DE10362120C5

DE10362120C5 - Mikroskopieverfahren und Mikroskopiesystem

Info

Publication number: DE10362120C5
Application number: DE10362120A
Authority: DE
Inventors: Andreas Dr. Obrebski; Christoph Dr. Hauger
Original assignee: Carl Zeiss Surgical GmbH
Current assignee: Carl Zeiss Surgical GmbH
Priority date: 2003-02-03
Filing date: 2003-02-03
Publication date: 2010-01-28
Anticipated expiration: 2023-02-04
Also published as: DE10362120B9; DE10362120B4

Abstract

Mikroskopieverfahren, umfassend:
wiederholtes Beleuchten eines Objektbereichs (9) mit jeweils einem Lichtpuls (t_H), dessen Lichtintensität (I₁) größer ist als ein großer erster Intensitätswert, wobei zwischen aufeinanderfolgenden Lichtpulsen (t_H) der Objektbereich (9) nicht beleuchtet wird oder mit Licht beleuchtet wird, dessen Lichtintensität (12) kleiner ist als ein kleiner zweiter Intensitätswert,
optisches Abbilden des Objektbereichs (9) auf eine Lichtdetektionseinheit (17L) wenigstens einer ersten Kamera (19L) mittels einer Mikroskopieoptik (3),
wiederholtes Detektieren von von demselben Objektbereich (9) ausgehendem bildgebendem Licht der beleuchtenden Lichtpulse mit der Lichtdetektionseinheit (17L) der wenigstens einen ersten Kamera (19L), wobei das bildgebende Licht von dem Objektbereich zurückgeworfenes Licht der Lichtpulse und gegebenenfalls durch die Lichtpulse angeregtes, von dem Objektbereich ausgehendes Fluoreszenzlicht umfasst,
Erzeugen von jeweils ein Bild desselben Objektbereichs (9) repräsentierenden ersten Bilddaten durch die wenigstens eine erste Kamera (19L) und
Zuführen der ersten Bilddaten an ein Anzeigesystem (27; 91) zur Darstellung der ersten Bilddaten...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Mikroskopieverfahren und ein Mikroskopiesystem zur Darstellung von Bildern eines Objekts für eine Betrachtung durch einen Benutzer.
Ein herkömmliches Mikroskopiesystem umfaßt ein Beleuchtungssystem, um ein zu untersuchendes Objekt mit einem Beleuchtungslichtstrahl zu beleuchten, und von dem Objekt ausgehendes Licht wird durch eine Mikroskopieoptik abgebildet, um eine Darstellung des Objekts für eine Betrachtung durch den Benutzer bereitzustellen. Zur Erzeugung einer guten und kontrastreichen Darstellung des Objekts sollte der Beleuchtungslichtstrahl eine gewisse Mindestintensität aufweisen. Allerdings ist die Intensität des Beleuchtungslichtstrahls bei der Beobachtung bestimmter Objekte begrenzt, da das Licht des Beleuchtungslichtstrahls beispielsweise aufgrund seiner thermischen Wirkung eine Integrität des Objekts beeinträchtigen kann. Ein Beispiel für ein derartiges empfindliches Objekt ist menschliches Gewebe, welches bei der Durchführung eines mikrochirurgischen Eingriffs von einem Operateur durch das Mikroskopiesystem betrachtet wird.
Die US-amerikanische Offenlegungsschrift US 2001/003082 A1 offenbart ein Mikroskop mit einer Beleuchtungsstärkenreduziereinheit zum Zweck einer Verringerung der thermischen Belastung des beobachteten Objekts. Das Mikroskop umfasst einen Schalter, mittels dessen die Beleuchtungseinheit in einen intermittierenden Modus, und die Bildaufnahmeeinheit in einen Standbildmodus umschaltbar ist.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Mikroskopieverfahren und ein Mikroskopiesystem bereitzustellen, um bei einer begrenzten Lichtmenge, die zur Beleuchtung eines zu untersuchenden Objekts eingesetzt wird, eine qualitativ vergleichsweise gute bzw. kontrastreiche Abbildung des Objekts zu erzielen.
Erfindungsgemäß ist hierzu vorgesehen, daß die Darstellung des Objekts zur Betrachtung durch den Benutzer mittels eines Anzeigesystems erzeugt wird. Das Anzeigesystem kann beispielsweise einen Bildschirm, einen Monitor oder dergleichen umfassen. Dem Anzeigesystem werden durch eine Kamera erzeugte Bilddaten zugeführt, welche ein Bild des Objekts repräsentieren. Die Bilddaten werden wiederum durch eine Kamera erzeugt, deren Lichtdetektionseinheit von dem Objekt ausgehendes Licht detektiert, welches durch eine Mikroskopieoptik auf die Lichtdetektionseinheit abgebildet wird.
Das Detektieren des von dem Objektbereich ausgehenden Lichts und das Zuführen der Bilddaten an das Anzeigesystem erfolgt zeitlich wiederkehrend. Das Objekt wird ferner beleuchtet mit einem Beleuchtungslichtstrahl, dessen Lichtintensität zeitlich wiederkehrend abwechselnd hoch und niedrig ist.
Während der Zeiten, in denen die Lichtintensität des Beleuchtungslichtstrahls hoch ist, reicht das von dem Objekt zurückgeworfene und von der Lichtdetektionseinheit detektierte Licht aus, um Bilddaten zu erzeugen, die ein qualitativ ausreichendes bzw. genügend kontrastreiches Bild des Objekts repräsentieren, wobei diese Bilddaten dann dem Anzeigesystem zur Darstellung und Betrachtung durch den Benutzer zugeführt werden.
Während die hohe Lichtintensität während lediglich eines Teils der Zeit notwendig ist, um die qualitativ ausreichenden Darstellungen des Objekts zu erzeugen, ist es möglich, während eines entsprechend anderen Teils der Zeit die Lichtintensität des Beleuchtungslichtstrahls derart zu reduzieren, daß das untersuchte Objekt durch beispielsweise die thermische Wirkung des Beleuchtungslichtstrahls weniger belastet oder beeinträchtigt wird. Ein Verhältnis zwischen der hohen Lichtintensität und der reduzierten Lichtintensität ist vorzugsweise größer als 5:1, insbesondere 10:1.
Vorteilhafterweise überlappt das Detektieren des von dem Objektbereich ausgehenden Lichts und das Beleuchten des Objektbereichs mit jeweils einem Lichtpuls zeitlich.
Weiter ist bevorzugt, daß das wiederholte Detektieren des von dem Objektbereich ausgehenden Lichts synchronisiert mit dem wiederholten Beleuchten mit dem Lichtpuls erfolgt, so daß insbesondere ein jedes Detektieren zu einer gleichförmigen Helligkeit der durch die erzeugten Bilddaten repräsentierten Bilder führt.
Ferner ist es bevorzugt, daß einem jeden Mal des Detektierens des von dem Objektbereich ausgehenden Lichts ein einziges Mal des Beleuchtens mit dem Lichtpuls zugeordnet ist, wodurch ein unnötiges Umschalten der Lichtintensität des Beleuchtungslichtstrahls von dem hohen Wert auf den niedrigen Wert und umgekehrt vermieden wird.
Insbesondere kann die Kamera eine solche Kamera sein, welche während des Betriebs Totzeitdauern aufweist, während welchen die Lichtdetektionseinheit nicht zur bilderzeugenden Detektion von Licht nutzbar ist oder genutzt wird. Beispielsweise können Totzeitdauern dadurch bedingt sein, daß Bilddaten aus der Lichtdetektionseinheit ausgelesen werden. Vorzugsweise wird das Objekt während den Totzeitdauern der Kamera nicht mit dem Beleuchtungslichtstrahl oder mit dem Beleuchtungslichtstrahl niedriger Intensität beleuchtet.
Ein zeitlicher Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Lichtpulsen ist vorzugsweise kleiner als 1,0 s, weiter bevorzugt kleiner als 0,3 s und noch stärker bevorzugt kleiner als 0,1 s. Derartige zeitliche Abstände sind ausreichend, um bei bewegten Objekten eine weitgehend ruckfreie Darstellung der Bilder des Objekts zu erzielen.
Ferner ist es bevorzugt, daß ein zeitlicher Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Lichtpulsen größer ist als 0,008 s, weiter bevorzugt größer als 0,002 s und noch stärker bevorzugt größer als 0,01 s. Hierdurch wird ein unnötig häufiges Umschalten des Lichtstrahls zwischen seinen hohen und niedrigen Intensitätswerten vermieden.
Die Mikroskopieoptik kann wenigstens ein Okular umfassen, um das Objekt zu einem Auge des Benutzers oder zu dessen beiden Augen hin abzubilden.
Hierbei ist es vorteilhaft, wenn das Licht des Beleuchtungslichtstrahls nach dessen Wechselwirkung mit dem Objekt nicht durch das Okular zum Auge des Benutzers hin abgebildet wird. Insbesondere ist dies dadurch möglich, daß das Licht des Beleuchtungslichtstrahls auf einen ersten Wellenlängenbereich beschränkt ist und die Mikroskopieoptik Licht dieses Wellenlängenbereichs nicht durch das Okular zum Auge des Benutzers hin abbildet.
Vorzugsweise wird dies dadurch erreicht, daß die Mikroskopieoptik in einem das Okular umfassenden Strahlengang einen Filter aufweist, welcher für das Licht des ersten Wellenlängenbereichs im wesentlichen nicht transparent ist.
Ferner ist es ebenfalls bevorzugt, daß der erste Wellenlängenbereich solche Wellenlängen umfaßt, für die das menschliche Auge nicht oder lediglich gering empfindlich ist. Vorzugsweise weist der erste Wellenlängenbereich dann eine untere Grenze von etwa 750 nm, insbesondere 800 nm, auf. Somit kann die Kamera Bilder des Objekts im infraroten Wellenlängenbereich aufnehmen und diese über die Anzeigevorrichtung im sichtbaren Wellenlängenbereich für das Auge des Betrachters darstellen. Die Beleuchtung im infraroten Wellenlängenbereich erfolgt dann zeitlich diskontinuierlich, um die Wärmebelastung des Objekts zu verringern.
Vorteilhafterweise wird das Objekt ferner mit wenigstens einem zweiten Beleuchtungslichtstrahl beleuchtet, dessen Licht auf einen zweiten Wellenlängenbereich beschränkt ist, welcher von dem ersten Wellenlängenbereich verschieden ist und mit diesem, weiter bevorzugt, im wesentlichen nicht überlappt. Es ist dann vorgesehen, daß der Benutzer Bilder des Objekts ebenfalls in dem zweiten Wellenlängenbereich betrachten kann. Hierzu umfaßt die Mikroskopieoptik vorzugsweise wenigstens ein Okular. Ebenfalls bevorzugt ist es, daß eine zweite Kamera vorgesehen ist, auf deren Lichtdetektionseinheit die Mikroskopieoptik das Objekt abbildet und das Anzeigesystem ferner von der zweiten Kamera erzeugte zweite Bilddaten, welche ein Bild des Objekts repräsentieren, für die Betrachtung durch den Benutzer darstellt.
Das Anzeigesystem umfaßt vorzugsweise ebenfalls eine am Kopf des Benutzers tragbare Anzeigevorrichtung (”head mounted display”).
Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigt
1 eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Mikroskopiesystems zur Ausführung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Mikroskopieverfahrens,
2 ein Zeitschema zur Erläuterung einer sich ändernden Beleuchtungsintensität bei dem anhand der 1 erläuterten Mikroskopiesystem und Mikroskopieverfahren, und
3 eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Mikroskopiesystems zur Ausführung einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Mikroskopieverfahrens.
Ein in 1 schematisch dargestelltes Mikroskopiesystem 1 umfaßt eine Mikroskopieoptik 3 mit einem Objektiv 5 mit einer optischen Achse 7. In einer Objektebene des Objektivs 5 ist ein zu untersuchendes Objekt 9 angeordnet. Von dem Objekt 9 ausgehendes Licht wird von dem Objektiv 5 in ein paralleles Strahlenbündel überführt, in welchem zwei mit Abstand von der optischen Achse 7 angeordnete Kamera-Adapteroptiken 11L und 11R angeordnet sind. Die Kamera-Adapteroptik 11L greift aus dem parallelen Strahlengang ein Teilstrahlenbündel 13L heraus, welches aus einem von dem Objekt 9 unter einem Winkel α zur optischen Achse 7 ausgehenden divergenten Teilstrahlenbündel 15L hervorgeht. Die Kamera-Adapteroptik 11R greift aus dem parallelen Strahlengang entsprechend ein Teilstrahlenbündel 13R heraus, welches aus einem von dem Objekt 9 unter einem Winkel von –α zur optischen Achse 7 ausgehenden divergenten Teilstrahlenbündel 15R hervorgeht.
Die Kamera-Adapteroptik 11L überführt das Teilstrahlenbündel 13L derart auf eine lichtempfindliche Fläche 17L einer CCD-Kamera 19L, daß diese ein Bild des Objekts 9 bei Betrachtung unter dem Winkel α zur optischen Achse 7 aufnehmen kann. Entsprechend überführt die Kamera-Adapteroptik 11R das Teilstrahlenbündel 13R derart auf eine lichtempfindliche Fläche 17R einer CCD-Kamera 19R, daß diese ein Bild des Objekts 9 bei Betrachtung unter dem Winkel –α zur optischen Achse aufnehmen kann. Die von den Kameras 19L und 19R aufgenommenen Bilder werden als Bilddaten über Datenübertragungsleitungen 21L bzw. 21R an eine Steuerung 23 übertragen. Die Steuerung 23 wiederum überträgt die jeweiligen Bilddaten über eine Leitung 25 an eine kopfgetragene Anzeigevorrichtung (”head mounted display”) 27, welche von einem Benutzer des Mikroskopiesystems 1 wie eine Brille derart am Kopf getragen wird, daß in der Anzeige 27 integrierte Bildschirme, welche in 1 schematisch mit 29L und 29R bezeichnet sind, von dem Benutzer mit dessen linkem Auge bzw. dessen rechtem Auge betrachtet werden können. Die Anzeige 29L stellt dabei die von der Kamera 19L aufgenommenen Bilddaten dar, während die Anzeige 29R die von der Kamera 19R aufgenommenen Bilddaten darstellt. Aufgrund der unterschiedlichen Winkel α bzw. –α, über die die Kameras 19L bzw. 19R die Bilder des Objekts 9 aufnehmen, erhält der Betrachter beim Einblick in die kopfgetragene Anzeigevorrichtung 27 ein stereoskopisches Abbild des Objekts.
In 2 ist ein Zeitdiagramm schematisch dargestellt, welches eine zeitliche Abfolge von Bilddetektion und Datenübertragung durch die Kameras 19L und 19R erläutert. Die Kameras weisen eine Bildwiederholrate von 50 Hertz auf, so daß mit einem zeitlichen Abstand von T von 20 ms Bilder aufgenommen werden. Hierbei wird während einer Belichtungszeitdauer t_B von der Lichtdetektionseinheit der jeweiligen Kamera Licht detektiert, und während einer Totzeit t_T von 15 ms werden dem detektierten Licht entsprechende Bilddaten über die Leitungen 21L und 21R an die Steuerung 23 übertragen.
Aus dem Schema der 2 unten ist ersichtlich, daß während eines relativ großen Zeitanteils durch die Kameras kein Licht detektiert wird. Während dieses Zeitanteils wird das Objekt allerdings auch nicht aktiv mit Beleuchtungslicht beleuchtet. Zur Beleuchtung des Objekts 9 ist eine Lampe 31 vorgesehen, welche einen auf das Objekt 9 gerichteten Beleuchtungslichtstrahl 33 erzeugt.
Ein zeitlicher Verlauf 35 einer Intensität I des Beleuchtungslichtstrahls 33 ist in 2 oben als Graph dargestellt. Daraus ist ersichtlich, daß die Lampe 31 zwischen einem Hochintensitätsbetriebszustand, in dem der Beleuchtungslichtstrahl 33 eine hohe Intensität I₁ aufweist, und einem Niedrigintensitätsbetriebszustand umgeschaltet wird, in welchem der Beleuchtungslichtstrahl 33 eine niedrige Intensität I₂ aufweist. Hochintensitätsbetriebszustände bzw. Niedrigintensitätsbetriebszustände folgen mit einer Periodendauer T zeitlich aufeinander. Eine Dauer t_H der Hochintensitätsbetriebszustände ist etwas kürzer als die Dauer t_B der Belichtungszeiten der Kamera, wobei die Hochintensitätsbetriebszustände t_H jeweils innerhalb der Belichtungszeitdauern t_B angeordnet sind und mit den Totzeitdauern t_T somit nicht überlappen.
Mit der hohen Intensität I₁ des Beleuchtungslichtstrahls 33 während den Hochintensitätsbetriebszuständen wird das Objekt 9 jeweils ausreichend beleuchtet, so daß die Kameras 19L bzw. 19R jeweils Bilddaten gewinnen können, welche Bildern mit ausreichender Intensität und Kontrast entsprechen. Während der Totzeitdauern t_T wird das Objekt 9 mit dem Niedrigintensitätsbetriebszustand der Lampe 31 beleuchtet, so daß eine thermische Belastung durch das Beleuchtungslicht mit der Intensität I₂ besonders gering ist. Insbesondere kann die Lampe 31 während des Niedrigintensitätsbetriebszustandes gänzlich abgeschaltet sein, so daß die Intensität I₂ im wesentlichen Null ist.
Zur Synchronisierung der Lampe 31 und der Kameras 19L und 19R miteinander ist eine Steuerleitung 37 vorgesehen, mit der die Steuerung 23 die Lampe 31 von dem Niedrigintensitätsbetriebszustand in den Hochintensitätsbetriebszustand und umgekehrt zu den jeweils richtigen Zeitpunkten umschaltet, und es sind Steuerleitungen 39L und 39R vorge sehen, mit welchen die Steuerung 23 die Kameras 19L bzw. 19R zu den jeweils richtigen Zeitpunkten ansteuert, um die Belichtungszeiten zu starten.
Abwandlungen von den in 2 gezeigten Zeitschema sind möglich. So können beispielsweise während der Belichtungszeiten t_B durch die Lampe 31 auch mehrere zeitlich aufeinanderfolgende Lichtpulse erzeugt werden. So kann beispielsweise die Zeit t_H auch größer sein als die Zeit t_B.
Ferner können durch die Lampe 31 auch während der Totzeitdauern t_T Lichtpulse erzeugt werden, welche dann allerdings nicht zur Aufnahme von Bildern durch die Kameras beitragen sondern anderen Zwecken dienen können. Auch ist die Unterscheidung zwischen Belichtungszeitdauern t_B und Totzeitdauern t_T der Kameras lediglich exemplarisch. Es ist auch möglich, Kameras einzusetzen, welche während einer Periodendauer T im wesentlichen ständig in der Lage sind, Licht zu detektieren. Auch dann wird jedoch das Objekt gepulst beleuchtet, um während zeitlich aufeinanderfolgenden Pulsen das Objekt thermisch im wesentlichen nicht zu belasten.
Ferner ist es möglich, daß beispielsweise in der Steuerung 23 der Anzeigevorrichtung 27 ein Speicher 24 für Bilddaten vorgesehen ist und aktuelle Bilder des Objekts jeweils mit relativ großen zeitlichen Abständen T aufgenommen werden und die jeweils aufgenommenen Bilddaten dann bis zur nächsten Aufnahme eines neuen Bilds durch die Anzeigevorrichtung 27 für die Betrachtung durch den Benutzer dargestellt werden. Hierbei ist die Zeitdauer T so klein zu wählen, daß eine ausreichend ruckfreie Darstellung des Objekts für den Betrachter erfolgt, wenn das Objekt ein bewegtes Objekt ist oder Bewegungen des Objekts zu erwarten sind.
Ferner ist es möglich, daß die Lampe 31 zwei verschiedene Lichtquellen umfaßt, welche in jeweils verschiedenen Wellenlängenbändern Licht emittieren. Die beiden Lichtquellen werden von der Steuerung 23 derart angesteuert, daß die eine Lichtquelle einen Lichtpuls emittiert, wenn die andere Lichtquelle einen Lichtpuls nicht emittiert und umgekehrt. Während des Lichtpulses einer jeden der beiden Lichtquellen erzeugen die Kameras 19L und 19R jeweils eine Aufnahme und übermitteln die entsprechenden Daten an die Steuerung 23. Damit werden zeitlich alternierend Bilder des Objekts 9 in unterschiedlichen Wellenlängenbereichen gewonnen. Beispielsweise ist es somit möglich, zeitlich alternierend ein Bild des Objekts 9 mit Normallicht und mit Infrarotlicht aufzunehmen. Für beide Wellenlängenbereiche erfolgt die Beleuchtung diskontinuierlich. Die Beleuchtung kann allerdings auch gleichzeitig erfolgen und eine Trennung kann dann spektral vorgenommen werden.
Nachfolgend werden weitere Varianten der anhand der 1 und 2 erläuterten Ausführungsformen beschrieben. Hierbei sind Komponenten, die Komponenten der 1 und 2 hinsichtlich ihrer Funktion oder ihres Aufbaus entsprechen, mit den gleichen Bezugsziffern wie in den 1 und 2 versehen zur Unterscheidung jedoch durch einen Buchstaben ergänzt.
Ein in 3 dargestelltes Mikroskopiesystem 1a umfaßt eine Mikroskopieoptik 3a zur Abbildung eines Objekts 9a, welches im Bereich einer Objektebene eines Objektivs 5a mit einer optischen Achse 7a angeordnet ist. Aus einem parallelen Strahlengang oberhalb des Objektivs 5a greifen Zoomsysteme 41L und 41R Teilstrahlenbündel 13La bzw. 13Ra aus dem Strahlengang heraus, welche aus unter verschiedenen Winkeln zur optischen Achse 7a von dem Objekt 9a ausgehenden divergenten Strahlenbündeln 15La bzw. 15Ra hervorgehen. Die Teilstrahlenbündel 13La, 13Ra durchlaufen nach den Zoomsystemen 41L, 41R noch in 3 nicht dargestellte Prismen und sodann Okulare 43L bzw. 43R, in welche der Benutzer mit seinem linken Auge 45L und rechtem Auge 45R Einblick nimmt, um ein stereoskopisches Abbild des Objekts 9a wahrzunehmen, wobei die Zoomsysteme 41L, 41R eine Vergrößerung der Abbildung ändern können.
In den Strahlengängen zwischen Okular 43L, 43R und Objektiv 5a ist jeweils ein Filter 47L bzw. 47R vorgesehen, welcher lediglich für Licht transparent ist, dessen Wellenlänge kleiner ist als ein vorbestimmter Wellenlängenwert, hier beispielhaft 700 nm. Damit gewinnt der Betrachter von dem Objekt durch direkte Betrachtung ein optisches Abbild mit einem Wellenlängenspektrum, welches tiefrotes Licht im wesentlichen nicht umfaßt.
Eine Lampe 51 erzeugt einen Beleuchtungslichtstrahl 53, welcher über einen Umlenkspiegel 55 umgelenkt wird und das Objektiv 5a durchsetzt, so daß das Objekt 9a durch den Beleuchtungslichtstrahl 53 beleuchtet wird. Ein Filter 57 ist in dem Beleuchtungslichtstrahl 53 angeordnet, um Licht der Lampe 51 aus dem Strahl 53 auszublenden, dessen Wellenlänge größer ist als die vorbestimmte Wellenlänge (700 nm), da dieses Licht auch nicht zu den Augen 45L, 45R des Betrachters übertragen wird und damit für die direkte Abbildung des Objekts 9a nicht verwendet wird. Eine Ausblendung dieses Lichts ist unter anderem auch deshalb sinnvoll, da dieses einerseits einen relativ großen Beitrag zur thermischen Belastung des Objekts liefert und andererseits die spektrale Empfindlichkeit des Auges in diesem Wellenlängenbereich geringer wird.
Der Beleuchtungslichtstrahl 53 weist eine zeitlich im wesentlichen gleichförmige Intensität auf.
Das Mikroskopiesystem 1a umfaßt allerdings eine Kamera 19a und eine Anzeigevorrichtung 27a, um wenigstens einem Auge 45R des Benutzers ein Bild des Objekts 9a darzustellen, welches das Objekt 9a unter Lichtwellenlängen darstellt, welche größer sind als die vorbestimmte Wellenlänge (700 nm). Hierzu umfaßt das System 1a im Strahlengang des Teilstrahlenbündels 13Ra vor dem Okular 43R einen dichroidischen Spiegel 59, welcher Licht mit Wellenlängen, die größer sind als die vorbestimmte Wellenlänge, aus dem Strahlengang auskoppelt, so daß dieses über eine Kamera-Adapteroptik 11a auf eine lichtempfindliche Fläche 17a der Kamera 19a abgebildet wird. Von der Kamera 19a erzeugte Bilddaten werden an eine Steuerung 23a über eine Datenleitung 21 übertragen. Die Bilddaten werden dann von der Steuerung 23a über eine Datenleitung 61 an eine LCD-Anzeige 63 übertragen, welche die Bilddaten als Bild darstellt, welches über eine Kollimationsoptik 65 und einen Einkoppelspiegel 67 zur Überlagerung gebracht wird mit dem Teilstrahl 13Ra, so daß das Bild der Anzeige 63 ebenfalls von dem Auge 45R des Benutzers in Überlagerung mit dem direkten optischen Abbild des Objekts 9a wahrnehmbar ist.
Das Mikroskopiesystem 1a stellt ferner einen gepulsten Beleuchtungsstrahl 33a bereit, welcher durch eine Lampe 31a und einen Kollimator 71 erzeugt wird und über einen Umlenkspiegel 73 durch das Objektiv 5a auf das Objekt 9a gerichtet wird. In einem Strahlengang des Beleuchtungslichstrahls 33a ist ein Filter 75 vorgesehen, welcher Licht der Lampe 31a ausblendet, dessen Wellenlänge kleiner ist als die vorbestimmte Wellenlänge (700 nm). Die Modulation des Lichtstrahls 33a in Lichtpulse erfolgt durch ein Chopper-Rad 77, dessen Antriebsmotor 79 über eine Steuerleitung 37a synchronisiert wird mit Belichtungszeiten der Kamera 19a, welche von der Steuerung 23a über eine Steuerleitung 39a getriggert wird.
Damit erfolgt in einem Wellenlängenbereich oberhalb der vorbestimmten Wellenlänge die Darstellung des Objekts 9a auf ähnliche Weise, wie dies bereits anhand der 1 und 2 erläutert wurde, das heißt durch eine zeitlich wiederkehrende Aufnahme von Bildern des Objekts 9a mittels einer Kamera und Darstellung der Bilder über eine Anzeigevorrichtung, wobei eine Beleuchtung des Objekts mit Licht in diesem Wellenlängenbereich dann nicht vorgenommen wird, wenn die Kamera 19a auch kein Licht zur Erzeugung der Bilder detektiert.
In dem Wellenlängenbereich unterhalb der vorbestimmten Wellenlänge erhält der Betrachter ein Abbild des Objekts über einen direkten optischen Strahlengang durch das Objektiv, die Zoomsysteme und die Okulare. Die zeitlich nicht kontinuierliche Beleuchtung des Objekts 9a mit dem Strahl 33a ist auf Wellenlängen oberhalb der vorbestimmten Wellenlänge beschränkt, so daß die direkte optische Darstellung des Objekts 9a mit gleichförmiger Intensität erfolgt, was zudem durch die Filter 47L und 47R gewährleistet ist.
Es ist auch möglich, daß nicht nur dem rechten Auge 45R des Benutzers ein Bild in dem Wellenlängenbereich oberhalb der vorbestimmten Wellenlänge dargeboten wird, sondern auch dem linken Auge 45L. Es sind dann auch in dem Strahlengang des linken Teilstrahlenbündels 13La ein Auskoppelspiegel und eine Kamera (in 3 nicht dargestellt) vorgesehen, um Bilddaten zu gewinnen, welche über eine weitere Anzeige und einen weiteren Einkoppelspiegel dann wieder in den Strahlengang zu dem Okular 43L hin eingekoppelt werden.
Es ist möglich, daß eine Darstellung des von der Kamera 19a aufgenommenen Bildes durch die Anzeige 63 in einer Farbe erfolgt, welche verschieden ist von der Farbe des Lichts, mit dem die Kamera 19a die Bilder aufnimmt. Dies ist insbesondere dann sinnvoll, wenn die Kamera 19a Bilder in für das menschliche Auge unsichtbarem Infrarotlicht aufnimmt. Diese Bilder können dann durch die Anzeige 63 beispielsweise in sichtbarer roter Farbe für das Auge 43R dargestellt werden.
Dies ist zum Beispiel dann sinnvoll, wenn in dem Objekt 9a ein Fluoreszenzfarbstoff enthalten ist, dessen Fluoreszenz mit dem Beleuchtungslichtstrahl 33a angeregt wird und dessen Fluoreszenzlicht durch die Kamera 19a beobachtet wird.
Das Mikroskopiesystem 1a umfaßt als eine Ergänzung noch eine weitere Kamera 81, welcher Licht des Teilstrahlenbündels 13La über einen Auskoppelspiegel 83, einen Filter 85 und eine Kamera-Adapteroptik 87 zugeführt wird. Der Filter 85 ist für Licht transparent, dessen Wellenlänge kleiner ist als die vorbestimmte Wellenlänge (700 nm), so daß die Kamera 81 Bilder in dem Wellenlängenbereich gewinnt, in welchem die Kamera 19a Bilder nicht gewinnt. Bilddaten der Kamera 81 werden über eine Datenleitung 89 an die Steuerung 23a übertragen. Die Kamera 81 dient dazu, eine Darstellung des Objekts 9a auch einem Benutzer zukommen zu lassen, welcher nicht die Gelegenheit hat, durch die Okulare 43L, 43R Einblick in die Mikroskopieoptik 1a direkt zu nehmen. Ein solcher Benutzer trägt eine kopfgetragene Anzeigevorrichtung 91, wie sie bereits vorangehend im Zusammenhang mit der in 1 gezeigten Ausführungsform erläutert wurde. Obwohl dies in 3 der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt ist, ist es möglich, eine der Kamera 81 in dem linken Teilstrahlenbündel 13La entsprechende Kamera in dem rechten Teilstrahlenbündel 13Ra anzuordnen, um die durch diese Kamera gewonnenen Bilddaten der rechten Anzeige 93R der Anzeigevorrichtung 91 zuzuführen und die durch die Kamera 81 gewonnenen Bilddaten der linken Anzeige 93L der Anzeigevorrichtung 91 zuzuführen, so daß der die Anzeigevorrichtung 91 tragende Be nutzer ebenfalls ein stereoskopisches Bild des Objekts im sichtbaren Bereich erhält.
Einer linken Anzeige 93L der Anzeigevorrichtung 91 werden über eine Datenleitung 95 die Bilddaten zugeführt, welche durch die Kamera 81 erzeugt wurden, so daß dieses Auge das Bild des Objekts 9a wahrnimmt, welches in dem Wellenlängenbereich unterhalb der vorbestimmten Wellenlänge aufgenommen wurde. Einer rechten Anzeige 93R der Anzeigevorrichtung 91 werden über die Datenleitung 95 die Bilddaten zugeführt, die von der Kamera 19a erzeugt werden, so daß das rechte Auge des die Vorrichtung 91 tragenden Benutzers die Darstellung des Objekts 9a in dem Wellenlängenbereich oberhalb der vorbestimmten Wellenlänge wahrnimmt.
Hierbei ist des möglich, daß die Kamera 81 auch derart ausgewählt wird, daß sie für Licht in dem Wellenlängenbereich unterhalb der vorbestimmten Wellenlänge nicht empfindlich ist. Es ist dann möglich, den Filter 85 nicht vorzusehen.
Die in den vorangehend geschilderten Strahlengängen angeordneten Filter können jeweils ersetzt werden durch Spiegel, welche bestimmte Wellenlängenbereiche nicht reflektieren.
Zusammenfassend wird ein Mikroskopieverfahren und ein Mikroskopiesystem vorgeschlagen, bei dem eine Kamera 19a über eine Mikroskopieoptik Bilder zeitlich wiederkehrend gewinnt und diese Bilder zur Betrachtung durch einen Benutzer mittels eines Anzeigesystems 63, 65, 67 dargestellt werden. Eine Beleuchtung des Objekts erfolgt ebenfalls zeitlich wiederkehrend mit Lichtpulsen 33a hoher Lichtintensität, zwischen denen das Objekt nicht beleuchtet wird oder mit Licht einer geringen Intensität beleuchtet wird.

Claims

Mikroskopieverfahren, umfassend: wiederholtes Beleuchten eines Objektbereichs (9) mit jeweils einem Lichtpuls (t_H), dessen Lichtintensität (I₁) größer ist als ein großer erster Intensitätswert, wobei zwischen aufeinanderfolgenden Lichtpulsen (t_H) der Objektbereich (9) nicht beleuchtet wird oder mit Licht beleuchtet wird, dessen Lichtintensität (12) kleiner ist als ein kleiner zweiter Intensitätswert, optisches Abbilden des Objektbereichs (9) auf eine Lichtdetektionseinheit (17L) wenigstens einer ersten Kamera (19L) mittels einer Mikroskopieoptik (3), wiederholtes Detektieren von von demselben Objektbereich (9) ausgehendem bildgebendem Licht der beleuchtenden Lichtpulse mit der Lichtdetektionseinheit (17L) der wenigstens einen ersten Kamera (19L), wobei das bildgebende Licht von dem Objektbereich zurückgeworfenes Licht der Lichtpulse und gegebenenfalls durch die Lichtpulse angeregtes, von dem Objektbereich ausgehendes Fluoreszenzlicht umfasst, Erzeugen von jeweils ein Bild desselben Objektbereichs (9) repräsentierenden ersten Bilddaten durch die wenigstens eine erste Kamera (19L) und Zuführen der ersten Bilddaten an ein Anzeigesystem (27; 91) zur Darstellung der ersten Bilddaten für eine Betrachtung durch einen ersten Benutzer, dadurch gekennzeichnet, dass ein zeitlicher Abstand (T) zwischen den aufeinanderfolgenden Lichtpulsen (t_H) kleiner ist als 0,1 s.
Mikroskopieverfahren, umfassend: wiederholtes Beleuchten eines Objektbereichs (9) mit jeweils einem Lichtpuls (t_H), dessen Lichtintensität (I₁) größer ist als ein großer erster Intensitätswert, wobei zwischen aufeinanderfolgenden Lichtpulsen (t_H) der Objektbereich (9) nicht beleuchtet wird oder mit Licht beleuchtet wird, dessen Lichtintensität (I₂) kleiner ist als ein kleiner zweiter Intensitätswert, optisches Abbilden des Objektbereichs (9) auf eine Lichtdetektionseinheit (17L) wenigstens einer ersten Kamera (19L) mittels einer Mikroskopieoptik (3), wiederholtes Detektieren von von demselben Objektbereich (9) ausgehendem bildgebendem Licht der beleuchtenden Lichtpulse mit der Lichtdetektionseinheit (17L) der wenigstens einen ersten Kamera (19L), wobei das bildgebende Licht von dem Objektbereich zurückgeworfenes Licht der Lichtpulse oder/und durch die Lichtpulse angeregtes, von dem Objektbereich ausgehendes Fluoreszenzlicht umfasst, Erzeugen von jeweils ein Bild desselben Objektbereichs (9) repräsentierenden ersten Bilddaten durch die wenigstens eine erste Kamera (19L) und Zuführen der ersten Bilddaten an ein Anzeigesystem (27; 91) zur Darstellung der ersten Bilddaten für eine Betrachtung durch einen ersten Benutzer, wobei ein zeitlicher Abstand (T) zwischen den aufeinanderfolgenden Lichtpulsen (t_H) kleiner ist als 0,1 s, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikroskopieoptik (3a) den Objektbereich (9a) ferner auf eine Lichtdetektionseinheit einer zweiten Kamera (81) unter einem Winkel abbildet, der verschieden ist von einem Winkel, unter dem der Objektbereich auf die Lichtdetektionseinheit der ersten Kamera abgebildet wird, und durch die zweite Kamera (81) wiederholt zweite Bilddaten erzeugt und dem Anzeigesystem (27; 91) zur stereoskopischen Darstellung für die Betrachtung durch den ersten Benutzer zugeführt werden.
Mikroskopieverfahren nach Anspruch 1, wobei die Mikroskopieoptik (3a) den Objektbereich (9a) ferner auf eine Lichtdetektionseinheit einer zweiten Kamera (81) abbildet und durch die zweite Kamera (81) wiederholt zweite Bilddaten erzeugt und dem Anzeigesystem (27; 91) zur Darstellung für die Betrachtung durch den ersten Benutzer zugeführt werden.
Mikroskopieverfahren nach Anspruch 2 oder 3, wobei das Licht des Lichtpulses (t_H) Licht aus einem ersten Wellenlängenbereich ist und das Licht aus dem ersten Wellenlängenbereich der Lichtdetektionseinheit der zweiten Kamera (81) nicht zugeführt wird oder/und die Lichtdetektionseinheit der zweiten Kamera (81) für das Licht aus dem ersten Wellenlängenbereich nicht empfindlich ist.
Mikroskopieverfahren nach Anspruch 4, wobei der Objektbereich (9) mit Licht aus einem zweiten Wellenlängenbereich beleuchtet wird, welcher von dem ersten Wellenlängenbereich verschieden ist und insbesondere mit dem ersten Wellenlängenbereich im wesentlichen nicht überlappt.
Mikroskopieverfahren nach Anspruch 5, wobei das Beleuchten mit dem Licht aus dem zweiten Wellenlängenbereich im wesentlichen kontinuierlich erfolgt.
Mikroskopieverfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei der erste Wellenlängenbereich eine untere Grenze von etwa 750 nm, insbesondere 800 nm, aufweist.
Mikroskopieverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das wiederholte Detektieren des von dem Objektbereich (9) ausgehenden Lichts synchronisiert mit dem wiederholten Beleuchten mit dem Lichtpuls (t_H) erfolgt.
Mikroskopieverfahren nach Anspruch 8, wobei einem jeden Mal des Detektierens des von dem Objektbereich (9) ausgehenden Lichts wenigstens ein Mal des Beleuchtens mit dem Lichtpuls (t_H), insbesondere ein einziges Mal des Beleuchtens mit dem Lichtpuls (t_H), zugeordnet ist.
Mikroskopieverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei ein jedes Mal des Detektierens des von dem Objektbereich (9) ausgehenden Lichts während einer Belichtungszeitdauer (t_B) der ersten Kamera (19L) erfolgt und einer jeden Belichtungszeitdauer (t_B) der ersten Kamera (19L) eine Totzeitdauer (t_T) der ersten Kamera (19L) zugeordnet ist.
Mikroskopieverfahren nach Anspruch 10, wobei die Belichtungszeitdauern (t_B) der ersten Kamera (19L) und die Lichtpulse (t_H) zeitlich wenigstens teilweise überlappen und die Totzeitdauern (t_T) der ersten Kamera (19L) und die Lichtpulse (t_H) zeitlich im wesentlichen nicht überlappen.
Mikroskopieverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei der zeitliche Abstand (T) zwischen aufeinanderfolgenden Lichtpulsen größer ist als 0,002 s, vorzugsweise größer als 0,008 s und weiter bevorzugt größer als 0,01 s.
Mikroskopiesystem zur Ausführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12, umfassend: ein erstes Beleuchtungssystem (31) zur Bereitstellung wenigstens eines auf einen selben Objektbereich (9) gerichteten ersten Beleuchtungslichtstrahls (33) änderbarer Lichtintensität (I), eine Mikroskopieoptik (3) zur optischen Abbildung desselben Objektbereichs (9) auf eine erste Lichtdetektionseinheit (17L) einer ersten Kamera (19L) zur Detektion von von dem Objektbereich (9) ausgehendem bildgebendem Licht, und zur wiederholten Erzeugung von Bilder desselben Objektbereichs (9) repräsentierenden ersten Bilddaten, wobei das bildgebende Licht von dem Objektbereich zurückgeworfenes Licht des ersten Beleuchtungslichtstrahls (33) oder/und von dem Objektbereich ausgehendes durch den ersten Beleuchtungslichtstrahl (33) angeregtes Fluoreszenzlicht umfasst, ein Anzeigesystem (27; 91) zur Darstellung der ersten Bilddaten für eine Betrachtung durch einen ersten Benutzer, eine Steuerung (23) zur Ansteuerung des ersten Beleuchtungssystems (31) abwechselnd in wenigstens einen Hochintensitätsbetriebszustand und einen Niedrigintensitätsbetriebszustand, wobei in dem Hochintensitätsbetriebszustand eine Lichtintensität (I₁) des ersten Beleuchtungslichtstrahls (33) größer ist als ein großer erster Intensitätswert und in dem Niedrigintensitätsbetriebszustand die Lichtintensität (I₂) des ersten Beleuchtungslichtstrahls (33) kleiner ist als ein kleiner zweiter Intensitätswert, wobei ein zeitlicher Abstand (T) zwischen aufeinanderfolgenden Lichtpulsen (t_H) kleiner ist als 0,1 s, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikroskopieoptik ferner eine zweite Kamera umfaßt, auf die der Objektbereich unter einem Winkel abgebildet ist, der von einem Winkel verschieden ist, unter dem der Objektbereich auf die Lichtdetektionseinheit der ersten Kamera abgebildet ist, und zur wiederholten Erzeugung von Bilder desselben Objektbereichs repräsentierenden zweiten Bilddaten, wobei das Anzeigesystem zur stereoskopischen Darstellung der ersten und zweiten Bilddaten für die Betrachtung durch den ersten Benutzer ausgebildet ist.
Mikroskopiesystem nach Anspruch 13, ferner umfassend einen Speicher (24) für die von der ersten Kamera (19L) erzeugten ersten Bilddaten, wobei das Anzeigesystem (27; 91) und die Steuerung (23) dazu ausgebildet sind, die in dem Speicher (24) gespeicherten ersten Bilddaten durch das Anzeigesystem (27; 91) darzustellen.
Mikroskopiesystem nach Anspruch 13 oder 14, wobei der erste Beleuchtungslichtstrahl (33a) Licht aus einem ersten Wellenlängenbereich umfaßt und das Mikroskopiesystem (1a) ferner ein zweites Beleuchtungssystem (51; 55; 57) zur Bereitstellung wenigstens eines auf den Objektbereich (9a) gerichteten zweiten Beleuchtungslichtstrahls (53) mit einer zeitlich im wesentlichen konstanten Lichtintensität umfaßt, wobei der zweite Beleuchtungslichtstrahl (53) Licht aus einem zweiten Wellenlängenbereich umfaßt, welcher mit dem ersten Wellenlängenbereich im wesentlichen nicht überlappt.
Mikroskopiesystem nach einem der Ansprü13 bis 15, wobei die Mikroskopieoptik (3a) ferner eine Lichtdetektionseinheit einer zweiten Kamera (81) zur Erzeugung von Bilder des Objektbereichs (9a) repräsentierenden zweiten Bilddaten umfaßt, wobei Licht aus einem ersten Wellenlängenbereich durch die Mikroskopieoptik (3a) im wesentlichen nicht auf die Lichtdetektionseinheit der zweiten Kamera (81) abgebildet wird oder die Lichtdetektionseinheit der zweiten Kamera (81) für das Licht des ersten Wellenlängenbereichs im wesentlichen nicht empfindlich ist.
Mikroskopiesystem nach Anspruch 16, wobei das Anzeigesystem (91) ferner zur Darstellung der zweiten Bilddaten als Bilder in Überlagerung mit den durch die ersten Bilddaten repräsentierenden Bilder für die Betrachtung durch den ersten Benutzer ausgebildet ist.
Mikroskopiesystem nach einem der Ansprüche 15 bis 17, wobei der erste Wellenlängenbereich eine untere Grenze von etwa 750 nm, insbesondere 800 nm, aufweist.
Mikroskopiesystem nach einem der Ansprüche 13 bis 18, wobei das erste Beleuchtungssystem zur Bereitstellung wenigstens eines weiteren zweiten Beleuchtungslichtstrahls (53) ausgebildet ist, wobei der erste (33) und der zweite (53) Beleuchtungslichtstrahl Licht aus verschiedenen Wellenlängenbereichen umfassen und der erste (33) und der zweite (53) Beleuchtungslichtstrahl durch die Steuerung (23) jeweils zeitlich alternierend in den Hochintensitätsbetriebszustand geschaltet werden.
Mikroskopiesystem nach einem der Ansprüche 13 bis 19, wobei das Anzeigesystem (27; 91) eine durch einen Kopf des ersten Benutzers zu tragende Anzeigevorrichtung (27; 91) umfaßt.
Mikroskopiesystem nach einem der Ansprüche 13 bis 20, wobei die erste Lichtdetektionseinheit (17L) eine Totzeitdauer t_T aufweist, während derer die erste Kamera (19L) die ersten Bilddaten an die Steuerung (23) überträgt.
Mikroskopiesystem nach Anspruch 21, wobei eine Dauer des Niedrigintensitätsbetriebszustands jeweils wenigstens die Totzeitdauer t_T beträgt.
Mikroskopiesystem nach Anspruch 21 oder 22, wobei eine Dauer des Niedrigintensitätsbetriebszustands jeweils wenigstens, insbesondere mehr als, 15 ms beträgt.