DE102022125662B3

DE102022125662B3 - Verfahren und Steuereinrichtung zum Justieren und/oder Kalibrieren des Fokuswertes eines Operationsmikroskops, Operationsmikroskop und computerimplementiertes Verfahren

Info

Publication number: DE102022125662B3
Application number: DE102022125662.6A
Authority: DE
Inventors: Richard Bäumer; Marco Woerner; Christian Beder
Original assignee: Carl Zeiss Meditec AG
Current assignee: Carl Zeiss Meditec AG
Priority date: 2022-10-05
Filing date: 2022-10-05
Publication date: 2024-01-18
Anticipated expiration: 2042-10-06
Also published as: WO2024074445A1

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Justieren und/oder Kalibrieren 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

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 Operationsmikroskop und ein computerimplementiertes Verfahren.
In den Dokumenten US 2020 / 0 008 899 A1 , DE 10 2019 131 646 A1 , DE 10 2011 086 666 A1 und EP 3 438 723 A1 werden stereoskopische Kameras für chirurgische Anwendungen offenbart. Die Dokumente US 2005 / 0 105 174 A1 , US 2014 / 0 029 000 A1 und GB 2 355 354 A beziehen sich auf Mikroskope und deren Fokuseinstellung. Das Dokument DE 10 2007 003 059 A1 betrifft ein Verfahren zur objektivierten Fokussierung für die optische Längenmesstechnik.
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 Parameter im Rahmen 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 Operationsmikroskop und ein computerimplementiertes Verfahren 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 12, ein Operationsmikroskop gemäß Patentanspruch 13, ein computerimplementiertes Verfahren gemäß Patentanspruch 15 gelöst. Die abhängigen Ansprüche enthalten weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Justieren und/oder Kalibrieren 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. 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 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.
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.
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 in einer nicht von den Ansprüchen umfassten Variante für jede der mindestens zwei Zoomstellungen jeweils separat ermittelt und/oder festgelegt werden.
Erfindungsgemäß wird der mindestens eine Sollwert für die mindestens zwei Zoomstellungen derart ermittelt und/oder festgelegt, 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.
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.
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 nicht von den Ansprüchen umfassten Variante kann der Fokuswert des Operationsmikroskops für jede der mindestens zwei Zoomstellungen jeweils separat, also für jede Zoomstellung einzeln, justiert und/oder kalibriert werden, 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.
In einer weiteren vorteilhaften Variante kann 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 genannte 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 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. Es 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 Steuervorrichtung 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 computerimplementierte Verfahren hat 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.

1 zeigt schematisch den Strahlengang durch ein Operationsmikroskop für zwei Zoomstellungen.
2 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Verfahren in Form eines Flussdiagramms.
3 zeigt schematisch Kontrastwertkurven in Abhängigkeit vom Fokuswert für zwei Zoomstellungen.
4 zeigt schematisch Kontrastwertkurven in Abhängigkeit vom Fokuswert für vier Zoomstellungen.
5 zeigt schematisch ein zu kalibrierendes Operationsmikroskop und ein Kalibrierobjekt.
6 zeigt schematisch zwei bei unterschiedlichen Zoomstellungen erfasste Bilder des Kalibrierobjekts.
7 zeigt schematisch eine erste Variante eines erfindungsgemäßen Operationsmikroskops mit einer erfindungsgemäßen Steuereinrichtung.
8 zeigt schematisch eine zweite Variante eines erfindungsgemäßen Operationsmikroskops mit einer erfindungsgemäßen Steuereinrichtung.

Im Folgenden wird der Hintergrund der vorliegenden Erfindung anhand der 1 näher erläutert. Die 1 zeigt schematisch den Strahlengang 10 durch ein Operationsmikroskop 1 bei zwei Zoomstellungen. Dabei ist in der 1 oben eine erste Zoomstellung mit einem niedrigen Zoomwert eingestellt und in der 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 1 ist der Strahlengang 10 vor dem Operationsmikroskop 1 und rechts nach dem Operationsmikroskop 1 gezeigt. Die Strahlrichtung geht in der 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 1, verstellt. Ist das Videoobjektiv 2 korrekt fokussiert, so wie in der 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 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 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.
Die ermittelten Fokuswerte, bei welchen der Kontrastwert für die jeweilige Zoomstellung 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 Zoomstellung 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 3 zeigt schematisch Kontrastwertkurven in Abhängigkeit vom Fokuswert für zwei Zoomstellungen. Die 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 3 ist die Kontrastwertkurve 31 bei einer Zoomstellung mit einem Zoomwert von 1,0 bestimmt worden und weist ein Maximum bei einem Fokuswert von 211,6 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 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 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 5 und 6 erläutert.
Die 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.
Die 6 zeigt schematisch zwei bei unterschiedlichen Zoomstellungen erfasste Bilder 18 des Kalibrierobjekts 41. Das Kalibrierobjekt ist so verkippt, dass sich der Fokuswert in der 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 6 gezeigten Abbildung, erscheint im Bild weiter rechts als die Kontrastlinie 46 bei der links in der 6 gezeigten ersten Zoomstellung. Dies bedeutet, dass sich die Fokusebene entlang der optischen Achse 7 bei einer Umschaltung zwischen den beiden Zoomstellungen verschiebt.
Die Umrechnung der horizontalen Verschiebung der Kontrastlinie 46 von der ersten Zoomstellung (siehe linke Abbildung der 6) zu der zweiten Zoomstellung (siehe rechte Abbildung der 6) 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 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.
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 7 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 2 bis 6 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 Zoomsystem 8.
Die 8 zeigt schematisch eine zweite Variante eines erfindungsgemäßen Operationsmikroskops 40 in einer stereoskopischen Ausgestaltung. Im Unterschied zu der in der 7 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.
Bezugszeichenliste:

1: Operationsmikroskop
2: zweites Objektiv, Videoobjektiv
3: erstes Objektiv, Hauptobjektiv
4: Objektebene
5: Bilderfassungsvorrichtung, Kamerachip, Bildebene
6: afokale Strahlenbündel
7: optische Achse
8: Zoomsystem
10: Strahlengang
11: erstes Strahlenbündel
12: zweites Strahlenbündel
13: Steuereinrichtung
15: Signalübertragung
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
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

Verfahren zum Justieren und/oder Kalibrieren 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), - Ermitteln mindestens eines Sollwertes (23) für mindestens einen Parameter zur Justage und/oder Kalibrierung des Fokuswertes des Operationsmikroskops (1, 40) mittels der bestimmten Kontrastwerte für die mindestens zwei Zoomstellungen, wobei 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).
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.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, 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.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei jeder der mindestens zwei Zoomstellungen jeweils bei einer Mehrzahl an Fokuswerten ein Bild (18) des festgelegten Objekts (41) erfasst wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokuswerte mittels eines verstellbaren Fokussystems eingestellt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass 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.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, 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).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Zoomstellungen und/oder die Fokuswerte automatisiert eingestellt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, 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.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass nur Kontrastwerte in einem festgelegten Bereich der Bildmitte bestimmt und/oder ausgewertet werden.
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.
Steuereinrichtung (13) zum Justieren und/oder Kalibrieren 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 11 auszuführen.
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 11 auszuführen oder das Operationsmikroskop (1, 40) eine Steuervorrichtung (13) nach Anspruch 12 umfasst.
Operationsmikroskop (1, 40) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Operationsmikroskop (1, 40) ein stereoskopisches optisches System aufweist.
Computerimplementiertes Verfahren, umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Programms durch einen Computer diesen veranlassen, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 auszuführen.