DE3728257A1 - Optische anordnung und verfahren zur lichtelektrischen entfernungseinstellung, insbesondere fuer operationsmikroskope - Google Patents
Optische anordnung und verfahren zur lichtelektrischen entfernungseinstellung, insbesondere fuer operationsmikroskopeInfo
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Description
Die Erfindung ist bei optischen Beobachtungs-Aufnahme- und
Meßgeräten im Nahbereich, d. h. Objektentfernung entspricht
Objektivbrennweite, insbesondere bei Operationsmikroskopen
sowie Inspektionsmikroskopen, anwendbar.
Die bekannten technischen Lösungen lassen sich prinzipiell
in 3 Hauptverfahrensgruppen einteilen.
- a) Basisentfernungsmesser
- b) Bestimmung der Lage der Bildebene aus der Messung des Maximalkontrastes
- c) Laufzeitmessungen
Bei Basisentfernungsmessern wird das von (meist) zwei Punkten
in der Objektentfernung, die räumlich um einen bestimmten
Betrag voneinander getrennt sind (Basisbreite), erreichbare
Winkelauflösungsvermögen für die Entfernungseinstellung
genutzt. Die Genauigkeit dieses Verfahrens ist abhängig von
dem verwendeten Prinzip (Ultraschall (Laufzeit), I.R. Licht)
und von der Basisbreite, die im allgemeinen nicht größer als
die äußeren Geräteabmessungen ist. Dadurch ist der erreichbaren
Genauigkeit eine geräte- und anwendungstechnische Grenze
vorgegeben. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß nicht
das entstehende Bild selbst zur Entfernungseinstellung benutzt
wird, sondern ein vorher fest vorbestimmter Wert durch die
Geometrie der Basispunkte und der Objektebene. Für räumlich
ausgedehnte oder stark zerklüftete Objekte bzw. bei schrägstehender
Objektachse ist die Einstellebene nicht automatisch
definierbar. Die Auswertung von Laufzeitunterschieden oder
Phasendifferenzen im Nahbereich erfordern einen hohen elektronischen
Aufwand (sehr kurze Laufzeiten).
Die Lagebestimmung der Bildebene aus der Messung des Maximalkontrastes
kann auf zweierlei Art geschehen:
- - Auswertung des objekteigenen und
- - Auswertung eines künstlich erzeugten Kontrastes.
Diese Verfahren besitzen bei großen Tiefenschärfenbereichen,
die das angestrebte Ziel bei der Beobachtung im Nahbereich
sind, ebenfalls keine hohe Genauigkeit, da ein ausgedehnter
Bereich relativ hohen Kontrastes auf großer Breite bzw. Tiefe
vorliegt. Zur Bestimmung der Richtung der Fokusablage muß
wie im Falle der Basisentfernungsmesser ein erhöhter technischer
und elektronischer Aufwand erfolgen. Bei sehr großen
Fokusablagen (Kontrast minimal, Abweichung größer 10% der
Objektentfernung) bedarf es besonderer Mittel zur Bestimmung
des Vorzeichens der Richtungsabweichung.
Ziel der Erfindung ist die Vermeidung der geschilderten Nachteile,
insbesondere die Erhöhung der Genauigkeit bei automatischer
Funktion.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anordnung und ein Verfahren
zu realisieren, welche die Forderung nach kleiner Bauweise,
unbewegten Bauteilen und hinreichender Genauigkeit und Anspruchsempfindlichkeit
bei großer Fokusablage erfüllen und
auch bei schwach strukturierten und kontrastarmen Objekten
funktionstüchtig sind. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch
eine optische Anordnung zur lichtelektrischen Entfernungseinstellung,
insbesondere für Operationsmikroskope, wobei einer
Objektebene eine erste abbildende Optik nachgeordnet ist dadurch
gelöst, daß mindestens eine erste, der ersten abbildenden
Optik nachgeordnete und zu ihrer optischen Achse geneigte
Einstellebene vorgesehen ist, in der eine Mattscheibe angeordnet
ist, einer zweiten abbildenden Optik mindestens eine
zweite Einstellebene nachgeordnet ist, wobe die erste Einstellebene
über die zweite abbildende Optik in die zweite
Einstellebene abgebildet wird und in der zweiten Einstellebene
mindestens ein matrixförmiger, ortsauflösender, fotoelektrischer
Empfänger vorgesehen ist, dessen Zeilen parallel
zur Schnittlinie der ersten Einstellebene mit der Bildebene
der ersten abbildenden Optik ausgerichtet sind, die gegenseitige
Lage von erster und zweiter Einstellebene der
Scheimpflugbedingung genügt, indem jedem Punkt der ersten
Einstellebene ein Punkt der zweiten Einstellebene konjugiert
ist, und für jede Zeile des matrixförmigen Empfängers über
einen Rechner eine Kontrastmittelwertbildung erfolgt.
Vorteilhafte Ausgestaltungen bestehen darin, daß zwei zueinander
geneigte Mattscheiben in zwei zueinander geneigten
ersten Einstellebenen, deren Schnittlinie auf der optischen
Achse liegt, sowie zwei zueinander geneigte Empfängeranordnungen
in zwei zueinander geneigten und den ersten Einstellebenen
konjugierten zweiten Einstellebenen vorgesehen sind,
bzw. daß drei Mattscheiben sowie drei Empfängeranordnungen
vorgesehen sind, oder in der Kaskadierung von n Mattscheiben
in mehreren Paaren von Einstellebenen, denen eine matrixförmige
Empfängeranordnung zugeordnet ist.
Weiterhin ist es möglich, daß ein rasterförmiges Lichtquellenmuster
im nicht sichtbaren Wellenlängenbereich über
einen Strahlenleiter in die Objektebene abgebildet und mit
dem Objekt in die erste und zweite Einstellebene abgebildet
wird, bzw. auf das Objekt ein schmaler Spalt abgebildet
wird, wobei die matrixförmige Empfängeranordnung durch eine
parallel zu dem Spalt angeordnete Empfängerzeile ersetzt
wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren besteht darin, daß bei Verschiebung
der Objektebene die Zeile maximalen mittleren
Kontrastes der matrixförmigen Empfängeranordnung ermittelt,
die Lageveränderung der Zeile maximalen mittleren Kontrastes
ermittelt und aus Richtung und Betrag der Auswanderung ein
Steuersignal für eine motorische Steuerung der Fokussierung
gebildet wird, wobei es vorteilhafterweise möglich ist, daß
durch die Auswertung der Lage von mindestens zwei Streifen
maximalen mittleren Kontrastes auf den Empfängern eine Neigung
der Objektebene gegen die optische Achse der ersten abbildenden
Optik bestimmt wird sowie eine Steuerung der Neigung
des optischen Beobachtungs- oder Meßgerätes zur Objektebene
erfolgt.
Das Wesen der Erfindung besteht in der Auswertung der Ortsabhängigkeit
des Maximalkontrastes und der Detektion, d. h.
der Auswertung der Lage maximalen Kontrastes auf einer Sensorfläche.
Dabei wird mit Hilfe einer zusätzlichen Abbildung
nach der Scheimpflugbedingung zwischen geneigten Mattscheiben
und Kontrastdetektoren dieses ortsabhängige Signal
zur Ansteuerung eines Fokussiermotors gewonnen. Die Vorteile
dieses Verfahrens und der Anordnung bestehen in der Unkompliziertheit
der Justierung. Exemplarfehler der Sensoren
spielen eine untergeordnete Rolle, wodurch sich die mechanischen
Toleranzforderungen gering halten lassen. Die erreichbare
Genauigkeit ist dabei ausreichend, um stets ein
scharfes Bild bei visueller Beobachtung sowie bei Foto/
Filmdokumentation zu erhalten.
Erfindungsgedanke und Funktion von erfindungsgemäßen Vorrichtungen
werden nachstehend anhand von schematischen Darstellungen
erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1: schematischer optischer Aufbau einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung (einfachster Fall)
Fig. 2: Ausführung mit zwei Mattscheiben und zwei Empfängern
(spezieller Fall)
Fig. 3: Ausführung mit zwei Mattscheiben und zwei Empfängern
(allgemeiner Fall)
Fig. 4: Ausführung mit drei Mattscheiben und drei Empfängern
(allgemeinster Fall)
Fig. 5: Kaskadierung von n Mattscheiben mit einem Sensor
Fig. 6: Vorrichtung für kontrastarme Objekte (einfachster Fall)
Fig. 7: schematische Darstellung des Funktionsprinzipes
In Fig. 1 ist eine schematische Darstellung eines allgemeinen
Falles der Vorrichtung zur lichtelektrischen Entfernungsmessung
dargestellt. Ein Objekt (1), senkrecht zur optischen Achse (0)
angeordnet, wird durch ein Objektiv (2) ins Unendliche abgebildet.
(3) bezeichnet ein optisches System mit der Gesamtbrechkraft
Null zur Veränderung des Abbildungsmaßstabes (im
allgemeinen ein Galilei-Fernrohrsystem oder ein pankratisches
System).
Die Objektebene (1) wird durch ein Tubusobjektiv (4) in eine
Bildebene (5) abgebildet. Die Bildebene (5) wird auf der optischen
Achse (0) durch eine geneigte feinkörnige Mattscheibe
(6) geschnitten. (7) kennzeichnet die Lage maximalen Kontrastes
im Bereich der Schärfentiefe des Tubusobjektivs (4)
im Schnittpunkt der Ebenen (5) und (6). Mit Hilfe einer weiteren
Abbildung mittels eines optischen Systems (8) unter
Beachtung der Scheimpflugbedingung wird die Mattscheibenebene
(6) in die Ebene eines opto-elektrischen Flächenempfängers
(10) (CCD-Flächensensor) abgebildet. Mattscheibenebene (5),
Ebene des optischen Systems (8) und Empfängerebene (10) müssen
der Scheimpflugbedingung genügen, d. h. sie müssen eine
gemeinsame Schnittlinie besitzen. In der Bildebene (9) entsteht
auf dem Sensor (10) das Bild der Mattscheibenebene (6)
mit dem Ort des größten Kontrastes (11). Vorteilhafterweise
sind die Zeilen des CCD-Sensors parallel zur Schnittlinie
der Ebenen (9) und (10) bzw. (5) und (6) angeordnet, um die
Signalauswertung zu erleichtern.
Fig. 2 und Fig. 3 zeigen eine weitere Ausführung der erfindungsgemäßen
Vorrichtung mit modifizierten Formen von Mattscheiben
und Empfängern. (12) und (13) stellen zwei zueinander
geneigte Mattscheiben bzw. Empfänger mit den Orten größten
Kontrastes (7′) und (11′) dar. In Fig. 2 ist die Objektebene
(1) senkrecht zur optischen Achse (0) orientiert, Fig. 3 zeigt
einen allgemeinen Fall mit geneigter Objektebene (1′), den
Orten größten Kontrastes (7′′) und (11′′) und der Bildebene (5′)
und (9′).
Fig. 4 stellt eine weitere Ausführung mit drei Mattscheiben
(14) (90° zueinander geneigt) und drei Empfängern (15) (ebenfalls
90° zueinander geneigt) dar. Alle Teilanordnungen müssen
in bekannter Weise der Scheimpflugbedingung genügen.
Fig. 5 zeigt die Möglichkeit einer Kaskadierung von n Mattscheiben
sowie Empfänger (16) hintereinander, wodurch die
Genauigkeit und das Auflösungsvermögen der Apparatur, bedingt
durch die stetige Einengung des Bereiches maximalen
Kontrastes in der Bildebene, gesteigert werden kann.
In Fig. 6 ist eine andere Ausführung der erfindungsgemäßen
Vorrichtung für den Fall kontrastarmer Objekte angeführt. Ein
Raster von IR-Sendedioden (17) wird durch ein Projektionssystem
(18) über einen halbdurchlässigen IR-Spiegel (19) in
die Objektebene (1) abgebildet. Zusammen mit dem Objekt wird
dieses IR-Diodenraster durch das schon beschriebene Abbildungssystem
auf die Mattscheibe (20) und dann auf die Sensorfläche
(21) abgebildet.
In Fig. 7 ist schematisch die Funktion einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung (z. B. Fig. 1) dargestellt.
Eine Objektebene (22) in der Entfernung f₁ vom Objektiv (Objektivbrennweite)
(23) wird um den Betrag δ x in die Entfernung
( δ x + f₁) auf (22) verschoben. Ihr Bild (25) entsteht
um den Betrag δ x′ verschoben gegen 25 in der Entfernung
(f₂ - δ x′) vom Tubusobjektiv (24). Der Betrag δ x′ ergibt
sich aus dem Tiefenabbildungsmaßstab α₁:
Aufgrund der um den Winkel γ zur optischen Achse geneigten
Mattscheibe (26) ergibt sich auf dieser eine Verlagerung der
Schnittlinie mit der Bildebene um den Betrag Δ s′ von (27)
nach (28). (27) und (28) kennzeichnen den Bereich der Tiefenschärfe
des Tubusobjektivs (24), der sich durch die Durchdringung
der Mattscheibe mit der Bildebene ergibt. Rechnerisch
ergibt sich für Δ s′:
Proportional zur Fokusablage ergibt sich also eine entsprechende
Auswanderung eines Bereiches mit einem maximalen mittlerem
Kontrast auf der Mattscheibe (26). Diese Mattscheibenebene
wird über ein weiteres optisches System (29) mit f₃,
freie Öffnung d₃, nach der bekannten optischen Abbildungsgleichung
in die Ebene des CCD-Sensors (31) unter Beachtung der Scheimpflugbedingung
abgebildet (Orte maximalen Kontrastes 32, 33).
Durch zeilenweises Auslesen der Einzeldiode j (Pixel) des
CCD-Sensors und Berechnung gemäß
sowie
(U i, j - Intensität auf Pixel j in Zeile i)
wird pro Zeile i ein mittlerer Kontrast K i gebildet. Aus dem Verlauf der Kontrastkurve läßt sich der Ort des maximalen mittleren Kontrastes und damit die Lage der Bild- und Fokusebene ermitteln.
wird pro Zeile i ein mittlerer Kontrast K i gebildet. Aus dem Verlauf der Kontrastkurve läßt sich der Ort des maximalen mittleren Kontrastes und damit die Lage der Bild- und Fokusebene ermitteln.
Auf dem Sensor (31) kann nun die Lageveränderung Δ s′′ des
Bereiches mit einem maximalen mittleren Kontrast registriert
werden, und aus der Richtung und dem Betrag der Auswanderung
kann ein genaues Steuersignal für einen Fokussiermotor elektronisch
abgeleitet werden. Die Lageveränderung Δ s′′ auf dem
Sensor ergibt sich in bekannterweise aus der Verschiebung der
Bildebene (30) des optischen Systems (29) δ x′′:
Die Empfindlichkeit des Systems ergibt sich aus dem Auflösungsvermögen
des Empfängers (31) und aus dem Abbildungsmaßstab
β. Das Auflösungsvermögen eines CCD-Sensors ist bestimmt
durch den Abstand zweier benachbarter Einzelelemente
Δ x des Sensors. Aus dem empfängerseitigen Auflösungsvermögen
(Unschärfenkreisdurchmesser Δ x) errechnet sich mit
der relativen Öffnung des optischen Systems (29) Ω
ein Tiefenschärfebereich in der Bildebene (30):
Durch die Neigung des Sensors (31) gegen die optische Achse
um den Winkel γ′ verkleinert sich dieser Bereich:
Daraus folgt für die Tiefenschärfe in der Ebene (25) über den
Tiefenabbildungsmaßstab a₂:
sowie für die Tiefenschärfe t (22) in der Objektebene (22):
Dieser Wert entspricht der einstellbaren Genauigkeit der Fokusebene
des Objektivs unter der Voraussetzung, daß eine
Verschiebung der Lage des maximalen mittleren Kontrastes auf
dem Sensor um einen Zeilenabstand (= Δ x) detektierbar ist.
Ein Vergleich mit dem Auge als optischen Empfänger zeigt
(Auflösungsvermögen ≈ 0,15 mm in der deutlichen Sehweite
250 mm), daß mit der Anordnung des CCD-Sensors ein um mindestens
um den Faktor 10 besseres Auflösungsvermögen erreicht
wird. Am Auge ergibt sich als Hauptbestandteil der Tiefenschärfe
bei der visuellen Beobachtung (bei "relativ" geringen
Vergrößerungen ca. 5 . . . 50 ×) die sogenannte Akkomodationstiefe,
die durch Änderung der Brechkraft der Augenlinse erzielbare
Tiefenschärfe, die auch den Hauptfehler bei der
visuellen Einstellung eines scharfen Bildes darstellt.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur
lichtelektrischen Entfernungseinstellung besteht darin, aus
der Lage der Schnittlinien (11′′) der Ebenen (9) und (13)
(Fig. 3), die die örtliche Lage des maximalen mittleren Kontrastes
auf den Sensorflächen (13) bestimmen, ein Signal
abzuleiten, welches gestattet, das optische Gerät, in dem die
Vorrichtung integriert ist, automatisch zur Objektebene auszurichten.
Bei geneigter Objektebene (1′) sind die Bildebenen (5′) und
(9′) ebenfalls unter einem bestimmten Winkel, der abhängig
ist von der Objektebenenneigung, zur optischen Achse verkippt.
Dadurch ergeben sich unterschiedliche örtliche Lagen (11′′)
des maximalen mittleren Kontrastes auf den Sensorflächen (13),
deren Entfernung zu einem vorher festgelegten Punkt (Zeile)
auf dem Sensor ein Maß für die Neigung der optischen Achse
des Gerätes zur Objektebene darstellt.
Δ x≅ 20 umγ= γ′ = 45°a′= a
f₃= 50 mm
f₂= 100 mm
f₁= 200 mm
d₃= 20 mm
Vergrößerungssystem Γ ′ = 1
Mit diesen Werten (angenähert)
ergibt sich eine detektierbare
Fokusabweichung in der Objektebene
t ≅ 280µm
(zum Vergleich: die visuelle
Schärfentiefe beträgt
etwa ≈ 20 mm, wovon ca. 15 mm
akkomodationsbedingt sind)
Für Geräte mit visueller Beobachtung (Operationsmikroskope,
andere Mikroskope, optische Meßgeräte usw.) erfolgt die Abteilung
des Meßstrahlengangs (in den Fig. 1-7 im gestreckten
Strahlengang dargestellt) in bekannter Weise durch 90°-
halbdurchlässige Ablenkspiegel im parallelen Strahlengang
zwischen Objektiv und Tubusobjektiv.
Claims (8)
1. Optische Anordnung zur lichtelektrischen Entfernungseinstellung,
insbesondere für Operationsmikroskope, wobei
einer Objektebene eine erste abbildende Optik nachgeordnet
ist, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine
erste, der ersten abbildenden Optik nachgeordnete und
zu ihrer optischen Achse geneigte Einstellebene vorgesehen
ist, in der eine Mattscheibe angeordnet ist,
einer zweiten abbildenden Optik mindestens eine zweite
Einstellebene nachgeordnet ist, wobei die erste Einstellebene
über die zweite abbildende Optik in die zweite
Einstellebene abgebildet wird und in der zweiten Einstellebene
mindestens ein matrixförmiger, ortsauflösender
fotoelektrischer Empfänger vorgesehen ist, dessen
Zeilen parallel zur Schnittlinie der ersten Einstellebene
mit der Bildebene der ersten abbildenden Optik ausgerichtet
sind, die gegenseitige Lage von erster und zweiter
Einstellebene der Scheimpflugbedingung genügt, in
dem jedem Punkt der ersten Einstellebene ein Punkt der
zweiten Einstellebene konjugiert ist, und für jede Zeile
des matrixförmigen Empfängers über einen Rechner eine
Kontrastmittelwertbildung erfolgt.
2. Anordnung nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei
zueinander geneigte Mattscheiben in zwei zueinander geneigten
ersten Einstellebenen, deren Schnittlinien auf
der optischen Achse liegt, sowie zwei zueinander geneigte
Empfängeranordnungen in zwei zueinander geneigten
und der ersten Einstellebene konjugierten zweiten Einstellebenen
vorgesehen sind.
3. Anordnung nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß drei
Mattscheiben sowie drei Empfängeranordnungen vorgesehen
sind.
4. Anordnung nach Punkt 1, gekennzeichnet durch die Kaskadierung
von n Mattscheiben, in mehreren Paaren von
Einstellebenen, denen eine matrixförmige Empfängeranordnung
angeordnet ist.
5. Anordnung nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß
ein rasterförmiges Lichtquellenmuster im nicht sichtbaren
Wellenlängenbereich über einen Strahlenteiler
in die Objektebene abgebildet und mit dem Objekt in
die erste und zweite Einstellebene abgebildet wird.
6. Anordnung nach Punkt 5, dadurch gekennzeichnet, daß
auf das Objekt ein schmaler Spalt abgebildet wird, wobei
die matrixförmige Empfängeranordnung durch eine
parallel zu dem Spalt angeordnete Empfängerzeile ersetzt
wird.
7. Verfahren zur lichtelektrischen Entfernungseinstellung,
dadurch gekennzeichnet, daß bei Verschiebung der Objektebene
die Zeile maximalen mittleren Kontrastes der
matrixförmigen Empfängeranordnung ermittelt, die Lageveränderung
der Zeile maximalen mittleren Kontrastes
ermittelt und aus Richtung und Betrag der Auswanderung
ein Steuersignal für eine motorische Steuerung
der Fokussierung gebildet wird.
8. Verfahren zur lichtelektrischen Entfernungseinstellung
nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß durch die
Auswertung der Lage von mindestens zwei Streifen maximalen
mittleren Kontrastes auf den Empfängern eine
Neigung der Objektebene gegen die optische Achse der
ersten abbildenden Optik bestimmt wird sowie eine
Steuerung der Neigung des optischen Beobachtungs- oder
Meßgerätes zur Objektebene erfolgt.
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