EP1979779A1 - Optisches system, verwendung eines optischen systems sowie verfahren zur betrachtung eines objektes mit einem optischen system - Google Patents

Optisches system, verwendung eines optischen systems sowie verfahren zur betrachtung eines objektes mit einem optischen system

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Publication number
EP1979779A1
EP1979779A1 EP07700234A EP07700234A EP1979779A1 EP 1979779 A1 EP1979779 A1 EP 1979779A1 EP 07700234 A EP07700234 A EP 07700234A EP 07700234 A EP07700234 A EP 07700234A EP 1979779 A1 EP1979779 A1 EP 1979779A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
subsystem
imaging stage
optical system
viewing
observation beam
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP07700234A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Christoph Hauger
Fritz STRÄHLE
Ralf Kuschnereit
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Carl Zeiss Meditec AG
Original Assignee
Carl Zeiss Surgical GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Carl Zeiss Surgical GmbH filed Critical Carl Zeiss Surgical GmbH
Publication of EP1979779A1 publication Critical patent/EP1979779A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B21/00—Microscopes
    • G02B21/0004—Microscopes specially adapted for specific applications
    • G02B21/0012—Surgical microscopes
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B21/00—Microscopes
    • G02B21/36—Microscopes arranged for photographic purposes or projection purposes or digital imaging or video purposes including associated control and data processing arrangements
    • G02B21/361—Optical details, e.g. image relay to the camera or image sensor

Definitions

  • the lens is usually designed in a stereoscopic surgical microscope 100, both observation beam paths pass through the objective 101.
  • the second imaging stage of a surgical microscope 100 begins exactly at the point from which the two observation beam paths run separately.
  • the second imaging stage is composed of two subunits.
  • the first subunit is a magnification system or zoom system, with different lenses.
  • the second subunit is the tube.
  • the second subunit is a camera adapter.
  • the focal length of the second imaging stage is usually denoted by f.
  • the image of the object produced by the two-stage imaging system is denoted D in a visual surgical microscope and c for a digital surgical microscope.
  • the image D is viewed with an eyepiece
  • the image c is usually displayed on a display associated with the camera.
  • Decisive for the optical resolution at the location of the image D or c is the numerical aperture NA of the imaging optics.
  • the numerical aperture NA is the sine of the object-side half aperture angle of the lens 101.
  • ⁇ is the wavelength of the light
  • d optical resolution, ie the distance between two points of the object, which are barely resolved.
  • Decisive basic variables are the pupil diameter p and the focal length of the main objective F, from which the object-side numerical aperture NA is calculated.
  • the angle ⁇ denotes the stereo angle, which is calculated from the stereo base B and the focal length F.
  • the first subsystem is usually a stereoscopic visual subsystem with two observation beam paths through which the operator views the object, while the second subsystem usually represents a monoscopic digital subsystem, the observation beam path of this system leading to a camera. That is, in a conventional surgical microscope, a first and a second subsystems are known, wherein the real image of the observed object is displayed once visually and once digitally. The optical object resolution of the two real images is the same size in these known surgical microscopes.
  • An optical system for viewing an object comprising a first
  • optical system in particular a surgical microscope
  • simultaneous viewing of an object with different optical resolutions is made possible.
  • the observer can view the object macroscopically through the first subsystem, ie with an optical resolution which is within the usual range of a conventional surgical microscope, and through the second subsystem Subsystem view an enlarged view of a portion of the same object.
  • Infinite image width here means that the light rays reflected by the object run parallel from the side of the objective facing away from the object. For the emergence of the microscopic intermediate image therefore a Tubuslinse is also necessary.
  • the objective and the tube lens form a functional unit. Due to the parallel course of the light beams, the distance between the lens and the tube lens can be varied. This results in the possibility to provide the second subsystem in this area.
  • An optical system with an infinite focal length lens is compact, stable and flexible in terms of expandability.
  • the objective advantageously has a value range of the numerical aperture NA of 0.09 to 0.14. This is necessary to enable a high resolution of the object or tissue structures of the object.
  • the numerical aperture of the first imaging stage determines the maximum possible optical resolution of the object.
  • a lens which has a numerical aperture NA with a value in the range between 0.09 and 0.14 permits a maximum optical resolution d of approximately 2-3 ⁇ m, the value for the wavelength of the light ⁇ being approximately 500 ⁇ m. 550nm is assumed.
  • Crucial criteria in the evaluation of a histological sample or the dignity of a tumor are the cell variance, the nuclear variance and the nuclear-plasma relation.
  • the diameter of human cells is in the range of 10-20 ⁇ m. Nuclei have a diameter of about 5 ⁇ m. In order for these small structures to be displayed, the optical resolution of the optical system must be around 2.5 ⁇ m. So the first one
  • the lens of the first imaging stage preferably has a numerical aperture with a value in a range between 0.09 to 0.14.
  • a The numerical aperture NA of the objective of the first imaging stage of 0.1 to 0.11 is particularly suitable since it permits an optical resolution of tissue structures of an object in the range of 2.5 ⁇ m. Furthermore, with such an objective, a working distance, ie a distance between objective and object, of approximately 200 mm can be realized.
  • an optical system in which the optical resolution of the second imaging stage of the second subsystem is 2.5 to 3.5 times higher than the optical resolution of the second imaging stage of the first subsystem is advantageous.
  • the first subsystem may be formed as a conventional surgical microscope capable of optically resolving object structures in a range of about 6.5 ⁇ m
  • the second subsystem is a higher resolution microscope, which has object structures in ranges of about 2 ⁇ m. 3 ⁇ m optically dissolve.
  • At least one beam splitter and / or at least one interruption element is provided for the separation of the at least one further observation beam path, which runs through the second imaging stage of the second subsystem, of the at least one observation beam path which passes through the second imaging stage of the first subsystem.
  • a beam splitter separates a part of the light beams of the at least one observation beam path of the first subsystem, deflects it at a predetermined angle and thus forms the at least one further observation beam path of the second imaging stage of the second subsystem.
  • an interruption element may be provided.
  • An interruption element in the sense of the invention is designed in such a way that one or more regions of the interruption elements can be switched between a highly transparent state and a scattering state. Due to the possibility of switching from one or more areas of the
  • any state between both extremes can be realized. This is not possible by the use of a diaphragm, as known from the prior art. Also temporal progressions can be preset, whereby a temporal state pattern of the interruption element or the areas of the interruption element can be realized or can.
  • the present invention is not limited to any particular embodiment of a polymer shutter.
  • a possible embodiment may for example be formed by a pair of glass panes with an active layer interposed therebetween, the active layer comprising free liquid crystal molecules. These can be obtained by photopolymerizing liquid crystal polymer molecules in the presence of conventional liquid crystals.
  • transparent electrodes for applying the electric field can be used.
  • the voltage that can be applied to the polymer shutter may be, for example, 200V, which is the difference between the maximums of a voltage curve.
  • For operation of the polymer shutter only additional electrical connections to the / the polymer shutter (s) must be provided. Under control or activation of the interruption element is in the context of the invention, the displacement of the interruption element or the individual areas of the
  • a further lens system can be introduced mechanically and / or electrically into the at least one further observation beam path of the second imaging stage of the second subsystem.
  • the separation or switching from the first to the second subsystem preferably takes place via a previously mentioned polymer shutter. That is, over the interruption element is sequentially switched between the first subsystem and the second subsystem, wherein the first Subsystem preferably stereoscopic with low numerical aperture and the second subsystem is formed monoscopically with larger numerical aperture.
  • an additional lens system is introduced mechanically and / or electrically into the at least one further observation beam path of the second imaging stage of the second subsystem.
  • the additional lens system is introduced synchronously with the switching of the at least one interruption element in the at least one further observation beam path.
  • Digital second imaging stages of the first and the second subsystem are particularly well suited for an optical system in which the observation beam paths of the first subsystem and the second subsystem run parallel to each other, since the switching can be done quickly.
  • a digital second imaging stage of the second subsystem has a camera with a camera chip, wherein the pixel resolution of the camera connected to the camera adapter of a second imaging stage of the optical resolution at the location of Camera chips corresponds.
  • the detector at a visual imaging stage is the eye of the viewer looking into the eyepiece.
  • the detector is the camera chip.
  • Decisive here is the pixel size of the camera chip. According to the Nyquist theorem, a chip with a pixel size a can detect a minimum structure of size 2a. This is referred to as pixel resolution PA, the pixel cutoff frequency as the inverse of it.
  • the second imaging stage of the first and / or the second subsystem should be designed digital. That is, since the depth of field is very small and the patient or the system always move easily to each other, for example, by the respiration or the heartbeat of the patient, it is in practice only possible to electronically record the high-resolution image. In addition to a fast autofocus, the use of a camera with a high frame rate and short exposure times is particularly advantageous.
  • Observation beam path of the second subsystem can be changed so that the measuring field, i. the subregion of the object represented by the second subsystem can be represented smaller or larger or can be displaced in its position relative to the overall object. This can be done by a previously described interruption element.
  • a polymer shutter is very well suited for a change of the partial area of the object.
  • the opening of the polymer shutter can be set smaller or larger. In this way, in particular, the size of the measuring field of the second subsystem can be changed.
  • its focal length can be switched synchronously with the interruption element 14 by means of a suitable electro-optic or switchable conventional optics in the second imaging stage 8, 9.
  • a suitable electro-optic or switchable conventional optics in the second imaging stage 8, 9. In order for a switching of the magnifications between the stereoscopic and the monoscopic beam path synchronous to the interruption element 14 is possible. That is, over the interruption element 14 is sequentially switched in time between the first subsystem 3 and the second subsystem 5, wherein the first subsystem 3 is preferably stereoscopically formed with a low numerical aperture and the second subsystem 5 monoscopic with larger numerical aperture.
  • FIG. 5 shows an interruption element 14 which is connected in such a way that the observation beam path 4, 6 is monoscopic, while in FIG. 6 the interruption element 14 is connected so that the observation beam path 4, 6 is stereoscopic.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein optisches System zur Betrachtung eines Objektes, aufweisend ein erstes Teilssystem mit zumindest einem Beobachtungsstrahlengang und mindestens ein zweites Teilssystem mit zumindest einem weiteren Beobachtungsstrahlengang, wobei die zumindest zwei Teilsysteme eine gemeinsame oder getrennte erste Abbildungsstufe, und eine unterschiedliche zweite Abbildungsstufe aufweisen, wobei die erste Abbildungsstufe ein Objektiv aufweist, wobei die zweite Abbildungsstufe des ersten Teilssystems visuell oder digital und die zweite Abbildungsstufe des zweiten Teilssystems visuell oder digital ausgebildet ist, bei der eine visuelle Abbildungsstufe zumindest ein Okular und ein Vergrößerungssystem mit verschiedenen Linsen und bei der eine digitale Abbildungsstufe zumindest einen Kameraadapter und ein Vergrößerungssystem mit verschiedenen Linsen aufweist, und wobei die zweite Abbildungsstufe des zweiten Teilssystems derart ausgebildet ist, dass sie eine höhere optische Auflösung des zu betrachtenden Objektes ermöglicht, als die zweite Abbildungsstufe des ersten Teilssystems. Ferner betrifft die Erfindung die Verwendung eines derartigen erfindungsgemäßen optischen Systems sowie ein Verfahren zur Betrachtung eines Objektes mit einem erfindungsgemäßen optischen System.

Description

Optisches System, Verwendung eines optischen Systems sowie Verfahren zur Betrachtung eines Objektes mit einem optischen System
Die vorliegende Erfindung betrifft ein optisches System, insbesondere ein Operationsmikroskop, zur Betrachtung eines Objektes. Ferner betrifft die Erfindung die Verwendung eines derartigen optischen Systems sowie ein Verfahren zur Betrachtung eines Objektes mit einem derartigen optischen System.
Optische Systeme zur Betrachtung eines Objektes sind vielfach bekannt. So werden unter anderem in der Medizin Operationsmikroskope eingesetzt, um Tumore, z.B. im Gehirn und bei der HNO-Untersuchung, zu detektieren. Optische Systeme werden aber auch in vielen anderen Bereichen zur Betrachtung von Objekten eingesetzt. So können derartige optische Systeme beispielsweise zur Betrachtung von Materialproben, Werkstoffen oder Flüssigkeiten eingesetzt werden. Auch in der Chemie finden derartige optische Systeme zur Betrachtung von Stoffen eine Anwendung.
Operationsmikroskope können als zweistufiges Abbildungssystem beschrieben werden, welches ein reelles Bild eines Objektes erzeugt, siehe Fig. 1. Bei Operationsmikroskopen 100 wird zwischen einem visuellen und einem digitalen Operationsmikroskop bzw. zwischen einer visuellen und einer digitalen Abbildungsstufe unterschieden. Bei visuellen Operationsmikroskopen 100 erfolgt der Einblick in das Operationsmikroskop 100 durch ein Okular, während bei einem digitalen Operationsmikroskop 100 die Bildaufnahme mit einem Kamerachip erfolgt. Die erste Abbildungsstufe eines Operationsmikroskops 100 weist ein Objektiv 101 mit einer Brennweite F, das so genannte Hauptobjektiv, auf. Das Objektiv 101 kann eine feste Brennweite haben oder als so genanntes Varioskop ausgebildet sein, d.h. mit einer veränderbaren Brennweite. Das Objektiv ist in der Regel so ausgebildet, dass bei einem stereoskopischen Operationsmikroskop 100 beide Beobachtungsstrahlengänge das Objektiv 101 durchsetzen. Die zweite Abbildungsstufe eines Operationsmikroskops 100 beginnt genau an der Stelle, ab der die beiden Beobachtungsstrahlengänge getrennt verlaufen. Üblicherweise ist die zweite Abbildungsstufe aus zwei Untereinheiten zusammengesetzt. Die erste Untereinheit ist ein Vergrößerungssystem bzw. Zoomsystem, mit unterschiedlichen Linsen. Im Falle eines visuellen Operationsmikroskops 100 ist die zweite Untereinheit der Tubus. Im Falle eines digitalen Operationsmikroskops 100 ist die zweite Untereinheit ein Kameraadapter. Die Brennweite der zweiten Abbildungsstufe wird in der Regel mit f bezeichnet. Das von dem zweistufigen Abbildungssystem erzeugte Bild des Objektes wird bei einem visuellen Operationsmikroskop mit D, bei einem digitalen Operationsmikroskop mit c bezeichnet. Bei einem visuellen Operationsmikroskop wird das Bild D mit einem Okular betrachtet, bei einem digitalen Operationsmikroskop 100 wird das Bild c üblicherweise auf einem der Kamera zugeordneten Display angezeigt.
Die Vergrößerung v des Gesamtsystems setzt sich aus dem Verhältnis der Brennweiten der beiden Abbildungsstufen f/F zusammen. Im Falle des visuellen Operationsmikroskops 100 kommt die Vergrößerung des Okulars multiplikativ hinzu. Der Arbeits- bzw. Operationsabstand AA, d.h. der Abstand zwischen Objektiv 101 und Objekt bzw. dem Objektfeld OD, wird durch das Objektiv 101 der ersten Abbildungsstufe bestimmt. Bei bekannten Operationsmikroskopen 100 liegt der übliche Operationsabstand zwischen 200mm und 500mm.
Entscheidend für die optische Auflösung am Ort des Bildes D bzw. c ist die numerische Apertur NA der abbildenden Optik. Die numerische Apertur NA ist der Sinus des objektseitigen halben Öffnungswinkels des Objektivs 101. Je höher der Wert für die numerische Apertur ist, desto größer ist auch das Auflösungsvermögen eines Objektivs 101. D.h., die Fähigkeit eines Objektivs 101 , zwei benachbarte Details im Präparat aufzulösen, hängt von dessen numerischer Apertur NA ab. Die nachfolgende Formel dient der Berechnung des theoretisch möglichen optischen Auflösungsvermögens eines Objektivs 101 aus der numerischen Apertur: d = λ/2«NA. λ ist die Wellenlänge des Lichtes, d die optische Auflösung, d.h. der Abstand zwischen zwei Punkten des Objektes, die gerade noch aufgelöst werden. Entscheidende Grundgrößen sind der Pupillendurchmesser p und die Brennweite des Hauptobjektivs F, aus denen sich die objektseitige numerische Apertur NA berechnet. Der Winkel α bezeichnet den Stereowinkel, der sich aus der Stereobasis B und der Brennweite F berechnet.
Das am Ort D bzw. c erzeugte reelle Bild muss mittels eines geeigneten Detektors aufgenommen werden. Im Falle des visuellen Operationsmikroskops 100 ist der Detektor das Auge des Betrachters, das das Bild am Ort D durch das Okular betrachtet. Im Falle des digitalen Operationsmikroskops 100 ist der Detektor ein Kamerachip, der direkt am Ort des Bildes c positioniert ist.
Aus dem Stand der Technik ist ein optisches System mit zwei Teilsystemen bekannt. Das erste Teilsystem ist meist ein stereoskopisches visuelles Teilsystem mit zwei Beobachtungsstrahlengängen durch das der Operateur das Objekt betrachtet, während das zweite Teilsysteme meist ein monoskopisches digitales Teilsystem darstellt, wobei der Beobachtungsstrahlengang dieses Systems zu einer Kamera führt. D.h., bei einem herkömmlichen Operationsmikroskop sind somit ein erstes und ein zweites Teilsystem bekannt, wobei das reelle Bild des betrachteten Objektes einmal visuell und einmal digital dargestellt wird. Die optische Objektauflösung der beiden reellen Bilder ist bei diesen bekannten Operationsmikroskopen gleich groß.
Ein Operationsmikroskop liefert dem Betrachter somit eine vergrößerte Ansicht des Objektes bzw. des Operationsfeldes und ermöglicht dem Operateur das Manipulieren von kleinen Gewebestrukturen unter optimaler Beleuchtung. Der
Vergrößerungsbereich eines Operationsmikroskops liegt im Bereich des 3.5 bis 20fachen.
Es gibt während einer Operation zahlreiche Situationen, in denen eine deutlich verbesserte, im zellulären Bereich liegende Vergrößerung für diagnostische Zwecke im Sinne einer optischen Biopsie, d.h. nicht für die eigentliche manuelle Durchführung der Operation, wünschenswert wäre. Gleiches gilt bei der Betrachtung von kleinsten Strukturen. Zur Betrachtung von Materialstrukturen an Objekten, die beispielsweise Maserungen etc, aufweisen, ist es wünschenswert eine sehr gute Vergrößerung der betrachteten Objekte zu erhalten.
Es ist aus dem Stand der Technik bekannt, bei Eingriffen in Gewebestrukturen Gewebeproben zu entnehmen und diese von einem Pathologen während der Operation in vitro untersuchen zu lassen. Das Ergebnis dieser parallelen Untersuchung ist für den weiteren Verlauf der Operation von großer Bedeutung. Liegt beispielsweise ein Tumor vor, muss dieser möglichst vollständig entfernt werden. Nachteilig bei aus dem Stand der Technik bekannten parallel zur Betrachtung des Objektes durchgeführten Untersuchung der Gewebestruktur ist, dass diese dem zu untersuchenden Objekt zunächst entnommen werden muss und dann von einer weiteren Person, insbesondere einem Pathologen parallel zur Operation untersucht werden muss. Dies hat neben dem zeitlichen Nachteil auch den Nachteil höherer Kosten, da zusätzlich pathologische Untersuchungen durchgeführt werden müssen. Ferner wird das zu untersuchende Objekt durch die Entnahme einer Gewebeprobe beschädigt. Dies ist insbesondere dann von Nachteil, wenn bei der nachfolgenden Untersuchung herauskommt, dass die Gewebestruktur gesund ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein optisches System und ein Verfahren zu schaffen, welches auf eine einfache, schnelle und kostengünstige Art und Weise ermöglicht eine Untersuchung von Gewebestrukturen, die eine Größe im zellulären Bereich aufweisen, an einem Objekt durchzuführen, ohne dass dem Objekt Schaden zugeführt wird. Das optische System, insbesondere ein Operationsmikroskop, soll dabei die gleichzeitige Betrachtung eines Objektes mit verschiedenen Auflösungen ermöglichen, wobei das optische System dem Betrachter neben der makroskopisch möglichen optischen Auflösung eines herkömmlichen Operationsmikroskops eine optische Auflösung im zellulären Bereich bieten soll.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass diese Aufgabe gelöst werden kann, indem ein einziges optisches System, insbesondere ein Operationsmikroskop, mehrere Funktionen ausführen kann. Die Aufgabe wird daher erfindungsgemäß gelöst durch ein optisches System gemäß Patentanspruch 1 und durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 18. Ferner wird die Aufgabe durch die Verwendung des erfindungsgemäßen optischen Systems gemäß Anspruch 17 gelöst. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen. Merkmale und Details, die im
Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen optischen System beschrieben sind, gelten dabei selbstverständlich, soweit anwendbar, auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und jeweils umgekehrt.
Ein optisches System zur Betrachtung eines Objektes, aufweisend ein erstes
Teilssystem mit zumindest einem Beobachtungsstrahlengang und mindestens ein zweites Teilssystem mit zumindest einem weiteren Beobachtungsstrahlengang, wobei die zumindest zwei Teilsysteme eine gemeinsame oder getrennte erste Abbildungsstufe, und eine unterschiedliche zweite Abbildungsstufe aufweisen, wobei die erste Abbildungsstufe ein Objektiv aufweist, wobei die zweite Abbildungsstufe des ersten Teilssystems visuell oder digital und die zweite Abbildungsstufe des zweiten Teilssystems visuell oder digital ausgebildet ist, bei der eine visuelle Abbildungsstufe zumindest ein Okular und ein Vergrößerungssystem mit verschiedenen Linsen und bei der eine digitale Abbildungsstufe zumindest einen Kameraadapter und ein Vergrößerungssystem mit verschiedenen Linsen aufweist, und wobei die zweite Abbildungsstufe des zweiten Teilssystems derart ausgebildet ist, dass sie eine höhere optische Auflösung des zu betrachtenden Objektes ermöglicht, als die zweite Abbildungsstufe des ersten Teilssystems, stellt ein optisches System dar, welches auf eine einfache, schnelle und kostengünstige Art und Weise ermöglicht eine Untersuchung von Gewebestrukturen, die eine Größe im zellulären Bereich aufweisen, an einem Objekt durchzuführen, ohne dass dem Objekt Schaden zugeführt wird. Durch das erfindungsgemäße optische System, insbesondere ein Operationsmikroskop, wird dabei die gleichzeitige Betrachtung eines Objektes mit verschiedenen optischen Auflösungen ermöglicht. Der Betrachter kann beispielsweise durch das erste Teilsystem das Objekt makroskopisch betrachten, d.h. mit einer im üblichen Bereich eines herkömmlichen Operationsmikroskops liegenden optischen Auflösung, und durch das zweite Teilsystem eine nochmals vergrößerte Darstellung eines Teilbereiches des gleichen Objektes betrachten.
Durch das erste Teilsystem erhält der Betrachter bzw. der Operateur des Objektes eine zur Operation des Objektes ausreichende Vergrößerung, die in der Regel in einem Bereich 3.5-20fach liegt. Durch das zweite Teilsystem kann der Betrachter bzw. der Operateur Gewebestrukturen des Objektes nochmals vergrößert betrachten. Dies ist zwar für die eigentliche manuelle Durchführung der Operation an dem Objekt nicht erforderlich, ermöglicht dem Betrachter bzw. dem Operateur aber eine detaillierter Auflösung der Gewebestrukturen für diagnostische Zwecke. Durch das erfindungsgemäße optische System kann der Betrachter bzw. der Operateur eines Objektes mit ein und demselben optischen System sowohl eine detaillierte Diagnose von Gewebestrukturen und gleichzeitig eine Operation an dem Objekt durchführen. Eine Entnahme einer Gewebeprobe mit anschließender pathologischer Untersuchung ist überflüssig, wodurch zum einem das zu untersuchende Objekt keinen Schaden nimmt und zum anderen eine erhebliche Zeitersparnis zur Stellung einer Diagnose möglich ist. Als Objekte, welche mit einen derartigen optischen System betrachtet werden können, kommen neben menschlichen Gewebestrukturen auch Gewebestrukturen von Werkstoffen in Frage. So können die Objekte auch Stoffe für Kleidung, Metallproben, Kunststoff proben oder Holzproben sein. Ferner lassen sich Flüssigkeiten einfach und gut mit einem derartigen optischen System betrachten. Insbesondere Strömungen oder eine Partikelverteilung lassen sich in Flüssigkeiten gut betrachten.
Das optische System weist ein erstes Teilssystem mit zumindest einem
Beobachtungsstrahlengang und mindestens ein zweites Teilssystem mit zumindest einem weiteren Beobachtungsstrahlengang auf. Die beiden Teilsysteme können jeweils eine eigene erste Abbildungsstufe aufweisen, mit je einem eigenen Objektiv. Diese Lösung des optischen Systems ist allerdings aufwendig, da eine Umschaltung von einem zum anderen Objektiv notwendig ist. Die unterschiedlichen Objektive können über einen Drehmechanismus in den Beobachtungsstrahlengang eingeführt werden. Mehrere Objektive bedeuten aber auch erhöhte Kosten. Aus diesem Grund ist es besonders vorteilhaft, wenn die beiden Teilsysteme eine gemeinsame erste Abbildungsstufe aufweisen, wodurch das optische System, insbesondere ein Operationsmikroskop, einfach und kompakt ausgebildet ist. Eine gemeinsame erste Abbildungsstufe spart Kosten gegenüber einem optischen System mit getrennten ersten Abbildungsstufen ein. Die erste Abbildungsstufe weist besonders bevorzugt ein Objektiv mit einer unendlichen Bildweite und einem Wertebereich der numerischen Apertur von 0,09 bis 0,14 auf. Unendliche Bildweite bedeutet hier, dass die vom Objekt reflektierten Lichtstrahlen ab der dem Objekt abgewandten Seite des Objektivs parallel verlaufen. Für die Entstehung des mikroskopischen Zwischenbildes ist deshalb zusätzlich eine Tubuslinse notwendig. Das Objektiv und die Tubuslinse bilden hierbei eine funktionelle Einheit. Bedingt durch den parallelen Verlauf der Lichtstrahlen kann die Entfernung zwischen dem Objektiv und der Tubuslinse variiert werden. Hierdurch ergibt sich die Möglichkeit in diesem Bereich das zweite Teilsystem vorzusehen. Ein optisches System mit einem Objektiv mit unendlicher Brennweite ist kompakt, stabil und flexibel hinsichtlich der Ausbaubarkeit.
Das Objektiv weist vorteilhafterweise einen Wertebereich der numerischen Apertur NA von 0,09 bis 0,14 auf. Dies ist erforderlich um eine hohe Auflösung des Objektes bzw. der Gewebestrukturen des Objektes zu ermöglichen. Die numerische Apertur der ersten Abbildungsstufe bestimmt die maximal mögliche optische Auflösung des Objektes. Ein Objektiv, welches eine numerische Apertur NA mit einem Wert in dem Bereich zwischen 0,09 bis 0,14 aufweist, ermöglicht eine maximale optische Auflösung d von ca. 2-3μm, wobei als Wert für die Wellenlänge des Lichtes λ ca. 500-550nm angenommen wird. Entscheidende Kriterien bei der Bewertung einer histologischen Probe bzw. der Dignität eines Tumors sind die Zellvarianz, die Zellkernvarianz und die Kern-Plasma-Relation. Der Durchmesser menschlicher Zellen liegt im Bereich von 10-20μm. Zellkerne haben einen Durchmesser von ca. 5μm. Damit diese kleinen Strukturen dargestellt werden können, muss die optische Auflösung des optischen Systems bei ca. 2.5μm liegen. Damit die erste
Abbildungsstufe die optische Auflösung des gesamten optischen Systems nicht begrenzt, weist das Objektiv der ersten Abbildungsstufe bevorzugt eine numerische Apertur mit einem Wert in einem Bereich zwischen 0,09 bis 0,14 auf. Eine numerische Apertur NA des Objektivs der ersten Abbildungsstufe von 0,1 bis 0,11 ist besonders geeignet, da hiermit eine optische Auflösung von Gewebestrukturen eines Objektes im Bereich von 2.5μm möglich ist. Ferner kann mit einem derartigen Objektiv ein Arbeitsabstand, d.h. ein Abstand zwischen Objektiv und Objekt, von ca. 200mm realisiert werden.
Die zweiten Abbildungsstufen der beiden Teilsysteme sind erfindungsgemäß unterschiedlich ausgebildet, wobei die zweite Abbildungsstufe des zweiten Teilssystems derart ausgebildet ist, dass sie eine höhere optische Auflösung des zu betrachtenden Objektes ermöglicht, als die zweite Abbildungsstufe des ersten Teilssystems. Dies ermöglicht dem Betrachter des Objektes das Objekt mit unterschiedlichen optischen Auflösungen zu betrachten. Das erste Teilsystem stellt ein reelles Bild des Objektes mit einer kleineren optischen Auflösung dar, als das zweite Teilsystem. Der Betrachter kann das Objekt zunächst durch das erste Teilsystem des optischen Systems betrachten um einen Überblick über die
Gewebestruktur des Objektes zu erhalten. Das erste Teilsystem ermöglicht ihm beispielsweise eine stereoskopische Betrachtung des Objektes in einem üblichen Vergrößerungs- und Auflösungsbereich eines bekannten Operationsmikroskops. Im besten Fall bedeutet dies für ein visuelles stereoskopisches Operationsmikroskop nach dem bekannten Stand der Technik, dass am Ort des Zwischenbildes eine Auflösung von ca. 5.5μm vorliegt. Umgerechnet auf Objektgrößen kann daher ein optisches System, bei dem die zweite Abbildungsstufe visuell ausgebildet ist, maximal Objektstrukturen in Bereich von ca. 6,5μm optisch auflösen. Ein optisches System mit einem derartigen ersten Teilsystem ermöglicht das Auffinden von kritischen Stellen innerhalb des Gewebes des Objektes, ohne dass eine detaillierte Betrachtung, die eine Diagnose der Gewebestrukturen zulässt, möglich wäre.
Vorteilhaft ist daher ein optisches System, bei dem die optische Auflösung der zweiten Abbildungsstufe des zweiten Teilssystems um das 2,5 bis 3,5fache höher ist, als die optische Auflösung der zweiten Abbildungsstufe des ersten Teilssystems. Insbesondere bevorzugt ist ein optisches System, bei dem die zweite Abbildungsstufe des ersten Teilssystems derart ausgebildet ist, dass sie Objekte von der Größe von bis zu 6,0μm optisch auflöst, und dass die zweite Abbildungsstufe des zweiten Teilssystems derart ausgebildet ist, dass sie Objekte von der Größe von bis zu 2,0μm optisch auflöst. Bei einem derartigen optischen System kann das erste Teilsystem als ein herkömmliches Operationsmikroskop ausgebildet sein, welches Objektstrukturen in einem Bereich von ca. 6.5μm optisch auflösen kann, und dass zweite Teilsystem stellt ein höher auflösendes Mikroskop dar, welches Objektstrukturen in Bereichen von ca. 2-3μm optisch auflösen kann.
Bei einer visuellen Abbildungsstufe sind zumindest ein Okular und eine Tubuslinse sowie ein Vergrößerungssystem mit verschiedenen Linsen und bei einer digitalen Abbildungsstufe sind zumindest ein Kameraadapter und ein Vergrößerungssystem mit verschiedenen Linsen vorgesehen. Das Vergrößerungssystem kann als Zoomsystem ausgebildet sein.
Das erfindungsgemäße optische System ermöglicht beispielsweise eine stereoskopische Beobachtung eines Objektes im üblichen Vergrößerungs- und Auflösungsbereich eines Operationsmikroskops und gleichzeitige eine zelluläre Auflösung bei deutlich erhöhter Vergrößerung und dadurch bedingter reduzierter Schärfentiefe. Zelluläre Auflösung bedeutet im Rahmen dieser Erfindung eine optische Auflösung in einer Größenordnung von 2-3μm. Das erfindungsgemäße optische System weist bevorzugt ein zweites Teilsystem auf, dessen optische Auflösung im zellulären Bereich liegt.
Bevorzugt ist ferner ein optisches System, bei dem, bedingt durch den Aufbau der zweiten Abbildungsstufe, die objektseitige numerische Apertur des ersten Teilssystems kleiner ist als die entsprechende numerische Apertur des zweiten Teilssystems. Da die objektseitige numerische Apertur das Maß für die optische Auflösung darstellt, ist die optische Auflösung des zweiten Teilsystems größer, als die des ersten Teilsystems. D.h., bei einer gemeinsamen ersten Abbildungsstufe ist die objektseitige numerische Apertur des zweiten Teilssystems bevorzugt um den Faktor 3-3,5 größer, als die numerische Apertur der zweiten Abbildungsstufe des ersten Teilssystems. Eine Erhöhung der numerischen Apertur um den Faktor 3 hat eine Verkleinerung der Schärfentiefe um den Faktor 9 zur Folge, da die Schärfentiefe mit dem Quadrat der numerischen Apertur skaliert. Da die numerische Apertur des Objektivs umgekehrt proportional zur Brennweite des Objektivs, skaliert, ist für Aufnahmen mit zellulärer Auflösung eine möglichst geringe-Brennweite anzustreben. Ein ausreichend großer Arbeitsabstand ist aber eine Grundvoraussetzung für ein erfolgreiches Operieren. Üblicherweise liegt der Arbeitsabstand eines Operationsmikroskops zwischen 200mm und 500mm. Dies ermöglicht eine ausreichende Bewegungsfreiheit für den Operateur. Aufgrund des Erfordernisses der numerischen Apertur von 0,09-0,14 für das Objektiv der ersten Abbildungsstufe muss das optische System für den Fall einer Aufnahme mit zellulärer Auflösung nahe vor das Objekt gebracht werden, d.h. mit einem möglichst geringen Arbeitsabstand. Ein Arbeitsabstand von ca. 200mm wäre ein bevorzugter Arbeitsabstand.
Zur Trennung des zumindest einen weiteren Beobachtungsstrahlengang, der durch die zweite Abbildungsstufe des zweiten Teilssystems verläuft, von dem zumindest einen Beobachtungsstrahlengang, der durch die zweite Abbildungsstufe des ersten Teilssystems verläuft, ist zumindest ein Strahlenteiler und/oder zumindest ein Unterbrechungselement vorgesehen ist. Ein Strahlteiler trennt einen Teil der Lichtstrahlen des zumindest einen Beobachtungsstrahlengangs des ersten Teilssystems auf, lenkt diesen in einem vorbestimmten Winkel um und bildet somit den zumindest einen weiteren Beobachtungsstrahlengang der zweiten Abbildungsstufe des zweiten Teilssystems. Alternativ oder zusätzlich zu dem Strahlenteiler kann ein Unterbrechungselement vorgesehen sein. Ein Unterbrechungselement im Sinne der Erfindung ist derart ausgebildet, dass einzelne oder mehrere Bereiche der Unterbrechungselemente zwischen einem hoch transparenten Zustand und einem Streuzustand schaltbar sind. Durch die Schaltungsmöglichkeit von einem oder mehreren Bereich(en) des
Unterbrechungselementes zwischen einem transparenten und einem diffusen Zustand, kann das Unterbrechungselement in dem optischen System mehrere Funktionen ausführen. Im diffusen Zustand, in dem das Unterbrechungselement eine hohe Streuwirkung aufweist, verschließt der Bereich bzw. verschließen die Bereiche des Unterbrechungselementes Teile des Strahlenganges, in dem es angeordnet ist, insbesondere Teile des oder der Beobachtungsstrahlenganges/-gänge. Somit übernimmt ein Unterbrechungselement die Aufgabe einer partiellen Verschlussblende bzw. von so genannten Lichtfallen. In dem transparenten Zustand behindern die Bereiche des Unterbrechungselementes den/die Beobachtungsstrahlengang/-gänge nicht. Ein Unterbrechungselement kann auch eine so genannte Blockmatrix darstellen. D.h., die Querschnittsfläche des Unterbrechungselementes ist in eine Vielzahl von Blöcken bzw. Rastern unterteilt, wobei jeder einzelne Block bzw. jedes einzelne Raster von einem transparenten Zustand in einen diffusen Zustand schaltbar ist. Das Unterbrechungselement kann auch derart ausgebildet sein, dass dieses einen oder mehrere verschwenkbare Zeiger aufweist, wobei das oder die Ende(n) des/der Zeiger(s) die Größe eines oder mehrerer Raster(s) aufweist/aufweisen. Je nach Bedarf kann der oder können die Zeiger gezielte Bereiche eines Unterbrechungselementes abdecken und so Teile eines Strahlenganges blockieren. Das Unterbrechungselement kann auch eine oder mehrere mechanische oder elektrische Blende(n) darstellen, die in den/die Beobachtungsstrahlengang/-gänge eingefügt werden können.
Das Unterbrechungselement stellt vorzugsweise einen elektrooptischen Schalter dar, welcher elektronisch angesteuert werden kann. Durch die elektronische Ansteuerung des Unterbrechungselementes kann ein schnelles Umschalten der jeweiligen Bereiche des Unterbrechungselementes zwischen den unterschiedlichen Zuständen gewährleistet werden. Neben dem Zustand des vollständigen Blockierens der Strahlen, d.h. dem diffusen Zustand, oder dem Zustand des vollständigen
Durchlassens von Strahlen, d.h. dem transparenten Zustand, kann auch jeder Zustand zwischen beiden Extremen realisiert werden. Dies ist durch den Einsatz einer Blende, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist, nicht möglich. Auch zeitliche Verläufe können hierbei voreingestellt werden, wodurch ein zeitliches Zustandsmuster des Unterbrechungselementes bzw. der Bereiche des Unterbrechungselementes realisiert werden kann bzw. können.
Das Unterbrechungselement stellt vorzugsweise ein elektronisch schaltbares Flüssigkristall-Polymer-Element (LCP) dar. Dieses Flüssigkristall-Polymer-Element, das im Folgenden auch als Polymer-Verschlussblende oder als Polymer-Shutter bezeichnet wird, ist besonders vorteilhaft, da dieses zum einen zuverlässig in die beiden erfindungsgemäß erforderlichen Zustände gebracht werden kann und andererseits eine sehr hohe Reaktionsgeschwindigkeit bei der Ansteuerung besitzt. Als Polymer-Shutter wird insbesondere ein optisches Element bezeichnet, das auf der Basis elektronisch steuerbarer Lichtstreuung arbeitet. Dieses Element wird von einem externen elektrischen Feld gesteuert, wobei das Element durch die entsprechende Ausrichtung der Kristalle hoch transparent ist, wenn das elektrische Feld abgeschaltet ist, und dem Flüssigkristall-Polymer-Element durch Anlegen des elektrischen Feldes ein hoher Trübungsgrad und damit ein hohes Streuungsvermögen verliehen wird. Polymer-Shutter arbeiten mit unpolahsiertem Licht und ermöglichen über den gesamten sichtbaren Bereich eine hohe Transmission. Als Flüssigkristall-Polymer-Element können Polymer-Shutter verwendet werden, die eine Reaktionszeit im Submillisekunden-Bereich aufweisen.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf eine bestimmte Ausführungsform eines Polymer-Shutters beschränkt. Eine mögliche Ausführungsform kann beispielsweise durch ein Paar Glasscheiben mit einer dazwischen angeordneten aktiven Schicht gebildet sein, wobei die aktive Schicht freie Flüssigkristall-Moleküle aufweist. Diese können durch eine Photopolymerisation von Flüssigkristall-Polymermolekülen in Gegenwart von herkömmlichen Flüssigkristallen erhalten werden. Bei dem Polymer- Shutter können beispielsweise transparente Elektroden zum Aufbringen des elektrischen Feldes verwendet werden. Die Spannung, mit der der Polymer-Shutter beaufschlagt werden kann, kann beispielsweise bei 200V liegen, wobei dies die Differenz der Maxima eines Spannungsverlaufs darstellt. Zum Betrieb der Polymer- Shutter müssen lediglich zusätzliche elektrische Anschlüsse an dem/den Polymer- Shutter(n) vorgesehen sein. Unter Ansteuern beziehungsweise Aktivieren des Unterbrechungselementes wird im Sinne der Erfindung das Versetzen des Unterbrechungselementes bzw. der einzelnen Bereiche des
Unterbrechungselementes in den diffusen Zustand verstanden. Bei einem Unterbrechungselement, das auf elektronischer Basis arbeitet, bedeutet somit Ansteuern das Anlegen einer erforderlichen Spannung zur Einstellung des Streuzustandes. Bevorzugt weist das optische Gerät eine Betätigungsvorrichtung zur Ansteuerung des ersten Unterbrechungselementes und des zweiten
Unterbrechungselementes auf. Diese Betätigungsvorrichtung kann beispielsweise ein Schalter sein, über den ein Unterbrechungselement oder Bereich des Unterbrechungselementes aktiviert wird. Die beiden Teilsysteme des optischen Systems können beide monoskopisch oder beide stereoskopisch ausgebildet sein. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des optischen Systems ist das erste Teilssystem stereoskopisch und das zweite Teilsystem monoskopisch ausgebildet ist. Die stereoskopische Ausbildung des ersten Teilsystems ermöglicht es, dass der Betrachter zunächst ein erstes vergrößertes Bild des Objektes erhält. Die Vergrößerung des stereoskopischen ersten Teilsystems ist dem eines herkömmlichen Operationsmikroskops gleichzusetzen. Das zweite Teilsystem, welches eine deutliche höhere Auflösung des Objektes im Vergleich zur Auflösung des Objektes des ersten Teilsystems ermöglicht, ist bevorzugt monoskopisch ausgebildet. Ein monoskopisches zweites Teilsystem ist ausreichend um eine vergrößerte Darstellung eines Teilbereiches des Objektes auf einem angeschlossenen Display zu betrachten.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des optischen Systems sieht vor, dass die Beobachtungsstrahlengänge des ersten Teilssystems und des zweiten Teilsystems parallel zueinander verlaufen, wobei die zweite Abbildungsstufe des ersten Teilssystems und zweite Abbildungsstufe des zweiten Teilssystems jeweils digital ausgebildet ist, wobei eine Umschaltung zwischen den Beobachtungsstrahlengängen des ersten Teilssystems und des zweiten Teilsystems durch eine zeitsequentielle Ansteuerung des Unterbrechungselements erfolgt. Weist der Kamerachip der digital ausgebildeten zweiten Abbildungsstufen sehr viele Pixel auf, kann auch im hochauflösenden Fall das betrachtete Objekt bzw. die betrachtete Probe zellulär abgetastet werden.
Alternativ dazu kann mit der Umschaltung auf den zumindest einen weiteren Beobachtungsstrahlengang der zweiten Abbildungsstufe des zweiten Teilssystems ein weiteres Linsensystem mechanisch und/oder elektrisch in den zumindest einen weiteren Beobachtungsstrahlengang der zweiten Abbildungsstufe des zweiten Teilssystems einführt werden. Die Trennung bzw. Umschaltung von dem ersten zu dem zweiten Teilsystem erfolgt bevorzugt über einen zuvor erwähnten Polymer- Shutter. D.h., über das Unterbrechungselement wird zeitlich nacheinander zwischen dem ersten Teilsystem und dem zweiten Teilsystem umgeschaltet, wobei das erste Teilsystem bevorzugt stereoskopisch mit geringer numerischer Apertur und das zweite Teilsystem monoskopisch mit größerer numerischer Apertur ausgebildet ist. Um den Unterschied in der numerischen Apertur zwischen der zweiten Abbildungsstufe des ersten und des zweiten Teilsystems zu erhalten, wird ein zusätzliches Linsensystem mechanisch und/oder elektrisch in den zumindest einen weiteren Beobachtungsstrahlengang der zweiten Abbildungsstufe des zweiten Teilssystems eingeführt. Bevorzugt wird das zusätzliche Linsensystem synchron mit der Umschaltung des zumindest einen Unterbrechungselementes in den zumindest einen weiteren Beobachtungsstrahlengang eingeführt. Digitale zweite Abbildungsstufen des ersten und des zweiten Teilsystems eignen sich besonders gut für ein optischen Systems, bei dem die Beobachtungsstrahlengänge des ersten Teilssystems und des zweiten Teilsystems parallel zueinander verlaufen, da die Umschaltung schnell erfolgen kann.
Von Vorteil ist ferner ein optisches System, bei dem die Austrittspupille des Okulars einer visuellen zweiten Abbildungsstufe in einem Größenbereich zwischen 0,5mm bis 1 ,0mm liegt. Hierdurch liegt die Gesamtvergrößerung des optischen Systems in dem so genannten förderlichen Vergrößerungsbereich. Als Austrittspupille wird bei einem optischen System, wie beispielsweise einem Operationsmikroskop, der Durchmesser der Gerätepupille bezeichnet, die mit der Augenpupille des Betrachters zur Deckung gebracht werden muss. Je höher die Vergrößerung des optischen Systems ist, desto kleiner ist bei vorgegebener objektseitiger numerischer Apertur am Objektiv die Austrittspupille am Okular. Bei dem Durchmesser der Austrittspupille eines optischen Systems ist zu beachten, dass der Wert von 0,5mm nicht unterschritten wird, da sonst durch Beugungseffekte im Auge ein kontrastarmer Bildeindruck entsteht. Man spricht dann auch von leerer Vergrößerung. Andererseits bringt ein Wert von mehr als 1mm kaum noch einen Wahrnehmungsgewinn, bedingt durch das begrenzte Auflösungsvermögen der Netzhaut des Auges.
Bevorzugt ist eine Ausführungsform des optischen Systems, bei dem eine digitale zweite Abbildungsstufe des zweiten Teilssystems eine Kamera mit Kamerachip aufweist, wobei die Pixelauflösung der an den Kameraadapter einer zweiten Abbildungsstufe angeschlossenen Kamera der optischen Auflösung am Ort des Kamerachips entspricht. Der Detektor bei einer visuellen Abbildungsstufe ist das Auge das Betrachters, welches in das Okular hineinschaut. Bei einer digitalen Abbildungsstufe ist der Detektor der Kamerachip. Entscheidend ist hierbei die Pixelgröße des Kamerachips. Nach dem Nyquist-Theorem kann ein Chip mit einer Pixelgröße a eine minimale Struktur der Größe 2a detektieren. Dies wird als Pixelauflösung PA bezeichnet, die Pixelgrenzfrequenz als Kehrwert davon.
Bevorzugt ist ferner ein optisches System, bei dem in einer visuellen und/oder digitalen zweiten Abbildungsstufe des ersten und/oder des zweiten Teilsystems eine Fokussierungseinrichtung vorgesehen ist. Die Fokussierungseinrichtung kann manuell oder automatisch über einen so genannten Autofokus betrieben werden. Durch die Fokussierungseinrichtung kann das Objektiv in Richtung des betrachteten Objektes bewegt werden. Hierdurch kann die Schärfenebene eingestellt werden. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Fokussierungseinrichtung einer digitalen zweiten Abbildungsstufe des ersten und/oder des zweiten Teilsystems eine Elektrooptik aufweist. Hierdurch lässt sich die Schärfenebene besonders leicht einstellen. Insbesondere durch einen Autofokus ist eine einfache Einstellung der Schärfentiefe möglich. Die manuelle Einstellung kann über einen Einstellring am Objektiv erfolgen. Eine derartige Fokussierungseinrichtung in der ersten Abbildungsstufe ist ebenfalls denkbar. Das Objektiv der ersten Abbildungsstufe kann als so genanntes Varioskop ausgebildet sein.
Ein optisches System, bei dem der Strahlenteiler kippbar gelagert ist, ist besonders vorteilhaft. Der Strahlenteiler kann dabei um eine oder mehrere Achse(n) gekippt werden. Das optische System weist vorteilhafterweise eine Kippeinrichtung auf, durch die der Strahlenteiler gekippt werden kann. Durch das Kippen des Strahlenteilers kann das Messfeld des zweiten Teilsystems verschoben werden. Das Messfeld stellt den Teilbereich des Objektes dar, der mit dem zweiten Teilsystem des optischen Systems betrachtet werden kann. Dieser durch das zweite Teilsystem erkennbare Teilbereich des Objektes wird mit einer höheren optischen Auflösung dargestellt, als das Objekt, welches durch das erste Teilsystem betrachtet wird. Das Messfeld stellt somit einen Ausschnitt des Objektes dar. Durch eine Bewegung des Strahlenteilers kann das Messfeld über das betrachtete Objekt verschoben werden, d.h. es kann jeder gewünschte Teilbereich des Objektes darstellt werden, den der Betrachter bzw. der Operateur mit höherer optischer Auflösung betrachten möchte. Das Objekt bzw. das durch das erste Teilsystem betrachtete Objektfeld bleibt unverändert, während der Teilbereich des Objektes, d.h. das Messfeld, variabel über das Objekt bzw. das Objektfeld verschoben werden kann. Durch Kippen des Strahlenteilers kann der Betrachter das Messfeld des zweiten Teilsystems mit zellulärer Auflösung im Objektfeld des ersten Teilsystems positionieren. Die Positionierung des Messfeldes des zweiten Teilsystems kann auch automatisch erfolgen. Hierzu kann der Betrachter Stellen auf dem Objekt bestimmen, die er durch das erste Teilsystem sieht, die dann durch Kippen des Strahlenteilers durch das zweite Teilsystem angefahren werden. Denkbar ist hier auch eine Verschiebung des Messfeldes des zweiten Teilsystems durch eine Bewegung der Pupille des Betrachters. Das optische System kann hierzu eine Messeinrichtung aufweisen, die die Bewegung und die Blickrichtung des Betrachterauges aufnimmt, und eine Steuereinheit die in Abhängigkeit der Blickrichtung das Messfeld verschiebt. Der Strahlenteiler kann bevorzugt als ein Scanspiegel ausgebildet sein.
Das Bild des Messfeldes des zweiten Teilsystems kann zur Betrachtung auf einem an der Kamera angeschlossenen Bildschirm abgebildet werden. Das Bild kann aber auch in den/die Beobachtungsstrahlengang/-gänge des ersten Teilsystems, insbesondere eines stereoskopisch ausgebildeten Teilsystems, eingespiegelt werden. Die Einspielung kann permanent oder sequentiell erfolgen.
Vorteilhaft ist ferner ein optisches System, bei dem die zweite Abbildungsstufe des ersten und/oder des zweiten Teilsystems ein Zoomsystem aufweist. Hierdurch können verschiedene Brennweiten eingestellt werden.
Das Objektiv der ersten Abbildungsstufe des optischen Systems sollte, wie zuvor erwähnt, eine numerische Apertur im Wertebereich von 0,09 bis 0,14 aufweisen. Das Objektiv kann als Teleobjektiv ausgebildet sein. Beim Teleobjektiv steht erst eine positive Gruppe, d.h. eine Sammellinse, im Strahlengang, gefolgt von einer negativen Gruppe, einer so genannten Zerstreuungslinse, wodurch der Arbeitsabstand des Objektivs kürzer als die Brennweite wird. Bevorzugt ist ferner ein optisches System, bei dem das Objektiv der ersten Abbildungsstufe ein Retrofokus- Objektiv ist. Der Begriff Retrofokus bezeichnet eine besondere Bauweise von Objektiven mit kurzer Brennweite. Die Retrofokusbauweise ist die Umkehrung der Tele-Bauform von Objektiven. D.h., bei Retrofokusobjektiven wird die Reihenfolge umgekehrt, wodurch sich der Arbeitsabstand vergrößert. Das Retrofokus-Objektiv hat den Vorteil, dass die Brennweite kleiner als der Arbeitsabstand des Objektivs zum Objekt ist und daher eine hohe Apertur ermöglicht. Mit einem Retrofokus-Objektiv ist besonders einfach eine numerische Apertur im Wertebereich von 0,09 bis 0,14 realisierbar.
Die Verwendung eines zuvor erwähnten optischen Systems zur Betrachtung eines Objektes mit zumindest zwei verschiedenen Auflösungen ermöglicht dem Betrachter bzw. dem Operateur eine „gröbere" und eine „detaillierte" Betrachtung eines Objektes. Insbesondere kann durch die Verwendung eines erfindungsgemäßen optischen Systems zum einen eine Betrachtung eines Objektes in einem herkömmlichen Vergrößerungsbereich und zum anderen eine Betrachtung eines Teilbereichs des Objektes in einem zellulären Bereich erfolgen.
Die Aufgabe wird ferner durch ein Verfahren zur Betrachtung eines Objektes mit einem zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen optischen System gelöst, bei dem der Betrachter durch den zumindest einen Beobachtungsstrahlengang des ersten Teilssystems das Objekt vergrößert und durch den Beobachtungsstrahlengang des zweiten Teilssystems einen Teilbereich des Objekts nochmals vergrößert betrachten kann. So kann der Betrachter des Objektes mit dem ersten Teilsystem des optischen Systems zunächst das Objekt in einer für eine Operation notwendigen Vergrößerung betrachten, wobei die Vergrößerung in der Regel in einem Bereich von 3,5 bis 20fach liegt. Diese Betrachtung des Objektes durch das erste Teilsystem wird auch als makroskopische Betrachtung bezeichnet. Durch das zweite Teilsystem kann der Betrachter Teilbereiche des Objektes nochmals vergrößert betrachten, wobei hier optische Auflösungen im zellulären Bereich möglich sind. Zelluläre Auflösung heißt im Sinne der Erfindung, dass die Auflösung der zweiten Abbildungsstufe des zweiten Teilsystems des optischen Systems bei bis zu 2μm liegt. Hierdurch kann der Betrachter bzw. der Operateur kleinste Gewebestrukturen, insbesondere Zellkerne, betrachten.
Insbesondere bevorzugt ist ein Verfahren zur Betrachtung eines Objektes mit einem zuvor beschriebenen optischen System, bei dem der Betrachter des Objektes durch den zumindest einen weiteren Beobachtungsstrahlengang des zweiten Teilssystems einen Teilbereich des Objektes 2,5 bis 3,5fach vergrößert betrachten kann, als durch den zumindest einen Beobachtungsstrahlengang des ersten Teilssystems. Hierdurch sind optische Auflösungen im zweiten Teilsystem des optischen Systems von bis zu 2μm möglich, während durch das erste Teilsystem des optischen Systems optische Auflösungen von ca. 6,5 μm realisierbar sind.
Vorteilhaft ist ferner ein Verfahren, bei dem über eine Betätigungseinrichtung das zumindest eine Unterbrechungselement und das weitere Linsensystem in den zumindest einen weiteren Beobachtungsstrahlengang der zweiten Abbildungsstufe des zweiten Teilssystems eingeführt wird. Sind beide Teilsystems des optischen Systems digital ausgebildet, so kann über das zumindest eine Unterbrechungselement zwischen dem ersten Teilsystem und dem zweiten Teilsystem hin- und hergeschaltet werden. Durch eine Betätigung der Betätigungseinrichtung wird das zumindest eine Unterbrechungselement und das weitere Linsensystem in den zumindest einen weiteren Beobachtungsstrahlengang der zweiten Abbildungsstufe des zweiten Teilssystems eingeführt bzw. aus diesem entfernt. Es ist dabei besonders vorteilhaft, wenn die Einführung des weiteren Linsensystems in den zumindest einen weiteren Beobachtungsstrahlengang der zweiten Abbildungsstufe des zweiten Teilssystems bzw. das Entfernen des weiteren Linsensystems aus dem zumindest einen weiteren Beobachtungsstrahlengang der zweiten Abbildungsstufe des zweiten Teilssystems synchron zur Umschaltung des zumindest einen Unterbrechungselements erfolgt. Bei digitalen zweiten Abbildungsstufen des optischen Systems erfolgt die Umschaltung zwischen den beiden Teilsystemen besonders einfach und schnell.
Ein Verfahren, bei dem bei einer visuellen Abbildungsstufe des ersten und/oder des zweiten Teilsystems eine Fokussierung manuell oder durch einen Autofokus erfolgt, stellt ein weiteres vorteilhaftes Verfahren dar. Hierdurch können die Brennweiten der ersten und der zweiten Abbildungsstufen des optischen Systems einfach verändert werden. Durch die Veränderung der Brennweiten kann die Schärfentiefe beeinflusst werden.
Zum schnellen Variieren der Brennweiten des ersten und/oder des zweiten Teilsystems kann eine Elektrooptik vorgesehen sein. Vorteilhaft ist dabei ein Verfahren, bei dem bei einer digitalen Abbildungsstufe des ersten und/oder des zweiten Teilsystems eine Fokussierung aufgrund einer Kontrastauswertung der Bilder der Kamera erfolgt. Durch die Auswertung der Bilder hinsichtlich ihres
Kontrastes kann die Brennweite automatisch an die gewünschte Kontrasteinstellung angepasst werden.
Bei ruhenden Objekten kann durch eine manuelle oder automatische Einstellung der Brennweite das optische System fokussiert werden, d.h. der Schärfentiefebereich angepasst werden. Dies kann insbesondere in einer visuellen Abbildungsstufe realisiert werden.
Bei Operationen an einem beweglichen Objekt unter Verwendung üblicher Stative kommt es aufgrund von diesen Bewegungen, z.B. Atembewegungen bei einem menschlichen Objekt, oder aufgrund von Geräteschwingungen zu Relativbewegungen zwischen dem optischen System und dem Objekt, die derart groß sind, dass eine visuelle zweite Abbildungsstufe der Anforderung an die Fokussierung nicht nachkommt. In einem solchen Fall sollte die zweite Abbildungsstufe des ersten und/oder des zweiten Teilsystems digital ausgebildet sein. D.h., da die Schärfentiefe sehr klein ist und der Patient bzw. das System sich immer leicht zueinander bewegen, z.B. durch die Atmung oder den Herzschlag des Patienten, ist es in der Praxis nur möglich, das hoch aufgelöste Bild elektronisch aufzunehmen. Neben einem schnellen Autofokus ist der Einsatz einer Kamera mit einer hohen Frame-Rate und kurzen Belichtungszeiten besonders vorteilhaft. Beim Einsatz einer Kamera mit einer hohen Frame-Rate und kurzen Belichtungszeiten kann durch ein Durchfokussieren ein Stapel von Bildern aufgenommen und aus diesem Stapel von Bildern ein „scharfes" Bild ausgesucht werden. Es ist auch denkbar, das „scharfe" Bild aus verschiedenen Bildern des Stapels von Bildern zusammenzusetzen. Ferner von Vorteil ist ein Verfahren gemäß, bei dem durch eine Veränderung des zumindest einen weiteren Beobachtungsstrahlengangs des zweiten Teilssystems ein Teilbereich des Objektes, das dem Betrachter durch das erste Teilssystem sichtbar ist, variabel bestimmt werden kann. D.h., der zumindest eine weitere
Beobachtungsstrahlengang des zweiten Teilssystems kann derart verändert werden, dass das Messfeld, d.h. der Teilbereich des Objektes, der durch das zweite Teilsystem dargestellt wird, kleiner oder größer dargestellt werden kann oder in seiner Position relativ zum Gesamtobjekt verschiebbar ist. Dies kann durch ein zuvor beschriebenes Unterbrechungselement erfolgen. Insbesondere ein Polymer-Shutter eignet sich sehr gut für eine Veränderung des Teilbereichs des Objektes. Je nach gewünschter Abbildungsgröße des Messfeldes kann die Öffnung des Polymer- Shutter mal kleiner oder mal größer eingestellt werden. Hierdurch kann insbesondere die Größe des Messfeldes des zweiten Teilsystems verändert werden.
Bevorzugt ist des Weiteren ein Verfahren, bei dem die Veränderung des zumindest einen weiteren Beobachtungsstrahlengangs des zweiten Teilssystems durch Kippen des Strahlenteilers bzw. des Scanspiegels erfolgt. Hierdurch ist die Position des betrachteten Teilbereiches des Objektes variabel einstellbar. D.h., das Messfeld des zweiten Teilsystems des optischen Systems ist über das gesamte Objekt verschiebbar. Diese Verschiebung erfolgt in Abhängigkeit von der Neigung des Strahlenteilers bzw. des Scanspiegels. Der Strahlenteiler bzw. der Scanspiegel sind in dem zumindest einem Beobachtungsstrahlengang des ersten Teilssystems des optischen Systems angeordnet und können um eine oder mehrere Achsen gedreht werden. Hierdurch lässt sich das Messfeld in jede beliebige Position verschieben.
Bevorzugt ist ferner ein Verfahren zur Betrachtung eines Objektes mit einem zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen optischen System, bei dem das vergrößert dargestellte Bild des Teilbereichs des Objektes, welches auf einer der Kamera des zweiten Teilsystems zugeordneten Anzeigevorrichtung dargestellt wird, in den zumindest einen Beobachtungsstrahlengang des ersten Teilssystems projiziert wird. Dies ermöglicht dem Betrachter bzw. dem Operateur eine Betrachtung eines Teilbereiches des Objektes mit höherer Auflösung, ohne Veränderung seiner eigenen Position. Er kann beispielsweise durch das erste Teilsystem sowohl das gesamte Objekt mit einer ersten Auflösung, als auch einen Teilbereich des Objektes mit einer zweiten Auflösung, die höher als die erste Auflösung ist, betrachten. Dies ist besonders einfach realisierbar bei einem optischen System mit digitalen zweiten Abbildungsstufen beider Teilsysteme. Der Betrachter braucht seinen Blick nicht von dem ersten Teilsystem entfernen und auf eine dem zweiten Teilsystem zugeordnete Anzeigeeinrichtung wenden, sondern kann seinen Blick unverändert beibehalten, um das Objekt mit zwei verschiedenen Auflösungen zu betrachten. Hierzu wird das in dem zweiten Teilsystem dargestellte Bild zurück in den zumindest einen Beobachtungsstrahlengang des ersten Teilsystems zurückprojiziert und in einer entsprechenden konjugierten Ebene innerhalb des zumindest einen Beobachtungsstrahlengangs dargestellt.
Bevorzugt ist ferner ein Verfahren, bei dem der Betrachter des Objektes, welches er durch das erste Teilsystem betrachtet, bestimmte Positionen auf dem Objekt auswählt, die durch eine Veränderung des zumindest einen weiteren Beobachtungsstrahlenganges des zweiten Teilsystems nacheinander angefahren und in dem zumindest einen weiteren Beobachtungsstrahlengang des zweiten Teilsystems dargestellt werden können. D.h., der Betrachter markiert im Objektfeld verschiedene Stellen, die dann automatisch durch entsprechende Positionierung des Strahlenteilers angefahren werden. Dies hat den Vorteil, dass der Betrachter des Objektes bei der so genannten makroskopischen Betrachtung des Objektes durch das erste Teilsystem zunächst einen guten Überblick über kritisch aussehenden Gewebestrukturen erhält, die er markieren kann, um diese dann automatisch anfahren und mit erhöhter Auflösung durch das zweite Teilsystem darstellen lassen kann. Durch die Möglichkeit der Vorabmarkierung und dem anschließenden automatischen Anfahren der markierten Punkte kann nicht der Fehler entstehen, dass kritische Stellen übersehen werden oder schlichtweg vergessen werden angefahren und vergrößert dargestellt zu werden.
Es ist ferner in der Praxis aus Zeitgründen nicht möglich, große Gewebeareale mit zellulärer Auflösung zu vermessen. Aus diesem Grund ist die Kombination mit einem flächig messenden Verfahren sinnvoll, mit dem größere Gewebeareale erfasst und verdächtige Bereiche identifiziert werden können. Ausschließlich die verdächtigen Areale werden anschließend mit zellulärer Auflösung vermessen. Dadurch wird der Zeitaufwand für die Messung stark verkürzt.
Geeignete flächig messende Verfahren zur Identifizierung verdächtiger Gewebeareale sind die optische Kohärenztomographie, Fluoreszenz- und
Autofluoreszenzverfahren, ramanspektroskopische Verfahren oder Verfahren, die die Polarisations- und Streueigenschaften des Gewebes erfassen.
Das erfindungsgemäße optische System stellt ein Beobachtungsgerät, insbesondere ein Operationsmikroskop dar.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 schematisch den Grundaufbau eines Operationsmikroskops;
Figur 2 schematisch den Aufbau eines erfindungsgemäßen optischen Systems mit stereoskopischen und monoskopischen Strahlengang;
Figur 3 Bildausschnitte eines stereoskopischen Beobachtungsstrahlengangs relativ zu einem monoskopischen Beobachtungsstrahlengang;
Figur 4 eine weitere Ausführungsform eines optischen Systems 1 ;
Figur 5 ein Unterbrechungselement, welches derart geschaltet ist, dass der Beobachtungsstrahlengang monoskopisch ausgebildet ist;
Figur 6 ein Unterbrechungselement, welches derart geschaltet ist, dass der
Beobachtungsstrahlengang stereoskopisch ausgebildet ist;
Figur 7 die Darstellung einer hochauflösenden Optik für eine Ausführungsform eines visuellen optischen Systems; Figur 8 die Darstellung einer hochauflösenden Optik für eine Ausführungsform eines digitalen optischen Systems;
Tabelle 1 mögliche Systemdaten eines visuellen optischen Systems;
Tabelle 2 mögliche Systemdaten eines digitalen optischen Systems.
Fig. 2 zeigt schematisch den Aufbau eines erfindungsgemäßen optischen Systems 1. Das optische System 1 dient der Betrachtung eines Objektes 2, wie beispielsweise einer Werkstoffprobe. Das optische System 1 weist ein erstes Teilsystem 3 mit zumindest einem Beobachtungsstrahlengang 4 und mindestens ein zweites Teilssystem 5 mit zumindest einem weiteren Beobachtungsstrahlengang 6 auf, wobei die zumindest zwei Teilsysteme 3, 5 eine gemeinsame erste Abbildungsstufe 7, und eine unterschiedliche zweite Abbildungsstufe 8, 9 aufweisen. Denkbar ist auch, dass die zumindest zwei Teilsysteme 3, 5 eine getrennte erste Abbildungsstufe 7 aufweisen. Die erste Abbildungsstufe 7 weist ein Objektiv 10 mit einer unendlichen Bildweite und einem Wertebereich der numerischen Apertur NA von 0,09 bis 0,14 auf. Die zweite Abbildungsstufe 8 des ersten Teilssystems 3 kann visuell oder digital und die zweite Abbildungsstufe 9 des zweiten Teilssystems 5 kann ebenfalls visuell oder digital ausgebildet sein. Eine visuelle Abbildungsstufe weist zumindest ein Okular und ein Vergrößerungssystem mit verschiedenen Linsen und eine digitale Abbildungsstufe weist zumindest einen Kameraadapter und ein Vergrößerungssystem mit verschiedenen Linsen auf. Die zweite Abbildungsstufe 9 des zweiten Teilssystems 5 des erfindungsgemäßen optischen Systems 1 ist derart ausgebildet, dass sie eine höhere optische Auflösung des zu betrachtenden Objektes 2 ermöglicht, als die zweite Abbildungsstufe 8 des ersten Teilssystems 3.
Das optische System 1 in Fig. 2 zeigt eine stereoskopisch ausgebildete zweite Abbildungsstufe 8 des ersten Teilssystems 3 und eine monoskopisch ausgebildete zweite Abbildungsstufe 9 des zweiten Teilssystems 5. Die stereoskopisch ausgebildete zweite Abbildungsstufe 8 des ersten Teilssystems 3 und die monoskopisch ausgebildete zweite Abbildungsstufe 9 des zweiten Teilssystems 5 werden nach der ersten Abbildungsstufe 7 mit Hilfe eines Strahlteilers 11 räumlich getrennt. An den Enden der Beobachtungsstrahlengänge 4, 6 können Kameras 15 vorgesehen sein.
Durch das erfindungsgemäße optische System 1 wird die gleichzeitige Betrachtung eines Objektes 2 mit verschiedenen optischen Auflösungen ermöglicht. Der Betrachter kann beispielsweise durch das erste Teilsystem 3 das Objekt 2 makroskopisch betrachten, d.h. mit einer im üblichen Bereich eines herkömmlichen Operationsmikroskops liegenden optischen Auflösung, und durch das zweite Teilsystem 5 eine nochmals vergrößerte Darstellung eines Teilbereiches des gleichen Objektes 2 betrachten.
Das optische System ermöglicht auf eine einfache, schnelle und kostengünstige Art und Weise eine Untersuchung von Gewebestrukturen, die eine Größe im zellulären Bereich aufweisen, an einem Objekt 2 durchzuführen, ohne dass dem Objekt 2 Schaden zugeführt wird.
Durch ein Objektiv 10, welches eine numerische Apertur NA mit einem Wert in dem Bereich zwischen 0,09 bis 0,14 aufweist, kann eine maximale optische Auflösung d von ca. 2-3μm ermöglicht werden, wobei als Wert für die Wellenlänge des Lichtes λ ca. 500-550nm angenommen wird. Der Durchmesser menschlicher Zellen liegt im Bereich von 10-20μm. Zellkerne haben einen Durchmesser von ca. 5μm. Damit diese kleinen Strukturen dargestellt werden können, muss die optische Auflösung des optischen Systems bei ca. 2.5μm liegen. Damit die erste Abbildungsstufe 7 die optische Auflösung des gesamten optischen Systems 1 nicht begrenzt, weist das Objektiv 10 der ersten Abbildungsstufe 7 bevorzugt eine numerische Apertur mit einem Wert in einem Bereich zwischen 0,09 bis 0,14 auf. Besonders bevorzugt ist eine numerische Apertur NA von 0,1 bis 0,11 des Objektivs 10 der ersten Abbildungsstufe 7, da hiermit eine optische Auflösung von Gewebestrukturen eines Objektes 2 im Bereich von 2.5μm möglich ist. Ferner kann mit einem derartigen Objektiv 10 ein Arbeitstabstand AA, d.h. ein Abstand zwischen Objektiv 10 und Objekt 2, von ca. 200mm realisiert werden. Durch das erfindungsgemäße optische System 1 kann der Betrachter bzw. der Operateur eines Objektes 2 mit ein und demselben optischen System 1 eine detaillierte Diagnose von Gewebestrukturen und gleichzeitig eine Operation an dem Objekt 2 durchführen. Eine Entnahme einer Gewebeprobe mit anschließender pathologischer Untersuchung ist überflüssig, wodurch zu einem das zu untersuchende Objekt 2 keinen Schaden nimmt und zum anderen eine erhebliche Zeitersparnis zur Stellung einer Diagnose möglich ist.
Fig. 3 zeigt Bildausschnitte des stereoskopischen Beobachtungsstrahlengangs 4 relativ zum monoskopischen Beobachtungsstrahlengang 6 bei einem rein digitalen optischen System 1. Der Bildausschnitt 12 des stereoskopischen Beobachtungsstrahlengangs 4 ist größer, als der Bildausschnitt 13 des monoskopischen Beobachtungsstrahlengangs 6. Die Größe des Bildausschnitts 13 mit zellulärer Auflösung ändert sich nur relativ zum Bildausschnitt 12 des stereoskopischen Beobachtungsstrahlengangs 4. Für den stereoskopischen
Beobachtungsstrahlengang 4 kann beispielsweise ein Vergrößerungssystem mit einem 6-fachen Zoom verwendet werden.
In der Fig. 4 ist eine weitere Ausführungsform eines optischen Systems 1 dargestellt. Der stereoskopische Beobachtungsstrahlengang 4 des ersten Teilsystems 3 verläuft parallel zum monoskopischen Beobachtungsstrahlengang 6 des zweiten Teilsystems 5. Der stereoskopische Beobachtungsstrahlengang 4 und der monoskopische Beobachtungsstrahlengang 6 verlaufen parallel, d.h. durchsetzen dieselben optischen Elemente. Eine Trennung der beiden Teilsysteme 3, 5 erfolgt zeitsequentiell. Über ein geeignetes Unterbrechungselement 14, insbesondere ein Shutterelement, wie beispielsweise ein Polymer-Shutter, wird zeitlich nacheinander zwischen dem stereoskopischen Beobachtungsstrahlengang 4 mit geringer Apertur und dem monoskopischen Beobachtungsstrahlengang 6 mit hoher Apertur umgeschaltet. Ein derartiges optisches System 1 ist vorteilhaft ausschließlich digital auszulegen, wobei beide Beobachtungsstrahlengänge 4, 6 von einer Kamera detektiert werden. Bei der Ausführungsform des optischen Systems 1 gemäß Fig. 4 kann mittels einer geeigneten Elektrooptik oder einer umschaltbaren konventionellen Optik in der zweiten Abbildungsstufe 8, 9 deren Brennweite synchron zum Unterbrechungselement 14 geschaltet werden kann. Damit ist ein Umschalten der Vergrößerungen zwischen dem stereoskopischen und dem monoskopischen Strahlengang synchron zum Unterbrechungselement 14 möglich. D.h., über das Unterbrechungselement 14 wird zeitlich nacheinander zwischen dem ersten Teilsystem 3 und dem zweiten Teilsystem 5 umgeschaltet, wobei das erste Teilsystem 3 bevorzugt stereoskopisch mit geringer numerischer Apertur und das zweite Teilsystem 5 monoskopisch mit größerer numerischer Apertur ausgebildet ist. Um den Unterschied in der numerischen Apertur zwischen der zweiten Abbildungsstufe 8 ,9 des ersten und des zweiten Teilsystems 3, 5 zu erhalten, wird ein zusätzliches, nicht dargestelltes, Linsensystem mechanisch und/oder elektrisch in den Beobachtungsstrahlengang 6 der zweiten Abbildungsstufe 9 des zweiten Teilssystems 5 eingeführt. Digitale zweite Abbildungsstufen 8, 9 des ersten und des zweiten Teilsystems 3, 5 eignen sich besonders gut für ein optischen Systems 1 , bei dem die Beobachtungsstrahlengänge 4, 6 des ersten Teilssystems 3 und des zweiten Teilsystems 5 parallel zueinander verlaufen, da die Umschaltung schnell erfolgen kann.
In Fig. 5 zeigt ein Unterbrechungselement 14, welches derart geschaltet ist, dass der Beobachtungsstrahlengang 4, 6 monoskopisch, während in Fig. 6 das Unterbrechungselement 14 so geschaltet ist, das der Beobachtungsstrahlengang 4, 6 stereoskopisch ausgebildet ist.
Nachfolgend werden konkrete optische Systemdaten für hochauflösende Teiloptiken eines erfindungsgemäßen visuellen optischen Systems 1 und eines erfindungsgemäßen digitalen optischen Systems 1 beschrieben.
Die hochauflösende Optik für eine Ausführungsform eines visuellen optischen
Systems 1 , insbesondere für ein Operationsmikroskop, ist in Fig. 7 dargestellt. Die Optik für das visuelle optischen Systems 1 besteht aus folgenden Optikbausteinen: - einem festbrennweitigen Hauptobjektiv 10 mit einer Brennweite von F = 200mm und einem freien Arbeitsabstand AA = 196mm, d.h. dem Abstand zwischen dem Hauptobjektiv 10 und dem Objekt 2 bzw. dem Objektfeld.
- einem Vergrößerungssystem, einem so genannten afokalen Galileisystem mit einem Vergrößerungsfaktor T = 2.5.
- einem Tele-Tubus mit einer Brennweite fτ = 224mm.
- einem Okular 20x/10 mit einer Vergrößerung VOk = 20, einer Sehfeldzahl SFZ = 10 und einer Okularbrennweite fok = 250/Vok = 12.5mm.
Die objektseitige numerische Apertur beträgt NA = 0.1 , so dass sich eine Objektauflösung von δ = 2.5μ ergibt.
Die Gesamtbrennweite aus Galilei und Tele-Tubus ergibt sich zu Fτ = F fτ = 560mm. Der Abbildungsmaßstab ß Objekt-Zwischenbild ist das Verhältnis ß = Fτ/F = 2.8.
Das Objektfeld mit dem Durchmesser 3.6 mm wird also mit ß vergrößert in das Okular-Zwischenbild mit dem Sehfelddurchmesser 10mm abgebildet.
Die Fernrohrvergrößerung VF bestehend aus Galilei, Tubus und Okular beträgt VF = Fτ/fok = 45.
Der Pupillendurchmesser von 40mm am Fernrohreingang ergibt dann eine Austrittspupille AP von AP = 40/VF = 0.9mm und liegt somit innerhalb des förderlichen Vergrößerungsbereichs von 0.5 - 1.0mm.
Die optischen Systemdaten für das visuelle OPMI sind in Tabelle 1 aufgelistet.
Die hochauflösende Optik für eine Ausführungsform eines digitalen optischen Systems 1 , insbesondere für ein Operationsmikroskop, ist in Fig. 8 dargestellt. Die Optik für das digitale optischen Systems 1 besteht aus folgenden Optikbausteinen: - einem Retrofokus-Hauptobjektiv mit einer Brennweite F = 140mm und einem freien Arbeitsabstand AA = 200mm, d.h. dem Abstand zwischen dem Hauptobjektiv 10 und dem Objekt 2 bzw. dem Objektfeld.
- einem Vergrößerungssystem, einem so genannten afokalen Galileisystem mit einem Vergrößerungsfaktor T = 2.5 sowie
- einem Tele-Tubus mit einer Brennweite fr = 224mm.
Die objektseitige numerische Apertur beträgt NA = 0.1 , so dass sich eine Objektauflösung von δ = 2.5μ ergibt.
Die Gesamtbrennweite aus Galilei und Tele-Tubus beträgt Fτ = T fr = 560mm.
Der Abbildungsmaßstab ß von der Objektebene auf die Sensorfläche den CCD beträgt ß = Fτ/F = 4.0.
Somit wird ein Objekt vom Durchmesser 2.5μ auf 10μ vergrößert auf den CCD abgebildet und kann vom Bildsensor mit einer Pixelgröße von 5μ noch aufgelöst werden. Da die Chipdiagonale von 4.6mm die Begrenzung des abgebildeten Bildfelds darstellt, ergibt sich ein Objektfelddurchmesser von 4.6mm/4.0 = 1.2mm.
Die optischen Systemdaten für das visuelle OPMI sind in Tabelle 2 aufgelistet.
In den Tabellen 1 und 2 sind mögliche Systemdaten eines visuellen bzw. eines digitalen optischen Systems 1 dargestellt.

Claims

Patentansprüche
1. Optisches System (1) zur Betrachtung eines Objektes (2), aufweisend ein erstes Teilssystem (3) mit zumindest einem Beobachtungsstrahlengang (4) und mindestens ein zweites Teilssystem (5) mit zumindest einem weiteren Beobachtungsstrahlengang (6), wobei die zumindest zwei Teilsysteme (3, 5) eine gemeinsame oder getrennte erste Abbildungsstufe (7), und eine unterschiedliche zweite Abbildungsstufe (8, 9) aufweisen, wobei die erste Abbildungsstufe (7) ein Objektiv (10) aufweist, wobei die zweite Abbildungsstufe (8) des ersten Teilssystems (3) visuell oder digital und die zweite Abbildungsstufe (9) des zweiten Teilssystems (5) visuell oder digital ausgebildet ist, bei der eine visuelle Abbildungsstufe zumindest ein Okular und ein Vergrößerungssystem mit verschiedenen Linsen und bei der eine digitale Abbildungsstufe zumindest einen Kameraadapter und ein Vergrößerungssystem mit verschiedenen Linsen aufweist, und wobei die zweite
Abbildungsstufe (9) des zweiten Teilssystems (5) derart ausgebildet ist, dass sie eine höhere optische Auflösung des zu betrachtenden Objektes (2) ermöglicht, als die zweite Abbildungsstufe (8) des ersten Teilssystems (3).
2. Optisches System (1) zur Betrachtung eines Objektes (2) gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die optische Auflösung der zweiten Abbildungsstufe (9) des zweiten Teilssystems (5) um das 2,5 bis 3,5fache höher ist, als die optische Auflösung der zweiten Abbildungsstufe (8) des ersten Teilssystems (3).
3. Optisches System (1) zur Betrachtung eines Objektes (2) gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Abbildungsstufe (8) des ersten Teilssystems (3) derart ausgebildet ist, dass sie Objekte (2) von der Größe von bis zu 6,0μm optisch auflöst, und dass die zweite Abbildungsstufe (9) des zweiten Teilssystems (5) derart ausgebildet ist, dass sie Objekte (2) von der Größe von bis zu 2,0μm optisch auflöst.
4. Optisches System (1) zur Betrachtung eines Objektes (2) gemäß Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die numerische Apertur der zweiten Abbildungsstufe (8) des ersten Teilssystems (3) kleiner ist, als die numerische Apertur der zweiten Abbildungsstufe (9) des zweiten Teilssystems (5).
5. Optisches System (1) zur Betrachtung eines Objektes (2) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Strahlenteiler (11) und/oder zumindest ein Unterbrechungselement (14) vorgesehen ist, durch den/das der zumindest eine weitere Beobachtungsstrahlengang (6), der durch die zweite Abbildungsstufe (9) des zweiten Teilssystems (5) verläuft, von dem zumindest einen Beobachtungsstrahlengang (4), der durch die zweite Abbildungsstufe (8) des ersten Teilssystems (3) verläuft, trennbar ist.
6. Optisches System (1) zur Betrachtung eines Objektes (2) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Teilssystem (3) stereoskopisch und das zweite Teilssystem (5) monoskopischen ausgebildet ist.
7. Optisches System (1) zur Betrachtung eines Objektes (2) gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Beobachtungsstrahlengänge (4, 6) des ersten Teilssystems (3) und des zweiten Teilsystems (5) parallel zueinander verlaufen, wobei die zweite Abbildungsstufe (8) des ersten Teilssystems (3) und zweite Abbildungsstufe (9) des zweiten Teilssystems (5) jeweils digital ausgebildet ist, wobei eine Umschaltung zwischen den Beobachtungsstrahlengängen (4, 6) des ersten Teilssystems (3) und des zweiten Teilsystems (5) durch eine zeitsequentielle Ansteuerung des Unterbrechungselements (14) erfolgt.
8. Optisches System (1) zur Betrachtung eines Objektes (2) gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Umschaltung auf den zumindest einen weiteren Beobachtungsstrahlengang (6) der zweiten Abbildungsstufe (9) des zweiten Teilssystems (5) ein weiteres Linsensystem mechanisch und/oder elektrisch in den zumindest einen weiteren Beobachtungsstrahlengang (6) der zweiten Abbildungsstufe (9) des zweiten Teilssystems (5) einführbar ist.
9. Optisches System (1) zur Betrachtung eines Objektes (2) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittspupille des Okulars einer visuellen zweiten Abbildungsstufe in einem Größenbereich zwischen 0,5mm bis 1 ,0mm liegt.
10. Optisches System (1) zur Betrachtung eines Objektes (2) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine digitale zweite
Abbildungsstufe (9) des zweiten Teilssystems (5) eine Kamera (15) mit Kamerachip aufweist, wobei die Pixelauflösung der an den Kameraadapter einer zweiten Abbildungsstufe angeschlossenen Kamera (15) der optischen Auflösung am Ort des Kamerachips entspricht.
11. Optisches System (1) zur Betrachtung eines Objektes (2) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einer visuellen und/oder digitalen zweiten Abbildungsstufe (8, 9) des ersten und/oder des zweiten Teilsystems (3, 5) eine Fokussierungseinrichtung vorgesehen ist.
12. Optisches System (1) zur Betrachtung eines Objektes (2) gemäß Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Fokussierungseinrichtung einer digitalen zweiten Abbildungsstufe (8 ,9) des ersten und/oder des zweiten Teilsystems (3, 5) eine Elektrooptik aufweist.
13. Optisches System (1) zur Betrachtung eines Objektes (2) gemäß einem der vorherigen Ansprüche 5 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlenteiler (11) kippbar gelagert ist.
14. Optisches System (1) zur Betrachtung eines Objektes (2) gemäß einem der vorherigen Ansprüche 5 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlenteiler (11 ) ein Scanspiegel ist.
15. Optisches System (1) zur Betrachtung eines Objektes (2) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Abbildungsstufe (8, 9) des ersten und/oder des zweiten Teilsystems (3, 5) ein Zoomsystem aufweist.
16. Optisches System (1) zur Betrachtung eines Objektes (2) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Objektiv (10) der ersten Abbildungsstufe (7) ein Retrofokus-Objektiv ist.
17. Verwendung eines optischen Systems (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 16 zur Betrachtung eines Objektes (2) mit zumindest zwei verschiedenen Auflösungen.
18. Verfahren zur Betrachtung eines Objektes (2) mit einem optischen System (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 16, bei dem der Betrachter durch den zumindest einen Beobachtungsstrahlengang (4) des ersten Teilssystems (3) das Objekt (2) vergrößert und durch den Beobachtungsstrahlengang (6) des zweiten Teilssystems (5) einen Teilbereich des Objekts (2) nochmals vergrößert betrachten kann.
19. Verfahren gemäß Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Betrachter des Objektes (2) durch den zumindest einen weiteren Beobachtungsstrahlengang (6) des zweiten Teilssystems (5) einen Teilbereich des Objektes (2) 2,5 bis 3,5fach vergrößert betrachten kann, als durch den zumindest einen Beobachtungsstrahlengang (4) des ersten Teilssystems (3).
20. Verfahren gemäß Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass über eine Betätigungseinrichtung das zumindest eine Unterbrechungselement (14) und das weitere Linsensystem in den zumindest einen weiteren Beobachtungsstrahlengang (6) der zweiten Abbildungsstufe (9) des zweiten Teilssystems (5) eingeführt wird.
21. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer visuellen Abbildungsstufe des ersten und/oder des zweiten Teilsystems (3, 5) eine Fokussierung manuell oder durch einen Autofokus erfolgt.
22. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 18 bis 21 , dadurch gekennzeichnet, dass bei einer digitalen Abbildungsstufe des ersten und/oder des zweiten Teilsystems (3, 5) eine Fokussierung aufgrund einer Kontrastauswertung der Bilder der Kamera (15) erfolgt.
23. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 18 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine Veränderung des zumindest einen weiteren
Beobachtungsstrahlengangs (6) des zweiten Teilssystems (5) ein Teilbereich des Objektes (2), das dem Betrachter durch das erste Teilssystem (3) sichtbar ist, variabel bestimmt werden kann.
24. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 18 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Veränderung des zumindest einen weiteren Beobachtungsstrahlengangs (6) des zweiten Teilssystems (5) durch Kippen des Strahlenteilers (11) bzw. des Scanspiegels erfolgt.
25. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 18 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass das vergrößert dargestellte Bild des Teilbereichs des Objektes (2), welches auf einer der Kamera (15) des zweiten Teilsystems (5) zugeordneten Anzeigevorrichtung dargestellt wird, in den zumindest einen Beobachtungsstrahlengang (4) des ersten Teilssystems (3) projiziert wird.
26. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 18 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass der Betrachter des Objektes (2), welches er durch das erste Teilsystem (3) betrachtet, bestimmte Positionen auf dem Objekt (2) auswählt, die durch eine Veränderung des zumindest einen weiteren Beobachtungsstrahlenganges (6) des zweiten Teilsystems (5) nacheinander angefahren und in dem zumindest einen weiteren Beobachtungsstrahlengang (6) des zweiten Teilsystems (5) dargestellt werden können.
27. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 18 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswahl des in dem zweiten Teilsystem (5) dargestellten Teilbereiches des
Objektes (2) mit Hilfe eines Autofluoreszenzverfahrens erfolgt.
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