DE2423136C3 - Vorrichtung zur automatischen Fokussierung von Stereomikroskopen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine automatische Fokussiervorrichtung für Mikroskope mit einem zusätzlichen Fokussierstrahlengang ir einer die Beobachtung nicht störenden Wellenlänge, durch den ein Leuchtfleck auf dem Objekt erzeugt wird, mit hinter dem Objektiv angeordnetem, dichroitischem Lichtteiler, um den zwischen Objekt und dichroitischen Lichtteiler mit dem Beobachtungsstrahlengang überlagerten Fokussierstrahlengang vom Beobachtungsstrahlengang abzutrennen, mit Mitteln zur Strahlenbegrenzung des Fokussierstrahlenganges in einer Zwischenbildebene, mit einer in einer anderen Zwischenbildebene angeordneten fotoelektrischen Einrichtung und mit einer elektrischen Schaltung, uvn aus dem bei Axialverschiebung der durch den Leuchtfleck definierten Objektebene auftretenden Ausgangssignal der fotoelektrischen Einrichtung ein richtungsabhängiges Signal für den Fokussiermotor zu erzeugen.

Aus der modernen Medizin ist das Operationsmikroskop als Hilfsmittel z. B. des Ophthalmologen, Otologen und Neurologen nicht mehr fortzudenken. Der Trend geht erkennbar dahin, mit gesteigertem Aufwand an Instrumenten immer kompliziertere Operationen bzw. allgemein bekannte Operationen an mehr Patienten mit weniger Zeitaufwand durchzuführen. Bei einer solchen Entwicklung wird aber sehr schnell eine Leistungsgrenze erreicht, wenn die Geräte neben der gesteigerten Funktion auch eine gesteigerte Bedienung erfordern. Beim Operationsmikroskop zeigt sich eine Leistungsgrenze darin, daß eine gewünschte hohe Vergrößerung mit geringerer Tiefenschärfe und kritischer Fokussierung erkauft wird. Hinzu kommt, daß der Operateur für die Verrichtung des Fokussierens eigentlich keine Hand frei hat.

Es sind Anordnungen zum selbsttätigen Fokussieren von Mikroskopen bekannt, bei denen durch einen zusätzlichen Fokussier- oder Meßstrahlengang ein Leuchtfleck oder ein Spaltbild auf dem Objekt erzeugt wird, der bzw. das einen von zwei vorgesehenen Empfängern mit Licht beaufschlagt, wenn sich das Objekt nicht in der Fokusebene befindet. Für die Einführung eines Fokussierlichtbündels in die beiden Beobachtungsstrahlengänge eines Stereomikroskops gibt der bekannte Stand der Technik jedoch keine Anregung.

Bei Operationsmikroskopen, die in Verbindung mit Instrumenten zur Behandlung von Patienten benutzt werden, muß — sofern die Instrumente das Objekt vorübergehend abdecken — die Möglichkeit bestehen, die automatische Fokussierung nicht ständig, sondern nur intermittierend arbeiten zu lassen.

Nach dem Stand der Technik stattet man die derzeitigen Operationsmikroskope mit einer elektrischen Motorfokussierung aus, die über eine Fußwippe

zu betätigen ist Diese Lösung ist aber nur teilweise befriedigend, da in diesem Fall die Fokussierung mit einer Reihe sonstiger instmmentalfunktionen konkurriert, die ebenfalls mit dem Fuß einzuleiten sind.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, den Benutzer eines Stereo- oder Operationsmikroskops von der Bedienungsfunktion des Fokussierens während eines großen Teils der Gebrauchszeit zu befreien.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß für die Fokussierung eines Stereomikroskops, insbesondere eines Operationsmikroskops, der zusätzliche Fokussierstrahlengang in der Mitte zwischen den beiden Beobachtungsstrahlengängen zum Objekt verläuft, daß in jedem der beiden Beobachtungsstrahlengänge ein dichroitischer Lichtteiler vorgesehen ist, daß in den Zwischenbildebenen, in die der Leuchtfleck durch die Objektive abbildbar ist, Mittel zur Bildbegrenzung vorgesehen sind, die aus gleichsinnig angeordneten, lichtundurchlässigen, das Gesichtsfeld halbierenden Schneiden bestehen, daß in jedem der beiden Fokussier-' Strahlengänge ein Fotoempfänger vorgesehen ist und daß die Ausgangssignale der Fotoempfänger einem Differenzverstärker zugeführt werden.

Ein zweckmäßiges Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, daß als Lichtquelle für den Fokussierstrahlengang eine von einem Impulsstrom erregte Lumineszenz- oder Laserdiode vorgesehen ist, und daß als strahlenbegrenzende Mittel in den Fokussierstrahlengängen gleichsinnig angeordnet, lichtundurchlässige und das Gesichts- w feld halbierende Schneiden vorgesehen sind, welchen je eine Okularlinse und ein Fotoempfänger nachgeordnet ist.

Zweckmäßigerweise ist den Fotoempfängern ein Differenzverstärker mit einem phasenempfindlichen Gleichrichter nachgeschaltet und zur Steuerung des Gleichrichters ein Oszillator vorgesehen, welcher zugleich über einen Leistungsverstärker den Impulsstrom für die Impulslichtquelle liefert, und ist außerdem eine Abgleicheinheit für die erstmalige Justierung sowie ein Servoverstärker zur Erzeugung des Betriebsstromes für den Fokussiermotor vorgesehen.

Durch einen Umschalter wird das vom Servoverstärker abgegebene Signal in der einein Schalterstellung zur erstmaligen Festlegung der visuellen Scharfeinstellung einem in der Abgleicheinheit vorhandenen Motorpotentiometer zugeführt, während der Fokussiermotor dabei manuell einstellbar ist, und in der anderen Schalterstellung auf den Fokussiermotor zur selbsttätigen Nachsteuerung des Mikroskops umgeschaltet.

Um im sichtbaren Spektralbereich ungestört beobachten zu können, ist es vorteilhaft, für das Impulslicht eine Infrarotlichtquelle zu benutzen und das Meßlicht durch durchsichtige Strahlenteiler mit überwiegender Infrarotreflexion aus dem Beobachtungsstrahlengang des Mikroskops zu entfernen.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß sie unempfindlich gegenüber Fremd- und Störlicht sind und daß ihr »Fangbereich« sehr groß ist und dem bei Operationsmikroskopen üblichen Verstellbereich mit einer Empfindlichkeit der Scharfeinstellung von 0,1 mm entspricht. Die Funktion des Abgleichs der automatischen Fokussiereinrichtung kann vom Benutzer in der Weise vorgenommen werden, daß er lediglich eine Taste betätigt und in üblicher Weise das Mikroskop mit vorhandenen Mitteln scharf einstellt. Danach arbeitet die Vorrichtung selbsttätig. Mit dem elektrischen Abgleich werden auch alle kleineren geometrischen, mechanischen, elektrischen und thermischen Schwankungsgrößen ständig neu eliminiert

Ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitendes vorteilhaftes Ausführungsbeispiel ist in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.

In der Darstellung ist der optische Stahlengang eines Stereomikroskops mit den für die erfindungsgemäße automatische Fokussierung erforderlichen Zusatzteilen gezeigt

Das Stereomikroskop besteht aus der für beide Stereoteile gemeinsamen Objektivlinse 1 und den weiteren Objektiven 2 und 3 für die geteilten Stahlengänge 250a und 250&. Die Objektive 2 und 3 bilden das Objekt 4 in die Zwischenbildebenen 5 und 6 ab. Die Zwischenbilder 5 und 6 werden schließlich durch die beiden Okulare 7 und 8 betrachtet, wobei mit 9 und 10 die beiden Augen des Beobachters symbolisiert sind. Eingezeichnet sind ferner die Orte 11 und 12 der Eintrittspupillen sowie 13 und 14 der Austrittspupillen des Strahlenganges.

Zum Zwecke der automatischen Fokussierung des Stereomikroskops ist die Impulslichtquelle 15 vorgesehen, die mit ihrem Strahlenkegel 150 über die Kondensorlinse 16 die kreisförmige Blende 17 homogen ausleuchtet. Sie wird durch die Linse 18, den Umlenkspiegel 19 und die Objektivlinse 1 auf das Objekt 4 abgebildet, auf dem ein homogener, eng begrenzter kreisförmiger Leuchtfleck 17a entsteht. Im Beispiel ist als Impulslichtquelle eine Galliumarsenid-Lumineszenzdiode vorgesehen, die im Wellenlängenbereich um 900 nm emittiert. Da die Strahlung im Infrarotbereich liegt, stört der zusätzliche Lichtfleck die Beobachtung durch das Mikroskop in keiner Weise.

Durch die beiden Strahlengänge 250a und 2506 des Stereomikroskops wird der Leuchtfleck 17a auf dem Objekt 4 ebenfalls in die Ebene der Zwischenbilder 5 und 6 abgebildet. Vor diesen Ebenen befinden sich jedoch, unter 45° angeordnet, die Teilerspiegel 20 und 21 mit den die Wellenlängen um 900 nm überwiegend reflektierenden dünnen Schichten 22 und 23. Diese 45°-Spiegel spiegeln demnach den größten Teil des Infrarotlichtes 150a und 1506 aus den beiden Stereostrahlengängen 250a und 250b heraus, ohne die Beobachtung des Objektes durch die beiden Hauptstrahlengänge zu beeinträchtigen.

Die zur Fokussierung verwendete Infrarotstrahlung gelangt über die Umlenkspiegel 24 und 25 zu den gleichsinnig angeordneten Schneiden 26 und 27, die das Gesichtsfeld halbieren und sich in den zu 5 und 6 korrespondierenden Zwischenbildebenen 28 und 29 befinden. An die Schneiden schließen sich die den Okularen 7 und 8 entsprechenden Linsen 30 und 31 an, die die beiden Foloempfänger 32 und 33 ausleuchten. Diese beiden Fotoempfänger befinden sich an den den Austrittspupillen 13 und 14 entsprechenden Orten. Es handelt sich um Siliziumphotodioden, die auf die Wellenlänge 900 nm des zur Fokussierung dienenden Impulslichtes mit hoher Empfindlichkeit ansprechen.

Bei Defokussierung an den Fotoempfängern 32 und 33 entsteht ein Differenzsignal, das in dem Differenzverstärker 34 verstärkt wird und dann an den phasenempfindlirhen Gleichrichter 35 gelangt. Dieser Gleichrichter wird von dem Oszillator 36 gesteuert, der zugleich über den Leistungsverstärker 37 den Impulsstrom für den Betrieb der Impulslichtquelle 15 liefert.

Das gleichgerichtete Diffcrenzsigruil wird vom

Gleichrichter 35 zunächst der Abgleicheinheit 38 zugeführt, die im wesentlichen ein Motorpotentiometer für die erstmalige Justierung der Anordnung enthält. Ein anschließender Servoverstärker 39 erzeugt dann den Betriebsstrom für den Fokussiermotor 40, der ihm über den Umschalter 41 mit den Kontakten 42 und 43 in der gezeichneten Schalterstellung zugeleitet wird. Der Fokussiermotor 40 verschiebt bei Defokussierung das gesamte Stereomikroskop in der Weise, daß das Objekt 4 immer wieder in die Schärfeebene gelangt.

Zur Entstehung des Differenzsignals kommt es dadurch, daß sich bei Bewegung des Objektes 4 aus der Schärfeebene in Pfeilrichtung 44 der Strahlengang vor der Objektivlinse 1 im Sinne der Pfeile 45 und 46 ändert. Das hat eine äquivalente Verschiebung des Strahlenganges im Stereomikroskop in Richtung der Pfeile 47 und 48 zur Folge. Wesentlich ist nun, daß sich die Zwischenbilder 28 und 29 gegenüber den feststehenden Schneiden 26 und 27 jetzt im Sinne der Pfeile 49 und 50 bewegen. Dadurch erhält der Fotoempfänger 32 mehr Licht und der Fotoempfänger 33 weniger Licht aus vor Beginn der Bewegung des Objektes in der Pfeilrichtung 44. Dadurch entsteht an den Fotoempfängern das Differenzsignal, welches über die Elektronikeinheiten 34,35, 38 und 39 den Fokussiermotor zur Nachstellung des Stereomikroskops auf größtmögliche Schärfe in Richtung des Pfeiles 51 veranlaßt Bei Richtungsumkehr des Pfeiles 44 läuft dieser Vorgang in entgegengesetztem Sinne ab.

Die Abgleicheinheit 38 hat die Aufgabe, die automatische Fokussierung des Stereomikroskops durch visuelle Einstellung auf größte Bildschärfe zu justieren. Für die erstmalige Einstellung der Fokussierautomatik wird zu diesem Zweck der Umschalter 41 mit dem Kontakt 42 verbunden. Ein in der Abgleicheinheit 38 vorhandenes Motorpotentiometer wird dann in dem Sinne eingeregelt, daß der Fokussiermotor 40 bei größter visueller Schärfe stromlos bleibt, bei jeder Defokussierung jedoch das Stereomikroskop erneut in die Schärfeebene nachstellt. Hierzu ist es lediglich erforderlich, den Umschalter 41 wieder mit dem Kontakt 43 zu verbinden. Es ist auch möglich, die automatische Fokussiereinrichtung nicht ständig, sondern nur intermittierend arbeiten zu lassen. Dies ist vor allem dann von Bedeutung, wenn — wie es bei Operationen ja die Regel ist — das Objekt durch Instrumente abgedeckt wird, auf die aber nicht scharf eingestellt werden soll. Die Einrichtung arbeitet dann zweckmäßigerweise nur zu der Zeit automatisch, wenn der Operateur die Instrumente zurückzieht.

Die gemeinsame Objektivlinse 1 für die beiden Stereostrahlengänge des Ausführungsbeispieles ist nicht erfindungswesentlich.

Die Einrichtung ist mit geringen Abänderungen auch für zwei völlig getrennte Stereostrahlengänge verwendbar, indem beispielsweise für das Fokussierstrahlenbündel eine zusätzliche, zentrisch angeordnete Linse vorgesehen wird, wenn statt einer beiden Abbildungsstrahlengängen gemeinsamen Objektivlinse 1 an dieser Stelle zwei getrennte Objektivlinsen angeordnet sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Automatische Fokussiervorrichtung für Mikroskope mit einem zusätzlichen Fokussierstrahlengang in einer die Beobachtung nicht störenden Wellenlänge, durch den ein Leuchtfleck auf dem Objekt erzeugt wird, mit hinter dem Objektiv angeordnetem, dichroitischen Lichtteiler, um den zwischen Objekt und dichroitischen Lichtteiler mit dem Beobachtungsstrahlengang überlagerten Fokussierstrahlengang vom Beobachtungsstrahlengang abzutrennen, mit Mitteln zur Strahlenbegrenmng des Fokussierstrahlenganges in einer Zwischenbildebene, mit einer in einer anderen Zwischenbildebene angeordneten fotoelektrischen Einrichtung und mit einer elektrischen Schaltung, um aus dem bei Axialverschiebung der durch den Leuchtfleck definierten Objektebene auftretenden Ausgangssignal der fotoelektrischen Einrichtung ein richtungsabhängiges Signal für den Fokussiermotor zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet, daß für die Fokussierung eines Stereomikroskops, insbesondere eines Operationsmikroskops, der zusätzliche Fokussierstrahlengang (150) in der Mitte zwischen den beiden Beobachtungsstrahlengängen (250a, 2506^ zum Objekt (4) verläuft, daß in jedem der beiden Beobachtungsstrahlengänge ein dichroitischer Lichtteiler (21, 22) vorgesehen ist, daß in den Zwischenbildebenen (28, 29), in die der Leuchtfleck (XTa)durch die Objektive (1,2,3) abbildbar ist, Mittel (26,27) zur Bildbegrenzung vorgesehen sind, die aus gleichsinnig angeordneten, lichtundurchlässigen, das Gesichtsfeld halbierenden Schneiden bestehen, daß in jedem der beiden Fokussierstrahlengänge (150a, 150£>) ein Fotoempfänger (32,33) vorgesehen ist und daß die Ausgangssignale der Fotoempfänger (32,33) einem Differenzverstärker zugeführt werden.

2. Fokussiervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Lichtquelle für den Fokussierstrahlengang eine von einem Impulsstrom erregte Lumineszenz- oder Laserdiode (15) vorgesehen ist und daß den bildbegrenzenden Mitteln (26, 27) je eine Okularlinse (30,31) nachgeordnet ist.

3. Fokussiervorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Differenzverstärker (34) ein phasenempfindlicher Gleichrichter (35) nachgeschaltet ist, daß zur Steuerung des Gleichrichters (35) ein Oszillator (36) vorgesehen ist, welcher zugleich über einen Leistungsverstärker (37) den Impulsstrom für die Impulslichtquelle (15) liefert, daß außerdem eine Abgleicheinheit (38) für die erstmalige Justierung sowie ein Servoverstärker (39) zur Erzeugung des Betriebsstromes für den Fokussiermotor (40) vorgesehen ist.

4. Fokussiervorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Umschalter (41) mit zwei Kontakten (42,43) zur Festlegung der Scharfeinstellung und zum Betreiben des Fokussiermotors (40) für die selbsttätige Nachsteuerung des Mikroskops vorgesehen ist.

5. Fokussiervorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Fokussierlichtquelle (15) eine im Wellenlängenbereich um 900 nm emittierende Galliumarsenid-Lumineszenzdiode und als Empfänger (32, 22) für diesen Wcllenlängenbereich Siliziumphotodioden vorgesehen sind.

6. Fokussiervorrichtung nach Anspruch I, dadurch

gekennzeichnet, daß die Lichtteiler (20, 21) in dem Spektralbereich des von der Impulslichtquelle (15) ausgesandten Lichtes reflektieren und im sichtbaren Spektralbereich weitgehend durchsichtig sind.

7. Fokussiervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Stereostrahlengänge (250a, 2500; eine gemeinsame Objektivlinse (1) besitzen, die auch zur Abbildung einer im Fokussierstrahlengang (150) befindlichen Blende (17) auf das Objekt (4) dient