Topografieerfassungseinheit 106 bekannt ist, was durch eine Kalibrierungsmessung und ein anschließendes Speichern des Messergebnisses erreicht werden kann, kann sie aus den Koordinaten des Ortes im beobachteten Objektfeld 3 seinen Abstand zur Referenzebene des optischen Beobachtungsgerätes 1 ermitteln.
Eine Auslöseeinheit 124 ist mit der Abstandsermittlungseinheit 122 zum Empfang des ermittelten Abstands verbunden. Darüber hinaus ist die Auslöseeinheit 124 mit einer Einstelleinrichtung 100 verbunden. Die Einstelleinrichtung 100 generiert auf der Basis des empfangenen Abstandes ein Einstellsignal, welches zu einem Einstellen des Fokusabstands durch die Einstelleinrichtung 100 führt, der dem empfangenen Abstand entspricht. Das Einstellsignal kann dann auf die Einstelleinrichtung 100, die bspw. zum geeigneten Verschieben des Positivglieds 51 im Vario-Objektiv 50 ausgebildet ist, einwirken. Die Ausgabe des Einstellsignals erfolgt im vorliegenden Ausführungsbeispiel jedoch erst bei Betätigung eines Betätigungselementes 126 der Auslöseeinheit 124. Erst die Betätigung des Betätigungselementes 126 führt dazu, dass die Auslöseeinheit 124 das Einstellsignal an die Einstelleinrichtung 100 ausgibt und der entsprechende Fokusabstand tatsächlich eingestellt wird. Das Betätigungselement 126 kann jede geeignete Art von Betätigungselement sein, beispielsweise ein Fußschalter, ein Handschalter, ein Spracherkennungsmodul, welches einen bestimmten, die Betätigung auslösenden Sprachbefehl erkennt, etc.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann optional auch mit einer Aktivierungseinheit 128 ausgestattet sein, durch deren Betätigung sich die erfindungsgemäße Vorrichtung in einen Einstellmodus versetzen lässt. Nur im Einstellmodus kann dann das Einblenden des Cursors 136 und das Ermitteln des Abstandes erfolgen. Außerdem ist Ausgabe des Einstellsignals nur zulässig, wenn sich das optische Beobachtungsgerät 1 im Einstellmodus befindet. Auf diese Weise kann ein versehentliches Verstellen des Fokusabstandes vermieden werden. Die Aktivierungseinheit 128 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel mit der Cursoreinheit 118 zum Veranlassen der Darstellung des Cursors 136 und mit der Auslöseeinheit 124 zum Freigeben des Betätigungselementes 126 verbunden.
Das Verfahren zum Einstellen eines Fokusabstands, welches mit der in 3 dargestellten Vorrichtung durchgeführt werden kann, wird nachfolgend mit Bezug auf die 4 bis 6 beschrieben. 4 zeigt dabei schematisiert das Objektfeld 3, das Bild 130 des Objektfelds 3 sowie das Display 132, auf dem ein elektronische Version des Bildes 130 des Objektfelds 3 dargestellt ist. Zum Erzeugen des elektronischen Bildes 130 des Objektfelds 3 kann beispielsweise in einem Operationsmikroskop gemäß 1 und 2 die Kamera 21 (siehe 1) dienen, die mittels des Bildsensors 23 ein Bild vom Objektfeld 3 aufnimmt. Das von der Kamera 21 aufgenommene Bild kann dann an das Display 132 weitergegeben werden.
Der Joystick 120 ermöglicht ein Positionieren des Cursors 136 in dem auf dem Display 132 dargestellten Bild 130. Mit Hilfe des Cursors 136 kann in dem Bild 130 eine Position 137 markiert werden, für die der Fokusabstand so eingestellt werden soll, dass der mit der Position 137 des Cursors 136 korrespondierende Objektfeldpunkt 138 im Objektfeld 3 in der Fokusebene 140 des optischen Beobachtungsgeräts 1 liegt. Ein Verfahren, mit dem dies erreicht wird, wird nachfolgend mit Bezug auf die 5 und 6 beschrieben, wobei 5 das Verfahren allgemein beschreibt und 6 die im vorliegenden Ausführungsbeispiel gewählte Variante einer Interaktion des Nutzers mit dem Bild 130 des Objektfelds 3.
Gemäß dem in 5 dargestellten Ablauf des Verfahrens erfolgt nach dem Start des Verfahrens in Schritt S1 ein Ermitteln der Topografiedaten mit Hilfe der Topografieerfassungseinheit 106. Im nächsten Schritt S2 wird mittels einer Interaktion mit dem Bild 130 des Objektfeldes 3 der geeignete Fokusabstand ermittelt und ein entsprechendes Einstellsignal ermittelt und ausgegeben. Auf der Basis des Einstellsignals erfolgt dann in Schritt S3 das Einstellen des Fokusabstandes. Die in Schritt S2 durchgeführte Interaktion wird nachfolgend unter Bezugnahme auf 6 näher erläutert wird. Nach dem Einstellen des gewünschten Fokusabstandes ist das Verfahren beendet.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel umfasst die Interaktion mit dem Bild 130 des Objektfeldes 3 auch eine Assistenzfunktion, die dazu dient, das Einstellen des Fokusabstandes robuster gegen Unsicherheiten bei der Auswahl durch den Benutzer (zum Beispiel bei Zielungenauigkeiten bei der Positionierung des Cursors 136) zu machen. Im Rahmen dieser Assistenzfunktion dient eine zum Empfangen der Topografiedaten mit der Topografieerfassungseinheit 106 verbundene sowie mit dem Display 132 und der Abstandsermittlungseinheit 122 verbundene Clustereinheit 144 dazu, die von den Topografiedaten repräsentierten Objektfeldpunkte einer Anzahl von vorgegebenen Abstandsbereichen zuzuordnen, die sich entlang der optischen Achse des optischen Beobachtungsgeräts 1 erstrecken. Jeder Abstandsbereich kann hierbei beispielsweise einem bestimmten Abstand von einer Referenzebene des optischen Beobachtungsgeräts 1 zusammen mit einem diesen Abstand umgebenden Abstandsintervall entsprechen. Das Abstandsintervall kann dabei insbesondere so gewählt sein, dass es dem Schärfentiefenbereich des optischen Beobachtungsgeräts 1 entspricht. Für wenigstens einen der Abstandsbereiche fasst die Clustereinheit 144 in Schritt S20 diejenigen Bildpunkte im Bild 130 des Objektfelds 3, die Objektfeldpunkten in diesem Abstandsbereich entsprechen, zu einem Bildpunktgebiet zusammen. Alle Bildpunkte, die innerhalb des Bildpunktgebietes liegen, führen bei ihrer Auswahl zur Einstellung desselben Fokusabstands am optischen Beobachtungsgerät. Dadurch wird das Einstellen des Fokusabstandes durch den Nutzer einfacher und robuster gegen Zielungenauigkeiten bei der Positionierung des Cursors 136.
Nach dem Zusammenfassen der Objektfeldpunkte erfolgt in Schritt S21 das Einblenden des Cursors 136 im Bild 130 des Objektfelds 3. Im dem auf den Schritt S21 folgenden Schritt S22 erfasst die Cursorsteuereinheit 220 die vom Nutzer vorgenommene Cursorbewegung, und in Schritt S23 wird abgefragt, ob der Cursor 136 über eine vorbestimmte Zeitspanne stationär ist. Falls dies nicht der Fall ist, kehrt das Verfahren zu Schritt S22 zurück.
Falls in Schritt S23 festgestellt wird, dass der Cursor 136 über die vorgegebene Zeitspanne stationär ist, schreitet das Verfahren zu Schritt S24 fort, in dem die Abstandsermittlungseinheit 122 anhand der Cursorposition 137 den einzustellenden Fokusabstand ermittelt. Hierzu greift die Abstandsermittlungseinheit 122 auf die von der Clustereinheit geclusterten Topografiedaten des zur Cursorposition gehörigen Objektfeldpunktes 138 zurück und ermittelt daraus einen Abstand des der Cursorposition zugehörigen Objektfeldpunktes 138 zur Referenzebene der Topografieerfassungseinheit 106. Mittels einer geeigneten Transformation wird der Abstand des Objektfeldpunktes 138 zur Referenzebene der Topografieerfassungseinheit 106 in den am optischen Beobachtungsgerät 1 einzustellenden Fokusabstand umgerechnet. Die Transformation kann mittels einer Kalibrierung festgelegt werden, die beispielsweise nach der Initialisierung des Systems oder nach der Montage ermittelt und im System hinterlegt wird. Durch die Kalibrierung wird es dann möglich jederzeit die Koordinaten oder Abstände, die im Koordinatensystem der Topografieerfassungseinheit 106 gegeben sind, in Koordinaten bzw. Abstände, die im Koordinatensystem des optischen Beobachtungsgerätes 1 gegeben sind, umzurechnen. In der Transformation können dabei auch Vergrößerungen des Objektfeldbildes und der Tiefenkarte Berücksichtigung finden. Auch hier kann eine anfängliche Kalibrierung Verwendung finden, um eine geeignete Transformation aufzufinden. Die Kalibrierung kann auch eventuelle Nichtlinearitäten des Abstandssensors 108 bzw. der Abstandssensoren bei der Erfassung der Abstände berücksichtigen. Darüber hinaus können neben der Kalibrierung für die Abstandsmessung auch laterale Kalibrierungen erfolgen, wodurch Verzeichnungen in der Tiefenkarte korrigiert werden können. Besonders einfach ist es jedoch, wenn die Koordinaten oder Abstände, die im Koordinatensystem der Topografieerfassungseinheit 106 gegeben sind, auf eine Referenzebene oder einen Referenzpunkt bezogen sind, auf die bzw. auf den auch die Koordinaten bzw. Abstände, die im Koordinatensystem des optischen Beobachtungsgeräts 1 gegeben sind, bezogen sind. In diesem Fall kann der einzustellende Fokusabstand direkt aus den Topografiedaten abgelesen werden. In Schritt S3 aus 5 wird schließlich der ermittelte Fokusabstand eingestellt.
Obwohl das erste Ausführungsbeispiel eine Clustereinheit 144, umfasst, kann die Clustereinheit 144 auch weggelassen werden. In diesem Fall würde die Abstandsermittlungseinheit 122 direkt auf die von der Topografieerfassungseinheit 106 ausgegebenen Topografiedaten zugreifen und daraus den Abstand des der Cursorposition zugehörigen Objektfeldpunktes 138 zur Referenzebene der Topografieerfassungseinheit 106 berechnen.
Ein zweites Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Vorrichtung ist in 7 dargestellt. Das in 7 dargestellte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel lediglich in der Ausgestaltung seiner Interaktionseinheit 216. Die übrigen Elemente der Vorrichtung des zweiten Ausführungsbeispiels entsprechen denen der in 3 dargestellten Vorrichtung des ersten Ausführungsbeispiels. Elemente des zweiten Ausführungsbeispiels, die sich nicht von denen aus dem ersten Ausführungsbeispiel unterscheiden sind daher in 7 mit denselben Bezugsziffern wie in 3 bezeichnet und werden nicht noch einmal erläutert, um Wiederholungen zu vermeiden.
Die Interaktionseinheit 216 des zweiten Ausführungsbeispiels ist dazu ausgestaltet, denjenigen Bereich im Bild 130 des Objektfelds 3 zu ermitteln, auf den der Nutzer blickt, und für diesen Bereich den entsprechenden Objektfeldbereich zu ermitteln. Für diesen Objektfeldbereich wird dann der geeignete Fokusabstand bestimmt. Hierzu umfasst die Interaktionseinheit 216 des zweiten Ausführungsbeispiels eine Eye-Tracking-Einrichtung 218, mit deren Hilfe die Blickrichtung wenigstens eines Auges 228 eines in den Einblick 101 des optischen Beobachtungsgeräts 1 blickenden Nutzers ermittelt wird. Dazu sind in den Einblick 101 Sensoren 227 integriert, mit denen ein Bild wenigstens eines Nutzerauges 228 aufgenommen wird, welches dann zum Ermitteln der Blickrichtung von der Eye-Tracking-Einrichtung 218 analysiert wird. Die ermittelte Blickrichtung wird von der Eye-Tracking-Einrichtung 218 in Form entsprechender Richtungskoordinaten ausgegeben.
Die Eye-Tracking-Einrichtung 218 ist mit einer Ortsermittlungseinheit 219 verbunden, die die Richtungskoordinaten empfängt. Anhand der von der Eye-Tracking-Einrichtung 218 empfangenen Richtungskoordinaten ermittelt die Ortsermittlungseinheit 219 denjenigen Ort im Bild 130 des Objektfelds 3, auf den der Nutzer blickt. Dazu werden die von der Eye-Tracking-Einrichtung 218 ausgebebenen Richtungskoordinaten mit einer in der Ortsermittlungseinheit 219 hinterlegten Transformation in das Koordinatensystem, in dem das Bild 130 des Objektfelds 3 definiert ist, übertragen.
Weiterhin umfasst die Interaktionseinheit 216 eine mit der Ortsermittlungseinheit 219 und der Topografieerfassungseinheit 106 verbundene Abstandsermittlungseinheit 220. Die Abstandsermittlungseinheit 220 empfängt von der Ortsermittlungseinheit 219 den Bildpunkt im Bild 130 des Objektfelds 3, auf den der Nutzer blickt und von der Topografieerfassungseinheit 106 die Topografiedaten. Die Abstandsermittlungseinheit 220 gleicht den empfangenen Bildpunkt mit den Topografiedaten ab, um anhand dieses Ortes den diesem Ort entsprechenden Topografiedatensatz zu ermitteln. Die Zuordnung der Bildpunkte des Bildes 130 des Objektfelds 3 zu den Topografiedatensätzen der Topografiedaten erfolgt wie im ersten Ausführungsbeispiel. Aus der im ermittelten Topografiedatensatz enthaltenen Beziehung des entsprechenden Objektfeldpunktes 138 bzw. des kleinen Objektfeldbereiches zu einer Referenzebene oder einem Referenzpunkt der Topografieerfassungseinheit 106 ermittelt die Abstandsermittlungseinheit dann den Abstand des Objektfeldpunktes 138 bzw. kleinen Objektfeldbereiches zu einer Referenzebene des optischen Beobachtungsgeräts 1. Auch dies erfolgt in derselben Weise wie im ersten Ausführungsbeispiel. Die hierzu nötige Transformation kann aus einer Kalibrierung der Topografieerfassungseinheit 106 in Bezug auf das optische Beobachtungsgerät 1 ermittelt werden. Das mit Bezug auf das erste Ausführungsbeispiel für die erfindungsgemäße Vorrichtung hinsichtlich der Kalibrierung und der Referenzebene bzw. des Referenzpunktes Ausgeführte gilt für das vorliegende Ausführungsbeispiel entsprechend. Der Abstand des Objektfeldpunktes 138 bzw. des kleinen Objektfeldbereiches von der Referenzebene wird schließlich von der Abstandsermittlungseinheit 220 ausgegeben.
Eine Auslöseeinheit 222 ist mit der Abstandsermittlungseinheit 220 zum Empfang des ermittelten Abstands verbunden. Darüber hinaus ist die Auslöseeinheit 222 mit der Einstelleinrichtung 100 verbunden. Die Auslöseeinheit 222 generiert auf der Basis des empfangenen Abstandes ein Einstellsignal, welches zu einem Einstellen des Fokusabstands durch die Einstelleinrichtung 100 führt, der dem empfangenen Abstand entspricht. Das Einstellsignal kann dann auf die Einstelleinrichtung 100 einwirken. Die Ausgabe des Einstellsignals erfolgt im vorliegenden Ausführungsbeispiel jedoch erst bei Betätigung eines Betätigungselementes 224 der Auslöseeinheit 222. Erst die Betätigung des Betätigungselementes 224 führt dazu, dass die Auslöseeinheit 222 das Einstellsignal an die Einstelleinrichtung 100 ausgibt und der entsprechende Fokusabstand tatsächlich eingestellt wird. Wie im ersten Ausführungsbeispiel für die erfindungsgemäße Vorrichtung kann das Betätigungselement 224 jede geeignete Art von Betätigungselement sein, beispielsweise ein Fußschalter, ein Handschalter, ein Spracherkennungsmodul, welches einen bestimmten, die Betätigung auslösenden Sprachbefehl erkennt, etc.
Wie im ersten Ausführungsbeispiel kann auch im zweiten Ausführungsbeispiel eine Aktivierungseinheit 128 vorhanden sein, durch deren Betätigung sich das optische Beobachtungsgerät in einen Einstellmodus bringen lässt. Diese Aktivierungseinheit kann wie die Aktivierungseinheit des ersten Ausführungsbeispiels ausgebildet sein, so dass bezüglich der Aktivierungseinheit 128 auf die Beschreibung des ersten Ausführungsbeispiels verwiesen wird.
Das Einstellen eines Fokusabstandes mit Hilfe des zweiten Ausführungsbeispiels wird nachfolgend mit Bezug auf die 5, 8 und 9 beschrieben. Das Verfahren entspricht in seinem Grundsatz dem mit Bezug auf 5 beschriebenen Verfahren. Es unterscheidet sich lediglich in der konkreten Ausgestaltung des Schrittes S2 aus 5 von dem mit Bezug auf das erste Ausführungsbeispiel beschriebene Verfahren.
Die in Schritt S2 durchgeführte Interaktion und Einstellung des Fokusabstandes, wie sie im Rahmen des zweiten Ausführungsbeispiels erfolgt, ist in den 8 und 9 dargestellt. 8 zeigt dabei das Objektfeld 3 und ein Bild 130 des Objektfelds 3. Darüber hinaus sind schematisch die Augen 228 eines Nutzers dargestellt sowie der Bildpunkt 226 im Bild 130 des Objektfelds 3, auf den die Augen 228 des Benutzers blicken. Für den Objektfeldpunkt 138, der dem Bildpunkt 226 der Tiefenkarte 130, auf den die Augen 228 des Nutzers blicken, entspricht, wird schließlich ein Fokusabstand eingestellt, der dazu führt, dass sich der dem Bildpunkt 226 zugeordnete Objektfeldpunkt 138 in der Fokusebene 140 des optischen Beobachtungsgeräts 1 befindet.
Das Interaktionsverfahren, mit dem die Einstellung des Fokusabstandes erfolgt, ist in 9 in Form eines Flussdiagramms dargestellt. Nach dem Beginn des Interaktionsverfahrens, das beispielsweise mit Hilfe eines Tasters, etwa eines Fußschaltpultes oder eines am optischen Beobachtungsgerät selbst angeordneten Tasters, gestartet werden kann, ermittelt die Eye-Tracking-Einrichtung 218 in Schritt S124 die Blickrichtung mindestens eines Auges 228 des Nutzers in der Einblickeinrichtung 101. Zur Erhöhung der Robustheit der Blickrichtungsermittlung werden im vorliegenden Ausführungsbeispiel die Blickrichtungen beider Augen 228 des Nutzers erfasst und gemittelt.
In dem auf das Ermitteln der Blickrichtung folgenden Schritt S126 wird anhand der ermittelten Blickrichtung derjenige Bildpunkt 226 im Bild 130 des Objektfelds 3 ermittelt, auf den die Augen 228 blicken. Dabei kann der Bildpunkt 226, auf den die Augen 228 blicken, mittels eines Cursors markiert werden. Dies ist zwar im Rahmen des Verfahrens nicht zwingend notwendig, bietet dem Nutzer jedoch eine optische Rückmeldung hinsichtlich seiner Blickrichtung, die das Auswählen eines bestimmten Bereiches der Visualisierung erleichtert.
In dem auf das Ermitteln des Bildpunktes 226, auf den die Augen 228 blicken, folgenden Schritt S128 erfolgt eine Abfrage, ob die Blickrichtung über eine vorgegebene Zeitspanne konstant ist. Ist dies nicht der Fall, kehrt das Verfahren zu Schritt S124 zurück.
Falls in Schritt S128 festgestellt wird, dass die Blickrichtung über die vorgegebene Zeitspanne konstant ist, wird für den ermittelten Bildpunkt 226 der zugeordnete Topografiedatensatz ermittelt. Auf der Basis des Topografiedatensatzes wird dann der Abstand des entsprechenden Ortes 138 im Objektfeld 3 zu der Referenzebene des optischen Beobachtungsgeräts 1 ermittelt und auf der Basis des ermittelten Abstands der geeignete Fokusabstand bestimmt (Schritt S130).
Der Fokusabstand wird dann zum Einstellen dieses Fokusabstandes an die Einstelleinrichtung 100 ausgegeben (Schritt S132) und von dieser entsprechend eingestellt (Schritt S3 in 5). Damit ist das Verfahren beendet.
Die Vorrichtung zum Einstellen des Fokusabstands kann im vorliegenden Ausführungsbeispiel auch eine Aktualisierungseinheit aufweisen, welche die Interaktionseinheit 216 dazu veranlasst, die Einstellung des Fokusabstandes kontinuierlich zu aktualisieren und so den Fokusabstand kontinuierlich an die Blickrichtung des Nutzers anzupassen, sofern sich die Blickrichtung derart ändert, dass der betrachtete Objektfeldpunkt bei dem zuvor eingestellten Fokusabstand nicht mehr in Schärfentiefenbereich des optischen Beobachtungsgerätes liegt.
Ein drittes Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Vorrichtung ist schematisch in 10 dargestellt. Das dritte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich lediglich in seiner Interaktionseinheit vom ersten Ausführungsbeispiel. Diejenigen Elemente des dritten Ausführungsbeispiels, die sich nicht von denen des ersten Ausführungsbeispiels unterscheiden, sind in 10 mit denselben Bezugsziffern wie in 3 bezeichnet und werden nicht noch einmal erläutert, um Wiederholungen zu vermeiden.
Die Interaktionseinheit 316 des dritten Ausführungsbeispiels ist dazu ausgebildet, einen Bildpunkt 321 im Bild 130 des Objektfelds 3 mit Hilfe eines Zeigeelements 320 anzuzeigen. Falls das optische Beobachtungsgerät 1 als Operationsmikroskop ausgebildet ist, kann das Zeigeelement beispielsweise die Spitze 320 eines chirurgischen Instrumentes sein. Diese Spitze 320 kann der Nutzer über das Objektfeld 3 bewegen, wobei die Bewegung der Spitze 320 von einem Objektsensor 318 erfasst wird und die Position der Spitze 320 auf das Bild 130 des Objektfelds 3 projiziert wird. Die Interaktionseinheit 316 umfasst dementsprechend einen Objektsensor 318, mit dem die räumliche Lage eines Objekts wie beispielsweise der Spitze 320 eines chirurgischen Elements, eines speziellen Zeigeelements, des Fingers, etc. erfasst wird. Der Objektsensor 318 gibt dann Lagedaten aus, welche die erfasste Lage repräsentieren.
Mit dem Objektsensor 318 ist eine Projektionseinheit 322 verbunden, die die Lagedaten vom Objektsensor 318 empfängt. Mittels einer geeigneten Transformation projiziert die Projektionseinheit 322 auf der Basis der empfangenen Lagedaten die Position der Spitze 320 auf das Bild 130 des Objektfelds 3, dessen Lage in den Koordinaten in denen die Lagedaten gegeben sind, bekannt ist, und ermittelt so denjenigen Bildpunkt 321 im Bild 130 des Objektfelds 3, über dem sich die Spitze 320 befindet. Diesen Bildpunkt 321 gibt die Projektionseinheit 322 dann aus.
Mit der Projektionseinheit 322 ist eine Abstandsermittlungseinheit 324 verbunden. Diese empfängt von der Projektionseinheit 322 den Bildpunkt 321 im Bild 130 des Objektfelds 3, über dem sich die Spitze 320 befindet. Außerdem empfängt sie von der Topografieerfassungseinheit 106, mit der sie ebenfalls verbunden ist, die Topografiedaten.
Die Abstandsermittlungseinheit 324 ordnet den Bildpunkt 321 im Bild 130 des Objektfelds 3, über dem sich das Objekt 320 befindet, dem entsprechenden Topografiedatensatz der Topografiedaten zu. Aus der im ermittelten Topografiedatensatz enthaltenen Beziehung des entsprechenden Objektfeldpunktes 138 bzw. des kleinen Objektfeldbereiches zu einer Referenzebene oder einem Referenzpunkt der Topografieerfassungseinheit 106 ermittelt die Abstandsermittlungseinheit 324 den Abstand des Objektfeldpunktes 138 bzw. kleinen Objektfeldbereiches zu einer Referenzebene des optischen Beobachtungsgeräts 1. Die hierzu nötige Transformation kann aus einer Kalibrierung der Topografieerfassungseinheit 106 in Bezug auf das optische Beobachtungsgerät 1 ermittelt werden. Das mit Bezug auf das erste Ausführungsbeispiel für die erfindungsgemäße Vorrichtung hinsichtlich der Kalibrierung und der Referenzebene bzw. des Referenzpunktes Ausgeführte gilt für das vorliegende Ausführungsbeispiel entsprechend. Der Abstand des entsprechenden Objektfeldpunktes 138 bzw. kleinen Objektfeldbereiches von der Referenzebene wird schließlich von der Abstandsermittlungseinheit 324 ausgegeben.
Mit der Abstandsermittlungseinheit 324 ist eine Auslöseeinheit 326 verbunden, die den ermittelten Abstand empfängt und auf der Basis des Abstands ein Einstellsignal für die Einstelleinrichtung 100 generiert. Das Einstellsignal enthält einen Fokusabstand, der auf der Basis des empfangenen Abstands ermittelt worden ist. Bei Betätigung des Betätigungselementes 328 wird das generierte Eingangssignal an die Einstelleinrichtung 100 zum Einstellen des entsprechenden Fokusabstandes ausgegeben. Darüber hinaus umfasst die Auslöseeinheit 326 im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Vorschaueinrichtung 330, die bspw. mit einem im optischen Beobachtungsgerät 1 vorhandenen Display wie etwa dem Display 37 aus 1 zum Einblenden von Einblendbildern in den zum Einblick 101 führenden Strahlengang verbunden ist.
Wie die übrigen Ausführungsbeispiele umfasst auch das vorliegende Ausführungsbeispiel eine Aktivierungseinheit 128. Diese Aktivierungseinheit kann wie die Aktivierungseinheit des ersten Ausführungsbeispiels ausgebildet sein, so dass bezüglich der Aktivierungseinheit 128 auf die Beschreibung des ersten Ausführungsbeispiels verwiesen wird.
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 5, 11 und 12 ein Verfahren zum Einstellen eines Fokusabstandes, wie es mit dem in 10 gezeigten dritten Ausführungsbeispiel für die erfindungsgemäße Vorrichtung durchgeführt werden kann, beschrieben. Der Grundablauf des Verfahrens entspricht dem Grundablauf der mit den ersten beiden Ausführungsformen des optischen Beobachtungsgeräts auszuführenden Verfahren und ist in 5 dargestellt. Das mit dem dritten Ausführungsbeispiel auszuführende Verfahren unterscheidet sich von den mit dem ersten und mit dem zweiten Ausführungsbeispiel durchzuführenden Verfahren lediglich in der Ausgestaltung des Interagierens zum Einstellen des Fokusabstands, also in der konkreten Ausgestaltung des Schrittes S2 aus 5.
Die konkrete Ausgestaltung des Interagierens mit Hilfe des dritten Ausführungsbeispiels für die erfindungsgemäße Vorrichtung wird nachfolgend mit Bezug auf die 11 und 12 beschrieben. Dabei zeigt 11 das Bild 130 des Objektfelds 3 sowie die Spitze 320 eines Zeigeinstruments, das beispielsweise ein chirurgisches Instrument sein kann, wenn das optische Beobachtungsgerät ein Operationsmikroskop ist. Für die Interaktion des Nutzers mit dem Bild 130 des Objektfelds 3 wird nach dem Starten des Interaktionsverfahrens in Schritt S221 die Lage der Spitze 320 vom Objektsensor 318 erfasst und in Form von die Lage repräsentierenden Lagedaten ausgegeben. Das Erfassen der Lage erfolgt dabei im Koordinatensystem des Objektsensors 318, welches im vorliegenden Ausführungsbeispiel in Bezug auf das Koordinatensystem, in dem das Bild 130 des Objektfelds 3 gegeben ist, kalibriert ist, so dass die Lage des Bildes im Koordinatensystem des Objektsensors 318 bekannt ist und daher in Schritt S222 die Lage des Objektes 320 auf das Bild 130 des Objektfelds 3 projiziert werden, wobei die Projektion entlang der optischen Achse des optischen Beobachtungsgerätes 1 erfolgt. Mittels dieser Projektion wird dann in Schritt 223 der Bildpunkt 321 im Bild 130 des Objektfelds 3 ermittelt, welcher dem projizierten Ort der Spitze 320 entspricht. Außerdem wird der ermittelte Bildpunkt 321 im vorliegenden Ausführungsbeispiel im Bild 130 des Objektfelds 3 angezeigt, beispielsweise mit Hilfe eines Cursors in Form eines Kreuzes, eines Kreises oder dergleichen, obgleich eine solche Anzeige nicht zwingend notwendig ist. In dem auf Schritt S223 folgenden Schritt S224 erfolgt eine Abfrage, ob der ermittelte Bildpunkt 321 im Bild 130 des Objektfelds 3 über eine vorbestimmte Zeitspanne konstant ist. Ist dies nicht der Fall, kehrt das Verfahren zu Schritt S221 zurück. Falls der Bildpunkt 321 über die vorbestimmte Zeitspanne konstant ist, schreitet das Verfahren zu Schritt S225 fort.
In Schritt S225 ermittelt die Abstandsermittlungseinheit 324 auf der Basis des Bildpunktes 321 auf den der Ort der Spitze 320 projiziert wird, und der Topografiedaten den Abstand des der Projektion entsprechenden Ortes 138 im Objektfeld 3 von einer Referenzebene der Topografieerfassungseinheit 106. Mittels einer Transformation, die auf einer Kalibrierung der Topografieerfassungseinheit 106 in Bezug auf das optische Beobachtungsgerät 1 resultiert, und die es ermöglicht, die Topografiedaten und somit auch den ermittelten Abstand in Koordinaten des optischen Beobachtungsgeräts anzugeben, wird aus dem ermittelten Abstand der am optischen Beobachtungsgerät einzustellende Fokusabstand bestimmt (Schritt S226).
Nach dem Ermitteln des einzustellenden Fokusabstandes schreitet das Verfahren zu Schritt S227 fort, in dem mittels der Auslöseeinheit 326 ein das Einstellen des Fokusabstandes ermöglichendes Einstellsignal an die Einstelleinrichtung 100 ausgegeben wird. Die Ausgabe erfolgt auf die Betätigung des Betätigungselementes 328 der Auslöseeinheit 326.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel erfolgt aber keine direkte Einstellung des Fokusabstandes mittels der Einstelleinrichtung 100. Stattdessen manipuliert die Vorschaueinrichtung 330 mit Hilfe eines in den zum Einblick 101 führenden Strahlengang eingeblendeten Einblendbilds auf der Basis des gewählten Fokusabstandes das Bild 130 des Objektfelds 3 im Einblick derart, dass diejenigen Bildpunkte des Bildes 130, die Objektbereiche repräsentieren, die sich im gewählten Fokusabstand einschließlich des Schärfetiefenbereiches des optischen Beobachtungsgeräts 1 befinden, im Bild 130 hervorgehoben sind. Auf diese Weise erhält der Nutzer des optischen Beobachtungsgeräts 1 eine Vorschau, welche Bereiche er beim Einstellen des gewählten Fokusabstandes scharf sehen wird. Das Hervorheben kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass alle Pixel, die mit dem gewählten Fokusabstand korrespondieren gleich eingefärbt werden oder von einer Kontur umschlossen werden.
In Schritt S228 erfolgt dann nach einer bestimmten Wartezeit eine Abfrage, ob der Nutzer das Betätigungselement 128 betätigt hat. Falls nicht, kehrt das Verfahren zu Schritt S221 zurück. Falls der Nutzer das Betätigungselement 128 betätigt hat, schreitet das Verfahren zu Schritt S229 fort, in dem der gewählte Fokusabstand an die Einstelleinrichtung 100 am optischen Beobachtungsgerät 1 ausgegeben wird, wonach der Fokusabstand eingestellt wird (Schritt S3 aus 5). Danach ist das Verfahren beendet.
Die vorliegende Erfindung wurde anhand von Ausführungsbeispielen zu Erläuterungszwecken im Detail beschrieben. Die detaillierte Beschreibung soll jedoch nicht als Beschränkung der vorliegenden Erfindung auf die beschriebenen speziellen Ausführungsbeispiele dienen, sondern lediglich der Erläuterung der Erfindung. Ein Fachmann erkennt, dass er von den einzelnen Ausführungsbeispielen abweichen kann, beispielsweise indem er Merkmale der einzelnen Ausführungsbeispiele miteinander kombiniert. So besteht beispielsweise die Möglichkeit, die mit Bezug auf 12 beschriebene Vorschau auch in den übrigen Ausführungsbeispielen einzusetzen. Ebenso kann auch das mit Bezug auf 6 beschriebene Clusteringverfahren grundsätzlich in allen Ausführungsbeispielen zur Anwendung kommen, wobei auch eine Kombination des Clusteringverfahrens mit der Vorschau möglich ist. Auch kann die Aktivierungseinheit im ersten und dritten Ausführungsbeispiel wie im zweiten Ausführungsbeispiel eine Aktualisierungseinheit aufweisen, welche die jeweilige Interaktionseinheit dazu veranlasst, die Einstellung des Fokusabstandes kontinuierlich zu aktualisiere und so den Fokusabstand kontinuierlich an die Position des Cursors bzw. den projizierten Ort der Zeigespitze anzupassen, sofern sich die Position bzw. der Ort derart ändert, dass der betrachtete Objektfeldpunkt bei dem zuvor eingestellten Fokusabstand nicht mehr im Schärfentiefenbereich des optischen Beobachtungsgerätes liegt. Die in den Ausführungsbeispielen beschriebenen Einheiten und Module können dort wo es sinnvoll ist, in Form von Software realisiert sein. Dies gilt insbesondere für Teile der Interaktionseinheit wie beispielsweise die Abstandsermittlungseinheit, aber auch für die Clustereinheit, die Datenverarbeitungseinheit der Topografieerfassungseinheit und die Vorschaueinrichtung. Statt in Form von Software können sie jedoch auch in Form von Hardware, bspw. als nutzerspezifische integrierte Schaltungen (englisch Application-Specific Integrated Circuits, ASICs), realisiert sein. Sofern Module und Einheiten der Ausführungsbeispiele in Form von Software realisiert sind, können die entsprechenden Programmcodes auf verteilten Prozessoreinheiten oder auf einer zentralen Prozessoreinheit (CPU) ausgeführt werden. In diesem Sinne sind die Einheiten und Module nicht notwendigerweise als physikalisch getrennte Module zu interpretieren. Stattdessen können sie auch als logisch getrennte Einheiten und Module vorliegen. Da wie dargelegt im Rahmen der vorliegenden Erfindung Abweichungen von den beschriebenen Ausführungsbeispielen möglich sind, soll die Erfindung lediglich durch die beigefügten Ansprüche beschränkt sein.
Bezugszeichenliste

1: optisches Beobachtungsgerät
2: Operationsmikroskop
3: Operationsfeld
5: Objektiv
7: divergentes Strahlenbündel
9: Strahlenbündel
9A, 9B: stereoskopischer Teilstrahlengang
11: Vergrößerungswechsler
13A, 13B: Schnittstellenanordnung
15A, 15B: Strahlteilerprisma
19: Kameraadapter
21: Kamera
23: Bildsensor
27: Binokulartubus
29A, 29B: Tubusobjektiv
31A, 31B: Zwischenbildebene
33A, 33B: Prisma
35A, 35B: Okularlinse
37: Display
39: Optik
41: Weißlichtquelle
43: Umlenkspiegel
45: Beleuchtungsoptik
50: Vario-Objektiv
51: Positivglied
52: Negativglied
53: Verschiebeweg
100: Einstelleinrichtung
101: Einblick
106: Topografieerfassungseinheit
108: Abstandssensor
110: Datenverarbeitungseinheit
112: Visualisierungseinheit
116: Interaktionseinheit
118: Cursormodul
120: Cursorsteuereinheit
122: Abstandsermittlungseinheit
124: Auslöseeinheit
126: Betätigungselement
128: Aktivierungseinheit
130: Tiefenkarte
132: Tablet
134: Touchscreen
136: Cursor
137: Cursorposition
138: Objektfeldpunkt
140: Fokusebene
144: Clustereinheit
216: Interaktionseinheit
218: Eye-Tracking-Einrichtung
219: Ortsermittlungseinheit
220: Abstandsermittlungseinheit
222: Auslöseeinheit
224: Betätigungselement
226: Ort in der der Tiefenkarte
227: Sensor
228: Augen
316: Interaktionseinheit
318: Objektsensor
320: Objektspitze
321: Ort in der Tiefenkarte
322: Projektionseinheit
324: Abstandsermittlungseinheit
326: Auslöseeinheit
328: Betätigungselement
330: Vorschaueinrichtung
S1: Ermitteln Topografiedaten
S2: Visualisierung der Topografiedaten
S3: Interaktion und Einstellen des Fokusabstandes
S30: Clustering
S31: Einblenden des Cursors
S32: Erfassen Cursorbewegung
S33: Cursor stationär?
S34: Fokusabstand bei Cursorposition auswählen
S35: Fokusabstand einstellen
S134: Blickrichtung ermitteln
S136: Ort in der Visualisierung, auf den das Auge blickt, ermitteln
S138: Blickrichtung über vorgegebene Zeitspanne konstant?
S140: Abstand für Ort, auf den das Auge blickt, ermitteln
S142: Fokusabstand einstellen
S231: Erfassen der Lage der Objektspitze
S232: Projizieren der Lage der Spitze auf die Visualisierung
S233: Ort in der Visualisierung, über dem sich die Spitze befindet, ermitteln
S234: Ort in der Visualisierung, über dem sich die Spitze befindet, konstant?
S235: Abstand für Ort, über dem sich die Spitze befindet, ermitteln
S236: Auswählen Fokusabstand
S237: Anzeigen scharf dargestellte Bereiche
S238: Scharf dargestellte Bereiche akzeptabel?
S239: Einstellen Fokusabstand

Claims

Vorrichtung zum Einstellen des Fokusabstands in einem optischen Beobachtungsgerät (1) mit einstellbarem Fokusabstand, welche umfasst: – eine Einstelleinrichtung (100) zum Einstellen eines gewünschten Fokusabstands auf der Basis eines Einstellsignals; – wenigstens eine Topografieerfassungseinheit (106) zum Erfassen der Topografie eines mit dem optischen Bobachtungsgerät beobachteten Objektfeldes (3), wobei die Topografieerfassungseinheit (106) zum Generieren von Topografiedaten auf der Basis der erfassten Topografie und zum Ausgeben der Topografiedaten ausgebildet ist, wobei die Topografiedaten Topografiedatensätze enthalten, die jeweils für einen Objektfeldpunkt (138) oder einen kleinen Objektfeldbereich eine Beziehung des Objektfeldpunktes (138) bzw. des kleinen Objektfeldbereiches zu einer Referenzebene oder einem Referenzpunkt umfassen; – eine Interaktionseinrichtung (116, 216, 316), die mit der Topografieerfassungseinheit (106) zum Empfang der Topografiedaten und mit der Einstelleinrichtung (100) zur Ausgabe eines Einstellsignals verbunden ist und die eine Darstellungseinrichtung (101, 132) zum Darstellen eines Bildes (130) des Objektfelds (3) sowie eine Auswahleinrichtung (120, 218, 320) zum Auswählen eines Bildpunktes (137, 226, 321) oder Bildbereichs im Bild (130) des Objektfelds (3) umfasst oder mit einer solchen verbunden oder verbindbar ist, wobei die Interaktionseinrichtung (116, 216, 316) dazu ausgebildet ist, anhand einer Zuordnung der Bildpunkte des Bildes (130) des Objektfelds (3) zu den Topografiedatensätzen der Topografiedaten und auf der Basis des ausgewählten Bildpunktes (137, 226, 321) bzw. des ausgewählten Bildbereichs ein Einstellsignal zum Einstellen eines Fokusabstands durch die Einstelleinrichtung (100) zu generieren, wobei der Fokusabstand auf demjenigen Topografiedatensatz beruht, der dem ausgewählten Bildpunkt (137, 226, 321) bzw. dem ausgewählten Bildbereich zugeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, in der die Auswahleinrichtung der Interaktionseinrichtung (116, 216, 316) ein Cursormodul (118) zum Einblenden eines Cursors (136) in das Bild (130) des Objektfeldes (3) und eine Cursorsteuereinheit (120), die einem Nutzer ein Bewegen des Cursors (136) im Bild (130) des Objektfeldes (3) ermöglicht, umfasst, wobei die Auswahl eines Bildpunktes (137) oder Bildbereichs im Bild (130) des Objektfelds (3) auf der Basis der vom Nutzer eingestellten Cursorposition erfolgt.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, in der die Auswahleinrichtung der Interaktionseinrichtung (116, 216, 316) eine Eye-Tracking-Einrichtung (218) zum Erfassen der Blickrichtung wenigstens eines Auges (228) eines auf das Bild (130) des Objektfeldes (3) blickenden Nutzers und zum Ausgeben der erfassten Blickrichtung sowie eine Bildpunktermittlungseinheit (219), die mit der Eye-Tracking-Einrichtung (218) zum Empfang der erfassten Blickrichtung verbunden ist und die anhand der Blickrichtung denjenigen Ort (226) im Bild (130) des Objektfeldes (3) ermittelt, auf den der Nutzer blickt, umfasst, wobei die Auswahl eines Bildpunktes (226) oder Bildbereichs im Bild (130) des Objektfelds (3) auf der Basis des ermittelten Ortes (226) erfolgt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, in der die Auswahleinrichtung der Interaktionseinrichtung (116, 216, 316) umfasst: – einen Objektsensor (318), mit dem sich die Lage eines vom Nutzer des optischen Beobachtungsgerätes (1) in seiner Lage manipulierbaren Objekts (320) in einem Koordinatensystem erfassen lässt und der die erfasste Lage repräsentierende Lagedaten ausgibt, sowie – eine Projektionseinheit (322), die zum Empfang der Lagedaten mit dem Objektsensor (318) verbunden ist und die Lage des Objekts (320) auf die Bildebene des Bildes (130) projiziert, um den Ort (321), an dem sich das Objekt (320) im Bild (130) befindet, zu ermitteln, wobei die Auswahl eines Bildpunktes oder Bildbereichs im Bild (130) des Objektfelds (3) auf der Basis des ermittelten Ortes (321) erfolgt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, in der eine Vorschaueinrichtung (330) vorhanden ist, die auf der Basis des ermittelten Fokusabstands das Bild (130) des Objektfeldes (3) derart manipuliert, dass in dem gewählten Fokusabstand befindliche Bereiche im Bild (130) des Objektfeldes (3) markiert sind, bevor ein Einstellen des gewählten Fokusabstandes mittels der Einstelleinrichtung (100) erfolgt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, in der die Interaktionseinheit (116, 216, 316) eine Clustereinheit (144) umfasst, die dazu ausgebildet ist, die von den Topografiedaten repräsentierten Objektfeldpunkte (138) einer Anzahl von vorgegebenen Abstandsbereichen zuzuordnen, die sich entlang der optischen Achse des optischen Beobachtungsgeräts (1) erstrecken, wobei jeder Abstandsbereich jeweils einen Abstand von einer Referenzebene des optischen Beobachtungsgerätes (1) und ein diesen Abstand umgebendes Abstandsintervall repräsentieren, und dazu ausgebildet ist, im Bild (130) des Objektfelds (3) für wenigstens einen der Abstandsbereiche diejenigen Bildpunkte, die diesem Abstandsbereich zugeordnet sind, derart zu einem Bildpunktgebiet zusammenzufassen, dass das Einstellsignal für jeden Bildpunkt in diesem Bildpunktgebiet denselben Fokusabstand repräsentiert.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, in der die Interaktionseinheit (116, 216, 316) eine Clustereinheit (144) umfasst, die dazu ausgebildet ist, diejenigen von den Topografiedaten repräsentierten Objektfeldpunkte (138) zu ermitteln, die innerhalb vorgegebener Grenzen denselben Abstand von einer Referenzebene der Topografieerfassungseinheit (106) besitzen, und die diesen Objektfeldpunkten (138) zugeordneten Bildpunkte im Bild (130) des Objektfeldes (3) derart zu Bildpunktgebieten zusammenzufassen, dass das Einstellsignal für jeden Bildpunkt in einem Bildpunktgebiet denselben Fokusabstand repräsentiert.
Optisches Beobachtungsgerät (1) mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
Verfahren zum Einstellen eines Fokusabstands in einem optischen Beobachtungsgerät (1) mit einstellbarem Fokusabstand, in dem das optische Beobachtungsgerät (1) ein Bild (130) eines mit dem optischen Bobachtungsgerät (1) beobachteten Objektfeldes (3) generiert, wobei – Topografiedaten des mit dem optischen Bobachtungsgerät (1) beobachteten Objektfeldes (3) ermittelt werden, die Topografiedatensätze enthalten, die jeweils für einen Objektfeldpunkt (138) oder einen kleinen Objektfeldbereich eine Beziehung des Objektfeldpunktes (138) bzw. kleinen Objektfeldbereiches zu einer Referenzebene oder einem Referenzpunkt umfassen; – ein Einstellen eines Fokusabstands anhand einer Zuordnung der Bildpunkte des Bildes (130) des Objektfelds (3) zu den Topografiedatensätzen der Topografiedaten und auf der Basis der Auswahl eines Bildpunktes (137, 226, 321) oder Bildbereichs im Bild (130) des Objektfelds (3) erfolgt, wobei der Fokusabstand auf demjenigen Topografiedatensatz beruht, der dem ausgewählten Bildpunkt (137, 226, 321) bzw. dem ausgewählten Bildbereich zugeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 9, in dem ein Cursor (136) in das Bild (130) des Objektfeldes (3) eingeblendet wird, der von einem Nutzer des optischen Beobachtungsgeräts (1) innerhalb des Bildes (130) bewegbar ist, und die Auswahl eines Bildpunktes (137) oder Bildbereichs im Bild (130) des Objektfelds (3) anhand der vom Nutzer eingestellten Position (137) des Cursors (136) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 9 oder Anspruch 10, in dem die Blickrichtung wenigstens eines Auges (228) eines das Bild (130) des Objektfeldes (3) betrachtenden Nutzers erfasst wird, um denjenigen Ort (226) im Bild (130) des Objektfeldes (3) zu ermitteln, auf den der Nutzer blickt, und die Auswahl eines Bildpunktes oder Bildbereichs im Bild (130) des Objektfelds (3) anhand des Ortes (226) im Bild (130) des Objektfeldes (3), auf den der Nutzer blickt, erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, in dem die Lage eines Objekts (320) in einem Koordinatensystem erfasst wird, die erfasste Lage auf das Bild (130) des Objektfeldes (3) projiziert wird, um denjenigen Ort (321) im Bild (130) des Objektfeldes (3) zu ermitteln, an dem sich das Objekt (320) befindet, und die Auswahl eines Bildpunktes (137) oder Bildbereichs im Bild (130) des Objektfelds (3) anhand des Ortes (321) im Bild (130) des Objektfeldes (3), über dem sich das Objekt (320) befindet, erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, in dem das Bild (130) des Objektfeldes (3) vor dem Einstellen eines ausgewählten Fokusabstandes auf der Basis des ausgewählten Fokusabstandes derart manipuliert wird, dass in dem ausgewählten Fokusanstand befindliche Bereiche des Objektfeldes (3) im Bild (130) des Objektfeldes (3) hervorgehoben sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, in dem die von den Topografiedaten repräsentierten Objektfeldpunkte (138) einer Anzahl von vorgegebenen Abstandsbereichen zugeordnet werden, die sich entlang der optischen Achse des optischen Beobachtungsgeräts (1) erstrecken und die jeweils einen Abstand von einer Referenzebene des optischen Beobachtungsgeräts (1) und ein diesen Abstand umgebendes Abstandsintervall repräsentieren, und in dem im Bild (130) des Objektfelds (3) für wenigstens einen der Abstandsbereiche diejenigen Bildpunkte, die diesem Abstandsbereich zugeordnet sind, derart zu einem Bildpunktgebiet zusammengefasst werden, dass das Bildpunktgebiet für jeden Bildpunkt in diesem Bildpunktgebiet denselben Fokusabstand repräsentiert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 14, in dem diejenigen von den Topografiedaten repräsentierten Objektfeldpunkte (138) ermittelt werden, die innerhalb vorgegebener Grenzen denselben Abstand von einer Referenzebene der Topografieerfassungseinheit (106) besitzen, und in dem die diesen Objektfeldpunkten (138) zugeordneten Bildpunkte im Bild (130) des Objektfeldes (3) derart zu einem Bildpunktgebiet zusammengefasst werden, dass das Bildpunktgebiet für jeden Bildpunkt in diesem Bildpunktgebiet denselben Fokusabstand repräsentiert.