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Die
Erfindung betrifft ein Mikroskop, insbesondere Stereomikroskop gemäß Oberbegriff
des Patentanspruchs 1, das einen Strahlengang aufweist, in dem mindestens
ein Umlenkelement zur Umlenkung des Strahlengangs angeordnet ist.
Die Erfindung betrifft insbesondere ein Mikroskop mit einem Hauptobjektiv,
das einen Beobachtungsstrahlengang entlang einer optischen Achse
definiert, wobei dieser Beobachtungsstrahlengang den genannten Strahlengang
des optischen Geräts
darstellt. Bei diesen Mikroskopen kann es sich insbesondere um Stereomikroskope
und Operationsmikroskope handeln.
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Ein
gattungsgemäßes, als
Stereomikroskop ausgebildetes optisches Gerät ist aus der
DE 102 55 960 A1 bekannt.
Das Stereomikroskop besitzt ein Hauptobjektiv und ein diesem Objektiv
nachgeordnetes Zoom-System. Da das Zoom-System ”liegend” angeordnet ist, d. h. die
Achse des Zoom-Systems steht
im wesentlichen senkrecht auf der durch das Hauptobjektiv definierten
optischen Achse, ist zwischen Objektiv und Zoom-System ein Umlenkelement
zum Umlenken des Beobachtungsstrahlengangs in die entsprechenden
Vergrößerungskanäle des Zoom-Systems
vorgesehen. Das Stereomikroskop weist weitere optische Zusatzkomponenten,
wie Filter, Shutter, optische Teiler, Dateneinspiegelungen etc.
auf, die im Beobachtungsstrahlengang angeordnet sind, wobei letzterer
durch weitere Umlenkelemente in verschiedene horizontale Ebenen
des Mikroskops gelenkt wird. Dieser Aufbau ermöglicht die Realisierung eines
niedrig bauenden Mikroskops. Gleichzeitig können die Umlenkelemente als
Strahlenteiler ausgestaltet sein, wodurch eine Auskopplung des Beobachtungsstrahlengangs
und somit mehrere Ports für
mehrere Beobachter ermöglicht werden.
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Die
vorliegende Erfindung ist nicht auf den genannten Aufbau gemäß
DE 102 55 960 A1 beschränkt, sondern
lässt sich
bei jedem optischen Gerät,
bei dem ein Umlenkelement zur Umlenkung des Strahlengangs vorhanden
ist (oder vorzusehen sein kann) realisieren. Die Erfindung verfolgt
den Zweck, auftretende Vibrationen bei einem solchen optischen Gerät zu kompensieren,
wobei der Begriff ”Vibrationen” allgemein
für unbeabsichtigte
Schwingungen, Bewegungen oder sonstige Verschiebungen aus der Ruhelage
stehen soll. Solche Vibrationen können durch den Benutzer des
optischen Geräts
selbst ausgelöst
sein oder aber durch Vibrationen der das optische Gerät tragenden
Halterungen (beispielsweise Stativ eines Mikroskops) oder von Wänden, Decken oder
Böden,
die mit dem optischen Gerät
in Verbindung stehen (beispielsweise Decken- oder Bodenstative), übertragen
werden.
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Ein
Dämpfungssystem
für ein
Mikroskop ist aus der
US
2001/0024 320 A1 bekannt, bei dem ein dynamischer Vibrationsabsorber
vorgesehen ist, der beispielsweise an der Verbindungsstelle zwischen Mikroskop
und Mikroskopstativ angebracht ist. Bei dem dynamischen Vibrationsabsorber
kann es sich um ein einen Piezoaktuator enthaltenden Aufbau handeln.
Ein Vibrationssensor erfasst Vibrationen des Stativarms, auf den
das Mikroskop aufgesetzt ist, woraufhin ein Steuersystem den piezoelektrischen Aktuator
zu Schwingungen in Z-Richtung (parallel zur optischen Achse) in
einer Weise veranlasst, dass die Vibrationen des Stativarms weitestgehend
eliminiert werden. Oberhalb des Vibrationsabsorbers sind der Mikroskoptubus
und eine CCD-Kamera
angeordnet. Anstelle eines piezoelektrischen Aktuators kann auch
ein passives Dämpfungselement
(Silikon- oder Urethankunststoff) eingesetzt werden. In weiteren Ausgestaltungen
sind Vibrationsabsorber an weiteren Stellen eines Mikroskopsystems
bestehend aus Mikroskop, Stativ, Beleuchtungseinheit und Abbildungseinheit
vorgesehen. Durch die vorgeschlagenen Anordnungen sollen sich Schwingungen
des Stativarms in Z-Richtung
nicht auf das Mikroskop übertragen
können,
so dass dieses in Ruhe bleibt. Hierdurch sind Unschärfen im
Beobachtungsbild aufgrund von Vibrationen weitestgehend beseitigt.
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Die
DE 103 06 440 A1 beschreibt
eine Vorrichtung zur Unterdrückung
von Schwingungen in allen drei Raumrichtungen für ein an ein Stativ gehaltertes
Mikroskop. Als Schwingungsausgleichseinrichtung wird ein ARES(Actively
Reacting Flexible Structure)-Bauelement in oder an einem oder anstelle
eines Teils des Mikroskops oder Stativs angeordnet. Ein ARES-Bauteil
ist ein selbstregulierendes Bauelement, das aufgrund der Messung
von Schwingungen integrierte Antriebselemente so ansteuert, dass
diese der Schwingung in Ist-Zeit so entgegenwirken, dass die Schwingung
nicht zu einer Lageveränderung
der äußeren Konturen
führt.
Hierbei kann das ARES-Bauelement den Tragarm (Stativarm) direkt
ersetzen, also gleichzeitig als tragendes und schwingungsausgleichendes
Element dienen.
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Der
DE 43 42 538 A1 liegt
ebenfalls die Aufgabe zugrunde, ein Operationsmikroskop von auf das
Stativ wirkenden Kräften,
die sich auf das Operationsmikroskop übertragen, zu entkoppeln. Hierzu wird
vorgeschlagen, mindestens ein Antriebselement zur Kompensation der
Schwingungen in oder an dem Mikroskop anzubringen, wobei eine elektronische Schaltung
vorhanden ist, die das Signal eines Sensors in das Signal für das Antriebselement
umwandelt. Als Antriebselemente werden Linearmotoren verwendet.
Hierbei ist es vorteilhaft, zwei Linearmotoren derart anzuordnen,
dass eine leichte Bewegung des Mikroskopobjektivs in einer Ebene
(X- als auch Y-Richtung) erfolgen kann. Das Hauptobjektiv wird dann
gegenphasig zur äußeren Auslenkung
in der XY-Ebene bewegt, wodurch die Bildqualität verbessert wird. Die genannte
Schrift offenbart verschiedene Anordnungen solcher Kräfte ausübenden Einrichtungen
zur Schwingungsentkopplung eines Operationsmikroskops, wobei nur
Schwingungen in besagter XY-Ebene kompensiert werden. Ähnliche
Einrichtungen zur Schwingungsentkopplung eines optischen Geräts oder
Mikroskops sind in der
US-5,786,936 sowie
in der
US-5,731,896 beschrieben.
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Dem
genannten Stand der Technik ist gemein, dass Schwingungen verursacht
durch die Bedienung des Anwenders oder durch andere, äußere auf
das Stativ oder Mikroskop übertragene
Schwingungen von dem Mikroskop entkoppelt werden, indem an geeigneter
Stelle des Mikroskopaufbaus eine Einrichtung vorgesehen ist, die
gegenphasige Schwingungen erzeugt, die die äußeren Schwingungen eliminieren.
Nachteilig bei dieser mechanischen Stabilisierung oder Entkopplung
des Mikroskops wirkt sich die Notwendigkeit eines gesonderten Bauteils
zur Schwingungsdämpfung
aus. Die Verwendung der relativ großen und schweren (Linear-)Motoren
zur Verstellung und zum Gegensteuern der optischen Komponenten erfordert
eine sehr genaue Führung
und kann keine Stabilisierung in Z-Richtung (parallel zur optischen Achse)
erzielen. Hingegen werdem bei der Verwendung von Piezoelementen
gemäß der genannten
US 2001/0024320 A1 nur Schwingungen
in Z-Richtung ausgeglichen. Demgegenüber hat die Verwendung der
genannten ARES-Bauelemente gemäß
DE 103 06 440 A1 den Vorteil
der Schwingungskompensation in allen drei Raumrichtungen. Ein weiterer
Nachteil der bekannten Schwingungskompensation ist die systemimmanente
Trägheit
der eingesetzten Vibrationsdämpfer, die
bei der Regelung der Schwingungskompensation berücksichtigt werden muss und
zu entsprechend hohem regelungstechnischem Aufwand führt.
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Aus
der
US 2006/0171263
A1 ist ein optisches Schreib-/Lesegerät bekannt, bei dem auftretende
Kippungen durch entsprechende Ansteuerung eines Mikrospiegelarrays
kompensiert werden können.
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Aufgabe
vorliegender Erfindung ist es, eine Vibrationskompensation für ein Mikroskop,
insbesondere Stereomikroskop, anzugeben, die möglichst trägheitslos wirkt und möglichst
ohne zusätzliche Bauelemente
zu realisieren ist.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein
Mikroskop gemäß Anspruch
1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und
der nachfolgenden Beschreibung.
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Erfindungsgemäß weist
das optische Gerät, in
vorliegenden Fall ein Mikroskop, mindestens einen Vibrationssensor
auf, der im oder am optischen Gerät angeordnet ist. Vibrationssensoren
an sich sind aus dem Stand der Technik bekannt und sollen daher
vorliegend nicht weiter erläutert
werden. Es kann sich hierbei um Beschleunigungssensoren handeln,
die beliebige Formen von Vibrationen in allen drei Raumrichtungen
erfassen können.
Die Anordnung im oder am optischen Gerät meint eine Anordnung innerhalb des
optischen Geräts,
also beispielsweise in Gelenken oder im Innenraum des optischen
Geräts,
wobei unter dem Begriff "optisches
Gerät" sämtliche
Halterungen, Arme, Stative etc. eingeschlossen sein sollen, die
mit dem eigentlichen optischen Gerät in Verbindung stehen. Da
jedoch das eigentliche optische Gerät, also beispielsweise das
Mikroskop, schwingungsgedämpft
sein soll, ist die Anordnung des mindestens einen Vibrationssensors
unmittelbar im oder unmittelbar am optischen Gerät, also beispielsweise am Mikroskop
selbst, empfehlenswert. Erfindungsgemäß weist weiterhin mindestens
eines der genannten Umlenkelemente zur Umlenkung des Strahlengangs im
optischen Gerät
einen Spiegel mit steuerbar deformierbarer Spiegelfläche auf.
Derartige Spiegel sind ebenfalls an sich aus dem Stand der Technik
bekannt und sollen daher im folgenden nicht näher erläutert werden. Schließlich ist
erfindungsgemäß eine Steuereinheit
vorgesehen, die abhängig
von dem Ausgangssignal des mindestens einen Vibrationssensors das
mindestens eine Umlenkelement zur Verstellung der Spiegelfläche derart
ansteuert, dass Vibrationen des optischen Geräts durch eine entsprechend
gegengerichtete oder gegenphasige Verstellung der Spiegelfläche kompensiert
werden.
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Eine
auftretende Vibration kann als Schwingung oder Verschiebung oder
Verdrehung in mindestens eine der drei Raumrichtungen gedacht werden. Sie
läßt sich
somit in X-, Y- und Z-Komponenten zerlegen. Hierbei kann die XY-Ebene
mit einer Horizontalebene (beim Mikroskop beispielsweise mit einer Ebene
parallel zur Objektebene) und die Z- Richtung mit der Richtung senkrecht
zur Horizontalebene (im Falle des Mikroskops beispielsweise mit
der auf der Objektebene senkrecht stehenden optischen Achse) gleichgesetzt
werden.
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Zur
besseren Verständlichkeit
sei im folgenden die Erfindung am Beispiel eines Mikroskops erläutert. Der
Fachmann kann von hier aus eine Übertragung
auf andere optische Geräte
vornehmen. Bei der Vibration eines Mikroskops führt die Vibration in der XY-Ebene
zu einer entsprechenden Verschiebung des durch das Hauptobjektiv
festgelegten Strahlfußpunkts
in der Objektebene. Dies führt
für den
Beobachter zu einem entsprechenden Wackeln oder Zittern des Bildes.
Vibrationen in Z-Richtung führen
hingegen zu Unschärfen
im Bild, da die Brennweite des Hauptobjektivs während der Beobachtung in der
Regel fest ist bzw. sich nicht zusammen mit dem Vibrationsverlauf ändert. Zur
Kompensation der genannten Vibrationen wird erfindungsgemäß die Spiegelfläche des
mindestens einen (bereits vorhandenen oder zu diesem Zweck vorzusehenden)
Umlenkelements derart angesteuert, dass die Vibrationen des Mikroskops
kompensiert werden. Um beim Beispiel des Mikroskops zu bleiben,
kann die Spiegelfläche,
die zweckmäßigerweise
vom Objekt aus gesehen hinter dem Hauptobjektiv angeordnet ist, bei
einer durch Vibration verursachten Verschiebung des Mikroskops in
X- und/oder Y-Richtung den Strahlfußpunkt um den gleichen Betrag
in entgegengesetzte X- und/oder Y-Richtung verschieben, so dass
der Benutzer kein Wackeln des Bildes wahrnimmt. Bei einer durch
Vibration verursachten Verschiebung in Z-Richtung kann die Spiegelfläche in beispielsweise
sphärischer
Weise deformiert werden, so dass die Brennweite des Hauptobjektivs
des Mikroskops effektiv verändert
wird und das Mikroskopbild auf eine andere Objektebene entsprechend der
Z-Vibration scharf gestellt wird. Bewegt sich das Mikroskop aufgrund
der Vibration folglich nach unten (in Richtung Objekt), muss durch
entsprechende Spiegeldeformation die effektive Brennweite des Hauptobjektivs
verkürzt
werden, während
eine vibrationsbedingte Verschiebung des Mikroskops nach oben zu
einer Vergrößerung der
effektiven Brennweite des Hauptobjektivs führen muss.
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Da
die Deformationen der Spiegelflächen
auf elektronischem Wege erfolgen können, ist somit eine quasi
trägheitslose
Vibrationskompensation in allen drei Raumrichtungen in Echtzeit
möglich.
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Es
ist besonders vorteilhaft, wenn die auf dem mindestens einen Umlenkelement
vorgesehene, deformierbare Spiegelfläche als ein Mikrospiegelarray
ausgebildet ist, das eine Anordnung individuell ansteuerbarer, in
ihrer räumlichen
Orientierung einstellbarer Mikrospiegel aufweist. Derartige Mikrospiegelarrays
sind an sich aus dem Stand der Technik bekannt und sollen daher
im folgenden nicht näher
erläutert
werden. Hauptvorteil eines Mikrospiegelarrays ist, dass lediglich
die auf einem Grundgerüst
beweglich gelagerten Mikrospiegel zur Änderung der Ablenkung eines
Strahlengangs verkippt werden müssen,
ohne das Grundgerüst
selbst zu bewegen. Die einzelnen Mikrospiegel können elektronisch angesteuert
werden. Die Mikrospiegel sind zweckmäßigerweise auf einer zweidimensionalen
Matrix angeordnet. Jeder Mikrospiegel lässt sich zweckmäßigerweise
um zwei aufeinander senkrecht stehende Kippachsen verkippen bzw.
verschwenken. Zur Kompensation von vibrationsbedingten Verschiebungen in
X- und/oder Y-Richtung
können
die einzelnen Mikrospiegel in entsprechender Weise um die erste und/oder
zweite Kippachse geschwenkt werden. Zur Kompensation vibrationsbedingter
Z-Verschiebungen sind die Mikrospiegel insgesamt beispielsweise sphärisch anzuordnen,
um wie bereits ausgeführt, die
effektive Brennweite des Hauptobjektivs zu ändern.
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Zur
Kompensation vibrationsbedingter Z-Verschiebungen ist es besonders
vorteilhaft, die deformierbare Spiegelfläche, wie die Mikrospiegel des
Mikrospiegelarrays, in sphärischer
oder aber asphärischer
Geometrie anzuordnen. Während
eine Kugelschalengeometrie an sich ausreichend ist, um dem optischen
System eine zusätzliche
Brechkraft zu verleihen, ist die asphärische Geometrie darüberhinaus
insbesondere zur Korrektur von Abbildungsfehlern geeignet (vgl. ”Asphärische Optik”). Die
Oberfläche
wird weitgehend frei geformt, um das gewünschte Ziel auf optisch möglichst
ideale Weise zu erreichen. Hierfür
können
Hyperboloide, Ellipsoide oder andere Geometrien, aber auch hieraus
zusammengesetzte Geometrien, geeignet sein.
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Es
sei darauf hingewiesen, dass die vorliegend geschilderten Merkmale
der Erfindung nicht nur in der dargestellten Kombination, sondern
auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendet werden
können,
ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Im
folgenden sollen die Erfindung und ihre Vorteile anhand von Ausführungsbeispielen
erläutert werden,
die in den Figuren näher
dargestellt sind.
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1 zeigt
einen schematischen Aufbau eines Stereomikroskops mit mehreren Ports
für Haupt- und
Assistenten-Beobachter, wobei das Stereomikroskop erfindungsgemäß vibrationsgedämpft ist,
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2 zeigt
eine schematische Ansicht eines Mikrospiegelarrays in Draufsicht
und
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3 zeigt
eine Schnittansicht des Mikrospiegelarrays entlang der Linie A-A
aus 2.
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4 zeigt
schematisch eine Detailansicht aus 1, wobei
die Detailansicht den Strahlengang zwischen Objekt und Zoom-System
darstellt, und wobei schematisch die Änderung der wirksamen Brennweite
des Hauptobjektivs skizziert ist.
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1 zeigt
schematisch den Aufbau eines Stereomikroskops 1 mit mehreren
Ports 10, 10a, 10b, 10c und 10d für mehrere
Beobachter 20, 20a, 20b, 20c und 20d.
Bei den Beobachtern kann es sich um Haupt- und/oder Assistentenbeobachter
handeln. Das Stereomikroskop 1 eignet sich besonders zur Verwendung
als Operationsmikroskop, insbesondere in der Ophthalmologie. Hier
fungiert meist der Chirurg als Hauptbeobachter, dem von mehreren
Assistenten assistiert wird. Selbstverständlich ist auch eine Auskopplung
des Beobachtungsstrahlengangs an eine Dokumentationseinrichtung über einen
entsprechenden Dokumentationsport möglich. Der Port 10 kann mit
einem schwenkbaren Umlenkelement 30 ausgestaltet sein.
Das Stereomikroskop 1 besitzt ein Hauptobjektiv 2,
mit dem ein Objekt 16 beobachtet werden kann. Das Hauptobjektiv 2 definiert
einen Beobachtungsstrahlengang, der auf dem Objekt 16 entsprechend
der Brennweite des Hauptobjektivs 2 einen Strahlfußpunkt 16a festlegt.
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Bei
der in
1 dargestellten Ausführungsform des Stereomikroskops
1 ist
das Zoom-System
7 ”liegend” ausgeführt, um
die Bauhöhe
des Stereomikroskops
1 zu verringern. Ein derartiger Aufbau
eines Stereomikroskops ist bereits aus der in der Beschreibungseinleitung
genannten
DE 102 55
960 A1 bekannt. Zu näheren
Erläuterungen
bezüglich
Aufbau und Funktionsweise des Stereomikroskops
1 sei folglich
explizit auf die genannte Druckschrift hingewiesen. Das Umlenkelement
5 spiegelt
den vom Hauptobjektiv
2 kommenden Beobachtungsstrahlengang
in die Beobachtungskanäle
des Zoom-Systems
7. Es ist zweckmäßig, das Zoom-System
7 als
afokales Zoom-System auszugestalten, so dass parallele Beobachtungsstrahlengänge in das
Zoom-System
7 eintreten und aus diesem ebenfalls parallel
wieder austreten.
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Dem
Zoom-System 7 können
je nach Bedarf mehrere weitere Umlenkelemente 6a bis 6f nachgeschaltet
sein. Sie dienen jeweils dazu, einen Teil des Beobachtungsstrahlengangs
zum entsprechenden Port 10, 10a bis 10d zu
leiten, wozu die Umlenkelemente 6a, 6b, 6d und 6e teildurchlässig ausgeführt sind.
Im Beobachtungsstrahlengang können
weitere optische Komponenten 8a, 8b und 8c vorgesehen sein,
deren Funktion weiter unten erläutert
wird.
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Die
stereoskopischen Kanäle
für die Haupt-Beobachtungsstrahlengänge liegen
bei der Darstellung gemäß 1 hintereinander.
Das Zoom-System 7 des Stereomikroskops 1 weist
in der Regel zwei Hauptbeobachtungskanäle auf und kann zusätzlich zwei
gesonderte Assistentenbeobachtungskanäle aufweisen, die in 1 beispielhaft
dargestellt sind.
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Mit 3 ist
eine Beleuchtungseinheit bezeichnet, welche Licht entlang der Beleuchtungsrichtung 3a zur
Beleuchtung auf das zu untersuchende Objekt 16 richtet.
Das Licht der Beleuchtungseinheit 3 kann über eine
Lichtleitfaser (Faserkabel) 12 oder eine direkt eingebaute
Lichtquelle bereitgestellt werden. Das Licht wird über ein
Umlenkelement 3b durch das Hauptobjektiv 2 auf
das Objekt 16 gerichtet. Im dargestellten Fall läuft der
Beleuchtungsstrahlengang folglich durch das Hauptobjektiv 2.
Es ist jedoch auch eine Anordnung denkbar, bei der die Beleuchtung
am Hauptobjektiv 2 vorbeigeführt wird.
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Das
Hauptobjektiv 2 wird im wesentlichen in vertikaler Richtung
von zwei Assistenten-Beobachtungsstrahlenbüscheln 22a und 22b durchsetzt.
Die Haupt-Beobachtungsstrahlenbüschel
sind in der Zeichnung hintereinander gelegen und nicht gesondert
dargestellt. Die Beobachtungsstrahlenbüschel 22a und 22b werden
nach entsprechender (rechtwinkliger) Umlenkung durch das Umlenkelement 5 in die
im wesentlichen horizontal und übereinander
verlaufenden Beobachtungskanäle
des Zoom-Systems 7 eintreten.
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Die
Beobachtungsstrahlenbüschel
werden bei dem in 1 dargestellten Aufbau nach
ihrem Austritt aus dem Zoom- System 7 durch
das weitere Umlenkelement 6a in die Vertikale gelenkt,
woraufhin sie auf ein weiteres Umlenkelement 6b treffen,
mittels dessen eine erneute Umlenkung in die Horizontale erfolgt
(zweite Ebene des Mikroskops 1), woraufhin es wiederum
zu einer Umlenkung am Umlenkelement 6d in die vertikale
Richtung kommt. Durch Ausbildung der entsprechenden Umlenkelemente
als Strahlenteiler ergeben sich die mit 11a, 11b, 11c und 11d bezeichneten
Beobachtungsachsen, die auf die jeweiligen Ports 10a bis 10d gerichtet
sind. Dem Beobachter (Assistenten) 20 wird Licht über das
Umlenkelement 6d zugeführt.
Dieses Umlenkelement ist derart ausgebildet, dass es lediglich die
Strahlenbüschel 22a, 22b umlenkt,
während
die Strahlenbüschel
für den
Hauptbeobachter 20d das Umlenkelement 6d ohne
Umlenkung passieren. Diese können auf
die optionalen weiteren Umlenkelemente 6e und 6f treffen,
um den Hauptbeobachter bei 20c zu positionieren. Durch
den Einsatz eines derartigen Umlenkelements 6d ist eine
räumliche
Trennung der Assistenten-Beobachtungsbüschel 22a, 22b von
den Haupt-Beobachtungsstrahlenbüschel in
einfacher Weise ohne einen Verlust von Lichtintensität realisierbar.
Die hier beschriebenen Ausgestaltungen einer Assistenten-Beobachtung sind
rein optional.
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Die
für die
Beobachtung notwendigen Binokulartuben mit Okularen sind der Übersichtlichkeit halber
in 1 nicht dargstellt. Bei den optischen Komponenten 8a bis 8c handelt
es sich um Zusatzkomponenten, die wahlweise eingesetzt werden können, wie
Filter, Laser-Shutter, optische Teiler, Dateneinspiegelungen, Blenden,
Displays und ähnliches. Der
Assistent 20 beobachtet das Objekt 16 über ein drehbares
Umlenkelement 30, das je nach Position des Assistenten
in gewünschter
Art und Weise schwenkbar ist.
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Die
Schilderung des Aufbaus des in 1 dargestellten
Stereomikroskops 1 erfolgt nur exemplarisch. Für vorliegende
Erfindung sind im wesentlichen die Elemente Hauptobjektiv 2 und
Umlenkspiegel 5 (stellvertretend für die Umlenkelemente 5 und 6a bis 6f)
von Bedeutung.
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Mindestens
eines der Umlenkelemente 5, 6a bis 6f ist
als Spiegel mit steuerbar deformierbarer Spiegelfläche 50 ausgebildet.
Bei der Ausführungsform
gemäß 1 ist
lediglich das Umlenkelement 5 entsprechend ausgeführt. Das
Umlenkelement 5 ist mit einer Steuereinheit 32 für die Verstellung
der Spiegelfläche
verbunden. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die deformierbare
Spiegelfläche 50 als
Mikrospiegelarray 40 ausgebildet, wie es schematisch in 2 dargestellt
ist.
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Die
Steuereinheit 32 kann ferner mit einem Schaltelement 33 verbunden
sein, das z. B. als Fußschalter,
als Handschaltpult, als Fernsteuerung, als Sprachsteuerung oder
als Eye-Tracking-System realisiert sein kann. Über dieses Schaltelement 33 läßt sich
die Steuereinheit 32 ansteuern, die ihrerseits in gewünschter
Weise das Mikrospiegelarray 40 bzw. allgemeiner die deformierbare
Spiegelfläche 50 verstellt.
Durch eine geeignete Verstellung des Mikrospiegelarrays 40 kann
der Strahlfußpunkt 16a des Beobachtungsstrahlengangs
auf dem Objekt 16 in der XY-Ebene in seiner Position verändert werden. Auf
diese Weise können
unterschiedliche Bereiche in der XY-Ebene des Objekts 16 beobachtet
werden, ohne dabei die Position des Mikroskops 1 insgesamt zu verändern. Für diesen
bisher nicht bekannten Aspekt wird von der Anmelderin mit einer
gesonderten Anmeldung um Schutz nachgesucht.
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Erfindungsgemäß ist am
Mikroskop 1 ein Vibrationssensor 34 angebracht,
der Vibrationen des Mikroskops 1 mißt und ein entsprechendes Ausgangssignal
erzeugt. Hierbei kann das Ausgangssignal zweckmäßigerweise Vibrationen in jeder
der drei Raumrichtungen X, Y und Z, wie sie in 1 dargestellt
sind, unterscheiden. Hierzu können
beispielsweise drei getrennte Ausgangssignale zur Verfügung gestellt
werden. Die Ausgangssignale des Vibrationssensors 34 werden
der Steuereinheit 32 zugeführt. Bei einer vibrationsbedingten
Verschiebung des Mikroskops 1 in X-Richtung würde der
Strahlfußpunkt 16a auf
dem Objekt 16 entsprechend wandern. Dies würde sich
als störendes
Wackeln im Bild bemerkbar machen. Eine Verschiebung in X-Richtung
läßt sich nun
dadurch kompensieren, dass die Mikrospiegel (vgl. 2)
jeweils um eine Kippachse gekippt werden, die senkrecht zur Zeichenebene
der 1 steht. Zur Kompensation einer vibrationsbedingten Verschiebung
in Y-Richtung ist entsprechend eine Verkippung jeweils um Kippachsen
erforderlich, die in der Zeichenebene der 1 liegen
und durch die jeweiligen Mikrospiegel verlaufen. Da die Ansteuerung
der verhältnismäßig kleinen
Mikrospiegel elektronisch über
die Steuereinheit 32 erfolgt, ist eine Ansteuerung und
Verstellung der Mikrospiegel quasi trägheitslos möglich. Dies erleichtert die
Regelung zur Vibrationskompensation und ermöglicht eine Vibrationskompensation
in Echtzeit ohne Zeitverzögerung.
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Da
die Vibrationskompensation bei der Ausführungsform gemäß 1 folglich
durch entsprechend gegenphasige Ablenkung des Mikroskopbildes, genauer
gesagt des Mikroskopzwischenbildes, das vom Hauptobjektiv 2 erzeugt
wird, erfolgt, ist dem Fachmann klar, dass eine solche Vibrationskompensation
auch durch entsprechend ausgestaltete Umlenkelemente 6a, 6b, 6c, 6d, 6e und/oder 6f erfolgen kann.
In der in 1 dargestellten Anordnung ist
die Vibrationskompensation mittels des Umlenkelements 5 jedoch
am sinnvollsten, da dieses Umlenkelement alle nachgeschalteten Ports
bedient.
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Die
Vibrationskompensation in X- und Y-Richtung wurde anhand eines Mikrospiegelarrays geschildert.
Der nämliche
Regelungsmechanismus ist auf andere deformierbare Spiegelflächen 50 übertragbar.
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Anhand
der 2 und 3 sollen Aufbau und Funktionsweise
eines an sich aus dem Stand der Technik bekannten Mikrospiegelarrays
kurz geschildert werden.
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2 zeigt
eine schematische Ansicht eines Mikrospiegelarrays 40,
das aus einer Vielzahl von kleinen Spiegeln 401,1 , 401,2 , ..., 401 ,n aufgebaut ist, wobei m solcher Zeilen
vorhanden sind, so dass eine zweidimensionale Matrix aus Spiegel 401,1 bis 40m,n entsteht.
Die einzelnen Mikrospiegel werden über die Steuereinheit 32 derart
angesteuert, dass sich die Winkelstellung der Spiegel ändert. Jeder
Spiegel kann dabei um zwei Kippachsen in seinem Winkel verstellbar
sein. Die Kippachsen stehen in der Regel senkrecht aufeinander.
Die Spiegel des Mikrospiegelarrays 40 können einzeln oder in Gruppen
verstellt werden. Das das Mikrospiegelarray 40 tragende Grundgerüst (in 2 nicht
dargestellt) bleibt in seiner Lage unverändert. Somit kann mittels elektronischer
Ansteuerung und Verkippung jedes einzelnen Mikrospiegels die Reflektionsrichtung
jedes Spiegels eingestellt werden. Wären alle Mikrospiegel des Mikrospiegelarrays 40 in
gleicher Weise räumlich
verstellt, liegt im Ergebnis makroskopisch eine Umlenkung des Strahlengangs
wie bei einem herkömmlichen
Spiegel vor.
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Einzelheiten
zur Ansteuerung eines Mikrospiegelarrays 40 sind aus dem
Stand der Technik bekannt und sollen daher vorliegend nicht im einzelnen erläutert werden.
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3 zeigt
eine Schnittansicht des Mikrospiegelarrays 40 entlang der
in 2 angegebenen Linie A-A, wobei einzelne Spiegel
verstellt sind. Die in 3 dargestellte Orientierung
der Mikrospiegel bewirkt die angesprochene ”asphärische Ausrichtung” der Mikrospiegel,
die wie weiter unten erläutert
zur Kompensation von Vibrationen in Z-Richtung eingesetzt werden
kann. ”Sphärische oder
asphärische Verstellung” der Mikrospiegel
meint eine sphärische bzw.
asphärische
Ausrichtung, die jedoch auf die Grundebene (durch die Grundplatte
definierte Ebene) des Mikrospiegelarrays 40 projiziert
ist, da die Mikrospiegel selbst senkrecht zu dieser Ebene nicht
bewegbar sind. Es läßt sich
andererseits auch an deformierbare Spiegelfläche denken, die beispielsweise eine
sphärische
Oberflächengestalt
erlauben.
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Wie
bereits erwähnt,
kann durch eine Verkippung aller Mikrospiegel des Mikrospiegelarrays 40 in gleicher
Weise eine Korrektur von vibrationsbedingten Verschiebungen in der
XY-Ebene in Echtzeit erfolgen. Mit der Erfindung lassen sich jedoch
auch Vibrationen in Z-Richtung, die zu Unschärfen im Bild führen würden, kompensieren.
Dies sei anhand von 4 erläutert.
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4 zeigt
sehr schematisch in nichtmaßstabsgetreuer
Weise eine Situation, wie sie bei einer Vibration in Z-Richtung auftritt.
Eine solche Vibration führt
beispielsweise zu einer Verschiebung des Mikroskops 1 entgegen
Z-Richtung, d. h. zum Objekt 16 hin. Bei fester Brennweite
des Hauptobjektivs 2 würde
dies dazu führen,
dass der Strahlfußpunkt 16a (vgl. 1)
gleichsam in das Objekt 16 hineinwandert, so dass im Ergebnis
ein unscharfes Bild entsteht, was unter Umständen aufgrund der vorhandenen
Tiefenschärfe
des Mikroskops 1 in gewissen Bereichen unbemerkt bleibt,
aber generell zu einer verringerten Tiefenschärfe führt. Um eine solche Verschiebung
jedoch optimal zu korrigieren, wird erfindungsgemäß die effektive
Brennweite des Hauptobjektivs 2 verkürzt, so dass der Strahlfußpunkt 16a' immer auf dem
Objektiv 16 verbleibt. 4 veranschaulicht
nun den Vorgang der Verkürzung
der effektiven Brennweite des Hauptobjektivs 2, wobei aus Gründen der
Klarheit die gleichzeitige Bewegung des Mikroskops 1 in
Z-Richtung auf das Objekt 16 hin nicht dargestellt ist.
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4 zeigt
den Strahlenverlauf für
einen Strahlfußpunkt 16a mit
zugehörigen
Beobachtungsstrahlenbüschel 22a und 22b,
die mittels des Hauptobjektivs 2 ins Unendliche abgebildet
und anschließend
durch das Umlenkelement 5 im wesentlichen senkrecht zur
optischen Achse 11 in das Zoom-System 7 umgelenkt
werden. Andere auf der Achse 11 liegende Objektpunkte,
die außerhalb
der durch das Objekt 16 verlaufenden Brennebene des Hauptobjektivs 2 liegen,
werden durch das Hauptobjektiv 2 nicht nach Unendlich abgebildet,
so dass die Beobachtungsstrahlenbüschel (vgl. Büschel 22a' und 22b') nach Umlenkung
durch das Umlenkelement 5 nicht in die stereoskopischen
Kanäle
des Zoom-Systems 7 treten können (vgl. gestrichelte Linien 22a' und 22b'). Bei der Darstellung
gemäß 4 wird
somit der Punkt 16a' nicht
abgebildet. Bei dem in 4 dargestellten Umlenkelement 5 kann
es sich wieder um ein Mikrospiegelarray 40 handeln, das
in der geschilderten Situation wie ein planarer Umlenkspiegel wirkt,
d. h. die einzelnen Mikrospiegel sind nicht verkippt, sondern liegen
alle planar in der Hauptebene des Mikrospiegelarrays 40.
Bei Verwendung einer deformierbaren Spiegelfläche 50 wäre diese
nicht deformiert sondern planar.
-
Wenn
nun das Mikroskop 1 vibrationsbedingt sich auf die Ebene
des Objekts 16 zu bewegt, so muss die Brennweite des Hauptobjektivs 2 nachgeführt werden,
damit durch das Mikroskop 1 weiterhin ein scharfes Bild
beobachtet werden kann. Wie in 4 dargestellt,
kann die optische Brechkraft des Systems 2 und 5 derart
verändert
werden, dass die Strahlen 22a' und 22b' in das Zoom-System 7 gelangen.
Dies entspricht einer Änderung
der effektiven Brechkraft des Hauptobjektivs 2. In den
in 4 schraffiert gezeichneten Teilbereichen des als
Mikrospiegelarray 40 ausgeführten Umlenkelements 5 kann
durch entsprechende räumliche
Orientierung der betreffenden Mikrospiegel ein veränderter
Reflektionswinkel der Strahlen 22a' und 22b' erzielt werden, so dass diese
Strahlen in das Zoom-System 7 gelenkt werden. Hierzu ist
insgesamt beispielsweise eine entsprechend sphärische räumliche Orientierung der betreffenden
Mikrospiegel in den schraffiert dargestellten Teilbereichen nach
Art eines Hohlspiegels notwendig. Erhalten die betreffenden Mikrospiegel
die hierzu notwendige Orientierung, so wird der im Strahlfußpunkt 16a' liegende Objektpunkt
durch das System scharf abgebildet. Eine Abbildung des im Strahlfußpunkt 16a liegenden
Objektpunkts wäre dann
nicht mehr möglich,
läßt man die
vorhandene Schärfentiefe
außer
Acht.
-
Während folglich
der Vibrationssensor 34 eine vibrationsbedingte Verschiebung
des Mikroskops 1 auf das Objekt 16 hin detektiert,
steuert die Steuereinheit 32 das Mikrospiegelarray 40 des
Umlenkelements 5 derart an, dass (zumindest) in den schraffierten
Teilbereichen der 4 eine sphärische (oder auch asphärische,
aber nicht planare) Orientierung der Mikrospiegel des Mikrospiegelarrays 40 einstellt,
so dass in zeitlicher Abfolge gegenphasig zur Vibrationsverschiebung
die effektive Brennweite des Hauptobjektivs derart geändert wird,
dass sich der Strahlfußpunkt
von der Position 16a in die Position 16a verändert (vorausgesetzt,
dass dies den vibrationsbedingten Verschiebungsweg darstellt).
-
Vibrationsbedingte
Verschiebungen in Z-Richtung bewegen sich in der Größenordnung
von 1/10 mm. Erfindungsgemäß kann (neben
der bereits beschriebenen XY-Kompensation) auch eine Z-Kompensation
vorgenommen werden, indem die effektive Brennweite des Hauptobjektivs 2 entsprechend
verändert
wird. Dies hat den Vorteil, dass das Mikroskopbild scharf bleibt,
während
eine entsprechende Änderung
in der Vergrößerung bedingt
durch die Brennweitenveränderung
aufgrund ihres geringen Betrags vom Betrachter nicht oder kaum wahrgenommen
wird.
-
- 1
- Mikroskop
- 2
- Hauptobjektiv
- 3
- Beleuchtungseinheit
- 3a
- Beleuchtungsrichtung
- 3b
- Umlenkelement
- 5
- Umlenkelement
- 6a–6f
- Umlenkelement
- 7
- Zoom-System
- 8a–8c
- optische
Komponente
- 10,
10a–10d
- Port
für Beobachter
- 11
- optische
Achse
- 11a–11d
- Beobachtungsachse
- 12
- Lichtleitfaser
- 16
- Objekt
- 16a,
16a'
- Strahlfußpunkt
- 20,
20a–20d
- Beobachter
- 22a,
22b
- Beobachtungsstrahlenbüschel
- 22a', 22b'
- Beobachtungsstrahlenbüschel
- 30
- Umlenkelement
- 32
- Steuereinheit
- 33
- Schaltelement
- 34
- Vibrationssensor
- 40
- Mikrospiegelarray
- 40i,j
- Mikrospiegel
(i = 1, ..., n; j = 1, ..., m)
- 50
- Spiegelfläche