WO2024074445A1 - Verfahren und steuereinrichtung zum justieren und/oder kalibrieren und/oder überwachen des fokuswertes eines optischen geräts mit zoomfunktion - Google Patents

Verfahren und steuereinrichtung zum justieren und/oder kalibrieren und/oder überwachen des fokuswertes eines optischen geräts mit zoomfunktion Download PDF

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WO2024074445A1
WO2024074445A1 PCT/EP2023/077214 EP2023077214W WO2024074445A1 WO 2024074445 A1 WO2024074445 A1 WO 2024074445A1 EP 2023077214 W EP2023077214 W EP 2023077214W WO 2024074445 A1 WO2024074445 A1 WO 2024074445A1
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WO
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focus
value
surgical microscope
image
zoom
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Application number
PCT/EP2023/077214
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Richard Baeumer
Marco Woerner
Christian Beder
Original Assignee
Carl Zeiss Meditec Ag
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Publication date
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    • G02B7/28—Systems for automatic generation of focusing signals
    • G02B7/36—Systems for automatic generation of focusing signals using image sharpness techniques, e.g. image processing techniques for generating autofocus signals

Definitions

  • the present invention relates to a method for adjusting and/or calibrating the focus value of a surgical microscope, a control device for adjusting and/or calibrating the focus value of a surgical microscope, a surgical microscope, a computer-implemented method, a computer program product, a computer-readable data carrier and a data carrier signal.
  • Adjustment is the one-time setting of the device, for example as part of service or assembly
  • calibration is the adjustment of individual or multiple parameters as part of service or assembly or the operation of the device.
  • control curves can be stored that are then used later.
  • optical reference devices For the adjustment and calibration of video modules, so-called optical reference devices are usually used, which can be used analogue or digitally. These optical reference devices attempt to represent both the optical centre of a main observer and the focus position of the main observer through a strict mechanical tolerance chain, for example a fixed positioning of the optics to a dovetail interface on which an optical reference device is mounted. The main observer is already pre-adjusted. This is therefore used in combination with the optical Reference device as a reference, in particular for a position in an image plane (xy plane), the focus position and the rotation.
  • the aim is usually that the focus values at which the contrast value is maximum differ only slightly or not at all at different zoom positions.
  • the stated objects are achieved by a method for adjusting and/or calibrating the focus value of a surgical microscope according to claim 1, a control device for adjusting and/or calibrating the focus value of a surgical microscope according to claim 15, a surgical microscope according to claim 16, a computer-implemented method according to claim 18, a computer program product according to the invention, a computer-readable data carrier according to the invention and a data carrier signal according to the invention.
  • the dependent claims contain further advantageous embodiments of the invention.
  • the method according to the invention for adjusting and/or calibrating and/or monitoring the focus value of a surgical microscope which comprises at least one lens, an image capture device, for example in the form of a camera chip, and a zoom system, wherein the optical device is designed to be operated in at least two different zoom positions, i.e. zoom positions that differ from one another, comprises the following steps: In at least two different zoom positions, at least one image, i.e. an image, of a specified object is captured by means of the image capture device. Subsequently, a plurality of contrast values are determined based on the focus value using the at least one captured image. In this case, at least one contrast value can be determined in a plurality of images, each of which was captured at different focus values. However, a plurality of contrast values can also be determined in one captured image. This is useful for an image of a tilted object.
  • the focus value can be a relative focus value or a focus value difference.
  • the surgical microscope usually outputs a focus value that only depends on the position of the optical elements of the main objective.
  • a flat or level calibration object positioned perpendicular to the optical axis can be used.
  • a relative focus value can be determined, e.g. calculated, in the form of a change in focus or a shift in focus depending on the zoom setting.
  • zoom position and zoom setting are used synonymously in the context of this description.
  • the contrast values can preferably be determined by image analysis.
  • the image analysis can be carried out digitally and/or automatically and/or visually. In this case, specified pixels or image segments or image sections can be evaluated.
  • at least one target value for at least one parameter for adjusting and/or calibrating the focus value of the surgical microscope is determined using the determined contrast values for the at least two zoom positions. For this purpose, the focus value at which the contrast value for the respective zoom position is maximum can be determined.
  • a parameter for adjusting and/or calibrating the focus value of the surgical microscope is understood to be a variable that can be changed as part of the adjustment and/or calibration of the focus value, for example the distance between the at least one objective and the Image capture device or the distance between individual lenses or lens groups of the lens.
  • the procedure can be carried out for all zoom positions or only for a majority of selected zoom positions.
  • Determining the target value can include determining a change value of the focus, in particular a zoom-independent focus position, of the surgical microscope. Determining the target value, in particular the change value, can be based on an evaluation of the gradient of at least one curve, e.g. a straight line, which maps the dependence of the focus value or a detected focus change in relation to a reference value on the zoom position.
  • the focus change can be determined, for example, in relation to the position of a zoom center or another specified object-side reference point, e.g. an object marking on the object (calibration object).
  • the focus change can be specified in any units, which can be defined, for example, by elements mapped onto the object.
  • a functional relationship, e.g. a linear dependency, between the gradient and the focus position or focus setting of the surgical microscope can be assumed or determined by appropriate measurements.
  • the target value and/or the change value can be calculated directly using the contrast values determined for at least two different zoom positions or the resulting absolute or relative focus values at which the contrast is maximum.
  • the target value can be calculated and/or provided and/or displayed and/or monitored in the form of a target focus line or a target focus area in a captured image of the specified object, e.g. for a specific zoom setting. This enables a fitter to adjust and/or calibrate accordingly.
  • the adjustment and/or Calibration can be done at a predefined or any zoom setting.
  • the image capture device can be a camera, for example a video camera. This can include a camera chip.
  • the surgical microscope can have a stereoscopic optical system.
  • the present invention has the advantage that a surgical microscope with a mechanical zoom system can be adjusted in focus independently of a main observer and an optical reference device.
  • An optical reference device is therefore not necessary for the adjustment and/or calibration of the focus.
  • the deviation from an ideal device which is set to infinity, i.e. pre-adjusted so that when an object is in focus, the optical rays in the magnification system are parallel, is quantifiable, for example by the deviations of the focus values at which the contrast value is maximum.
  • the focus adjustment is also independent of a main observer and thus independent of his absence or his subjective assessment.
  • a further advantage is that the use of a measured calibration object can be dispensed with, since only relative focus values can be used for adjustment and/or calibration.
  • the surgical microscope comprises at least a first objective, for example in the form of a main objective, and a second objective, for example in the form of a video objective, wherein the second objective is arranged in the beam path between the first objective and the image capture device.
  • At least one correction value for the relative position of the at least one objective e.g. the second objective and/or the first objective, and/or the image capture device within the surgical microscope in relation to the beam path
  • the at least one target value can be determined and/or set separately for each of the at least two zoom positions.
  • the at least one target value can be determined and/or set for the at least two zoom positions in such a way that the difference between the focus values at which the contrast value is maximum for the at least two zoom positions is less than a set threshold value.
  • At least one target value for at least one parameter for adjusting and/or calibrating the focus value of the surgical microscope can be determined and/or set.
  • the second lens e.g. the video lens
  • the second lens is preferably moved so that a corresponding target value for the positioning and/or displacement can be determined and/or set.
  • the at least one target value for each of the at least two zoom positions can be determined and/or set in one of the two zoom positions or in another zoom position. If a check shows that the surgical microscope is correctly adjusted, the target value will be the same as the actual value or will be within a tolerance range. This also enables monitoring or remote monitoring of the surgical microscope.
  • At least one image of a flat surface of the specified object can be captured, wherein the flat surface has a surface normal that encloses an angle between 0 degrees and 90 degrees, in particular an angle between 5 degrees and 85 degrees, for example 20 degrees, with the optical axis of the lens.
  • the flat surface encloses an angle between 90 degrees and 0 degrees, in particular between 85 degrees and 5 degrees, for example 70 degrees, with the optical axis of the lens.
  • the object used is preferably a known calibration object.
  • This can have a defined pattern, for example a checkerboard pattern. It is therefore advantageous to capture at least one image of a defined calibration object with known features in each of the at least two different zoom positions, so that high-contrast regions can be recognized in the image. If the geometry of the calibration object is known, high-contrast regions in the image can be predicted. These can be determined and evaluated in terms of contrast. This shortens the calculation time.
  • the calibration object can be a Charucoboard, for example.
  • the variants mentioned simplify the determination of the contrast values and offer a robust solution with regard to errors due to possible noise. For example, only contrast values in a defined area of the center of the image can be determined and/or evaluated. This simplifies and speeds up adjustment and/or calibration.
  • the dimensions of the pattern are known or specified or the dimensions are determined.
  • the dimensions can be known or specified or determined in a unit of length, e.g. millimeters.
  • the image scale e.g. in the form of a relationship between the respective dimension of at least one element of the calibration object, e.g. in millimeters, and in a unit of length of the camera chip, e.g. in pixels, is known or specified or is determined. If the tilt of the calibration object is known or specified or defined or determined, the focus value relative to a point in the image, e.g.
  • the tilt of the calibration object can be determined using a pose estimation.
  • a camera can be used to evaluate geometric deformations that occur when a captured image of the calibration object is tilted, e.g. trapezoids that form, to determine the tilt.
  • the described design has the advantage that the focus value at which the contrast value is maximum and the dependency between contrast value and focus value can be determined quickly and reliably in a simple manner.
  • an image of the specified object can be captured at a plurality of focus values.
  • the focus values can be set using an adjustable focus system.
  • the normal of the flat surface of the calibration object can have an angle of 0° with the optical axis.
  • the surgical microscope must be equipped with a lens with a variable focal length for this. By focusing accordingly, which can be done automatically, a value table and/or a curve can be determined for each of the at least two zoom positions, which maps the contrast values depending on the focus value.
  • the focus value of the surgical microscope can be adjusted using the contrast value curves.
  • the calibration object can be moved along the optical axis.
  • the focus value of the surgical microscope is adjusted and/or calibrated separately for each of the at least two zoom positions, i.e. individually for each zoom position, so that the contrast value is maximum for each of the at least two zoom positions.
  • the focus value is readjusted or re-adjusted, e.g. using stored data, which is then used permanently during operation to set or correct the focus value accordingly.
  • the focus value of the surgical microscope can be adjusted and/or calibrated for the at least two zoom positions in such a way that that the difference between the focus values at which the contrast value is maximum is less than a specified threshold value for at least two zoom positions.
  • the focus value of the surgical microscope can be adjusted and/or calibrated in several ways.
  • the focus value of the surgical microscope can be adjusted and/or calibrated by adjusting the distance between an object plane, for example a fixed object, and the at least one objective, for example the first objective, for example a main objective, and/or the second objective, for example a video objective.
  • the focal length is adjusted by shifting at least one objective and/or an object relative to one another along an optical axis of the at least one objective.
  • the focus value of the surgical microscope can be adjusted and/or calibrated by adjusting the distance between the objective, for example the first and/or the second objective, and an image plane of the image capture device.
  • the at least one objective and the image capture device are therefore displaced relative to one another in the direction or along the optical axis of the objective, wherein the objective and/or the image capture device can be moved.
  • the at least one objective for example the first and/or second objective, can comprise a first optical element and a second optical element.
  • the focus value of the surgical microscope can be adjusted and/or calibrated by shifting the first optical element of the objective in relation to the second optical element of the objective.
  • An optical element is understood to be a number of optical components which are fixedly positioned relative to one another.
  • the optical element can comprise, for example, only one lens or a plurality of lenses. In the present variant, internal focusing takes place in the respective Lens, for example in a main lens or a video lens.
  • the optical device can in particular comprise a first lens, for example a main lens, and a second lens, for example a video lens, wherein the first lens is arranged in the beam path between an object plane and the second lens.
  • the focus value of the surgical microscope can be adjusted and/or calibrated by shifting the first optical element of the first lens in relation to the second optical element of the first lens and/or by shifting a first optical element of the second lens in relation to a second optical element of the second lens.
  • the zoom positions and/or focus values are set automatically. This facilitates adjustment and/or calibration and shortens the time required for adjustment and/or calibration.
  • the surgical microscope can have a stereoscopic optical system, wherein the stereoscopic optical system has or defines a first optical path and at least one further optical path. At least one target value and/or calibration data can be determined for the first optical path and transferred to the at least one further optical path.
  • An optical path is understood to be the path of the light from an object through the optical system to an image plane.
  • the control device for adjusting and/or calibrating and/or monitoring the focus value of a surgical microscope, which comprises at least one objective, an image capture device and a zoom system, wherein the surgical microscope is designed to be able to two different zoom positions, is designed to carry out a previously described method according to the invention. It has the features and advantages already described.
  • the surgical microscope according to the invention comprises at least one lens, an image capture device, for example a camera, in particular a video camera, and a zoom system.
  • the surgical microscope is designed to be operated in at least two different zoom positions.
  • the surgical microscope is also designed to carry out an inventive method described above.
  • the surgical microscope can comprise the previously described inventive control device.
  • the surgical microscope according to the invention has the features and advantages already described. It preferably has a stereoscopic optical system.
  • the computer-implemented method according to the invention comprises instructions which, when the program is executed by a computer, cause the computer to carry out an inventive method described above.
  • the computer program product according to the invention comprises instructions which, when the program is executed by a computer, cause the computer to carry out an inventive method described above.
  • the computer program product according to the invention is stored on the computer-readable data carrier according to the invention.
  • the data carrier signal according to the invention transmits the computer program product according to the invention.
  • the term "and/or" when used in a series of two or more elements means that any of the listed elements may be used alone, or any combination of two or more of the listed elements may be used.
  • the composition may contain A alone; B alone; C alone; A and B in combination; A and C in combination; B and C in combination; or A, B, and C in combination.
  • Fig. 1 shows schematically the beam path through a surgical microscope for two zoom positions.
  • Fig. 2 shows schematically a method according to the invention in the form of a flow chart.
  • Fig. 3 shows schematically contrast value curves depending on the
  • Fig. 4 shows schematically contrast value curves depending on the
  • Fig. 5 shows a schematic of a surgical microscope to be calibrated and a calibration object.
  • Fig. 6 schematically shows two images of the calibration object acquired at different zoom positions.
  • Fig. 7 shows schematically in the form of a diagram a change of the focus value depending on the zoom position for three different adjustment or calibration states.
  • Fig. 8 shows a schematic display of a contrast line (actual focus line) and a target focus line in an acquired image of a calibration object.
  • Fig. 9 shows schematically a first variant of a surgical microscope according to the invention with a control device according to the invention.
  • Fig. 10 shows schematically a second variant of a surgical microscope according to the invention with a control device according to the invention.
  • Figure 1 schematically shows the beam path 10 through a surgical microscope 1 at two zoom positions.
  • a first zoom position with a low zoom value is set at the top and in Figure 1, a second zoom position with a high zoom value is set at the bottom.
  • the zoom value of the beam path shown at the top is therefore lower than the zoom value of the beam path shown at the bottom.
  • the surgical microscope 1 comprises a first objective 3 in the form of a main objective and a second objective 2 in the form of a video objective, each of which comprises at least one lens or a lens group.
  • the second objective 2 is arranged in the beam path between the first objective 3 and an image capture device 5.
  • the beam path 10 is in front of the surgical microscope 1 and on the right after the Surgical microscope 1 is shown.
  • the beam direction in Figure 1 is from left to right.
  • object points are imaged onto an image plane of an image capture device 5, for example onto a camera chip.
  • a first beam 11 and a second beam 12 each image an object point onto a camera chip 5.
  • the beams 11 and 12 first pass through the first lens 3.
  • the beam path behind the first lens 3 and in front of the second lens 2 is in each case afocal.
  • the area in which afocal beams occur is identified by the reference number 6. In the areas 6, there is therefore a parallel beam path.
  • At least one lens, a set of lenses of the video lens 2 or the camera chip 5 is adjusted along the optical axis 7, i.e. in the horizontal direction in Figure 1. If the video lens 2 is correctly focused, as shown in Figure 1, the beam of rays that forms the axial beam, i.e. in this case the second beam of rays 12, converges at a point on the camera chip 5, i.e. not in front of or behind the camera chip 5, regardless of the zoom position.
  • the surgical microscope comprises at least one objective, for example a first objective 3 in the form of a main objective and a second objective 2 in the form of a video objective, an image capture device 5 and a zoom system and is designed to be operated in at least two different zoom positions.
  • the video objective 2 is arranged in the beam path 10 between the main objective 3 and the image capture device 5.
  • FIG. 2 shows a schematic of a method according to the invention in the form of a flow chart.
  • a first step 21 at least one image or a Image of a specified object, preferably a known calibration object, is captured by means of the image capture device 5.
  • a second step 22 one or a plurality of contrast values are determined as a function of the focus value using the at least one captured image. This is preferably done using suitable image analysis software which is designed, for example, to quantify black-white transitions of an image with regard to the contrast.
  • at least one target value and optionally a correction value for at least one parameter for adjusting and/or calibrating the focus value of the surgical microscope are determined using the determined contrast values for the at least two zoom positions.
  • the focus value can be determined at which the contrast value for the respective zoom position is maximum.
  • An example implementation of step 23 is explained in more detail below using Figures 6 to 8.
  • the determined focus values at which the contrast value for the respective delivery is maximum can be used in an optional step 24 for adjusting and/or calibrating the surgical microscope, for example by adjusting and/or calibrating the surgical microscope so that the focus position, in particular the focus position of the video lens 2, is adapted so that the maximum values of the contrast curves, i.e. the maximum values of at least two contrast curves, appear at the same focus value or a focus difference which is less than a specified threshold value.
  • the surgical microscope, in particular the video lens is correctly adjusted and/or calibrated in focus. With a focus difference of zero, the surgical microscope, in particular the lens, is adjusted to infinity.
  • the determined focus values at which the contrast value for the respective feed is maximum can be stored for controlling the surgical microscope and used when using the individual zoom positions for adjusting and/or calibrating the focus value. For example, after assembling and adjusting a surgical microscope, the Contrast value curves for different zoom positions are recorded and stored in the device. When the zoom is adjusted, a new setting value for the focusing system can be determined and set from the stored curves. This ensures a sharp image. Only a rough adjustment is therefore necessary, or adjustment may not be necessary in certain circumstances. This digital calibration can be carried out in the main lens, the video lens or by moving the camera chip. Perfect adjustment of the magnification system to infinity is therefore no longer necessary. However, other image errors can arise which can be corrected digitally.
  • Figure 3 shows a schematic of contrast value curves as a function of the focus value for two zoom positions.
  • Figure 4 shows a schematic of contrast value curves as a function of the focus value for four zoom positions.
  • the focus value f in millimeters is plotted on the x-axis and the contrast value normalized to one is plotted on the y-axis.
  • the contrast value curve 31 was determined at a zoom position with a zoom value of 1.0 and has a maximum at a focus value of 211.6 mm.
  • the contrast value curve 32 was determined at a zoom position with a zoom value of 2.4 and has a maximum at a focus value of 211.4 mm.
  • the focus values with maximum contrast are relatively close together here, so that further adjustment and/or calibration may be unnecessary.
  • the contrast value curve 33 has been determined at a zoom position with a zoom value of 1.0, the contrast value curve 34 at a zoom position with a zoom value of 1.5, the contrast value curve 35 at a zoom position with a zoom value of 2.0 and the contrast value curve 36 at a zoom position with a zoom value of 2.4.
  • the focus values with a maximum contrast are relatively far apart, so that the surgical microscope can be adjusted and/or calibrated using the contrast value curves.
  • step 22 i.e. to determine the plurality of contrast values depending on the focus value by means of a detected
  • the image There are various options for the image. If the surgical microscope has a focus system, meaning that the focus value can be adjusted automatically, the curves shown in Figures 3 and 4 can be recorded automatically. This means that the focus can be adjusted automatically and an image of a calibration object can be recorded for each focus value and evaluated in terms of contrast. If an automated zoom system is also available, the individual zoom settings can also be set automatically.
  • the focus difference which results from two zoom positions with an obliquely positioned target as the object, can be read visually or preferably determined by an image analysis as described above.
  • the focus value difference results in the necessary adjustment of the focus position of the optical device, in particular a video lens. This variant is explained below using Figures 5 and 6.
  • Figure 5 schematically shows a surgical microscope 40 to be adjusted and/or calibrated and a calibration object 41.
  • the calibration object 41 can be designed to be firmly connected to the surgical microscope 40 or can be firmly connected to it.
  • the calibration object 41 which preferably has a flat surface 42 with a known pattern, preferably a Charuco pattern, is arranged tilted with respect to the optical axis 7.
  • a surface normal 43 of the surface 42 of the calibration object 41 can enclose an angle 44 between 5 degrees and 85 degrees, for example 20 degrees, with the optical axis 7. This corresponds to an angle 45 between 85 degrees and 5 degrees, for example 70 degrees, between the surface 42 and the optical axis 7.
  • contrast values can be calculated for a plurality of focus values in an image.
  • the dimensions of the pattern in particular the dimensions of elements of the pattern, are known or specified or the dimensions are determined.
  • the dimensions can be known or specified or determined in a unit of length, e.g. millimeters.
  • the image scale e.g. in the form of a relationship between the respective dimension of at least one element of the pattern in pixels and in a unit of length, is known or specified or is determined. If the tilt of the calibration object 41 is known or specified or defined or determined, e.g. with the help of a pose estimate, the focus value at which the contrast value is maximum can be determined, in particular calculated, using the dimensions and/or the image scale.
  • This embodiment has the advantage that the focus value at which the contrast value is maximum and the dependency between contrast value and focus value can be determined quickly and reliably in a simple manner.
  • the variant with the tilted calibration object 41 also offers the advantage that optical systems, in particular surgical microscopes, with a fixed focal length can also be adjusted and/or calibrated.
  • the contrast value curves for at least two zoom positions are first determined and then a target focus position for at least one zoom position can be calculated and/or provided and/or displayed so that the fitter can adjust and/or calibrate the optical system using the displayed target focus position (see, for example, Figure 8 below).
  • Figure 6 schematically shows two images 18 of the calibration object 41 captured at different zoom positions.
  • the zoom center is presently and preferably placed at a point in the middle of the image. If the zoom center is not in the middle of the image, it is useful to set the coordinate origin of the object-side coordinate system used at the object point of the zoom center (projection of the zoom center into the object).
  • the zoom center is the point in the captured images that does not move between the different magnification levels.
  • the zoom center can be used in particular as optical center of an observer beam path. Camera systems are generally designed and/or adjusted in such a way that the object point, which is imaged on the center of the camera chip, does not move in the image when zooming through.
  • the optical axis which is defined by the zoom system, hits the center of the camera chip.
  • the calibration object 41 is tilted in such a way that the focus value in Figure 6 changes from left to right.
  • the image shown on the left was captured at a first zoom position and the image shown on the right was captured at a second zoom position.
  • the contrast lines i.e. vertical lines with the highest contrast in the images shown, are identified by the reference number 46.
  • the contrast line 46 in the second zoom position i.e. in the image shown on the right in Figure 6, appears in the image in relation to an object marking 17 on the calibration object 41 further to the right on the calibration object 41 than the contrast line 46 in the first zoom position shown on the left in Figure 6.
  • the contrast line 46 is located approximately three checkerboard patterns (white or black square) to the left of the object marking 17 in the image shown on the left in Figure 6 and approximately two checkerboard patterns to the left of the object marking 17 in the image shown on the right in Figure 6.
  • the contrast line 46 therefore shifts relative to the calibration object 41 or to the object marking 17. This means that the focal plane shifts or, in other words, moves along the optical axis 7 when switching between the two zoom positions. If the contrast line 46 were always at the same point on the object, the focus value difference would be zero.
  • the object marking 17 can be placed anywhere on the object. The relative change or movement of the contrast line 46 would remain the same. However, it is preferable to choose an object point that coincides with the zoom center and thus with the optical axis of the zoom system.
  • This focus value difference can be calculated from the displacement of the contrast line 46, the geometry of the test arrangement and a scale, for example the size of the charuco markers of the pattern on the flat surface 42 of the calibration object 41.
  • the focal plane is a sphere, so that the contrast line 46 shown represents an approximation of a contrast curve. If the curvature of the contrast curve, i.e. the deviation of the contrast line 46 shown (straight line) from the actual contrast curve, is small, an approximation as a line is justified. Otherwise, the actual contrast curves must be taken into account.
  • a known calibration object for example a checkerboard or a charucoboard. This facilitates the detection and evaluation of the contrast.
  • the change in the contrast line shown in Figure 6 indicates a movement or a change in the focus value depending on the zoom position.
  • This is shown schematically in Figure 7 in the form of a diagram.
  • the zoom position Z is plotted on the x-axis and the focus value F is plotted on the y-axis.
  • the focus value can be specified in millimeters or in pixels or in any unit that characterizes the movement of the focus in relation to the calibration object 41, e.g. the movement in relation to an object marking 17 on the calibration object 41.
  • the dimension of a geometric shape or structure that is depicted on the calibration object 41 can be used as a scale. In the example shown in Figure 6, for example, the width of one of the depicted rectangles can be used as a scale.
  • FIG. 7 shows the results for three measurements.
  • the focus value F was determined for a zoom position Zi and a zoom position Z2.
  • the focus values F are preferably determined for more than two zoom positions Z.
  • This can preferably be assumed to be a straight line with a gradient g (F ⁇ g*Z).
  • the movement of the focus value in relation to the calibration object is represented by the gradient g.
  • the amount of the gradient g should be minimized during adjustment and/or calibration and should preferably approach zero or be set close to zero.
  • the straight line should preferably run parallel to the x-axis as a result of the adjustment and/or calibration.
  • the focus value of the surgical microscope was then raised or lowered by AF and a second measurement was carried out analogously to the first measurement. Raising or lowering can take place at any zoom position.
  • straight line 26 was determined, which has a lower gradient than straight line 25.
  • the focus value of the surgical microscope was then raised or lowered further and a third measurement was carried out analogously to the first two measurements.
  • straight line 27 was determined, which has a negative gradient.
  • the focus value of the surgical microscope can be adjusted or calibrated so that a gradient g of zero or, taking into account a specified tolerance, close to zero results. It has been found that there is usually a zoom-independent linear dependency (g ⁇ m*(AF), where m indicates the increase), so that two measurements, e.g.
  • a first measurement with a tilted calibration object at a first zoom position and a second measurement with the tilted calibration object at a second zoom position in principle sufficient to determine a setpoint or target value for the adjustment and/or calibration, in particular a value by which the current focus value of the surgical microscope must be raised or lowered in order to change the amount of the gradient g as desired.
  • the dependency of a change in the focus value AF of the surgical microscope and the gradient g can therefore be determined as described within the scope of the method according to the invention or assumed to be known. In the latter case, the surgical microscope can be adjusted and/or calibrated on the basis of a determination of just one gradient.
  • the required change in the focus value can be specified in millimeters, for example.
  • the determined nominal value or target value can be displayed to an engineer, e.g. in the form of a tolerance bar, tolerance strip, a line or curve, which in particular runs parallel to the determined contrast curve or contrast line 46.
  • Figure 8 shows this schematically.
  • the calibration object 41 is tilted so that the focus changes from top to bottom.
  • a nominal line is marked with the reference number 29 and the line with the currently highest contrast, i.e. the current contrast line, is marked with the reference number 28.
  • a first variant consists in changing the focal length, i.e. the distance between the object or object plane 4 and at least one of the lenses 2, 3.
  • the main lens 3 can be moved relative to the object or object plane 4.
  • a second variant consists in changing the distance between the lens 2 and the image plane 5 of the surgical microscope 1.
  • the Image capture device 5, for example the camera or a camera chip, or the second lens 2 are moved, i.e. displaced relative to each other.
  • a third variant consists in using an objective 2, 3 which allows internal focusing, i.e. which comprises at least a first optical element and at least a second optical element, wherein the first optical element and the second optical element are designed to be displaceable relative to one another. At least one of the optical elements can therefore be displaced while the other optical element is fixed.
  • the main objective 3 can be designed as an objective with a variable focal length.
  • the video objective 2 can allow corresponding internal focusing.
  • Figure 9 shows schematically a first variant of a surgical microscope 40 according to the invention.
  • the surgical microscope 40 comprises a control device 13 according to the invention, which is designed to carry out a method according to the invention, for example a variant of a method previously described with reference to Figures 2 to 8.
  • the surgical microscope 40 shown comprises a first objective 2, for example in the form of a video objective 2, a second objective 3, for example in the form of a main objective 3, a zoom system 8 for changing the zoom position and an image capture device 5, for example a camera 5.
  • the first objective 2 and/or the second objective 3 can be designed as objectives with a variable focal length, i.e. each comprise at least two lenses or lens groups that can be moved relative to one another.
  • the first lens 3, the zoom system 8, the second lens 2 and the image capture device 5 are optically connected to one another in the order mentioned, i.e. arranged one behind the other in a beam path 10.
  • the control device 13 is connected to the previously mentioned components 2, 3, 5 and 8 for signal transmission 15 and controls in particular the zoom system 8.
  • Figure 10 shows a schematic of a second variant of a surgical microscope 40 according to the invention in a stereoscopic design.
  • two video lenses 2 and image capture devices 5, in particular camera chips are arranged parallel to one another in the beam path 10.
  • the zoom system 8 can have separate optical elements for the respective beam paths, i.e. a first and a second optical path (separate beam paths or optical paths).
  • the lenses can be moved in the same and synchronous manner by mechanical, electronic or electromechanical coupling.
  • at least one target value and/or calibration data for the first optical path can be determined and transferred to the second optical path.
  • a topography can be created during operation.
  • a plane or sphere of the topography will have the highest contrast and will intersect the topography.
  • This contrast evaluation can be carried out in one camera image and/or both camera images. The points in the image with the highest contrast can be shown with a free curve in the camera image. If the focus value of the surgical microscope is set correctly, this free curve will move with the object in the camera image when the zoom is adjusted. This movement of the focus can then be calculated as a function of the zoom (gradient of the straight line in Figure 7).

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Abstract

Es wird ein Verfahren zum Justieren und/oder Kalibrieren und/oder Überwachen des Fokuswertes eines Operationsmikroskops (1, 40), welches mindestens ein Objektiv (2, 3), eine Bilderfassungsvorrichtung (5) und ein Zoomsystem (8) umfasst, wobei das Operationsmikroskop (1, 40) dazu ausgelegt ist, in mindestens zwei unterschiedlichen Zoomstellungen betrieben zu werden, beschrieben. Das Verfahren folgende Schritte: bei mindestens zwei unterschiedlichen Zoomstellungen jeweils Erfassen mindestens eines Bildes eines festgelegten Objekts (41) mittels der Bilderfassungsvorrichtung (5) (21); mittels des mindestens einen erfassten Bildes Bestimmen einer Mehrzahl an Kontrastwerten in Abhängigkeit von dem Fokuswert (22); mittels der bestimmten Kontrastwerte für die mindestens zwei Zoomstellungen Ermitteln mindestens eines Sollwertes (23) für mindestens einen Parameter zur Justage und/oder Kalibrierung des Fokuswertes des Operationsmikroskops (1, 40).

Description

Anmelder: Carl Zeiss Meditec AG, 07745 Jena
Unser Zeichen: Z50364-WO bzi/ehä
Verfahren und Steuereinrichtung zum Justieren und/oder Kalibrieren und/oder Überwachen des Fokuswertes eines optischen Geräts mit Zoomfunktion
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Justieren und/oder Kalibrieren des Fokuswertes eines Operationsmikroskops, eine Steuereinrichtung zum Justieren und/oder Kalibrieren des Fokuswertes eines Operationsmikroskops, ein Operationsmikroskops, ein computerirnplementiertes Verfahren, ein Computerprogrammprodukt, einen computerlesbaren Datenträger und ein Datenträgersignal.
Im Zusammenhang mit optischen Geräten spielt die Justage und die Kalibrierung des Fokus in der Regel eine wichtige Rolle. Dabei wird unter Justage das einmalige Einstellen des Geräts, zum Beispiel im Rahmen von Service oder Montage, und unter Kalibrieren die Anpassung einzelner oder mehrerer Parameter im Rahmen von Service oder Montage oder des Betriebs des Geräts verstanden. Im Zusammenhang mit der Kalibrierung können zum Beispiel Steuerkurven hinterlegt werden, welche später angewandt werden.
Für die Justage und die Kalibrierung von Videomodulen werden üblicherweise sogenannte optische Referenzgeräte verwendet, welche analog oder digital zur Anwendung kommen können. Diese optischen Referenzgeräte versuchen, durch eine strenge mechanische Toleranzkette, also beispielsweise einer festgelegten Positionierung der Optik zu einer Schwalbenschwanzschnittstelle, auf welcher ein optisches Referenzgerät montiert wird, sowohl das optische Zentrum eines Hauptbeobachters als auch die Fokuslage des Hauptbeobachters darzustellen. Der Hauptbeobachter ist bereits vorjustiert. Dieser dient somit in Kombination mit dem optischen Referenzgerät als Referenz, insbesondere für eine Position in einer Bildebene (x-y-Ebene), der Fokuslage und der Rotation. Bei der Justierung des Fokus wird in der Regel angestrebt, dass sich die Fokuswerte, bei welchen der Kontrastwert maximal ist, bei unterschiedlichen Zoomstellungen nur wenig oder gar nicht unterscheiden.
Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein vorteilhaftes Verfahren zum Justieren und/oder Kalibrieren des Fokuswertes eines Operationsmikroskops, eine vorteilhafte Steuereinrichtung zum Kalibrieren des Fokuswertes eines Operationsmikroskops, ein vorteilhaftes Operationsmikroskops, ein computerimplementiertes Verfahren, ein Computerprogrammprodukt, einen computerlesbaren Datenträger und ein Datenträgersignal zur Verfügung zu stellen.
Die genannten Aufgaben werden durch Verfahren zum Justieren und/oder Kalibrieren des Fokuswertes eines Operationsmikroskops gemäß Patentanspruch 1 , eine Steuereinrichtung zum Justieren und/oder Kalibrieren des Fokuswertes eines Operationsmikroskops gemäß Patentanspruch 15, ein Operationsmikroskops gemäß Patentanspruch 16, ein computerimplementiertes Verfahren gemäß Patentanspruch 18, ein erfindungsgemäßes Computerprogrammprodukt, einen erfindungsgemäßen computerlesbaren Datenträger und ein erfindungsgemäßes Datenträgersignal gelöst. Die abhängigen Ansprüche enthalten weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Justieren und/oder Kalibrieren und/oder Überwachen des Fokuswertes eines Operationsmikroskops, welches mindestens ein Objektiv, eine Bilderfassungsvorrichtung, zum Beispiel in Form eines Kamerachips, und ein Zoomsystem umfasst, wobei das optische Gerät dazu ausgelegt ist, in mindestens zwei unterschiedlichen Zoomstellungen, also voneinander abweichenden Zoomstellungen, betrieben zu werden, umfasst folgende Schritte: Bei mindestens zwei unterschiedlichen Zoomstellungen wird jeweils mindestens ein Bild, also eine Abbildung, eines festgelegten Objekts mittels der Bilderfassungsvorrichtung erfasst. Nachfolgend wird mittels des mindestens einen erfassten Bildes eine Mehrzahl an Kontrastwerten in Abhängigkeit von dem Fokuswert bestimmt. Hierbei kann in einer Mehrzahl an Bildern, die jeweils bei unterschiedlichen Fokuswerten erfasst wurden, jeweils mindestens ein Kontrastwert bestimmt werden. Es kann aber auch in einem erfassten Bild eine Mehrzahl an Kontrastwerten bestimmt werden. Dies bietet sich bei einem Bild eines gekippt angeordneten Objekts an.
Bei dem Fokuswert kann es sich um einen relativen Fokuswert oder eine Fokuswertdifferenz handeln. Üblicherweise wird von dem Operationsmikroskop ein Fokuswert ausgegeben, welcher nur von der Position der optischen Elemente des Hauptobjektivs abhängig ist. In diesem Fall kann ein senkrecht zur optischen Achse positioniertes flaches bzw. ebenes Kalibrierobjekt verwendet werden. Bei Operationsmikroskopen mit konstanter Brennweite ist die Verwendung eines zur optischen Achse gekippt angeordneten flachen Kalibrierobjekts von Vorteil. Es kann beispielsweise ein relativer Fokuswert in Form einer Änderung des Fokus oder eines Wanderns des Fokus in Abhängigkeit von der Zoomeinstellung bestimmt, z.B. berechnet, werden. Die Begriffe Zoomstellung und Zoomeinstellung werden im Rahmen der vorliegenden Beschreibung synonym verwendet.
Die Bestimmung der Kontrastwerte kann vorzugsweise durch Bildauswertung erfolgen. Die Bildauswertung kann digital und/oder automatisiert und/oder visuell durchgeführt werden. Hierbei können festgelegte Bildpunkte oder Bildsegmente oder Bildausschnitte ausgewertet werden. In einem weiteren Schritt wird mittels der bestimmten Kontrastwerte für die mindestens zwei Zoomstellungen mindestens ein Sollwert für mindestens einen Parameter zur Justage und/oder Kalibrierung des Fokuswertes des Operationsmikroskops bestimmt. Hierzu kann jeweils der Fokuswert ermittelt werden, bei welchem der Kontrastwert für die jeweilige Zoomstellung maximal ist. Unter einem Parameter zur Justage und/oder Kalibrierung des Fokuswertes des Operationsmikroskops wird eine im Rahmen der Justage und/oder Kalibrierung des Fokuswertes veränderbare Größe verstanden, zum Beispiel der Abstand zwischen dem mindestens einen Objektiv und der Bilderfassungsvorrichtung oder der Abstand einzelner Linsen oder Linsengruppen des Objektivs zueinander.
Das Verfahren kann je nach den zu erfüllenden Anforderungen für alle Zoomstellungen oder nur für eine Mehrzahl an ausgewählten Zoomstellungen durchgeführt werden.
Das Ermitteln des Sollwertes kann das Ermitteln eines Änderungswertes des Fokus, insbesondere einer zoomunabhängigen Fokuslage, des Operationsmikroskops umfassen. Das Ermitteln des Sollwertes, insbesondere des Änderungswertes, kann basierend auf einer Auswertung des Gradienten mindestens einer Kurve, z.B. einer Gerade, erfolgen, welche die Abhängigkeit des Fokuswertes oder einer erfassten Fokusänderung in Bezug auf eine Referenzgröße von der Zoomstellung abbildet. Die Fokusänderung kann z.B. in Bezug auf die Position eines Zoomzentrums oder eines anderen festgelegten objektseitigen Bezugspunktes, z.B. eine Objektmarkierung auf dem Objekt (Kalibrierobjekt), bestimmt werden. Die Fokusänderung kann in beliebigen Einheiten, welche z.B. durch auf dem Objekt abgebildete Elemente definiert sein können, angegeben werden.
Es kann ein funktionaler Zusammenhang, z.B. eine lineare Abhängigkeit, zwischen dem Gradienten und der Fokuslage oder Fokuseinstellung des Operationsmikroskops angenommen oder durch entsprechende Messungen ermittelt werden. Aus dem funktionalen Zusammenhang, z.B. dem Gradienten einer entsprechenden Gerade, kann mittels den für mindestens zwei unterschiedliche Zoomstellungen ermittelten Kontrastwerten bzw. den sich daraus ergebenden absoluten oder relativen Fokuswerten, bei welchen der Kontrast maximal ist, der Sollwert und/oder der Änderungswert unmittelbar berechnet werden. Der Sollwert kann in Form einer Zielfokuslinie oder eines Zielfokusbereichs in einem erfassten Bild des festgelegten Objekts berechnet und/oder bereitgestellt und/oder angezeigt und/oder überwacht werden, z.B. für eine bestimmte Zoomeinstellung. Dies ermöglicht es einem Monteur, entsprechend zu justieren und/oder zu kalibrieren. Das Justieren und/oder Kalibrieren kann bei einer vorgegebenen oder bei einer beliebigen Zoomeinstellung erfolgen.
Bei der Bilderfassungsvorrichtung kann es sich um eine Kamera, zum Beispiel eine Videokamera, handeln. Diese kann einen Kamerachip umfassen. Das Operationsmikroskop kann ein stereoskopisches optisches System aufweisen.
Die vorliegende Erfindung hat den Vorteil, dass ein Operationsmikroskop mit mechanischem Zoomsystem unabhängig von einem Hauptbeobachter und einem optischen Referenzgerät im Fokus eingestellt werden kann. Ein optisches Referenzgerät ist für die Justage und/oder Kalibrierung vom Fokus also nicht notwendig. Die Abweichung von einem Idealgerät, welches auf unendlich abgestimmt ist, also so vorjustiert ist, dass, wenn sich ein Objekt im Fokus befindet, die optischen Strahlen im Vergrößerungssystem parallel sind, ist quantifizierbar, beispielsweise durch die Abweichungen der Fokuswerte, bei denen der Kontrastwert maximal ist. Die Einstellung des Fokus ist zudem unabhängig von einem Hauptbeobachter und somit unabhängig von dessen Fehlen oder dessen subjektiver Bewertung. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass auf die Verwendung eines vermessenen Kalibrierobjekts verzichtet werden kann, da ausschließlich relative Fokuswerte zur Justage und/oder Kalibrierung verwendet werden können.
In einer bevorzugten Variante umfasst das Operationsmikroskop mindestens ein erstes Objektiv, zum Beispiel in Form eines Hauptobjektivs, und ein zweites Objektiv, zum Beispiel in Form eines Videoobjektivs, wobei das zweite Objektiv im Strahlengang zwischen dem ersten Objektiv und der Bilderfassungsvorrichtung angeordnet ist.
In einer vorteilhaften Variante kann basierend auf dem mindestens einen Sollwert mindestens ein Korrekturwert für die relative Position des mindestens einen Objektivs, z.B. des zweiten Objektivs und/oder des ersten Objektivs, und/oder der Bilderfassungsvorrichtung innerhalb des Operationsmikroskops in Bezug auf den Strahlengang ermittelt werden. Der mindestens eine Sollwert kann für jede der mindestens zwei Zoomstellungen jeweils separat ermittelt und/oder festgelegt werden. Der mindestens eine Sollwert kann für die mindestens zwei Zoomstellungen derart ermittelt und/oder festgelegt werden, dass die Differenz der Fokuswerte, bei welchen der Kontrastwert maximal ist, für die mindestens zwei Zoomstellungen geringer ist als ein festgelegter Schwellenwert. Dies hat den Vorteil, dass bei einer Veränderung der Zoomstellung der Fokuswert sich nur geringfügig ändert oder der Fokuswert sich nicht ändert, falls die Differenz gleich Null ist.
Beispielsweise kann basierend auf dem ermittelten Fokuswert, bei welchem der Kontrastwert für die jeweilige Zoomeinstellung maximal ist, mindestens ein Sollwert für mindestens einen Parameter zur Justage und/oder Kalibrierung des Fokuswertes des Operationsmikroskops ermittelt und/oder festgelegt werden. Im Rahmen der Justage wird bevorzugt das zweite Objektiv, also z.B. das Videoobjektiv verschoben, sodass ein entsprechender Sollwert für die Positionierung und/oder Verschiebung ermittelt und/oder festgelegt werden kann. Der mindestens eine Sollwert für jede der mindestens zwei Zoomstellungen kann in einer der zwei Zoomstellungen oder in einer weiteren Zoomstellung ermittelt und/oder festgelegt werden. Sollte sich bei einer Überprüfung herausstellen, dass das Operationsmikroskop richtig justiert ist, wird der Sollwert gleich dem Istwert sein oder innerhalb eines Toleranzbereichs liegen. Dies ermöglicht auch eine Überwachung beziehungsweise Remoteüberwachung des Operationsmikroskops.
In einer vorteilhaften Variante kann mindestens ein Bild einer ebenen Fläche des festgelegten Objekts erfasst werden, wobei die ebene Fläche eine Flächennormale aufweist, die mit der optischen Achse des Objektivs einen Winkel zwischen 0 Grad und 90 Grad, insbesondere einen Winkel zwischen 5 Grad und 85 Grad, zum Beispiel 20 Grad, einschließt. Mit anderen Worten schließt in den zuvor genannten Beispielen die ebene Fläche mit der optischen Achse des Objektivs einen Winkel zwischen 90 Grad und 0 Grad, insbesondere zwischen 85 Grad und 5 Grad, zum Beispiel 70 Grad, ein. Die Verwendung einer ebenen Fläche hat den Vorteil, dass der Abstand eines Objektpunktes zum Objektiv leicht zu ermitteln ist und die Bildauswertung somit vereinfacht wird.
Vorzugsweise handelt es sich bei dem verwendeten Objekt um ein bekanntes Kalibrierobjekt. Dieses kann ein festgelegtes Muster, zum Beispiel Schachbrettmuster, aufweisen. Es wird also vorteilhafterweise bei den mindestens zwei unterschiedlichen Zoomstellungen jeweils mindestens ein Bild eines festgelegten Kalibrierobjekts erfasst, welches bekannte Merkmale aufweist, sodass in der Abbildung kontrastreiche Regionen erkennbar sind. Ist die Geometrie des Kalibrierobjekts bekannt, so sind kontrastreiche Regionen im Bild vorhersehbar. Diese können bestimmt werden und hinsichtlich des Kontrastes ausgewertet werden. Dies verkürzt die Rechendauer. Bei dem Kalibrierobjekt kann es sich beispielsweise um ein Charucoboard handeln. Die genannten Varianten vereinfachen die Bestimmung der Kontrastwerte und bieten eine robuste Lösung im Hinblick auf Fehler durch ein mögliches Rauschen. Es können zum Beispiel auch nur Kontrastwerte in einem festgelegten Bereich der Bildmitte bestimmt und/oder ausgewertet werden. Dies vereinfacht und beschleunigt die Justage und/oder Kalibrierung.
Vorteilhafterweise sind die Abmessungen des Musters, insbesondere die Abmessungen von Elementen des Musters, bekannt oder vorgegeben oder die Abmessungen werden bestimmt. Die Abmessungen können in einer Längeneinheit, z.B. Millimeter, bekannt oder vorgegeben sein oder bestimmt werden. Vorzugsweise ist dabei der Abbildungsmaßstab, z.B. in Form eines Zusammenhangs zwischen der jeweiligen Abmessung mindestens eines Elements des Kalibrierobjekts, z.B. in Millimeter, und in einer Längeneinheit des Kamerachips, z.B. in Pixel, bekannt oder vorgegeben oder wird bestimmt. Wenn die Verkippung des Kalibrierobjekts bekannt oder vorgegeben oder definiert eingestellt oder ermittelt ist, kann mithilfe der Abmessungen und/oder des Abbildungsmaßstabs der Fokuswert relativ zu einem Punkt in der Abbildung, z.B. relativ zum Zoomzentrum, bei welchem der Kontrastwert maximal ist, ermittelt, insbesondere berechnet, werden. Beispielsweise kann die Verkippung des Kalibrierobjekts mithilfe einer Posenschätzung ermittelt werden. Zudem können mittels einer Kamera bei einer Verkippung in einer erfassten Abbildung des Kalibrierobjekts auftretende geometrische Deformationen, z.B. entstehende Trapeze, zur Bestimmung der Verkippung ausgewertet werden. Die beschriebene Ausgestaltung hat den Vorteil, dass der Fokuswert, bei welchem der Kontrastwert maximal ist, und die Abhängigkeit zwischen Kontrastwert und Fokuswert auf einfache Weise und schnell zuverlässig bestimmt werden können.
Bei jeder der mindestens zwei Zoomstellungen kann jeweils bei einer Mehrzahl an Fokuswerten ein Bild des festgelegten Objekts erfasst werden. Dabei können die Fokuswerte mittels eines verstellbaren Fokussystems eingestellt werden. Im Unterschied zu der oben beschriebenen Variante, in welcher die unterschiedlichen Fokuswerte durch die verkippte Anordnung des Kalibrierobjekts in der Abbildung realisiert werden, kann hier die Normale der ebenen Fläche des Kalibrierobjekts einen Winkel von 0° mit der optischen Achse aufweisen. Das Operationsmikroskop muss hierfür mit einem Objektiv mit variabler Brennweite ausgestattet sein. Durch ein entsprechendes Durchfokussieren, welches automatisiert erfolgen kann, kann für jede der mindestens zwei Zoomstellungen eine Wertetabelle und/oder eine Kurve ermittelt werden, welche die Kontrastwerte in Abhängigkeit von dem Fokuswert abbildet. Mittels der Kontrastwertkurven kann der Fokuswert des Operationsmikroskops angepasst werden. Alternativ kann das Kalibrierobjekt entlang der optischen Achse bewegt werden.
In einer vorteilhaften Variante wird der Fokuswert des Operationsmikroskops für jede der mindestens zwei Zoomstellungen jeweils separat, also für jede Zoomstellung einzeln, justiert und/oder kalibriert, sodass der Kontrastwert für jede der mindestens zwei Zoomstellungen maximal ist. Es wird also mit anderen Worten bei einer Änderung der Zoomstellung der Fokuswert nachjustiert bzw. nacheingestellt, z.B. mittels hinterlegter Daten, welche dann im Betrieb dauerhaft zum entsprechenden Einstellen oder Korrigieren des Fokuswerts genutzt werden. Zusätzlich oder alternativ dazu kann in einer weiteren vorteilhaften Variante der Fokuswert des Operationsmikroskops für die mindestens zwei Zoomstellungen so justiert und/oder kalibriert werden, dass die Differenz der Fokuswerte, bei welchen der Kontrastwert maximal ist, für die mindestens zwei Zoomstellungen geringer ist als ein festgelegter Schwellenwert.
Der Fokuswert des Operationsmikroskops kann auf mehrere Arten justiert und/oder kalibriert werden. Zum Beispiel kann der Fokuswert des Operationsmikroskops durch Anpassung des Abstandes zwischen einer Objektebene, zum Beispiel einem festgelegten Objekt, und dem mindestens einen Objektiv, zum Beispiel dem ersten Objektiv, zum Beispiel einem Hauptobjektiv, und/oder dem zweiten Objektiv, zum Beispiel einem Videoobjektiv, justiert und/oder kalibriert werden. In dieser Variante wird also die Schnittweite durch Verschiebung von mindestens einem Objektiv und/oder einem Objekt relativ zueinander entlang einer optischen Achse des mindestens einen Objektivs angepasst.
Zusätzlich oder alternativ zu der zuvor genannten ersten Variante kann der Fokuswert des Operationsmikroskops durch Anpassung des Abstandes zwischen dem Objektiv, zum Beispiel dem ersten und/oder dem zweiten Objektiv, und einer Bildebene der Bilderfassungsvorrichtung justiert und/oder kalibriert werden. In dieser Variante werden also das mindestens eine Objektiv und die Bilderfassungsvorrichtung relativ zueinander in Richtung bzw. entlang der optischen Achse des Objektivs verschoben, wobei das Objektiv und/oder die Bilderfassungsvorrichtung bewegt werden können.
Das mindestens eine Objektiv, also beispielsweise das erste und/oder zweite Objektiv, kann ein erstes optisches Element und ein zweites optisches Element umfassen. Zusätzlich oder alternativ zu den zuvor genannten beiden Varianten kann der Fokuswert des Operationsmikroskops durch Verschiebung des ersten optischen Elements des Objektivs in Bezug auf das zweite optische Element des Objektivs justiert und/oder kalibriert werden. Unter einem optischen Element wird eine Anzahl an optischen Bauteilen verstanden, welche fest zueinander positioniert sind. Das optische Element kann zum Beispiel nur eine Linse oder eine Mehrzahl an Linsen umfassen. In der vorliegenden Variante erfolgt also eine Innenfokussierung in dem jeweiligen Objektiv, zum Beispiel in einem Hauptobjektiv oder einem Videoobjektiv. Das optische Gerät kann insbesondere ein erstes Objektiv, zum Beispiel ein Hauptobjektiv, und ein zweites Objektiv, zum Beispiel ein Videoobjektiv umfassen, wobei das erste Objektiv im Strahlengang zwischen einer Objektebene und dem zweiten Objektiv angeordnet ist. Zum Beispiel kann der Fokuswert des Operationsmikroskops durch Verschiebung des ersten optischen Elements des ersten Objektivs in Bezug auf das zweite optische Element des ersten Objektivs und/oder durch Verschiebung eines ersten optischen Elements des zweiten Objektivs in Bezug auf ein zweites optisches Element des zweiten Objektivs justiert und/oder kalibriert werden.
Vorteilhafterweise werden die Zoomstellungen und/oder die Fokuswerte automatisiert eingestellt. Dies erleichtert die Justage und/oder Kalibrierung und verkürzt die für die Justage und/oder Kalibrierung erforderliche Zeit.
Das Operationsmikroskop kann ein stereoskopisches optisches System aufweisen, wobei das stereoskopische optische System einen ersten optischen Pfad und mindestens einen weiteren optischen Pfad aufweist oder definiert. Mindestens ein Sollwert und/oder Kalibrierdaten können für den ersten optischen Pfad ermittelt und auf den mindestens einen weiteren optischen Pfad übertragen werden. Unter einem optischen Pfad wird der Weg des Lichts von einem Objekt durch das optische System zu einer Bildebene verstanden. Die beschriebene Variante hat den Vorteil, dass lediglich einer von mehreren optischen Pfaden justiert und/oder kalibriert werden muss und die Ergebnisse dieses Prozesses unmittelbar für den mindestens einen weiteren optischen Pfad zur Verfügung stehen, sodass dieser nicht separat justiert und/oder kalibriert werden muss. Dies verkürzt die für die Justage und/oder Kalibrierung des stereoskopischen optischen Systems erforderliche Zeit.
Die erfindungsgemäße Steuereinrichtung zum Justieren und/oder Kalibrieren und/oder Überwachen des Fokuswertes eines Operationsmikroskop, welches mindestens ein Objektiv, eine Bilderfassungsvorrichtung und ein Zoomsystem umfasst, wobei das Operationsmikroskop dazu ausgelegt ist, in mindestens zwei unterschiedlichen Zoomstellungen betrieben zu werden, ist dazu ausgelegt, ein zuvor beschriebenes erfindungsgemäßes Verfahren auszuführen. Sie hat die bereits beschriebenen Merkmale und Vorteile.
Das erfindungsgemäße Operationsmikroskop umfasst mindestens ein Objektiv, eine Bilderfassungsvorrichtung, zum Beispiel eine Kamera, insbesondere eine Videokamera, und ein Zoomsystem. Das Operationsmikroskop ist dazu ausgelegt, in mindestens zwei unterschiedlichen Zoomstellungen betrieben zu werden. Das Operationsmikroskop ist zudem dazu ausgelegt, ein oben beschriebenes erfindungsgemäßes Verfahren auszuführen. Das Operationsmikroskop kann zuvor beschriebene erfindungsgemäße Steuereinrichtung umfassen. Das erfindungsgemäße Operationsmikroskop hat die bereits beschriebenen Merkmale und Vorteile. Es weist bevorzugt ein stereoskopisches optisches System auf.
Das erfindungsgemäße computerimplementierte Verfahren umfasst Befehle, die bei der Ausführung des Programms durch einen Computer diesen veranlassen, ein oben beschriebenes erfindungsgemäßes Verfahren auszuführen. Das erfindungsgemäße Computerprogrammprodukt umfasst Befehle, die bei der Ausführung des Programms durch einen Computer diesen veranlassen, ein oben beschriebenes erfindungsgemäßes Verfahren auszuführen. Auf dem erfindungsgemäßen computerlesbaren Datenträger ist das erfindungsgemäße Computerprogrammprodukt gespeichert. Das erfindungsgemäße Datenträgersignal überträgt das erfindungsgemäße Computerprogrammprodukt. Das erfindungsgemäße computerimplementierte Verfahren, das erfindungsgemäße Computerprogrammprodukt, der erfindungsgemäße computerlesbare Datenträger und das erfindungsgemäße Datenträgersignal haben die oben bereits genannten Merkmale und Vorteile.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher erläutert. Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wird, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
Die Figuren sind nicht notwendigerweise detailgetreu und maßstabsgetreu und können vergrößert oder verkleinert dargestellt sein, um einen besseren Überblick zu bieten. Daher sind hier offenbarte funktionale Einzelheiten nicht einschränkend zu verstehen, sondern lediglich als anschauliche Grundlage, die dem Fachmann auf diesem Gebiet der Technik Anleitung bietet, um die vorliegende Erfindung auf vielfältige Weise einzusetzen.
Der hier verwendete Ausdruck „und/oder“, wenn er in einer Reihe von zwei oder mehreren Elementen benutzt wird, bedeutet, dass jedes der aufgeführten Elemente alleine verwendet werden kann, oder es kann jede Kombination von zwei oder mehr der aufgeführten Elemente verwendet werden. Wird beispielsweise eine Zusammensetzung beschrieben, die die Komponenten A, B und/oder C, enthält, kann die Zusammensetzung A alleine; B alleine; C alleine; A und B in Kombination; A und C in Kombination; B und C in Kombination; oder A, B, und C in Kombination enthalten.
Fig. 1 zeigt schematisch den Strahlengang durch ein Operationsmikroskop für zwei Zoomstellungen.
Fig. 2 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Verfahren in Form eines Flussdiagramms.
Fig. 3 zeigt schematisch Kontrastwertkurven in Abhängigkeit vom
Fokuswert für zwei Zoomstellungen.
Fig. 4 zeigt schematisch Kontrastwertkurven in Abhängigkeit vom
Fokuswert für vier Zoomstellungen.
Fig. 5 zeigt schematisch ein zu kalibrierendes Operationsmikroskop und ein Kalibrierobjekt. Fig. 6 zeigt schematisch zwei bei unterschiedlichen Zoomstellungen erfasste Bilder des Kalibrierobjekts.
Fig. 7 zeigt schematisch in Form eines Diagramms eine Änderung des Fokuswertes in Abhängigkeit von der Zoomstellung für drei unterschiedliche Justage- oder Kalibierungszustände.
Fig. 8 zeigt schematisch eine Anzeige einer Kontrastlinie (Istfokuslinie) und einer Sollfokuslinie in einem erfassten Bild eines Kalibrierobjekts.
Fig. 9 zeigt schematisch eine erste Variante eines erfindungsgemäßen Operationsmikroskops mit einer erfindungsgemäßen Steuereinrichtung.
Fig. 10 zeigt schematisch eine zweite Variante eines erfindungsgemäßen Operationsmikroskops mit einer erfindungsgemäßen Steuereinrichtung.
Im Folgenden wird der Hintergrund der vorliegenden Erfindung anhand der Figur 1 näher erläutert. Die Figur 1 zeigt schematisch den Strahlengang 10 durch ein Operationsmikroskop 1 bei zwei Zoomstellungen. Dabei ist in der Figur 1 oben eine erste Zoomstellung mit einem niedrigen Zoomwert eingestellt und in der Figur 1 unten eine zweite Zoomstellung mit einem hohen Zoomwert eingestellt. Der Zoomwert des oben gezeigten Strahlengangs ist also geringer als der Zoomwert des unten gezeigten Strahlengangs.
Das Operationsmikroskop 1 umfasst ein erstes Objektiv 3 in Form eines Hauptobjektivs und ein zweites Objektiv 2 in Form eines Videoobjektivs, welche jeweils mindestens eine Linse oder eine Linsengruppe umfassen. Das zweite Objektiv 2 ist im Strahlengang zwischen dem ersten Objektiv 3 und einer Bilderfassungsvorrichtung 5 angeordnet. Jeweils links in der Figur 1 ist der Strahlengang 10 vor dem Operationsmikroskop 1 und rechts nach dem Operationsmikroskop 1 gezeigt. Die Strahlrichtung geht in der Figur 1 also von links nach rechts. Ausgehend von einer Objektebene 4 werden Objektpunkte auf eine Bildebene einer Bilderfassungsvorrichtung 5, zum Beispiel auf einen Kamerachip, abgebildet. In dem gezeigten Beispiel bilden ein erstes Strahlenbündel 11 und ein zweites Strahlenbündel 12 jeweils einen Objektpunkt auf einen Kamerachip 5 ab. Dabei durchtreten die Strahlenbündel 11 und 12 zunächst das erste Objektiv 3. Der Strahlengang hinter dem ersten Objektiv 3 und vor dem zweiten Objektiv 2 ist jeweils afokal. Der Bereich, in welchem afokale Strahlenbündel auftreten, ist jeweils durch die Bezugsziffer 6 gekennzeichnet. Es liegt in den Bereichen 6 also ein paralleler Strahlengang vor.
Beim Justieren und/oder Kalibrieren des Operationsmikroskops 1 wird mindestens eine Linse, ein Satz von Linsen des Videoobjektivs 2 oder der Kamerachip 5 entlang der optischen Achse 7, also in horizontaler Richtung in der Figur 1 , verstellt. Ist das Videoobjektiv 2 korrekt fokussiert, so wie in der Figur 1 dargestellt, so vereinigt sich nun das Strahlenbündel, welches das Achsbündel bildet, also vorliegend das zweite Strahlenbündel 12, jeweils unabhängig von der Zoomstellung in einem Punkt auf dem Kamerachip 5, also nicht vor oder hinter dem Kamerachip 5.
Im Folgenden werden Beispiele für ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Justieren und/oder Kalibrieren des Fokuswertes eines Operationsmikroskops anhand der Figuren 2 bis 6 näher beschrieben. Dabei umfasst das Operationsmikroskop mindestens ein Objektiv, zum Beispiel ein erstes Objektiv 3 in Form eines Hauptobjektivs und ein zweites Objektiv 2 in Form eines Videoobjektivs, eine Bilderfassungsvorrichtung 5 und ein Zoomsystem und ist dazu ausgelegt, in mindestens zwei unterschiedlichen Zoomstellungen betrieben zu werden. Das Videoobjektiv 2 ist im Strahlengang 10 zwischen dem Hauptobjektiv 3 und der Bilderfassungsvorrichtung 5 angeordnet.
Die Figur 2 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Verfahren in Form eines Flussdiagramms. In einem ersten Schritt 21 werden bei mindestens zwei unterschiedlichen Zoomstellungen jeweils mindestens ein Bild bzw. eine Abbildung eines festgelegten Objekts, vorzugsweise eines bekannten Kalibrierobjekts, mittels der Bilderfassungsvorrichtung 5 erfasst. In einem zweiten Schritt 22 wird mittels des mindestens einen erfassten Bildes ein oder eine Mehrzahl an Kontrastwerten in Abhängigkeit von dem Fokuswert bestimmt. Dies erfolgt vorzugsweise mittels geeigneter Bildauswertungssoftware, welche z.B. dazu ausgebildet, Schwarz -Weiß- Übergänge eines Bildes bezüglich des Kontrasts zu quantifizieren. In einem dritten Schritt 23 wird mittels der bestimmten Kontrastwerte für die mindestens zwei Zoomstellungen mindestens ein Sollwert und optional ein Korrekturwert für mindestens einen Parameter zur Justage und/oder Kalibrierung des Fokuswertes des Operationsmikroskops ermittelt. In diesem Zusammenhang kann der Fokuswert ermittelt werden, bei welchem der Kontrastwert für die jeweilige Zoomstellung maximal ist. Eine beispielhafte Umsetzung des Schritts 23 wird unten anhand der Figuren 6 bis 8 näher erläutert.
Die ermittelten Fokuswerte, bei welchen der Kontrastwert für die jeweilige Zustellung maximal ist, können in einem optionalen Schritt 24 zur Justage und/oder Kalibrierung des Operationsmikroskops verwendet werden, beispielsweise indem das Operationsmikroskop so justiert und/oder kalibriert wird, dass die Fokuslage, insbesondere die Fokuslage des Videoobjektivs 2, so angepasst wird, dass die Maximalwerte der Kontrastkurven, also die Maximalwerte von mindestens zwei Kontrastkurven, bei dem gleichen Fokuswert oder einer Fokusdifferenz, welche geringer ist als ein festgelegter Schwellenwert, erscheinen. Sobald die gewünschte Fokusdifferenz erreicht ist, ist das Operationsmikroskop, insbesondere das Videoobjektiv, im Fokus richtig justiert und/oder kalibriert. Bei einer Fokusdifferenz von Null ist das Operationsmikroskops, insbesondere das Objektiv, auf unendlich abgestimmt.
Alternativ oder zusätzlich dazu können in Schritt 24 die ermittelten Fokuswerte, bei welchen der Kontrastwert für die jeweilige Zustellung maximal ist, für eine Steuerung des Operationsmikroskops hinterlegt werden und bei der Verwendung der einzelnen Zoomstellungen zur Justage und/oder Kalibrierung des Fokuswerts verwendet werden. Beispielsweise können nach der Montage und Justierung eines Operationsmikroskops die Kontrastwertkurven für verschiedene Zoomstellungen aufgenommen und im Gerät hinterlegt bzw. abgespeichert werden. Bei einer Verstellung des Zooms kann somit ein neuer Stellwert für das Fokusiersystem aus den hinterlegten Kurven ermittelt und gesetzt werden. Dies stellt ein scharfes Bild sicher. Es ist somit nur noch eine grobe Justierung notwendig bzw. die Justierung wird unter Umständen überflüssig. Diese digitale Kalibrierung kann im Hauptobjektiv, im Videoobjektiv oder durch Verschieben des Kamerachips erfolgen. Eine perfekte Abstimmung des Vergrößerungssystems auf unendlich ist somit nicht mehr notwendig. Es können jedoch andere Bildfehler entstehen, welche digital korrigiert werden können.
Die Figur 3 zeigt schematisch Kontrastwertkurven in Abhängigkeit vom Fokuswert für zwei Zoomstellungen. Die Figur 4 zeigt schematisch Kontrastwertkurven in Abhängigkeit vom Fokuswert für vier Zoomstellungen. Auf der x-Achse ist jeweils der Fokuswert f in Millimetern und auf der y-Achse der auf eins normierte Kontrastwert aufgetragen. In der Figur 3 ist die Kontrastwertkurve 31 bei einer Zoomstellung mit einem Zoomwert von 1 ,0 bestimmt worden und weist ein Maximum bei einem Fokuswert von 21 1 ,6 mm auf. Die Kontrastwertkurve 32 ist bei einer Zoomstellung mit einem Zoomwert von 2,4 bestimmt worden und weist ein Maximum bei einem Fokuswert von 211 ,4 mm auf. Die Fokuswerte mit einem maximalen Kontrast liegen hier relativ dicht beieinander, sodass gegebenenfalls auf eine weitere Justage und/oder Kalibrierung verzichtet werden kann. In der Figur 4 sind die Kontrastwertkurve 33 bei einer Zoomstellung mit einem Zoomwert von 1 ,0, die Kontrastwertkurve 34 bei einer Zoomstellung mit einem Zoomwert von 1 ,5, die Kontrastwertkurve 35 bei einer Zoomstellung mit einem Zoomwert von 2,0 und die Kontrastwertkurve 36 bei einer Zoomstellung mit einem Zoomwert von 2,4 bestimmt worden. Hier liegen die Fokuswerte mit einem maximalen Kontrast relativ weit auseinander, sodass mittels der Kontrastwertkurven eine Justierung und/oder Kalibrierung des Operationsmikroskops vorgenommen werden kann.
Zur Durchführung des Schrittes 22, also zur Bestimmung der Mehrzahl an Kontrastwerten in Abhängigkeit von dem Fokuswert mittels eines erfassten Bildes gibt es verschiedene Möglichkeiten. Falls das Operationsmikroskop ein Fokussystem aufweist, also der Fokuswert automatisch verstellt werden kann, so können die in den Figuren 3 und 4 dargestellten Kurven automatisiert erfasst werden. Es kann also automatisiert durchfokussiert werden und für einzelne Fokuswerte jeweils ein Bild eines Kalibrierobjekts erfasst und bezüglich des Kontrasts ausgewertet werden. Falls auch ein automatisiertes Zoomsystem vorhanden ist, können die einzelnen Zoom-Einstellungen ebenfalls automatisiert eingestellt werden.
Falls der Fokuswert nicht automatisiert einstellbar ist, kann die Fokusdifferenz, welche sich aus zwei Zoomstellungen mit einem schräg positionierten Target als Objekt ergibt, visuell abgelesen oder bevorzugt durch eine oben bereits beschriebene Bildauswertung ermittelt werden. Aus der Fokuswertdifferenz ergibt sich die notwendige Verstellung der Fokuslage des optischen Geräts, insbesondere eines Videoobjektivs. Diese Variante wird im Folgenden anhand der Figuren 5 und 6 erläutert.
Die Figur 5 zeigt schematisch ein zu justierendes und/oder kalibrierendes Operationsmikroskop 40 und ein Kalibrierobjekt 41. Das Kalibrierobjekt 41 kann mit dem Operationsmikroskop 40 fest verbindbar ausgestaltet oder mit diesem fest verbunden sein.
Das Kalibrierobjekt 41 , welches vorzugsweise eine ebene Oberfläche 42 mit einem bekannten Muster, vorzugsweise einem Charucomuster, aufweist, ist in Bezug auf die optische Achse 7 gekippt angeordnet. Hierbei kann eine Oberflächennormale 43 der Oberfläche 42 des Kalibrierobjekts 41 einen Winkel 44 zwischen 5 Grad und 85 Grad, zum Beispiel 20 Grad, mit der optischen Achse 7 einschließen. Dies entspricht einem Winkel 45 zwischen 85 Grad und 5 Grad, zum Beispiel 70 Grad, zwischen der Oberfläche 42 und der optischen Achse 7. Bei einem verkippten Kalibrierobjekt 41 können Kontrastwerte für eine Mehrzahl von Fokuswerten in einem Bild berechnet werden. Vorteilhafterweise sind die Abmessungen des Musters, insbesondere die Abmessungen von Elementen des Musters, bekannt oder vorgegeben oder die Abmessungen werden bestimmt. Die Abmessungen können in einer Längeneinheit, z.B. Millimeter, bekannt oder vorgegeben sein oder bestimmt werden. Vorzugsweise ist dabei der Abbildungsmaßstab, z.B. in Form eines Zusammenhangs zwischen der jeweiligen Abmessung mindestens eines Elements des Musters in Pixel und in einer Längeneinheit, bekannt oder vorgegeben oder wird bestimmt. Wenn die Verkippung des Kalibrierobjekts 41 bekannt oder vorgegeben oder definiert eingestellt oder ermittelt, z.B. mithilfe einer Posenschätzung, ist, kann mithilfe der Abmessungen und/oder des Abbildungsmaßstabs der Fokuswert, bei welchem der Kontrastwert maximal ist, ermittelt, insbesondere berechnet, werden. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass der Fokuswert, bei welchem der Kontrastwert maximal ist, und die Abhängigkeit zwischen Kontrastwert und Fokuswert auf einfache Weise und schnell zuverlässig bestimmt werden können.
Die Variante mit dem gekippten Kalibrierobjekt 41 bietet ferner den Vorteil, dass auch optische Systeme, insbesondere Operationsmikroskope, mit fester Brennweite justiert und/oder kalibriert werden können. Hierfür werden zuerst die Kontrastwertkurven für mindestens zwei Zoomstellungen ermittelt und anschließend kann eine Sollfokuslage für mindestens eine Zoomstellung berechnet und/oder bereitgestellt und/oder angezeigt werden, sodass der Monteur das optische System mit Hilfe der angezeigten Sollfokuslage justieren und/oder kalibrieren kann (siehe z.B. unten Figur 8).
Die Figur 6 zeigt schematisch zwei bei unterschiedlichen Zoomstellungen erfasste Bilder 18 des Kalibrierobjekts 41. Das Zoomzentrum ist vorliegend und bevorzugt in einen Punkt in der Mitte des Bildes gelegt. Wenn sich das Zoomzentrum nicht in der Mitte des Bildes befindet, ist es sinnvoll, wenn der Koordinatenursprung des verwendeten objektseitigen Koordinatensystems in den Objektpunkt des Zoomzentrums (Projektion des Zoomzentrums in das Objekt) gesetzt wird. Das Zoomzentrum ist dabei derjenige Punkt in den erfassten Abbildungen, der sich zwischen den unterschiedlichen Vergrößerungsstufen nicht bewegt. Das Zoomzentrum kann insbesondere als optisches Zentrum eines Beobachterstrahlengangs angesehen werden. Kamerasysteme werden in der Regel so ausgelegt und/oder justiert, dass sich der Objektpunkt, welcher auf die Mitte des Kamerachip abgebildet wird, beim Durchzoomen nicht in der Abbildung wandert. In diesem Fall trifft die optische Achse, welche durch das Zoomsystem definiert ist, die Mitte des Kamerachips. Das Kalibrierobjekt 41 ist so verkippt, dass sich der Fokuswert in der Figur 6 von links nach rechts verändert. Das links gezeigte Bild wurde bei einer ersten Zoomstellung erfasst und das rechts gezeigte Bild wurde bei einer zweiten Zoomstellung erfasst. Die Kontrastlinien, also in den gezeigten Bildern vertikale Linien mit höchstem Kontrast, sind mit der Bezugsziffer 46 gekennzeichnet. Die Kontrastlinie 46 bei der zweiten Zoomstellung, also in der rechts in der Figur 6 gezeigten Abbildung, erscheint im Bild bezogen auf eine Objektmarkierung 17 am Kalibrierobjekt 41 weiter rechts am Kalibrierobjekt 41 als die Kontrastlinie 46 bei der links in der Figur 6 gezeigten ersten Zoomstellung. In anderen Worten befindet sich die Kontrastlinie 46 etwa drei Schachbrettmuster (weißes oder schwarzes Quadrat) links von der Objektmarkierung 17 in der links in der Figur 6 gezeigten Abbildung und etwa zwei Schachbrettmuster links von der Objektmarkierung 17 in der rechts in der Figur 6 gezeigten Abbildung. Die Kontrastlinie 46 verschiebt sich also relativ zum Kalibrierobjekt 41 beziehungsweise zur Objektmarkierung 17. Dies bedeutet, dass sich die Fokusebene entlang der optischen Achse 7 bei einer Umschaltung zwischen den beiden Zoomstellungen verschiebt oder mit anderen Worten wandert. Würde die Kontrastlinie 46 sich immer an der gleichen Stelle des Objekts befinden, wäre die Fokuswertdifferenz Null. Die Objektmarkierung 17 kann an beliebige Stelle des Objekts gesetzt werden. Das relative Veränderung beziehungsweise Wandern der Kontrastlinie 46 würde gleichbleiben. Bevorzugt ist jedoch ein Objektpunkt zu wählen, welcher mit dem Zoomzentrum uns somit mit der optischen Achse des Zoomsystems zusammenfällt.
Die Umrechnung der horizontalen Verschiebung der Kontrastlinie 46 von der ersten Zoomstellung (siehe linke Abbildung der Figur 6) zu der zweiten Zoomstellung (siehe rechte Abbildung der Figur 6) am Kalibrierobjekt 41 in eine senkrechte Differenz, also eine Differenz in Richtung der optischen Achse 7, entspricht der Fokuswertdifferenz. Diese Fokuswertdifferenz kann aus der Verschiebung der Kontrastlinie 46, der Geometrie der Versuchsanordnung und einem Maßstab, zum Beispiel der Größe der Charucomarker des Musters auf der ebenen Fläche 42 des Kalibrierobjekts 41 , berechnet werden. In der Regel ist die Fokusebene eine Sphäre, sodass die gezeigte Kontrastlinie 46 eine Näherung einer Kontrastkurve abbildet. Wenn die Krümmung der Kontrastkurve, also die Abweichung der gezeigten Kontrastlinie 46 (Gerade) von der tatsächlichen Kontrastkurve, klein ist, ist eine Annäherung als Linie gerechtfertigt. Andernfalls müssen die tatsächlichen Kontrastkurven berücksichtigt werden.
In allen Varianten ist es von Vorteil, ein bekanntes Kalibrierobjekt, zum Beispiel ein Schachbrett (checkerboard) oder ein Charucoboard, zu verwenden. Dies erleichtert die Erkennung und Auswertung des Kontrasts.
Die in der Figur 6 gezeigte Änderung der Kontrastlinie kennzeichnet ein Wandern oder eine Änderung des Fokuswertes in Abhängigkeit von der Zoomstellung. Dies ist in der Figur 7 schematisch in Form eines Diagramms dargestellt. Auf der x-Achse ist die Zoomstellung Z und auf der y-Achse der Fokuswert F aufgetragen. Der Fokuswert kann dabei in Millimetern oder in Pixel oder in einer beliebigen Einheit, welche das Wandern des Fokus in Bezug auf das Kalibierobjekt 41 kennzeichnet, z.B. das Wandern in Bezug auf eine Objektmarkierung 17 auf dem Kalibrierobjekt 41 , angegeben werden. Dabei kann die Abmessung einer geometrischen Form oder Struktur, welche auf dem Kalibierobjekt 41 abgebildet ist, als Maßstab verwendet werden. In dem in der Figur 6 gezeigten Beispiel kann beispielsweise die Breite eines der abgebildeten Rechtecke als Maßstab verwendet werden. Da das im Folgenden im Detail erläuterte erfindungsgemäße Vorgehen lediglich relative Fokuswerte benötigt, also Abweichungen der bestimmten Fokuswerte von einem Bezugspunkt oder voneinander, hat die vorliegende Erfindung den Vorteil, dass eine Justage und/oder Kalibrierung mit einem beliebigen Kalibrierobjekt 41 durchgeführt werden kann. Es ist also kein vermessenes Kalibrierobjekt erforderlich. In der Figur 7 sind die Ergebnisse für drei Messungen dargestellt. Dabei wurde beispielhaft jeweils bei einer Zoomstellung Zi und einer Zoomstellung Z2 der Fokuswert F bestimmt. Vorzugsweise werden für mehr als zwei Zoomstellungen Z die Fokuswerte F bestimmt. Aus den Messwerten kann eine Funktion des Fokuswertes in Abhängigkeit von der Zoomstellung F=f(Z) bestimmt werden. Diese kann vorzugsweise als Gerade mit einem Gradienten g angenommen werden (F~g*Z). Das Wandern des Fokuswertes in Bezug auf das Kalibrierobjekt wird durch den Gradienten g abgebildet. Der Betrag des Gradienten g soll im Rahmen der Justage und/oder Kalibrierung minimiert werden und vorzugsweise gegen Null gehen oder nahe Null eingestellt werden. Die Gerade soll mit anderen Worten im Ergebnis der Justage und/oder Kalibrierung vorzugsweise parallel zur x-Achse verlaufen.
In der Figur 7 wurde im Rahmen einer ersten Messung beim Zoomwert Z1 ein Fokuswert Fi und beim Zoomwert Z2 ein Fokuswert F2 bestimmt und daraus eine Gerade 25 mit dem Gradienten g=(F2— Fi )/(Z2— Z1 ) ermittelt. Anschließend wurde der Fokuswert des Operationsmikroskops um AF angehoben oder abgesenkt und eine zweite Messung analog zur ersten Messung durchgeführt. Das Anheben oder Absenken kann bei beliebiger Zoomstellung erfolgen. Hierbei wurde die Gerade 26 ermittelt, welche einen geringeren Gradienten als die Gerade 25 aufweist. Anschließend wurde der Fokuswert des Operationsmikroskops weiter angehoben oder abgesenkt und eine dritte Messung analog zu den ersten beiden Messungen durchgeführt. Hierbei wurde die Gerade 27 ermittelt, welche einen negativen Gradienten aufweist.
Basierend auf der so ermittelten Abhängigkeit zwischen einer Änderung des Fokuswertes AF des Operationsmikroskops und dem Gradienten g (g=f(AF)) lässt sich der Fokuswert des Operationsmikroskops so justieren oder kalibrieren, dass sich ein Gradient g von Null oder unter Berücksichtigung einer vorgegebenen Toleranz nahe Null ergibt. Es hat sich herausgestellt, dass in der Regel eine zoomunabhängige lineare Abhängigkeit vorliegt (g~m*(AF), wobei m den Anstieg kennzeichnet), sodass zwei Messungen, z.B. eine erste Messung mit einem gekippten Kalibrierobjekt bei einer ersten Zoomstellung und eine zweite Messung mit dem gekippten Kalibrierobjekt bei einer zweiten Zoomstellung, im Prinzip ausreichen um einen Sollwert oder Zielwert für die Justage und/oder Kalibrierung zu ermitteln, insbesondere einen Wert um den der aktuelle Fokuswert des Operationsmikroskops angehoben oder abgesenkt werden muss um den Betrag des Gradienten g wie angestrebt zu verändern. Es kann also einerseits die Abhängigkeit einer Änderung des Fokuswertes AF des Operationsmikroskops und dem Gradienten g im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens, wie beschrieben, ermittelt werden oder als bekannt vorausgesetzt werden. Im letzteren Fall kann auf der Grundlage einer Bestimmung nur eines Gradienten das Operationsmikroskop justiert und/oder kalibriert werden. Die erforderliche Änderung des Fokuswertes kann z.B. im Millimeter angegeben werden.
Im Zusammenhang mit der Justage und/oder Kalibrierung kann der ermittelte Sollwert oder Zielwert einem Monteur angezeigt werden, z.B. in Form eines Toleranzbalkens, Toleranzstreifens, einer Linie oder Kurve, welche insbesondere parallel zu der ermittelten Kontrastkurve oder Kontrastlinie 46 verläuft. Die Figur 8 zeigt dies schematisch. Dabei ist in dem gezeigten Beispiel das Kalibrierobjekt 41 so verkippt, dass sich der Fokus von oben nach unten verändert. In der Figur 8 ist in einem erfassten Bild 18 eines Kalibrierobjekts 41 eine Solllinie mit der Bezugsziffer 29 gekennzeichnet und die Linie mit dem aktuell höchsten Kontrast, also die aktuelle Kontrastlinie, ist mit der Bezugsziffer 28 gekennzeichnet.
Zur Justage und/oder Kalibrierung des Fokuswertes des Operationsmikroskops 1 für einzelne oder alle Zoomstellungen gibt es verschiedene Möglichkeiten, welche einzelnen oder kombiniert miteinander angewendet werden können. Eine erste Variante besteht darin, die Schnittweite, also den Abstand zwischen Objekt bzw. Objektebene 4 und mindestens einem der Objektive 2, 3, zu verändern. Im Falle eines Operationsmikroskops 1 , welches ein Hauptobjektiv 3 und ein Videoobjektiv 2 umfasst, kann in diesem Fall das Hauptobjektiv 3 relativ zum Objekt bzw. zur Objektebene 4 verschoben werden. Eine zweite Variante besteht darin, den Abstand zwischen dem Objektiv 2 und der Bildebene 5 des Operationsmikroskops 1 zu verändern. Hierbei kann die Bilderfassungsvorrichtung 5, also beispielsweise die Kamera oder ein Kamerachip, oder das zweite Objektiv 2 bewegt werden, also relativ zueinander verschoben werden.
Eine dritte Variante besteht darin, ein Objektiv 2, 3 zu verwenden, welches eine Innenfokussierung erlaubt, welches also mindestens ein erstes optisches Element und mindestens ein zweites optisches Element umfasst, wobei das erste optische Element und das zweite optische Element relativ zueinander verschiebbar ausgebildet sind. Es kann also mindestens eins der optischen Elemente verschoben werden, während das andere optische Element feststeht. Im Falle eines Operationsmikroskops kann hierbei das Hauptobjektiv 3 als Objektiv mit variabler Brennweite ausgebildet sein. Zusätzlich oder alternativ dazu kann das Videoobjektiv 2 eine entsprechende Innenfokussierung erlauben.
Die Figur 9 zeigt schematisch eine erste Variante eines erfindungsgemäßen Operationsmikroskops 40. Das Operationsmikroskop 40 umfasst eine erfindungsgemäße Steuereinrichtung 13, welche dazu ausgelegt ist, ein erfindungsgemäßes Verfahren, beispielsweise eine Variante eines zuvor anhand der Figuren 2 bis 8 beschriebenen Verfahrens, auszuführen. Das gezeigte Operationsmikroskops 40 umfasst ein erstes Objektiv 2, zum Beispiel in Form eines ein Videoobjektivs 2, ein zweites Objektiv 3, zum Beispiel in Form eines Hauptobjektivs 3, ein Zoomsystem 8 zum Verändern der Zoomstellung und eine Bilderfassungsvorrichtung 5, beispielsweise eine Kamera 5. Das erste Objektiv 2 und/oder das zweite Objektiv 3 können als Objektive mit variabler Brennweite ausgebildet sein, also jeweils mindestens zwei relativ zueinander verschiebbare Linsen oder Linsengruppen umfassen.
Das erste Objektiv 3, das Zoomsystem 8, das zweite Objektiv 2 und die Bilderfassungseinrichtung 5 sind in der genannten Reihenfolge optisch miteinander verbunden, also in einem Strahlengang 10 hintereinander angeordnet. Die Steuereinrichtung 13 ist zur Signalübertragung 15 mit den zuvor genannten Bauteilen 2, 3, 5 und 8 verbunden und steuert insbesondere das Zoom system 8. Die Figur 10 zeigt schematisch eine zweite Variante eines erfindungsgemäßen Operationsmikroskops 40 in einer stereoskopischen Ausgestaltung. Im Unterschied zu der in der Figur 9 gezeigten Variante sind jeweils zwei im Strahlengang 10 parallel zueinander angeordnete Videoobjektive 2 und Bilderfassungsvorrichtungen 5, insbesondere Kamerachips, vorhanden. Das Zoomsystem 8 kann für die jeweiligen Strahlengänge, also einen ersten und einen zweiten optischen Pfad, eigene optische Elemente haben (getrennte Strahlengänge bzw. optische Pfade). Das gleiche und synchrone Verschieben der Linsen kann durch mechanische, elektronische oder elektronmechanische Kopplung erfolgen. Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens kann mindestens ein Sollwert und/oder Kalibrierdaten für den ersten optischen Pfad ermittelt und auf den zweiten optischen Pfad übertragen werden.
Liegt von einem stereoskopischen System eine Kalibrierung (z.B. in Form eine Kameramatrix und/oder Verzeichnungskoeffizienten) vor, so kann im Betrieb eine Topografie erstellt werden. Eine Ebene oder Sphäre der Topografie wird den höchsten Kontrast aufweisen und die Topografie schneiden. Diese Kontrastauswertung kann in einem Kamerabild und/oder beiden Kamerabildern erfolgen. Die Punkte in der Abbildung mit dem höchsten Kontrast können mit einer freien Kurve im Kamerabild dargestellt werden. Ist der Fokuswert des Operationsmikrokops richtig eingestellt, so wird bei einer Verstellung des Zooms diese freie Kurve mit dem Objekt im Kamerabild wandern. Dieses Wandern des Fokus kann anschließend in Abhängigkeit vom Zoom berechnet werden (Gradient der Gerade in Figur 7). Ist dies nicht der Fall beziehungsweise ist das relative Wandern an der Topografie zu groß, so könnte der Servicetechniker zum Nachjustieren benachrichtigt werden und/oder der Nutzer könnte informiert werden. Alternativ könnte der Nutzer in regelmäßigen Abständen aufgefordert werden, diese Überwachung durchzuführen. Dieses Verfahren ermöglicht somit auch die Überwachung des Fokuswertes im Feld. Bezugszeichenliste:
1 Operationsmikroskop
2 zweites Objektiv, Videoobjektiv
3 erstes Objektiv, Hauptobjektiv
4 Objektebene
5 Bilderfassungsvorrichtung, Kamerachip, Bildebene
6 afokale Strahlenbündel
7 optische Achse
8 Zoom system
10 Strahlengang
11 erstes Strahlenbündel
12 zweites Strahlenbündel
13 Steuereinrichtung
15 Signalübertragung
17 Objektmarkierung
18 erfasstes Bild einer Oberfläche eines Kalibrierobjekts
21 Erfassen jeweils mindestens eines Bildes eines festgelegten Objekts bei mindestens zwei unterschiedlichen Zoomstellungen
22 Bestimmen von einem oder einer Mehrzahl an Kontrastwerten in Abhängigkeit von dem Fokuswert mittels des mindestens einen erfassten Bildes
23 Ermitteln mindestens eines Sollwertes für mindestens einen Parameter zur Justage und/oder Kalibrierung des Fokuswertes mittels der bestimmten Kontrastwerte für die mindestens zwei Zoomstellungen
24 Justage und/oder Kalibrierung des Operationsmikroskops
25 erste Messung
26 zweite Messung
27 dritte Messung
28 Istfokuslinie
29 Zielfokuslinie
31 Kontrastwertkurve
32 Kontrastwertkurve
33 Kontrastwertkurve
34 Kontrastwertkurve 35 Kontrastwertkurve
36 Kontrastwertkurve
40 Operationsmikroskop
41 Kalibrierobjekt 42 ebene Oberfläche
43 Oberflächennormale
44 Winkel
45 Winkel
46 Kontrastlinie f Fokus

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Justieren und/oder Kalibrieren und/oder Überwachen des Fokuswertes eines Operationsmikroskops (1 , 40), welches mindestens ein Objektiv (2, 3), eine Bilderfassungsvorrichtung (5) und ein Zoomsystem (8) umfasst, wobei das Operationsmikroskop (1 , 40) dazu ausgelegt ist, in mindestens zwei unterschiedlichen Zoomstellungen betrieben zu werden, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren folgende Schritte umfasst:
- bei mindestens zwei unterschiedlichen Zoomstellungen jeweils Erfassen mindestens eines Bildes eines festgelegten Objekts (41 ) mittels der Bilderfassungsvorrichtung (5) (21 ),
- mittels des mindestens einen erfassten Bildes Bestimmen einer Mehrzahl an Kontrastwerten in Abhängigkeit von dem Fokuswert (22),
- mittels der bestimmten Kontrastwerte für die mindestens zwei Zoomstellungen Ermitteln mindestens eines Sollwertes (23) für mindestens einen Parameter zur Justage und/oder Kalibrierung des Fokuswertes des Operationsmikroskops (1 , 40).
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass basierend auf dem mindestens einen Sollwert mindestens ein Korrekturwert für die relative Position des mindestens einen Objektivs (2, 3) und/oder der Bilderfassungsvorrichtung (5) innerhalb des Operationsmikroskops (1 , 40) in Bezug auf den Strahlengang ermittelt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Sollwert für jede der mindestens zwei Zoomstellungen jeweils separat ermittelt und/oder festgelegt wird und/oder der mindestens eine Sollwert für die mindestens zwei Zoomstellungen derart ermittelt und/oder festgelegt wird, dass die Differenz der Fokuswerte, bei welchen der Kontrastwert maximal ist, für die mindestens zwei Zoomstellungen geringer ist als ein festgelegter Schwellenwert (24).
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Rahmen des Erfassens mindestens eines Bildes eines festgelegten Objekts (21 ) mindestens ein Bild (18) einer ebenen Fläche (42) des festgelegten Objekts (41 ) erfasst wird, wobei die ebene Fläche (42) eine Flächennormale
(43) aufweist, die mit der optischen Achse (7) des Objektivs (2, 3) einen Winkel
(44) zwischen 5 Grad und 85 Grad einschließt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei jeder der mindestens zwei Zoomstellungen jeweils bei einer Mehrzahl an Fokuswerten ein Bild (18) des festgelegten Objekts (41 ) erfasst wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokuswerte mittels eines verstellbaren Fokussystems eingestellt werden.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Fokuswert des Operationsmikroskops (1 , 40) für jede der mindestens zwei Zoomstellungen jeweils separat justiert und/oder kalibriert wird (24), sodass der Kontrastwert für jede der mindestens zwei Zoomstellungen maximal ist, und/oder der Fokuswert des Operationsmikroskops (1 , 40) für die mindestens zwei Zoomstellungen so justiert und/oder kalibriert (24) wird, dass die Differenz der Fokuswerte, bei welchen der Kontrastwert maximal ist, für die mindestens zwei Zoomstellungen geringer ist als ein festgelegter Schwellenwert.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Fokuswert des Operationsmikroskops (1 , 40) justiert und/oder kalibriert wird durch Anpassung des Abstandes zwischen einer Objektebene (4) und dem Objektiv (2, 3) und/oder
Anpassung des Abstandes zwischen dem Objektiv (2, 3) und einer Bildebene der Bilderfassungsvorrichtung (5) und/oder durch Verschiebung eines ersten optischen Elements des mindestens einen Objektivs (2, 3) in Bezug auf ein zweites optisches Element des mindestens einen Objektivs (2, 3).
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Zoomstellungen und/oder die Fokuswerte automatisiert eingestellt werden.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass bei den mindestens zwei unterschiedlichen Zoomstellungen jeweils mindestens ein Bild eines festgelegten Kalibrierobjekts erfasst wird, welches bekannte Merkmale aufweist, sodass in der Abbildung kontrastreiche Regionen erkennbar sind, und/oder nur Kontrastwerte in einem festgelegten Bereich der Bildmitte bestimmt und/oder ausgewertet werden.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Operationsmikroskop ein stereoskopisches optisches System aufweist, wobei das stereoskopische optische System einen ersten optischen Pfad und mindestens einen weiteren optischen Pfad aufweist und mindestens ein Sollwert und/oder Kalibrierdaten für den ersten optischen Pfad ermittelt und auf den mindestens einen weiteren optischen Pfad übertragen werden.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Fokuswert (22) um einen relativen Fokuswert oder eine Fokuswertdifferenz handelt.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Ermitteln des Sollwertes das Ermitteln eines Änderungswertes des Fokus des Operationsmikroskops umfasst, wobei das Ermitteln des Sollwertes und/oder des Änderungswertes basierend auf einer Auswertung des Gradienten mindestens einer Kurve erfolgt, welche die Abhängigkeit des Fokuswertes oder einer erfassten Fokusänderung in Bezug auf eine Referenzgröße von der Zoomstellung abbildet, wobei ein funktionaler Zusammenhang zwischen dem Gradienten und einer Fokuseinstellung des Operationsmikroskops verwendet wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Sollwert in Form einer Zielfokuslinie oder eines Zielfokusbereichs in einem erfassten Bild des festgelegten Objekts berechnet und/oder bereitgestellt wird.
15. Steuereinrichtung (13) zum Justieren und/oder Kalibrieren und/oder Überwachen des Fokuswertes eines Operationsmikroskops (1 , 40), welches mindestens ein Objektiv (2, 3), eine Bilderfassungsvorrichtung (5) und ein Zoomsystem (8) umfasst, wobei das Operationsmikroskop (1 , 40) dazu ausgelegt ist, in mindestens zwei unterschiedlichen Zoomstellungen betrieben zu werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (13) dazu ausgelegt ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14 auszuführen.
16. Operationsmikroskop (1 , 40), welches mindestens ein Objektiv (2, 3), eine Bilderfassungsvorrichtung (5) und ein Zoomsystem (8) umfasst, wobei das Operationsmikroskop (1 , 40) dazu ausgelegt ist, in mindestens zwei unterschiedlichen Zoomstellungen betrieben zu werden, dadurch gekennzeichnet, dass das Operationsmikroskop (1 , 40) dazu ausgelegt ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14 auszuführen oder das Operationsmikroskop (1 , 40) eine Steuereinrichtung (13) nach Anspruch 15 umfasst. 17. Operationsmikroskop (1 , 40) nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Operationsmikroskop (1 , 40) ein stereoskopisches optisches System aufweist. 18. Computerimplementiertes Verfahren, umfassend Befehle, die bei der
Ausführung des Programms durch einen Computer diesen veranlassen, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14 auszuführen.
PCT/EP2023/077214 2022-10-05 2023-10-02 Verfahren und steuereinrichtung zum justieren und/oder kalibrieren und/oder überwachen des fokuswertes eines optischen geräts mit zoomfunktion WO2024074445A1 (de)

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