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Die
Erfindung betrifft eine Anordnung zur Videomikroskopie von Objekten.
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Mikroskopische
Verfahren und Vorrichtungen zur Visualisierung von Organoberflächen,
insbesondere am bewegten Herzen sind in der Druckschrift:
Popp, Stehr, Spiegel, Deullen und Koch: Videofluorescence Microscopy
System for Observation of Surface Coronary Vessels in the Isolated
Rat Heart, Biomedizinische Technik 49, S. 164–165, 2004,
beschrieben, wobei ein Auflichtmikroskop mit einer Quecksilberdampflampe, ein
10 × Objektiv und ein Filterblock für die Fluoreszenzmikroskopie
eingesetzt werden, um eine mikroskopische Aufnahme vorzunehmen.
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Dabei
erfolgen eine Bewegung des auf unendlich eingestellten Mikroskopobjektivs
mittels einer Piezoverstelleinheit und eine Abbildung mittels einer
Tubuslinse auf eine Kamera.
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Die
Piezoverstelleinheit ist zwischen dem Mikroskoptubus und dem Objektiv
für die automatische Fokussierung während der
Aufnahme eingebracht. Mit ihr kann eine Verstellung des Objektivs über
eine größere Distanz entlang der optischen Achse
durchgeführt werden. Das Stellsignal für die Piezoverstelleinheit
wird von einem Regelalgorithmus erzeugt, der das Signal einer mitbewegten
Lichtschranke im Arbeitsabstand des Objektivs auswertet. Die Lichtschranke
besteht aus zwei mit einer LED beleuchteten, voneinander beabstandeten Siliziumdetektoren.
Die gemessene Beleuchtungsintensität des unteren Detektors
ist eine Funktion der Abweichung der Organoberfläche aus
der Fokuslage. Der obere Detektor dient als Referenz und hat die
Funktion eines Schalters, der die Regelung abschaltet, wenn die
Herzoberfläche sich so weit in Richtung des Objektivs bewegt,
dass eine Ausregelung nicht mehr möglich ist. Die Bildaufnahme
erfolgt mit einer Video-CCD-Kamera.
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Ein
Problem besteht darin, dass die schnelle Bewegung des Objektivs
hohe Kräfte erfordert und somit zu Schwingungen der gesamten
Vorrichtung führt. Außerdem ist der Energieaufwand
zur Verstellung des Objektivs mittels der elektrisch angetriebenen
Piezoverstelleinheit relativ groß.
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Die
Darstellung von Organen hat zu neuer Einsicht in deren Funktion
geführt. Die Darstellung von Herz und Lunge weist aber
das zusätzliche Problem auf, dass durch die natürliche
Bewegung der Organe eine scharfe Darstellung häufig nicht
möglich ist.
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Ein
Problem der darin beschriebenen Linsen besteht darin, dass sich
bei Fokussierung der Abbildungsmaßstab ändert
und eine Vermessung von Objekten deshalb schwierig ist.
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Abhilfe
soll mit telezentrischen Abbildungsanordnungen, die z. B. in der Druckschrift
Max Born: Principles of Optics, 7th Edition, S. 200, ISBN 0521642221 beschrieben
sind, geschaffen werden.
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Aber
ein Problem der dort beschriebenen Anordnungen besteht darin, dass
sie nur durch mechanische Bewegung mit den oben beschriebenen Problemen
durch Schwingungen und Energieaufwand fokussierbar sind.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur Videomikroskopie
von Objekten anzugeben, die derart geeignet ausgebildet ist, dass
eine schnelle und vibrationsarme Scharfstellung insbesondere auf
bewegte Objekte gewährleistet werden kann. Außerdem
soll eine einfache Vermessung der Oberflächen von bewegten
Objekten ermöglicht werden.
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Die
Aufgabe wird mit den Merkmalen nach Patentanspruch 1 gelöst.
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Die
Anordnung zur Videomikroskopie von Objekten umfasst
- – ein Abbildungs-Linsensystem mit einer Brennweite
f1 zur Abbildung der Objekte G und
- – ein zweites Linsensystem mit einer Brennweite f2, das nach dem Abbildungs-Linsensystem platziert
ist und das zur Erzeugung eines Bildes B der Objekte G auf einer
Aufnahmefläche eines Detektors vorgesehen ist,
wobei
gemäß dem Kennzeichenteil des Patentanspruchs
1
das zweite Linsensystem im hinteren Brennpunkt F'1 des Abbildungs-Linsensystems angeordnet
und mit einer variablen Brennweite f2 ausgebildet
ist, wobei das zweite Linsensystem und das Abbildungs-Linsensystem
ein fokussierbares telezentrisches Abbildungssystem bilden und die
Positionen P1, P2 der
Objekte G, auf die das Abbildungs-Linsensystem in Verbindung mit
dem zweiten Linsensystem fokussiert, veränderbar sind,
und das zweite Linsensystem die Distanz D zum jeweiligen positionsveränderten
Objekt G unter Beibehaltung eines konstanten Abbildungsverhältnisses
bei variierbarer Brennweite einstellt.
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Die
Brennweitensteuerung des zweiten Linsensystems kann von einer Steuereinrichtung
ausgehen, die einerseits mit dem zweiten Linsensystem und andererseits
mit einer Einrichtung zur Bestimmung der Distanz D, wobei die Distanz
D der jeweiligen Lageverschiebung der Brennebene FE des
zweiten Linsensystems zwischen den fokussierbaren Positionen P des
jeweiligen Objekts G entspricht, in Verbindung steht und eine zur
Distanz D korrespondierende Steuergröße an das
zweite Linsensystem anlegt.
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Zur
Reduzierung von Abbildungsfehlern kann das Abbildungs-Linsensystem
ein Linsen-Dublett oder Linsen-Triplett darstellen.
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Das
zweite Linsensystem kann eine elektrisch steuerbare Linse sein,
deren Brennweite f2 mittels elektrischer
Wechselspannung U veränderbar ist.
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Dabei
stellt das zweite Linsensystem eine Aperturblende für das
Abbildungs-Linsensystem dar.
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Das
brennweitensteuerbare Linsensystem stellt die Distanz D zum jeweiligen
positionsveränderlichen Objekt G ein und ermöglicht
durch ihre Lage im hinteren Brennpunkt F'1 des
Abbildungs-Linsensystems ein konstantes Abbildungsverhältnis
m = B/G.
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Der
Detektor kann eine Video-CCD-Kamera sein.
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Das
Objekt G kann ein tierisches oder menschliches Organ oder ein Teil
davon oder eine Fläche eines Organs sein.
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Hinter
dem zweiten variablen Linsensystem kann ein drittes Linsensystem
zur Erzeugung des Bildes B des Objekts G auf der Aufnahmefläche
des Detektors angeordnet sein.
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Die
Anordnung eines variablen Linsensystems im hinteren Brennpunkt eines
ersten Abbildungs-Linsensystems verändert nicht das Abbildungsverhältnis,
sondern nur die Lage der vorderen Hauptebene und damit die Ebene,
auf die ein optisches Abbildungssystem aus dem Abbildungs-Linsensystem
und dem zweiten Linsensystem fokussiert.
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Der
Einsatz des zweiten Linsensystems mit variabler Brennweite führt
zu einem Verzicht auf mechanische Bewegung von schweren Linsen oder
Objektiven.
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Durch
die Anordnung des variablen zweiten Linsensystems im hinteren Brennpunkt
der Abbildungslinse bleibt auch der Abbildungsmaßstab konstant
und die Abbildung ist telezentrisch, d. h., der Abbildungsmaßstab
bleibt konstant, auch wenn das Objekt nicht in der Fokusebene liegt.
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Die
Erfindung ermöglicht es des Weiteren, dass das brennseitenvariable
Linsensystem nur sehr wenig Energie benötigt, die bei einem
Computeranschluss einfach über eine USB-Schnittstelle versorgt
werden kann, wogegen der Piezoantrieb nach dem Stand der Technik
eine recht hohe Leistungsaufnahme hat.
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Mit
der Erfindung ist somit eine telezentrische Abbildung mit variabler
Distanz D zu jeweiligen Ebene des Objekts im objektseitigen Bereich
vorhanden.
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Das
Signal zur Steuerung des brennweitenvariablen zweiten Linsensystems
auf die Position des jeweiligen Objekts kann in herkömmlicher
Weise für die Einrichtung zur Bestimmung der Distanz D
aus der Schärfe des Bildes bei Veränderung der
Stärke des brennweitenvariablen Linsensystems gewonnen
werden, wie dies in jeder Autofokus-Kamera geschieht. Alternativ
kann dieses Signal nach dem Prinzip der Triangulationssensoren durch
einen eingespiegelten Strahl in den Strahlengang gewonnen werden.
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Dabei
kann in die Einrichtung zur Bestimmung der Distanz D die Aufofokus-Anordnung
oder das Triangulationssensorensystem integriert sein.
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Alternativ
kann das zweite Linsensystem seine Brennweite nicht nur durch elektrische
Größen, sondern auch durch anlegbare Druckkräfte
oder andere physikalischer Kräfte ändern, dementsprechend
kann der Aufbau der Steuereinrichtung auf die Weitergabe von Druckkräften
und anderen physikalischen Kräften, z. B. magnetischen
Kräften, an das zweite Linsensystem ausgerichtet sein.
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Eine
Verwendung der erfindungsgemäßen Anordnung mit
der telezentrischen Abbildung bei variabler Fokusebenenlage FE kann zur Darstellung von Gefäßen
im Tiermodell oder am isolierten Organ und zur Darstellung von Alveolen
im Thorax beatmeter Tiere oder an der isolierten Lunge vorgesehen
werden.
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Vorzugsweise
können damit die Organoberflächen mit konstanter
Vergrößerung vermessen werden.
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Alle
in die erfindungsgemäße Anordnung eingesetzten
Linsensysteme können auch als einzelne Linsen ausgebildet
sein.
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Die
Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels mittels
mehrerer Zeichnungen näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen
Anordnung mit einer zweiten Linse mit variabler Brennweite mit folgenden
Parametern: einem ersten angelegten Wechselspannungswert von 32 V,
einer Gesamtbrennweite fges = 25,56 mm und
einer numerischen Apertur NA = 0,06037,
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2 eine
schematische Darstellung der erfindungsgemäßen
Anordnung mit einer zweiten Linse mit variabler Brennweite mit folgenden
Parametern: einem zweiten angelegten Wechselspannungswert von 60
V, einer Gesamtbrennweite fges = 25,56 mm
und einer numerischen Apertur NA = 0,06037, wobei 2a einen Millimetermaßstab
angibt, und
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3 eine
schematische Darstellung eines Abbildungssystems innerhalb der erfindungsgemäßen
Anordnung mit den Hauptebenen H1, H2, H11, H12, H21 und H22.
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Im
Folgenden werden die 1 und 2 gemeinsam
betrachtet. In den 1 und 2 ist eine erfindungsgemäße
Anordnung 10 zur Videomikroskopie von Objekten G dargestellt,
die
- – ein Abbildungs-Linsensystem 2 mit
einer Brennweite f1 zur Abbildung der Objekte
G und
- – ein zweites Linsensystem 3 mit einer Brennweite
f2, das nach dem Abbildungs-Linsensystem 2 platziert ist
und das zur Erzeugung eines Bildes B der Objekte G auf einer Aufnahmefläche 5 eines
Detektors 6 vorgesehen ist,
umfasst.
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Erfindungsgemäß ist
das zweite Linsensystem 3 im hinteren Brennpunkt F'1 des Abbildungs-Linsensystems 2 angeordnet
und mit einer variablen Brennweite f2 ausgebildet,
wobei das zweite Linsensystem 3 und das Abbildungs-Linsensystem 2 ein
fokussierbares telezentrisches Abbildungssystem 7 bilden
und die Positionen P1, P2 der
Objekte G, auf die das Abbildungs-Linsensystem 2 in Verbindung
mit dem zweiten Linsensystem 3 fokussiert, veränderbar
sind, und stellt das zweite Linsensystem 3 die Distanz
D zum jeweiligen positionsveränderten Objekt G unter Beibehaltung
eines konstanten Abbildungsverhältnisses m = B/G = const
bei variierbarer Brennweite f2 ein.
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Die
Brennweitensteuerung des zweiten Linsensystems 3 kann von
einer Steuereinrichtung 8 ausgehen, die einerseits mit
dem zweiten Linsensystem 3 und andererseits mit einer Einrichtung 9 zur
Bestimmung der Distanz D, wobei die Distanz D der jeweiligen Lageverschiebung 11 der
Brennebene FE des zweiten Linsensystems 3 zwischen
den fokussierbaren Positionen P1, P2 des jeweiligen Objekts G eines Organs 1 entspricht,
in Verbindung steht und die eine mit der Distanz D korrespondierende
Wechselspannung U an das zweite Linsensystem 3 anlegt.
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Das
Abbildungs-Linsensystem 2 kann ein Linsen-Triplett darstellen.
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Das
zweite Linsensystem 3 ist als eine elektrisch steuerbare
Linse ausgebildet, deren Brennweite f2 mit
elektrischer Wechselspannung U verän derbar ist, wobei die
Wechselspannung von der Steuereinrichtung 8 geliefert wird.
Das zweite Linsensystem 3 kann auch als eine einfache zweite
Linse ausgebildet sein.
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Die
zweite Linse 3 kann durch ihren geringen Durchmesser DL als Aperturblende für das Abbildungs-Linsensystem 2 eingesetzt
sein.
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Die
brennweitensteuerbare zweite Linse 3 kann die Distanz D
zum jeweiligen positionsveränderten Objekt G einstellen
und durch ihre Lage im hinteren Brennpunkt F'1 des
Abbildungs-Linsensystems 2 das konstante Abbildungsverhältnis
m = B/G ermöglichen.
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Als
Detektor 6 kann eine Video-CCD-Kamera eingesetzt sein,
die mit der Steuereinrichtung 8 in Verbindung steht.
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Das
Objekt G kann ein tierisches oder menschliches Organ 1 oder
ein Teil davon oder eine Fläche eines Organs 1 sein.
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In
den 1, 2 weist die erste positive Linse 2 oder
das erste Linsensystem, welches die Abbildung des Objekts G des
bewegten Organs 1 bewirkt, eine Brennweite f1 auf.
Die zweite Linse 3 mit variabler Brechweite f2 steht
im hinteren Brennpunkt F'1 der ersten Linse 2 oder
des ersten Linsensystems und wirkt als Aperturblende der Anordnung 10.
Hinzugefügt ist eine dritte Linse 4 oder ein drittes
Linsensystem, welches die Abbildung des Objekts G auf eine Kamera 6 bzw.
Zwischenbildebene bewirkt. Dieses dritte optische Linsensystem 4 kann
dazu genutzt werden, vorhandene Abbildungsfehler, insbesondere Farbfehler
und Bildfeldkrümmung auszugleichen.
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In
der
Druckschrift Hecht: Optik S. 227, ISBN3-925118-86-1 sind
Linsenkombinationen aus dünnen Linsen mit einer Gesamtbrennweite
f
ges beschrieben, die sich bei einer ersten
Linse
2 mit der Brennweite f
1 und einer
zweiten Linse
3 mit der Brennweite f
2 berechnet
aus:
wobei
f
1 und f
2 fest vorgegebene
Brennweiten der ersten Linse
2 bzw. der zweiten Linse
3 sind
und d der Abstand der Hauptebenen H
12 und
H
21 der beiden Linsen
2 und
3 Ist.
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Ist
der Abstand d der Hauptebenen H
12 und H
21 gleich der Brennweite f
1 der
ersten Linse
2, so wird bei d = f
1 aus
Gleichung (I)
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Wie
in 3 gezeigt ist und dieser Umstand wird erfindungsgemäß für
die Videomikroskopie von Objekten genutzt, hängt die Brennweite
fges = f1 dieser
Linsenkombination, die das fokussierbare telezentrische Abbildungssystem 7 darstellt,
nicht mehr von der Brechkraft der zweiten mit variabler Brennweite
f2 ausgebildeten Linse 3 ab.
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Ein
solches in
3 dargestelltes Abbildungssystem
7 aus
den zwei Linsen
2,
3 kann auch als dicke Linse
7 mit
zwei Hauptebenen H
1 und H
2 betrachtet
werden. Die Abstände der Hauptebenen H
1 und
H
2 des Abbildungssystems
7 von
den Hauptebenen H
11 bzw. H
22 der
Einzellinsen
2,
3 kann bei vorgegebenen Brennweiten
f
1, f
2 nach Gleichung
(III) berechnet werden:
dies vereinfacht
sich mit Gleichung (II) zu:
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Dies
bedeutet, dass die hintere Hauptebene H2 des
Abbildungssystems 7 im Abstand d vor der Hauptebene H22 der ersten Linse 2 liegt und
damit unabhängig von der Brennweite f2 der
zweiten variablen Linse 3 immer in etwa mit der hinteren
Hauptebene H12 der vorderen ersten Linse 2 übereinstimmt,
wobei H11 die vordere Hauptebene der ersten
Linse 2 ist.
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Erfindungsgemäß verschiebt
sich die Lage
11 (Pfeilrichtung) der vorderen Hauptebene
H
1 durch Änderung der Brennweite
f
2 der variablen zweiten Linse
3.
Wird zum Kehrwert der Brennweite f
2, der
Brechkraft φ2 = 1/f
2 übergegangen,
so ändert sich die Lage
11 der vorderen Hauptebene
H
1 proportional zu der Brechkraft φ
2 der variablen zweiten Linse
3:
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Wird
z. B. von der zweiten Linse 3 mit der vorgegebenen variablen
Brechkraft φ2 von 10 dpt ausgegangen,
so kann damit die Lage 11 der vorderen Hauptebene H1 und somit die Lage 11 der Fokusebene
FE bei einer zweiten Linse 3 von
einer Brennweite f2 = 25 mm um eine Distanz
D von 6,25 mm verändert werden. Bei einer Brennweite von
f2 = 10 mm kann die Lage 11 der
Fokusebene FE immer noch um eine Distanz
D = 1 mm verändert werden.
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Da
die Brennweite und die Lage der hinteren Hauptebene H2 des
Abbildungssystems 7 konstant bleiben, ändert sich
der Abbildungsmaßstab m = B/G nicht. Da die zweite Linse 3 einen
kleinen Durchmesser DL hat, wirkt sie als
Aperturblende in der erfindungsgemäßen Anordnung 10.
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Durch
die Lage der zweiten Linse 3 im Brennpunkt F'1 der
ersten Linse 2 ist der Strahlengang der Anordnung 10 vorderseitig,
also objektseitig telezentrisch. Dies führt dazu, dass
auch Objekte G außerhalb der Fokusebene FE im
gleichen Maßstab m abgebildet werden.
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Die
Linsen 3 mit variabler Brennweite f2 weisen
teilweise erhebliche chromatische Fehler auf. Diese Fehler sind
aber häufig proportional zur Brechkraft. Damit ist es zweckmäßig,
die zweite Linse 3 um die Brechkraft „Null" zu
betreiben. Z. B. können dafür handelsübliche
Linsen mit einer Brechkraft zwischen –5 bis 5 dpt benutzt
werden. Es kann aber auch ein anderer Bereich verwendet werden,
wenn der mittlere Farbfehler durch andere optische Elemente, z.
B. durch die dritte Linse 4 ausgeglichen werden kann.
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Anwendungen
der erfindungsgemäßen Anordnung 10 mit
einer telezentrischen Abbildung bei variabler Fokusebenenlage FE können z. B. die Darstellung von
Gefäßen im Tiermodell oder am isolierten Organ 1 und
die Darstellung von Alveolen im Thorax beatmeter Tiere oder an der
isolierten Lunge sein. Die erfindungsgemäße Anordnung 10 erlaubt
den Blick auf die Organoberfläche mit konstanter Vergrößerung,
so dass die beobachteten Strukturen G der Organe 1 im Rückschluss
auch vermessen werden können. Des Weiteren kann die Anordnung 10 für
andere Anwendungen in der Messtechnik eingesetzt werden.
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Die
Funktionsweise der erfindungsgemäßen Anordnung 10 wird
im Folgenden anhand der 1, 2 und 3 näher
erläutert.
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In
den 1, 2 ist eine erfindungsgemäße
Anordnung 10 von Linsen 2, 3, 4 mit
variabler Fokusebene FE dargestellt. Das
Objekt G befinden sich auf der rechten Seite der jeweiligen 1, 2 und
ist z. B. ein Teil eines Organs 1. Bedingt durch den reliefartigen
Organaufbau werden die Distanzen D der Oberflächen (als
Objekte G) des Organs 1 mit einer Einrichtung 9 zur Bestimmung
der Distanz D aufgenommen. Durch Variation der Wechselspannung U
an der variablen Linse 3 ändert sich die Lage
der Fokusebene FE beträchtlich.
Von rechts nach links in den 1, 2 ist
zunächst ein erstes Abbildungs-Linsensystem 2 in Form
eines Linsen-Tripletts mit einer Brennweite f1 von
25 mm dargestellt. Danach ist die kleine zweite Linse 2 mit
variabler Brechkraft φ2 = 1/f2 angeordnet, gefolgt von einer weiteren
dritten Linse 4, die das Licht auf die Aufnahmefläche 5 einer
CCD-Kamera 6 fokussiert. Entsprechend den elektrischen
und optischen Daten: Wechselspannung U, Gesamtbrennweite fges, numerische Apertur NA sowie Maßeinheit
in Millimetern, wie in 2a mit Bezug auf die beiden 1, 2 gezeigt
ist, ändert sich dabei weder die Brennweite fges noch
die numerische Apertur NA der Anordnung 10, so dass neben
dem Abbildungsmaßstab m = B/G auch noch die Lichtmenge
konstant gehalten wird. Bei den angegebenen Daten wird die Wechselspannung
U an der zweiten Linse 3 von 32 V in 1 auf
60 V in 2 verändert. Dies entspricht
einer Änderung der Brechkraft um fast 30 dpt. Die Lage 11 der
Fokusebene FE bzw. der Hauptebene H1 ändert sich dabei um mehr als
17 mm. Für weißes Licht begrenzen allerdings die
chromatischen Fehler den zweckmäßigen Hub auf
ca. 10 dpt und damit auf ca. 6 mm. Dies ist aber für viele
Anwendungen mehr als ausreichend.
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- 1
- Organ
- 2
- Abbildungs-Linsensystem
- 3
- zweites
Linsensystem mit variabler Brennweite
- 4
- drittes
Linsensystem
- 5
- Aufnahmefläche
- 6
- Detektor
- 7
- Abbildungssystem
- 8
- Steuereinrichtung
- 9
- Einrichtung
zur Bestimmung der Distanz
- 10
- Anordnung
- 11
- Lage
- G
- Objekt
- B
- Bild
- d
- Hauptebenenabstand
H12 bis H21
- f1
- Brennweite
der ersten Linse
- f2
- Brennweite
der zweiten Linse
- F1
- vorderer
Brennpunkt der ersten Linse
- F'1
- hinterer
Brennpunkt der ersten Linse
- φ2
- Brechkraft
der zweiten Linse
- fges
- Gesamtbrennweite
- H1
- Hauptebene
des Abbildungssystems
- H2
- Hauptebene
des Abbildungssystems
- H11
- vordere
Hauptebene der ersten Linse 2
- H12
- hintere
Hauptebene der ersten Linse 2
- H21
- vordere
Hauptebene der zweiten Linse 3
- H22
- hintere
Hauptebene der zweiten Linse 3
- m
- Abbildungsmaßstab
- U
- Wechselspannung
- NA
- Numerische
Apertur
- FE
- Fokusebene
- P
- Position
- D
- Distanz
- DL
- Durchmesser
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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-
Zitierte Patentliteratur
-
- - EP 1478951
B1 [0007]
- - EP 1674892 A1 [0007]
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - Druckschrift:
Popp, Stehr, Spiegel, Deullen und Koch: Videofluorescence Microscopy
System for Observation of Surface Coronary Vessels in the Isolated
Rat Heart, Biomedizinische Technik 49, S. 164–165, 2004 [0002]
- - Druckschrift Max Born: Principles of Optics, 7th Edition,
S. 200, ISBN 0521642221 [0009]
- - Druckschrift Hecht: Optik S. 227, ISBN3-925118-86-1 [0048]