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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Operationsmikroskop zum Beachten eines Auges und insbesondere ein Operationsmikroskop für die Retinachirurgie.
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Operationsmikroskope für die Retinachirurgie werden in der Regel zusammen mit Ophthalmoskopie-Lupen verwendet, die es ermöglichen, den Fundus des Auges mit dem Operationsmikroskop zu betrachten. Mittels der Ophthalmoskopie-Lupen erfolgt dabei eine Weitwinkelbetrachtung, wobei der Fundus bzw. die Retina auf ein Zwischenbild abbildet wird, welches dann wiederum mit dem Operationsmikroskop betrachtet wird. Ohne die Ophthalmoskopie-Lupe wäre eine Weitwinkelbetrachtung des Fundus bzw. der Retina nicht möglich. Häufig sind Ophthalmoskopie-Lupen an Schwenkvorrichtungen angeordnet, über die sie mit dem Operationsmikroskop derart verbunden sind, dass sie in den Beobachtungsstrahlengang des Operationsmikroskops eingeschwenkt werden können. Ophthalmoskopie-Lupen und Operationsmikroskope mit Ophthalmoskopie-Lupen sind beispielsweise in
DE 35 39 009 A1 ,
DE 10 2006 047 459 A1 ,
DE 10 2010 001 853 A1 ,
EP 2 316 330 B1 ,
US 4,786,161 ,
US 5,321,447 ,
US 5,706,073 ,
US 2003/0214629 A1 ,
US 2005/0012992 A1 und
WO 2016/033952 A1 beschrieben.
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In
DE 10 2010 001 853 A1 und
US 5,321,447 sind die Ophthalmoskopie-Lupen in ein Vorsatzmodul für ein Operationsmikroskop integriert. Neben der Ophthalmoskopie-Lupe umfasst das Vorsatzmodul eine entlang der optischen Achse verschiebbare Linse die sich zwischen dem Zwischenbild und dem Hauptobjektiv des Operationsmikroskops befindet, wenn das Vorsatzmodul am Operationsmikroskop angebracht ist. Mittels der verschiebbaren Linse kann ein Fokussieren auf unterschiedliche Bereiche des Auges erfolgen.
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Auch in
DE 35 39 009 A1 ist die Ophthalmoskopie-Lupe Teil eines Vorsatzmoduls für ein Operationsmikroskop. Neben der Ophthalmoskopie-Lupe umfasst das Vorsatzmodul auch eine weitere Linse, die zwischen dem Zwischenbild und dem Hauptobjektiv des Operationsmikroskops angeordnet ist. Mittels dieser Linse, die sich in der Nähe des Zwischenbildes befindet, erfolgt eine Aperturanpassung an die Apertur des Hauptobjektivs des Operationsmikroskops.
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Die beschriebenen Kombinationen aus Operationsmikroskop und Ophthalmoskopie-Lupe haben oft den Nachteil einer nicht optimalen Bildqualität. Die nicht optimale Bildqualität resultiert dabei daraus, dass die Abbildung rasch das Beugungslimit erreicht. Eine weitere Ursache für die nicht optimale Bildqualität liegt darin, dass Ophthalmoskopie-Lupen mit hohen Brechkräften häufig als Einzellinsen ausgeführt sind, welche zu großen Bildfehlern führen.
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Gegenüber diesem Stand der Technik ist es daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Operationsmikroskop mit einem eine Ophthalmoskopie-Lupe umfassenden Fundusabbildungssystem zur Verfügung zu stellen, mit welchem eine hohe Bildqualität erzielbar ist.
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Diese Aufgabe wird durch ein Operationsmikroskop nach Anspruch 1 gelöst. Die abhängigen Ansprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
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Ein erfindungsgemäßes Operationsmikroskop zum Betrachten eines Auges umfasst ein Hauptobjektiv und ein im Strahlengang zwischen dem Auge und dem Hauptobjektiv positionierbares Fundusabbildungssystem. Das Fundusabbildungssystem ist dabei mit einer Ophthalmoskopie-Lupe versehen. Im erfindungsgemäßen Operationsmikroskop weist das Hauptobjektiv eine Brennweite im Bereich zwischen 90 und 160 mm, insbesondere zwischen 100 und 150 mm und weiter insbesondere zwischen 100 mm und 135 mm, auf.
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Durch das Verringern der Brennweite des Hauptobjektivs auf eine Brennweite im Bereich zwischen 90 und 160 mm, insbesondere zwischen 100 und 150 mm und weiter insbesondere zwischen 100 und 135 mm, wird diese gegenüber der üblichen Brennweite eine Hauptobjektivs vom 200 mm um einen Faktor im Bereich zwischen ca. 1,25 und 2,2, insbesondere zwischen 1,3 und 2 und weiter insbesondere zwischen 1,5 und 2, reduziert. Dadurch erhöht sich der Abbildungsmaßstab, mit dem die Aperturblenden oder die als Aperturblenden fungierenden optischen Elemente in den stereoskopischen Teilstrahlengängen, auf die Ebene der Augenpupille des zu untersuchenden Auges abgebildet werden. Die in der Ebene der Augenpupille befindlichen Abbildungen der Aperturblenden bzw. den als Aperturblenden fungierenden optischen Elemente definieren für das optische System aus Augenlinse, Fundusabbildungssystem und Hauptobjektiv die Eintrittspupille, die wiederum den Öffnungswinkel eines von der betrachteten Retina ausgehenden Strahlenbündels festlegt, und somit in die nummerische Apertur des genannten optischen Systems eingeht. Durch die Vergrößerung der Eintrittspupille erhöht sich die nummerische Apertur des optischen Systems aus Augenlinse, Fundusabbildungssystem und Operationsmikroskop, so dass das Auflösungsvermögen dieses Systems erhöht wird. Durch diese Erhöhung des Auflösungsvermögens erreicht das System nicht so rasch die Beugungsgrenze, so dass die optische Qualität der Abbildung verbessert wird.
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Das Operationsmikroskop kann insbesondere als digitales Operationsmikroskop mit wenigstens einem digitalen Bildsensor ausgestaltet sein, wodurch die Bauhöhe des Mikroskops kleiner ausfallen kann. Das Operationsmikroskop kann dann mit einem Soft- oder Hardwaremoduls zum digitalen Vergrößern des mit dem Bildsensor aufgenommenen Bildes ausgestattet sein. Dadurch, dass das mit dem digitalen Bildsensor aufgenommene Bild eine im Vergleich zu einem Operationsmikroskop mit einem standardmäßigen Hauptobjektiv, welches 200 mm Brennweite aufweist, höhere Auflösung hat, bietet das mit dem digitalen Bildsensor aufgenommene Bild mehr Spielraum für ein digitales Nachvergrößern.
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Zusätzlich oder alternativ umfasst das Fundusabbildungssystem des erfindungsgemäßen Operationsmikroskops eine Optikgruppe, deren Dispersionseigenschaften derart an die Dispesionseigenschaften der Ophthalmoskopie-Lupe angepasst sind, dass sie eine chromatische Aberration (Farbfehler), insbesondere die chromatische Queraberration (Farbquerfehler) der Ophthalmoskopie-Lupe ausgleicht. Die Ophthalmoskopie-Lupe besteht typischerweise nur aus einer Glassorte, deren Dispersionseigenschaften die chromatische Aberration hervorrufen. Dabei entstehen sowohl eine chromatische Längsaberration (Farblängsfehler), die durch unterschiedliche Brennweiten für unterschiedliche Wellenlängen hervorgerufen wird, als auch die chromatische Queraberration, die auf einen unterschiedlichen Abbildungsmaßstab der Ophthalmoskopie-Lupe für unterschiedliche Wellenlängen zurückzuführen ist. Die chromatische Queraberration führt dazu, dass die Bilder in unterschiedlichen Wellenlängen in der Zwischenbildebene unterschiedlich groß sind, wobei dieser Effekt mit zunehmendem Abstand von der optischen Achse im Bildfeld zunimmt. Die chromatische Queraberration ist zum Teil auch eine Folge der chromatischen Längsaberration, die mit zunehmender Pupillengröße steigt. Die chromatische Aberration und insbesondere die chromatische Queraberration können daher den durch die Vergrößerung der Eintrittspupille gewonnenen Zuwachs an Bildqualität teilweise konterkarieren. Der volle Vorteil der größeren Eintrittspupille kann daher nur in Verbindung mit der die chromatische Aberration ausgleichenden Optikgruppe erzielt werden. Aber auch ohne Vergrößerung der Eintrittspupille erhöht das Ausgleichen der chromatischen Aberration, insbesondere der chromatischen Queraberration die Abbildungsqualität.
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Die Ophthalmoskopie-Lupe formt ein Zwischenbild, das sich zwischen der Ophthalmoskopie-Lupe und dem Hauptobjektiv befindet. Die Optikgruppe ist zum Ausgleichen der chromatischen Aberration besonders wirksam, wenn sie zwischen dem Zwischenbild und dem Hauptobjektiv angeordnet ist, insbesondere wenn sie näher an dem Zwischenbild als an dem Hauptobjektiv angeordnet ist. Vorzugsweise entspricht der Abstand der Optikgruppe vom Hauptobjektiv dabei wenigstens dem 1,5-fachen und insbesondere wenigstens dem 2,5-fachen des Abstandes der Optikgruppe vom Zwischenbild.
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Das Hauptobjektiv kann in einer besonderen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Operationsmikroskops ein Varioskopobjektiv sein, dessen Brennweite sich zwischen 90 und 160 mm, insbesondere zwischen 100 und 150 mm und weiter insbesondere zwischen 100 mm und 135 mm, variieren lässt. Die Verwendung eines Varioskopobjektivs als Hauptobjektiv ermöglicht eine Fokussierung auf in einem großen Bereich variierende unterschiedliche Lagen der Zwischenbilder. Beispielsweise bei kurz- und weitsichtigen Patientenaugen aber auch an stark verstimmten Patientenaugen, etwa bei aus applikativen Gründen mit Viskoelastikum oder mit Luft gefüllten Patientenaugen, variiert die Lage des Zwischenbildes gegenüber einem nicht fehlsichtigen und nicht verstimmten Auge. Mittels des Varioskopobjektivs kann das Operationsmikroskop auf die unterschiedlichen Lagen der Zwischenbilder fokussiert werden so dass in jeder Situation ein scharfes Fundusbild generiert werden kann. Zudem besteht in dieser Ausgestaltung des Opterationsmikroskops die Möglichkeit, das Fundusabbildungssystem mit wenigstens zwei gegeneinander austauschbaren Ophthalmoskopie-Lupen auszustatten. Unterschiedliche Ophthalmoskopie-Lupen weisen typischerweise unterschiedliche Langen ihrer Zwischenbilder auf, auf die mittels der Einstellung des Varioskopobjektivs jeweils fokussiert werden kann.
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In einer weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Operationsmikroskops kann dieses eine OCT-Strecke (OCT: optical coherence tomography, deutsch: optische Kohärenztomografie) umfassen. Insbesondere, wenn das Operationsmikroskop als digitales Operationsmikroskop ausgebildet ist, kann mit Hilfe der OCT-Strecke zusätzliche Tiefeninformation zu den betrachteten Strukturen erhalten und im Bild hinzugefügt werden. Zudem kann die OCT-Strecke dazu benutzt werden, den Abstand zwischen Patientenauge und Optik optimal zu halten oder optimal einzustellen. Hierzu kann das Fundusabbildungssystem ein Abstandseinstellsystem zum Einstellen des Abstands der Ophthalmoskopie-Lupe umfassen. Dieses Abstandseinstellsystem kann ein manuelles Abstandseinstellsystem sein. Wenn das Abstandseinstellsystem jedoch einen Motor zur motorgesteuerten Einstellen des Abstands der Ophthalmoskopie-Lupe vom Auge umfasst, kann eine mit dem Motor und der OCT-Strecke verbundene Steuereinheit vorhanden sein. Diese ist dann dazu ausgebildet, aus einem mit Hilfe der OCT-Strecke gewonnenen OCT-Signal den Abstand des Operationsmikroskops vom Fundus zu ermitteln und den Abstand der Ophthalmoskopie-Lupe vom Auge auf der Basis des ermittelten Abstands des Operationsmikroskops vom Fundus einzustellen. Auf diese Weise wird ein automatisches Einstellen des geeigneten Abstands der Ophthalmoskopie-Lupe vom Auge möglich. Zudem kann im Rahmen einer Regelung der optimale Abstand auch gehalten werden. Das Einstellen und/oder das Halten des optimalen Abstandes gewährleistet, dass die Bildqualität nicht aufgrund eines falsch eingestellten Abstandes leidet.
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Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren.
- 1 zeigt den Aufbau eines Operationsmikroskops mit einem optischen Einblick in einer schematischen Darstellung.
- 2 zeigt schematisch den grundsätzlichen Aufbau eines Varioskopobjektivs.
- 3 zeigt ein digitales Operationsmikroskop in einer schematischen Darstellung.
- 4 zeigt ein Operationsmikroskop mit Fundusabbildungssystem.
- 5 zeigt die optischen Komponenten des Operationsmikroskops und des Fundusabbildungssystems aus 4.
- 6 zeigt die optischen Komponenten aus 5 mit einer zusätzlichen OCT-Strecke.
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Nachfolgend wird mit Bezug auf die 1 der grundsätzliche Aufbau des Operationsmikroskops 2 erläutert.
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Das in 1 gezeigte Operationsmikroskop 2 umfasst als wesentliche Bestandteile ein einem Objektfeld 3 zuzuwendendes Objektiv 5, das insbesondere als achromatisches oder apochromatisches Objektiv ausgebildet sein kann. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel besteht das Objektiv 5 aus zwei miteinander verkitteten Teillinsen, die ein achromatisches Objektiv bilden. 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.
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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.
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An den Vergrößerungswechsler 11 schließt sich im vorliegenden Beispiel 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).
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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 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.
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An die Schnittstelle 13 schließt sich im vorliegenden Beispiel 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.
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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 Beispiel 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.
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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 0°-Beleuchtung, 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 Beleuchtungsteilstrahlengänge 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.
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In der in 1 gezeigten Ausführungsvariante des Operationsmikroskops 2 besteht das Objektiv 5 lediglich aus einer festbrennweitigen Achromatlinse. Es kann jedoch auch ein Objektivlinsensystem aus mehreren Linsen Verwendung finden, insbesondere ein so genanntes Varioskopobjektiv, mit dem sich der Arbeitsabstand des Operationsmikroskops 2, d.h. der Abstand der objektseitigen Brennebene vom Scheitel der ersten objektseitigen Linsenfläche des Objektivs 5, auch Objektschnittweite genannt, variieren lässt. Auch vom Varioskopobjektiv 50 wird das in der Brennebene angeordnete Objektfeld 3 nach Unendlich abgebildet, so dass beobachterseitig ein paralleles Strahlenbündel vorliegt.
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Ein Beispiel für ein Varioskopobjektiv ist schematisch in 2 dargestellt. Das Varioskopobjektiv 50 umfasst ein Positivglied 51, also ein optisches Element mit positiver Brechkraft, das in 2 schematisch als Konvexlinse dargestellt ist. Darüber hinaus umfasst das Varioskopobjektiv 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 Varioskopobjektiv 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 die Schnittweite, so dass sich der Arbeitsabstand des Operationsmikroskops 2 vom Objektfeld 3 ändert.
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Obwohl in 2 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 Varioskopobjektivs 50. Ein feststehendes Negativglied 52 bietet daher den Vorteil, dass das Innere des Operationsmikroskops 2 leichter gegen äußere Einflüsse 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 Varioskopobjektiv achromatisch oder apochromatisch auszubilden.
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3 zeigt ein Beispiel für ein digitales Operationsmikroskop 48 in einer schematischen Darstellung. Bei diesem Operationsmikroskop unterscheiden sich das Hauptobjektiv 5, der Vergrößerungswechsler 11 sowie das Beleuchtungssystem 41, 43, 45 nicht von dem in 1 dargestellten Operationsmikroskop 2 mit optischem Einblick. Der Unterschied liegt darin, dass das in 3 gezeigte Operationsmikroskop 48 keinen optischen Binokulartubus umfasst. Statt der Tubusobjektive 29A, 29B aus 1 umfasst das Operationsmikroskop 48 aus 3 Fokussierlinsen 49A, 49B mit denen die binokularen Beobachtungsstrahlengänge 9A, 9B auf digitale Bildsensoren 61A, 61B abgebildet werden. Die digitalen Bildsensoren 61A, 61B können dabei beispielsweise CCD-Sensoren oder als CMOS-Sensoren sein. Die von den Bildsensoren 61A, 61B aufgenommenen Bilder werden digital an digitale Displays 63A, 63B gesendet, die als LED-Displays, als LCD-Displays oder als auf organischen Leuchtioden (OLEDs) beruhende Displays ausgebildet seien können. Den Displays 63A, 63B können wie im vorliegenden Beispiel Okularlinsen 65A, 65B zugeordnet sein, mit denen die auf den Displays 63A, 63B dargestellten Bildern nach unendlich abgebildet werden, so dass ein Betrachter sie mit entspannten Augen betrachten kann. Die Displays 63A, 63B und die Okularlinsen 65A, 65B können Teil eines digitalen Binokulartubus sein, sie können aber auch Teil eines am Kopf zu tragenden Displays (head mounted display, HMD) wie etwa einer Datenbrille sein.
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Obwohl in 3 wie in 1 lediglich eine Achromatlinse 5 mit einer festen Brennweite dargestellt ist, kann das in 3 gezeigte Operationsmikroskop 48 wie das in 1 dargestellte Operationsmikroskop 2 ein Varioskopobjektiv statt der Objektivlinse 5 umfassen. Weiterhin ist in 3 eine Übertragung der von den Bildsensoren 61A, 61B aufgenommenen Bilder an die Displays 63A, 63B mittels Kabeln 67A, 67B gezeigt. Statt Kabelgebunden können die Bilder jedoch auch drahtlos an die Displays 63A, 63B übertragen werden, insbesondere dann, wenn die Displays 63A, 63B Teil eines head mounted displays sind.
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4 zeigt ein Operationsmikroskop 2, 48, an dem ein Fundusabbildungssystem 71 angeordnet ist. Das Operationsmikroskop 2, 48 kann als Operationsmikroskop 2 mit optischem Einblick oder als Operationsmikroskop 48 mit digitalem Einblick ausgebildet sein.
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Das Fundusabbildungssystem umfasst eine Ophthalmoskopie-Lupe 73, mit der der Fundus 75 eines Auges 77 in eine Zwischenbildebene 79 abgebildet wird. Weiter umfasst das Fundusabbildungssystem 71 eine Optikgruppe 81, die zwischen der Zwischenbildebene 79 und dem Hauptobjektiv 5 des Operationsmikroskops angeordnet ist. Dabei ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel der Abstand der Optikgruppe 81 vom Hauptobjektiv 5 größer als der Abstand der Optikgruppe 81 von der Zwischenbildebene 79, so dass die Optikgruppe 81 näher zum Zwischenbild 79 als zum Hauptobjektiv 5 positioniert ist. Der Abstand der Optikgruppe 81 von dem Hauptobjektiv 5 kann dabei insbesondere wenigstens dem 1,5-fachen und vorzugsweise wenigstens dem 2,5-fachen Abstand der Optikgruppe 81 von der Zwischenbildebene 79 entsprechen.
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Das Fundusabbildungssystem 71 ist mittels eines Befestigungssystems am Operationsmikroskop 2, 48 befestigt. Diese umfasst im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein Fixierelement 83 zum Fixieren des Fundusabbildungssystems 71 am Hauptkörper 85 des Operationsmikroskops 2, 48 sowie ein Schwenksystem 87 zum Einschwenken der Ophthalmoskopie-Lupe 73 und der Optikgruppe 81 in den Beobachtungsstrahlengang zwischen dem Auge 77 und dem Hauptobjektiv 5. Das Schwenksystem umfasst im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Welle 89 oder eine wellenartige Struktur, die mittels eines im Fixierelement 83 angeordneten Motors 82 um eine Rotationsachse RA gedreht werden kann. Durch die Drehung können die an der Welle 89 mittels einer Ophthalmoskopie-Lupen-Halterung 91 und mittels einer Optikgruppen-Halterung 93 befestigte Ophthalmoskopie-Lupe 73 bzw. Optikgruppe 81 in den Beobachtungsstrahlengang ein- oder ausgeschwenkt werden. Der Schwenkvorgang ist in 4 durch den Doppelpfeil 95 angedeutet. Zudem umfasst die Fixierung 83 im vorliegenden Ausführungsbeispiel einen weiteren Motor 86, mit dem die Welle oder wellenartige Struktur 89 entlang der optischen Achse RA verfahren werden kann, um die Ophthalmoskopie-Lupe 73 derart zu positionieren, dass ein geeignet fokussiertes Zwischenbild entsteht. Das Verfahren der Welle oder wellenartigen Struktur 89 mit der daran befestigten Ophthalmoskopie-Lupe 73 und der ebenfalls an der Welle oder wellenartigen Struktur 89 befestigten Optikgruppe 81 ist in 4 durch den Doppelpfeil 97 angedeutet.
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Das Hauptobjektiv des in 4 dargestellten Operationsmikroskops 2, 48 weist eine im Vergleich zu einem Standard-Hauptobjektiv eine um einen Faktor 1,5 bis 2 reduzierte Brennweite auf. Bei einer sonst üblichen Brennweite von 200 mm für das Hauptobjektiv 5 weist das Operationsmikroskop 2, 48 aus 4 also eine Brennweite im Bereich zwischen 100 mm und ca. 135 mm auf. Falls das Hauptobjektiv 5 ein Varioskopobjektiv ist, kann dessen Brennweite im Bereich zwischen 100 mm und 135 mm variiert werden. In anderen Varianten als der dargestellten Ausführungsvariante kann die Brennweite im Bereich zwischen 100 mm und 150 mm oder gar im Bereich zwischen 90 und 160 mm liegen bzw. variiert werden.
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Durch die Verringerung der Brennweite des Hauptobjektivs 5 vergrößert sich die Eintrittspupille, also das objektseitige Bild der Aperturblende oder des als Aperturblende fungierenden optischen Elements des Operationsmikroskop 2, 48, um denselben Faktor, um den die Brennweite gegenüber der üblichen Brennwerte reduziert worden ist. Bei einer Brennweitenreduzierung um den Faktor 2 vergrößert sich also der Durchmesser der Eintrittspupille ebenfalls um einen Faktor 2 und bei einer Verringerung der Brennweite um einen Faktor 1,5 vergrößert sich der Durchmesser der Eintrittspupille um einen Faktor von 1,5. Da sich bei der Benutzung des mit dem Fundusabbildungssystem 71 ausgestatteten Operationsmikroskops 2, 48 die Eintrittspupille im Bereich der Augenpupille 99 befindet und die Augenpupille 99 die erste Linse für das optische System zur Abbildung des Fundus 75 darstellt, bestimmt die nummerische Apertur des in die Augenlinse 99 eintretenden Strahlenbündels die Auflösung des Systems. Durch das Vergrößern des Pupillendurchmessers wird die nummerische Apertur vergrößert, was mit einer erhöhten Auflösung einhergeht. Durch das Verringern der Objektivbrennweite des Hauptobjektivs 5 des Operationsmikroskops 2, 48 und der damit einhergehenden Vergrößerung des Durchmessers der Eintrittspupille wird die Auflösung der Fundusabbildung soweit verbessert, dass bei der vergrößerten Betrachtung des Fundus die Beugungsgrenze des Systems nicht so schnell erreicht wird wie bei Verwendung eines Operationsmikroskops mit einem die Standardbrennweite aufweisenden Hauptobjektiv 5.
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Durch das Vergrößern der Eintrittspupille vergrößert sich auch der Durchmesser des durch die Ophthalmoskopie-Lupe 73 hindurchtretenden Strahlenbündels. Die Ophthalmoskopie-Lupe 73 ist häufig jedoch lediglich aus einem einzigen Glasmaterial (mineralisch oder organisch) hergestellt, so dass ihrer Abbildung einen entsprechenden Fahrfehler innewohnt. Hindurch entstehen eine chromatische Längsaberration sowie eine chromatische Queraberration. Mit der Vergrößerung der Eintrittspupille und der damit einhergehenden Vergrößerung des in die Ophthalmoskopie-Lupe 73 eintretenden Strahlenbündels vergrößert sich die chromatische Längsaberration was auch zu einer Vergrößerung der chromatischen Queraberration führt. Die vergrößerte chromatische Längsaberration und insbesondere die vergrößerte chromatische Queraberration verschlechtern die Abbildungsqualität und machen so einen Teil der durch die erhöhte Auflösung gewonnenen Abbildungsqualität wieder zu Nichte. Die Optikgruppe 81 dient dazu, die vergrößerte chromatische Aberration, insbesondere die vergrößerte chromatische Queraberration, auszugleichen. Zu diesem Zweck ist es vorteilhaft, wenn die Optikgruppe 81 wie im vorliegenden Ausführungsbeispiel in der Nähe der Zwischenbildebene 79 - aber nicht in der Zwischenbildebene 79 - angeordnet ist. Auf diese Weise kann der Durchmesser der Optikgruppe gering gehalten werden, was einerseits die Herstellungskosten verringert und andererseits das Einbringen weiterer Aberrationen zu vermeiden hilft.
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5 zeigt die optischen Komponenten eines konkreten Ausführungsbeispiels für ein digitales Operationsmikroskop 48 mit einem erfindungsgemäßen Fundusabbildungssystem 71. In dem konkreten Ausführungsbeispiel umfasst das Operationsmikroskop selbst als optische Komponente lediglich das Hauptobjektiv 5 und ein Kameraobjektiv welches als Fokussierlinse 49 zum Fokussieren des Strahlengangs auf den digitalen Bildsensor 61 dient. Ein Vergrößerungswechsler ist in diesem Beispiel nicht enthalten. Stattdessen kann im vorliegenden Ausführungsbeispiel aufgrund der erhöhten Auflösung problemlos ein digitales Vergrößern des digitalen Bildes erfolgen. Im Ausführungsbeispiel ist das Hauptobjektiv 5 als apochromatische Linse mit einem Kittglied und einer Einzellinse ausgebildet, um Farbreinheit des Hauptobjektives zu gewährleisten. Das Kameraobjektiv ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel zweilinsig ausgebildet, wobei jede der Linsen aus einem zweiteiligen Kittglied besteht. Auch die Optikgruppe 81 des Fundusabbildungssystems ist als Kittglied ausgebildet, und die Ophthalmoskopie-Lupe 29 ist eine rotationssymmetrische asphärische Einzellinse, in der die asphärische Fläche von dem Auge 77 abgewandt ist. Ebenfalls in 5 dargestellt ist die Eintrittspupille 103, die wie bereits zuvor erwähnt, das objektseitige Bild der im vorliegenden Ausführungsbeispiel als gegenständliche Blende ausgeführten Aperturblende 105 darstellt. Die Optikgruppe 81 dient dabei lediglich der Korrektur der Abbildungsfehler und nicht zum Verändern der Apertur des durch sie hindurchtretenden Beobachtungsstrahlenbündels.
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Die optischen Parameter der in
5 gezeigten Flächen F1 bis F18 sind in der nachfolgenden Tabelle zusammengestellt.
| Oberfläche | Radius [mm] | Dicke [mm] | Öffnungs -radius [mm] | Glass | Brechzahl bei λ = 546,07 4 nm | Abbe-Zahl bei λ = 546,07 4 nm |
| F1 | inf | 66,35 | 5 | AIR | | |
| F2 | -11,8 | 2 | 6 | N-LAK8 | 1,71616 | 53,61 |
| F3 | -14,2 | 3,1 | 8 | S-FPL51 | 1,49845 | 81,51 |
| F4 | -14,2 | 7,97 | 8 | AIR | | |
| F5 | 220 | 1,8 | 8 | N-KZFS4 | 1,61664 | 44,27 |
| F6 | 34,43 | 4 | 8 | S-FPL51 | 1,49845 | 81,51 |
| F7 | -40 | 2 | 8 | AIR | | |
| F8 | 182,3 | 4 | 20 | S-FPL51 | 1,49845 | 81,51 |
| F9 | -182,3 | 0,2 | 20 | AIR | | |
| F10 | 67 | 6 | 20 | S-FPL51 | 1,49845 | 81,51 |
| F11 | -200 | 3 | 20 | S-NBH8 | 1,72538 | 34,47 |
| F12 | 200 | 99,63583 3 | 20 | AIR | | |
| F13 | -22 | 2,5 | 10 | N-SK5 | 1,59142 | 61 |
| F14 | 19 | 7,5 | 10 | N-SF1 | 1,72308 | 29,39 |
| F15 | -22 | 5,824031 | 10 | AIR | | |
| F16 | inf | 7,9 | 7 | AIR | | |
| F17 | 7,31124 4 | 7 | 8 | N-SK5 | 1,59142 | 61 |
| F18 | -20,097 | 5,848164 | 8 | AIR | | |
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Die Fläche F17 ist eine rotationssymmetrische Asphärenfläche mit den folgenden Koeffizienten:
| CC | 0 |
| AS2 | -1,94E-04 |
| AS3 | 4,50E-07 |
| AS4 | -1,35E-08 |
| AS5 | 9,02E-11 |
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Um eine optische Qualität der Fundusabbildung zu gewährleisten, sollte der Abstand zwischen dem Patientenauge und der Optik optimal gehalten werden. Hierzu weist das erfindungsgemäße Operationsmikroskop in einer vorteilhaften Weiterbbildung eine OCT-Strecke auf, mit der eine sehr genaue Abstandbestimmung möglich ist. Diese OCT-Strecke umfasst u.a. das Hauptobjektiv 5, die Optikgruppe 81 und die Ophthalmoskopie-Lupe 73, die mit dem Beobachtungsstrahlengang geteilt werden. Darüber hinaus umfasst die OCT-Strecke das Austrittsende einer Lichtleitfaser 107 als Lichtquelle, eine Kollimatoroptik 109, einen Scanspiegel 111, eine Strahlaufweiteroptik 113 und einen Ablenkspiegel 115. Aus dem Austrittsende der Lichtleitfaser 107 tritt Weißlicht aus, welches von einer Weißlichtquelle (nicht dargestellt) generiert und von der optischen Faser zur OCT-Strecke geleitet wird. Die Kollimatoroptik 109 formt aus dem aus dem Austrittsende der Lichtleitfaser 107 austretenden divergenten Strahlenbündel ein paralleles (kollimiertes) Strahlenbündel, welches anschließend mittels der Strahlaufweiteroptik 113 ausgeweitet und mittels des Ablenkspiegels 115 derart in Richtung auf das Hauptobjektiv 5 abgelenkt wird. Vom Hauptobjektiv wird das Strahlenbündel dann auf die Zwischenbildebene 79 fokussiert. Mit Hilfe des zwischen der Kollimatoroptik 109 und der Strahlaufweiteroptik 113 angeordneten Scanspiegels 111 kann die Position des Fokuspunktes in der Zwischenbildebene 79 verlagert werden. Der Scanspiegel 111 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel als MEMS-Spiegel ausgebildet, also als Spiegel, der mittels eines MEMS-Oszillators (MEMS: Micro-ElektroMechanisches-System) um eine in der Spiegelebene liegende Achse rotiert werden kann. Soll ein zweidimensionales Scannen realisiert werden, kann ein zweiter MEMS-Oszillator vorhanden sein, mit dem der Scanspiegel um eine zweite, ebenfalls innerhalb der Spiegelebene liegende Rotationsachse gedreht werden kann. Die beiden Rotationsachsen sind dabei nicht parallel und verlaufen vorzugsweise einen Winkel von 90° zueinander.
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Die OCT-Strecke kann zur Regelung des Abstandes der Optik vom Fundus mit einer Steuereinheit 84 (vgl. 4) verbunden sein, die diesen Abstand mittels des Motors 86 im Fixierelement auf den optimalen Abstand regelt. Dadurch kann eine gleichbleibend gute Abbildungsqualität gewährleistet werden.
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Im Unterschied zu der in 6 dargestellten OCT-Strecke kann diese mit entlang der optischen Achse der Strecke verschiebbaren optischen Elementen versehen sein, um die Brennweite der Strecke variieren zu können.
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Neben dem Einhalten des optimalen Abstands für die Fundusabbildung kann die OCT-Strecke auch intraoperativ dazu Verwendung finden, Tiefeninformationen der betrachteten Fundusstrukturen zu generieren.
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Ein erfindungsgemäßes Operationsmikroskop 2, 48 mit Fundusabbildungssystem 71 wie es anhand der Ausführungsbeispiele beschrieben worden ist, kann beispielsweise im Rahmen einer Retina-Operation Verwendung finden. Während der Vorbereitung der Operation kann das System dann durch Herausnehmen (im vorliegenden Ausführungsbeispiel durch Herausschwenken) der Ophthalmoskopie-Lupe 73 und der zwischenbildnahen Optikgruppe 81 aus dem Strahlengang auf eine Ebene im Bereich des Vorderabschnittes des Patientenauges 77 statt auf den Fundus 75 fokussiert werden. Es erfolgt dann eine Fokussierung des Hauptobjektivs 5 auf den Vorderabschnitt des Auges 77. Wenn das Hauptobjektiv 5 ein Varioskopobjektiv ist, kann die Fokussierung mittels innerer Fokussierung erfolgen, d.h. die Fokussierung erfolgt durch Verschieben der Linsen des Varioskopobjektivs relativ zueinander. Falls das Objektiv ein festbrennweitiges Objektiv ist, kann die Fokussierung mittels äußerer Fokussierung vorgenommen werden, d.h. das gesamte Operationsmikroskop 2, 48 wird zum Fokussieren entlang der optischen Achse des Hauptobjektives 5 verfahren.
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In den beschriebenen Ausführungsbeispielen des Operationsmikroskops 2, 48 mit Fundusabbildungssystem 71 war jeweils nur eine Ophthalmoskopie-Lupe 73 vorhanden. Manchmal kann es jedoch vorteilhaft sein, wenn zwischen Ophthalmoskopie-Lupen mit unterschiedlichen Eigenschaften gewechselt werden kann. Hierzu kann das Fundusabbildungssystem 71 wenigstens zwei Ophthalmoskopie-Lupen umfassen, die gegeneinander ausgetauscht werden können. In diesem Fall ist die Halterung 91 für die Ophthalmoskopie-Lupe mit einem Wechselorganismus ausgestattet, der es erlaubt, die vorhandenen Ophthalmoskopie-Lupen gegeneinander auszutauschen.
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Das erfindungsgemäße Operationsmikroskop ermöglicht eine qualitativ hochwertige Abbildung des Fundus. Zur verbesserten Abbildungsqualität trägt in erster Linie die verbesserte Auflösung durch Vergrößern der Eintrittspupille bei. Außerdem leistet die Korrektur der chromatischen Aberration, insbesondere der chromatischen Queraberration, mit Hilfe der zwischenbildnahen Optikgruppe einen wichtigen Beitrag zum Gewährleisten einer hohen Bildqualität. Daneben kann auch die OCT-Strecke beim Gewährleisten einer hohen Bildqualität hilfreich sein, da sie es ermöglicht, den Abstand zu den betrachteten Struktur exakt zu ermitteln und dadurch das Einstellen und ggf. das Halten des exakten Fokusabstandes zu erleichtern.
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Die vorliegende Erfindung wurde anhand von Ausführungsbeispielen zu Erläuterungszwecken im Detail beschrieben. Ein Fachmann erkennt jedoch, dass Abweichungen von den beschriebenen Ausführungsbeispielen möglich sind. Einige mögliche Abweichungen wurden bereits in den Ausführungsbeispielen angegeben. Weitere Abweichungen sind jedoch möglich. So kann beispielsweise zwischen der Augenpupille 99 und der Ophthalmoskopie-Lupe 73 ein steriles (häufig planparalleles) optisch transparentes Element (häufig aus Kunststoff) vorhanden sein. Dieses Element kann bspw. ein steriles Abschlussglas eines Drapes sein. Das sterile optisch transparente Element kann aus einem oder mehreren optischen Elementen zusammengesetzt sein und keine oder auch eine von null verschiedene Brechkraft besitzen. Es kann bspw. an der Halterung 91 für die Ophthalmoskopie-Lupe befestigt werden. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, eine Einrichtung zum digitalen Nachvergrößern des digitalen Bildes des Fundus vorzusehen, um Details besser erkennbar zu machen. Die vorliegende Erfindung soll daher nicht auf die konkreten Ausführungsbeispiele beschränkt sein, sondern lediglich durch die beigefügten Ansprüche.
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Bezugszeichenliste
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- 49A,B
- Fokussierlinse
- 61A,B
- digitaler Bildsensor
- 63A,B
- digitales Display
- 65A,B
- Okularlinse
- 67A,B
- Kabel
- 71
- Fundusabbildungssystem
- 73
- Ophthalmoskopie-Lupe
- 75
- Fundus
- 77
- Auge
- 79
- Zwischenbildebene
- 81
- Optikgruppe
- 82
- Motor
- 83
- Fixierelement
- 84
- Steuereinheit
- 85
- Hauptkörper
- 86
- Motor
- 87
- Schwenksystem
- 89
- Welle
- 91
- Halterung
- 93
- Halterung
- 95
- Doppelpfeil
- 97
- Doppelpfeil
- 99
- Augenpupille
- 101
- Digital
- 103
- Eintrittspupille
- 105
- Aperturblende
- 107
- optische Faser
- 109
- Kollimatoroptik
- 111
- Scanspiegel
- 113
- Strahlaufweiteroptik
- 115
- Ablenkspiegel
- 117
- MEMS-Oszillator
- RA
- Rotationsachse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 3539009 A1 [0002, 0004]
- DE 102006047459 A1 [0002]
- DE 102010001853 A1 [0002, 0003]
- EP 2316330 B1 [0002]
- US 4786161 [0002]
- US 5321447 [0002, 0003]
- US 5706073 [0002]
- US 2003/0214629 A1 [0002]
- US 2005/0012992 A1 [0002]
- WO 2016/033952 A1 [0002]
