WO1995027917A1 - Verfahren zur ermittlung der lage eines objektdetails relativ zu einem operationsmikroskop und vorrichtung dazu - Google Patents

Verfahren zur ermittlung der lage eines objektdetails relativ zu einem operationsmikroskop und vorrichtung dazu Download PDF

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Roger Spink
Bernhard Braunecker
Klaus-Peter Zimmer
Thomas Mayer
John Rice Rogers
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Leica Ag
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    • A61B90/20—Surgical microscopes characterised by non-optical aspects

Definitions

  • the invention relates to a method according to claim 1 and an apparatus according to claim 10.
  • Surgical microscopes are used by an operator to optically magnify the area in which an operation is to be carried out. There are basically three different types of surgical microscopes, all of which are meant in the sense of the invention. First, that is
  • Microscope exclusively faces an optoelectronic image recording device (for example a CCD) and the recorded image is processed exclusively electronically and, if appropriate, is shown on a display; and thirdly - mixed video microscopes, the structural features of the first and second microscopes contained together, which means that an output both to a visual observer as is also a directly Profaidvom 'rect zuge ⁇ Wandt.
  • an optoelectronic image recording device for example a CCD
  • the recorded image is processed exclusively electronically and, if appropriate, is shown on a display
  • thirdly - mixed video microscopes the structural features of the first and second microscopes contained together, which means that an output both to a visual observer as is also a directly Profaidvom 'rect zuge ⁇ Wandt.
  • the visual field level In order to achieve an optimal representation of the area to be operated at all times, the visual field level must always be able to be placed on an object detail to be processed. Since the focus can often not be achieved on the basis of the object structures shown, a method and a device must be provided by means of which the visual field plane and the object details can be superimposed or the position of an object detail can be determined. The exact knowledge of the position of the object detail is important above all where certain previously determined cutting depths or cutting lengths have to be observed, or where the surgeon uses a surgical tool to approach certain path lengths hold to perform a precise operation. Especially in operations on the brain or in microsurgery, this is often essential in order to avoid damage to healthy tissue.
  • a surgical microscope is described in which an exact location of a certain point generated by a laser beam is to be carried out on an object under consideration.
  • a sighting method is proposed in which, by “aligning” the field of view markings, an exact focusing of the microscope or a matching of the field of view and the object detail is achieved. Only after this sighting process is the exact position of the marked object details determined from the optical system data.
  • these system data are to be determined by suitable path or angle detectors on drive units for the respective adjustment of adjustable optical components.
  • the determination of the position of an object detail is thus carried out indirectly, after being "brought into line” by the eye, or via an image processing device by measuring paths, angles, etc. using sensors which are connected to adjusting devices for optical components and via a subsequent one Calculate the corresponding data.
  • a beam path must be selected which provides the object with an angle between the incoming and the reflected beam. This angle causes problems with object details that are located in recesses, since the side
  • the invention is therefore based on the object of developing a method in which the disadvantages mentioned are avoided and position data can be determined quickly and reliably even for objects with an uneven surface.
  • the position of an object detail is measured directly and not by means of a sighting method and the subsequent determination of position data of the optical system.
  • the object position can be determined directly without having to focus on an object detail. If necessary, the field of view can be brought into line with the specific position of the object detail by adjusting the optical system.
  • a determination of the path length along a light bundle between a reference plane and the object detail is carried out for the direct determination of the position of an object detail.
  • Determining this path length in the sense of the invention means three related methods: measuring the transit time of a light pulse, phase measurement on a modulated one Light beam, where the modulation can relate to either the intensity or the polarization of the beam, and a measurement of the coherence relationship between a reference beam and a measuring beam.
  • Phase measurement in the sense of the invention includes the determination of the phase difference between the modulation functions of emitted and received light signals, e.g. To understand light pulses, the modulation by temporal variation e.g. the light source intensity was impressed on the light beam.
  • This measurement method can be understood as an extension of the transit time method in the following way, since a time sequence of emitted light pulses of variable intensity can be described mathematically as a periodically modulated wave. The time delay caused by the finite speed of light is accordingly manifested as a phase shift in the modulation function of the received signal compared to that of the emitted signal. Measuring this phase shift is therefore equivalent to a transit time measurement.
  • the light wave that travels the measurement path back and forth to the object is compared with a suitable reference wave.
  • both waves must be optically superimposed.
  • the superimposition only results in a signal that is stationary over a certain period of time if both waves are in a fixed phase relationship to one another.
  • This time of the constant phase is called the coherence time; the path that the wave propagates during this time, the coherence length.
  • this length can be between fractions of mm up to 10 kilometers.
  • the procedure is now that the emitted wave is broken down into two parts, one of which is the actual measuring section, the other a suitable reference section goes through.
  • both paths are now coordinated so that their difference lies within the coherence length of the light, the optical superimposition of both waves on a detector results in a more or less high-contrast, interferometric pattern that is easy to measure or detect electronically.
  • the contrast is greatest when the optical paths or, alternatively, the transit times of the light are identical in both arms of the interferometer. From the determination of the current length of the reference route, the value of the route to the object detail to be determined is inferred. This distance measurement in the reference arm can be done mechanically or using one of the other methods.
  • a time-modulated light source for example, a pulsed light-emitting diode -LED, or an LED, which is preceded by a pulsed-controlled shutter - for example an LCD
  • partially - coherent light is used for the runtime or phase measurement, while for the interference measurement, as stated , partially - coherent light used.
  • partially - coherent light in the sense of the invention is to be understood as light that has a finite spectral bandwidth, that is to say different "colors". However, their frequencies are still so similar that the emitted light has phase-locked, ie coherent, properties in a limited range, the coherence length being shorter than, for example, in the case of highly coherent lasers.
  • Typical coherence lengths that are expedient according to the invention extend - depending on the expected distances between the microscope and the object detail - between 1 mm and 1 m.
  • a modulated light source is preferably a modulated semiconductor laser, possibly a modulated LED, the light intensity of which is preferably sinusoidal, but possibly triangular.
  • the modulation frequency is at least 10 megahertz, preferably it is between 30 and 200 megahertz, in particular approximately 100 megahertz.
  • the corresponding modulation wavelengths are preferably between 10 m and 1.5 m, in particular approximately 3 m. Since the light path corresponds to twice the measuring distance, the measurable measuring distances are below half the modulation wavelengths. The measurement accuracy depends on the phase determination of the module tion function and should be in the range of a few millimeters, but preferably fractions of a millimeter.
  • the measurement accuracy that is achieved with interference matching with partially - coherent infrared light with wavelengths from approximately 100 ⁇ m to 0.7 ⁇ m, or with visual light with wavelengths from 0.7 ⁇ m to 0.4 ⁇ m, is a few micrometers or fractions of a micrometer. Since these high accuracies are small measuring distances, it is advisable to use a coarse adjustment or coarse measuring device in addition to the interference adjustment.
  • An advantageous embodiment provides that the above-described position determination with modulated light is used as the coarse measuring device, so that together with the interference adjustment, a determination of the object position in a large measuring range is made possible with extremely high accuracy.
  • the method described has another important advantage over the known triangulation methods.
  • a surface structure of the object which causes a strong scattering of the reflected bundle, does not lead to a deterioration in the measuring accuracy when measuring the distance, provided that the measuring beam is only narrow enough.
  • the triangulation method on the other hand, the accuracy of the sighting method, in particular of the "alignment", is impaired by strongly scattering and poorly reflected bundles.
  • the measurement light beam is guided onto the object detail at a direct distance from the center of the microscope and that - before it hits the object detail - it is as parallel as possible with its central axis, ie in none or at most in is directed at a small angle to the central axis of the microscope.
  • the determination of the microscope position relative to the object details is also possible through relatively narrow cavities. Accordingly, it also makes sense to scan the measuring light bundle in a region concentric to the central axis of the light bundle just mentioned as soon as it has been reflected or scattered by the object detail.
  • the distance measurement according to the invention provides a light path with a first partial path from the optical system to the object and a second partial path from the object back to the optical system, so that a vanishingly small angle is arranged between the two parts of the light path.
  • the two partial paths are arranged coaxially and essentially parallel, but preferably also coaxially, to the optical axis. This arrangement is possible because there is no triangulation and has the advantage that measurements can also be carried out without problems in recesses.
  • the light can be coupled in at the beginning of the first partial path from the measuring electronics via light guide and fade-in element and analogously at the end of the second partial path via fade-out elements and light guide and can be fed to the measuring electronics. If necessary, the light path can also begin and / or end to the side of the optical system. It is therefore possible to choose a simple structure which hardly affects the optical properties of the microscope.
  • a fade-in or fade-out element can be made very small due to the slenderness of a measuring light bundle, which is preferably obtained from a laser beam.
  • it can be arranged in the immediate vicinity of the main lens, so that it is optically, since it is close to the pupil, below the perceptibility limit.
  • all reflecting components such as beam splitters, mirrors, reflecting prism surfaces, etc. can be used as a fading in or fading out element.
  • the part of the measurement light bundle that passes through the beam splitter for blanking is filtered out by a narrow-band filter, or the measurement light is selected from a spectral range that is insensitive to the human eye.
  • the invention can also be used with all types of microscopes other than those mentioned above, with the image point resulting on the image recording device (for example on the CCD) also being electronically removable in video microscopes, particularly if it is due to a special temporal modulation is detectable on the receiving CCD.
  • the invention is described in particular in connection with an operating microscope. In the broadest sense, however, it can also be used meaningfully with any other microscope and also with endoscopes.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a structure for measuring the distance between the microscope and the object
  • FIG. 2 shows a distance measurement corresponding to FIG. 1, but spatially combined with light source and sensor
  • FIG. 3 shows a distance measurement corresponding to FIG. 2 including an interferometric unit for fine resolution.
  • FIGS. 6 shows a detail of a variant of the fade-in or fade-out elements of FIGS. 2-5.
  • FIG. 1 shows a microscope beam path 60a with a schematically indicated main objective 8 and a zoom 13. Behind the zoom 13, a deflection element 61 is arranged essentially in the area of the optical axis 7 of the beam path 60 as a fading-in element for a light beam 57c incident transversely to the optical axis 7 .
  • the mounting of the deflection element 61 is not shown, since a large number of mounting brackets are known to any person skilled in the art.
  • the incident light bundle is generated in a light source 64 and is preferably guided against the deflection element 61 by a light guide 63a and a focusing element 62a.
  • the light bundle 57c preferably travels along the optical axis 7 to the object 22, where it is reflected on an object detail 22a and through the microscope optics 8, 13 to a second deflection element 65 and there, if appropriate, through the optical axis 7 Focusing element 62b and a light guide 63b is fed to a sensor 66.
  • the light source 64 and the sensor 66 are preferably connected to one another, in particular it is a measuring system with an optical fiber output 63a and an optical fiber input 63b.
  • the light source 64 supplies a modulated light with a preferably sinusoidal, but possibly triangular, periodic intensity fluctuation.
  • a modulated laser is preferably used, but possibly also a modulated LED.
  • a direct determination of the phase shift of the modulation signal on the light path from the light source 64 to the sensor 66 is determined in the sensor 66 or in the measuring system 64, 66. This phase shift is made accessible to a microprocessor 44 via a line 68.
  • the processor 44 determines the distance between the microscope and the object from the phase shift of the modulation function, the modulation frequency or the modulation wavelength and the system dimensions.
  • the microscope optics can be adjusted by the processor 44 in such a way that the field of view comes to lie at the determined distance.
  • the measuring range for the entire light path is essentially a modulation wavelength. With modulation frequencies of 50 or 200 MHz, there are clear measuring ranges of about 6 m or 1.5 m. In the case of a microscope, the effectively required distance area 67, in which the object can be moved and in which the distance must be measurable, is very small. At the frequencies listed above, the distance range 67 corresponds only to a small portion of half the measuring range, so that the distance can be clearly determined.
  • the modulation frequency should be chosen as large as possible.
  • the lasers known today cannot be modulated with frequencies up to approximately 100 MHz.
  • measurement accuracy in the range of millimeters and fractions thereof can be achieved with a commercially available phase-determining "Distomat" distance measuring device from Leica AG, which is used in the field of measurement. If the bundle 57c1 reflected on the object 22 diverges strongly, a portion of the measuring beam 57c1 can reach the eye next to the second deflection element 65.
  • the measuring beam may be emitted only occasionally, in particular after changes in the position of the microscope and / or after changes in the object surface.
  • an interval switch is also provided which periodically interrupts the light emission of the light source 64. Since disturbances of the microscope beam path also emanate from the deflection elements 61, 65, versions are provided in which the deflection elements are arranged displaceably and are only moved into the beam path of the microscope if necessary.
  • a color filter is provided to reduce the light reaching the viewer from the light source 64.
  • the filter is preferably very narrow-band and just filters only the wavelength range of the measuring beam 57c1, which e.g. lies out in the infrared.
  • FIG. 2 shows an embodiment in which the light source and the light sensor for the distance determination are spatially combined in a distance measuring system 69 and from where the measuring light is guided via optical fibers to the coupling-in and coupling-out end pieces 63a and 63b.
  • Laser light is used, the beam 57c of which is coupled between the object and the microscope through the first deflecting element 61.
  • the deflection element 61 is fastened to a support plate 41c and lies somewhat offset from the optical axis 7.
  • the beam 57c1 reflected at the object detail 22a is directed by the second deflection element 65 against the light guide end piece 63b connected to the sensor.
  • the second deflection element 65 is likewise arranged on the carrier plate 41c in analogy to deflection elements 61.
  • the measuring system 69 is connected to the microprocessor 44 via at least one line 68.
  • the microprocessor 44 also receives all microscope data.
  • the adjusting device 49c for the microscope optics can be controlled via a connection 70 and its current setting can be called up. After determining the object distance, you can the microscope optics are readjusted optimally focused on the certain distance. The focusing can, however, also be set by a desired difference above or below the object distance, which is often indispensable for medical applications.
  • a magnification measuring unit 71 is provided, which preferably detects the optical deflection of at least one light beam leading through the microscope optics.
  • At least one position determination system 72a, 72b is provided for detecting the position and orientation of the microscope and / or the object.
  • the processor 44 is connected to the magnification measuring unit 71, the position determination system 72 and, via an image data transmission module 47, to an external image data input 48.
  • FIG. 3 shows an embodiment with an interferometer, which guides a partially coherent beam 57c from a light source 64a via a deflection element 61a, essentially coaxial to the optical axis, through a semi-transparent mirror 74 to the object detail 22a.
  • Part of the beam 57c is directed by the semitransparent beam splitter 74 transversely to the optical axis via an adjustment path to an adjustable reflector 75.
  • the partial beam reflected on the object and the reflected on the reflector pass through the semitransparent beam splitter 74 under deflection, or straight, to a detector 76.
  • the reflector 75 is adjusted by means of an electromechanical adjustment element 77 until In. reference patterns in the detector plane comes.
  • an interferometer control 78 is connected to the detector 76, the adjusting element 77 and the laser 64a.
  • the adjustment of the reflector 75 corresponds to a length adjustment and can be used for determination the object location can be used.
  • the determined distance can be fed to the processor 44 by the interferometer control 78 via a connection.
  • a coarse measuring device in particular a distance measuring system 69 with a direct phase measurement of a modulated signal, is preferably also provided.
  • the light guide end pieces 63a, 63b are aligned at an acute angle to the optical axis 7.
  • the measured values of the measuring system 69 and the interferometer 73 are combined in the processor 44 to give an extremely precise indication of the distance.
  • FIG. 4 shows schematically the measuring arrangement in connection with a microscopic arrangement with two main objectives 8c and 8d (Greenough), without a common main objective.
  • a measuring beam 57c arrives directly from a light source X or via an end piece X of an intermediate light guide, preferably parallel and symmetrical to the optical axis 7 to the object 22A.
  • the scattered light is fed via mirror 65 and decoupling optics Ya to a detector Y directly or to an end piece Y of a further light guide.
  • FIG. 5 shows a laser 56 which is deflected into the microscope optics 8, 13 via an adjustable beam splitter 32a.
  • the beam 57a passes from the microscope optics 8, 13 via a beam splitter 4c to a measuring array 45a.
  • the beam positions on the measuring array 45a and the corresponding positions of the fade-in element 32a are used to determine the magnification or the position of the focal plane.
  • the laser 56 is controlled via an interval switch 43.
  • the position data is evaluated in a microprocessor 44a.
  • the components described above are connected to one another by connecting lines 50a and 50c.
  • the distance is determined via a distance measuring system 69, from which the light guide leads to the end pieces 63 and 63 '.
  • Laser light is used, the steel 57c between the object and the microscope against the first deflecting ment 61 is fed.
  • the beam reflected at the object detail 22a is deflected by the second deflecting element 65 against the light guide end piece 63 'connected to the sensor.
  • the distance measuring system 69 is connected to the processor 44a so that it can determine real positions from the distance values and the magnification values on the examined image section.
  • FIG. 6 shows a thin glass plate, possibly with an anti-reflection coating, which carries one or more small fade-in elements that can be pushed so close to lenses, main lenses etc. and only cause more - usually negligible - optical disturbances.
  • the insertion elements shown in the remaining figures can be replaced by such.
  • 4c beam splitter for measuring steel blanking 4c1, 4c2
  • 8b main lens interchangeable with 8a (different focal lengths)

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Abstract

Ein Operationsmikroskop sieht zur Bestimmung der Distanz zwischen dem Mikroskop (8, 13) und dem Objekt (22) eine Bestimmung der Laufzeit eines vom Mikroskop ausgehenden und am Objekt reflektierten Lichtstrahles (57c) vor. Die Laufzeit wird durch eine Phasenmessung oder durch einen Interferenzabgleich bestimmt. Beim Messverfahren mit der direkten Phasenmessung wird moduliertes Licht verwendet. Beim Interferenzabgleich wird teilweise kohärentes Licht eingesetzt. Um eine hohe Messgenauigkeit über einen grossen Messbereich zu erreichen, werden die beiden Messverfahren vorzugsweise kombiniert angewendet.

Description

Verfahren zur Ermittlung der Lage eines Obiektdetails relativ zu einem Opera¬ tionsmikroskop und Vorrichtung dazu
Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach Anspruch 1 und eine Vorrichtung nach Anspruch 10.
Operationsmikroskope dienen einem Operateur zur optischen Vergrösserung des Gebietes, in dem eine Operation durchgeführt werden soll. Es gibt grundsätzlich drei verschiedene Arten von Operationsmikroskopen, die alle im Sinne der Erfin- düng gemeint sind. Das sind erstens
- rein optische Mikroskope, das heisst, Mikroskope, die nur optische und mechanische Bauteile enthalten, wobei deren Ausgang dem Auge zugewandt ist; zweitens
- reine Videomikroskope, das heisst, Mikroskope, die optische, mechani- sehe und optoelektronische Bauteile aufweisen, wobei der optische Ausgang des
Mikroskopes ausschliesslich einer optoelektronischen Bildaufnahmevorrichtung (z.B. einem CCD) zugewandt ist und das aufgenommene Bild ausschliesslich elek¬ tronisch weiterverarbeitet und gegebenenfalls über ein Display dargestellt wird; und drittens - gemischte Videomikroskope, die bauliche Merkmale der Mikroskope nach erstens und zweitens gemeinsam enthalten, das heisst, dass ein Ausgang sowohl einem visuellen Betrachter direkt als auch einer Bildaufnahmevom'chtung zuge¬ wandt ist.
Um jederzeit eine optimale Darstellung des zu operierenden Gebietes zu erreichen, muss die Sehfeldebene immer auf ein zu bearbeitendes Objektdetail gelegt wer¬ den können. Da die Scharfstellung häufig nicht aufgrund der dargestellten Objekt¬ strukturen erreicht werden kann, müssen ein Verfahren und eine Vorrichtung vor¬ gesehen werden, mittels derer das Aufeinanderlegen der Sehfeldebene und des Objektdetails, bzw. das Bestimmen der Lage eines Objektdetails ermöglicht wird. Die genaue Kenntnis der Lage des Objektdetails ist vor allem dort wichtig, wo be¬ stimmte, vorher ermittelte Schnittiefen oder Schnittlängen einzuhalten sind, bzw. wo sich der Operateur mit einem Operationswerkzeug an bestimmte Weglängen zu halten hat, um eine präzise Operation durchführen zu können. Vor allem bei Ope¬ rationen am Gehirn bzw. in der Mikrochirurgie ist dies häufig unerlässlich, um Be¬ schädigungen von gesundem Gewebe zu vermeiden. Bei solchen Operationen hängt das Operationsergebnis (ob voller Erfolg oder Exitus) häufig von Bruchteilen von Millimetern ab. Deshalb wurden Anstrengungen unternommen, die Gebiete möglichst genau zu bestimmen und Grössenmessungen zu erlauben. Als Beispiel eines solchen bekannten Aufbaus wird auf die deutsche Patentanmeldung DE-A-4134481 verwiesen.
In der erwähnten DE-A ist ein Operationsmikroskop beschrieben, bei dem eine genaue Ortsbestimmung eines bestimmten, mittels Laserstrahl erzeugten Punktes auf einem betrachteten Objekt erfolgen soll. Dazu ist ein Anvisierverfahren vorge¬ schlagen, bei dem durch das "in Deckung bringen" von Sehfeldmarkierungen ein exaktes Fokussieren des Mikroskopes, bzw. ein Übereinstimmen von Sehfeldebe- ne und Objektdetail, erreicht wird. Erst nach diesem Anvisierverfahren wird die ex¬ akte Position des markierten Objektdetails aus den optischen Systemdaten ermit¬ telt. Diese Systemdaten sollen gemäss der DE-A durch geeignete Weg- bzw. Win¬ keldetektoren an Antriebseinheiten für die jeweilige Verstellung verstellbarer opti¬ scher Bauteile ermittelt werden.
Die Ermittlung der Lage eines Objektdetails erfolgt somit indirekt, nach dem "in Deckung bringen" von Auge, oder über eine Bildverarbeitungseinrichtung durch das Messen von Wegen, Winkeln usw. über Sensoren, die mit Versteileinrichtun¬ gen für optische Bauteile verbunden sind und über ein anschliessendes Berechnen der entsprechenden Daten.
Dies ist in vielen Fällen unbefriedigend und ungenügend. Bereits das "in Deckung bringen" ist mit Fehlern behaftet. Ein weiterer Grund für Ungenauigkeiten liegt dar¬ in, dass sowohl die optomechanischen Bauteile als auch die mecha- nisch/elektrischen Bauteile (Sensoren) über Toleranzen verfügen, die sich u.U. nichtlinear ändern. Daraus resultiert die Gefahr, dass derart ermittelte Positionsda¬ ten nicht stimmen. Im Extremfall könnten solche unrichtigen Daten zu folgenschwe¬ ren Fehlern bei der Arbeit des Operateurs führen. Etwas abgeschwächt werden solche Fehler eventuell durch - gemäss DE-A zwingend vorgesehene - Eichmes- sungen am Patienten. Gerade diese sind jedoch nicht unbestritten und vor allem von der menschlichen Leistung der Bedienperson abhängig. Der bekannte Ver¬ such, mechanische Toleranzen des Vergrösserungssystems bei der Montage des Mikroskopes zu erfassen und daraus eine Korrekturkurve zu ermitteln, die den ak- tuellen Daten überlagert wird, ist insofern ungenügend, als Toleranzen sich in Ab¬ hängigkeit unzähliger Faktoren ändern können und die dann verwendeten Korrek¬ turkurven keinerlei Hilfe sind. Ausserdem ist das Ermitteln solcher Korrekturkurven selbst problematisch, vor allem zeitaufwendig. Ein entsprechendes Korrekturpro¬ gramm benötigt darüber hinaus zusätzliche Rechnerleistung und reduziert gege- benenfalls die Rechnergeschwindigkeit im Realtime-Bereich.
Wird im Anvisierverfahren das bevorzugte Laser-Triangulationsprinzip verwendet, so muss ein Strahlengang gewählt werden, der beim Objekt einen Winkel zwischen dem eintreffenden und dem reflektierten Strahl vorsieht. Dieser Winkel ergibt bei Objektdetails, die sich in Vertiefungen befinden, Probleme, da die seitlichen
Berandungen der Vertiefungen gegebenenfalls einen Strahlengang schräg nach aussen unterbrechen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu entwickeln, bei dem die erwähnten Nachteile vermieden werden und Positionsdaten schnell und zuverlässig auch für Objekte mit unebener Oberfläche bestimmt werden können.
Bei der Lösung dieser Aufgabe wird in einem ersten erfinderischen Schritt erkannt, dass die Lage eines Objektdetails direkt und nicht mittels eines Anvisierverfahrens und der anschiiessenden Ermittlung von Positionsdaten des optischen Systems gemessen wird. Die Objektlage kann dabei unmittelbar bestimmt werden, ohne dass eine Fokussierung auf ein Objektdetail erfolgen muss. Bei Bedarf kann die Sehfeldebene durch Verstellen des optischen Systems mit der bestimmten Lage des Objektdetails in Übereinstimmung gebracht werden. In einem zweiten erfinde- rischen Schritt wird erkannt, dass zur direkten Lagebestimmung eines Objektdetails eine Bestimmung der Streckenlänge entlang eines Lichtbündels zwischen einer Referenzebene und dem Objektdetail durchgeführt wird. Unter Bestimmung dieser Streckenlänge im Sinne der Erfindung sind drei verwandte Methoden zu verstehen: Messung der Laufzeit eines Lichtpulses, Phasenmessung an einem modulierten Lichtstrahl, wobei die Modulation entweder die Intensität oder die Polarisation des Strahls betreffen kann, und eine Messung der Kohärenzbeziehung zwischen einem Referenzstrahl und einem Messstrahl.
Diese Methoden haben gemeinsam, dass die Länge der Strecke von der Referen¬ zebene zum Objektdetail mit Hilfe der bekannten Ausbreitungsgeschwindigkeit eines Lichtpulses gemessen wird.
Unter Phasenmessung im Sinne der Erfindung ist die Ermittlung der Phasendiffe- renz zwischen den Modulationsfunktionen von ausgesandten und empfangenen Lichtsignalen, z.B. Lichtpulsen zu verstehen, wobei die Modulation durch zeitliche Variation z.B. der Lichtquellenintensität dem Lichtbündel aufgeprägt wurde. Diese Messmethode kann in folgender Weise als Erweiterung der Laufzeitmethode ver¬ standen werden, da eine zeitliche Folge emittierter Lichtpulse variabler Intensität mathematisch als periodisch-modulierte Welle beschrieben werden kann. Die durch die endliche Geschwindigkeit des Lichts verursachte Zeitverzögerung offen¬ bart sich demgemäss als Phasenverschiebung in der Modulationsfunktion des empfangenen Signals gegenüber der des ausgestrahlten Signals. Eine Messung dieser Phasenverschiebung ist also einer Laufzeitmessung äquivalent.
Die Ermittlung der Laufzeit als Phasendifferenz zweier Signalfunktionen lässt sich auch rein optisch verwirklichen:
Dazu wird die Lichtwelle, welche die Messstrecke zum Objekt hin und zurück durchläuft, mit einer geeigneten Referenzwelle verglichen. Dazu müssen beiden Wellen optisch überlagert werden. Die Überlagerung ergibt aber nur dann ein - über einen gewissen Zeitraum stationäres - Signal, wenn beide Wellen in fester Phasenbeziehung zueinander stehen. Diese Zeit der zeitlichen Phasenkonstanz nennt man die Kohärenzzeit; der Weg, den die Welle während dieser Zeit propa- giert, die Kohärenzlänge. Diese Länge kann, je nach Erzeugungsmodus des Lich¬ tes, zwischen Bruchteilen von mm bis zu 10 Kilometern. In der Praxis geht man nun so vor, dass die emittierte Welle in zwei Anteile zerlegt wird, von denen der eine die eigentliche Messstrecke, der andere eine geeignete Referenzstrecke durchläuft. Sind beide Strekken nun so abgestimmt, dass ihre Differenz innerhalb der Kohärenzlänge des Lichtes liegt, ergibt die optische Überlagerung beider Wel¬ len auf einem Detektor ein mehr oder minder kontrastreiches, interferometrisches Muster, das elektronisch leicht zu messen oder detektieren ist. Der Kontrast ist bekannterweise am grössten, wenn die optischen Wege oder gleichbedeutend die Laufzeiten des Lichtes in beiden Armen des Interferometers identisch sind. Aus der Bestimmung der aktuellen Länge des Referenzstrecke wird auf den zu ermitteln¬ den Wert der Strecke zum Objektdetail geschlossen. Diese Streckenmessung im Referenzarm kann mechanisch oder mit einer der anderen Methoden gemacht werden.
Für die Laufzeit- oder Phasenmessung wird eine zeitlich modulierte Lichtquelle (das ist beispielsweise eine pulsartig angesteuerte Leuchtdiode -LED, oder eine LED, der ein pulsartig angesteuerter Shutter - z.B. ein LCD - vorgeschaltet ist) ver- wendet, während für die Interferenzmessung, wie ausgeführt, teilweise - kohären¬ tes Licht verwendet. Physikalisch ist unter teilweise - kohärentem Licht im Sinne der Erfindung Licht zu verstehen, das eine endliche spektrale Bandbreite, das heisst verschiedene "Farben" aufweist. Dabei sind deren Frequenzen jedoch noch so ähnlich, dass das emittierte Licht in einem eingeschränktem Bereich phasen- starre, also kohärente Eigenschaften aufweist, wobei die Kohärenzlänge geringer ist als beispielsweise bei hochkohärenten Lasern. Typische, erfindungsgemäss sinnvolle Kohärenzlängen erstrecken sich - in Abhängigkeit von den zu erwarten¬ den Distanzen zwischen dem Mikroskop und dem Objektdetail - zwischen 1 mm und 1 m.
Bei einer modulierten Lichtquelle handelt es sich vorzugsweise um einen modulier¬ ten Halbleiterlaser, gegebenenfalls um eine modulierte LED, deren Lichtintensität vorzugsweise sinusförmig, gegebenenfalls aber dreiecksförmig moduliert ist. Die Modulationsfrequenz beträgt mindestens 10 Megahertz, vorzugsweise liegt sie zwi- sehen 30 und 200 Megahertz, insbesondere etwa bei 100 Megahertz. Die entspre¬ chenden Modulations-Wellenlängen liegen vorzugsweise zwischen 10 m und 1.5 m, insbesondere etwa bei 3 m. Da der Lichtweg der doppelten Messdistanz ent¬ spricht, liegen die messbaren Messdistanzen unterhalb der halben Modulations- Wellenlängen. Die Messgenauigkeit hängt von der Phasenbestimmung der Modu- lationsfunktion ab und soll im Bereich von wenigen Millimetern, vorzugsweise aber von Bruchteilen eines Millimeters, liegen.
Die Messgenauigkeit, die bei Interferenzabgleich mit teilweise - kohärentem Infra- rotlicht mit Wellenlängen von etwa 100 μm bis 0.7 μm, bzw. mit visuellem Licht mit Wellenlängen von 0.7 μm bis 0.4 μm, erreicht wird, beträgt einige Mikrometer, bzw. Bruchteile von Mikrometer. Da es sich bei diesen hohen Genauigkeiten um kleine Messdistanzen handelt, ist es zweckmässig, neben dem Interferenzabgleich eine Grobeinstellungs-, bzw. Grobmesseinrichtung zu verwenden.
Eine vorteilhafte Ausführung sieht vor, dass als Grobmesseinrichtung die oben beschriebene Lagebestimmung mit moduliertem Licht eingesetzt wird, so dass zu¬ sammen mit dem Interferenzabgleich eine Bestimmung der Objektlage in einem grossen Messbereich mit äusserst hoher Genauigkeit ermöglicht wird. Neben die- ser hohen Genauigkeit und Reichweite hat die beschriebene Methode einen weite¬ ren wichtigen Vorteil gegenüber den bekannten Triangulationsmethoden. Eine Oberflächenstruktur des Objektes, die eine starke Streuung des reflektierten Bün¬ dels bewirkt, führt nämlich - sofern das Messstrahlenbündel nur schmal genug ist - bei der Streckenmessung nicht zu einer Verschlechterung der Messgenauigkeit. Bei der Triangulationsmethode hingegen wird die Genauigkeit des Anvisierverfah¬ rens, insbesondere des "In-Deckung-Bringens", durch stark streuende und schlecht reflektierte Bündel beeinträchtigt.
In den meisten Anwendungsfällen ist es dabei wesentlich, dass das Messlichtbün- del in unmittelbarem Abstand zur Mikroskopmittelachse auf das Objektdetail ge¬ führt wird und dass es - bevor es das Objektdetail trifft - mit seiner Bündelmitte¬ lachse möglichst parallel, d.h. in keinem oder höchstens in einem kleinem Winkel zur Mikroskopmittelachse gerichtet ist. Durch diese erfindungsgemässe Massnah- me ist das Bestimmen der Mikroskoplage relativ zu den Objektdetails auch durch relativ enge Kavitäten möglich. Dementsprechend ist es auch sinnvoll, das Mess¬ lichtbündel in einem Bereich konzentrisch zur eben erwähnten Mittelachse des Lichtbündels abzutasten, sobald es vom Objektdetail reflektiert bzw. gestreut wur¬ de. Die erfindungsgemässe Distanzmessung sieht einen Lichtweg vor mit einem ersten Teilweg vom optischen System zum Objekt und einem zweiten Teilweg vom Objekt zurück zum optischen System, so dass zwischen den beiden Teilen des Lichtwe¬ ges im wesentlichen ein verschwindend kleiner Winkel angeordnet ist. Insbesonde¬ re sind die beiden Teilwege koaxial und im wesentlichen parallel, vorzugsweise aber auch koaxial, zur optischen Achse angeordnet. Diese Anordnung ist aufgrund des Verzichtes auf eine Triangulation möglich und hat den Vorteil, dass auch in Vertiefungen problemlos Messungen vorgenommen werden können.
Das Licht kann am Anfang des ersten Teilweges von der Messelektronik über Lichtleiter und Einblendelement eingekoppelt und analog am Ende des zweiten Teilweges über Ausblendelemente und Lichtleiter ausgekoppelt und der Messelek¬ tronik zugeführt werden. Gegebenenfalls kann der Lichtweg auch seitlich des opti¬ schen Systems beginnen und/oder enden. Es kann also ein einfacher Aufbau ge- wählt werden, der die optischen Eigenschaften des Mikroskops kaum beeinträch¬ tigt. Ein Ein- bzw. Ausblendelement kann infolge der Schlankheit eines Messlicht¬ bündels, das bevorzugt aus einem Laserstrahl gewonnen wird, sehr klein gebaut sein. Es kann darüber hinaus in unmittelbarer Nähe zum Hauptobjektiv angeordnet sein, so dass es optisch, da pupillennah, unter der Wahmehmbarkeitsgrenze liegt. Als Ein-, bzw. Ausblendelement kommen grundsätzlich alle spiegelnden Bauteile in Frage wie Strahlenteiler, Spiegel, reflektierende Prismenflächen usw.
Eine von den beiden erwähnten, auch unabhängig anzuwendende Lösung einer anderen Aufgabe ergibt sich aus der Anwendung einer flachen Glasscheibe als Trägeφlatte für die Einblendelemente. Eine solche Trägeφlatte ermöglicht es, die betreffenden optischen Bauelemente in ihrer Baugrösse zu minimieren und mög¬ lichst nahe an das Hauptobjektiv heranzuführen. Die Montage und der mechani¬ sche Aufbau solcher Bauelemente bzw. deren Befestigungsvorrichtung wird dabei auch besonders einfach.
Gemäss einer besonderen Ausbildung der Erfindung wird der durch den Strahlen¬ teiler für die Ausblendung hindurchgehende Teil des Messlichtbündels durch ein schmalbandiges Filter herausgefiltert, oder das Messlicht aus einem, für das menschliche Auge insensitiven Spektralbereich gewählt. Die Erfindung ist auch bei allen anderen als den oben erwähnten Arten von Mikro¬ skopen anwendbar, wobei bei Videomikroskopen der sich an der Bildaufnahme¬ vorrichtung (z.B. am CCD) ergebende Bildpunkt auch elektronisch entfernbar ist, insbesondere dann, wenn er infolge einer speziellen zeitlichen Modulation am empfangenden CCD detektierbar ist.
Die Erfindung ist insbesondere im Zusammenhang mit einem Operationsmikroskop beschrieben. Im weitesten Sinn kann sie jedoch auch sinnvoll mit beliebigen ande- ren Mikroskopen und auch bei Endoskopen angewendet werden.
Hinsichtlich des Verfahrens zur Bestimmung von Positionsdaten wird insbesondere auf die Beschreibungsteile der erwähnten DE-A- verwiesen, die als im Rahmen dieser Beschreibung liegend geoffenbart gelten. Es sind dies insbesondere: Spalte 2 Zeile 13 bis Spalte 4 Zeile 5 sowie die Figuren 2-4 und die dazugehörigen Be¬ schreibungsteile. Hinsichtlich der Möglichkeit, Bilddaten zu überlagern, wird au- sserdem auf die folgenden Schweizer Patentanmeldungen verwiesen, deren ent¬ sprechende Beschreibungsstellen und Figuren als im Rahmen dieser Anmeldung liegend geoffenbart gelten. Es sind dies die Anmeldungen: CH949/94-2; CH1525/94-0; CH 1295/94-8 und insbesondere CH1088/94-3 bzw. die auf diesen Anmeldungen basierende von den Anmeldern am selben Tag eingereichte PCT- Patentanmeldung.
Im Rahmen der Erfindung liegen verschiedene weitere Verfahren, Ausbildungsar- ten und Varianten dazu, die in den abhängigen Ansprüchen und in der nachfol¬ genden Figurenbeschreibung gekennzeichnet bzw. beschrieben sind. Darüber hin¬ aus sind dem Fachmann nach Studium dieser Anmeldung sowie der hierin zitierten Dokumente unterschiedliche Kombinationen verschiedenster Merkmale zu hierin nicht unmittelbar beschriebenen Konstruktionen evident, die ebenfalls im Rahmen der Erfindung liegen.
Weitere Details und Ausführungen der Erfindung ergeben sich aus der Zeichnung. Die dort dargestellten Figuren zeigen: Fig.1 eine schematische Darstellung eines Aufbaus zur Messung der Distanz zwischen dem Mikroskop und dem Objekt;
Fig.2 eine Distanzmessung entsprechend Fig.1 , jedoch mit Lichtquelle und Sen- sor räumlich zusammengefasst
Fig.3 eine Distanzmessung entsprechend Fig.2 inklusive einer interferometri- schen Einheit zur Feinauflösung.
Fig.4 eine Distanzmessung gem. Fig.1 für Mikroskope mit getrennten Hauptpupil¬ len (Greenough Typus); Fig.5 ein Positionssystem mit Distanzmessung und Vergrösserungsmessung und
Fig.6 ein Detail einer Variante der Ein- bzw. Ausblendelemente der Fig..2-5.
Die Figuren werden zusammenhängend beschrieben. Gleiche Bezugszeichen be¬ deuten gleiche Bauteile. Gleiche Bezugszeichen mit unterschiedlichen Indizes be- deuten ähnliche bzw. funktionsähnliche Bauteile. Die Erfindung ist auf die darge¬ stellten Ausführungsbeispiele nicht beschränkt. Vor allem in Kombination mit den Lehren der oben angeführten Schweizer Patentanmeldungen und der oben ange¬ führten deutschen Patentanmeldung lassen sich noch beliebige Varianten darstel¬ len. Sie alle fallen unter den Offenbarungsinhalt dieser Anmeldung.
Fig.1 zeigt einen Mikroskopstrahlengang 60a mit einem schematisch angedeuteten Hauptobjektiv 8 und einem Zoom 13. Hinter dem Zoom 13 ist im wesentlichen im Bereich der optischen Achse 7 des Strahlenganges 60 ein Umlenkelement 61 als Einblendelement für einen quer zur optischen Achse 7 einfallenden Lichtbündel 57c angeordnet. Die Halterung des Umlenkelements 61 ist nicht dargestellt, da jedem Fachmann eine Vielzahl von Halterungen bekannt sind. Das einfallende Lichtbündel wird in einer Lichtquelle 64 erzeugt und vorzugsweise durch einen Lichtleiter 63a und ein Fokussierelement 62a gegen das Umlenkelement 61 ge¬ führt. Vom Umlenkelement 61 gelangt das Lichtbündel 57c vorzugsweise entlang der optischen Achse 7 zum Objekt 22, wo es an einem Objektdetail 22a reflektiert wird und durch die Mikroskopoptik 8, 13 zu einem zweiten Umlenkelement 65 ge¬ langt und dort quer zur optischen Achse 7 gegebenenfalls durch ein Fokussierele¬ ment 62b und einen Lichtleiter 63b einem Sensor 66 zugeführt wird. Die Lichtquelle 64 und der Sensor 66 sind vorzugsweise miteinander verbunden, insbesondere handelt es sich um ein Messsystem mit einem Lichtleiterausgang 63a und einem Lichtleitereingang 63b.
Die Lichtquelle 64 liefert ein moduliertes Licht mit einer vorzugsweise sinusförmi¬ gen, gegebenenfalls aber dreiecksförmigen, periodischen Intensitätsschwankung. Vorzugsweise wird ein modulierter Laser, gegebenenfalls aber auch eine modulier¬ te LED verwendet. Im Sensor 66, bzw. im Messsystem 64, 66 wird eine direkte Bestimmung der Phasenverschiebung des Modulationssignals auf dem Lichtweg von der Lichtquelle 64 zum Sensor 66 bestimmt. Diese Phasenverschiebung wird über eine Leitung 68 einem Mikroprozessor 44 zugänglich gemacht. Der Prozessor 44 bestimmt aus der Phasenverschiebung der Modulationsfunktion, der Modulati¬ onsfrequenz, bzw. der Modulationswellenlänge und den Systemabmessungen die Distanz zwischen Mikroskop und Objekt. Vom Prozessor 44 kann die Mikroskopop- tik so verstellt werden, dass die Sehfeldebene in der bestimmten Distanz zu liegen kommt.
Der Messbereich für den gesamten Lichtweg beträgt im wesentlichen eine Modula¬ tionswellenlänge. Bei Modulationsfrequenzen von 50 oder 200 MHz ergeben sich eindeutige Messbereiche von etwa 6 m, bzw. 1.5 m . Bei einem Mikroskop ist der effektiv benötigte Distanzbereich 67, in dem das Objekt bewegbar ist und in dem die Distanz messbar sein muss, sehr klein. Bei den oben aufgeführten Frequenzen entspricht der Distanzbereich 67 nur einem kleinen Anteil des halben Messbe¬ reichs, so dass die Distanz eindeutig bestimmt werden kann.
Um eine möglichst grosse Genauigkeit zu erreichen, sollte die Modulationsfre¬ quenz so gross wie möglich gewählt werden. Die heute bekannten Laser können nicht mit Frequenzen bis etwa 100 MHz moduliert werden. Es hat sich aber ge¬ zeigt, dass bereits mit einem handelsüblichen, im Bereich der Vermessung einge- setzten, phasenbestimmenden, Distanzmessgerät "Distomat" der Firma Leica AG Messgenauigkeiten im Bereich von Millimetern und Bruchteilen davon, erreicht werden können. Wenn das am Objekt 22 reflektierte Bündel 57c1 stark divergiert, kann seitlich ne¬ ben dem zweiten Umlenkelement 65 ein Anteil des Messstrahls 57c1 zum Betrach¬ terauge gelangen. Um eine unnötige Belastung des Betrachterauges und/oder eine Beeinträchtigung der Bildqualität zu verhindern, ist gegebenenfalls vorgesehen, dass der Messstrahl nur fallweise, insbesondere nach Positionsänderungen des Mikroskopes und/oder nach Veränderungen der Objektoberfläche, emittiert wird. Gegebenenfalls wird auch ein Intervallschalter vorgesehen, der die Lichtemission der Lichtquelle 64 periodisch unterbricht. Da auch von den Umlenkelementen 61,65 Störungen des Mikroskop-Strahlenganges ausgehen, sind Ausführungen vorgesehen, bei denen die Umlenkelemente verschiebbar angeordnet sind und erst bei Bedarf in den Strahlengang des Mikroskops bewegt werden.
Gegebenenfalls wird zur Reduktion des zum Betrachter gelangenden Lichtes aus der Lichtquelle 64 ein Farbfilter vorgesehen. Das Filter ist bevorzugt sehr schmal- bandig und filtert gerade nur den Wellenlängenbereich des Messstrahls 57c1 , der z.B. im Infraroten liegt heraus.
Fig.2 zeigt eine Ausführungsform, bei der die Lichtquelle und der Lichtsensor für die Distanzbestimmung in einem Distanzmesssystem 69 räumlich zusammenge- fasst sind und von wo aus das Messlicht via Lichtleiter zu dem Einkoppel-, bzw. Auskoppelendstück 63a und 63b geführt wird. Es wird Laserlicht verwendet, des¬ sen Strahl 57c zwischen dem Objekt und dem Mikroskop durch das erste Umlenke¬ lement 61 eingekoppelt wird. Dabei ist das Umlenkelement 61 an einer Trägeφlat¬ te 41c befestigt und liegt etwas versetzt neben der optischen Achse 7. Der am Objektdetail 22a reflektierte Strahl 57c1 wird vom zweiten Umlenkelement 65 ge¬ gen das mit dem Sensor verbundene Lichtleiter-Endstück 63b gerichtet. Das zweite Umlenkelement 65 ist ebenfalls an der Trägerplatte 41c in Analogie zu Umlenke¬ lements 61 angeordnet.
Das Messsystem 69 ist über mindestens eine Leitung 68 mit dem Mikroprozessor 44 verbunden. Der Mikroprozessor 44 erhält nebst der Distanzinformation vom Messsystem 69 auch alle Mikroskopdaten. So ist beispielsweise über eine Verbin¬ dung 70 die Versteilvorrichtung 49c für die Mikroskopoptik steuerbar und deren aktuelle Einstellung abrufbar. Nach dem Bestimmen der Objektdistanz kann somit die Mikroskopoptik auf die bestimmte Distanz optimal fokussiert nachgeregelt wer¬ den. Die Fokussierung kann aber auch um eine gewünschte Differenz über oder unter der Objektdistanz eingestellt werden, was oft bei medizinischen Applikatio¬ nen unabdingbar ist.
Da die durch das Mikroskop beobachtete Objektoberfläche zuweilen schlecht inter¬ pretierbare Strukturen aufweist, ist es dann zweckmässig, Informationen anderer bildgebender Verfahren, wie etwa MRI- oder Röntgendaten, dem betrachteten Objekt metrikgetreu zuordnen zu können. Dazu müssen nebst der Distanz zwi- sehen Mikroskop und Objekt auch die Position und Ausrichtung des Mikroskopes sowie dessen Vergrösserung und Lage der Fokalebene erfasst werden. Zur Be¬ stimmung von Vergrösserungsdaten ist eine Vergrösserungsmesseinheit 71 vorge¬ sehen, die vorzugsweise die optische Ablenkung mindestens eines durch die Mi¬ kroskopoptik führenden Lichtstrahles erfasst. Zum Erfassen der Position und Aus- richtung des Mikroskopes und/oder des Objektes ist mindestens ein Positions- Bestimmungssystem 72a, 72b vorgesehen.
Der Prozessor 44 ist mit der Vergrösserungsmesseinheit 71 , dem Positions- Bestimmungssystem 72 und über ein Bilddaten-Übertragungsmodul 47 mit einem Fremdbilddateninput 48 verbunden.
Fig.3 zeigt eine Ausführung mit einem Interferometer, das ein teilweise kohärentes Strahlenbündel 57c von einer Lichtquelle 64a über ein Umienkelement 61a im we¬ sentlichen koaxial zur optischen Achse durch einen halbdurchlässigen Spiegel 74 zum Objektdetail 22a führt. Ein Teil des Strahlenbündels 57c wird vom halbdurch¬ lässigen Strahlteiler 74 quer zur optischen Achse über eine Abgleichstrecke zu einem verstellbaren Reflektor 75 gelenkt. Der am Objekt reflektierte und der am Reflektor reflektierte Teilstrahl gelangen durch den halbdurchlässigen Strahlteiler 74 unter Ablenkung, bzw. gerade, zu einem Detektor 76. Mittels eines elektrome- chanischen Verstellelements 77 wird der Reflektor 75 verstellt, bis es zur Ausbil¬ dung von In .erferenzmustern in der Detektor ebene kommt. Zur Steuerung und Auswertung der Interferenzmessung ist eine Interferometersteuerung 78 mit dem Detektor 76, dem Verstellelement 77 und dem Laser 64a verbunden. Die Verstel¬ lung des Reflektors 75 entspricht einem Längenabgleich und kann zur Bestimmung der Objektlage verwendet werden. Die ermittelte Distanz ist von der Interferome- tersteuerung 78 über eine Verbindung dem Prozessor 44 zuführbar.
Da der Messbereich 67a des Interferometers eingeschränkt ist, ist vorzugsweise noch eine Grobmessvorrichtung, insbesondere ein Distanzmesssystem 69 mit di¬ rekter Phasenmessung eines modulierten Signals vorgesehen. Die Lichtleiterend¬ stücke 63a, 63b sind in der dargestellten Ausführung in einem spitzen Winkel zur optischen Achse 7 ausgerichtet. Im Prozessor 44 werden die Messwerte des Messsystems 69 und des Interferometers 73 zu einer äusserst genauen Angabe der Distanz kombiniert.
Fig.4 zeigt schematisch die Meßanordnung in Verbindung mit einer mikroskopi¬ schen Anordnung mit zwei Hauptobjektiven 8c und 8d (Greenough), ohne gemein¬ sames Hauptobjektiv. Über die Einkoppeloptik Xa gelangt ein Meßstrahlbündel 57c von einer Lichtquelle X direkt oder über ein Endstück X eines zwischengeschalte¬ ten Lichtleiters vorzugsweise parallel und symmetrisch zur optischen Achse 7 zum Objekt 22A. Das Streulicht wird über Spiegel 65 und Auskoppeloptik Ya einem Detektor Y direkt oder einem Endstück Y eines weiteren Lichtleiters zugeführt.
Fig.5 zeigt einen Laser 56, der über einen justierbaren Strahlenteiler 32a in die Mikroskopoptik 8, 13 umgelenkt wird. Aus der Mikroskopoptik 8, 13 gelangt der Strahl 57a über einen Strahlenteiler 4c auf einen Messarray 45a. Zum Bestimmen der Vergrösserung, bzw. der Lage der Fokalebene, werden die Strahlenpositionen auf dem Messarray 45a und die entsprechenden Positionen des Einblendelemen- tes 32a verwendet. Um mögliche vom Messstrahl ausgehende Störungen zu mi¬ nimieren wird der Laser 56 über einen Intervallschalter 43 gesteuert. Die Auswer¬ tung der Positionsdaten erfolgt in einem Mikroprozessor 44a. Die oben beschrie¬ benen Komponenten werden durch Verbindungsleitungen 50a und 50c miteinan¬ der verbunden.
Die Distanzbestimmung erfolgt über ein Distanz-Messsystem 69, von dem Lichtlei¬ ter zu den Endstücken 63 und 63' führen. Es wird Laserlicht verwendet, dessen Stahl 57c zwischen dem Objekt und dem Mikroskop gegen das erste Umlenkele- ment 61 eingespiesen wird. Der am Objektdetail 22a reflektierte Strahl wird vom zweiten Umlenkelement 65 gegen das mit dem Sensor verbundene Lichtleiter- Endstück 63' umgelenkt. Das Distanz-Messsystems 69 ist mit dem Prozessor 44a verbunden, so dass dieser aus den Distanzwerten und den Vergrösserungswerten auf dem untersuchten Bildausschnitt reale Positionen bestimmen kann.
Fig.6 zeigt eine dünne Glasplatte, eventuell antireflexionsbeschichtet, die ein oder mehrere kleine Einblendelemente trägt, die derart knapp an Linsen, Hauptobjektive etc. herangeschoben werden können und nur mehr partielle - in der Regel vernach- lässigbar kleine - optische Störungen verursachen. Die in den übrigen Figuren dar¬ gestellte Einblendelemente können durch solche ersetzt werden. Diesbezüglich wird nochmals ausdrücklich auf die am selben Tag eingereichte PCT- Patentanmeldung verwiesen, deren Lehre betreffs der Einblendelemente als hierin geoffenbart gilt.
Eine Variante in Kombination mit einer Positionserfassung gemäss den Patentan¬ sprüchen 20 bis 26 der erwähnten PCT-Patentanmeldung ist bevorzugt. Die ent¬ sprechenden Figuren und die zugehörigen Figurenbeschreibungsteile gelten als hierin geoffenbart.
Weitere Einzelheiten und Varianten sind in den Patentansprüchen beschrieben bzw. gekennzeichnet.
Bezugszeichenliste
Diese Bezugszeichenliste enthält auch Bezugszeichen von Figuren, die in den oben erwähnten Anmeldungen beinhaltet sind, da diese, bzw. die durch diese Be¬ zugszeichen angeführten Merkmale und deren entsprechenden Beschreibungs¬ und Zeichnungsteile, wie erwähnt als im Rahmen dieser Erfindung liegend zu Kombinationszwecken mitgeoffenbart gelten. Insbesondere betrifft dies die Mikro¬ skope mit speziellen Strahlengängen und Strahlenteilern und die Vorrichtungen zum Messen der Vergrösserung und des Abstandes vom Mikroskop zum Objekt.
1 erster Strahlengang; a,b
2 zweiter Strahlengang (geometrisch übereinander gelegte erste Strahlen¬ gänge); a,b
3 mechanooptisches Schaltelement 3a-c undurchlässige und vorzugsweise verspiegelte Blende
3d LCD-Shutter-Element
3e mikromechanische Lamellenspiegelkonstruktion
3f LCD Wechselshutterelement
4 Strahlenteiler 4a, b Strahlenteiler
4c Strahlenteiler für Messs trahlausblendung 4c1 , 4c2
5 Scheibe
5a halbkreisförmige Fläche -
5b Restfläche der Scheibe 5 5c Kreissegmentflächen
6 Achse für Scheibe
7 Mittelachse 7a,b Mittelachse
8 Hauptobjektiv 8a Hauptobjektiv
8b Hauptobjektiv mit 8a vertauschbar (unterschiedliche Brennweiten)
8c Hauptobjektiv
8d Hauptobjektiv
9 elektronische Bildaufnahmevorrichtung
10 Display
10a Display
11 Spiegel; a,b
12 Versteileinrichtung; a-c
13 Zoom
14 Motor; a,b
15 Reziprokantrieb
16 Zuleitung
17 Lichtquelle
18 Okular
19 Umlenkspiegel
20 Schubstange
21 starrer Spiegel
22 Objekt
22a Objektdetail
22A Objektdetail
23 Planplatte; a-d,a',b'
24 Schwenkantrieb
25 Gestänge
30 Lamellenspiegel von 3e
31 Tubuslinse
32 Einblendelement 32a Strahlenteile
32b Spiege
32c zweites Einblendelement
33 Vergrösserungsoptik
34 Pfeile
35 weiterer Spiegel
36 Stellantrieb
37 Balken
38 Umlenkspiegel; a,b
39 Retroprisma
40 Ausgleichsgewicht
41 Trägerplatte; a-c: prismatische mit integriertem Spiegel
42 Farbfilter; a-f
43 Intervallschalter
44 Mikroprozessor
45 Messarray; a
46 Referenzarray; a
47 Modul für Bilddatenübertragung
48 Fremdbilddateninput
49 Stellmotor für Zoom 13; a,b
50 Verbindungsleitungen; a-g
51 Vergrösserungsanzeige; a-c
52 Kurvenscheibe
53 Kopplung
53a zwischen Stellmotor 49b und Zoom 13 bzw. zwischen 49 und 52 53b zwischen Kurvenscheibe 52 und Vergrösserungsanzeige 51b
54 mechanischer Abgriff 55 Zeiger; a,b
56 Laser
57 Messstrahl; a-c,c1
58 Referenzstrahl
59 Pfeile für Verschiebbarkeit des Einblendelementes 32
60 Mikroskopstrahlengang a-e
61 erstes Umlenkelement; a
62 Fokussierelement; a,b
63 Lichtleiterendstück; a,b
64 Lichtquelle; a
65 zweites Umlenkelement
66 Sensor
67 Distanzbereich; a
68 Verbindungsleitung
69 Distanzmesssystem
70 Verbindung
71 Vergrösserungsmesseinheit
72 Positionsbestimmungssystem; a,b
73 Interferometer
74 halbdurchlässiger Spiegel
75 Reflektor
76 Detektor
77 elektromechanisches Verstellelement
78 Interferometersteuerung
79 Gitter
80 Detektor-CCD
81 Stufen 82 Mikroskop
83 Anordnung zur Vergrösserungsmessung des Mikroskopes
84 Anordnung zur Entfernungsmessung Objekt/Mikroskop
85 Positionsmessystem zur Bestimmung der Absolutlage des Mikroskopes im Raum um daraus nach Kenntnis der Entfernung Objekt/Mikroskop auch auf die
Lage des Sehfeldes am Objekt schliessen zu können
86 Toolbox für verschiedene Anwenderprogramme
87 Befehlsteuerorgan (Computermouse)
88 Befehlsteuerorgan zur Bewegungssteuerung des Mikroskopes (z.B. Fuss- Schalter)
89 Datenaufbereitungseinheit
90 Computer (Workstation)
91 Steuerschalter für Mikroskop
92 elektromechanische Steuereinheit für Mikroskop (Zoom, Fokus etc.) 93 Leuchtdioden; a-c
94 Glasfasern; a-c
95 Enden der Glasfasern; a-c
96 IR-Rezeptoren; a-c
97 Mikroskopständer 98 Rückkopplung
99 Zuleitungen; a-c
100 Reflektoren mit spezieller Oberfläche b Abstand der Messstrahlen 57a und 57b b' Abstand der Messstrahlen 57a und 57b am Messarray d1 ,2 Stereobasis
X Lichtquelle oder Endstück eines zwischengeschalteten Lichtleiters
Xa Einkoppeloptik
Y Detektor oder Endstück eines Lichtleiters
Ya Auskoppeloptik

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Ermittlung der Lage eines Objektdetails (22a) relativ zu einem Mikroskop in der Richtung der Mikroskop-Mittelachse (7), bei dem wenigstens ein Messsignal mit einem Referenzsignal verglichen wird, wobei wenigstens das Messsignal ein Lichtbündel entlang eines Lichtweges (57c) von einer dem Mikro¬ skop zugeordneten Quelle (64) zum Objektdetail (22a) umfasst, welches Bündel von der Quelle (64) auf das Objektdetail (22a) gerichtet wird, dort umgelenkt (reflektiert oder gestreut) wird, wobei das umgelenkte Lichtbündel wenigstens teil- weise einer Empfangseinheit mit wenigstens einem Sensor (66) zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtweg (57c) in die Nähe der Mikroskopmitte¬ lachse (7) und seine Achse wenigstens annähernd parallel dazu gelegt wird, und dass die Empfangseinheit optisch und/oder elektronisch mit der Quelle (64) ver¬ bunden wird, wobei das am Sensor (66) in der Empfangseinheit detektierte Licht aus dem Lichtbündel mit dem von der Lichtquelle (64) abgegebenen Licht vergli¬ chen und/oder zusammengeführt wird, worauf aus allfälligen Laufzeitunterschieden insbesondere von dem Lichtbündel überlagerten Lichtpulsen bzw. Modulationen und/oder aus auftretenden Interferenzen bzw. Interferenzerscheinungen wenig¬ stens eine vom Unterschied der beiden Signale abhängige Grosse bestimmt wird und diese zum Ableiten der Relativlage zwischen dem Mikroskop und dem Objekt¬ detail (22a) verwendet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das von der Quelle (64) emittierte Lichtbündel zeitlich moduliert wird, in der Empfangseinheit das einfallende Licht dem Sensor (66) zugeführt wird, um die Modulation zu erken¬ nen, worauf elektronisch direkt die Phasenverschiebung zwischen den abgehen¬ den Lichtpulsen aus der Quelle (64) und den am Sensor (66) ankommenden Licht¬ pulsen gemessen wird, um daraus die entsprechende Relativlage zu ermitteln, wo¬ bei bei dieser Ermittlung vorzugsweise allfällige Lichtgeschwindigkeitsunterschiede in allfälligen Glasbauteilen des Mikroskopes als konstanter Wert rechnerisch mitbe¬ rücksichtigt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mo¬ dulation bzw. Kodierung des Lichtbündels durch die vorzugsweise sinusförmige, gegebenenfalls aber dreiecksförmige, Modulation der Lichtquelle, vorzugsweise eines Lasers, gegebenenfalls aber einer LED.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn¬ zeichnet, dass die Modulation mit einer Frequenz von mindestens 10 MHz, vor¬ zugsweise aber zwischen 30 MHz und 200 MHz, insbesondere mit etwa 50 bis 100 MHz erfolgt.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn- • zeichnet, dass das Lichtbündel zumindest einen Strahl umfasst, der auf einen
Punkt oder gegebenenfalls sukzessive hintereinander auf mehrere Punkte am Objektdetail gerichtet wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn- zeichnet, dass das Lichtbündel zumindest einen Strahl umfasst, der eine zur Er¬ zeugung von Interferenzmustern genügende, jedoch nach oben eingeschränkte Kohärenzlänge hat und dass die Lage des Objektdetails durch das Kohärenzab¬ gleichen eines Interferometers bestimmt wird, wobei vorzugsweise die Speise¬ spannung der Lichtquelle variiert wird, um dadurch eine willkürliche Veränderung der Kohärenzlänge und damit des gewünschten Empfindlichkeit zu erzielen.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn¬ zeichnet, dass zur Vergrösserung des Messbereichs zusätzlich mindestens ein Grobeinstellungs-, bzw. Grobmessschritt vorgesehen ist, der beispielsweise eine Triangulationsmessung, ein mechanisches Abtasten bzw. optisches Ablesen um¬ fasst.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn¬ zeichnet, dass sowohl für ein moduliertes Lichtsignal eine Phasenbestimmung der Lage als auch für ein Lichtsignal (vorzugsweise dasselbe) ein Interferenzabgleich zur Bestimmung der Lage durchgeführt wird und die beiden Lagebestimmungen zusammen zur Relativlagenbestimmung verwendet werden.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn¬ zeichnet, dass neben der Distanzbestimmung zwischen Mikroskop und Objektdetail (22a) auch Distanz-, vorzugsweise aber Positionsbestimmungen, auf dem betrach¬ teten Objekt (22) vorgesehen sind, die von Daten über die Fokalebene und die Vergrösserung des Mikroskopes, vorzugsweise aber auch von Positionsdaten des Mikroskopes, ausgehen, wobei zur Bestimmung der Vergrösserungsdaten die Messung der optischen Ablenkung mindestens eines durch die Mikroskopoptik füh¬ renden Lichtstrahles vorgesehen ist.
10. Vorrichtung zur Ermittlung der Lage eines Objektdetails (22a) relativ zu ei¬ nem Mikroskop in der Richtung der Mikroskop-Mittelachse (7), mit wenigstens einer Einrichtung zur Erzeugung eines Messsignals und eines Referenzsignals und we¬ nigstens einer Einrichtung zum Vergleichen der beiden Signale, wobei wenigstens das Messsignal ein Lichtbündel entlang eines Lichtweges (57c) von einer dem Mi¬ kroskop zugeordneten Quelle (64) zum Objektdetail (22a) umfasst, welches Bündel von der Quelle (64) auf das Objektdetail (22a) richtbar ist, um dort umgelenkt (reflektiert oder gestreut) zu werden, wobei wenigstens einem Teil des umgelenk¬ ten Lichtbündels eine Empfangseinheit mit wenigstens einem Sensor (66) zuge- ordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtweg (57c) in die Nähe der Mi¬ kroskopmittelachse (7) und seine Achse wenigstens annähernd parallel dazu an¬ geordnet ist, und dass die Empfangseinheit optisch und/oder elektronisch mit der Einrichtung zur Erzeugung des Messsignals verbunden ist, wobei im Betriebszu¬ stand das am Sensor (66) in der Empfangseinheit detektierte Licht aus dem Licht- bündel mit dem von der Lichtquelle (64) abgegebenen Licht verglichen und/oder zusammengeführt wird, und eine Analyseeinheit, z.B. ein Mikroprozessor (44) vor¬ gesehen ist, deren Gestaltung bzw. dessen Programmierung aus allfälligen Lauf¬ zeitunterschieden, insbesondere von dem Lichtbündel überlagerten Lichtpulsen bzw. Modulationen und/oder aus auftretenden Interferenzen bzw. Interferenzer- scheinungen wenigstens eine vom Unterschied der beiden Signale abhängige Grosse bestimmbar macht und diese zur Bestimmung der Relativlage zwischen dem Mikroskop und dem Objektdetail (22a) verwendet.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (66) als Phasenbestimmungssensor ausgebildet ist und mindestens eine Grosse bestimmbar macht, die von der Phasenverschiebung zwischen von der Lichtquelle (64) emittiertem und am Sensor ankommendem Licht abhängt.
12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass
a) die Lichtquelle (64), bzw. ein mit der Lichtquelle (64) verbundenes Lichtleite¬ rendstück (63a), quer zur Mikroskopmittelachse (7) angeordnet ist und im Betriebs- ' fall ein Lichtbündel (57c) im wesentlichen gegen die Mittelachse (7) ausstrahlt,
b) mindestens ein erstes Umlenkelement (61), vorzugsweise im Bereich der Mittelachse (7), so vorgesehen ist, dass zumindest ein Teil des Lichtbündels (57c) im wesentlichen parallel zur Mittelachse (7) gegen das Objekt (22) umgelenkt wird,
c) mindestens ein zweites Umlenkelement (65), so vorgesehen ist, dass zu¬ mindest ein Teil des reflektierten bzw. gestreuten Lichtbündels (57c1) quer zur Mittelachse (7) gegen den Sensor (66), bzw., gegen ein mit dem Sensor (66) ver¬ bundenes Lichtleiterendstück (63b), umgelenkt wird.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und/oder das zweite Umlenkelement (61,65) zwischen dem Objekt (22) und der Mikroskopoptik (8,13), gegebenenfalls im Bereich der Mikroskopoptik (8,13), oder hinter der Mikroskopoptik (8,13) angeordnet ist, wobei gegebenenfalls wenigstens ein Glasbauteil dieser Optik (8,13) zur Vermeidung von Reflexionen bzw. Über¬ sprechen wenigstens eine Bohrung oder wenigstens eine Blende aufweist, durch welche das Strahlenbündel lenkbar ist.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (64) ein Modulationselement umfasst, das eine Sinus-, oder Dreiecksschwingung mit einer Frequenz von mindestens 10 MHz, vorzugsweise aber zwischen 30 MHz und 200 MHz, insbesondere von etwa 50 bis 100 MHz er- zeugt und der Phasenbestimmungssensor (66) die Phasenverschiebung der Modu¬ lationsschwingung des reflektierten Lichtbündels (57c1) direkt erfassbar macht.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (66) als Zweistrahl-Interferometer (73) ausgebildet ist, durch wel¬ ches die Streckenlänge eines am Objekt (22) reflektierten Laserstrahls (57c) mittels eines Interferenzabgleichs bestimmbar ist.
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