DE10338472B4

DE10338472B4 - Optisches Abbildungssystem mit erweiterter Schärfentiefe

Info

Publication number: DE10338472B4
Application number: DE10338472.3A
Authority: DE
Inventors: Hans-Joachim Miesner; Gerhard Gaida
Original assignee: Carl Zeiss Meditec AG
Current assignee: Carl Zeiss Meditec AG
Priority date: 2003-08-21
Filing date: 2003-08-21
Publication date: 2020-08-06
Anticipated expiration: 2023-08-22
Also published as: US20050041308A1; JP2005070780A; DE10338472A1; US7209293B2

Abstract

Optisches Abbildungssystem- mit einer Strahlablenkungseinheit, um mit einem optischen Strahlengang Lichtstrahlen aus einem Objektbereich (112) in eine Bildebene (104) zu werfen, wobei die Strahlablenkungseinheit ein Objektivsystem (101, 102) und eine Blende (106) umfasst, wobei durch die Blende eine Eintrittspupille des optischen Abbildungssystems festgelegt ist,- und mit einer optischen Phasenplatte (107), die in dem optischen Strahlengang vor der Bildebene (104) angeordnet ist,dadurch gekennzeichnet, dass- das optische Abbildungssystem eine Einheit (105) zum Erzeugen eines geometrischen Abbilds der Bildebene umfasst und dass- die Phasenplatte (107) so ausgestaltet ist, dass eine Definitionshelligkeit H des optischen Abbildungssystems, die definiert ist als Verhältnis einer Intensität I in einem beliebigen Punkt eines Strahlenbündels zu einer Intensität Iim Brennpunkt einer idealen Kugelwelle gleicher Öffnung, für Abstandparameter Ψ ≥ 4 größer ist als die Definitionshelligkeit (301) des optischen Abbildungssystems ohne Phasenplatte, wobei der Abstandparameter definiert ist als:mitλ: Wellenlänge des abbildenden Lichts;a: Durchmesser der Blende (106);f: bildseitige Brennweite des Objektivsystems; undz: Ablage eines abgebildeten Objektpunkts von der Bildebene.

Description

Die Erfindung betrifft ein optisches Abbildungssystem mit einer Strahlablenkungseinheit, um mit einem optischen Strahlengang Lichtstrahlen aus einem Objektbereich in eine Bildebene zu werfen, und mit einer optischen Phasenplatte, die in dem optischen Strahlengang angeordnet ist.
Unter einer optischen Phasenplatte wird nachfolgend ein optisches Element verstanden, das lichtdurchlässig ist und einem durch es hindurchtretenden Lichtstrahlenbündel einen Phasenversatz aufprägt, der vom Ort des Durchtritts der Lichtstrahlen durch das optische Element abhängt.
Optische Abbildungssysteme, beispielsweise in Fotokameras oder Mikroskopen, bilden über Linsensysteme einen Objektbereich in eine Bildebene ab. In der Regel ist bei solchen Geräten die Lage der Bildebene bezüglich eines Linsensystems konstruktiv vorgegeben und kann nicht eingestellt werden. So befindet sich etwa bei einer Fotokamera in der Bildebene ein lichtempfindlicher Film, dessen Position bezüglich des Linsensystems in der Kamera festgelegt ist. Bei einem Mikroskop ist die Lage der Bildebene durch entsprechende Dimensionierung von Mikroskop-Hauptobjektiv und Tubuslinse bestimmt und in der Regel ebenfalls nicht verstellbar.
Im Modell der geometrischen Optik werden bei solchen optischen Abbildungssystemen streng genommen nur solche Objektpunkte scharf abgebildet, von denen Lichtstrahlen ausgehen, die durch das Linsensystem in den betreffenden Geräten so abgelenkt werden, dass diese sich alle in einer gemeinsamen Bildebene schneiden. Dies trifft genau genommen nur für bestimmte Objektpunkte in einer Objektebene zu. Die Position dieser Objektpunkte bezüglich einer Hauptebene der Linsenanordnung ist durch die Lage der Bildebene und die Dimensionierung des Linsensystems bestimmt
Im Modell der Wellenoptik führt ein einzelner Objektpunkt zu einer Helligkeitsverteilung mit endlicher Ausdehnung in der Bildebene. Das Bild von Objektpunkten in der Bildebene ist damit grundsätzlich beugungsbegrenzt. Die Form der Helligkeitsverteilung eines einzelnen Objektpunktes hängt bei festgelegter Bildebene insbesondere von dessen Lage bezüglich einer idealen Objektebene ab. Für Objektpunkte mit Abstand von der idealen Objektebene ergibt sich dabei in der Bildebene eine ausgedehntere Helligkeitsverteilung als für Objektpunkte, die in der idealen Objektebene liegen. Die Ausdehnung der Helligkeitsverteilung kann reduziert werden, indem der Öffnungswinkel eines Strahlenbündels, das von einem Objektpunkt herrührt und auf die Bildebene trifft, verkleinert wird. Dies kann insbesondere durch Abblenden des geometrischen Strahlengangs erreicht werden. Ein Abblenden des geometrischen Strahlengangs führt zwar zu einem Verlust an Bildhelligkeit. Weil hierdurch jedoch auch Objektpunkte, die außerhalb einer idealen Objektebene liegen, mit vergleichsweise gering ausgedehnter Helligkeitsverteilung abgebildet werden, kann so die Schärfentiefe des optischen Abbildungssystems verbessert werden. Durch Abblenden des Strahlengangs ist es somit möglich, in der Bildebene ein lediglich beugungsbegrenztes Bild zu generieren. Der hierdurch erzielte Gewinn an Schärfentiefe lässt sich nach folgender Formel abschätzen: $Δ z = C \times λ / {[N A]}^{2},$
wobei C eine Apparatekonstante des optischen Abbildungssystems, λ die Wellenlänge des abbildenden Lichtes und NA die numerische Apertur des Abbildungssystem ist.
Zur Verbesserung der Schärfentiefe eines optischen Abbildungssystems ist es weiter bekannt, eine Apodisierungsmaske in den Strahlengang einzubringen. Eine solche Apodisierungsmaske ist eine Blende mit einer Blendenfunktion, die sich in einem Randbereich des Strahldurchsatzes zwischen „Durchlass“ und „Totalabschattung“ stetig ändert. Sie bewirkt zunächst, dass das von einem Objektpunkt in der Bildebene hervorgerufene Beugungsbild zwar ein verbreitertes Hauptmaximum aufweist. Gleichzeitig sind bei diesem Beugungsbild jedoch die Nebenmaxima mit entsprechend geringerer Intensität ausgebildet. Für Objektpunkte, die sich in einer idealen Objektebene befinden, wird somit Auflösungsvermögen gewonnen. Gleichzeitig werden aber auch Objektpunkte, die sich in der Nähe einer solchen Objektebene befinden, vergleichsweise schärfer abgebildet. Wie beim einfachen Abblenden eines Strahlengangs wird aber auch bei Verwendung einer Apodisierungsmaske der Gewinn an Schärfentiefe mit einem Verlust an Bildhelligkeit erkauft.
Die Schärfentiefe von optischen Abbildungssystemen kann auch mittels dynamischer Scan-Verfahren erhöht werden. Hierfür wird ein Objektbereich bei verschiedenen Einstellungen des Abbildungssystems, die jeweils einer scharfen Abbildung von unterschiedlichen Objektebenen entsprechen, digital ausgewertet. Die erfassten Bildsignale werden dann zu einem tiefenscharfen Gesamtbild überlagert. Für eine flimmerfreie Bilddarstellung bedarf es allerdings einer sehr schnellen Datenverarbeitung. Bei hoher Bildauflösung ist dann der Rechenaufwand sehr groß.
In „Edward R. Dowski, Jr., and Thomas Cathey, Extended depth of field through wave-front coding, Applied Optics 1859, 34 (1995)“ und in der US 5 748 371 A ist ein optisches Abbildungssystem beschrieben, bei dem ein Objektbereich mittels einer Linse auf eine CCD-Camera abgebildet wird. Objektseitig ist der Linse eine optische Phasenplatte zugeordnet. Diese optische Phasenplatte ist als kubische Phasenplatte ausgebildet. Dem durch die kubische Phasenplatte hindurchtretenden Licht wird eine räumlich variierende Phasenfunktion aufgeprägt, die ein völlig unscharfes Objektbild in der Bildebene hervorruft. Dieses unscharfe Objektbild wird mittels der CCD-Camera erfasst und in digitaler Form einer Rechnereinheit zur Auswertung zugeführt. In der Rechnereinheit wird aus den mittels der CCD-Camera erfassten Bildsignalen und einer bekannten optischen Transferfunktion des Systems ein tiefenscharfes Bild des Objektbereichs errechnet. Hierbei wird ausgenützt, dass sich die optische Transferfunktion des Systems gegenüber einer Ablage eines Objektpunktes von einer Bildebene, die der geometrischen Abbildungsbedingung bezüglich der Bildebene, in der die CCD-Camera angeordnet ist, genügt, in guter Näherung als invariant erweist.
In der WO 03/052492 A2 wird vorgeschlagen, am menschlichen Auge eine Phasenplatte anzuordnen, um die optische Transferfunktion dieses optischen Systems so einzustellen, dass diese über einen bestimmten Abstandsbereich von einem Objekt von dem Objektabstand im Wesentlichen invariant ist. Die WO 03/052492 A2 erläutert hierzu, eine Phasenplatte durch geeignetes Strukturieren der Augenhornhaut oder einer Kontaktlinse zu realisieren. Alternativ hierzu wird in der WO 03/052492 A2 vorgeschlagen, eine entsprechende Phasenplatte als intraokulares Implantat in das menschliche Auge einzupflanzen.
Die DE 3826317 C1 offenbart eine Anordnung zur Erzeugung eines optischen Bildkontrastes.
Die US 6241656 B1 offenbart ein Endoskopsystem mit einer Vielzahl verschiedener Typen von Endoskopen.
Die JP 2000-275582 A , die JP 2000-98303 A und die WO 96/24085 A1 offenbaren jeweils ein System mit erhöhter Schärfentiefe.
Aus der US 2667811 A ist ein optisches System zur Verbesserung und Variation von Kontrasteffekten im Bild eines Objekts bekannt.
Die EP 0069263 A1 betrifft eine Einrichtung an Mikroskopen zur wahlweisen Realisierung von Phasenkontrast- und Reliefbeobachtung.
Aus der DE 1291417 A ist ein optischer Phasenmodulator bekannt.
Insbesondere bei Operationsmikroskopen ist eine Vergrößerung der Schärfentiefe wünschenswert, weil das von einem Chirurgen operierte Gewebe in der Regel keine Ebene bildet, sondern zerklüftet ist. Hier wird daher angestrebt, für alle Bereiche eines Operationsgebietes ein scharfes Sehen zu ermöglichen. Dies ist insbesondere bei Operationen am Auge von Bedeutung, da es dort mit der Comea, der Pupille und der Linse mehrere transparente Gewebe gibt, die übereinander liegen.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein optisches Abbildungssystem bereitzustellen, welches die Abbildung eines unebenen Objektbereiches mit hoher Schärfentiefe ermöglicht, das die gleiche Bildhelligkeit wie ein geometrisch ideal korrigiertes Abbildungssystem besitzt.
Diese Aufgabe wird durch ein optisches Abbildungssystem gemäß dem Anspruch 1 gelöst. Das optische Abbildungssystem weist eine Strahlablenkungseinheit auf, um mit einem optischen Strahlengang Lichtstrahlen aus einem Objektbereich in eine Bildebene zu werfen. Die Strahlablenkungseinheit umfasst ein Objektivsystem und eine Blende, wobei durch die Blende eine Eintrittspupille des optischen Abbildungssystems festgelegt ist. Das optische Abbildungssystem weist weiterhin eine optischen Phasenplatte auf, die in dem optischen Strahlengang vor der Bildebene angeordnet ist und eine Einheit zum Erzeugen eines geometrischen Abbilds der Bildebene. Die Phasenplatte ist so ausgestaltet, dass eine Definitionshelligkeit H des optischen Abbildungssystems, die definiert ist als Verhältnis einer Intensität / in einem beliebigen Punkt eines Strahlenbündels zu einer Intensität I₀ im Brennpunkt einer idealen Kugelwelle gleicher Öffnung, für Abstandparameter Ψ ≥ 4 größer ist als die Definitionshelligkeit des optischen Abbildungssystems ohne Phasenplatte, wobei der Abstandparameter definiert ist als: $Ψ = \frac{2 π}{λ} (\frac{a^{2}}{f}) z$
mit

λ:: Wellenlänge des abbildenden Lichts;
a:: Durchmesser der Blende;
f:: bildseitige Brennweite des Objektivsystems; und
z:: Ablage eines abgebildeten Objektpunkts von der Bildebene.

Unter einer Einheit zum Erzeugen eines geometrischen Abbilds der Bildebene wird dabei jegliche Vorrichtung verstanden, die ein in der Bildebene liegendes erstes Bild in ein zweites Bild derart abbildet, dass die Abbildung vom ersten zum zweiten Bild mit den Gesetzen der geometrischen Strahlenoptik konstruierbar ist. Ein Bereich mit parallelem Strahlengang in einem optischen Abbildungssystem ist beispielsweise der objektabgewandte Bereich einer Objektivlinse, in dem Strahlenbündel, die aus der Brennebene herrühren, einen parallelen Strahlengang haben.
Auf diese Weise wird ein robustes und einfach aufgebautes optisches Abbildungssystem geschaffen, welches insbesondere bei Einsatz in Lichtmikroskopen, beispielsweise Operationsmikroskopen ein Beobachtungsbild mit großer Schärfentiefe ermöglicht, ohne dass es hierfür einer aufwendigen Signalverarbeitung bedarf.
Vorzugsweise ist die optische Phasenplatte in der Eintrittspupille des optischen Abbildungssystems angeordnet. Auf diese Weise kann ein Bildfeld des optischen Systems maximiert werden.
Die vergrößerte Schärfentiefe wird durch die Phasenplatte bewirkt, die dazu führt, dass die optische Transferfunktion des entsprechenden Systems in einem gewissen Abstandsbereich von der Bildebene im wesentlichen invariant ist. Diese Eigenschaft der optischen Transferfunktion führt dazu, dass die Definitionshelligkeit der Punktabbildungsfunktion, welche auch als „Strehl ratio“ bezeichnet wird, in einem Abstandsbereich Δz von der Fokal- bzw. Bildebene, in dem der geometrische Strahlengang defokussiert ist, im wesentlichen konstant und gleich der Definitionshelligkeit der Fokalebene ist. Da die Definitionshelligkeit eines geometrisch-optisch idealkorrigierten optischen Systems sehr schnell abnimmt, kann bei geschickter Wahl der Phasenplatte die Definitionshelligkeit des Systems mit Phasenplatte in einem defokussierten Bereich grösser sein als die Definitionshelligkeit des geometrisch-optisch idealen optischen Systems.
In Weiterbildung der Erfindung ist die Einheit zum Erzeugen eines geometrischen Abbilds der Bildebene als Einheit zum Erzeugen eines Bildes auf der Netzhaut eines Beobachterauges ausgebildet. Auf diese Weise kann als Einheit zum Erzeugen eines geometrischen Abbilds der Bildebene bei Mikroskopen ein übliches Okularsystem eingesetzt werden.
Wie bereits erwähnt, bewirkt die optische Phasenplatte, dass die Definitionshelligkeit H des Systems über einen Bereich des Abstandsparameters Ψ größer ist als die Definitionshelligkeit des Systems ohne Phasenplatte. Dabei wird angenommen, dass das System ohne Phasenplatte beugungsbegrenzt ist, wobei dabei eine gegenstandsseitige Brennweite und eine gegenstandsseitige numerische Apertur als gleich vorausgesetzt werden. Die Definitionshelligkeit H ist in „Born und Wolf, Principles of Optics, Pergamon Press 1970“ auf, S. 461 und 462 beschrieben. Hierunter wird das Verhältnis der Intensität I in einem beliebigen Punkt eines Strahlenbündels zu der Intensität I₀ im Brennpunkt einer idealen Kugelwelle gleicher Öffnung verstanden.
In Weiterbildung der Erfindung ist die optische Phasenplatte als eine optische Phasenplatte ausgebildet, welche einem durch Sie hindurchtretenden Lichtstrahl einen Phasenversatz π ≤ φ ≤ 3π aufprägt. Auf diese Weise wird ein optisches Abbildungssystem mit einem guten Kompromiss zwischen Bildschärfe, Bildkontrast und Schärfentiefe geschaffen.
In Weiterbildung der Erfindung ist die optische Phasenplatte als Phasenplatte mit geometrischem Phasenhub ausgelegt. Unter einer optischen Phasenplatte mit geometrischem Phasenhub wird dabei eine Phasenplatte verstanden, die einem durch sie hindurchtretenden Lichtstrahlenbündel eine räumlich abhängige Phase φ aufprägt, die in Abhängigkeit des Ortes x, y für den Durchtritt durch die Phasenplatte bei einem auf die optische Achse des optischen Abbildungssystems bezogenen Koordinatensystem lautet: $φ = α \times (x^{k} + y^{k}),$
wobei α eine Konstante mit vorzugsweise 5 ≤ α ≤ 30 ist und k eine Zahl ist mit k>1, und wobei x und y normalisierte Ortskoordinaten sind, die der Bedingung genügen, dass am äußeren Rand des durch die Phasenplatte hindurchtretenden Lichtstrahlenbündels gilt: x = 1 bzw. y = 1. Auf diese Weise wird eine für einen Fertigungsprozess optimierte optische Phasenplatte bereitgestellt.
In Weiterbildung der Erfindung ist die optische Phasenplatte als kubische Phasenplatte ausgelegt.
Unter einer kubischen Phasenplatte wird dabei eine optische Phasenplatte verstanden, die einem durch Sie hindurchtretenden Lichtstrahlenbündel bei einem auf die optische Achse des optischen Abbildungssystem bezogenen Durchtrittsort x, y eine räumlich variierende Phase φ entsprechend der Beziehung $φ = α \times (x^{3} + y^{3})$
aufprägt. α ist wiederum eine Konstante mit beispielsweise 1 ≤ α ≤ 30, vorzugsweise 5 ≤ α ≤ 30.
Auf diese Weise können bei dem optischen Abbildungssystem optische Phasenplatten eingesetzt werden, die sich mit großer Genauigkeit herstellen lassen.
In Weiterbildung der Erfindung besteht die optische Phasenplatte wenigstens teilweise aus Glas. Auf diese Weise wird ein optisches Abbildungssystem mit einer robusten und besonders temperaturbeständigen optischen Phasenplatte geschaffen.
In Weiterbildung der Erfindung besteht die optische Phasenplatte wenigstens teilweise aus Kunststoff. Auf diese Weise können in dem optischen Abbildungssystem optische Phasenplatten eingesetzt werden, die kostengünstig herstellbar sind.
In Weiterbildung der Erfindung besteht die optische Phasenplatte wenigstens teilweise aus einem Glassubstrat. Auf diese Weise können bei dem optischen Abbildungssystem Phasenplatten eingesetzt werden, in die gleichzeitig Filterfunktionen, beispielsweise eine Aberrationsfilterfunktion integriert sind.
In Weiterbildung der Erfindung umfasst die optische Phasenplatte eine Bedampfungsschicht. Auf diese Weise kann eine optische Phasenplatte mit vergüteter Oberfläche geschaffen werden.
In Weiterbildung der Erfindung variiert auf der optischen Phasenplatte die Dicke einer Bedampfungsschicht lokal. Die Bedampfungsschicht auf der optischen Phasenplatte bewirkt somit eine Phasenversatzfunktion. Auf diese Weise kann der Phasenversatz der optischen Phasenplatte durch Einstellen der Parameter eines Bedampfungsverfahrens mit großer Genauigkeit festgelegt werden.
In Weiterbildung der Erfindung besteht die optische Phasenplatte wenigstens teilweise aus einer elektrostatisch verformbaren Membran. Auf diese Weise wird ein optisches Abbildungssystem geschaffen, bei dem eine gewünschte Schärfentiefe leicht an die Auflösung einer Einheit zum Erzeugen eines geometrischen Abbilds der Bildebenen anpassbar ist und gegebenenfalls elektrisch gesteuert werden kann.
In Weiterbildung der Erfindung besteht die optische Phasenplatte wenigstens teilweise aus einem Flüssigkristalldisplay. Auf diese Weise wird ein optisches Abbildungssystem geschaffen, bei dem sich der durch die optische Phasenplatte hervorgerufene Phasenhub elektrisch und somit leicht steuerbar einstellen lässt.
In Weiterbildung der Erfindung ist das optische Abbildungssystem in ein Mikroskop, insbesondere in ein Operationsmikroskop integriert. Die Schärfentiefe, die sich mit solchen Geräten erzielen lässt, kann demnach durch einfaches Einfügen einer optischen Phasenplatte in den optischen Strahlengang stark verbessert werden.
In Weiterbildung der Erfindung ist die optische Auflösung des optischen Abbildungssystems an das Auflösungsvermögen des menschlichen Auges angepasst. Unter einem Anpassen des optischen Abbildungssystem an das Auflösungsvermögen des menschlichen Auges wird dabei verstanden, dass das optische Abbildungssystem so ausgelegt ist, dass die Größe der Helligkeitsverteilung eines abbildenden Objektpunktes in der Bildebene von einem Beobachter nicht wahrgenommen wird, da diese Helligkeitsverteilung vom Auge nicht aufgelöst werden kann. Auf diese Weise wird ein optisches Abbildungssystem geschaffen, bei dem die Schärfentiefe ohne sichtbare Beeinträchtigung einer Bildqualität für den Beobachter erhöht ist.
In Weiterbildung der Erfindung ist die Phasenplatte in den Strahlengang ein- und ausschwenkbar. Auf diese Weise kann ein Beobachter zwischen einem Betrachtungsbild wählen, welches eine sehr hohe Flächenschärfe aufweist und einem Betrachtungsbild, das bei unter Umständen leicht verminderter Flächenschärfe oder Kontrast eine große Schärfentiefe hat, ohne dass dies mit einem Helligkeitsverlust verbunden ist.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindungen sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend beschrieben.
Es zeigen:

1: ein optisches Abbildungssystem mit Phasenplatte in einem Operationsmikroskop;
2: die Punktabbildungsfunktion eines in einer idealen Objektebene liegenden Objektpunkts in einem optischen Abbildungssystem aus 1 für einen Strahlengang mit optischer Phasenplatte und einen Strahlengang ohne optische Phasenplatte;
3: die Definitionshelligkeit der Punktabbildungsfunktion in einem Abbildungssystem aus 1 für einen Strahlengang mit optischer Phasenplatte bei verschiedenen Phasenversatzparametern und einen Strahlengang ohne optische Phasenplatte;
4 die optische Übertragungsfunktion einer idealen Objektebene in einem optischen Abbildungssystem aus 1 für einen Strahlengang mit Phasenplatte und einen Strahlengang ohne Phasenplatte;
5: die Punktabbildungsfunktion eines Objektpunktes in einem optischen Abbildungssystem aus 1, der von einer idealen Objektebene beabstandet ist, für einen Strahlengang mit optischer Phasenplatte und einen Strahlengang ohne optische Phasenplatte;
6: die zugehörige optische Übertragungsfunktion für die Objektebene des Objektpunktes aus 5; und
7: den Zusammenhang zwischen der Breite der Punktverteilungsfunktion eines abgebildeten Objektpunktes und einer Ablage des Objektpunktes von einer idealen Objektebene in einem optischen Abbildungssystem aus 1 für einen Strahlengang mit Phasenplatte und einen Strahlengang ohne Phasenplatte.

Die 1 zeigt ein optisches Abbildungssystem eines Operationsmikroskops 100. Das optische Abbildungssystem umfasst eine erste Objektivlinse 101 und eine zweite Objektivlinse 102, die in einem Mikroskopkörper 103 angeordnet sind. Mittels der ersten - und der zweiten Objektivlinse wird im Mikroskopkörper 103 in einer Bildebene 104 ein Zwischenbild erzeugt. Dieses Zwischenbild kann mit einer Okulareinheit 105 betrachtet werden. Zur Einstellung des Öffnungswinkels für Lichtstrahlen, die aus einem Objektbereich 112 herrühren, ist beim Operationsmikroskop 100 eine Blende 106 vorgesehen, welche die Eintrittspupille des optischen Systems festlegt. Das Operationsmikroskop 100 hat eine optische Phasenplatte 107, die zwischen der ersten Objektivlinse 101 und der zweiten Objektivlinse 102 in einem parallelen Abbildungsstrahlengang angeordnet ist.
Diese optische Phasenplatte 107 prägt den Lichtstrahlen, die durch sie hindurchtreten, einen Phasenversatz auf, der vom Ort des Durchtritts der Lichtstrahlen abhängt. Die Phasenplatte 107 ist als kubische Phasenplatte ausgebildet, d.h. zwischen dem Phasenversatz φ und dem auf die Das optische Abbildungssystem des Operationsmikroskops 100 umfasst weiter eine Okulareinheit 105, die als Einheit zum Erzeugen eines geometrischen Abbilds einer Bildebene 104 dient und durch deren Linsensystem 105 ein Beobachter mit einem Beobachterauge 113 die Bildebene 104 betrachten kann. Das optische Abbildungssystem des Operationsmikroskops 100 bildet einen Objektpunkt 109, der sich in einer idealen Objektebene befindet, welche der objektseitigen Brennebene 110 des optischen Abbildungssystems entspricht, als Helligkeitsverteilung 111 in der Bildebene 104 ab, welche die bildseitige Brennebene des optischen Abbildungssystems im Operationsmikroskop 100 ist. Ein Ensemble von Objektpunkten in einem Objektbereich 112 führt zu einem Bild in der Bildebene 104, das sich aus überlagerten Helligkeitsverteilungen zusammensetzt, denen jeweils unterschiedliche Objektpunkte zugrunde liegen. Die Okulareinheit 105 bildet mit einer der geometrischen Strahlenoptik entsprechenden Abbildungsvorschrift einen Abschnitt der Bildebene 104 und damit die dort vorliegende Helligkeitsverteilung geometrisch auf die Netzhaut eines Beobachterauges in einer Weise ab, dass sich einem Betrachter das Bild aus der Bildebene 104 vergrößert darstellt.
Das optische Abbildungssystem des Operationsmikroskops 100 hat ein Auflösungsvermögen, das an das Auflösungsvermögen eines menschlichen Beobachterauges angepasst ist. Hierunter wird verstanden, dass die Vergrößerung der Okulareinheit 105 für ein auf unendlich adaptiertes Beobachterauge 113 so gewählt ist, dass die Ausdehnung einer Helligkeitsverteilung in der Bildebene 104 für einen einzelnen Objektpunkt, der sich in der objektseitigen Brennebene des Linsensystems aus erster Objektivlinse 101 und zweiter Objektivlinse 102 befindet, durch das Beobachterauge 113 nicht aufgelöst wird. Somit wird von dem Beobachterauge 113 eine grundsätzlich endlich ausgedehnte Helligkeitsverteilung eines Objektpunkts in der Bildebene 104 noch als einzelner Lichtpunkt erfasst.
In Alternative zum Einsatz einer Okulareinheit ist es auch möglich, eine Kamera vorzusehen, die beispielsweise die Bildebene 104 geometrisch auf einen Film abbildet oder ein Abbild eines Bildes in der Bildebene 104 in digitaler Form mittels eines CCD-Arrays oder eines vergleichbaren Sensors erzeugt. optische Achse des Abbildungssystems bezogenen Ort x, y des Durchtritts eines Lichtstrahls besteht folgender Zusammenhang: $φ = α \times (x^{3} + y^{3}),$
wobei α ein konstanter Phasenversatz-Parameter ist.
Die erste Objektivlinse 101, die zweite Objektivlinse 102 und die optische Phasenplatte 107 weisen einen kreisförmigen Begrenzungsrand auf. Grundsätzlich können sowohl die Linsen als auch die optische Phasenplatte in anderen Begrenzungsgeometrien ausgeführt werden. Insbesondere ist eine rechteckige Begrenzungsgeometrie von Linsen beziehungsweise optischer Phasenplatte möglich.
Alternativ zur Verwendung einer kubischen Phasenplatte ist es beim optischen Abbildungssystem des Operationsmikroskops 100 auch möglich, Phasenplatten einzusetzen, welche einem hindurchtretenden Lichtstrahlenbündel einen Phasenversatz aufprägen, der mit dem Ort des Durchtritts durch die Phasenplatte funktionell auf andere Weise zusammenhängt, als dies bei einer kubischen Phasenplatte der Fall ist.
Die optische Phasenplatte 107 ist aus Quarzglas mit einer Brechzahl n ≈ 1,5 gefertigt. Alternativ zu einer Ausführung der optischen Phasenplatte aus Quarzglas ist es auch möglich, eine optische Phasenplatte aus Kunststoff einzusetzen oder eine optische Phasenplatte zu verwenden, die im wesentlichen aus einem Glassubstrat besteht. Für eine phasenversetzenden Eigenschaft kann dann die optische Phasenplatte mit einer Bedampfungsschicht überzogen sein. Es besteht ferner die Möglichkeit, als optische Phasenplatte ein Flüssigkristalldisplay oder eine elektrostatisch verformbare Membran einzusetzen. Auch die Verwendung von optischen Phasenplatten, die kombiniert aus Quarzglas und Kunststoff aufgebaut sind und unter Umständen auch ein Flüssigkristalldisplay und/oder eine elektrostatisch verformbare Membran umfassen wobei gegebenenfalls eine oder mehrere Bedampfungsschichten vorgesehen sind, ist grundsätzlich möglich.
Beim optischen Abbildungssystems des Operationsmikroskops 100 kann die optische Phasenplatte 107 in den Strahlengang ein- und ausgeschaltet werden.
Mit der optischen Phasenplatte 107 wird das Beugungsbild eines Objektpunktes aus einem Objektbereich in der Bildebene 104 des optischen Abbildungssystems verändert.
Die 2 zeigt einander entsprechende Beugungsbilder eines Objektpunktes, der in der objektseitigen Brennebene des optischen Abbildungssystems im Operationsmikroskop 100 aus 1 liegt. Die Beugungsbilder sind in Form der normierten Punktabbildungsfunktion in Abhängigkeit eines normierten Ortes $P_{S F}^{ψ = 0} (r)$
in der Bildebene 104 des optischen Abbildungssystem beim Operationsmikroskop 100 aus 1 sowohl für den Fall einer in den Strahlengang geschalteten optischen Phasenplatte und für einen Strahlengang ohne optische Phasenplatte dargestellt. Das Beugungsbild 201 eines Objektpunktes bei in den Strahlengang geschalteter optischer Phasenplatte unterscheidet sich vom entsprechenden Beugungsbild 202 ohne optische Phasenplatte im Strahlengang. Bei in den Strahlengang geschalteter optischer Phasenplatte sind neben einem vergleichsweise gering ausgebildeten Hauptmaximum 201a zahlreiche Nebenmaxima 201b, 201c, 201d etc. vorhanden, die voneinander durch Intensitätsminima getrennt sind. Weiter ist das Hauptmaximum 201a des Beugungsbildes 201 mit optischer Phasenplatte bezüglich des Hauptmaximums 202a vom Beugungsbild 202 mit optischer Phasenplatte seitlich versetzt.
In 3 ist die Definitionshelligkeit H der Punktabbildungsfunktion in dem Abbildungssystem aus 1 in Abhängigkeit des Abstandsparameters $Ψ = \frac{2 π}{λ} (\frac{a^{2}}{f}) z$
und die unterschiedlichen Phasenversatzparameter α = 0, d.h. keine Phasenplatte, α = 2, α = 4 , α = 6, und α = 8 aufgetragen, wobei z die Ablage von der Bildebene 104 in 1 ist, α den Durchmesser der Blende 106 und damit den wirksamen Objektivdurchmesser bezeichnet, f die bildseitige Brennweite des Objektivsystems aus 1 ist, welches von Objektivlinsen 101 und 102 gebildet wird, und λ die entsprechende Lichtwellenlänge ist.
Die Kurve 301 entspricht einem System ohne Phasenplatte. Bei Kurve 302 ist der Phasenversatzparamter α = 2, bei Kurve 303 beträgt er α = 4, bei den Kurven 304 bzw. 304 α = 6 bzw. α = 8.
Es zeigt sich, dass für Ψ > 4, also in den stärker defokussierten Bildebenen, die Definitionshelligkeit H größer ist als in einem idealen, lediglich beugungsbegrenzten optischen System. Aufgrund des Wertes H ≥ 0.25 in diesem Bereich ist die Bildschärfe dennoch groß genug, dass feinste Abbildungsstrukturen erkannt werden können. Damit erscheinen unter Verwendung von kubischen Phasenplatten mit Phasenversatzparametern 4, 6 und 8 defokussierte Objekte schärfer als dies bei einer lediglich beugungsbegrenzten Abbildung der Fall ist.
Die 4 zeigt den Verlauf der optischen Übertragungsfunktion $O_{T F}^{N} (k) |_{ψ = 0}$
für eine Objektebene, die der objektseitigen Brennebene des optischen Abbildungssystems im Operationsmikroskop 100 aus 1 entspricht. Die optische Übertragungsfunktion $O_{T F}^{N} (k) |_{ψ = 0}$
ist in Abhängigkeit der normierten Raumfrequenz k in logarithmischer Auftragung dargestellt. Mittels der optischen Übertragungsfunktion wird die Abbildung eines Objektpunktes beim optischen Abbildungssystem des Operationsmikroskops 100 aus 1 charakterisiert. Die Kurve 401 entspricht dabei log $O_{T F}^{N} (k) |_{ψ = 0}$
bei in den Strahlengang geschalteter optischer Phasenplatte, die Kurve 402 ist log $O_{T F}^{N} (k) |_{ψ = 0}$
für einen Strahlengang beim optischen Abbildungssystem im Operationsmikroskop 100 aus 1 ohne optische Phasenplatte im Strahlengang.
Bei hohen Raumfrequenzen entspricht die Kurve von log $O_{T F}^{N} (k) |_{ψ = 0},$
wenn keine optische Phasenplatte im Strahlengang ist, der Kurve 401 von log $O_{T F}^{N} (k) |_{ψ = 0}$
bei Strahlengang mit optischer Phasenplatte. Für niedrige Raumfrequenzen hat die Kurve 301 von log $O_{T F}^{N} (k) |_{ψ = 0}$
einen oszillatorischen Verlauf. Die Kurve 401 weist jedoch keine Nullstellen auf. Das heißt, das Einbringen einer Phasenplatte in den optischen Strahlengang führt grundsätzlich lediglich zu einer leichten Verringerung der Bildschärfe, hat jedoch keinen Informationsverlust für eine Abbildung eines Ensembles von Objektpunkten aus der objektseitigen Brennebene in die Zwischenbildebene zur Folge.
Indem die Auflösung der Okulareinheit 105 beim Operationsmikroskop 100 aus 1 an das Beugungsbild eines Objektpunktes in der Bildebene 104 angepasst ist, nimmt ein Beobachter eine Beeinträchtigung der Bildschärfe durch die optische Phasenplatte 107 nicht wahr.
Das Beugungsbild eines von der objektseitigen Brennebene des optischen Abbildungssystems im Operationsmikroskop 100 aus 1 beabstandeten Objektpunkts ist in der 5 in Form der normierten Punktabbildungsfunktion entsprechend der Darstellung von 2 dargestellt. Der abgebildete Objektpunkt befindet sich in einem Abstand $δ = 40 \frac{λ}{π {[N A]}^{2}}$
von der Brennebene, wobei λ die Wellenlänge des abbildenden Lichtes und NA die bildseitige numerische Apertur des Systems ist. Für einen derart positionierten Objektpunkt entspricht die Kurve 501 dem Verlauf der normierten Punktabbildungsfunktion in Abhängigkeit des normierten Ortes $P_{S F}^{ψ = 40} (r)$
bei in den Strahlengang geschalteter optischer Phasenplatte. Die Kurve 502 zeigt den Verlauf von $P_{S F}^{ψ = 40} (r),$
wenn die optische Phasenplatte aus dem Strahlengang geschaltet ist. Die Kurve 501 weist ein ausgeprägtes Hauptmaximum 501a und zahlreiche Nebenmaxima 501b, 501c, 501d etc. auf, die voneinander durch Intensitätsminima 501e, 501f, 501g etc. getrennt sind. Die Amplitude des Hauptmaximums 501a ist dabei deutlich größer als die Amplitude der zahlreichen Nebenmaxima 501b, 501c, 501d etc. Bei der Kurve 502 gibt es dagegen anders als bei der Kurve 501 kein globales Maximum sondern jeweils zwei lokale Maxima 502a und 502b, die sich in Abstand voneinander befinden, und durch lokale Intensitätsminima 502c, 502d und 502e getrennt sind, an denen die Helligkeitsverteilung dennoch nicht verschwindet. Dies bedeutet, dass das Einbringen einer optischen Phasenplatte in den Strahlengang zur Folge hat, dass Objektpunkte, die sich in Abstand von der Brennebene befinden, trotz eines geometrisch defokussierten Abbildungsstrahlenganges mit schmaler Helligkeitsverteilung und damit scharf in der Bildebene 104 vom optischen Abbildungssystem des Operationsmikroskops 100 aus 1 abgebildet werden.
Für eine Objektebene, die um $δ = 40 \frac{λ}{π {[N A]}^{2}}$
von der objektseitigen Brennebene des optischen Abbildungssystem im Operationsmikroskop 100 aus 1 beabstandet ist, zeigt die 6 den Verlauf der normierten optischen Übertragungsfunktion $O_{T F}^{N} (k) |_{ψ = 40}$
in Abhängigkeit von der Raumfrequenz k wiederum entsprechend der Darstellung von 4 in logarithmischer Auftragung. Die Kurve 601 zeigt log $O_{T F}^{N} (k) |_{ψ = 40}$
bei einem Strahlengang mit optischer Phasenplatte, der Kurve 602 liegt ein Strahlengang ohne optische Phasenplatte zugrunde. Bereichsweise nimmt die Kurve 602 sehr kleine Werte an. Dies bedeutet, dass bei einem derart defokussierten Strahlengang bei der optischen Abbildung Information verloren geht. Dagegen entspricht der Verlauf der Kurve 601 bei in den Strahlengang geschalteter Phasenplatte weitgehend dem entsprechenden Verlauf der normierten optischen Übertragungsfunktion aus 3 bei geometrisch fokussiertem Strahlengang. Mittels der optischen Phasenplatte ist es also möglich, bei der Abbildung von Objektbereichen, die sich in Abstand von einer Brennebene eines optischen Abbildungssystems befinden, einen Informationsverlust zu vermeiden. Beim optischen Abbildungssystem des Operationsmikroskops 100 aus 1 kann also durch Einbringen einer optischen Phasenplatte 107 bei der Abbildung eines unebenen Objektbereichs ein Gewinn an Schärfentiefe erzielt werden.
Anhand der 6 ist dieser Sachverhalt näher erläutert. 7 zeigt ein Diagramm, in dem die Breite des Maximums $Δ P_{S F}^{ψ}$
der durch einen Objektpunkt in der Zwischenbildebene 104 vom optischen Abbildungssystem des Operationsmikroskops 100 aus 1 hervorgerufenen Helligkeitsverteilung $P_{S F}^{ψ} (r)$
in Abhängigkeit des Abstands δ von der entsprechenden Brennebene 110 aus 1 aufgetragen ist. Die Kurve 701 zeigt den Verlauf von $Δ P_{S F}^{ψ}$
in Abhängigkeit des Abstandsparameters ψ für den Abstand eines abgebildeten Objektpunktes von der objektseitigen Brennebene des optischen Abbildungssystems. Der Abstandsparameter ψ und der reelle Abstand δ des abgebildeten Objektpunktes von der Brennebene hängen über folgende Beziehung zusammen: $δ = ψ λ / 6,$
wobei λ die Wellenlänge des abbildenden Lichtes ist. Demnach hat ein Abbildungsstrahlengang mit optischer Phasenplatte für Objektpunkte, die sich in der Fokusebene und in der Nähe der Fokusebene befinden, gegenüber einem Strahlengang ohne Phasenplatte einen Verlust an Bildschärfe zur Folge. Jedoch ist für Objektpunkte, die von der objektseitigen Brennebene weit entfernt sind, die Breite der Helligkeitsverteilung eines einzelnen abgebildeten Objektpunktes geringer als die Breite der entsprechenden Helligkeitsverteilung für einen Strahlengang ohne optische Phasenplatte. Durch Einbringen einer optischen Phasenplatte in den Abbildungsstrahlengang eines optischen Abbildungssystems kann also die Schärfentiefe eines Bildes verbessert werden. Insbesondere ist es möglich, unter Verwendung einer optischen Phasenplatte einen Objektbereich ohne Helligkeitsverlust bei einem Strahlengang scharf abzubilden, der ohne optische Phasenplatte in den Grenzen der geometrischen Strahlenoptik nur zu einem unscharfen, verschwommenen Zwischenbild führen würde.

Claims

Optisches Abbildungssystem - mit einer Strahlablenkungseinheit, um mit einem optischen Strahlengang Lichtstrahlen aus einem Objektbereich (112) in eine Bildebene (104) zu werfen, wobei die Strahlablenkungseinheit ein Objektivsystem (101, 102) und eine Blende (106) umfasst, wobei durch die Blende eine Eintrittspupille des optischen Abbildungssystems festgelegt ist, - und mit einer optischen Phasenplatte (107), die in dem optischen Strahlengang vor der Bildebene (104) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass - das optische Abbildungssystem eine Einheit (105) zum Erzeugen eines geometrischen Abbilds der Bildebene umfasst und dass - die Phasenplatte (107) so ausgestaltet ist, dass eine Definitionshelligkeit H des optischen Abbildungssystems, die definiert ist als Verhältnis einer Intensität I in einem beliebigen Punkt eines Strahlenbündels zu einer Intensität I₀ im Brennpunkt einer idealen Kugelwelle gleicher Öffnung, für Abstandparameter Ψ ≥ 4 größer ist als die Definitionshelligkeit (301) des optischen Abbildungssystems ohne Phasenplatte, wobei der Abstandparameter definiert ist als: $Ψ = \frac{2 π}{λ} (\frac{a^{2}}{f}) z$
mit λ: Wellenlänge des abbildenden Lichts; a: Durchmesser der Blende (106); f: bildseitige Brennweite des Objektivsystems; und z: Ablage eines abgebildeten Objektpunkts von der Bildebene.
Optisches Abbildungssystem gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einheit zum Erzeugen eines geometrischen Abbilds der Bildebene als Einheit (105) zum Erzeugen eines Bildes auf der Netzhaut eines Beobachterauges ausgebildet ist.
Optisches Abbildungssystem gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass - die optische Phasenplatte (107) auf der objektabgewandten oder objektzugewandten Seite einer Objektivlinse (101) angeordnet ist.
Optisches Abbildungssystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass - die optische Phasenplatte (107) in einem Bereich des optischen Abbildungssystems angeordnet ist, in dem der Abbildungsstrahlengang parallel ist.
Abbildungssystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Phasenplatte (107) einem durch sie hindurchtretenden Lichtstrahl einen Phasenversatz π ≤ φ ≤ 3π aufprägt.
Optisches Abbildungssystems gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Phasenplatte (107) als Phasenplatte mit geometrischem Phasenhub ausgelegt ist.
Optisches Abbildungssystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Phasenplatte (107) als kubische Phasenplatte ausgelegt ist.
Optisches Abbildungssystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Phasenplatte (107) wenigstens teilweise aus Glas besteht.
Optisches Abbildungssystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Phasenplatte (107) wenigstens teilweise aus Kunststoff besteht.
Optisches Abbildungssystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Phasenplatte (107) wenigstens teilweise aus einem Glassubstrat besteht.
Optisches Abbildungssystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Phasenplatte (107) eine Bedampfungsschicht umfasst.
Optisches Abbildungssystem gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke einer Bedampfungsschicht auf der Phasenplatte (107) lokal variiert.
Optisches Abbildungssystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasenplatte (107) wenigstens teilweise aus einer elektrostatisch verformbaren Membran besteht.
Optisches Abbildungssystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasenplatte (107) wenigstens teilweise aus einem Flüssigkristalldisplay besteht.
Optisches Abbildungssystem gemäß einer der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Abbildungssystem für ein Operationsmikroskop (100) ausgelegt ist.
Optisches Abbildungssystem gemäß einer der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Auflösung des optischen Abbildungssystems an das Auflösungsvermögen eines menschlichen Auges (113) angepasst ist.
Optisches Abbildungssystem gemäß einer der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasenplatte (107) in den Strahlengang ein- und ausschwenkbar ist.